DE3807568A1 - PIEZOELECTRIC SOUND TRANSMITTER FOR THERAPEUTIC APPLICATIONS - Google Patents
PIEZOELECTRIC SOUND TRANSMITTER FOR THERAPEUTIC APPLICATIONSInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Schallsender für therapeutische Anwendungen mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Wandlerelementen, die mit ihren Stirnflächen zwischen einer Frontelektrode und einer Trägerelektrode, an die die Hochspannung angelegt ist, angeordnet sind, und mit einem in die Zwischenräume zwischen die Wandlerelemente eingebrachten elektrisch isolierenden Material.The invention relates to a piezoelectric Sound transmitter for therapeutic applications with a Variety of piezoelectric transducer elements using their end faces between a front electrode and one Carrier electrode to which the high voltage is applied, are arranged, and with one in the spaces electrically inserted between the transducer elements insulating material.
Derartige Schallsender werden beispielsweise zur extra korporalen Zerstörung von Konkrementen verwendet und sind beispielsweise aus der DE 33 19 871 A1 oder der DE 34 25 992 A1 bekannt. Auf diese Druckschriften wird im übrigen zur Erklärung aller hier nicht näher erläuterten Begriffe Bezug genommen.Such sound transmitters are used, for example, for extra corporal destruction of concrements and are used for example from DE 33 19 871 A1 or DE 34 25 992 A1 known. The rest of these publications to explain all terms not explained here Referred.
Bei diesen bekannten Schallsendern ist das zwischen den einzelnen Wandlerelementen angeordnete iso lierende Material unter dem Gesichtspunkt der Optimierung der bei einer bestimmten angelegten Spannung abgegebenen Schalleistung ausgewählt.This is the case with these known sound transmitters iso arranged between the individual transducer elements material from the point of view of optimization the given at a certain applied voltage Sound power selected.
Erfindungsgemäß ist nun erkannt worden, daß diese schein
bar günstige Wahl des isolierenden Materials zu einer
Reihe von Nachteilen führt:
Die Belastbarkeit der Schallsender und damit die Größe der
an die piezoelektrischen Elemente anlegbaren Hochspannung
ist - wie erkannt worden ist - nicht in erster Linie von
der Spannungsfestigkeit der eingesetzten Wandlerelemente,
sondern vom Auftreten von Defekten, d.h. insbesondere von
"Durchschlag-Kanälen" in dem eingesetzten Isolationsmate
rials abhängig:According to the invention, it has now been recognized that this seemingly cheap choice of insulating material leads to a number of disadvantages:
The load capacity of the sound transmitter and thus the size of the high voltage that can be applied to the piezoelectric elements is - as has been recognized - not primarily from the dielectric strength of the transducer elements used, but rather from the occurrence of defects, ie in particular of "breakdown channels" in the one used Insulation materials dependent:
Beispielweise werden Schallsender der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art bei einer angelegten Hochspannung von 1 kV/mm Schichtdicke, d.h. bei einer weit unter der Spannungsfestigkeit der verfügbaren Piezoele mente liegenden Spannung, bereits nach ca. 106 Schall impulsen unbrauchbar. Dies bedeutet, daß die bekannten Schallsender unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten "gerade noch" zur Zerstörung von Nierensteinen, aber nicht mehr zur Zerstörung von Gallenblasensteinen eingesetzt werden können, da zu deren Zerstörung ein wesentlich höhe rer Schalldruck erforderlich ist. Ein derartiger Schall druck kann aber - wenn nicht die Abmessungen des Schall senders unzumutbar groß werden sollen - nur durch eine Erhöhung der angelegten Hochspannung erzeugt werden, die aber - wie bereits ausgeführt - bei den bekannten Schall sendern zu einer raschen Zerstörung der Schallsender führen würde.For example, sound transmitters of the type required in the preamble of patent claim 1 are unusable after approximately 10 6 sound pulses after an applied high voltage of 1 kV / mm layer thickness, ie at a voltage which is far below the dielectric strength of the available piezoelectric elements. This means that the known sound transmitters "just" from an economic point of view can be used to destroy kidney stones, but no longer to destroy gallbladder stones, since a much higher sound pressure is required to destroy them. Such a sound pressure can - if not the dimensions of the sound transmitter should be unreasonably large - can only be generated by increasing the applied high voltage, which - as already mentioned - would lead to a rapid destruction of the sound transmitter in the known sound transmitters.
Aber auch bei der Zerstörung von Nierensteinen sind bei den bekannten piezoelektrischen Schallsendern die großen Abmessungen und insbesondere der Durchmesser von ca. 50 cm nachteilig, der für die benötige Schallenergie bzw. den benötigten Schalldruck am Ort des Konkrements erforderlich ist.But are also involved in the destruction of kidney stones the famous piezoelectric sound transmitters the big ones Dimensions and in particular the diameter of approx. 50 cm disadvantageous, that for the required sound energy or required sound pressure at the location of the concrement required is.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelek trischen Schallsender für therapeutische Anwendungen mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Wandlerelementen anzugeben, dessen Leistungsfähigkeit im wesentlichen durch die Leistungsfähigkeit der verwendeten piezoelektrischen Elemente bestimmt ist.The invention has for its object a piezoelectric trical sound transmitter for therapeutic applications a variety of piezoelectric transducer elements to indicate its performance essentially by the performance of the piezoelectric used Elements is determined.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.An inventive solution to this problem is with their Developments characterized in the claims.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, das zwischen den einzelnen Wandlerelementen vorgesehene isolierende Material nicht unter dem Gesichtspunkt der bei einer be stimmten an die Elemente angelegten Hochspannung abge gebenen maximalen Schallenergie auszuwählen, sondern unter dem Gesichtspunkt, daß das in die Zwischenräume zwischen den Wandlerelementen eingebrachte isolierende Material die Beseitigung von auftretenden Defekten und insbesondere von Durchschlag-Kanälen erlaubt. Diese erfindungsgemäße Material-Auswahl ermöglicht es, an die Wandlerelemente eine Hochspannung anzulegen, deren Größe nur noch durch die Hochspannungsfestigkeit der Wandlerelemente bestimmt ist. Bei den gegenwärtig verfügbaren Wandlerelementen kann damit die an den erfindungsgemäßen Schallsender angelegte Hochspannung typischerweise bis zu 4 kV/mm Schichtdicke betragen.The invention is based on the basic idea that between insulating provided for the individual transducer elements Material not from the point of view of a be matched high voltage applied to the elements maximum sound energy selected, but under from the point of view that this is in the spaces between insulating material introduced into the transducer elements Elimination of defects and in particular of Breakthrough channels allowed. This invention Material selection makes it possible to attach to the transducer elements to apply a high voltage, the size of which can only be determines the high voltage strength of the converter elements is. With the currently available transducer elements so that the applied to the sound transmitter according to the invention High voltage typically up to 4 kV / mm layer thickness be.
Dabei wird erfindungsgemäß bewußt in Kauf genommen, daß bezogen auf die anliegende Hochspannung die abgestrahlte Schalleistung nicht den größtmöglichen Wirkungsgrad auf weist, und daß sich in dem elektrisch isolierendem Material "Durchschlags-Kanäle" bilden können.It is consciously accepted according to the invention that based on the applied high voltage the radiated Sound power does not have the greatest possible efficiency points, and that in the electrically insulating Material can form "breakthrough channels".
Insgesamt überwiegen nämlich die Vorteile des erfindungs gemäßen Schallsenders:Overall, the advantages of the invention outweigh according sound transmitter:
Da erfindungsgemäß die an den Piezoelementen anliegende Hochspannung nur noch durch die Spannungsfestigkeit der Elemente begrenzt ist, und nicht mehr aus Rücksicht auf die Lebensdauer des Schallsenders deutlich niedriger ge gewählt werden muß, kann die Hochspannung auf Werte von 4 kV/mm Schichtdicke und darüber eingestellt werden, so daß die abgestrahlte Schallenergie im Vergleich zum Stand der Technik wenigstens um den Faktor 4 höher liegt. Dies be deutet, daß bei gleicher Schalleistung die aktive Fläche um den Faktor 4 (und darüber) niedriger sein kann bzw. bei gleicher aktiver Fläche eine um mindestens den Faktor 4 höhere Energie emittiert wird.Since, according to the invention, the one lying against the piezo elements High voltage only through the dielectric strength of the Items is limited and no longer out of respect the lifespan of the sound transmitter is significantly lower must be selected, the high voltage can be set to 4 kV / mm layer thickness and above can be set so that the radiated sound energy compared to the state of the Technology is at least 4 times higher. This be indicates that with the same sound power the active area can be lower by a factor of 4 (and above) or at same active area one by at least a factor of 4 higher energy is emitted.
Trotz der höheren Schalleistung bezogen auf die aktive Fläche ist die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Schall senders wesentlich größer als die der bekannten Schall sender, da erfindungsgemäß das elektrisch isolierende Material so ausgewählt ist, daß es regenerierbar ist: Dies bedeutet, daß eventuell auftretende Durchschlag-Kanäle selbsttätig oder aufgrund einer entsprechenden "Regenerier-Behandlung" beseitigt werden können.Despite the higher sound power in relation to the active Area is the life of the sound according to the invention transmitter much larger than that of the known sound transmitter, since according to the invention the electrically insulating Material is selected so that it can be regenerated: This means that breakdown channels that may occur automatically or on the basis of a corresponding "Regeneration treatment" can be eliminated.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben:Further developments of the invention are in the subclaims specified:
Gemäß Anspruch 2 ist das isolierende Material ein Fest körper, bei dem auftretende Defekte durch Erwärmen auf eine höhere Temperatur als die Betriebstemperatur be seitigbar sind. Damit kann der erfindungsgemäße Schall sender nach einer bestimmten Betriebszeit beispielsweise durch Erwärmen in einem handelsüblichen Wärmeschrank, wie er in jeder Klinik vorhanden ist, regeneriert werden.According to claim 2, the insulating material is a solid body in which defects occur due to warming up a higher temperature than the operating temperature are reversible. The sound according to the invention can thus transmitters after a certain operating time, for example by heating in a commercial oven, such as it is present in every clinic, be regenerated.
Eine mögliche Ausführungsform für das im Anspruch 2 ge kennzeichnete Material ist im Anspruch 3 angegeben, gemäß dem das isolierende Material Paraffin ist. Diese Material wahl ist jedoch lediglich exemplarisch zu verstehen; selbstverständlich können auch andere Materialien als Iso lationsmaterial verwendet werden, sofern Sie nur folgende Eigenschaften aufweisen:A possible embodiment for the ge in claim 2 marked material is specified in claim 3, according to where the insulating material is paraffin. This material however, choice is only to be understood as an example; materials other than ISO can of course also be used lation material can be used provided you only use the following Features:
- - Das Material muß ein guter Isolator sein, so daß Hoch spannungen bis zu 4 kV/mm Schichtdicke und darüber an den erfindungsgemäßen Schallsender anlegbar sind.- The material must be a good insulator so that high voltages up to 4 kV / mm layer thickness and above sound transmitter according to the invention can be applied.
- - In dem Material auftretende Defekte, wie beispielsweise Durchschlag-Kanäle müssen bei Temperaturen regenerierbar bzw. beseitigbar sein, die einerseits über der normalen Betriebstemperatur des Schallsenders liegen, bei denen aber andererseits noch keine Beschädigung der übrigen Ele mente des Schallsenders, wie beispielsweise der piezoelek trischen Wandlerelemente, auftritt.- Defects occurring in the material, such as Breakdown channels must be regenerable at temperatures or be eliminated, on the one hand, above the normal Operating temperature of the sound transmitter are at which but on the other hand no damage to the other el elements of the sound transmitter, such as the piezoelectric trical transducer elements occurs.
Selbstverständlich ist es möglich, anstelle oder zusätz lich zu einem festen isolierendem Material ein flüssiges und/oder gasförmiges Material einzubringen. Hierzu wird gemäß Anspruch 4 der von der Frontelektrode und der Trä gerelektrode eingeschlossene Raum hermetisch abgeschlos sen. Eine derartige Lösung hat den Vorteil, daß "Durch schlag-Kanäle" ohne zusätzliche Wärmebehandlung "selbst tätig" regeneriert werden. Insbesondere bei der Ausbil dung, bei der sowohl feste als auch flüssige und/oder gasförmige Materialien vorhanden sind, wird eine gute Isolation mit einer selbsttätigen Regenerierung der Durch schlag-Kanäle erreicht, ohne daß "zu häufig" eine thermi sche Behandlung des Schallsenders zur Beseitigung der in dem Festkörper erzeugten Kanäle erforderlich ist.Of course it is possible, instead of or in addition Lich a liquid to a solid insulating material and / or to introduce gaseous material. This will according to claim 4 of the front electrode and the Trä hermetically sealed space sen. Such a solution has the advantage that "By blow channels "without additional heat treatment" itself active ". Especially in training dung, in which both solid and liquid and / or gaseous materials are present will be a good one Isolation with automatic regeneration of the through Impact channels achieved without "too often" a thermi cal treatment of the sound transmitter to eliminate the in the solid generated channels is required.
Beispiele für flüssige und/oder gasförmige Materialien sind in den Ansprüchen 5 bis 9 gekennzeichnet. Examples of liquid and / or gaseous materials are characterized in claims 5 to 9.
Insbesondere können diese Materialien Isolationsöle, flüssige und/oder gasförmige halogenierte Kohlenwasser stoffe, wie Frigen, elektronegative Gase, wie O2 und/oder SF6 sein.In particular, these materials can be insulating oils, liquid and / or gaseous halogenated hydrocarbons, such as Frigen, electronegative gases, such as O 2 and / or SF 6 .
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, in der zeigen:The invention is described below with reference to the Exemplary drawing, in which show:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 1 shows a first embodiment of the invention, and
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel. Fig. 2 shows a second embodiment.
In den Figuren sind mit 1 eine Frontelektrode, mit 2 eine Trägerelektrode und mit 3 piezoelektrische Wandler elemente bezeichnet. In den zwischen der Frontelektrode 1, der Trägerelektrode 2 und den Wandlerelementen 3 ge bildeten Zwischenräumen ist ein elektrisch isolierendes Material 4 vorgesehen, das die auf Bezugspotential liegende Frontelektrode 1, die auf Hochspannung liegende Trägerelektrode 3 und die Elemente 2 gegeneinander elektrisch separiert.In the figures, 1 denotes a front electrode, 2 a carrier electrode and 3 piezoelectric transducer elements. In the GE between the front electrode 1, the base electrode 2 and the transducer elements 3 formed interspaces an electrically insulating material 4 is provided, which mutually electrically separates the lying at reference potential front electrode 1 located on high voltage supporting electrode 3 and the elements. 2
Erfindungsgemäß ist das isolierende Material so gewählt, daß es die Beseitigung von auftretenden Defekten und ins besondere von Durchschlag-Kanälen erlaubt. Hierzu kann das Material 4 beispielsweise ein Festkörper, wie Paraffin, eine Flüssigkeit, wie ein Isolationsöl, ein halogenierter flüssiger oder gasförmiger Kohlenwasserstoff oder ein elektronegatives Gas sein wie SF6 oder O2.According to the invention, the insulating material is chosen so that it allows the elimination of defects and in particular breakdown channels. For this purpose, the material 4 can be, for example, a solid such as paraffin, a liquid such as an insulating oil, a halogenated liquid or gaseous hydrocarbon or an electronegative gas such as SF 6 or O 2 .
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele unterscheiden sich im wesentlichen dadurch, daß bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl die Front elektrode 1 als auch die Trägerelektrode 2 die Form einer Kugelkalotte haben, während bei dem in Fig. 2 dargestell ten Ausführungsbeispiel die Trägerelektrode 2 als ebene Platte ausgebildet ist und die Frontelektrode 1 auf der den Piezoelementen 3 zugewandten Seite ebenfalls eine ebene Fläche und auf der Abstrahlseite eine sphärische oder asphärische Flächengestaltung aufweist, so daß sie eine Linsenwirkung hat.The embodiments shown in Figs. 1 and 2 differ essentially in that in the embodiment shown in Fig. 1, both the front electrode 1 and the support electrode 2 have the shape of a spherical cap, while in the shown in Fig. 2 th Embodiment, the support electrode 2 is designed as a flat plate and the front electrode 1 on the side facing the piezo elements 3 also has a flat surface and on the radiation side a spherical or aspherical surface design, so that it has a lens effect.
In jedem Falle ergeben sich eine Reihe von Vorteilen:
Da erfindungsgemäß die an den Piezoelementen anliegende
Hochspannung nur noch durch die Spannungsfestigkeit der
Elemente und nicht mehr durch Rücksichtnahme auf die Le
bensdauer des Schallsenders begrenzt ist, kann die Hoch
spannung bis zu 4 kV/mm Schichtdicke und darüber betragen,
so daß die abgestrahlte Schallenergie im Vergleich zum
Stand der Technik wenigstens um den Faktor 4 höher liegt.
Dies bedeutet, daß bei gleicher Schalleistung die aktive
Fläche um den Faktor 4 (und darüber) niedriger sein kann
bzw. bei gleicher aktiver Fläche eine um mindestens den
Faktor 4 höhere Energie emittiert wird. Damit kann der
erfindungsgemäße Schallwandler eine so hohe Schallenergie
abgeben, daß er nicht zur zur Zertrümmerung von Nieren
steinen, sondern auch zur Zertrümmerung von Gallenblasen
steinen eingesetzt werden kann.In any case, there are a number of advantages:
Since, according to the invention, the high voltage applied to the piezo elements is only limited by the dielectric strength of the elements and no longer by consideration of the life of the sound transmitter, the high voltage can be up to 4 kV / mm layer thickness and above, so that the radiated sound energy in Compared to the prior art is at least 4 times higher. This means that, with the same sound power, the active area can be smaller by a factor of 4 (and above), or with the same active area, an energy that is at least four times higher is emitted. The sound transducer according to the invention can thus emit such a high sound energy that it can be used not only for the destruction of kidneys, but also for the destruction of gallbladder stones.
Dennoch ist die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Schallsenders wesentlich höher als die der bekannten Schallsender, da erfindungsgemäß das elektrisch iso lierende Material so ausgewählt ist, daß es regenerierbar ist: Dies bedeutet, daß eventuell auftretende Durchschlag- Kanäle nicht mehr den Schallsender unbrauchbar machen, sondern selbsttätig oder aufgrund einer entsprechenden "Behandlung" beseitigt werden können, so daß der Schall sender weiter verwendet werden kann. Da eine Vielzahl von "Regenerationszyklen" durchgeführt werden kann, ist die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Schallwandlers wesent lich größer als die der bekannten Schallwandler.Nevertheless, the lifespan of the invention Sound transmitter much higher than that of the known Sound transmitter, since according to the invention the electrically iso lating material is selected so that it can be regenerated is: This means that any breakdown Channels no longer render the sound transmitter unusable, but automatically or on the basis of a corresponding "Treatment" can be eliminated so that the sound transmitter can continue to be used. Because a variety of "Regeneration cycles" can be performed is the Lifespan of the sound transducer according to the invention is essential Lich larger than that of the known sound transducers.
Claims (9)
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