EP0111047A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Stosswellenimpulsfolgen - Google Patents
Vorrichtung zur Erzeugung von Stosswellenimpulsfolgen Download PDFInfo
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- G10K11/28—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using reflection, e.g. parabolic reflectors
Definitions
- the invention relates to a device for generating shock wave pulse sequences for contact-free comminution of concrements in bodies of living beings.
- a device for the contact-free comminution of concrements in bodies of living beings by means of shock waves is known (DE-OS 23 51 247).
- the shock waves are generated by a spark gap in a focal point of a liquid-filled hollow ellipsoid and focused by the ellipsoid surface on the second focal point, in which the concretion to be destroyed, for example a kidney stone, lies.
- the shock waves load the concrement under pressure and tension and bring parts of the cone flaking.
- the firing sequence frequency is limited by the charging time of the capacitors. Simultaneous processing of a concrement by two or more shock wave fronts is not possible with this device.
- shock wave fronts In order for several shock wave fronts to act on a concrement almost simultaneously, these fronts must follow one another within 0.1 to 10 microseconds. Attempts have already been made to trigger double pulses by using two shock generators, but only a time interval of 20 milliseconds has been reached. At this point, the crack formation initiated by the first shock wave has already been completed.
- the invention has for its object to provide a device for generating shock wave pulse sequences in which the shock wave fronts act on the concrement at such short time intervals that the concretion is still under the effect of the first wave front when the subsequent wave front interacts with the Concretion occurs, the slope, the pressure rise must not be reduced.
- This object is achieved according to the invention by a device in which a layer of uniform thickness made of a material with an impedance unequal to that of the propagation medium is arranged in the propagation medium such that it is traversed by the entire shock wave field.
- Embodiments of the invention are the subject of subclaims.
- the solution according to the invention is based on the fact that a single pulse generated by the spark gap is multiplied by multiple reflections on the front and on the back of a layer with an impedance unequal to that of the propagation medium into a sequence of staggered shock wave fronts of the desired repetition frequency.
- the interaction of different shock wave fronts in the same concretion results in interferences which locally increase the pressure amplitudes and tensile amplitudes and excitations of special resonance frequencies with an increased comminution effect.
- the solution according to the invention also has the advantage that the energy introduced into the body of the living being does not increase in spite of the increased destruction. This prevents damage to the tissue traversed by the shock wave, and the concrements are nevertheless broken down into small fragments reliably and faster than before. Due to the higher shredding effect, fewer applications are necessary. The patient is relieved, the service life of the electrodes is increased.
- F ig. 1 shows an inventive device for E rzeu- supply of shock wave pulse trains.
- a spark gap 7 In the first focal point of the ellipsoid 5 there is a spark gap 7 which can produce a shock wave front by discharge.
- the body 3 is positioned so that the concrement 4 is in the second focal point of the ellipsoid.
- the reflector 5 is closed with a layer 8 according to the invention.
- the layer has the interfaces 9 and 10 and is not drawn to scale in FIG. 1.
- the thickness of real layers is in the mm range.
- An underwater discharge is ignited at the spark gap 7 in order to crush the concrement 4. This creates a shock wave front, which spreads in the reflector 5 and is guided from the reflector walls to the concretion 4.
- a wave normal with the amplitude P E is shown .
- the transmitted wave P is likewise split into a transmitted wave P TT and a reflected wave P TR if the wave fronts are at the rear Reach interface 10 of layer 8.
- the amplitudes are again to be calculated analogously to the formulas mentioned above.
- the wave P TT continues in the original direction
- the wave P TR runs back in the layer 8 and suffers a new reflection at the front interface 9 (with the corresponding amplitude weakening).
- a corresponding fraction of this wave emerges from the rear boundary surface 10 and follows the first transmitted Wave P TT at a time interval ⁇ t.
- ⁇ t is the time required to run through the layer thickness d twice:
- the parameters can be selected by selecting suitable materials , c and d are largely free to determine the desired pulse repetition frequencies (with a fixed choice of material depending on the thickness of layer 8) and amplitude ratios (depending on the size of the impedance jump z 8 - z 6 and layer thickness d) within wide limits.
- a layer with a suitable thickness can, for example, be made of aluminum, V2A steel, titanium, lead or the like. Materials or alloys made from them and also from suitable non-metals, ceramics or plastics. Liquids may also be suitable, provided that they can be held in the appropriate shape by pillows, for example.
- F ig. 2 shows an arrangement with a reflector 5a, in which the layer 8a is designed like a zone plate. It is only traversed by fractions of the shock wave field.
- the second (third etc.) pulse of the shock wave sequence has the greatest amplitude.
- the primary wave can come with a time delay compared to the wave that runs through the plate.
- FIG. 3 shows an arrangement in which the layer 8b according to the invention is arranged concentrically to the shock wave focus 11 in the form of a spherical shell. All parts of the shock wave field run perpendicular to the layer surface. The reflection conditions and the time offset ⁇ t of the wave fronts are thus constant for all parts of the wave field.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stosswellenimpulsfolgen zur berührungsfreien Zerkleinerung von Konkrementen in Körpern von Lebewesen.
- Bekannt ist ein Gerät zur berührungsfreien Zerkleinerung von Konkrementen in Körpern von Lebewesen mittels Stosswellen (DE-OS 23 51 247). Gemäss dieser Literaturstelle werden die Stosswellen von einer Funkenstrecke in einem Brennpunkt eines flüssigkeitsgefüllten Hohlellipsoids erzeugt und von der Ellipsoidfläche auf den zweiten Brennpunkt fokussiert, in dem das zu zerstörende Konkrement, z.B. ein Nierenstein, liegt. Die Stosswellen belasten das Konkrement auf Druck und Zug und bringen Teile des Konkrements zum Abplatzen. Bei dem bekannten Gerät wird die Schussfolgefrequenz durch die Aufladezeit der Kondensatoren begrenzt. Eine gleichzeitige Bearbeitung eines Konkrements durch zwei oder mehr Stosswellenfronten ist mit diesem Gerät nicht möglich.
- Um mehrere Stosswellenfronten annähernd gleichzeitig auf ein Konkrement wirken zu lassen, müssen diese Fronten innerhalb vonO,1 bis 10 Mikrosekunden aufeinanderfolgen. Es wurde bereits versucht, Doppelimpulse durch Verwendung zweier Stossgeneratoren auszulösen, wobei aber nur ein zeitlicher Abstand von 20 Millisekunden erreicht wurde. Zu diesem Zeitpunkt ist die durch die erste Stosswelle initiierte Rissbildung aber bereits abgeschlossen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stosswellenimpulsfolgen zu schaffen, bei der die Stosswellenfronten in so kurzen zeitlichen Abständen auf das Konkrement einwirken, dass das Konkrement noch unter der Wirkung der ersten Wellenfront steht, wenn die nachfolgende Wellenfront in Wechselwirkung mit dem Konkrement tritt, wobei die Flankensteilheit, des Druckanstiegs nicht verringert werden darf.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch eine Vorrichtung, bei der eine Schicht gleichmässiger Dicke aus einem Material mit einer Impedanz ungleich der des Ausbreitungsmediums so im Ausbreitungsmedium angeordnet ist, dass sie von dem gesamten Stosswellenfeld durchlaufen wird.
- Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.
- Die erfindungsgemässe Lösung beruht darauf, dass ein einzelner, von der Funkenstrecke erzeugter Impuls durch Mehrfachreflexionen an der Vorder- und an der Hinterseite einer Schicht mit einer Impedanz ungleich der des Ausbreitungsmediums in eine Folge von dichtgestaffelten Stosswellenfronten der gewünschten Folgefrequenz vervielfacht wird. Durch die Wechselwirkung verschiedener Stosswellenfronten in demselben Konkrement werden Interferenzen, die die Druckamplituden und Zugamplituden lokal steigern und Anregungen spezieller Resonanzfrequenzen mit einer gesteigerten Zerkleinerungswirkung erreicht. Die erfindungsgemässe Lösung hat zudem den Vorteil, dass die in den Körpern des Lebewesens eingeleitete Energie trotz der gestiegenen Zerstörungsleistung nicht anwächst. Dadurch werden Beschädigungen des von der Stosswelle durchlaufenen Gewebes vermieden und die Konkremente werden trotzdem zuverlässig und schneller als bisher in kleine Bruchstücke zerlegt. Durch die höhere Zerkleinerungswirkung sind weniger Applikationen notwendig. Der Patient wird entlastet, die Standzeit der Elektroden wird erhöht.
- Weitere Vorteile, Merkmale und Ausführungen ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Figuren.
- Es zeigen:
- Fig. 1 bis 3 verschiedene Ausführungsformen der Erfindung.
- Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeu- gung von Stoßwellenimpulsfolgen. In einer Wanne 1 (nur teilweise gezeichnet), die mit einer Flüssigkeit 2 gefüllt ist, liegt ein Körper 3 mit einem Konkrement 4, z.B. einem Nierenstein. An der Wanne 1 ist ein Reflektor 5, der mit einer Koppelflüssigkeit 6 (z.B. Wasser) gefüllt ist, befestigt. Im ersten Brennpunkt des Ellipsoids 5 befindet sich eine Funkenstrecke 7, die durch Entladung eine Stoßwellenfront produzieren kann.
- Der Körper 3 ist so positioniert, daß sich das Konkrement 4 im zweiten Brennpunkt des Ellipsoids befindet. Der Reflektor 5 ist in dieser-Ausführungsform mit einer erfindungsgemäßen Schicht 8 abgeschlossen. Die Schicht besitzt die Grenzflächen 9 und 10 und ist in Fig. 1 nicht maßstäblich gezeichnet. Die Dicke realer Schichten liegt im mm-Bereich. Zur Zerkleinerung des Konkrements 4 wird an der Funkenstrecke 7 eine Unterwasserentladung gezündet. Diese erzeugt eine Stoßwellenfront, die sich im Reflektor 5 ausbreitet und von den Reflektorwänden auf das Konkrement 4 geleitet wird. Eingezeichnet ist eine Wellennormale mit der Amplitude PE. An der Grenzfläche 9 spaltet sich die einfallende Welle PE auf in eine transmittierte Welle PT und eine reflektierte Welle PR, sobald die Schicht 8 eine andere .akustische Impedanz z8 = c8 - 8, als die Koppelflüssig- keit 6 (z6 = c6 - 6) hat (c = Schallgeschwindigkeit, = Dichte).
-
- Hat die Schicht 8 eine Dicke d und hat das Medium 2 dahinter z.B. die gleiche Impedanz wie das Medium 6 davor, so erfährt die transmittierte Welle P ebenfalls eine Aufspaltung in eine transmitterte Welle PTT und eine reflektierte Welle PTR, wenn die Wellenfronten die hintere Grenzfläche 10 der Schicht 8 erreichen. Die Amplituden sind wiederum analog zu den oben genannten Formeln zu berechnen. während die Welle PTT in der ursprünglichen Richtung weiterverläuft, läuft die Welle PTR in der Schicht 8 zurück und erleidet an der vorderen Grenzfläche 9 eine erneute Reflexion (mit der entsprechenden Amplitudenschwächung). Ein entsprechender Bruchteil dieser Welle tritt aus der hinteren Grenzfläche 10 aus und folgt der zuerst transmittierten Welle PTT im zeitlichen Abstand Δt. Δt ist die Zeit, die zum zweimaligen Durchlaufen der Schichtdicke d notwendig ist:
- Diese und weitere Wellen folgen aufgrund mehrfacher Reflexionen im Abstand n - At (n = 1, 2, ...), wobei die Amplituden der Einzelwellen in Form einer geometrischen Reihe abnehmen. Durch Auswahl geeigneter Materialien lassen sich die Parameter , c und d weitgehend frei bestimmen und so die gewünschten Pulsfolgefrequenzen (bei fester Materialwahl abhängig von der Dicke der Schicht 8) und Amplitudenverhältnisse (abhängig von der Größe des Impedanzsprunges z8 - z6 und der Schichtdicke d) in weiten Grenzen festlegen.
- Versuche haben ergeben, daß z.B. bei Titanplatten einer Dicke von 0,5 bis 3 mm die Flankensteilheit der durch Vielfachreflexionen erzeugten Einzelpulse unverändert hoch ist.
- Eine Schicht mit geeigneter Dicke kann z.B. aus Aluminium, V2A-Stahl, Titan, Blei o.ä. Materialien oder Legierungen daraus und auch aus geeigneten Nichtmetallen, Keramiken oder Kunststoffen hergestellt werden. Unter Umständen eignen sich auch Flüssigkeiten, sofern sie z.B. durch Kissen in der entsprechenden Form gehalten werden können.
- Neben der in Fig. 1 gezeigten Anordnung, bei der das gesamte Stoßwellenfeld zum Durchlaufen der Schicht gezwungen ist, sind auch andere Anordnungen zur Aufspaltung der Stoßwellenfront möglich.
- Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit einem Reflektor 5a, bei der die Schicht 8a wie eine Zonenplatte ausgebildet ist. Sie wird nur von Bruchteilen des Stoßwellenfeldes durchlaufen. Die Stoßwellenanteile, die die Schicht 8a nicht durchlaufen, gelangen ungeschwächt und zu einem mit t bezeichneten Zeitpunkt zum Konkrement; die restlichen Stoßwellenanteile erfahren eine Vielfachreflexion und der erste Impuls der Impulsfolge erreicht das Konkrement zum Zeitpunkt t - t =
- Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei der die erfindungsgemäße Schicht 8b in Form einer Kugelschale konzentrisch zum Stoßwellenfokus 11 angeordnet ist. Alle Teile des Stoßwellenfeldes laufen senkrecht zur Schichtoberfläche. Die Reflexionsbedingungen und der zeitliche Versatz Δ t der Wellenfronten ist so für alle Teile des Wellenfeldes konstant.
- Außerdem bleibt dadurch die Fokussierung unbeeinträchtigt.
- Weitere Ausführungsformen der Erfindung, bei denen verschiedene hier gezeigte Merkmale kombiniert werden, sind möglich. Ebenso ist es möglich, Schichten zu verwenden, die keine gleichmäßige Dicke besitzen, sondern z.B. wie Linsen geformt sind.
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