EP0911804A2 - System zur automatischen Einstellung des Elektordenabstandes einer Funkenstrecke bei elektrohydraulischen Stosswellensystemen - Google Patents

System zur automatischen Einstellung des Elektordenabstandes einer Funkenstrecke bei elektrohydraulischen Stosswellensystemen Download PDF

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EP0911804A2
EP0911804A2 EP98120079A EP98120079A EP0911804A2 EP 0911804 A2 EP0911804 A2 EP 0911804A2 EP 98120079 A EP98120079 A EP 98120079A EP 98120079 A EP98120079 A EP 98120079A EP 0911804 A2 EP0911804 A2 EP 0911804A2
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Mts Medical Technologies & Services GmbH
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    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K15/00Acoustics not otherwise provided for
    • G10K15/04Sound-producing devices
    • G10K15/06Sound-producing devices using electric discharge

Definitions

  • the invention relates to a method and device for automatic Adjustment and regulation of the electrode distance of a spark gap of an electro-hydraulic shock wave generation system.
  • a device for non-contact destruction of is known Concretions (e.g. kidney stones) in the body of living beings (DE-PS23 51 247), in which an electric Underwater spark discharge is used. The discharge takes place via a spark gap, which is attached in the focus of a reflector. (DE-PS 2 635 635, DE-OS 2 418 631, EP O 124 686)
  • the invention has for its object a method and Arrangement for automatic adjustment of the electrode spacing to create the chosen tension and thereby in the therapeutic Can be used over the entire service life of a spark gap carry out frequent discharges with high or low voltage to be able to.
  • the principle of the invention is that the regulated directly Size, i.e. the voltage value and voltage curve for triggering of the spark is measured and based on the determined deviation
  • the spark gap electrodes are of one size set such a value that the use of the stored energy to optimally design their conversion to the shock wave.
  • the discharge curve a spark gap and measured with the target values of the discharge curve compared.
  • Spark gap shows the measured signal of the discharge curve typical course. If the distance between the electrode tips is too large, there is no complete discharge over the spark gap and the measured signal deviates from the typical course. Is the distance If the electrode tips are too small, the measured signal in turn gives way from the typical course, since the sparking through the small Distance is facilitated.
  • the aim of the invention is the electrode spacing to adjust so that the measured signal of the discharge curve corresponds to the typical course of an optimal discharge. According to the Invention this is achieved in that the signal of the measured Discharge curve is compared with the target values of the discharge curve and according to the determined deviation the distance of the Spark gap electrodes is automatically corrected.
  • the voltage curve of the charge and discharge curve of the capacitor is measured and compared with the target charge-discharge curve and the distance of the spark gap electrodes is automatically corrected in accordance with the determined deviation.
  • the method according to claim 2 assumes that the discharge of the high-voltage capacitor does not take place, as usual, directly via a spark gap, but via a further capacitor, which in turn discharges via the spark gap by means of self-discharge at maximum charge.
  • the voltage on C2 is determined by two processes. C2 is charged by C1 via L1, but at the same time C2 is discharged by the discharge via the spark gap. According to the invention, the distance between the electrode tips of the underwater spark gap is automatically adjusted depending on the voltage on C2 and the state of the electrodes.
  • the deviation from the target charging curve is determined using an evaluation circuit. After the evaluation, the evaluation group signals to the actuator that a correction has been made.
  • a possible method for determining the deviation of the discharge curve from the target discharge curve is represented by an evaluation circuit, which is the subject of the subclaim.
  • the evaluation circuit differentiates whether it is an insufficient charge or a voltage drop due to discharge.
  • the evaluation group signals to the actuator that a correction has been made. This is achieved by adding 50% of the negative reference voltage to the transformed signal of the charging voltage of the high-voltage capacitor. See Fig 1a) .
  • an output signal is obtained whose steeply falling edge is compared with an upper and a lower reference value, see FIG. 1b) .
  • These reference values are close to the zero crossing of the output signal. If the discharge of the high-voltage capacitor takes place near the maximum of the charging curve, the output signal lies between the upper and the lower reference value, see Fig. 1c) . If there is a discharge before the maximum charge of the high-voltage capacitor has been reached and the output signal is above the upper reference value, this is recorded statistically. The electrode spacing must be increased if it occurs repeatedly. If there is a discharge after the maximum charge of the high-voltage capacitor has been reached or there is no discharge and the output signal is below the lower reference value, this is recorded statistically. The electrode spacing must be reduced if it occurs repeatedly.
  • a further embodiment of claims 1 and 2 consists in that the evaluation of the discharge or charge curve of a high voltage capacitor with the statistical recording of the number and the voltage of the individual pulses is combined. The wear An electrode will then be statistically based on the number and voltage of the delivered impulses determined. The result of the statistical Evaluation leads to automatic correction of the electrode.
  • the arrangement for the implementation of said method consists of a semi-ellipsoid (1), an underwater spark gap (2), a motor (3) with a gear (4), the electronic evaluation unit (5) and the high-voltage capacitor (12), which is connected to the inside Head (6) and the outer conductor (9) is connected.
  • Fig. 2 shows the structure of the invention.
  • the underwater spark gap (2) which consists of an inner movable conductor (6) with an electrode tip (7), an insulator (8) and an outer conductor (9) with a cage (10) and a fixed electrode tip (11), can be in the Insert the semi-ellipsoid.
  • the movable inner conductor is connected to the motor via a gearbox, which is controlled by control electronics. According to the invention, the inner conductor is moved forwards or backwards if the electrode tips are too small or too large.
  • the advantage of this method lies in the possibility of using shock wave energy for electrodes that have already been used during the course of a treatment to be able to change as desired over the entire service life without the spark gap must be replaced or readjusted manually. It extends the life of the spark gap and optimizes it Use of an electro-hydraulic shock wave device in applications (e.g. in orthopedics), some with very high and some with is treated with very low shock wave energies and pressures. Furthermore, the invention allows the permanent delivery of shock waves with constant shock wave energy. Finally, the invention leads for optimal use of primary energy, which increases efficiency is increased.

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Abstract

Durch den Abstand der Elektrodenspitzen einer Funkenstrecke wird die mögliche Energie einer Stoßwelle limitiert, da der Abstand die mögliche Spannung bestimmt. Ist der Abstand der Elektrodenspitzen zu klein, bleibt ein Teil der gespeicherten Primärenergie ungenutzt, denn nur ein Teil der Energie bewirkt den Durchschlag und transformiert zur akustischen Energie, der Rest dagegen transformiert zu Wärmeenergie.. Ist der Abstand der Elektrodenspitzen zu groß, kommt es nur zu einer Teilentladung über die Unterwasserfunkenstrecke, bzw. es kommt zu keiner Entladung. Die Erfindung erlaubt die automatische Anpassung des Elektrodenabstandes einer Funkenstrecke zur Erzeugung von Stoßwellen, indem die Entladekurve des Kondensators oder die Entladekurve der Funkenstrecke ermittelt und mit bestimmten Soll-Werten verglichen wird und entsprechend der ermittelten Abweichung der Abstand der Funkenstreckenelektroden automatisch korrigiert wird. Der Vergleich der Soll-Werte kann z.B. dadurch erfolgen, daß das Signal des gemessenen Spannungsverlaufs, einer halbsinusförmigen Kurve, integriert und nach anschließender Invertierung ein Ausgangssignal erzeugt wird, dessen steil abfallende Flanke mit Referenzwerten verglichen und bei entsprechendem unter- bzw. überschreiten der Referenzwerte der Elektrodenabstand automatisch über eine Einstelleinrichtung angepaßt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Methode und Vorrichtung zur automatischen Justierung und Regulierung des Elektrodenabstandes einer Funkenstrecke eines elektrohydraulischen Stoßwellenerzeugungssystems.
Bekannt ist ein Gerät zur berührungsfreien Zerstörung von Konkrementen (z.B. Nierensteinen) im Körper von Lebewesen (DE-PS23 51 247), bei dem zur Erzeugung von Stoßwellen eine elektrische Unterwasserfunkenentladung eingesetzt wird. Die Entladung erfolgt über eine Funkenstrecke, die im Fokus eines Reflektors angebracht ist. (DE-PS 2 635 635, DE-OS 2 418 631, EP O 124 686)
Zur Regulierung der Stoßwellenenergie wird bei diesen Systemen die Höhe der Ladespannung des Kondesators, der Entladen wird verändert. Durch eine größere oder kleinere Spannung erfolgt eine stärkere oder schwächere Funkenbildung und damit verändert sich der Druck der Stoßwelle und die Größe des therapeutisch wirksamen Fokus und damit letztlich die applizierte Stoßwellenenergie. Bei diesen Systemen kann die Spannung nicht beliebig erhöht und anschließend wieder reduziert werden, ohne daß ein Austausch der Funkenstrecke erforderlich wäre. Denn für den Entladungsvorgang ist der Abstand der Elektroden von entscheidender Bedeutung. Je größer der Elektrodenabstand, desto größer ist die erforderliche Mindestspannung zur Auslösung einer Funkenentladung. Da diese Systeme Funkenstrecken mit fest eingestelltem Elektrodenabstand verwenden und da der Elektrodenabstand sich durch den bekannten Abbrand der Elektroden während des Einsatzes vergrößert, ist die Funkenstrecke mit zunehmendem Gebrauch nur noch bei größerer Spannung funktionsfähig, so daß Stoßwellen mit geringer Gesamtenergie oder niedrigen Drücken erst nach dem Austausch der Funkenstrecke wieder möglich werden. Die Lebensdauer der Funkenstrecken ist deswegen gering. Wird dagegen eine weniger abgenutzte Funkenstrecke, d.h. mit einem geringeren Elektrodenabstand, für eine höhere Spannung verwendet, bleibt ein Großteil der gespeicherten Primärenergie ungenutzt. Ein Teil der Energie bewirkt den Durchschlag der Umgebung und transformiert zur akustischen Energie, der Rest transformiert zur Wärmeenergie und nimmt an der Bildung der Stoßwelle nicht teil.
Bekannt sind weiterhin Funkenstrecken, die durch die Möglichkeit der Nachführung der Elektroden den Abbrand wieder kompensieren und den oben beschriebenen Mangel ausgleichen. (EP O 349 915, EP C 242 237) Diese Funkenstrecken haben jedoch den Nachteil, daß sie manuell nachgestellt werden müssen, oder nur in eine Richtung nachgestellt werden können (EP C 242 237).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Methode und Anordnung zur automatischen Anpassung des Elektrodenabstandes an die gewählte Spannung zu schaffen und hierdurch im therapeutischen Einsatz über die gesamte Lebensdauer einer Funkenstrecke beliebig häufige Entladungen mit hoher oder niedriger Spannung durchzuführen zu können.
Das Prinzip der Erfindung besteht darin, daß direkt die geregelte Größe, d.h. der Spannungswert und Spannungsverlauf zur Auslösung des Funkens gemessen wird und aufgrund der ermittelten Abweichung von ihrer Soll-Größe werden die Funkenstreckenelektroden auf einen solchen Wert eingestellt, der die Nutzung der gespeicherten Energie bei deren Umwandlung zur Stoßwelle optimal zu gestalten erlaubt.
Gemäß den Kennzeichen des Anspruches 1 wird die Entladekurve einer Funkenstrecke gemessen und mit den Soll-Werten der Entladekurve verglichen. Bei korrekter Justierung des Elektrodenabstandes der Funkenstrecke weist das gemessene Signal der Entladekurve einen typischen Verlauf auf. Ist der Abstand der Elektrodenspitzen zu groß, kommt es zu keiner vollständigen Entladung über die Funkenstrecke und das gemessene Signal weicht vom typischen Verlauf ab. Ist der Abstand der Elektrodenspitzen zu klein, weicht das gemessene Signal wiederum vom typischen Verlauf ab, da der Funkenschlag durch den kleinen Abstand erleichtert wird. Ziel der Erfindung ist es, den Elektrodenabstand so zu justieren, daß das gemessene Signal der Entladekurve dem typischen Verlauf einer optimalen Entladung entspricht. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das Signal der gemessenen Entladekurve mit den Soll-Werten der Entladekurve verglichen wird und entsprechend der ermittelten Abweichung der Abstand der Funkenstreckenelektroden automatisch korrigiert wird.
Gemäß den Kennzeichen des Anspruches 2 wird der Spannungsverlauf der Lade- und Entladekurve des Kondensators gemessen und mit der Soll-Lade-Entladekurve verglichen und entsprechend der ermittelten Abweichung der Abstand der Funkenstreckenelektroden automatisch korrigiert. Die Methode gemäß Anspruch 2 setzt voraus, daß die Entladung des Hochspannungskondensators nicht wie üblich unmittelbar über eine Funkenstrecke erfolgt, sondern über einen weiteren Kondensator, der sich wiederum mittels Selbstentladung bei maximaler Ladung über die Funkenstrecke entläd. Gemäß Fig. 3 wird die Spannung auf C2 durch zwei Vorgänge bestimmt. C2 wird zum einen durch C1 über L1 aufgeladen, zugleich wird jedoch C2 durch die Ableitung über die Funkenstrecke entladen. Gemäß der Erfindung wird der Abstand der Elektrodenspitzen der Unterwasserfunkenstrecke in Abhängigkeit von der Spannung auf C2 und dem Zustand der Elektroden automatisch justiert. Dies führt bei korrekter Justierung zu einer Selbstentladung des Hochspannungskondensators C2 bei maximaler Ladung über die parallel geschaltete Unterwasserfunkenstrecke. Ist der Abstand der Elektrodenspitzen zu klein, kommt es zu einer Entladung über die Unterwasserfunkenstrecke, bevor der Hochspannungskondensator C2 seine vorgewählte Ladung erreicht hat. Ist der Abstand der Elektrodenspitzen zu groß, kommt es nur zu eine r Teilentladung über die Unterwasserfunkenstrecke, nachdem der Hochspannungskondensator seine maximale Ladung überschritten hat und wegen eines Leckstromes über den Widerstand des Wassers einen Teil der Ladung wieder verloren hat, bzw. es kommt zu keiner Entladung. In beiden Fällen wird die gespeicherte Energie nur unvollkommen genutzt. Ziel der Erfindung ist es, unabhängig von der gewählten Ladespannung die Entladung des Hochspannungskondensators bei maximaler Ladung zu erreichen. Dies wird dadurch erreicht, daß der Spannungsverlauf der Ladekurve des Kondensators C2 gemessen und mit der Soll-Ladekurve verglichen wird und entsprechend der ermittelten Abweichung der Abstand der Funkenstreckenelektroden automatisch korrigiert wird, so daß die Entladung über die Funkenstrecke bei maximaler Ladung des Hochspannungs-kondensators erfolgt. Die Abweichung von der Soll-Ladekurve wird über einen Auswertungskreis ermittelt. Nach der Auswertung signalisiert der Auswertungskreis an das Stellglied die Vornahme einer Korrektur.
Eine mögliche Methode zur Ermittlung der Abweichung der Entladekurve von der Soll-Entladekurve wird über einen Auswertungskreis dargestellt, die Gegenstand des Unteranspruches ist. Gemäß Fig. 3 bedeutet bei zugelassener Tolleranz der Entladungsspannung Umax die höchste und somit die gewünschte Entladungsspannung, und Umin die kleinste zugelassene Spannung unter Betücksichtigung des Aufladungszustandes des Kondensators sowie des Entladungszustandes durch die Ableitung zwischen den Elektroden. Erfolgt die Entladung bei U<Umin, unterscheidet der Auswertungskreis, ob es sich dabei um eine unzureichende Aufladung oder einen Spannungsrückgang durch Ableitung handelt. Nach der Auswertung signalisiert der Auswertungskreis an das Stellglied die Vornahme einer Korrektur. Dies wird dadurch erreicht, daß zum transformierten Signal der Ladespannung des Hochspannungskondensators 50% der negativen Referenzspannung addiert wird. Siehe Fig 1a). Durch Integration dieser halbsinusförmigen Kurve und anschließender Invertierung erhält man ein Ausgangssignal, dessen steil abfallende Flanke mit einem oberen und einem unteren Referenzwert verglichen wird, siehe Fig 1b). Diese Referenzwerte liegen nahe dem Nulldurchgang des Ausgangssignals. Findet die Entladung des Hochspannungskondensators nahe dem Maximum der Ladekurve statt, liegt das Ausgangssignal zwischen dem oberen und dem unteren Referenzwert, siehe Fig 1c). Kommt es zur Entladung, bevor die maximale Ladung des Hochspannungskondensators erreicht wurde und liegt das Ausgangssignal über dem oberen Referenzwert, so wird dies statistisch erfaßt. Der Elektrodenabstand muß bei mehrmals wiederholtem Auftreten vergrößert werden. Kommt es zur Entladung, nachdem die maximale Ladung des Hochspannungskondensators erreicht wurde bzw. kommt es zu keiner Entladung und liegt das Ausgangssignal unter dem unteren Referenzwert, so wird dies statistisch erfaßt. Der Elektrodenabstand muß bei mehrmals wiederholtem Auftreten verkleinert werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Anprüche 1 und 2 besteht darin, daß die Auswertung der Entlade- oder Ladekurve eines Hochspannungskondensators mit der statistischen Erfassung der Anzahl und der Spannung der einzelnen Impulsen kombiniert wird. Der Verschleiß einer Elektrode wird dann statistisch über die Anzahl und die Spannung der abgegebenen Impulse ermittelt. Das Ergebnis der statistischen Auswertung führt zur automatischen Korrektur der Elektrode.
Die Anordnung für die Ausführung der besagten Methode besteht aus einem Halbellipsoid (1), einer Unterwasserfunkenstrecke (2), einem Motor (3) mit Getriebe (4), der elektronischen Auswertungseinheit (5) und dem Hochspannungskondensator (12), der mit dem inneren Leiter (6) und dem äußeren Leiter (9) verbunden ist. Fig 2 zeigt den Aufbau der Erfindung. Die Unterwasserfunkenstrecke (2), welche aus einem inneren beweglichen Leiter (6) mit Elektrodenspitze (7), einem Isolator (8) und einem äußeren Leiter (9) mit Käfig (10) und feststehender Elektrodenspitze (11) besteht, Iäßt sich in das Halbellipsoid einstecken. Der bewegliche Innenleiter ist über ein Getriebe mit dem Motor verbunden, welcher durch Regelelektronik gesteuert wird. Erfindungsgemäß wird bei zu kleinem oder zu großem Abstand der Elektrodenspitzen der Innenleiter vor oder zurück bewegt.
Der Vorteil dieser Methode liegt in der Möglichkeit, die Stoßwellenenergie bei schon gebrauchten Elektroden im Verlauf einer Behandlung beliebig über die gesamte Lebensdauer verändem zu können, ohne daß die Funkenstrecke ausgetauscht oder manuell nachgestellt werden muß. Sie verlängert die Lebensdauer der Funkenstrecke und optimiert den Einsatz eines elektrohydraulischen Stoßwellengerätes bei Anwendungen (z.B. in der Orthopädie), bei denen teils mit sehr hohen und teils mit sehr niedrigen Stoßwellenenergieen und Drücken therapiert wird. Weiterhin erlaubt die Erfindung die permanente Abgabe von Stoßwellen mit gleichbleibender Stoßwellenenergie. Schließlich führt die Erfindung zur optimalen Ausnutzung der Primärenergie, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert wird.

Claims (4)

  1. Methode zur Anpassung des Elektrodenabstandes einer Funkenstrecke zur Erzeugung von Stoßwellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladekurve der Funkenstrecke ermittelt und mit den Soll-Werten der Entladekurve verglichen wird und entsprechend der ermittelten Abweichung der Abstand der Funkenstreckenelektroden automatisch korrigiert wird .
  2. Methode zur Anpassung des Elektrodenabstandes einer Funkenstrecke zur Erzeugung von Stoßwellen an die Ladespannung eines Kondensators dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsverlauf der Lade- und Entladekurve eines Kondensators gemessen und mit der Soll-Lade-/Entladekurve verglichen wird und entsprechend der ermittelten Abweichung der Abstand der Funkenstreckenelektroden automatisch korrigiert wird, so daß die Entladung über die Funkenstrecke bei maximaler Ladung des Hochspannungskondensators erfolgt.
  3. Die Methode nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß zum transformierten Signal des gemessenen Spannungsverlaufs der Entladespannung 50 % der negativen Referenzspannung addiert werden und daß durch Integration dieser halbsinusförmigen Kurve und anschließender Invertierung ein Ausgangssignal erzeugt wird, dessen steil abfallende Flanke mit Referenzwerten verglichen und bei entsprechendem unter- bzw. überschreiten der Referenzwerte der Elektrodenabstand angepaßt wird.
  4. Die Methode nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl und die Spannung der Impulse statistisch ermittelt werden, aus diesen Werten ein Einstell-Faktor berechnet wird, der wiederum zur automatischen Korrektur des Elektrodenabstandes über einen elektromechanischen oder hydraulischen Antrieb führt.
EP98120079A 1997-10-24 1998-10-23 Methode zur automatischen Einstellung des Elektrodenabstandes einer Funkenstrecke bei elektrohydraulischen Stosswellensystemen Expired - Lifetime EP0911804B1 (de)

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