EP0108190A2 - Shock wave reflector - Google Patents

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EP0108190A2 EP19830106090 EP83106090A EP0108190A2 EP 0108190 A2 EP0108190 A2 EP 0108190A2 EP 19830106090 EP19830106090 EP 19830106090 EP 83106090 A EP83106090 A EP 83106090A EP 0108190 A2 EP0108190 A2 EP 0108190A2
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    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G10K11/18Methods or devices for transmitting, conducting, or directing sound
    • G10K11/26Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/28Sound-focusing or directing, e.g. scanning using reflection, e.g. parabolic reflector

Abstract

Reflektor zur Fokussierung von Stoßwellen zur berührungslosen Zerkleinerung von Konkrementen in Körpern von Reflector for focussing of shockwaves for the contactless comminution of concretions in the bodies of
Lebewesen, bei dem durch geeignete Materialauswahl und Geometrie ein Voreilen einer Transversalwelle im Reflektormaterial vor der Stoßwellenfront im Koppelmedium verhindert wird. wherein an advancing a transverse wave in the reflector material prior to the shock wave front is prevented in the coupling medium by suitable material selection and geometry of living beings.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Reflektor zur Fokussierung von Stoßwellen zur berührungsfreien Zerkleinerung von Konkrementen in Körpern von Lebewesen gemäß der deutschen Anmeldung P 23 51 247. The invention relates to a reflector for focussing of shockwaves for the contactless comminution of concretions in bodies of living beings according to the German patent application P 23 51 247th
  • Der Reflektor besitzt die Form eines Ellipsoids und hat die Aufgabe, Stoßwellen, die an einer Funkenstrecke im ersten Brennpunkt erzeugt werden und sich durch eine Flüssigkeit im Reflektor ausbreiten auf den zweiten Brennpunkt, in dem sich das zu zerstörende Konkrement zB ein Nierenstein befindet, zu fokussieren. The reflector has the shape of an ellipsoid and has to focus the object, shock waves, generated at a radio link in the first focal point and through a liquid in the reflector spread to the second focal point, in which the to be destroyed calculus example is a kidney stone, , Der Reflektor soll einen möglichst hohen Anteil der im ersten Brennpunkt erzeugten W ellenenergie möglichst phasenrichtig in den zweiten Brennpunkt übertragen. The reflector should elle energy in phase as possible in the second focus transmit a high proportion of W generated in the first focus.
  • Bekannt sind Reflektoren aus Messing mit einem Umschliessungswinkel von ca. 250°, wobei der volle Raumwinkel (4 π) zu etwa 90% ausgenutzt wird und einem Achsverhältnis a:b von ungefähr 2:1 (E. Schmiedt: Beiträge zur Urologie, Bd. 2, Seite 8-13, München 1980). are known reflectors made of brass with an angle of enclosure of 250 °, the full solid angle (4 π) is utilized to about 90% and an axial ratio a: b of about 2: 1 (E. Schmiedtberger: Contributions to Urology, Vol. 2, page 8-13, Munich 1980). Die Materialauswahl erfolgt aufgrund eines möglichst hohen Sprunges in der Schallimpedanz z = § · c (§ = Dichte; c = Schallgeschwindigkeit) zwischen Flüssigkeit und Reflektormaterial, um einen hohen Reflexionskoeffizienten zu erhalten. The choice of materials is due to an as high as possible jump in the acoustic impedance z = § · c (§ = density; c = speed of sound) between liquid and reflector material in order to obtain a high reflection coefficient. Die weiteren Randbedingungen wie Stabilität und leichte Bearbeitbarkeit haben bisher zur Verwendung von Messing geführt. The other conditions, such as stability and ease of processing have so far led to the use of brass.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reflektor zu schaffen, der Stoßwellen mit einem höheren Wirkungsgrad als die aus dem Stand der Technik bekannten Reflektoren fokussiert. The invention has for its object to provide a reflector of the shock waves with a higher efficiency focused as known from the state of the art reflectors.
  • Gelöst wird diese Aufgabe von einem Reflektor mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen. This object is achieved by a reflector with those specified in claim 1.
  • Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen. Embodiments of the invention are subject-matters of dependent claims.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass nicht der Sprung im Schallwellenwiderstand § · c allein die entscheidende Grösse für eine gute Fokussierung ist, sondern dass die Geschwindigkeiten der Schallwelle im Reflektormaterial und in der Flüssigkeit aufeinander abgestimmt sein müssen. The invention is based on the recognition that not the leap in sound wave resistance § * c alone is the decisive variable for a good focus, but that the speed of the sound wave in the reflector material in the liquid must be coordinated. Die auf die Oberfläche des Reflektors treffenden Wellen regen diesen ua zu Transversalschwingungen an, die sich mit charakteristischen Ausbreitungsgeschwindigkeiten im Reflektormaterial und an dessen Oberfläche ausbreiten. The striking the surface of the reflector waves excite these among others, to transverse oscillations propagating with characteristic propagation speeds in the reflector material and at its surface. Zu Störungen der reflektierten Wellenfront kommt es, wenn aufgrund von Laufzeitunterschieden die Reflexionsfläche bereits in Richtung der Flächennormalen schwingt, wenn die Primärwellenfront einläuft. Interference of the reflected wave front occurs when the reflective surface already oscillates due to delay differences in the direction of the surface normal when the primary wavefront enters.
  • Eine phasenrichtige Fokussierung in den zweiten Brennpunkt wird dann erreicht, wenn sich die Welle in der Flüssigkeit schneller als im Reflektor ausbreitet. An in-phase focusing in the second focal point is achieved when the shaft is in the liquid spreads faster than in the reflector. Die Wellenfront trifft dann stets auf eine ruhende Reflektoroberfläche. The wavefront then always strikes a stationary reflector surface.
  • Genäß der Erfindung können jedoch auch Materialien verwendet werden, deren transversale Oberflächengeschwindigkeit grösser als die Schallgeschwindigkeit im Koppelmedium zB Wasser ist, wenn nur die Voreilung der Oberflächenwelle durch die Geometrie des Reflektors durch Einhalten der im Anspruch 1 genannten Bedingung verhindert wird. However Genäß of the invention can also be used materials having a transverse surface speed greater than the speed of sound in the coupling medium, for example water, if only the advance of the surface acoustic wave is prevented by the geometry of the reflector by keeping the condition given in claim 1. Die reflektierte Nutzwelle bleibt dann selbst ungestört und behält die ursprüngliche Flankensteilheit der Primärwelle bei. The reflected desired wave remains undisturbed and even retains the original slope of the primary wave at. Alle übrigen Störungen - die zB durch die nachhinkende Oberflächenwelle erzeugt werden - folgen der Nutzwelle zeitlich verzögert und können den Fokussierungsvorgang nicht beeinträchtigen. All other problems - for example, generated by the lagging surface wave - follow the desired wave delayed and can not affect the focusing operation.
  • Erfindungsgemässe Reflektoren realisieren eine wesentlich bessere Fokussierung als bisher, da alle Wellenanteile sich phasenrichtig überlagern. Inventive reflectors achieve a much better focus than before, since all wave components overlap in phase. Die Flankensteilheit des Druckanstiegs, die für eine Zerkleinerung wesentlich ist, bleibt hoch. The slope of the pressure increase, which is essential for a crushing remains high. Die Zerkleinerungsleistung steigt, es sind weniger Applikationen als bisher notwendig, wodurch der Patient entlastet wird und die Standzeit der Funkenstrecke erhöht wird. The crushing performance increases, there are fewer applications than previously required, thus the patient is relieved and the service life of the spark gap is increased.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der einzigen Figur erklärt: An embodiment of the invention will be explained with reference to the single figure:
    • Die Figur zeigt schematisch einen menschlichen Körper 1 mit einem Nierenstein 6 in einer wassergefüllten Wanne 2. An der Unterseite der Wanne 2 ist ein ellipsoidförmiger Reflektor 3 mit den beiden Brennpunkten 4 und 5 befestigt, der ebenfalls mit Wasser gefüllt ist. The figure schematically shows a human body 1 with a kidney stone 6 in a water-filled trough 2. At the bottom of the pan 2 is an ellipsoidal reflector 3 having the two focal points 4 and 5 is mounted, which is also filled with water. Im Brennpunkt 4 im Inneren des Reflektors 3 befindet sich eine Funkenstrecke (nicht gezeigt), die durch Unterwasserentladung Stosswellen erzeugen kann. At the focal point 4 inside the reflector 3, a spark gap is located (not shown) that can be generated by underwater discharge shockwaves. Im zweiten Brennpunkt 5, ausserhalb des Reflektors, liegt das zu zerstörende Konkrement, zB der Nierenstein 6. Durch die Reflektorgeometrie ist der G renz- winkel ϕ max definiert. The second focal point 5, outside the reflector, the concrement to be destroyed, such as the kidney stone 6. Due to the geometry of the reflector G renz- angle φ max is defined. Wenn im Brennpunkt 4 eine Unterwasserentladung gezündet wird, entsteht eine Stosswellenfront 7, die sich kugelförmig ausbreitet und vom Reflektor 3 als reflektierte Stosswellenfront 9 auf den Nierenstein geleitet wird. at the focal point 4 when a sub water discharge is ignited, creates a shock wave front 7 which propagates spherically and is directed by the reflector 3 as a reflected shock wave front 9 to the kidney stone. Durch die hohen Druck- und Zugamplituden werden Teile des Nierensteins zum Abplatzen gebracht. The high pressure and Zugamplituden parts of the kidney stone are brought to flake. Eingezeichnet ist die Stosswellenfront 7, die gerade an den Punkten 8 die Reflektoroberfläche erreicht. Plotted is the shock wave front 7, which has just reached at the points 8, the reflector surface. Sie trifft momentan unter einem Winkel lp auf die Reflektoroberfläche. She meets currently at an angle lp on the reflector surface. Die auftretende Stosswellenfront 7 wird zum grössten Teil reflektiert (Front 9), erzeugt aber auch eine transversale Oberflächenwelle 10 (nicht maßstäblich gezeichnet), die sich in der Reflektoroberfläche ausbreitet (Pfeil). Occurring shock wave front 7 is for the most part reflected (front 9), but also create a transverse surface wave 10 (not drawn to scale), which propagates in the reflector surface (arrow). Bei erfindungsgemässer Material- und Geometrieauswahl läuft die Primärwelle 7 schneller über die Reflektoroberfläche als die störende Transversalwelle 10. Die Primärwelle 7 trifft daher immer auf ruhendes Oberflächenmaterial, sie wird ungestört reflektiert. For according to the invention material and geometry selection, the primary shaft 7 runs faster than the reflector surface than the disturbing transverse wave 10. The primary shaft 7 therefore encounters resting surface material, it is reflected undisturbed. Die reflektierte Wellenfront 9 behält die ursprüngliche Flankensteilheit im Druckanstieg. The reflected wavefront 9 retains the original slope in pressure increase. Alle reflektierten Anteile überlagern sich phasenrichtig. All reflected components are superimposed in phase. Für die Zerkleinerung des Steins 6 geht kaum Energie verloren. For crushing the stone 6 little energy is lost. Werden die erfindungsgemässen Bedingungen nicht eingehalten, so trifft die Primärwelle 7 auf schon von. If the novel conditions are not met, 7 meets the primary shaft on right from. der Oberflächenwelle 10 angeregte Teile des Reflektors. of the surface wave 10 excited parts of the reflector. Durch Wechselwirkung der Primärwelle 7 mit der Oberflächenwelle 10 wird die reflektierte Welle 9 in Amplitude und Phase gestört. By interaction of the primary shaft 7 with the surface of shaft 10, the reflected wave 9 is disturbed in amplitude and phase. Die Folge ist, dass Energie für die Zerkleinerung des Konkrements fehlt oder dass der Druckanstieg am Ort des Konkrements durch die nicht phasenrichtige Überlagerung der einzelnen Anteile zu langsam erfolgt, The consequence is that energy for crushing the calculus is missing or that the pressure increase at the location of the calculus too slow done by the non-phase superposition of the individual components,
    • 1. Die Bedingung c TO < c S wird erfüllt, wenn als Reflektormaterial Blei und als Koppelflüssigkeit Wasser verwendet wird. 1. The condition c TO <c S is met if it is used as a reflector material and lead as a coupling liquid water. Da die transversale Schallgeschwindigkeit in Blei mit 710 m/sec kleiner als die Schallgeschwindigkeit in Wasser mit 1480 m/sec ist, ist die sich ausbreitende Primärwelle 7 immer schneller als die Oberflächenwelle 10. Die Bedingung ist daher unabhängig von der Reflektorgeometrie immer erfüllt. Since the transverse speed of sound / sec in lead at 710 m / sec less than the speed of sound in water of 1480 m, the propagating primary shaft 7 is always faster than the surface of shaft 10. The condition is therefore always satisfied regardless of the reflector geometry. Ein kritischer Winkel K tritt nicht auf. A critical angle K does not occur. Es ist nicht notwendig, dass der ganze Reflektorkörper aus Blei hergestellt wird. It is not necessary that the whole reflector body is made of lead. Es reicht, wenn die innere Oberfläche des Reflektors aus einer Bleischicht besteht. It suffices if the inner surface of the reflector consists of a layer of lead.
    • 2. Die erfindungsgemässe Bedingung kann auch von Reflektoren aus einem Material erfüllt werden, dessen c TO > c S ist. 2. The inventive condition can also be met by reflectors made of a material whose c TO> S c is. Ein wassergefüllter Reflektor aus Zinn (c T0 = 1670 m/sec) mit den Halbachsen a = 12,5 cm und b = 7,5 cm erfüllt die erfindungsgemässe Bedingung, wenn der maximal auftretende Einfallswinkel ϕ max kleiner als der kritische Winkel ϕ K = 62,4° ist. A water-filled reflector made of tin (c T0 = 1670 m / sec) with the semi-axes a = 12.5 cm and b = 7.5 cm fulfills the inventive condition when the maximum occurring incident angle φ max φ is smaller than the critical angle K = 62.4 °.
    • 3. Der zum Stand der Technik gehörende Messingreflektor (c TO = 2120 m/sec) besitzt bei Wasserfüllung einen kritischen Winkel von 44,8°, jedoch einen maximalen Einfallswinkel von 53,1°. 3. However, which belongs to the prior art brass reflector (c TO = 2120 m / sec) at water filling has a critical angle of 44.8 °, a maximum angle of incidence of 53.1 °. Er erfüllt die erfindungsgemässe Bedingung nicht, eine optimale Fokussierung ist nicht gegeben. He does not meet the inventive condition, optimum focus is not given. Die Fokussierung kann bei gleichem Material verbessert werden durch Wahl des Achsenverhältnisses des Ellipsoids näher an 1 oder durch Verzicht auf Randzonen (kleinerer Umschliessungswinkel). The focusing can be improved with the same material by choice of the axial ratio of the ellipsoid closer to 1, or by sacrificing the edge zones (smaller angle of enclosure). Die Randzonen sind aber für die Übertragung äusserst wichtig und sollten nicht weggelassen werden. but the edge zones are extremely important for the transmission and should not be omitted.
  • In Analogie zur Schallmauer ergibt sich beim kritischen Winkel ϕ K die Situation, dass die Quelle der Oberflächenschwingung (die einlaufende Primärfront) sich auf der Re- flektorfläche mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit cTO der Oberflächenwelle selbst ausbreitet und damit phasenrichtig Energie in die Oberflächenwelle einkoppelt. In analogy to the sound barrier, the situation is at the critical angle φ K, that the source of surface vibration (the incoming primary front) on the re flektorfläche with the propagation speed CTO of the surface wave propagates itself and thus the correct phase energy couples into the surface wave. Erst wenn nach ' einer gewissen gemeinsamen zurückgelegten Strecke sich aufgrund der veränderten Reflektorgeometrie der Einfallswinkel f vergrössert, kann die jetzt energiereiche Oberflächenwelle der einfallenden Stoßwellenfront vorauseilen und ihre Energie nach Art des Mach'schen Kegels (modifiziert durch die gekrümmte Reflektorfläche) ausstrahlen und ua teilweise noch vor der eigentlichen Nutzwelle in den Fokusbereich einbringen. Only when enlarged by 'a certain common distance traveled due to the altered reflector geometry of the incident angle f, the now-energy surface wave can run ahead of the incident shock wave front and their energy on the type of Mach cone (modified by the curved reflector surface) emit and UA still partially bring into focus the field before the actual desired wave.

Claims (1)

  1. 1. Reflektor zur Fokussierung von Stoßwellen in einer Koppelflüssigkeit, zB Wasser, zur berührungslosen Zerkleinerung von Konkrementen in Körpern von Lebewesen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit c TO einer transversalen Oberflächenwelle im reflektierenden Material kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit c S in der den Reflektor füllenden Koppelflüssigkeit, oder dass die Geometrie und die Auswahl des reflektierenden Materials folgender Ungleichung genügen: 1. reflector for focusing the shock waves in a coupling liquid, for example water, for the contactless comminution of concretions in the bodies of living beings, characterized in that the propagation speed C to a transversal surface acoustic wave in the reflecting material is smaller than the sound velocity c S in of filling the reflector coupling fluid or that the geometry and the selection of the reflective material following inequality suffice:
    Figure imgb0001
    wobei ϕ max = maximal auftretender Einfallswinkel wherein φ max = maximum angle of incidence occurring
    Figure imgb0002
EP19830106090 1982-11-06 1983-06-22 Shock wave reflector Expired EP0108190B1 (en)

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