CH678700A5 - - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schwingen einer Nadel mit einem Schwinger und einem Wellenleiter sowie einen Phakoemulsionierungswandler mit einer solchen Vorrichtung. Die Erfindung kann bei der medizinischen Behandlung von Katarakten angewendet werden, wobei die vibrierende Nadel die Katarakte zerbricht und die zerbrochenen Bruchstücke durch den hohlen Teil der Nadel abgezogen werden. 



  Fig. 1 zeigt einen piezoelektrischen Wandler 3, der angewendet werden kann, um eine stehende Ultraschallwelle in einem Rohr 6 zu erzeugen. Der Wandler umfasst zwei piezoelektrische Kristalle 9 und 12, die durch eine Elektrode 15 getrennt sind. Werden die Kristalle durch ein an die Oberflächen 21A und 21B angelegtes Wechselstromsignal erregt, werden die Kristalle mit der Frequenz des Signals expandiert und kontraktiert. Das heisst, die Kristalle pendeln zwischen der expandierten Grösse, die durch die gestrichelte Linie 18 angegeben wird, und der kontraktierten Grösse, die durch die Oberflächen 21A und 21B angegeben wird. Diese zyklische Expansion und Kontraktion bewirkt mechanische Impulse an dem Rohr 6. 



  Wird die Pulsfrequenz gleich der Resonanzfrequenz des Rohres 6, wird eine stehende Welle entstehen. Die stehende Welle bewirkt, dass eine Nadel 24 zwischen einer mit gestrichelten Linien dargestellten Position 24 schwingt. Die schwingende Nadel kann angewendet werden,  um hartes Material, z.B. Katarakte im menschlichen Auge zu zertrümmern. 



  Eine Art der bekannten Vorrichtung verwendet eine Elektrode 15, die aus einer Beryllium-Kupfer-Legierung hergestellt ist. Durch die zyklische Kompression und Entspannung, die durch die Vibration der Kristalle 9 und 12 bewirkt wird, ermüdet jedoch eine solche Elektrode und über einen längeren Zeitraum wird die Elektrode 15 herausgepresst, wie dies in vergrösserter Form in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Verformung hat mindestens drei Effekte zur Folge. Erstens es bewirkt, dass sehr kleine Luftspalte auftreten, wie durch den Spalt 28 dargestellt ist. Diese Lufspalte schwächen die akustische Kopplung zwischen den Flächen 30 und 33 und setzen den Übertragungswirkungsgrad der Ultraschallenergie in das Rohr 6 herab. Zweitens, die Luftspalte vermindern den elektrischen Kontakt zwischen der Elektrode 15 und den Kristallen 9 und 12.

  Ein guter elektrischer Kontakt ist aber erforderlich, um die elektrische Ladung aufzubringen, welche die auf dem Piezoeffekt beruhende Bewegung der Kristalle 9 und 12 einleitet. Drittens, die Verformung verringert den mechanischen Druck, der ursprünglich auf die Kristalle 9 und 12 einwirkte. Das heisst, die Kristalle werden durch mechanische Kräfte vorgespannt, die durch die Pfeile 36 und 39 in Fig. 1 dargestellt sind. Die Elektrode 15 wirkt diesen Kräften 36 und 39 entgegen. Die Dickenänderung, die durch die Verformung verursacht wird, verringert diese Reaktion, vermindert den Druck, somit werden die Kristalle 9 und 12 entlastet und arbeiten unter nicht optimalen Bedingungen. 



  Ein zweites Merkmal des Fühlers in Fig. 1 ist, dass eine beträchtliche Menge der akustischen Energie, die durch die Wellen 40 dargestellt ist, abgestrahlt und nicht auf das Rohr 6 übertragen wird. Die Wellen 40 bringen keine Energie auf die Nadel 24. Ihre Energie geht verloren. 



  Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen verbesserten Ultraschallwandler mit einem Reflektor, wel cher der durch die zyklische Biegung des Schwingers verursachte Verformung widersteht und welcher auf eine Nadel eine akustische Energie aufbringt, die andererweise verlorengeht. 



  Dieses Ziel wird erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 erreicht. 



  Eine Phakoemulsionierungssonde ist erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruches 4 gekennzeichnet. 



  Bei dieser Phakoemulsionierungssonde kann die Frequenz automatisch nachgeführt und stabile Schwingungssignale über einen spezifizierten Frequenzbereich aufrechterhalten werden, als auch die akustische Belastung und eine maximale Lastübertragung auf die über einen spezifizierten Bereich sichergestellt werden. 



  Zur automatischen Frequenz- und Lastnachführung kann ein elektronischer Steuerschaltkreis vorgesehen werden, und eine nahezu konstante mechanische Beanspruchung kann über einen spezifizierten Arbeitstemperaturbereich für die piezoelektrischen Wandler durch einen einzigartigen flexiblen Klemmechanismus aufrechterhalten werden. Eine optimale mechanische Beanspruchung kann durch den Resonator am Nadelträger aufrechterhalten werden.

  Der Resonator kann eine akustische Trichter- und Rohrkombination mit einer Form sein, welche sich nahezu dem idealen katenoidalen Hornaufbau nähert. 
 
   Die Fig. 1 zeigt eine bekannte Phakoemulsionierungssonde. 
   Die Fig. 2 zeigt die Verformung, welche in der Elektrode 15 in Fig. 1 auftreten kann. 
   Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung. 
   Die Fig. 5 zeigt die Reflexion von Schallwellen durch einen Reflektor 43 in Fig. 4. 
   Die Fig. 6 zeigt schematisch die Kompression des Wandlers 3 in Fig. 3. 
   Die Fig. 7 zeigt schematisch die Verlängerung des Stabes 66B, welcher dem Rohr 66 in Fig. 3 entspricht, welche auftritt, um den konstanten Druck auf den Wandler  in Fig. 7 aufrechtzuerhalten. 
   Die Fig. 8 zeigt einen Schaltkreis, der ein Signal an einen Wandler anlegt, welches Signal die gleiche Frequenz wie die Resonanzfrequenz einer Last an dem  Wandler hat.

   
 



  Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, während Fig. 4 die Erfindung von Fig. 3 zeigt, aber in auseinandergezogener, vereinfachter schematischer Form. In diesen Figuren ist ein Ultraschallwandler 3 zwischen einem Reflektor 43 und einem Resonator 46 angeordnet. Der Wandler enthält eine Elektrode 50 aus ungehärtetem # 01 Kohlenstoffstahl und zwei piezoelektrischen Kristallen 53 und 56 aus einem modifizierten Blei-Zirkonat-Titan-Keramikmaterial, die in Ringe geformt und mit Silber zur elektrischen Leitung beschichtet sind und unter dem Markennamen PXE durch die Elektronic Components and Materials Division of North American Phillips Corporation verkauft werden. Ein Stift 59, der an der Elektrode befestigt ist, ermöglicht den Anschluss an eine Stromquelle. Ein Isolierrohr 61 sitzt in einer Bohrung 63 im Wandler 3.

   Der Reflektor 43 ist durch ein Rohr 66 mit Aussengewinde befestigt, das mit den Gewindeabschnitten 68 und 70 in dem Reflektor und Resonator übereinstimmt. 



  Beide, das Rohr 66 und der Resonator 46 sind aus 6AL-4V Titan hergestellt. Der Reflektor 43 ist aus # 17 Wolfram hergestellt. Eine Isolierhülse besteht aus Teflon. Teflon ist eine Marke der Du Pont Chemical Corporation. 



  Beim Zusammensetzen der Komponenten von Fig. 4 in den fertiggestellten Aufbau von Fig. 3, wird zuerst das Gewinderohr 66 in den Resonator 46 eingeschraubt, bis ein Ende 73 in Fig. 3 gegen die Schulter 75 anliegt. Dann wird der Reflektor auf das Gewinderohr 66 aufgeschraubt, um den Wandler 3 zusammenzudrücken. Der Druckwert wird nach der folgenden Methode bestimmt. 



  Ein 2  mu F Kondensator 77 wird über die piezoelektrischen Kristalle 53 geschaltet, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Dadurch ist der Kondensator 77 parallel zu den Kristallen 53 und 56 geschaltet. Diese parallele Anordnung  besteht, weil das Gewinderohr 66 den Reflektor 43 mit dem Resonator 46 elektrisch verbindet und somit den Resonator 43 und Reflektor 46 an die gleiche elektrische Spannung anlegt. (Das heisst, die Flächen 79 und 80 des Kristalls sind beide an den Anschlussdraht 83 des Kondensators 77 angeschlossen, während die Flächen 85 und 86 mit dem Anschlussdraht 89 verbunden sind.) 



  Nachdem der Kondensator 77 parallel zu den Kristallen 53 und 56 angeschlossen ist, wird der Reflektor 43 durch Drehen des Gewinderohres 66 zum Resonator 46 verschoben, bis die piezoelektrischen Kristalle soweit zusammengedrückt werden, dass die Spannung über den Kondensator 77 0,75 Volt erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird das Vorschieben vom Reflektor 43 gestoppt. Die piezoelektrischen Kristalle 53 und 56 werden nun proper zusammengedrückt. 



  Ein Grund zur Durchführung dieser besonderen Spannungsmessart unter Anwendung des Kondensators 77 besteht darin, dass die Gesamtkapazität der Kristalle 53 und 56 ca. 600 bis 700 pF beträgt. Die elektrische Ladungsaufteilung, welche durch die Kompression der Kristalle zwischen Reflektor 46 und Resonator 43 mit solch einer kleinen Kapazität erzeugt wird, erzeugt eine hohe Spannung in der Grössenordnung von Hunderten von Volt. Eine Messung einer solchen Spannung unter diesen Umständen ist schwierig, mindestens aus den Gründen, dass sich eine sehr kleine RC-Zeitkonstante aus der Kombination von Kristalleigenkapazität und Eingangswiderstand des Voltmeters ergibt. 



  Der Aufbau nach Fig. 3 kann wie folgt angewendet werden. Eine bekannte Phakoemulsionierungsnadel, z.B. das Modell Nummer IA-145, erhältlich bei Storz Instrument Company in St. Louis, Missouri, wird in das Gewindeende 96 des Resonators 46 eingeschraubt. Bei Gebrauch vibriert die Nadel in Längsrichtung durch abwechselndes Zusammenziehen in der ausgezogenen Darstellung 94 und Ausdehnen in der gestrichelten Darstellung 98. Diese oszillatorische Verschiebung, die durch das Mass 101 be zeichnet ist, beträgt ca. 5/1000 stel von 25,4 mm. Die Vibration der Nadel tritt mit der Schwingfrequenz der piezoelektrischen Kristalle 53 und 56 auf, die über den Resonator 46 an die Nadel 94 gekoppelt sind. Der gekrümmte Bereich 104 des Resonators 46 wirkt als ein Trichter, um den Kristall 56 an die Nadel 94 bezüglich Impedanz anzupassen und um den Energiefluss zur Nadel zu maximieren.

  Der Resonator 46 als ein Ganzes wirkt als eine 1/4 Wellenlänge - Übertragungsleitung (bei der Kristallfrequenz), auf welche die Nadel 94 als eine Last wirkt. 



  Die Kristalle 53 und 56 in Fig. 3 werden durch ein Signal getrieben, das an die Elektrode 50 und den Reflektor 43 angelegt wird. Das Anlegen eines Wechselstromsignals an die Kristalle 53 und 56 veranlasst diese, sich periodisch in die gestrichelt dargestellte Position 107 auszudehnen und dann in die ausgezogen dargestellte Position zusammenziehen. Dieses periodische Ausdehnen und Zusammenziehen legt mechanische Impulse mit der Signalfrequenz an den Resonator 46. 



  Die die Elektrode 50 und den Reflektor 43 treibende Signalfrequenz beträgt mit Vorteil 28 bis 29 kHz. Ein System zum Anlegen eines solchen Treibersignals an die Kristalle 53 und 56 ist in der US-Patentanmeldung Nr. 928 170 mit dem Titel "Control System For Ophthalmic Surgical Instruments" eingereicht am 6. November 1986 beschrieben. Diese Patentanmeldung wird durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung eingeschlossen. Eine Ausführungsform eines derartigen Systems ist von Storz Instrument Company, St. Louis, Missouri, unter der Bezeichnung DAISY erhältlich. 



  Eine Schaltkreisart, welche im DAISY-System angewendet wird, um ein elektrisches Signal zum Treiben des Wandlers mit Resonanzfrequenz anzulegen, ist im Blockschema von Fig. 8 gezeigt. In der vorliegenden Erläuterung ist der Wandler 3 als ein RLC-Serie-Resonanznetzwerk parallel mit einer Kapazität aufgebaut, wenn unter Last und nahe der Resonanzfrequenz des Wandlers betrie ben. Dieses Modell des Wandlers ist in Fig. 8 nicht gezeigt. 



  Als System mit geschlossener Schleife ist der Treiberschaltkreis im wesentlichen ein Oszillator, der das Barkhausensche Schwingungskriterium erfüllt: Null Phasenverschiebung und Schleifenverstärkung 1. Die Ausgangsfrequenz des Oszillators ist mit 28 500 +/- 500 Hertz gewählt. 



  Der Rückkopplungsteil der Schleife besteht aus einem Injektion-Oszillator 203, einem aktiven Bandpassfilter 205, einem aktiven Tiefpassfilter 207 und einem Verstärker 209 mit variablem Verstärkungsfaktor. Der Oszillator 203 erzeugt ein Spannungssignal mit einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz des Wandlers. Dieses Signal wird aus der Rückkopplungsschleife weggeschaltet, sobald der Treiberschaltkreis ein ausreichend hohes Signal erzeugt, um die Wandlerschwingungen aufrechtzuerhalten. Der Bandpass- und Tiefpassfilter sorgen für die geeignete Frequenzwahl und Phasenverschiebungscharakteristiken, um die Stärke des Wandlerrückkopplungssignals aufrechtzuerhalten, während die Wandlerphasencharakteristiken über einen normalen Arbeitsbereich variieren.

  Das vom Wandler zurückgekoppelte Signal wird über ein Kompensationsnetzwerk 213 abgeleitet, das eine zusätzliche Frequenzwahl und Phasenverschiebungsstabilität bewirkt. Der Verstärker 209 bestimmt die Schleifenverstärkung während der anfänglichen Einstellung der Filterschaltkreise und bleibt im wesentlichen festeingestellt, nachdem die Filterschaltkreiskalibrierung abgeschlossen ist. 



   Der Leistungsverstärker und Transformator 215 erzeugt eine max. Treiberspannung von ca. 380 V (effektiver Mittelwert der Spannung) mit einem max. Strom von ca. 10 mA (effektiver Mittelwert des Stromes). Ein Verstärkungsregelschaltkreis 218 erzeugt ein stabiles Spannungssignal durch Vergleich der Treiberspannung auf der Leitung 221 mit einem Spannungsbezugspegel, der durch einen Bedienenden auf der Leitung 223 eingegeben wird  und nachfolgendes Kompensieren der Differenzen durch Einstellen der Verstärkung des Leistungsverstärkers 215. 



  Die Vibration der Nadel 24 in Fig. 3 kann bei der medizinischen Behandlung von erhärteten Objekten z.B. Katarakte im menschlichen Auge angewendet werden. Wird die vibrierende Nadel 94 nahe an einen Katarakt herangebracht, wird der Katarakt zertrümmert, und die Bruchstücke werden durch den Kanal 110 abgezogen, der über einen Nippel 117 an eine Vakuumquelle 115 angeschlossen ist. 



  Mehrere wichtige Aspekte der Erfindung sind folgende: 



  (1) Wie vorstehend erwähnt ist der Reflektor 43 aus Wolfram. Wolfram hat eine sehr hohe Schallimpedanz in der Grössenordnung von 90-10<6> kg/(m<2>-sec) bis 105 x 10<6> kg/(m<2>-sec). Demzufolge wird die Schallenergie an der Berührungsfläche 79 in Fig. 3 (1) in Phase reflektiert, und zwar (2) mit einem Reflexionsfaktor von beinahe Eins, d.h. beinahe 100% der Energie wird reflektiert bei einer minimalen Übertragung in den Reflektor. Diese starke Reflexion gewinnt Energie zurück und richtet diese wieder zum Resonator 46 zurück. Diese Energie würde andernfalls im Reflektor 43 verlorengehen. Eine solche Verlustenergie ist als Welle 40 in Fig. 1 dargestellt. Die durch die Erfindung erzielte starke Reflexion kann wie folgt erklärt werden. 



  Wenn sich die ausbreitenden Schallwellen durch den Wandler 3 fortpflanzen, treffen sie auf unterschiedlich hohe Schallimpedanzen, die sich aus der Dichte und dem E-Modul der unterschiedlichen Materialien ergeben, aus denen der Wandler zusammengesetzt ist. Wenn eine Schallwelle eine Grenzschicht zwischen zwei derartig unterschiedlichen Materialien durchdringt, ist es wahrscheinlich, dass die Welle reflektiert wird. Die Energieübertragungstheorie quantifiziert diese Reflexion, wie die folgende Diskussion zeigt. 



  Der Reflexionsfaktor, der eine komplexe Zahl mit reellen und imaginären Teilen (die beide möglicherweise  nicht Null sind), umschreibt die Menge der auftreffenden Wellenenergie, welche an der Grenzfläche zischen unterschiedlichen Materialien reflektiert wird. Es gibt auch die Phasenlage zwischen auftreffenden und reflektierten Wellen an; diese sind entweder phasengleich (Phasenverschiebung = 0) oder phasenverschoben (bis zu 180 DEG ). 



  Die prinzipiellen Konstruktionsmethoden, die bei Wandlern angewendet werden, basieren auf einer anfänglichen Annahme, dass die Übertragungsmedien für Schallwellen verlustlos sind. Diese Annahme bringt den Vorteil, dass die für Ausführung einer Schallübertragungskonstruktion erforderlichen mathematischen Berechnungen weit besser beherrschbar sind und einen geringen Aufwand für die Genauigkeit des Endergebnisses verursachen. 



  Die Methode, nach welcher der Reflexionsfaktor berechnet wird, steht in Zusammenhang mit der Annahme, dass die Übertragung verlustlos erfolgt. In ihrer allgemeinsten Form, ist die Berechnung einfach ein Verhältnis aus (1) den Unterschieden zwischen zwei Schallimpedanzen und (2) der Summe dieser beiden Impedanzen. Eine verwirrende Situation tritt unter Umständen auf, wenn man versucht jeder Impedanz einen numerischen Wert zuzuweisen, bevor das Verhältnis berechnet ist. Die Berechnung des Reflexionsfaktors R erfolgt folgendermassen:
 
 R = (ZL-ZO)/(ZL+ZO)
 



  In dieser Gleichung stellt ZL die spezifische Schallimpedanz dar, welche vorliegt wenn sich die Schallwelle aus einem Medium mit einer Eigenimpedanz ZO in ein Medium mit einer Eigenimpedanz ZX fortpflanzt. Der numerische Wert der spezifischen Schallimpedanz ist eine Funktion der Eigenschallimpedanz, der Länge des Materials von der Fläche, auf die die Welle auftrifft, bis zur Fläche, aus der die Welle austritt, und des numerischen Wertes (möglicherweise komplex) der spezifischen Schallimpedanz, welche die übertragene Welle durchläuft, wenn sie die Austrittsfläche erreicht.

  Im allgemeinsten Sinne sind die Dämpfungseigenschaften des Materials auch wesentlich. wie  früher angegeben, werden jedoch diese Eigenschaften bei der Konstruktion ausser Acht gelassen, weil angenommen wird, dass ausreichende massliche Massnahmen an den Teilen getroffen worden sind, so dass die Annahme, dass keine Verluste auftreten, gültig bleibt. 



  Ein weiterer Faktor, auf welchen diese Konstruktion basiert, ist die Wellenlänge der Schallwelle, wenn sie den keramischen Kristall durchläuft. Um für den Wolframreflektor die gewünschte phasengleiche Reflexion zu halten, muss seine Länge nahe bei 1/4 Wellenlänge mit einer niederohmigen Wellenimpedanzverstärkung liegen, d.h. mit einer Verstärkung die über dem Betriebsfrequenzbereich bei einem Kurzschluss des Wandlers liegt. Die Schallimpedanz von Luft wird für gewöhnlich als ein Kurzschluss angesehen. 



  Unter diesen Bedingungen ist die spezifische Schallimpedanz, die von der übertragenen Schallwelle an der Grenzfläche des Wolfram-Reflektors durchlaufen wird, nahezu Null. Deshalb ist die von der Schallwelle an der Berührungsfläche zwischen dem keramischen Kristall und dem Wolfram-Reflektor zu durchlaufende, spezifische Schallimpedanz nahezu unendlich. Als eine Konsequenz ist der numerische Wert von ZL sehr hoch im Vergleich mit ZO und der Reflexionsfaktor, der den Druckwert und die Phasenverschiebung der auftreffenden Schallwelle nach der Reflexion definiert, ist nahezu gleich Eins. Dies bedeutet, dass nahezu 100% der auftreffenden Schallwelle phasengleich reflektiert wird, wodurch der Netto-Druckwert der Schallwelle in der ersten Richtung der Schalleistungsabgabe, d.h. zum Resonator und schliesslich zur Nadelspitze hin, erhöht wird. 



  In der Praxis ist die Ist-Länge des Reflektorabschnittes kürzer als 1/4 Wellenlänge. Die Annahme "ohne Verlust" ergibt sich aus einer imagniären Zahl, welche die durch den Reflektor dargestellte spezifische Schallimpedanz darstellt. Der Enderfolg ist, dass der Wert des Reflexionsfaktors immer 1 ist, selbst für Reflektorlängen mit anderen als 1/4 Wellenlänge. Der feststellbare Unter schied in der reflektierten Welle wird die Phasenlage zwischen dieser und der auftreffenden Welle sein. Änderungen der Länge des Reflektors wird dieses Phasenverhältnis ändern. Bei der vorliegenden Ausführung sollte die Phasenverschiebung geringer als 30 Grad über dem normalen Betriebsfrequenzbereich des Wandlers sein. 



   Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt ZX ca. 100 x 10<8> kg/(m<2>-sec) und ZO beträgt ca. 30 x 10<6>kg/(m<2>-sec). Beide Zahlen sind reell, d.h. die komplexen Zahlen haben einen imaginären Teil gleich Null. ZL beträgt ca. 130 x 10<6> kg/(m<2>-sec). Diese Zahl ist imaginär, d.h. eine komplexe Zahl mit einem reellen Teil gleich Null. ZL ist von den genormten Übertragungsmethoden abgeleitet, welche die Länge, die Schallgeschwindigkeit und Dämpfungseigenschaften des Materials als auch die Eigenschaften der akustischen Last einschliessen, die den Kontakt mit dem Material herstellt.
 
 ZL = j tan ( beta  l ) ZX
 
 worin  beta  die Phasenverschiebungskonstante,  l  die Materiallänge und j die Quadratwurzel von -1 ist. 



  (2) Wie vorstehend erwähnt, ist das Gewinderohr 66 in den Fig. 3 und 4 aus 6AL-4V Titan hergestellt. Diese Titanlegierung hat ein kleines Elastizitätsmodul. Das Elastizitätsmodul wird allgemein als das Verhältnis von Kraft zu Verformungsweg oder Zugkraft pro Flächeneinheit durch Verlängerung pro Längeneinheit definiert. Anders ausgedrückt, bei einem kleinen Modul bewirkt eine geringe Zugkraft eine grosse Verlängerung des Gewinderohres 66. In einfachsten Worten, das Titangewinderohr 66 dehnt sich leicht. 



  Das kleine E-Modul ist wesentlich, weil die thermische Längenausdehnung des Gewinderohres 66, welches den Reflektor 43 und Resonator 46 zusammenhält (dadurch wird Druck auf die piezoelektrischen Kristalle 53 und 56 aufgebracht), könnte das Rohr 66 veranlassen, die Länge zu ändern, somit den auf die piezoelektrischen Kristalle 53 und 56 aufgebrachten Druck zu ändern; was unerwünscht ist.  Das kleine E-Modul hat thermische Längenänderungen zur Folge. Dies wird an einem Beispiel illustriert. 



  Die Wärmeausdehnung wirkt auf die Komponenten links von der Fläche 80 in Fig. 3 in Richtung des Pfeiles 130 ein, weil der Resonator 46 aus dem gleichen Material hergestellt ist, wie das Gewinderohr 66 und folglich die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Rohres 66 und des Resonators 46 die gleichen sind. Für die Komponenten links der Fläche gilt, dass der Reflektor 43 und der Resonator 46 dazu neigen, durch Aufbringen von mehr Druck die Kristalle 53 und 56 zusammenzudrücken, wenn der Wandler 3 gekühlt wird oder wenn das Gewinderohr 66 sich mehr zusammenzieht als der Wandler 3. Ein kleines E-Modul erlaubt jedoch das Gewinderohr 66 zu strecken, wodurch der Druck im wesentlichen konstant gehalten wird. Dies ist ferner mit Bezug auf Figur 6 erläutert. Die Wände 132 und 134 in Fig. 3 stellen die Enden des Reflektors 43 bzw. des Resonators 46 dar. Diese Wände drücken den Wandler 3 zusammen.

  Federn 137, welche dazu neigen, die Wände 132 und 134 gegeneinander zu ziehen, stellen das Gewinderohr 66 dar, welches den Reflektor und Resonator zusammenhalten. 



  Im allgemeinen ist die durch eine Feder 137 aufgebrachte Kraft proportional zu ihrer prozentualen Längenänderung, aber es kann jedoch angenommen werden, dass bei geringen Längenänderungen (durch Wärmeausdehnung) die Kraft relativ konstant ist. Wenn durch die Wärmeausdehnung des Wandlers 3 die Wand 134 in die gestrichelt dargestellte Stellung 134A bezüglich zur Wand 132 verlagert wird, werden die Federn 137 jedoch gestreckt und halten eine relativ konstante Gegenkraft bei, die den Wandler zusammendrückt. Das ähnlich wie die Feder wirkende Gewinderohr 66 in Fig. 3 hält den Druck auf die Kristalle 53 und 56 auf einem relativ konstanten Wert. 



  Das Rohr 66 in Fig. 3 hat einen Aussen-  von 4,16 mm, einen Innen-  von 1,58 mm und eine Länge von 14,73 mm zwischen den Gewindeverbindungen (z.B. Abmessung 130), welche den Abstand zwischen den Verbindungen 68 und 70 darstellt). Diese Abmessungen des Rohres 66 ergeben  ein E-Modul von ca. 16,5 x 10<6> psi, welches als geeignet für den Durchmesser des Wandlers 3, der 10 mm ist, und für die Wärmeausdehnung von 60 DEG F bis 270 DEG F angesehen wird. 



  Das Rohr 66 wurde als eine Feder beschrieben, welche eine kleine Verlängerung in Abhängigkeit der Wärmeausdehnung des Wandlers 3 zeigt, und folglich eine geringe Änderung im Druck auf die Kristalle 53 und 56 zeigt. Es wird nun gezeigt, dass die besondere Ausführung der in Fig. 3 gezeigten Erfindung eine geringere Druckänderung im Vergleich zur schematischen Ausführung von Fig. 6 bewirkt. 



  Angenommen, dass der Wandler 3 in Fig. 6 sich aufgrund von Wärme um 0,025 mm verlängert (z.B. beträgt das Mass 132 0,025). Um einen konstanten Druck am Wandler 3 aufrechtzuerhalten, muss das Rohr 66 in Fig. 3 (1) sich um 0,025 mm verlängern und (2) die gleiche Federkraft am Wandler 3 aufrechterhalten, wie dies vorstehend erläutert ist. 



  Nach dem Hookschen Gesetz ist es die prozentuale Längenänderung (nicht die absolute Änderung) einer Feder, welche die absolute Änderung in der Federkraft bewirkt. In diesem Beispiel beträgt die prozentuale Längenänderung des Rohres 66 0,025/25,4 oder 0,1 Prozent, wenn der Ausdehnungsbereich des Rohres 66 sich gleich wie der der Wandler 3 ausdehnte (z.B. die geschraubte Verbindung 68 endet am Punkt 135, so dass der Ausdehnungsbereich des Rohres 66 so lang wie der Wandler 3 ist) und wenn der Ausdehnungsbereich des Rohres 66 25,4 mm lang war. 



  Andererseits wird die prozentuale Verlängerung verringert, wenn der Verlängerungsbereich wie in Fig. 3 dargestellt ist (Verlängerung von der geschraubten Verbindung 68 zur geschraubten Verbindung 70. Ist der Ausdehnungsbereich, Abstand 130, 76,2 mm lang, dann beträgt die prozentuale Verlängerung 0,0254/76,2 oder 0,033 Prozent. 



  Die Ausführung in Fig. 3 erzeugt deshalb eine Federkraftänderung, die dreimal kleiner ist als wenn der Ausdehnungsbereich des Rohres 66 gleich mit dem Wandler 3  ist (z.B. 0,033 v. 0,1). Ein Grund für die Verringerung in der Länge besteht darin, dass die beaufschlagte Federlänge (Länge 130) länger ist als der Wandler 3, dessen Wärmeausdehnung, wenn unangepasst, dazu führt, den Druck auf die Kristalle 53 und 56 zu erhöhen. 



  Anders betrachtet, die Wärmeausdehnung eines Elementes (z.B. des Wandlers), der dazu neigt den an ihm anliegenden Druck zu erhöhen (weil er in einem Schraubstock mit Backen in Form eines Reflektors 43 und Resonators 46 angeordnet ist), wird durch Verlängerung des Rohres 66 aufgenommen, welches die Backen zusammenhält. Ferner ist das Rohr 66 länger als der expandierende Wandler. Die prozentuale Verlängerung des Rohres ist kleiner als die prozentuale Verlängerung des Wandlers. 



   Der Unterschied in der Verlängerung ist ferner in Fig. 7 dargestellt, worin die Reflektor-Backe 43B und die Resonator-Backe 46B den Wandler 3B zwischen sich einklemmen. Wenn sich der Wandler 3B vom Mass 140 zum Mass 144 ausdehnt, dehnt sich das Rohr 66B vom Mass 146 zum Mass 148 aus. Die absolute Verlängerung des Wandlers (Mass 150) ist gleich der absoluten Verlängerung des Rohres 66 (Mass 162), jedoch ist die prozentuale Verlängerung der Stange 66B (Mass 152/Mass 146) kleiner als die prozentuale Verlängerung des Wandlers (Mass 150/Mass 140). Demzufolge ist die durch die Stange 66 aufgebrachte Änderung in der Federkraft kleiner, als wenn die prozentuale Längenänderung des Rohres 66 gleich der des Wandlers 3 wird. 



  Diese kleine Änderung der Federkraft bewirkt eine konstantere Kompression, die am Wandler 3 in Fig. 3 einwirkt. Die Wärmeausdehnung des Wandlers 3 wird über eine längere Feder verteilt, nämlich über eine Feder mit der Länge 130, welche beim bevorzugten Ausführungsbeispiel 14,73 mm beträgt, im Vergleich mit der Länge des Wandlers 3, welche 5,64 mm beträgt (Mass 140 in Fig. 4). 



  Es ist festzuhalten, dass die Kräfte aus der Wärmeausdehnung und die Federkräfte an der Gewindestange 66 beträchtlich grösser sind als die durch die Schallim pulse aufgebrachten Kräfte. Das heisst, die Gewindestange 66 wird im Bereich 130 in Fig. 3 durch Schallimpulse mit einer Schallfrequenz von ca. 29 kHz nicht bedeutend verlängert. 



  (3) die Oberflächen der Elemente, welche an den Stellen 79 und 80 in Fig. 3 aneinanderliegen, sind geläppt und poliert, und zwar auf eine Ebenheit innerhalb 25,4/254 000 mm oder 2 Mikrofinish auf. 



   (4) Die Wirkungsimpedanz des Resonators 46, wie gesehen durch den Kristall 56, wird durch die Belastung auf die Nadel 94 beeinflusst. (Wenn die Nadel an einen Katarakt Energie abgibt, wird die Nadel "belastet".) Von einem Gesichtspunkt aus ändert sich die Impedanz des Resonators 46 bei Belastung. Das Vorhandensein von Bruchstücken im Rohr 110 im Resonator 46 beeinflusst gleichfalls die Resonatorimpedanz. Ist das Q des Resonators 46 sehr spitz in der Grössenordnung von 1000 bis 2000 ergibt sich, dass die Bandbreite sehr klein ist, d.h. 15 bis 30 Hz. Deshalb muss die Frequenz des an den Wandler 3 angelegten Eingangssignals dauernd an die sich ändernde Resonanzfrequenz des Resonators 46 angepasst sein. Das in dieser Patentanmeldung beschriebene Gerät führt eine Anpassung durch. 

Claims (16)

1. Vorrichtung zum Schwingen einer Nadel mit einem Schwinger und einem Wellenleiter, gekennzeichnet durch einen aus Metall bestehenden Wolfram-Reflektor (43), der an den Schwinger (3) gekoppelt ist, um die an die Nadel abgegebene Energiemenge zu erhöhen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinger (3) ein mechanischer Schwinger ist, dass ein Koppelglied im direkten akustischen Kontakt mit dem Schwinger erzielbaren Frequenz schwingt und die Nadel (94) trägt und dass der mit dem Reflektor direkt akustisch gekoppelte Schwinger eine Frequenz hat, die kleiner ist als ein 1/4-Wellenlänge der Schwingfrequenz.

3.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinger ein Ultraschallwandler ist, der Ultraschallenergie in eine erste und zweite Richtung abgibt, ein Koppelglied vorgesehen ist, um die in der ersten Richtung abgegebene Ultraschallenergie an die Nadel (94) zu übertragen, und dass der Reflektor (43) angeordnet ist, um die in der zweiten Richtung abgegebene Ultraschallmenge in Phase mit der Einfallstrahlung zur Nadel (94) hin zu reflektieren.

4. Phakoemulsionierungssonde mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoelektrischer Schwinger zwischen dem Reflektor und einem ersten Element eingespannt ist und dass ein Spannglied (66) den Reflektor und das erste Element (46) verbindet und eine solche Wärmeausdehnungszahl hat, dass der Druck auf den Schwinger bei Temperaturänderungen im wesentlichen aufrechterhalten bleibt.

5.

Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Schwinger eine erste und zweite Fläche hat, dass ein Impedanz anpassender Trichter vorgesehen ist, um Schallenergie von der ersten Fläche an die Nadel zu übertragen, und dass der an die zweite Fläche anliegende Reflektor eine solche Impedanz hat, dass der Reflexionsfaktor im Kontaktbereich eine re elle Komponente von über 0,9 aufweist.

6.

Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinger (3) ein Paar piezoelektrischer Kristalle aufweist, die durch eine Elektrode getrennt sind und erste und zweite Flächen aufweisen, dass ein Impedanz anpassender Titan-Trichter, der an der ersten Fläche anliegt, vorgesehen ist, um Schallenergie von der ersten Fläche an die Nadel zu übertragen, und dass der in Kontakt mit der zweiten Fläche stehende aus Wolfram besteht, um die Schallenergie zum Trichter (46, 104) zu reflektieren.

7. Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannmittel zum Zusammendrücken des piezoelektrischen Kristallpaares zwischen dem Trichter und dem Reflektor vorgesehen ist, welches Mittel eine solche Wärmeausdehnungszahl hat, dass der Druck auf das piezoelektrische Kristallpaar bei Temperaturänderungen im wesentlichen aufrechterhalten bleibt.

8.

Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder den Reflektor (43) und das erste Element (46) verbindet, um den Druck auf den Schwinger bei Temperaturänderungen im wesentlichen konstant zu halten.

9. Sonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder ein Titanrohr mit einer Federkonstanten umfasst, welche über die durch Temperaturänderungen bewirkte Verlängerung im wesentlichen unverändert bleibt.

10. Sonde nach Ansprch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr wesentlich länger ist als der Schwinger.

11. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element ein Schallresonator (46) ist, der an eine erste Fläche des Schwingers anliegt, und der Schallreflektor (43) an eine der ersten Fläche gegenüberliegenden zweiten Fläche des Schwingers anliegt, um die Schallenergie in den Schwinger zu reflektieren.

12.

Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass die folgenden Elemente in der folgenden räumlichen Anordnung auf einer Achse angeordnet sind i) ein Halter (96) für eine Nadel (94) ii) ein akustischer Resonator (46) mit einem Q grösser als 1000, der den Halter trägt, iii) ein erster piezoelektrischer Kristall (56), iv) eine Elektrode (50), die an den ersten piezoelektrischen Kristall anstösst, v) ein zweiter piezoelektrischer Kristall (53), der an die Elektrode anstösst und eine Schallimpedanz ZO hat, vi) ein Reflektor, der an die zweite Fläche des piezoelektrischen Kristalles anstösst und eine solche Schallimpedanz hat, dass der reelle Teil des Reflexionsfaktors zwischen dem Reflektor und dem zweiten piezoelektrischen Kristall positiv ist, um eine phasengleiche Reflexion über den gesamten Betriebsbereich sicherzustellen.

13.

Sonde nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass b) ein Kanal (110) vorgesehen ist, dass c) ein Rohr (66) den Kanal umschliesst und den Resonator mit Reflektor verbindet, welches Rohr (66) unter Spannung steht, wodurch der Resonator und der Reflektor die piezoelektrischen Kristalle zusammendrückt, und welches Rohr (66) ein solches E-Modul hat, dass die Kompression der piezoelektrischen Kristalle bei Temperaturänderungen im wesentlichen konstant bleibt.

14. Verfahren zum Betrieb der Phakoemulsionierungssonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Nadel weggerichtete Schallenergie im wesentlichen in Phase mit der Einfallwelle über den gesamten Betriebsbereich zur Nadel reflektiert wird.

15.

Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierte Energie in im wesent lichen die gleiche Phasenlage mit der anderen sich zur Nadel fortpflanzenden Energie gebracht wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die an einer Berührungsfläche auftretende Reflexion einen positiven Schallreflexionsfaktor mit der Frequenz des mechanischen Schwingers hat. 1. Vorrichtung zum Schwingen einer Nadel mit einem Schwinger und einem Wellenleiter, gekennzeichnet durch einen aus Metall bestehenden Wolfram-Reflektor (43), der an den Schwinger (3) gekoppelt ist, um die an die Nadel abgegebene Energiemenge zu erhöhen. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinger (3) ein mechanischer Schwinger ist, dass ein Koppelglied im direkten akustischen Kontakt mit dem Schwinger erzielbaren Frequenz schwingt und die Nadel (94) trägt und dass der mit dem Reflektor direkt akustisch gekoppelte Schwinger eine Frequenz hat, die kleiner ist als ein 1/4-Wellenlänge der Schwingfrequenz. 3.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinger ein Ultraschallwandler ist, der Ultraschallenergie in eine erste und zweite Richtung abgibt, ein Koppelglied vorgesehen ist, um die in der ersten Richtung abgegebene Ultraschallenergie an die Nadel (94) zu übertragen, und dass der Reflektor (43) angeordnet ist, um die in der zweiten Richtung abgegebene Ultraschallmenge in Phase mit der Einfallstrahlung zur Nadel (94) hin zu reflektieren. 4. Phakoemulsionierungssonde mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoelektrischer Schwinger zwischen dem Reflektor und einem ersten Element eingespannt ist und dass ein Spannglied (66) den Reflektor und das erste Element (46) verbindet und eine solche Wärmeausdehnungszahl hat, dass der Druck auf den Schwinger bei Temperaturänderungen im wesentlichen aufrechterhalten bleibt. 5.

Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Schwinger eine erste und zweite Fläche hat, dass ein Impedanz anpassender Trichter vorgesehen ist, um Schallenergie von der ersten Fläche an die Nadel zu übertragen, und dass der an die zweite Fläche anliegende Reflektor eine solche Impedanz hat, dass der Reflexionsfaktor im Kontaktbereich eine re elle Komponente von über 0,9 aufweist. 6.

Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinger (3) ein Paar piezoelektrischer Kristalle aufweist, die durch eine Elektrode getrennt sind und erste und zweite Flächen aufweisen, dass ein Impedanz anpassender Titan-Trichter, der an der ersten Fläche anliegt, vorgesehen ist, um Schallenergie von der ersten Fläche an die Nadel zu übertragen, und dass der in Kontakt mit der zweiten Fläche stehende aus Wolfram besteht, um die Schallenergie zum Trichter (46, 104) zu reflektieren. 7. Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannmittel zum Zusammendrücken des piezoelektrischen Kristallpaares zwischen dem Trichter und dem Reflektor vorgesehen ist, welches Mittel eine solche Wärmeausdehnungszahl hat, dass der Druck auf das piezoelektrische Kristallpaar bei Temperaturänderungen im wesentlichen aufrechterhalten bleibt. 8.

Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder den Reflektor (43) und das erste Element (46) verbindet, um den Druck auf den Schwinger bei Temperaturänderungen im wesentlichen konstant zu halten. 9. Sonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder ein Titanrohr mit einer Federkonstanten umfasst, welche über die durch Temperaturänderungen bewirkte Verlängerung im wesentlichen unverändert bleibt. 10. Sonde nach Ansprch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr wesentlich länger ist als der Schwinger. 11. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element ein Schallresonator (46) ist, der an eine erste Fläche des Schwingers anliegt, und der Schallreflektor (43) an eine der ersten Fläche gegenüberliegenden zweiten Fläche des Schwingers anliegt, um die Schallenergie in den Schwinger zu reflektieren. 12.

Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass die folgenden Elemente in der folgenden räumlichen Anordnung auf einer Achse angeordnet sind i) ein Halter (96) für eine Nadel (94) ii) ein akustischer Resonator (46) mit einem Q grösser als 1000, der den Halter trägt, iii) ein erster piezoelektrischer Kristall (56), iv) eine Elektrode (50), die an den ersten piezoelektrischen Kristall anstösst, v) ein zweiter piezoelektrischer Kristall (53), der an die Elektrode anstösst und eine Schallimpedanz ZO hat, vi) ein Reflektor, der an die zweite Fläche des piezoelektrischen Kristalles anstösst und eine solche Schallimpedanz hat, dass der reelle Teil des Reflexionsfaktors zwischen dem Reflektor und dem zweiten piezoelektrischen Kristall positiv ist, um eine phasengleiche Reflexion über den gesamten Betriebsbereich sicherzustellen. 13.

Sonde nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass b) ein Kanal (110) vorgesehen ist, dass c) ein Rohr (66) den Kanal umschliesst und den Resonator mit Reflektor verbindet, welches Rohr (66) unter Spannung steht, wodurch der Resonator und der Reflektor die piezoelektrischen Kristalle zusammendrückt, und welches Rohr (66) ein solches E-Modul hat, dass die Kompression der piezoelektrischen Kristalle bei Temperaturänderungen im wesentlichen konstant bleibt. 14. Verfahren zum Betrieb der Phakoemulsionierungssonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Nadel weggerichtete Schallenergie im wesentlichen in Phase mit der Einfallwelle über den gesamten Betriebsbereich zur Nadel reflektiert wird. 15.

Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierte Energie in im wesent lichen die gleiche Phasenlage mit der anderen sich zur Nadel fortpflanzenden Energie gebracht wird. 16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die an einer Berührungsfläche auftretende Reflexion einen positiven Schallreflexionsfaktor mit der Frequenz des mechanischen Schwingers hat.