EP1517757B1 - Schaltkreis für eine elektromagnetische quelle zur erzeugung akustischer wellen - Google Patents

Schaltkreis für eine elektromagnetische quelle zur erzeugung akustischer wellen Download PDF

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EP1517757B1
EP1517757B1 EP03740093A EP03740093A EP1517757B1 EP 1517757 B1 EP1517757 B1 EP 1517757B1 EP 03740093 A EP03740093 A EP 03740093A EP 03740093 A EP03740093 A EP 03740093A EP 1517757 B1 EP1517757 B1 EP 1517757B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
capacitor
voltage
source
switching circuit
charged
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP03740093A
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English (en)
French (fr)
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EP1517757A1 (de
Inventor
Arnim Rohwedder
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of EP1517757B1 publication Critical patent/EP1517757B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207—Driving circuits
    • B06B1/0215—Driving circuits for generating pulses, e.g. bursts of oscillations, envelopes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/50—Application to a particular transducer type
    • B06B2201/52—Electrodynamic transducer
    • B06B2201/53—Electrodynamic transducer with vibrating magnet or coil

Definitions

  • the invention relates to a circuit for an electromagnetic source for generating acoustic waves, comprising a coil of the electromagnetic source and at least one first capacitor, which is connected in parallel to at least one series circuit of a second capacitor and a first valve.
  • such a circuit for an electromagnetic pressure wave source has two LC resonant circuits connected in series.
  • the first resonant circuit has a first capacitor and, in parallel thereto, a semiconductor power switch comprising a triggerable thyristor and a freewheeling diode connected in antiparallel thereto, as well as a subsequent inductance.
  • a second capacitor is connected, which also belongs to the second resonant circuit. Parallel to it, a saturable inductor and designed as an inductive load electromagnetic pressure wave source is arranged.
  • the first capacitor charged with a capacitor charger is switched to the first non-charged second capacitor so that its charge is transferred to it.
  • the inductor and the two capacitors are dimensioned so that only at the time when practically all the charge has been transferred from the first capacitor to the second capacitor saturates the saturable inductor and thus becomes low-inductance.
  • a high discharge current flows only due to the discharge voltage of the second capacitor with a predetermined by the second resonant circuit Time constant through the inductive load of the electromagnetic pressure wave source, where an acoustic pulse is generated.
  • the SU 17 47 188 A1 removable circuit for the inductance of an electrodynamic radiator has a common voltage source to which a plurality of parallel branches each having a diode at the input, a grounded storage capacitor and an output side commutator, i. Switch are connected.
  • the diodes are poled in such a way that the storage capacitors of the individual parallel branches always separate with respect to their charging voltages from each other, i. stay separated so that Umlade- or balancing operations of these charging voltages are mutually avoided.
  • the commutators of all parallel branches are collectively, i. closed at the same time. During this discharging process, the storage capacitor of the respective branch is connected in parallel with the input-side diode thereof.
  • the circuit comprises a DC voltage source 1, a switching means 2, which is usually designed as a spark gap, a capacitor C and a coil L, which is part of a sound generating unit of the electromagnetic source.
  • the sound generating unit of the electromagnetic source has, in addition to the coil L a coil carrier, not shown, on which the coil is arranged, and a likewise not shown, arranged on the coil L insulating membrane.
  • the membrane is thereby repelled into an acoustic propagation medium, whereby source pressure waves in the acoustic propagation medium as a carrier medium between the sound generating unit of the electromagnetic source and an object to be irradiated to be sent out.
  • Nonlinear effects in the carrier medium can, for example, result in shockwaves from the acoustic source pressure waves.
  • the structure of an electromagnetic source, in particular an electromagnetic shock wave source is described for example in EP 0 133 665 B1.
  • Shock waves are used, for example, for the non-invasive destruction of concrements in the interior of the body of a patient, e.g. used to destroy a kidney stone.
  • the kidney stone shock waves cause cracks to form in the kidney stone.
  • the kidney stone eventually breaks apart and can be excreted naturally.
  • the square of the current i (t), curve 5 in FIG. 2, is proportional to the acoustic waves generated by the electromagnetic shock wave source. Accordingly, a first acoustic source pressure wave from the first acoustic source pressure pulse (1st maximum) and further acoustic source pressure waves from the decaying sequence of positive acoustic source pressure pulses emerge from a discharging process of the capacitor C.
  • the first source pressure wave and the subsequent source pressure waves can, as already mentioned, by non-linear effects in the carrier medium and a non-linear focusing, which is usually done with a conventional acoustic focusing lens, in shock waves forming short upright positive portions and subsequent elongated so-called vacuum pans.
  • the frequency of the current i (t) flowing through the coil L characteristics of the shock wave, e.g. whose focus diameter, be changed.
  • the size of the active focus can be changed and, depending on the application, adjusted to the object to be treated.
  • the effective focus can be selected according to the particular stone size, so that the acoustic energy is better utilized for the disintegration of the stone and the surrounding tissue is less stressed.
  • the invention is therefore based on the object, a circuit of the type mentioned in such a way that the generation of acoustic waves is improved.
  • this object is achieved by a circuit of the type mentioned, which is characterized in that the first valve is connected such that it blocks after charging both capacitors during discharge of the first capacitor, as long as the first capacitor with a larger Voltage as the second capacitor is charged, and becomes conductive, as soon as the charging voltage of the first discharging first capacitor at least substantially the charging voltage of the second capacitor which causes the second capacitor to discharge and the two discharging capacitors energize the coil of the electromagnetic source.
  • the invention further relates to an electromagnetic source with a circuit according to the invention and a lithotripter with such an electromagnetic source.
  • the first valve which according to a preferred embodiment of the invention is a first diode or a first diode module, is connected in such a way that it blocks after charging both capacitors, thus preventing compensation processes between the two capacitors.
  • the first capacitor can be charged with a larger charging voltage than the second capacitor before the discharge of both capacitors. For the generation of the acoustic wave through the circuit is first started with the discharge of the first capacitor, that is with the capacitor with the larger charging voltage, via the coil of the electromagnetic source.
  • the first valve becomes conductive, so that both capacitors discharge and both capacitors feed the coil of the electromagnetic source with current. Consequently, the circuit has the capacitance of the first capacitor before the second capacitor starts to discharge. As both capacitors discharge, the circuit has a capacitance equal to the sum of the capacitances of both capacitors.
  • a time-varying capacitance of the circuit adjusts, whereby the waveform of the current flowing through the coil of the electromagnetic source current can be influenced.
  • the waveform of the discharge current may be further varied if the circuit has a plurality of series-connected valve / capacitor pairs connected in parallel with the first capacitor and charged with different charging voltages.
  • the first diode module includes, for example, a series and / or parallel connection of a plurality of diodes.
  • the first capacitor may be charged with a first DC voltage source and the second capacitor with a second DC voltage source prior to discharge. According to a preferred embodiment of the invention, it is also provided to charge the first capacitor and the second capacitor with exactly one DC voltage source and to switch off the DC voltage source from the second capacitor with a switching means as soon as the second capacitor has reached its charging voltage.
  • the switching means according to one embodiment of the invention comprises at least one semiconductor element.
  • a second valve is connected in parallel.
  • the second valve is according to an embodiment of the invention, a second diode or a second diode module.
  • a stronger first acoustic wave for example in the generation of shock waves, ie a stronger first shock wave generated, resulting in an increase in the volume of the integrating effect for the destruction of concrements.
  • tissue-damaging cavitation caused by the shock waves following the first shock wave and resulting from the subsequent source pressure pulses is also reduced.
  • the reduced polarity reversal voltage caused by the second valve increases the service life of the first and second capacitors.
  • With such a generation of shock waves less audible sound waves are generated, so that there is a noise reduction.
  • the decisive factor in the generation of audible sound waves in the generation of shock waves is namely the total area under the curve of the square of the current. In the case of the present invention, this is reduced overall by the omission of the source pressure pulse normally following the first source pressure pulse.
  • FIG. 3 shows, in the form of a partially sectioned and partially block diagram-like illustration, an electromagnetic shockwave source in the form of a therapy head 10, which in the case of the present exemplary embodiment is part of a lithotripter not shown in more detail.
  • the therapy head 10 has a known per se 11, known per se sound generating unit, which operates on the electromagnetic principle.
  • the sound generating unit 11 has, in a manner not shown in FIG. 3, a coil carrier, a flat coil arranged thereon, and a metallic membrane insulated from the flat coil. To generate shockwaves, the membrane is repelled by electromagnetic interaction with the pancake coil into an acoustic propagation medium denoted by 12, whereby a source pressure wave is emitted into the acoustic propagation medium 12.
  • the source pressure wave of the acoustic lens 13 is focused on a focus zone F, with the source pressure wave splitting into a shock wave as it propagates in the acoustic propagation medium 12 and into the body of a patient P.
  • the shock wave serves to break up a stone ST in the kidney N of the patient P.
  • the therapy head 10 is associated with an operating and supply unit 14 which, except for the flat coil, comprises the circuit according to the invention for generating acoustic waves shown in FIG.
  • the control and supply unit 14 is electrically connected via a connecting line 15 shown in FIG. 3 to the sound generating unit 11 comprising the flat coil.
  • the acoustic shock wave source circuit according to the invention shown in FIG. 4 has DC power sources DC0, DC1 and DC2, a switching means S, capacitors C0, C1 and C2, and the flat coil 23 of the electromagnetic sound generating unit 11 of the therapy head 10.
  • a diode D1 and the capacitor C2 With the capacitor C1 is in the case of the present embodiment, a diode D1 and the capacitor C2, a diode D2 is connected in series.
  • the series circuits of capacitor C1 / diode D1 and capacitor C2 / diode D2 are also connected in parallel with the capacitor C0.
  • the switching means S is opened.
  • the capacitor C0 is therefore charged with the DC voltage U 0 of the DC voltage source DC0 and the polarity shown in FIG.
  • the capacitor C1 is charged with the DC voltage U 1 of the DC voltage source DC1 and the polarity shown in FIG.
  • the voltage U 1 of the DC voltage source DC1 is smaller than the voltage U 0 of the DC voltage source DC0 in the case of the present embodiment.
  • the diode D1 is switched so that it blocks as long as the capacitor C0 is charged with a larger voltage u 0 (t) than the capacitor C1.
  • the diode D1 thus prevents a compensation process between the charged with the voltages U 0 and U 1 capacitors C0 and C1, which is why the capacitor C0 is charged at the end of the charging with the higher voltage U 0 than the capacitor C1, which at the end of the charging charged with the voltage U 1 .
  • the capacitor C2 becomes the Further charged with the DC voltage U 2 of the DC voltage source DC2 and the polarity shown in Figure 4.
  • the DC voltage U 2 is smaller than the DC voltage U 1 in the case of the present embodiment.
  • the diode D2 is also connected to turn off as long as the voltage u 2 (t) of the capacitor C2 is lower than the voltage u 0 (t) of the capacitor C0. Thus, it is possible to charge the capacitors C0 to C2 with different voltages.
  • the switching means S is closed.
  • the capacitor C0 begins to discharge via the coil 23, whereby the voltage u 0 (t) of the capacitor C0 decreases and a current i '(t) flows through the flat coil 23.
  • the voltage applied to the flat coil 23 is denoted by u '(t).
  • the diode D1 becomes conductive and the current i '(t) through the flat coil 23 is fed by both capacitors C0 and C1.
  • FIG. 5 shows, as an example, curves of currents i '(t) through the flat coil 23 during discharging, when the circuit shown in FIG. 4 only shows the capacitors C0 and C1 includes.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a circuit according to the invention.
  • the circuit shown in FIG. 6 comprises, in the case of the present exemplary embodiment, capacitors C0 'to C2', switching means S ', S1 and S2, diodes D1' and D2 ', a DC voltage source DC0' and the flat coil 23.
  • the diode D1 'and the capacitor C1' and the diode D2 'and the capacitor C2' are connected in series.
  • the series circuits of capacitor C1 '/ diode D1' and capacitor C2 '/ diode D2' are connected in parallel with the capacitor C0 '.
  • the diodes D1 'and D2' are poled in such a way that they block as long as the capacitor C0 'is charged with a voltage u 0 ' (t) according to the polarity shown in FIG. 6 which is greater than the voltage u 1 '(t ) of the capacitor C1 'and the voltage u 2 ' (t) of the capacitor C2 'according to the marked polarity.
  • the switching means S ' is opened.
  • the scarfs S1 and S2 are closed. Since the capacitors C1 'and C2' are to be charged with charging voltages U 1 'and U 2 ' which are smaller than the voltage U 0 'of the DC voltage source DC0', the switches S1 and S2 are then opened when the capacitors C1 'and C2 'are charged with the desired voltages U 1 ' and U 2 '.
  • the switching means S1 and S2 are opened, the capacitor C0 'with the voltage U 0 ' of the DC voltage source DC0 'and the capacitors C1' and C2 'with the voltages U 1 ' and U 2 'loaded.
  • the voltage U 2 'of the charged capacitor C2 is smaller than the voltage U 1 ' of the charged capacitor C1.
  • the switching means S ' is closed and the capacitor C0' begins to discharge via the flat coil 23, whereby a current i '(t) flows through the flat coil 23.
  • the diodes D1 'and D2' lock.
  • the diode D1 'becomes conductive and the current i' (t) through the flat coil 23 is discharged from the capacitors C0 '. and C1 'fed.
  • FIG. 7 shows a further circuit according to the invention which has an additional diode D3 in comparison to the circuit shown in FIG.
  • the diode D3 is connected in parallel and in the reverse direction to the charging voltage U 0 of the capacitor C0.
  • FIG. 8 shows yet another circuit according to the invention, which has an additional diode D3 'in comparison to the circuit shown in FIG.
  • the diode D3 ' is connected in parallel and in the reverse direction to the charging voltage U' 0 of the capacitor C0 '.
  • the switching means S, S ', S1 and S2 may be a series connection of thyristors known per se, e.g. from the company BEHLKE ELECTRONIC GmbH, Am Auerberg 4, 61476 Kronberg in their catalog “Fast High Voltage Solid-State Switches" from June 2001 are offered.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis für eine elektromagnetische Quelle zur Erzeugung akustischer Wellen, der eine Spule der elektromagnetischen Quelle und wenigstens einen ersten Kondensator umfasst, der parallel zu wenigstens einer Serienschaltung aus einem zweitem Kondensator und einem ersten Ventil geschaltet ist.
  • Z.B. aus der DE 198 14 331 A1 ist ein derartiger Schaltkreis für eine elektromagnetische Druckwellenquelle bekannt. Er weist zwei hintereinandergeschaltete LC-Schwingkreise auf. Davon hat der erste Schwingkreis einen ersten Kondensator und parallel dazu einen Halbleiter-Leistungsschalter aus einem triggerbaren Thyristor und einer dazu antiparallel geschalteten Freilaufdiode sowie eine nachfolgende Induktivität. Teil dieses ersten Schwingkreises und in Serie zum Halbleiter-Leistungsschalter und der Induktivität sowie parallel zum ersten Kondensator ist ein zweiter Kondensator geschaltet, der ebenfalls dem zweiten Schwingkreis angehört. Parallel zu ihm ist ein sättigbarer Induktor und eine als induktive Last ausgebildete elektromagnetische Druckwellenquelle angeordnet. Sobald der Thyristor des Halbleiter-Leistungsschalters in den leitenden Zustand getriggert worden ist, wird der mit einem Kondensatorladegerät aufgeladene erste Kondensator auf den zunächst nichtgeladenen, zweiten Kondensator geschaltet, so dass seine Ladung auf diesen übergeht. Der Induktor und die beiden Kondensatoren sind so bemessen, dass erst zu dem Zeitpunkt, wenn praktisch die gesamte Ladung von dem ersten Kondensator auf den zweiten Kondensator umgeladen worden ist, der sättigbare Induktor in Sättigung gerät und damit niederinduktiv wird. In diesem Moment fließt ein hoher Entladestrom lediglich aufgrund der Entladespannung des zweiten Kondensators mit einer durch den zweiten Schwingkreis vorgegebenen Zeitkonstanten durch die induktive Last der elektromagnetischen Druckwellenquelle, wo ein akustischer Puls erzeugt wird.
  • Der der SU 17 47 188 A1 entnehmbare Schaltkreis für die Induktivität eines elektrodynamischen Strahlers weist eine gemeinsame Spannungsquelle auf, an die mehrere parallele Zweige mit jeweils einer Diode am Eingang, einem auf Masse gelegten Speicherkondensator sowie einem ausgangsseitigen Kommutator, d.h. Schalter angeschlossen sind. Die Dioden sind dabei derart gepolt, dass die Speicherkondensatoren der einzelnen Parallelzweige bezüglich ihrer Ladespannungen stets voneinander separiert, d.h. getrennt bleiben, so dass Umlade- oder Ausgleichsvorgänge dieser Ladespannungen untereinander vermieden sind. Zum gemeinsamen Entladen der Speicherkondensatoren werden die Kommutatoren aller Parallelzweige kollektiv, d.h. gleichzeitig geschlossen. Während dieses Entladevorgangs ist der Speicherkondensator des jeweiligen Zweigs parallel zur dessen eingangsseitiger Diode geschaltet.
  • Ein weiterer Schaltkreis gemäß dem Stand der Technik ist in der Figur 1 dargestellt. Der Schaltkreis umfasst eine Gleichspannungsquelle 1, ein Schaltmittel 2, das in der Regel als Funkenstrecke ausgeführt ist, einen Kondensator C sowie eine Spule L, die Teil einer Schallerzeugungseinheit der elektromagnetischen Quelle ist. Die Schallerzeugungseinheit der elektromagnetischen Quelle weist neben der Spule L einen nicht dargestellten Spulenträger, auf dem die Spule angeordnet ist, und eine ebenfalls nicht dargestellte, isolierend auf der Spule L angeordnete Membran auf. Bei der Entladung des Kondensators C über die Spule L fließt durch die Spule L ein Strom i(t), wodurch ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, das mit der Membran in Wechselwirkung tritt. Die Membran wird dabei in ein akustisches Ausbreitungsmedium abgestoßen, wodurch Quelldruckwellen in das akustische Ausbreitungsmedium als Trägermedium zwischen der Schallerzeugungseinheit der elektromagnetischen Quelle und einem zu beschallenden Objekt ausgesendet werden. Durch nichtlineare Effekte im Trägermedium können aus den akustischen Quelldruckwellen beispielsweise Stoßwellen entstehen. Der Aufbau einer elektromagnetischen Quelle, insbesondere einer elektromagnetischen Stoßwellenquelle, ist beispielsweise in der EP 0 133 665 B1 beschrieben.
  • Stoßwellen werden beispielsweise zur nichtinvasiven Zerstörung von Konkrementen im Körperinneren eines Patienten, z.B. zur Zerstörung eines Nierensteins, eingesetzt. Die auf den Nierenstein gerichteten Stoßwellen bewirken, dass in dem Nierenstein Risse entstehen. Der Nierenstein bricht schließlich auseinander und kann auf natürlichem Weg ausgeschieden werden.
  • Betreibt man den in Figur 1 gezeigten Schaltkreis zur Erzeugung akustischer Wellen, so ergeben sich während des Entladevorgangs des Kondensators C über die Spule L, wozu mittels des Schaltmittels 2 ein Kurzschluss erzeugt wird, die in der Figur 2 exemplarisch eingetragenen Verläufe der Spannung u(t) (Kurve 3) über der Spule L und des Stromes i(t) (Kurve 4) durch die Spule L. Der durch die Spule 4 fließende abklingende Strom i(t), ist, wie bereits erwähnt, ursächlich für die Erzeugung von akustischen Wellen.
  • Dem Quadrat des Stromes i(t), Kurve 5 in der Figur 2, proportional sind die von der elektromagnetischen Stoßwellenquelle erzeugten akustische Wellen. Aus einem Entladevorgang des Kondensators C gehen demnach eine erste akustische Quelldruckwelle aus dem ersten akustischen Quelldruckpuls (1. Maximum) und weitere akustische Quelldruckwellen aus der abklingenden Folge von positiven akustischen Quelldruckpulsen hervor. Die erste Quelldruckwelle und die nachfolgenden Quelldruckwellen können sich, wie bereits erwähnt, durch nichtlineare Effekte im Trägermedium und eine nichtlineare Fokussierung, welche in der Regel mit einer an sich bekannten akustischen Fokussierungslinse erfolgt, in Stoßwellen mit kurzen aufgesteilten Positivanteilen und nachfolgenden langgezogenen sogenannten Unterdruckwannen formen.
  • Durch die Frequenz des durch die Spule L fließenden Stromes i(t) können Eigenschaften der Stoßwelle, wie z.B. deren Fokusdurchmesser, verändert werden. Mit einer variablen Stromfrequenz und somit einer variablen Frequenz der Stoßwelle lässt sich beispielsweise die Größe des Wirkfokus verändern und je nach Anwendung auf das zu behandelnde Objekt einstellen. Beispielsweise kann bei einem Lithotripter der Wirkfokus entsprechend der jeweiligen Steingröße gewählt werden, so dass die akustische Energie besser für die Desintegration des Steines ausgenutzt und das umliegendes Gewebe weniger belastet wird.
  • Wegen der relativ hohe Kurzschlussleistungen bis in den 100 MW-Bereich, sind eine variable Kapazität des Kondensators C und eine variable Induktivität der Spule L kostspielig. Um die Stoßwelle zu variieren, wird daher im Allgemeinen nur die Ladespannung des Kondensators C variiert, wodurch sich die Maxima des Stromes i(t) durch die Spule L und der Spannung u(t) an der Spule L ändern. Die Kurvenformen des Stromes i(t) und der Spannung u(t) bleiben jedoch im Wesentlichen gleich.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schaltkreis der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass die Erzeugung von akustischen Wellen verbessert wird.
  • Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen Schaltkreis der eingangs genannten Art, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass das erste Ventil derart geschaltet ist, dass es nach dem Aufladen beider Kondensatoren während des Entladens des ersten Kondensators sperrt, solange der erste Kondensator mit einer größeren Spannung als der zweite Kondensator aufgeladen ist, und leitend wird, sobald die Ladespannung des sich zuerst entladenden, ersten Kondensators wenigstens im Wesentlichen die Ladespannung des zweiten Kondensators erreicht, wodurch sich der zweite Kondensator zu entladen beginnt und die beiden, sich entladenden Kondensatoren die Spule der elektromagnetischen Quelle mit Strom speisen.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektromagnetische Quelle mit einem erfindungsgemäßen Schaltkreis sowie einem Lithotripter mit einer derartigen elektromagnetischen Quelle.
  • Das erste Ventil, das gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine erste Diode oder ein erstes Diodenmodul ist, ist dabei derart geschaltet, dass es nach dem Aufladen beider Kondensatoren sperrt, also Ausgleichsvorgänge zwischen beiden Kondensatoren verhindert. Dadurch kann, wie es nach einer bevorzugten Variante der Erfindung vorgesehen ist, der erste Kondensator vor der Entladung beider Kondensatoren mit einer größeren Ladespannung als der zweite Kondensator aufgeladen werden. Für die Erzeugung der akustischen Welle durch den Stromkreis wird zuerst mit dem Entladen des ersten Kondensators, also mit dem Kondensator mit der größeren Ladespannung, über die Spule der elektromagnetischen Quelle begonnen. Sobald die Ladespannung des ersten Kondensators wenigstens im Wesentlichen gleich der Ladespannung des zweiten Kondensators ist, wird das erste Ventil leitend, so dass sich beide Kondensatoren entladen und beide Kondensatoren die Spule der elektromagnetischen Quelle mit Strom speisen. Folglich hat der Schaltkreis die Kapazität des ersten Kondensators, bevor der zweite Kondensator beginnt, sich zu entladen. Während sich beide Kondensatoren entladen, hat der Schaltkreis eine Kapazität, die der Summe der Kapazitäten beider Kondensatoren entspricht. Somit stellt sich eine zeitlich veränderbare Kapazität des Schaltkreises ein, wodurch die Kurvenform des durch die Spule der elektromagnetischen Quelle fließenden Stromes beeinflussbar ist. Durch ein Variierung der Ladespannungen beider Kondensatoren kann somit die Kurvenform des Stromes durch die Spule verändert werden, wodurch wiederum die Eigenschaften der Stoßwelle der elektromagnetischen Quelle variiert werden können. Die Kurvenform des Entladestromes kann weiter variiert werden, wenn der Schaltkreis mehrere in Serie geschaltete Ventil/Kondensatorpaare aufweist, die parallel zum ersten Kondensator geschaltet und mit unterschiedlichen Ladespannungen geladen sind.
  • Das erste Diodenmodul umfasst im Übrigen beispielsweise eine Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrerer Dioden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann vor der Entladung der erste Kondensator mit einer ersten Gleichspannungsquelle und der zweite Kondensator mit einer zweiten Gleichspannungsquelle aufgeladen werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es auch vorgesehen, den ersten Kondensator und den zweiten Kondensator mit genau einer Gleichspannungsquelle aufzuladen und die Gleichspannungsquelle von dem zweiten Kondensator mit einem Schaltmittel wegzuschalten, sobald der zweite Kondensator seine Ladespannung erreicht hat. Das Schaltmittel umfasst gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wenigstens ein Halbleiterelement.
  • Nach einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Parallelschaltung aus zweitem Kondensator/erstem Ventil und erstem Kondensator ein zweites Ventil parallel geschaltet ist. Das zweite Ventil ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine zweite Diode oder ein zweites Diodenmodul. Durch die Parallelschaltung des zweiten Ventils zu den Kondensatoren erreicht man bei der Entladung der Kondensatoren eine zeitliche Verlängerung des ersten Quelldruckpulses. Außerdem werden die nachfolgenden abklingenden Quelldruckpulse abhängig von der Impedanz des zweiten Ventils stark bedämpft. Die Dämpfung kann dabei so groß sein, dass die nachfolgenden Quelldruckpulse gänzlich verschwinden. Durch die zeitliche Verlängerung des ersten Quelldruckpulses wird eine stärkere erste akustische Welle, beispielsweise bei der Erzeugung von Stoßwellen, also eine stärkere erste Stoßwelle, erzeugt, wodurch sich für die Zertrümmerung von Konkrementen eine Verstärkung der Volumen desintegrierenden Wirkung ergibt. Dadurch, dass zudem nur noch wenige schwache oder überhaupt keine dem ersten Quelldruckpuls nachfolgende Quelldruckpulse auftreten, wird auch die gewebeschädigende Kavitation, verursacht durch die auf die erste Stoßwelle folgenden aus den nachfolgenden Quelldruckpulsen hervorgegangenen Stoßwellen vermindert. Dadurch erhöht sich durch die durch das zweite Ventil bedingte verringerte Umpolspannung die Lebensdauer des ersten und des zweiten Kondensators. Zudem werden bei einer derartigen Erzeugung von Stoßwellen weniger hörbare Schallwellen erzeugt, so dass sich eine Lärmreduzierung ergibt. Maßgeblich bei der Erzeugung von hörbaren Schallwellen bei der Erzeugung von Stoßwellen ist nämlich die Gesamtfläche unter der Kurve des Quadrates des Stromes. Diese wird im Falle der vorliegenden Erfindung insgesamt durch den Wegfall des normalerweise auf den ersten Quelldruckpuls folgenden Quelldruckpulses verringert.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten schematischen Zeichnungen exemplarisch dargestellt. Es zeigen:
    • Figur 1
    einen bekannten Schaltkreis zur Erzeugung akustischer Wellen,
    Figur 2
    Den Verlauf der Spannung u(t), des Stromes i(t) und des Quadrates des Stromes i2(t) über der Zeit während der Entladung des Kondensators des Schaltkreises aus Figur 1,
    Figur 3
    eine elektromagnetische Stoßwellenquelle,
    Figur 4
    einen erfindungsgemäßen Schaltkreis zur Erzeugung akustischer Wellen,
    Figur 5
    den Verlauf des Stromes i'(t) über der Zeit während der Entladung eines erfindungsgemäßen Schaltkreises und
    Figur 6 bis 8
    weitere erfindungsgemäße Schaltkreise.
  • Die Figur 3 zeigt in Form einer teils geschnittenen und teils blockschaltartigen Darstellung eine elektromagnetische Stoßwellenquelle in Form eines Therapiekopfes 10, der im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels Bestandteil eines nicht näher dargestellten Lithotripters ist. Der Therapiekopf 10 weist eine mit 11 bezeichnete, an sich bekannte Schallerzeugungseinheit auf, welche nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeitet. Die Schallerzeugungseinheit 11 weist in in der Figur 3 nicht dargestellter Weise einen Spulenträger, eine auf diesem angeordnete Flachspule und eine gegenüber der Flachspule isolierte metallische Membran auf. Zur Erzeugung von Stoßwellen wird die Membran durch elektromagnetische Wechselwirkung mit der Flachspule in ein mit 12 bezeichnetes akustisches Ausbreitungsmedium abgestoßen, wodurch eine Quelldruckwelle in das akustische Ausbreitungsmedium 12 ausgesendet wird. Die Quelledruckwelle der akustischen Linse 13 wird auf eine Fokuszone F fokussiert, wobei sich die Quelldruckwelle während ihrer Ausbreitung in dem akustischen Ausbreitungsmedium 12 und nach Einleitung in den Körper eines Patienten P zu einer Stoßwelle aufsteilt. Im Falle des in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiels dient die Stoßwelle zur Zertrümmerung eines Steines ST in der Niere N des Patienten P.
  • Dem Therapiekopf 10 ist eine Bedien- und Versorgungseinheit 14 zugeordnet, die bis auf die Flachspule den in der Figur 4 gezeigten erfindungsgemäßen Schaltkreis zur Erzeugung von akustischen Wellen umfasst. Die Bedien- und Versorgungseinheit 14 ist dabei über eine in der Figur 3 gezeigte Verbindungsleitung 15 mit der die Flachspule umfassenden Schallerzeugungseinheit 11 elektrisch verbunden.
  • Der in der Figur 4 gezeigte erfindungsgemäße Schaltkreis für eine elektromagnetische Stoßwellenquelle zur Erzeugung akustischer Wellen weist Gleichspannungsquellen DC0, DC1 und DC2, ein Schaltmittel S, Kondensatoren C0, C1 und C2 und die Flachspule 23 der elektromagnetischen Schallerzeugungseinheit 11 des Therapiekopfes 10 auf. Mit dem Kondensator C1 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Diode D1 und mit dem Kondensator C2 ist eine Diode D2 in Serie geschaltet. Die Serienschaltungen aus Kondensator C1/Diode D1 und Kondensator C2/Diode D2 sind außerdem parallel zum Kondensator C0 geschaltet.
  • Für eine Aufladung der Kondensatoren C0 bis C2 ist das Schaltmittel S geöffnet. Der Kondensator C0 wird deshalb mit der Gleichspannung U0 der Gleichspannungsquelle DC0 und der in der Figur 4 dargestellten Polarität aufgeladen. Der Kondensator C1 wird mit der Gleichspannung U1 der Gleichspannungsquelle DC1 und der in der Figur 4 dargestellten Polarität aufgeladen. Die Spannung U1 der Gleichspannungsquelle DC1 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels kleiner als die Spannung U0 der Gleichspannungsquelle DC0. Die Diode D1 ist derart geschaltet, dass sie sperrt, solange der Kondensator C0 mit einer größeren Spannung u0(t) aufgeladen ist als der Kondensator C1. Die Diode D1 verhindert also einen Ausgleichsvorgang zwischen den mit den Spannungen U0 bzw. U1 aufgeladenen Kondensatoren C0 und C1, weshalb der Kondensator C0 am Ende des Aufladens mit der höheren Spannung U0 aufgeladen ist als der Kondensator C1, der am Ende des Aufladens mit der Spannung U1 aufgeladen ist. Der Kondensator C2 wird des Weiteren mit der Gleichspannung U2 der Gleichspannungsquelle DC2 und der in der Figur 4 dargestellten Polarität aufgeladen. Die Gleichspannung U2 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels kleiner als die Gleichspannung U1. Die Diode D2 ist ebenfalls derart geschaltet, dass sie sperrt, solange die Spannung u2(t) des Kondensators C2 kleiner als die Spannung u0(t) des Kondensators C0 ist. Somit ist es möglich, die Kondensatoren C0 bis C2 mit unterschiedlich großen Spannungen aufzuladen.
  • Für das Erzeugen der Stoßwellen wird das Schaltmittel S geschlossen. Dadurch beginnt der Kondensator C0 sich über die Spule 23 zu entladen, wodurch die Spannung u0(t) des Kondensators C0 sinkt und ein Strom i'(t) durch die Flachspule 23 fließt. Die an der Flachspule 23 anliegende Spannung ist mit u'(t) bezeichnet. Erreicht die Spannung u0(t) des Kondensators C0 den Wert der Spannung U1 des geladenen Kondensators C1, wird die Diode D1 leitend und der Strom i'(t) durch die Flachspule 23 wird von beiden Kondensatoren C0 und C1 gespeist. Erreichen die Spannung u0(t) des Kondensators C0 und die Spannung u1(t) des Kondensators C1 die Spannung U2 des aufgeladenen Kondensators C2, wird die Diode D2 leitend und der Strom i'(t) durch die Flachspule 23 wird von den drei Kondensatoren C0 bis C2 gespeist. Somit stellt sich eine zeitlich veränderbare Kapazität des Schaltkreises ein, wodurch die Kurvenform des durch die Flachspule 23 fließenden Stromes i'(t) beeinflussbar ist. Durch in der Figur 4 nicht dargestellte weitere, parallel zum Kondensator C0 geschaltete Kondensator/Dioden Kombinationen, deren Kondensatoren mit unterschiedlich hohen Spannungen kleiner als die Spannung U0 der Gleichspannungsquelle DC0 aufgeladen sind, kann die Kurvenform des Stromes i'(t) durch die Flachspule 23 während des Entladens weiter beeinflusst werden.
  • Die Figur 5 zeigt als Beispiel Verläufe von Strömen i'(t) durch die Flachspule 23 während des Entladens, wenn der in der Figur 4 gezeigte Schaltkreis nur die Kondensatoren C0 und C1 umfasst. Durch eine geeignete Wahl der Spannungen U0 und U1 der Gleichspannungsquellen DC0 und DC1 haben die Strommaxima gleiche Werte.
  • Die Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltkreises. Der in der Figur 6 dargestellte Schaltkreis umfasst im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels Kondensatoren C0' bis C2', Schaltmittel S', S1 und S2, Dioden D1' und D2', eine Gleichspannungsquelle DC0' und die Flachspule 23.
  • Die Diode D1' und der Kondensator C1' sowie die Diode D2' und der Kondensator C2' sind in Serie geschaltet. Die Serienschaltungen aus Kondensator C1'/Diode D1' und Kondensator C2'/Diode D2' sind parallel zum Kondensator C0' geschaltet. Die Dioden D1' und D2' sind derart gepolt, dass sie sperren, solange der Kondensator C0' mit einer Spannung u0'(t) gemäß der in der Figur 6 eingezeichneten Polarität geladen ist, die größer als die Spannung u1'(t)des Kondensators C1' bzw. der Spannung u2'(t) des Kondensators C2' gemäß der eingezeichneten Polarität ist.
  • Während des Aufladens der Kondensatoren C0' bis C2' ist das Schaltmittel S' geöffnet. Zu Beginn des Aufladens sind die Schaler S1 und S2 geschlossen. Da die Kondensatoren C1' und C2' mit Ladespannungen U1' und U2' geladen werden sollen, die kleiner als die Spannung U0' der Gleichspannungsquelle DC0' sind, werden die Schalter S1 und S2 dann geöffnet, wenn die Kondensatoren C1' und C2' mit den gewünschten Spannungen U1' und U2' aufgeladen sind. Da die Kondensatoren im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit relativ geringen Strömen kleiner als 1 Ampere aufgeladen werden, sind Schaltgenauigkeiten der Schalter S1 und S2 im Millisekundenbereich ausreichend, um die Kondensatoren C1' und C2' mit ausreichender Genauigkeit aufzuladen. Die Spannungen u1'(t) und u2'(t) der Kondensatoren C1' und C2' werden während des Aufladens mit in der Figur 6 nicht dargestellten Messgeräten überwacht.
  • Am Ende des Aufladens sind daher die Schaltmittel S1 und S2 geöffnet, der Kondensator C0' mit der Spannung U0' der Gleichspannungsquelle DC0' und die Kondensatoren C1' und C2' mit den Spannungen U1' und U2' geladen. Außerdem ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Spannung U2' des aufgeladenen Kondensators C2 kleiner als die Spannung U1' des aufgeladenen Kondensators C1.
  • Für die Entladung der Kondensatoren C0' bis C2' wird das Schaltmittel S' geschlossen und der Kondensator C0' beginnt sich über die Flachspule 23 zu entladen, wodurch ein Strom i'(t) durch die Flachspule 23 fließt. Solange die Spannung u0'(t) des Kondensators C0' größer als die Spannung U1' des aufgeladenen Kondensators C1' ist, sperren die Dioden D1' und D2'. Erreicht die Spannung u0'(t) des Kondensators C0' den Wert der Spannung U1' des aufgeladenen Kondensators C1', wird die Diode D1' leitend und der Strom i'(t) durch die Flachspule 23 wird von den Kondensatoren C0' und C1' gespeist. Erreichen die Spannungen u0'(t) und u1'(t) der Kondensatoren C0' und C1' den Wert der Spannung U2' des aufgeladenen Kondensators C2', wird auch die Diode D2' leitend und der Strom i'(t) durch die Flachspule 23 wird von den Kondensatoren C0' bis C2' gespeist.
  • Die Figur 7 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Schaltkreis, der im Vergleich zu dem in der Figur 4 gezeigten Schaltkreis eine zusätzliche Diode D3 aufweist. Die Diode D3 ist parallel und in Sperrrichtung zur Ladespannung U0 des Kondensators C0 geschaltet.
  • Die Figur 8 zeigt noch einen weiteren erfindungsgemäßen Schaltkreis, der im Vergleich zu dem in der Figur 6 gezeigten Schaltkreis eine zusätzliche Diode D3' aufweist. Die Diode D3' ist parallel und in Sperrrichtung zur Ladespannung U'0 des Kondensators C0' geschaltet.
  • Anstelle der Dioden D1 bis D3 und D1' bis D3' können insbesondere auch Diodenmodule aufweisend eine Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung mehrerer Dioden eingesetzt werden. Die Schaltmittel S, S', S1 und S2 können insbesondere eine Reihenschaltung von an sich bekannten Thyristoren sein, die z.B. von der Firma BEHLKE ELECTRONIC GmbH, Am Auerberg 4, 61476 Kronberg in ihrem Katalog "Fast High Voltage Solid-State Switches" vom Juni 2001 angeboten werden.

Claims (10)

  1. Schaltkreis für eine elektromagnetische Quelle (10) zur Erzeugung akustischer Wellen, der eine Spule (23) der elektromagnetischen Quelle (10) und
    wenigstens einen ersten Kondensator (C0) umfasst, der parallel zu wenigstens einer Serienschaltung aus einem zweitem Kondensator (C1) und einem ersten Ventil (D1) geschaltet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das erste Ventil (D1) derart geschaltet ist,
    dass es nach dem Aufladen beider Kondensatoren (C0,C1) während des Entladens des ersten Kondensators (C0) sperrt, solange der erste Kondensator (C0) mit einer größeren Spannung (u0(t)) als der zweite Kondensator (C1) aufgeladen ist, und leitend wird, sobald die Ladespannung (u0(t)) des sich zuerst entladenden, ersten Kondensators (C0) wenigstens im Wesentlichen die Ladespannung (u1(t)) des zweiten Kondensators (C1) erreicht, wodurch sich der zweite Kondensator (C1) zu entladen beginnt und die beiden, sich entladenden Kondensatoren (C0, C1) die Spule (23) der elektromagnetischen Quelle (10) mit Strom (i'(t)) speisen.
  2. Schaltkreis nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das erste Ventil eine erste Diode (D1, D2, D1', D2') oder ein erstes Diodenmodul ist.
  3. Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass vor der Entladung des ersten Kondensators (C0, C0') und des zweiten Kondensators (C1, C2, C1', C2') der erste Kondensator (C0, C0') mit einer größeren Ladespannung (U0, U0') als der zweite Kondensator (C1, C2, C1', C2') aufladbar ist.
  4. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass vor der Entladung der erste Kondensator (C0) mit einer ersten Gleichspannungsquelle (DC0) und der zweite Kondensator (C1, C2) mit einer zweiten Gleichspannungsquelle (DC1, DC2) aufladbar sind.
  5. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der erste Kondensator (CO') und der zweite Kondensator (C1', C2') mit genau einer Gleichspannungsquelle (DC) aufladbar sind und die Gleichspannungsquelle (DC) von dem zweiten Kondensator mit einem Schaltmittel (S1, S2) wegschaltbar ist, sobald der zweite Kondensator seine Ladespannung erreicht hat.
  6. Schaltkreis nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Schaltmittel (S1, S2) wenigstens ein Halbleiterelement umfasst.
  7. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Parallelschaltung aus zweitem Kondensator (C1, C2, C1', C2')/erstem Ventil (D1, D2, D1', D2') und erstem Kondensator (C0, C0') ein zweites Ventil (D3, D3') parallel geschaltet ist.
  8. Schaltkreis nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das zweite Ventil eine zweite Diode (D3, D3') oder ein zweites Diodenmodul ist.
  9. Elektromagnetische Quelle (10) mit einem Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  10. Lithotripter mit einer elektromagnetischen Quelle (10) nach Anspruch 9.
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