EP0256232B1 - Stosswellengenerator zum berührungslosen Zertrümmern von Konkrementen im Körper eines Lebenswesens - Google Patents

Stosswellengenerator zum berührungslosen Zertrümmern von Konkrementen im Körper eines Lebenswesens Download PDF

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EP0256232B1
EP0256232B1 EP87108117A EP87108117A EP0256232B1 EP 0256232 B1 EP0256232 B1 EP 0256232B1 EP 87108117 A EP87108117 A EP 87108117A EP 87108117 A EP87108117 A EP 87108117A EP 0256232 B1 EP0256232 B1 EP 0256232B1
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shock wave
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Siemens AG
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated

Definitions

  • the invention relates to a shock wave generator for a device for contactless crushing of concrements in the body of a living being, which has a coil with spirally arranged turns and an opposite, a liquid-filled space, made of an electrically conductive material membrane, the coil can be connected to a high voltage supply.
  • shock wave generator with a membrane arranged parallel to the coil is described in DE-OS 33 12 014.
  • the shock waves are generated by connecting the coil to the high-voltage supply, which converts one to several kV, e.g. 20 kV, charged capacitor contains.
  • the energy stored in the capacitor then suddenly discharges into the coil, with the result that the coil builds up a magnetic field extremely quickly.
  • a current is induced in the membrane which is opposite to the current flowing in the coil and consequently generates an opposing magnetic field, under the effect of which the membrane is suddenly moved away from the coil.
  • the so in the with liquid, e.g. Water, filled space shock wave generated by suitable measures on the concrements located in the body of the living being, e.g. Kidney stones, focuses and causes their destruction.
  • the known shock wave generator To achieve the greatest possible conversion of the electrical energy given off by the high-voltage supply into impulse energy, it is necessary in the known shock wave generator to mount the membrane as close as possible to the coil. However, this is only possible to a limited extent because of the inevitable potential difference between the coil and the membrane, since a minimum distance must be maintained in order to avoid voltage flashovers between the membrane and the coil. Voltage flashovers would impair the effect of the shock wave generator and lead to damage to the membrane, which adversely affects its service life. In the case of the known shock wave generator, the distance between the membrane and the coil must therefore be chosen in the interest of a sufficient lifespan of the membrane so that only an unsatisfactory efficiency is achieved when converting the electrical energy into shock energy.
  • the invention has for its object to design a generic shock wave generator so that its membrane has a long service life without being associated with a significant reduction in the efficiency of energy conversion.
  • this object is achieved in that the coil consists of two cascaded, covering, lying in parallel areas, the direction of current and winding of the two layers of the coil are matched to each other in terms of strengthening their magnetic field, and that the Membrane the smaller potential difference layer of the coil of the membrane is arranged directly opposite.
  • the invention takes advantage of the fact that the high voltage drops across the coil, which in the case of a two-layer coil has the result that there is a maximum potential difference between at least one layer of the coil and the membrane, which is less than that for the same amount of High voltage between the membrane and a single-layer coil maximum potential difference.
  • the coil builds in due to the fact that its two layers are connected one behind the other and lying in a covering manner in parallel areas, the current and winding directions of the two layers being matched to one another in the sense of strengthening their magnetic field, with the same amount of high voltage and the same coil diameter stronger magnetic field than a single-layer coil, which induces larger eddy currents in the membrane and builds up a stronger magnetic opposing field, which ultimately results in the formation of stronger shock waves in the liquid-filled space.
  • the invention albeit partially or completely dispensing with an improved high-voltage strength - allows: to convert a larger electrical energy into impulse energy, or to realize shorter rise times of the shock wave with the same electrical energy, since that in the high-voltage supply located capacitor can be charged to a higher charging voltage than a shock wave generator with a single-layer coil.
  • the capacitor can either give off a larger energy, which increases with the square of the charging voltage, or its capacity can be reduced with the same available energy, as a result of which the resonant circuit formed by the coil and the capacitor has a higher natural frequency, which leads to a shorter rise time of the current flowing through the coil and thus to a shorter rise time of the shock wave, which is quite desirable when crushing concrements.
  • the two layers of the coil are wound in opposite directions, their innermost turns are connected to one another and their respective outermost turns are connected to the high-voltage supply. It is thus achieved that the coil can be produced in a simple manner and has a small thickness, since an otherwise required special connection between the two layers of the coil can be omitted. With regard to the manufacture of the coil, it is also particularly expedient if both layers of the coil have the same number of turns. According to one embodiment of the invention it is provided that the outermost turn of the position of the coil with the membrane directly opposite the membrane is at the same potential, the membrane being at earth potential according to a last variant of the invention. It is thus ensured that there is no high voltage on the liquid in the room, which may come into contact with the living being or the operating personnel.
  • the shock wave generator has a housing 1 which contains a space 3 filled with a liquid and closed off by a membrane 2. Opposite the membrane 2 formed from an electrically conductive material, a coil 4 with spirally arranged turns is provided, an insulating film 5 being arranged between the membrane 2 and the coil 4. The turns of the coil 4 are arranged on a support surface 6 of an insulator 7, which is accommodated in a cap 8. The membrane 2, the insulating film 5 and the cap 8 containing the insulator 7 with the coil 4 are fastened to the housing 1 by means of screws 9.
  • the space between the insulating film 5 and the support surface 6 of the insulator 7 is filled with an electrically insulating cast resin (not shown for the sake of clarity).
  • the coil 4 can be connected via connections 10 and 11, which come out through holes in the insulator 7 and the cap 8, by means of a suitable switching means 12 to a schematically illustrated high-voltage supply 13, which emits a current surge to the coil 4, as a result of which the membrane 2 is suddenly repelled by the coil 4, which leads to the formation of a shock wave in the liquid in the space 3.
  • a suitable switching means 12 to a schematically illustrated high-voltage supply 13 which emits a current surge to the coil 4, as a result of which the membrane 2 is suddenly repelled by the coil 4, which leads to the formation of a shock wave in the liquid in the space 3.
  • potential differences occur between the membrane 2 and the individual turns of the coil 4.
  • the coil 4 consists of two layers 14 and 15, which are arranged lying in parallel planes.
  • the two layers 14 and 15 of the coil 4 are wound in opposite directions and connected in series by connecting their innermost windings 16 and 17, so that the magnetic fields of both layers 14 and 15 of the coil 4 reinforce each other when they pass through their respective outermost windings 18 and 19 the high voltage supply 13 are connected.
  • the two layers 14 and 15 of the coil 4 have the same number of turns.
  • the outermost turn 18 of the layer 14 of the coil 4 which is directly adjacent to the membrane 2 is at the same potential as the membrane 2, namely earth potential 20. Accordingly, there is a smaller potential difference between the layer 14 of the coil 4 which is immediately adjacent to the membrane 2 than between the membrane 2 and the layer 15 of the coil 4 removed from this.
  • shock wave generator with a flat membrane 2 is shown. But it is also possible to use shock wave generators with different types, e.g. spherically shaped membrane according to the invention.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Stoßwellengenerator für eine Einrichtung zum berührungslosen Zertrümmern von Konkrementen im Körper eines Lebewesens, welcher eine Spule mit spiralförmig angeordneten Windungen und eine dieser gegenüberliegende, einen mit einer Flüssigkeit gefüllten Raum abschließende, aus einem elektrisch leitenden Werkstoff gebildete Membran aufweist, wobei die Spule an eine Hochspannungsversorgung anschließbar ist.
  • Ein solcher Stoßwellengenerator mit einer parallel zu der Spule angeordneten Membran ist in der DE-OS 33 12 014 beschrieben. Dabei werden die Stoßwellen dadurch erzeugt, daß die Spule an die Hochspannungsversorgung angeschlossen wird, die einen auf mehrere kV, z.B. 20 kV, aufgeladenen Kondensator enthält. Die in dem Kondensator gespeicherte Energie entlädt sich dann schlagartig in die Spule, was zur Folge hat, daß die Spule äußerst schnell ein magnetisches Feld aufbaut. Gleichzeitig wird in der Membran ein Strom induziert, der dem in der Spule fliessenden Strom entgegengesetzt ist und demzufolge ein magnetisches Gegenfeld erzeugt, unter dessen Wirkung die Membran schlagartig von der Spule wegbewegt wird. Die so in dem mit Flüssigkeit, z.B. Wasser, gefüllten Raum erzeugte Stoßwelle wird durch geeignete Maßnahmen auf die im Körper des Lebewesens befindlichen Konkremente, z.B. Nierensteine, fokussiert und bewirkt deren Zertrümmerung.
  • Um eine möglichst weitgehende Wandlung der von der Hochspannungsversorgung abgegebenen elektrischen Energie in Stoßenergie zu erreichen, ist es bei dem bekannten Stoßwellengenerator erforderlich, die Membran möglichst nahe an der Spule anzubringen. Dies ist jedoch wegen der zwischen der Spule und der Membran zwangsläufig vorliegenden Potentialdifferenz nur bedingt möglich, da zur Vermeidung von Spannungsüberschlägen zwischen Membran und Spule ein Mindestabstand eingehalten werden muß. Spannungsüberschläge würden die Wirkung des Stoßwellengenerators beeinträchtigen und zu Beschädigungen der Membran führen, die deren Lebensdauer nachteilig beeinflussen. Bei dem bekannten Stoßwellengenerator muß daher im Interesse einer ausreichenden Lebensdauer der Membran der Abstand zwischen der Membran und der Spule so gewählt werden, daß sich bei der Wandlung der elektrischen Energie in Stoßenergie nur ein unbefriedigender Wirkungsgrad einstellt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Stoßwellengenerator so auszubilden, daß dessen Membran eine hohe Lebensdauer aufweist, ohne daß damit eine nennenswerte Minderung des Wirkungsgrades der Energiewandlung verbunden ist.
  • Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß die Spule aus zwei hintereinandergeschalteten, sich dekkenden, in parallelen Flächen liegenden Lagen besteht, wobei Strom-und Wicklungsrichtung der beiden Lagen der Spule im Sinne einer Verstärkung ihres Magnetfeldes aufeinander abgestimmt sind, und daß die zu der Membran die kleinere Potentialdifferenz aufweisende Lage der Spule der Membran unmittelbar gegenüberliegend angeordnet ist. Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, daß die Hochspannung über der Spule abfällt, was im Falle einer zweilagigen Spule zur Folge hat, daß zwischen wenigstens einer Lage der Spule und der Membran eine maximale Potentialdifferenz vorliegt, die geringer ist als die bei gleichem Betrag der Hochspannung zwischen der Membran und einer einlagigen Spule vorliegende maximale Potentialdifferenz. Spannungsüberschläge zwischen der Membran und der Spule können demzufolge trotz eines geringen Abstandes der Membran von der Spule vermieden werden, wenn jene Lage der Spule, die zu der Membran die kleinere Potentialdifferenz aufweist, der Membran unmittelbar gegenüberliegend angeordnet ist. Außerdem baut die Spule infolge des Umstandes, daß ihre beiden Lagen hintereinandergeschaltet und sich deckend in parallelen Flächen liegend angeordnet sind, wobei Strom-und Wicklungsrichtung der beiden Lagen im Sinne einer Verstärkung ihres Magnetfeldes aufeinander abgestimmt sind, bei gleichem Betrag der Hochspannung und gleichem Spulendurchmesser ein stärkeres Magnetfeld als eine einlagige Spule auf, wodurch größere Wirbelströme in der Membran induziert werden und ein stärkeres magnetisches Gegenfeld aufgebaut wird, was schließlich die Ausbildung von stärkeren Stoßwellen in dem mit Flüssigkeit gefüllten Raum zur Folge hat. Durch die Erfindung werden somit Spannungsüberschläge zwischen der Spule und der Membran wirksam vermieden, was zu einer erhöhten Lebensdauer der Membran führt, ohne daß der Wirkungsgrad der Energiewandlung von elektrischer Energie in Stoßenergie in einem für die Praxis nennenswerten Umfang sinkt. Zugleich werden bei gegebenem Betrag der Hochspannung höhere Stoßwellendrücke erzielt, bzw. kann der Betrag der Hochspannung bei gleichem Stoßwellendruck gegenüber dem bekannten Stoßwellengenerator verringert werden, wodurch eine weitere Verringerung des Abstandes zwischen der Membran und der ihr benachbarten Lage der Spule möglich wird.
  • Es sei erwähnt, daß es die Erfindung - allerdings unter teilweisem oder vollständigem Verzicht auf eine verbesserte Hochspannungsfestigkeit -.: erlaubt, eine größere elektrische Energie in Stoßenergie umzuwandeln, bzw. bei gleicher elektrischer Energie geringere Anstiegszeiten der Stoßwelle zu realisieren, da der in der Hochspannungsversorgung befindliche Kondensator auf eine gegenüber einem Stoßwellengenerator mit einer einlagigen Spule höhere Ladespannung aufgeladen werden kann. Somit kann der Kondensator entweder eine größere, mit dem Quadrat der Ladespannung wachsende Energie abgeben oder seine Kapazität kann bei gleicher zur Verfügung stehender Energie verkleinert werden, wodurch der durch die Spule und den Kondensator gebildete Schwingkreis eine höhere Eigenfrequenz aufweist, was zu einer kürzeren Anstiegszeit des durch die Spule fließenden Stromes und damit zu einer kürzeren Anstiegszeit der Stoßwelle führt, was beim Zertrümmern von Konkrementen durchaus wünschenswert ist.
  • Nach einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß die beiden Lagen der Spule gegensinnig gewickelt, ihre jeweils innersten Windungen miteinander verbunden und ihre jeweils äußersten Windungen an die Hochspannungsversorgung angeschlossen sind. Es wird so erreicht, daß die Spule auf einfache Weise herstellbar ist und eine geringe Dicke aufweist, da eine andernfalls erforderliche besondere Verbindung zwischen den beiden Lagen der Spule entfallen kann. Besonders zweckmäßig im Hinblick auf die Herstellung der Spule ist es auch, wenn beide Lagen der Spule die gleiche Windungszahl besitzen. Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die äußerste Windung der der Membran unmittelbar gegenüberliegenden Lage der Spule mit der Membran auf gleichem Potential liegt, wobei nach einer letzten Variante der Erfindung die Membran auf Erdpotential liegt. Es ist so sichergestellt, daß an der in dem Raum befindlichen Flüssigkeit, die unter Umständen mit dem Lebewesen bzw. dem Bedienungspersonal in Berührung kommen kann, keine Hochspannung anliegt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, deren einzige Figur einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Stoßwellengenerator zeigt.
  • Der erfindungsgemäße Stoßwellengenerator weist ein Gehäuse 1 auf, das einen mit einer Flüssigkeit gefüllten, durch eine Membran 2 abgeschlossenen Raum 3 enthält. Der aus einem elektrisch leitenden Werkstoff gebildeten Membran 2 gegenüberliegend ist eine Spule 4 mit spiralförmig angeordneten Windungen vorgesehen, wobei zwischen der Membran 2 und der Spule 4 eine Isolierfolie 5 angeordnet ist. Die Windungen der Spule 4 sind auf einer Auflagefläche 6 eines Isolators 7 angeordnet, der in einer Kappe 8 aufgenommen ist. Die Membran 2, die Isolierfolie 5 und die den Isolator 7 mit der Spule 4 enthaltende Kappe 8 sind mittels Schrauben 9 an dem Gehäuse 1 befestigt. Zur Fixierung der Spule 4 an der Auflagefläche 6 des Isolators 7 ist der zwischen der Isolierfolie 5 und der Auflagefläche 6 des Isolators 7 befindliche Raum mit einem der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten elektrisch isolierenden Gießharz ausgefüllt. Die Spule 4 ist über Anschlüsse 10 und 11, die durch Bohrungen in dem Isolator 7 und der Kappe 8 nach außen treten, mittels eines geeigneten Schaltmittels 12 an eine schematisch dargestellte Hochspannungsversorgung 13 anschließbar, die einen Stromstoß an die Spule 4 abgibt, wodurch die Membran 2 schlagartig von der Spule 4 abgestoßen wird, was zur Ausbildung einer Stoßwelle in der Flüssigkeit im Raum 3 führt. Infolge der an der Spule 4 anliegenden Hochspannung treten zwischen der Membran 2 und den einzelnen Windungen der Spule 4 Potentialdifferenzen auf.
  • Dabei ist vorgesehen, daß die Spule 4 aus zwei Lagen 14 und 15 besteht, die sich deckend in parallelen Ebenen liegend angeordnet sind. Die beiden Lagen 14 und 15 der Spule 4 sind gegensinnig gewickelt und durch Verbindung ihrer jeweils innersten Windungen 16 und 17 hintereinandergeschaltet, so daß die Magnetfelder beider Lagen 14 und 15 der Spule 4 einander verstärken, wenn diese über ihre jeweils äußersten Windungen 18 und 19 an die Hochspannungsversorgung 13 angeschlossen sind. Die beiden Lagen 14 und 15 der Spule 4 besitzen die gleiche Windungszahl.
  • Die äußerste Windung 18 der der Membran 2 unmittelbar benachbarten Lage 14 der Spule 4 liegt mit der Membran 2 auf gleichem Potential, nämlich Erdpotential 20. Demzufolge liegt zwischen der der Membran 2 unmittelbar benachbarten Lage 14 der Spule 4 eine geringere Potentialdifferenz als zwischen der Membran 2 und der von dieser entfernten Lage 15 der Spule 4 vor.
  • In dem Ausführungsbeispiel ist ein Stoßwellengenerator mit einer ebenen Membran 2 dargestellt. Es ist aber auch möglich, Stoßwellengeneratoren mit andersartig, z.B. sphärisch geformter Membran erfindungsgemäß auszubilden.

Claims (5)

1. Stoßwellengenerator zum berührungslosen Zertrümmern von im Körper eines Lebewesens befindlichen Konkrementen, welcher eine Spule (4) mit spiralförmig angeordneten Windungen und eine dieser gegenüberliegende, einen mit einer Flüssigkeit gefüllten Raum (3) abschliessende, aus einem elektrisch leitenden Werkstoff gebildete Membran (2) aufweist, wobei die Spule (4) an eine Hochspannungsversorgung (13) anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (4) aus zwei hintereinandergeschalteten, sich deckenden, in parallelen Flächen liegenden Lagen (14, 15) besteht, wobei Strom-und Wicklungsrichtung der beiden Lagen (14, 15) der Spule (4) im Sinne einer Verstärkung ihres Mangetfeldes aufeinander abgestimmt sind, und daß die zu der Membran (2) die kleinere Potentialdifferenz aufweisende Lage (14) der Spule (4) der Membran (2) unmittelbar gegenüberliegend angeordnet ist.
2. Stoßwellengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lagen (14,15) der Spule (4) gegensinnig gewickelt, ihre jeweils innersten Windungen (16, 17) miteinander verbunden und ihre jeweils äußersten Windungen (18, 19) an die Hochspannungsversorgung (13) angeschlossen sind.
3. Stoßwellengenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Lagen (14, 15) der Spule (4) die gleiche Windungszahl besitzen.
4. Stoßwellengenerator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äusserste Windung (18) der der Membran (2) unmittelbar gegenüberliegenden Lage (14) der Spule (4) mit der Membran (2) auf gleichem Potential (20) liegt.
5. Stoßwellengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) auf Erdpotential (20) liegt.
EP87108117A 1986-06-16 1987-06-04 Stosswellengenerator zum berührungslosen Zertrümmern von Konkrementen im Körper eines Lebenswesens Expired - Lifetime EP0256232B1 (de)

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