EP0359863A1 - Hochspannungsgenerator und Verfahren zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses hoher Stromstärke zum Antrieb einer Stosswellenquelle - Google Patents

Hochspannungsgenerator und Verfahren zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses hoher Stromstärke zum Antrieb einer Stosswellenquelle Download PDF

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EP0359863A1
EP0359863A1 EP88115714A EP88115714A EP0359863A1 EP 0359863 A1 EP0359863 A1 EP 0359863A1 EP 88115714 A EP88115714 A EP 88115714A EP 88115714 A EP88115714 A EP 88115714A EP 0359863 A1 EP0359863 A1 EP 0359863A1
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EP
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shock wave
voltage
signal
pulse
low
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EP88115714A
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English (en)
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EP0359863B1 (de
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Helmut Prof. Dr.-Ing. Ermert
Manfred Dr.-Ing. Pfeiler
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
    • G10K15/04—Sound-producing devices
    • G10K15/043—Sound-producing devices producing shock waves

Definitions

  • the invention relates to a high-voltage generator for generating a high-voltage pulse of high current strength for driving a shock wave source, which is used to generate a shock wave in an acoustic transmission medium.
  • the invention also relates to a method for generating such a high-voltage pulse.
  • Acoustic shock waves are used in technology for a wide variety of purposes, for example in materials research. In medical technology, they are used for the non-invasive treatment of stone ailments.
  • a stone in the body of a patient e.g. a kidney stone
  • focused shock waves are introduced into the patient's body, under the effect of which the stone disintegrates into fragments that come off naturally or can be resolved by additional chemotherapy measures.
  • pathological tissue changes e.g. Tumors to be treated with shock waves.
  • shock wave sources of various types are used to generate the shock waves, for example shock wave sources with an underwater spark gap (DE-OS 26 50 624), shock wave sources according to the electrodynamic principle (DE-OS 33 28 051) and shock wave sources according to the piezoelectric principle (DE-OS 33 19 871) . All these shock wave sources have in common that a high voltage pulse of high current must be supplied to generate a shock wave. This is usually generated by means of a high-voltage generator which has a high-voltage supply, a high-voltage capacitor which can be charged to high voltage by means of the high-voltage supply, and one High-voltage switch, such as a triggerable switching spark gap, contains.
  • a high-voltage generator which has a high-voltage supply
  • a high-voltage capacitor which can be charged to high voltage by means of the high-voltage supply
  • High-voltage switch such as a triggerable switching spark gap
  • the high-voltage switch serves to switch on the charged high-voltage capacitor to the shock wave source, so that the electrical energy stored in the high-voltage capacitor is suddenly discharged into the shock wave source to generate a shock wave (see, for example, DE-OS 33 28 051).
  • the disadvantage here is that an expensive and relatively fault-prone high-voltage supply is required and the high-voltage switch can wear out relatively quickly and then has to be replaced.
  • the waveform (temporal amplitude curve and pulse duration) of the shock waves generated with the aid of the known high-voltage generator is difficult to adapt to the needs of the respective therapy case.
  • the capacitive, inductive and ohmic resistance components of the shock wave source together with the components of the high-voltage generator, form a network in which pulsed voltage and / or current curves of high energy occur when the high-voltage capacitor is discharged. Together with the acoustic properties of the shock wave source and the overlay medium (water, body tissue), their temporal course determines the wave form of the generated shock wave.
  • An influence on the waveform of the generated shock wave is therefore only possible by changing the electrical network formed by the high voltage generator and the shock wave source or the acoustic properties of the shock wave source, which is cumbersome and not feasible in clinical practice.
  • the waveform of the generated shock waves therefore represents a compromise that certainly cannot do justice to all, namely those that are routine nowadays and that have been tackled in clinical research, as well as future therapy cases.
  • the invention has for its object to provide a high voltage generator of the type mentioned in such a way that a high voltage supply and high voltage switches are avoided and in cooperation with a shock wave source of any type an influence on the waveform of the generated shock wave is possible in a simple manner.
  • the invention is based on the object of specifying a method which makes it possible to generate a high-voltage pulse of high current intensity suitable for driving shock wave sources without a high-voltage supply and high-voltage switch.
  • the high-voltage generator has a signal generator for generating a low-voltage signal, the energy content of which is sufficient to generate a shock wave, and a pulse-forming network connected between the signal generator and the shock wave source and having such a transfer function that it the low-voltage signal originating from the signal generator, with a shortening of its pulse duration, is converted into a high-voltage pulse suitable for driving the shock wave source, the energy content of which essentially corresponds to that of the low-voltage signal.
  • the high-voltage pulse is therefore not generated with the aid of high-voltage switches, but rather by means of the pulse-forming network, which is made up of passive, low-loss components, for example coils and capacitors.
  • the pulse-forming network which is made up of passive, low-loss components, for example coils and capacitors.
  • no high-voltage supply is required.
  • the signal generator takes the place, which only generates low-voltage signals. Such a signal generator can be constructed inexpensively using conventional technology.
  • the signal duration and / or the amplitude profile of the low-voltage signal generated and thus the shape of the high-voltage pulse behind the pulse-shaping network can be influenced with little technical effort solely on the signal generator that shock waves of different waveforms can be generated in a simple manner.
  • the maximum repetition frequency of the shock wave generation is considerably increased compared to the prior art, since the signal generator can emit the low-voltage signals with a high repetition frequency.
  • the function of the pulse-forming network is based on the fact that signals of any shape can be represented by superimposing harmonic vibrations of different frequencies.
  • pulse-forming networks which have such a transfer function that a signal supplied to the network is converted into a pulse of high amplitude while shortening its signal duration are already known in connection with the so-called pulse compression radar.
  • a multi-stage filter formed from LC all-pass networks is provided as the pulse-forming network.
  • Such a filter can be constructed from high-voltage-resistant capacitors and inductors in a simple manner and almost without loss.
  • the pulse-forming network has a switchable transfer function, which can be easily achieved by switching the connections of the components of the pulse-forming network. By switching the transfer function, it is possible to change the waveform of the generated shock wave with an identical low-voltage signal, since different high-voltage pulses can then be supplied to the shock wave source depending on the selected transfer function.
  • the waveform of the shock wave generated can be influenced in a particularly varied and particularly simple manner if the signal generator is designed in accordance with a variant of the invention in such a way that the signal duration and / or the amplitude profile of the low-voltage signal generated can be set.
  • the signal generator is designed as a low-voltage circuit, the circuitry measures required for this are not associated with any difficulties.
  • a signal generator can be implemented in a particularly simple manner if, according to a preferred embodiment of the invention, it contains a digital / analog converter and an electronic computing device is provided, by means of which the digital / analog converter of the signal generator has a temporal sequence of the signal duration and The amplitude profile of the low-voltage signal can be supplied with corresponding amplitude values which the digital / analog converter converts into the low-voltage signal.
  • By changing the temporal sequence of amplitude values low-voltage signals of any signal form can be realized within the limits given by the resolution and the conversion time of the digital / analog converter.
  • a time sequence of amplitude values adapted to the respective treatment case is calculated by means of the electronic computing device, which is stored in a memory of the electronic computing device and supplied to the digital / analog converter each time a corresponding shock wave is to be generated becomes.
  • the electronic computing device which is stored in a memory of the electronic computing device and supplied to the digital / analog converter each time a corresponding shock wave is to be generated becomes.
  • the computing device can be formed by a clock generator, a function memory in which one or more temporal sequences of amplitude values are stored, and an addressing device for the function memory, the clock generator controlling both the digital / analog converter and the addressing device, which is designed such that only that area of the function memory can be addressed in which the temporal sequence of amplitude values corresponding to the respectively desired waveform of the shock wave is stored.
  • the electronic computing device is designed in such a way that it takes the low-voltage signal into account, taking into account the transfer function of the pulse-shaping network, the electro-acoustic properties of the shock wave source and the acoustic properties of the transmission medium, starting from a predefinable desired wave form of the shock wave corresponding time sequence of amplitude values is calculated.
  • the doctor then has the option, with the aid of an input device, for example a data display device with a light pen, to specify a waveform of the shock wave which is adapted to the respective therapy case and which is then generated automatically.
  • a variant of the invention provides a broadband, linear pressure sensor which is arranged in the transmission medium and which delivers a signal corresponding to the wave shape of the generated shock wave and is connected with an analog / digital signal. Converter is connected, wherein the analog / digital converter outputs a temporal sequence of amplitude values corresponding to the waveform of the generated shock wave, which can be supplied to the electronic computing device, which is designed such that it compares the generated waveform with the desired waveform of the shock wave and displays the result of the comparison.
  • the electronic computing device is designed in such a way that, based on the result of the comparison, in the event of deviations in the waveform of the generated shock wave from the desired waveform, a correction can be made to the digital / analog converter time sequence of amplitude values. Deviations of the generated waveform from the desired waveform, which can be caused, for example, by non-linear acoustic transmission properties of the transmission medium, are therefore automatically eliminated.
  • a clock generator which generates clock pulses for the electronic computing device, the digital / analog converter and the analog / digital converter.
  • an essentially lossless matching network can be connected between the pulse-shaping network and the shock wave source for broadband impedance matching of the pulse shaping network to the shock wave source in order to avoid efficiency-reducing reflections of the high-voltage pulse at the input of the shock wave source.
  • the object of specifying a method for generating a high-voltage pulse of high current strength suitable for driving shock wave sources is achieved according to the invention by a method in which a low-voltage signal, the energy content of which is sufficient to generate a shock wave, and the low-voltage signal with shortening its signal duration in a high-voltage pulse suitable for driving the shock wave source is transferred, the energy content of which essentially corresponds to that of the low-voltage pulse.
  • the method according to the invention can be carried out without a high-voltage supply and without a high-voltage switch.
  • the signal duration and the amplitude profile of the low-voltage signal taking into account the transfer function of the pulse-shaping network, the electro-acoustic properties of the shock wave based on a predetermined waveform Shock wave source and the acoustic properties of the acoustic transmission medium can be selected such that the shock wave source is driven by means of the generated high voltage pulse to generate a shock wave of the desired wave form.
  • a low-voltage signal with a freely selectable time profile, high energy, long signal duration and low instantaneous power is generated and then converted into a high-voltage pulse with approximately the same energy, shorter signal duration and high instantaneous power by means of the pulse-forming network.
  • the course over time of the instantaneous amplitudes of the low-voltage signal can be calculated, for example by means of an electronic computing device, in such a way that the high-voltage pulse which arises in cooperation with the pulse-forming network drives the shock wave source to generate a shock wave optimized according to certain criteria.
  • FIG. 1 shows a device for generating shock waves, as is used in medicine for crushing concrements in the body of a patient.
  • a shock wave source generally designated 1, as is e.g. is known from DE-OS 33 28 051.
  • This has a tubular housing 2 filled with water as the acoustic transmission medium, which is provided at one end with an electro-dynamic shock wave generator 3 and is closed at its other end by a flexible bag 4.
  • an acoustic converging lens 5 is arranged in the housing 2, which serves to focus the plane shock wave emitted by the shock wave generator 3, which converges in the focus of the converging lens 5.
  • the shock wave source 1 is pressed by means of the sack 4 onto the body 6 of a patient shown in cross section, in such a way that a kidney stone 8 located in a kidney 7 of the living being is in the focal point of the converging lens 5 det.
  • a high-voltage generator (general designated 9, is provided, by means of which high-voltage pulses of high current strength can be generated to generate a shock wave.
  • the essential components of the high-voltage generator 9 include a signal generator 10 and a pulse-forming network 11.
  • the signal generator 10 generates a low-voltage signal of relatively low amplitude (1 to 20 volts) and a relatively long signal duration. Such a low-voltage signal is indicated at A, which reaches the input of the pulse-shaping network 11 from the output of the signal generator 10 with the interposition of a power amplifier 12.
  • the high-voltage pulse appears at the output of the pulse-forming network 11 and is indicated schematically at B. It is supplied to the shock wave source 1 for generating a shock wave.
  • a matching network 13 indicated in dashed lines in the figure, can be connected between the output of the pulse-shaping network 11 and the shock wave source 1 for lossless broadband impedance matching of the output of the pulse shaping network 11 to the shock wave source 1.
  • the pulse-forming network 11 is a multi-stage LC-All, which is indicated schematically in the figure pass networks 14, 15, 16, 17 formed filter, which has such a transfer function that for the individual frequency components contained in the signal voltage signal A such different transit times occur in the filter that the pulse duration of the low voltage signal A shortens and the amplitude of the low voltage pulse in the high voltage range is increased.
  • the all-pass networks 14, 15, 16, 17 are made up of essentially loss-free components, so that the high-voltage pulse B available at the output of the pulse-forming network 11 has essentially the same energy content as the low-voltage signal A.
  • the signal generator 10 is designed such that the signal duration and / or the amplitude profile of the low-voltage signal A generated can be set.
  • the signal generator 10 contains a digital / analog converter 20, to which a temporal sequence of the pulse duration and the amplitude profile of the low-voltage signal A is fed corresponding amplitude values which the digital / analog converter 20 converts to the low voltage signal.
  • the digital / analog converter 20 of the signal generator 10 receives the chronological sequence of amplitude values via a data bus 38, of which only one line is shown, from an electronic computing device 21, in which a number of less than different waveforms of the shock wave corresponding temporal sequences of amplitude values is stored.
  • the electronic computing device 21 comprises a central processing unit 22, a program memory 23 which contains the necessary programs for the functions of the high-voltage generator 9 described below, a data memory 24 in which the temporal sequences of amplitude values corresponding to the different waveforms of the shock wave are stored, and a clock generator 25.
  • a keyboard 26 and a data display device 27 with light pen 28 are connected to the electronic computing device 21. By suitable actuation of the keyboard 26, the electronic computing device 21 can be caused to retrieve the temporal sequence of amplitude values corresponding to the respectively desired waveform of the shock wave from the data memory 24, which the signal generator 10 uses to generate the associated low-voltage signal each time a shock wave is to be generated A is fed.
  • the electronic computing device 21, the signal generator 10 and the power amplifier 12 thus together form a waveform generator, by means of which low-voltage signals A of any signal form can be generated within the limits set by the amplitude resolution and the conversion time of the digital / analog converter 20, in which operating mode the Electronic computing device 21 essentially acts as a functional memory and supplies the digital / analog converter 20 with the required clock pulses by means of its clock generator 25.
  • the electronic computing device 21 calculates taking into account the transmission supply function of the pulse-shaping network 11, the electro-acoustic properties of the shock wave source 1 and the acoustic properties of the transmission medium, related data are stored in the data memory 24, the temporal sequence of amplitude values of a low-voltage signal A, which is suitable for generating a shock wave of the desired waveform.
  • the chronological sequence of amplitude values is stored in the data memory 24 and is supplied to the digital / analog converter 20 of the signal generator 10 each time a shock wave is to be generated. There is thus the possibility of realizing a waveform of the shock wave that is optimally adapted to the respective therapy case.
  • the high-voltage generator 9 offers the possibility of checking to what extent the waveform of the generated shock wave matches the predetermined desired wave shape of the shock wave.
  • two linear broadband pressure sensors 29 and 30 are arranged in the transmission medium located in the shock wave source 1, one of which is arranged in front of the acoustic converging lens 5 and one behind it.
  • the pressure sensors 29 and 30, one of which can be connected to a receiving amplifier 32 by means of a switch 31, deliver electrical signals that correspond to the waveform of the generated shock wave.
  • the output of the receive amplifier 32 is connected to the input of a transient recorder 33 which contains an analog / digital converter 34 and a read / write memory 35.
  • the signals of the pressure sensor 29 or 30 fed to the analog / digital converter 34 are converted by means of the analog / digital converter 34, which receives its clock pulses from the clock generator 25 of the electronic computing device 21, into a chronological sequence of amplitude values, which in the Read / write memory 35 is stored.
  • the read / write memory 35 is addressed via a data / address bus 36, of which only a single line is shown, by means of the electronic computing device 21.
  • the electronic computing device 21 reads the in the Read / write memory 35 stores a chronological sequence of amplitude values that corresponds to the waveform of the generated shock wave and carries out a comparison with the desired waveform of the shock wave.
  • the result of the comparison is displayed, for example graphically, by means of the visual display device. This is illustrated in the figure by pulling out a desired waveform C of the shock wave, for example predetermined by means of the light pen 28, on the screen of the data display device 27 and the wave shape D of the generated shock wave being shown in dashed lines. Based on the result of the comparison, the treating doctor can now decide whether the waveform generated corresponds sufficiently with the desired one or whether corrections are necessary.
  • the electronic computing device 21 upon a suitable actuation of the keyboard 26, carries out a correction, based on the result of the comparison, of the temporal sequence of amplitude values that can be supplied to the digital / analog converter 20, taking into account the transfer function of the pulse-shaping Network 11, the electro-acoustic properties of the shock wave source 1 and the acoustic properties of the transmission medium.
  • the high-voltage generator 9 can act as a "learning system" in that the electronic computing device 21 evaluates the results of corrections made and develops a correction strategy.
  • the clock signals for the electronic computing device 21 as well as for the digital / analog converter 20 and the analog / digital converter 34 come from the same clock generator 25, so that the components mentioned are synchronized .
  • This permits an exact determination of the transit times of the signals in the system formed from the high-voltage generator 9 and the shock wave source 1, so that non-linear acoustic transmission properties of the transmission medium can be examined and corrected.
  • the computing device 21 is capable of signaling the signal generator 10 the respective temporal sequence of ampli feed values repeatedly so that a sequence of shock waves can be generated.
  • trigger pulses I to the electronic computing device 21 via a line 37, which are derived in a manner not shown from a periodic bodily function, for example the patient's breathing activity, the electronic computing device 21 each time the signal generator 10 arrives when a trigger pulse I arrives supplies the temporal sequence of amplitude values so that the generation of shock waves takes place synchronously with the periodic body function.
  • a major advantage of the high-voltage generator 9 according to the invention is that, in contrast to the prior art, neither a high-voltage supply nor high-voltage switches are required. Another important advantage is that shock waves of any waveform can be generated and the waveform of the shock waves can be optimized. Since the low-voltage signal A generated by the signal generator 10 can be varied in fine time and amplitude steps by means of the computing device 21, there is the possibility of linear distortions in the transmission behavior of the power amplifier 12, the matching network 13 and the shock wave source 1 and tolerances of the pulse-shaping network 11 in the Generation of the low-voltage signals A must be taken into account or compensated for.
  • the transmission chain formed by the signal generator 10, the power amplifier 12, the pulse-shaping network 11 and the matching network 13 acts as an inverse filter, which brings about maximum compression of the low-voltage signals generated by the signal generator 10, the transmission chain having an electrical input, namely the input of the power amplifier 12, and an acoustic output, namely the sound field generated by the shock wave source 1. Furthermore, on the basis of the waveforms of the generated shock waves, which can be determined by means of the pressure sensors 29, 30 and the transient recorder 33, it is possible to use electronic computation device 21 to determine the wave forms of the generated shock waves optimize, with the aim of ensuring an optimal effect of the therapy, suppressing cavitation in the patient's tissue and reducing the patient's pain.
  • Electro-acoustic properties of the shock wave generator 3 acoustic properties of the transmission medium and electrical properties of the high voltage generator 9, which adversely affect the shock wave generation, can also be largely compensated for.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsgenerator zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses (B) hoher Stromstärke zum Antrieb einer Stoßwellenquelle (1), welche zur Erzeugung einer Stoßwelle in einem akustischen Übertragungsmedium dient. Der Hochspannungsgenerator weist einen Signalgenerator (10) zur Erzeugung eines Niederspannungssignales (A), dessen Energiegehalt zur Erzeugung der Stoßwelle ausreicht, und ein zwischen den Signalgenerator (10) und die Stoßwellenquelle (1) geschaltetes impulsformendes Netzwerk (11) auf, das eine solche Übertragungsfunktion besitzt, daß es das von dem Signalgenerator (10) stammende Niederspannungssignal (A) unter Verkürzung von dessen Signaldauer in einen zum Antrieb der Stoßwellenquelle (1) geeigneten Hochspannungsimpuls (B) überführt, dessen Energiegehalt im wesentlichen dem des Niederspannungssignales (A) entspricht. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses zum Antrieb einer Stoßwellenquelle.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsgenerator zur Erzeu­gung eines Hochspannungsimpulses hoher Stromstärke zum Antrieb einer Stoßwellenquelle, welche zur Erzeugung einer Stoßwelle in einem akustischen Übertragungsmedium dient. Die Erfindung be­trifft außerdem ein Verfahren zur Erzeugung eines solchen Hoch­spannungsimpulses.
  • Akustische Stoßwellen werden in der Technik für die unter­schiedlichsten Zwecke, beispielsweise in der Materialforschung, eingesetzt. In der medizinischen Technik dienen sie zur nicht­invasiven Behandlung von Steinleiden. Dabei werden auf einen im Körper eines Patienten befindlichen Stein, z.B. einen Nieren­stein, fokussierte Stoßwellen in den Körper des Patienten ein­geleitet, unter deren Wirkung der Stein in Fragmente zerfällt, die auf natürlichem Wege abgehen oder durch zusätzliche chemo­therapeutische Maßnahmen aufgelöst werden können. Außerdem ist daran gedacht, krankhafte Gewebeveränderungen, z.B. Tumore, mit Stoßwellen zu behandeln.
  • Zur Erzeugung der Stoßwellen finden Stoßwellenquellen unter­schiedlicher Bauart Verwendung, z.B. Stoßwellenquellen mit Unterwasserfunkenstrecke (DE-OS 26 50 624), Stoßwellenquellen nach dem elektrodynamischen Prinzip (DE-OS 33 28 051) und Stoß­wellenquellen nach dem piezoelektrischen Prinzip (DE-OS 33 19 871). All diesen Stoßwellenquellen ist gemeinsam, daß ihnen zur Erzeugung einer Stoßwelle ein Hochspannungsimpuls hoher Stromstärke zugeführt werden muß. Dieser wird gewöhnlich mittels eines Hochspannungsgenerators erzeugt, der eine Hoch­spannungsversorgung, einen mittels der Hochspannungsversorgung auf Hochspannung aufladbaren Hochspannungskondensator und einen Hochspannungs-Schalter, z.B. eine triggerbare Schaltfunken­strecke, enthält. Dabei dient der Hochspannungs-Schalter dazu, den aufgeladenen Hochspannungskondensator an die Stoßwellen­quelle anzuschalten, so daß sich die in dem Hochspannungskon­densator gespeicherte elektrische Energie zur Erzeugung einer Stoßwelle schlagartig in die Stoßwellenquelle entlädt (siehe z.B. DE-OS 33 28 051). Dabei ist von Nachteil, daß eine teuere und relativ störanfällige Hochspannungsversorgung erforderlich ist und der Hochspannungs-Schalter relativ rasch verschleißen kann und dann ausgetauscht werden muß. Außerdem läßt sich die Wellenform (zeitlicher Amplitudenverlauf und Impulsdauer) der unter Zuhilfenahme des bekannten Hochspannungsgenerators er­zeugten Stoßwellen an die Bedürfnisse des jeweiligen Therapie­falles nur schwer anpassen. Die kapazitiven, induktiven und ohm'schen Widerstandskomponenten der Stoßwellenquelle bilden nämlich gemeinsam mit den Bauelementen des Hochspannungsgene­rators ein Netzwerk, in dem bei der Entladung des Hochspan­nungskondensators impulsartige Spannungs- und/oder Stromver­läufe hoher Energie auftreten. Deren zeitlicher Verlauf be­stimmt zusammen mit den akustischen Eigenschaften der Stoßwel­lenquelle und des Überlagerungsmediums (Wasser, Körpergewebe) die Wellenform der erzeugten Stoßwelle. Eine Einflußnahme auf die Wellenform der erzeugten Stoßwelle ist somit nur durch Ver­änderung des durch den Hochspannungsgenerator und die Stoßwel­lenquelle gebildeten elektrischen Netzwerkes oder der akusti­schen Eigenschaften der Stoßwellenquelle möglich, sehr was um­ständlich und in der klinischen Praxis nicht durchführbar ist. Üblicherweise stellt daher die Wellenform der erzeugten Stoß­wellen einen Kompromiß dar, der allen, nämlich den heute zur Routine gehörenden und in klinischer Forschung angegangenenen als auch den zukünftig möglichen Therapiefällen mit Sicherheit nicht gerecht werden kann.
  • Außerdem ist bei den bekannten Hochspannungsgeneratoren infolge des Umstandes, daß die zur Aufladung des Hochspannungskondensa­tors vorgesehene Hochspannungsversorgung nur einen relativ ge­ringen Ladestrom liefern kann, die zur Aufladung des Hochspan­ nungskondensators erforderliche Zeit relativ groß und die maxi­male Wiederholfrequenz der Stoßwellenerzeugung entsprechend ge­ring.
  • Es ist zwar denkbar, als Hochspannungs-Schalter als Schalter betriebene Halbleiter-Elemente vorzusehen, jedoch scheitert dies an den für den Betrieb mit Hochspannung und hohen Strömen nicht geeigneten technischen Eigenschaften der Halbleiter-­Elemente.
  • Außerdem wurde bereits in Betracht gezogen, die Stoßwellenquel­le mittels eines Generators anzutreiben, der ähnlich wie ein Ultraschallsender aufgebaut ist und mittels dessen die Stoßwel­lenquelle zur Anpassung der Wellenform der Stoßwelle an den je­weiligen Therapiefall mit Impulsen unterschiedlichen zeitlichen Verlaufes beaufschlagbar ist (DE-OS 31 19 295). Solche Lösungen sind jedoch nur für vergleichsweise geringe Spannungen und Ströme geeignet, die allenfalls zum Antrieb bestimmter piezo­elektrischer Stoßwellenquellen ausreichen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungs­generator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine Hochspannungsversorgung und Hochspannungs-Schalter vermieden sind und im Zusammenwirken mit einer Stoßwellenquelle beliebi­ger Bauart auf einfache Weise eine Einflußnahme auf die Wellen­form der erzeugten Stoßwelle möglich ist. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, daß es gestattet, einen zum Antrieb von Stoßwellenquellen geeigneten Hochspannungsimpuls hoher Stromstärke ohne Hochspannungsver­sorgung und Hochspannungs-Schalter zu erzeugen.
  • Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Hochspannungsgenerator einen Signalgenerator zur Erzeugung ei­nes Niederspannungssignales, dessen Energiegehalt zur Erzeugung einer Stoßwelle ausreicht, und ein zwischen den Signalgenerator und die Stoßwellenquelle geschaltetes impulsformendes Netzwerk aufweist, das eine solche Übertragungsfunktion besitzt, daß es das von dem Signalgenerator stammende Niederspannungssignal unter Verkürzung von dessen Impulsdauer in einen zum Antrieb der Stoßwellenquelle geeigneten Hochspannungsimpuls überführt, dessen Energiegehalt im wesentlichen dem des Niederspannungs­signales entspricht. Im Falle des erfindungsgemäßen Hochspan­nungsgenerators wird also der Hochspannungsimpuls nicht unter Zuhilfenahme von Hochspannungs-Schaltern erzeugt, sondern mit­tels des impulsformenden Netzwerkes, das aus passiven verlust­armen Bauelementen, z.B. Spulen und Kondensatoren, aufgebaut ist. Außerdem ist im Gegensatz zu Hochspannungsgeneratoren nach dem Stand der Technik keine Hochspannungsversorung erforder­lich. An deren Stelle tritt im Falle der Erfindung der Signal­generator, der lediglich Niederspannungssignale erzeugt. Ein solcher Signalgenerator kann in konventioneller Technik kosten­günstig aufgebaut werden. Außerdem kann mit geringem techni­schen Aufwand allein durch Maßnahmen am Signalgenerator die Si­gnaldauer und/oder der Amplitudenverlauf des erzeugten Nieder­spannungssignales und damit die Gestalt des hinter dem impuls­formenden Netzwerk vorliegenden Hochspannungsimpulses beein­flußt werden, dessen zeitlicher Verlauf für die Wellenform der erzeugten Stoßwelle von entscheidender Bedeutung ist, so daß auf einfache Weise Stoßwellen unterschiedlicher Wellenform er­zeugt werden können. Die maximale Wiederholfrequenz der Stoß­wellenerzeugung ist gegenüber dem Stand der Technik erheblich gesteigert, da der Signalgenerator die Niederspannungssignale mit hoher Folgefrequenz abgeben kann. Die Funktion des impuls­formenden Netzwerkes beruht auf der Tatsache, daß Signale be­liebiger Gestalt durch Überlagerung von harmonischen Schwingun­gen unterschiedlicher Frequenz darstellbar sind. Durchläuft ein Signal somit ein Netzwerk, dessen Übertragungsfunktion so ge­wählt ist, daß für unterschiedliche Frequenzen unterschiedliche Laufzeiten vorliegen, tritt bei geeigneter Wahl der Übertra­gungsfunktion infolge der unterschiedlichen Laufzeiten der ein­zelnen Frequenzkomponenten des Niederspannungssignales eine Steigerung der Amplitude des Signales bei gleichzeitiger Ver­ringerung der Signaldauer auf. Es wird somit deutlich, daß mit­tels eines impulsformenden Netzwerkes auf einfache Weise ein Niederspannungssignal in einen Hochspannungsimpuls überführt werden kann, dessen Impulsdauer wesentlich kürzer als die Si­gnaldauer des Niederspannungssignales ist. Dabei bleibt nicht nur die Bandbreite des Niederspannungssignales, sondern bei Aufbau des Netzwerkes aus verlustarmen Bauelementen auch der Energiegehalt des Niederspannungssignales im wesentlichen er­halten. Der erfindungsgemäße Hochspannungsgenerator kann mit Stoßwellenquellen beliebiger Bauart zusammenwirken, sofern zu deren Antrieb Hochspannungsimpulse erforderlich sind.
  • Impulsformende Netzwerke, die eine solche Übertragungsfunktion besitzen, daß ein dem Netzwerk zugeführtes Signal unter Ver­kürzung seiner Signaldauer in einen Impuls hoher Amplitude überführt wird, sind im Zusammenhang mit dem sogenannten Puls­kompressionsradar übrigens bereits bekannt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß als impulsformendes Netzwerk ein mehrstufiges aus LC-Allpaß­netzwerken gebildetes Filter vorgesehen ist. Ein derartiges Filter kann aus hochspannungsfesten Kondensatoren und Induk­tivitäten auf einfache Weise und nahezu verlustfrei aufgebaut werden. Dabei kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, daß das impulsformende Netzwerk eine umschalt­bare Übertragungsfunktion aufweist, was durch Umschaltung der Verbindungen der Bauelemente des impulsformenden Netzwerkes leicht realisierbar ist. Durch Umschalten der Übertragungsfunk­tion besteht die Möglichkeit, bei identischem Niederspannungs­signal die Wellenform der erzeugten Stoßwelle zu verändern, da der Stoßwellenquelle dann in Abhängigkeit von der gewählten Übertragungsfunktion unterschiedliche Hochspannungsimpulse zu­führbar sind.
  • Die Wellenform der erzeugten Stoßwelle kann auf besonders viel­fältige und besonders einfache Weise beeinflußt werden, wenn der Signalgenerator gemäß einer Variante der Erfindung derart ausgebildet ist, daß die Signaldauer und/oder der Amplituden­verlauf des erzeugten Niederspannungssignales einstellbar sind.
  • Da der Signalgenerator als Niederspannungsschaltung ausgeführt ist, sind die hierzu erforderlichen schaltungstechnischen Maß­nahmen mit keinerlei Schwierigkeiten verbunden. Auf besonders einfache Weise kann ein derartiger Signalgenerator realisiert werden, wenn er gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Er­findung einen Digital/Analog-Wandler enthält und eine elektro­nische Recheneinrichtung vorgesehen ist, mittels derer dem Digital/Analog-Wandler des Signalgenerators eine zeitliche Fol­ge von der Signaldauer und dem Amplitudenverlauf des Nieder­spannungssignales entsprechenden Amplitudenwerten zuführbar ist, die der Digital/Analog-Wandler in das Niederspannungssi­gnal wandelt. Durch Veränderung der zeitlichen Folge von Ampli­tudenwerten können im Rahmen der durch die Auflösung und die Wandlungszeit des Digital/Analog-Wandlers gegebenen Grenzen Niederspannungssignale beliebiger Signalform realisiert werden. Dabei kann vorgesehen sein, daß mittels der elektronischen Re­cheneinrichtung eine dem jeweiligen Behandlungsfall angepaßte zeitliche Folge von Amplitudenwerten errechnet wird, die in ei­nem Speicher der elektronischen Recheneinrichtung gespeichert wird und jedesmal dann, wenn eine entsprechende Stoßwelle er­zeugt werden soll, dem Digital/Analog-Wandler zugeführt wird. Es besteht außerdem die Möglichkeit, eine Anzahl von vorgege­benen zeitlichen Folgen von Amplidutenwerten, wobei jede Folge einer bestimmten Wellenform der erzeugten Stoßwelle entspricht, in dem Speicher abzulegen und bei Bedarf dem Digital/Analog-­Wandler zuzuführen.
  • Die Recheneinrichtung kann im einfachsten Fall durch einen Taktgenerator, einen Funktionsspeicher, in dem eine oder mehre­re zeitliche Folgen von Amplitudenwerten gespeichert sind, und eine Adressierungseinrichtung für den Funktionsspeicher gebil­det sein, wobei der Taktgenerator sowohl den Digital/Analog-­Wandler als auch die Adressierungseinrichtung steuert, die der­art ausgebildet ist, daß jeweils nur derjenige Bereich des Funktionsspeichers adressierbar ist, in dem die der jeweils ge­wünschten Wellenform der Stoßwelle entsprechende zeitliche Fol­ge von Amplitudenwerten gespeichert ist. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist jedoch vorge­sehen, daß die elektronische Recheneinrichtung derart ausgebil­det ist, daß sie unter Berücksichtigung der Übertragungsfunk­tion des impulsformenden Netzwerkes, der elektro-akustischen Eigenschaften der Stoßwellenquelle und der akustischen Eigen­schaften des Übertragungsmediums ausgehend von einer vorgeb­baren gewünschten Wellenform der Stoßwelle die dem Niederspan­nungssignal entsprechende zeitliche Folge von Amplitudenwerten errechnet. Für den Arzt besteht dann die Möglichkeit, unter Zu­hilfenahme einer Eingabeeinrichtung, z.B. eines Datensichtgerä­tes mit Lichtgriffel, eine dem jeweiligen Therapiefall angepaß­te Wellenform der Stoßwelle vorzugeben, die dann selbsttätig erzeugt wird.
  • Um überprüfen zu können, inwieweit die Wellenform einer erzeug­ten Stoßwelle der gewünschten Wellenform entspricht, ist gemäß einer Variante der Erfindung ein in dem Übertragungsmedium an­geordneter breitbandiger, linearer Drucksensor vorgesehen, der ein der Wellenform der erzeugten Stoßwelle entsprechendes Si­gnal liefert und mit einem Analog/Digital-Wandler verbunden ist, wobei der Analog/Digital-Wandler eine der Wellenform der erzeugten Stoßwelle entsprechende zeitliche Folge von Ampli­tudenwerten abgibt, die der elektronischen Recheneinrichtung zuführbar ist, die derart ausgebildet ist, daß sie einen Ver­gleich der erzeugten Wellenform mit der gewünschten Wellenform der Stoßwelle vornimmt und das Ergebnis des Vergleiches an­zeigt. Dabei kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung außerdem vorgesehen sein, daß die elektronische Recheneinrich­tung derart ausgebildet ist, daß sie ausgehend von dem Ergebnis des Vergleiches im Falle von Abweichungen der Wellenform der erzeugten Stoßwelle von der gewünschten Wellenform eine Korrek­tur der dem Digital/Analog-Wandler zuführbaren zeitlichen Folge von Amplitudenwerten vornimmt. Abweichungen der erzeugten Wel­lenform von der gewünschten Wellenform, die z.B. durch nicht­lineare akustische Übertragungseigenschaften des Übertragungs­mediums verursacht sein können, werden also selbsttätig be­seitigt.
  • Gemäß einer Variante der Erfindung ist ein Taktgenerator vorge­sehen, der Taktimpulse für die elektronische Recheneinrichtung, den Digital/Analog-Wandler und den Analog/Digital-Wandler er­zeugt. Durch diese Maßnahme sind die genannten Komponenten syn­chronisiert, so daß eine genaue Bestimmung der Laufzeiten in dem aus dem Hochspannungsgenerator und der Stoßwellenquelle ge­bildeten System möglich ist, was insbesondere dann von Bedeu­tung ist, wenn nicht-lineare akustische Übertragungseigenschaf­ten des Übertragungsmediums korrigiert werden sollen.
  • Soweit dies erforderlich ist, kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zwischen das impulsformende Netzwerk und die Stoßwellenquelle ein im wesentlichen verlustloses Anpaßnetzwerk zur breitbandigen impedanzmäßigen Anpassung des impulsformenden Netzwerkes an die Stoßwellenquelle geschaltet sein, um wir­kungsgradmindernde Reflexionen des Hochspannungsimpulses am Eingang der Stoßwellenquelle zu vermeiden.
  • Die Aufgabe, ein Verfahren zur Erzeugung eines zum Antrieb von Stoßwellenquellen geeigneten Hochspannungsimpulses hoher Strom­stärke anzugeben, wird nach der Erfindung durch ein Verfahren gelöst, bei dem ein Niederspannungssignal, dessen Energiegehalt zur Erzeugung einer Stoßwelle ausreicht, erzeugt wird und das Niederspannungssignal unter Verkürzung seiner Signaldauer in einem zum Antrieb der Stoßwellenquelle geeigneten Hochspan­nungsimpuls überführt wird, dessen Energiegehalt im wesent­lichen dem des Niederspannungsimpulses entspricht. Das erfin­dungsgemäße Verfahren kann ohne Hochspannungsversorgung und ohne Hochspannungs-Schalter durchgeführt werden. Außerdem kön­nen dann, wenn das Niederspannungssignal mittels eines impuls­formenden Netzwerkes in den Hochspannungsimpuls überführt wird, gemäß einer Variante der Erfindung ausgehend von einer vorge­gebenen Wellenform der Stoßwelle die Signaldauer und der Ampli­tudenverlauf des Niederspannungssignales unter Berücksichtigung der Übertragungsfunktion des impulsformenden Netzwerkes, der elektro-akustischen Eigenschaften der Stoßwellenquelle und der akustischen Eigenschaften des akustischen Übertragungsmediums derart gewählt werden, daß die Stoßwellenquelle mittels des er­zeugten Hochspannungsimpulses zur Erzeugung einer Stoßwelle der gewünschten Wellenform angetrieben wird. Gemäß dem erfindungs­gemäßen Verfahren wird also ein Niederspannungssignal mit frei wählbarem Zeitverlauf, hoher Energie, großer Signaldauer und niedriger Momentanleistung erzeugt und dann mittels des impuls­formenden Netzwerkes in einen Hochspannungsimpuls mit etwa gleicher Energie, geringerer Signaldauer und hoher Momentan­leistung umgewandelt. Dabei kann der zeitliche Verlauf der Momentanamplituden des Niederspannungssignales, z.B. mittels einer elektronischen Recheneinrichtung, so berechnet werden, daß der im Zusammenwirken mit dem impulsformenden Netzwerk ent­stehende Hochspannungsimpuls die Stoßwellenquelle zur Erzeugung einer nach bestimmten Kriterien optimierten Stoßwelle antreibt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten Fig. schematisch dargestellt.
  • In der Fig. ist eine Einrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen dargestellt, wie sie in der Medizin zur Zertrümmerung von Kon­krementen im Körper eines Patienten Verwendung findet. Eine solche Einrichtung weist eine insgesamt mit 1 bezeichnete Stoß­wellenquelle auf, wie sie z.B. aus der DE-OS 33 28 051 bekannt ist. Diese besitzt ein mit Wasser als akustisches Übertragungs­medium gefülltes rohrförmiges Gehäuse 2, das an seinem einen Ende mit einem elektro-dynamischen Stoßwellengenerator 3 ver­sehen und an seinem anderen Ende durch einen flexiblen Sack 4 verschlossen ist. Zwischen dem Stoßwellengenerator 3 und dem Sack 4 ist in dem Gehäuse 2 eine akustische Sammellinse 5 ange­ordnet, die zur Fokussierung der von dem Stoßwellengenerator 3 abgegebenen ebenen Stoßwelle dient, die im Fokus der Sammel­linse 5 zusammenläuft.
  • Die Stoßwellenquelle 1 ist mittels des Sackes 4 an den im Quer­schnitt dargestellten Körper 6 eines Patienten angepreßt, und zwar derart, daß sich ein in einer Niere 7 des Lebewesens be­findlicher Nierenstein 8 im Brennpunkt der Sammellinse 5 befin­ det. Die von der Stoßwellenquelle 1 abgegebenen fokussierten Stoßwellen, die sich in dem ebenfalls als akustisches Übertra­gungsmedium dienenden Körpergewebe des Patienten ausbreiten, wirken auf den im Fokus der Sammellinse 5 befindlichen Nieren­stein 8 ein und üben mechanische Beanspruchungen auf diesen aus, so daß er in kleine Bruchstücke zerfällt, die auf natür­lichem Wege abgehen können.
  • Zum Antrieb der Stoßwellenquelle 1 ist ein insgesamt mit 9 be­zeichneter Hochspannungsgenerator vorgesehen, mittels dessen zur Erzeugung einer Stoßwelle Hochspannungsimpulse hoher Strom­stärke erzeugbar sind. Als wesentliche Komponenten enthält der Hochspannungsgenerator 9 einen Signalgenerator 10 und ein im­pulsformendes Netzwerk 11. Der Signalgenerator 10 erzeugt ein Niederspannungssignal relativ geringer Amplitude (1 bis 20 Volt) und relativ langer Signaldauer. Bei A ist ein derar­tiges Niederspannungssignal angedeutet, das vom Ausgang des Signalgenerators 10 unter Zwischenschaltung eines Leistungs­verstärkers 12 zum Eingang des impulsformenden Netzwerkes 11 gelangt. Dieses besitzt eine solche Übertragungsfunktion, daß es das von dem Signalgenerator 10 stammenden Niederspannungs­signal A, dessen Energiegehalt zur Erzeugung einer Stoßwelle ausreicht, unter Verkürzung von dessen Signaldauer in einen zur Erzeugung der Stoßwelle geeigneten Hochspannungsimpuls über­führt, dessen Energiegehalt im wesentlichen dem des Niederspan­nungssignales A entspricht. Der Hochspannungsimpuls erscheint am Ausgang des impulsformenden Netzwerkes 11 und ist bei B schematisch angedeutet. Er wird der Stoßwellenquelle 1 zur Er­zeugung einer Stoßwelle zugeführt. Erforderlichenfalls kann zwischen den Ausgang des impulsformenden Netzwerkes 11 und die Stoßwellenquelle 1 ein in der Fig. strichliert angedeutetes Anpaßnetzwerk 13 zur verlustlosen breitbandigen impedanzmäßigen Anpassung des Ausganges des impulsformenden Netzwerkes 11 an die Stoßwellenquelle 1 geschaltet sein.
  • Bei dem impulsformenden Netzwerk 11 handelt es sich um ein mehrstufiges aus in der Fig. schematisch angedeuteten LC-All­ paßnetzwerken 14, 15, 16, 17 gebildetes Filter, das eine solche Übertragungsfunktion besitzt, daß für die einzelnen in dem Si­gnalspannungssignal A enthaltenen Frequenzanteile derart unter­schiedliche Laufzeiten in dem Filter auftreten, daß die Impuls­dauer des Niederspannungssignales A verkürzt und die Amplitude des Niederspannungsimpulses in den Hochspannungsbereich erhöht wird. Die Allpaßnetzwerke 14, 15, 16, 17 sind aus im wesent­lichen verlustfreien Bauelementen aufgebaut, so daß der am Aus­gang des impulsformenden Netzwerkes 11 zur Verfügung stehende Hochspannungsimpuls B im wesentlichen den gleichen Energiege­halt wie das Niederspannungssignal A aufweist. Um die Übertra­gungsfunktion des impulsformenden Netzwerkes 11 verändern und somit Stoßwellen unterschiedlicher Wellenform erzeugen zu kön­nen, besteht die Möglichkeit, einzelne Allpaßnetzwerke zu über­brücken, so wie dies beispielsweise bei dem Allpaßnetzwerk 14 mittels des Schalters 18 möglich ist. Außerdem besteht die Mög­lichkeit, Allpaßnetzwerke wahlweise parallel oder in Serie zu schalten, so wie dies mittels der miteinander gekoppelten Um­schalter 19a und 19b beispielsweise für die Allpaßnetzwerke 15 und 16 möglich ist.
  • Eine weitere Möglichkeit, die Wellenform der erzeugten Stoßwel­le zu beeinflussen, besteht darin, dem impulsformenden Netzwerk 11 Niederspannungssignale A unterschiedlichen zeitlichen Ver­laufes zuzuführen. Zu diesem Zweck ist der Signalgenerator 10 derart ausgebildet, daß die Signaldauer und/oder der Amplitu­denverlauf des erzeugten Niederspannungssignales A einstellbar sind. Im Falle des dargestellten Hochspannungsgenerators 9 wird dies dadurch erreicht, daß der Signalgenerator 10 einen Digi­tal/Analog-Wandler 20 enthält, dem eine zeitliche Folge von der Impulsdauer und dem Amplitudenverlauf des Niederspannungssigna­les A entsprechenden Amplitudenwerten zugeführt wird, die der Digital/Analog-Wandler 20 in das Niederspannungssignal wandelt. Die zeitliche Folge von Amplitudenwerten erhält der Digital/­Analog-Wandler 20 des Signalgenerators 10 über einen Daten-Bus 38, von dem nur eine Leitung dargestellt ist, von einer elek­tronischen Recheneinrichtung 21, in der eine Anzahl von unter­ schiedlichen Wellenformen der Stoßwelle entsprechenden zeit­lichen Folgen von Amplitudenwerten gespeichert ist.
  • Die elektronische Recheneinrichtung 21 umfaßt eine Zentralein­heit 22, einen Programmspeicher 23, der die erforderlichen Pro­gramme für die im folgenden beschriebenen Funktionen des Hoch­spannungsgenerators 9 enthält, einen Datenspeicher 24, in dem die unterschiedlichen Wellenformen der Stoßwelle entsprechenden zeitlichen Folgen von Amplitudenwerten gespeichert sind, und einen Taktgenerator 25. An die elektronische Recheneinrichtung 21 sind eine Tastatur 26 und ein Datensichtgerät 27 mit Licht­griffel 28 angeschlossen. Durch geeignetes Betätigen der Tasta­tur 26 kann die elektronische Recheneinrichtung 21 veranlaßt werden, die der jeweils gewünschten Wellenform der Stoßwelle entsprechende zeitliche Folge von Amplitudenwerten aus dem Da­tenspeicher 24 abzurufen, die dem Signalgenerator 10 jedesmal, wenn eine Stoßwelle erzeugt werden soll, zur Erzeugung des zu­gehörigen Niederspannungssignales A zugeführt wird. Dabei be­steht die Möglichkeit, die jeweilige Wellenform der Stoßwelle auf dem Datensichtgerät 27 graphisch darzustellen. Die elektro­nische Recheneinrichtung 21, der Signalgenerator 10 und der Leistungsverstärker 12 bilden somit gemeinsam einen Wellenform­generator, mittels dessen innerhalb der durch die Amplituden­auflösung und die Wandlungszeit des Digital/Analog-Wandlers 20 gesetzten Grenzen Niederspannungssignale A beliebiger Signal­form erzeugt werden können, wobei in dieser Betriebsart die elektronische Recheneinrichtung 21 im wesentlichen als Funk­tionsspeicher wirkt und mittels ihres Taktgenerators 25 dem Digital/Analog-Wandler 20 die erforderlichen Taktimpulse liefert.
  • Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, durch geeignetes Betä­tigen der Tastatur 26 oder durch Zeichnen mit dem Lichtgriffel 28 auf dem Schirm des Datensichtgerätes 27 eine gewünschte Wel­lenform der Stoßwelle vorzugeben. Ausgehend von der vorgegebe­nen gewünschten Wellenform der Stoßwelle errechnet die elektro­nische Recheneinrichtung 21 unter Berücksichtigung der Übertra­ gungsfunktion des impulsformenden Netzwerkes 11, der elektro-­akustischen Eigenschaften der Stoßwellenquelle 1 und der aku­stischen Eigenschaften des Übertragungsmediums, diesbezügliche Daten sind in dem Datenspeicher 24 gespeichert, die zeitliche Folge von Amplitudenwerten eines Niederspannungssignales A, das zur Erzeugung einer Stoßwelle der gewünschten Wellenform ge­eignet ist. Die zeitliche Folge von Amplitudenwerten wird in dem Datenspeicher 24 gespeichert und jedesmal, wenn eine Stoß­welle erzeugt werden soll, dem Digital/Analog-Wandler 20 des Signalgenerators 10 zugeführt werden. Es besteht somit die Mög­lichkeit, eine dem jeweiligen Therapiefall optimal angepaßte Wellenform der Stoßwelle zu realisieren.
  • Darüber hinaus bietet der erfindungsgemäße Hochspannungsgenera­tor 9 die Möglichkeit, zu überprüfen, inwieweit die Wellenform der erzeugten Stoßwelle mit der vorgegebenen gewünschten Wel­lenform der Stoßwelle übereinstimmt. Zu diesem Zweck sind in dem in der Stoßwellenquelle 1 befindlichen Übertragungsmedium zwei lineare breitbandige Drucksensoren 29 und 30 angeordnet, von denen einer vor der akustischen Sammellinse 5 und einer hinter dieser angeordnet ist. Die Drucksensoren 29 und 30, von denen jeweils einer mittels eines Schalters 31 an einen Emp­fangsverstärker 32 anschaltbar ist, liefern elektrische Signa­le, die der Wellenform der erzeugten Stoßwelle entsprechen. Der Ausgang des Empfangsverstärkers 32 ist mit dem Eingang eines Transienten-Recorders 33 verbunden, der einen Analog/Digital-­Wandler 34 und einen Schreib/Lese-Speicher 35 enthält. Die dem Analog/Digital-Wandler 34 zugeführten Signale des Drucksensors 29 bzw. 30 werden mittels des Analog/Digital-Wandlers 34, der seine Taktimpulse von dem Taktgenerator 25 der elektronischen Recheneinrichtung 21 erhält, in eine zeitliche Folge von Ampli­tudenwerten gewandelt, die in dem Schreib/Lese-Speicher 35 ge­speichert wird. Dabei wird der Schreib/Lese-Speicher 35 über einen Daten/Adreß-Bus 36, von dem nur eine einzige Leitung dar­gestellt ist, mittels der elektronischen Recheneinrichtung 21 adressiert. Auf eine geeignete Betätigung der Tastatur 26 hin liest die elektronische Recheneinrichtung 21 die in dem Schreib/Lese-Speicher 35 gespeicherte zeitliche Folge von Amp­litudenwerten, die der Wellenform der erzeugten Stoßwelle ent­spricht und führt einen Vergleich mit der gewünschten Wellen­form der Stoßwelle aus. Das Ergebnis des Vergleiches wird mit­tels des Datensichtgerätes, beispielsweise graphisch, ange­zeigt. Dies ist in der Fig. verdeutlicht, indem auf dem Bild­schirm des Datensichtgerätes 27 eine z.B. mittels des Licht­griffels 28 vorgegebene gewünschte Wellenform C der Stoßwelle ausgezogen und die Wellenform D der erzeugten Stoßwelle strich­liert dargestellt ist. Der behandelnde Arzt kann nun anhand des dargestellten Ergebnisses des Vergleiches entscheiden, ob die erzeugte Wellenform hinreichend mit der gewünschten überein­stimmt oder Korrekturen erforderlich sind. Wird eine Korrektur für erforderlich gehalten, nimmt die elektronische Rechenein­richtung 21 auf eine geeignete Betätigung der Tastatur 26 hin ausgehend von dem Ergebnis des Vergleiches eine Korrektur der dem Digital/Analog-Wandler 20 zuführbaren zeitlichen Folge von Amplitudenwerten vor, die unter Berücksichtigung der Übertra­gungsfunktion des impulsformenden Netzwerkes 11, der elektro-­akustischen Eigenschaften der Stoßwellenquelle 1 und der aku­stischen Eigenschaften des Übertragungsmediums erfolgt. Dabei kann der Hochspannungsgenerator 9 als "lernendes System" wir­ken, indem die elektronische Recheneinrichtung 21 die Resultate vorgenommener Korrekturen auswertet und eine Korrektur-Strate­gie entwickelt. In diesem Zusammenhang ist es von wesentlicher Bedeutung, daß die Taktsignale sowohl für die elektronische Recheneinrichtung 21 als auch für den Digital/Analog-Wandler 20 und den Analog/Digital-Wandler 34 von dem gleichen Taktgenera­tor 25 stammen, so daß die genannten Komponenten synchronisiert sind. Dies gestattet eine genaue Bestimmung der Laufzeiten der Signale in dem aus dem Hochspannungsgenerator 9 und der Stoß­wellenquelle 1 gebildeten System, so daß nicht-lineare akusti­sche Übertragungseigenschaften des Übertragungsmediums unter­sucht und korrigiert werden können.
  • Wie bereits erwähnt, ist die Recheneinrichtung 21 in der Lage, dem Signalgenerator 10 die jeweilige zeitliche Folge von Ampli­ tudenwerten wiederholt zuzuführen, so daß eine Folge von Stoß­wellen erzeugt werden kann. Außerdem besteht die Möglichkeit, der elektronischen Recheneinrichtung 21 über eine Leitung 37 Triggerimpulse I zuzuleiten, die in nicht dargestellter Weise aus einer periodischen Körperfunktion, z.B. der Atemtätigkeit, des Patienten abgeleitet sind, wobei die elektronische Rechen­einrichtung 21 jeweils beim Eintreffen eines Triggerimpulses I dem Signalgenerator 10 die zeitliche Folge von Amplitudenwerten zuführt, so daß die Erzeugung von Stoßwellen synchron mit der periodischen Körperfunktion erfolgt.
  • Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Hochspannungs­generators 9 besteht darin, daß im Gegensatz zum Stand der Technik weder eine Hochspannungsversorgung noch Hochspannungs-­Schalter erforderlich sind. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß Stoßwellen beliebiger Wellenform erzeugt werden können und die Wellenform der Stoßwellen optimiert wer­den kann. Da das mittels des Signalgenerators 10 erzeugte Nie­derspannungssignal A mittels der Recheneinrichtung 21 in feinen Zeit- und Amplitudenstufen variiert werden kann, besteht die Möglichkeit, lineare Verzerrungen im Übertragungsverhalten des Leistungsverstärkers 12, des Anpaßnetzwerkes 13 und der Stoß­wellenquelle 1 sowie Toleranzen des impulsformenden Netzwerkes 11 bei der Erzeugung der Niederspannungssignale A zu berück­sichtigen bzw. zu kompensieren. Die durch den Signalgenerator 10, den Leistungsverstärker 12, das impulsformende Netzwerk 11 und das Anpaßnetzwerk 13 gebildete Übertragungskette wirkt als inverses Filter, das eine maximale Kompression der mittels des Signalgenerators 10 erzeugten Niederspannungssignale bewirkt, wobei die Übertragungskette einen elektrischen Eingang, nämlich den Eingang des Leistungsverstärkers 12, und einen akustischen Ausgang, nämlich das mittels der Stoßwellenquelle 1 erzeugte Schallfeld, aufweist. Weiterhin besteht anhand der mittels der Drucksensoren 29, 30 und des Transienten-Recorders 33 ermittel­baren Wellenformen der erzeugten Stoßwellen die Möglichkeit, die Wellenformen der erzeugbaren Stoßwellen mit Hilfe der elek­tronischen Recheneinrichtung 21 auf spezielle Ergebnisse hin zu optimieren, mit den Zielen, eine optimale Wirkung der Therapie zu gewährleisten, Kavitationserscheinungen im Gewebe des Pati­enten zu unterdrücken und die Schmerzbelastung des Patienten zu verringern.
  • Auch können elektro-akustische Eigenschaften des Stoßwellen­generators 3, akustische Eigenschaften des Übertragungsmediums und elektrische Eigenschaften des Hochspannungsgenerators 9, welche die Stoßwellenerzeugung ungünstig beeinflussen, weit­gehend kompensiert werden.

Claims (12)

1. Hochspannungsgenerator zur Erzeugung eines Hochspannungsim­pulses (B) hoher Stromstärke zum Antrieb einer Stoßwellenquelle (1), welche zur Erzeugung einer Stoßwelle in einem akustischen Übertragungsmedium dient, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Hochspannungsgenerator einen Si­gnalgenerator (10) zur Erzeugung eines Niederspannungssignales (A), dessen Energiegehalt zur Erzeugung der Stoßwelle aus­reicht, und ein zwischen den Signalgenerator (10) und die Stoßwellenquelle (1) geschaltetes impulsformendes Netzwerk (11) aufweist, das eine solche Übertragungsfunktion besitzt, daß es das von dem Signalgenerator (10) stammenden Niederspannungs­signal (A) unter Verkürzung von dessen Signaldauer in einen zum Antrieb der Stoßwellenquelle (1) geeigneten Hochspannungsimpuls (B) überführt, dessen Energiegehalt im wesentlichen dem des Niederspannungsimpulses (A) entspricht.
2. Hochspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als impulsformendes Netz­werk (11) ein mehrstufiges aus LC-Allpaßnetzwerken (14, 15, 16, 17) gebildetes Filter vorgesehen ist.
3. Hochspannungsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, da­durch gekennzeichnet, daß das impulsfor­mende Netzwerk (11) eine umschaltbare Übertragungsfunktion aufweist.
4. Hochspannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Signal­generator (10) derart ausgebildet ist, daß die Signaldauer und/oder der Amplitudenverlauf des erzeugten Niederspannungs­signales (A) einstellbar sind.
5. Hochspannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Signal­generator (10) einen Digital/Analog-Wandler (20) enthält und daß eine elektronische Recheneinrichtung (21) vorgesehen ist, mittels derer dem Digital/Analog-Wandler (20) des Siggnalene­rators (10) eine zeitliche Folge von der Signaldauer und dem Amplitudenverlauf des Niederspannungssignales (A) entsprechen­den Amplitudenwerten zuführbar ist, die der Digital/Analog-­Wandler (20) in das Niederspannungssignal (A) wandelt.
6. Hochspannungsgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Rechen­einrichtung (21) derart ausgebildet ist, daß sie unter Berück­sichtigung der Übertragungsfunktion des impulsformenden Netz­werkes (11), der elektro-akustischen Eigenschaften der Stoß­wellenquelle (1) und der akustischen Eigenschaften des Übertra­gungsmediums ausgehend von einer vorgebbaren gewünschten Wel­lenform (C) der Stoßwelle die dem Niederspannungssignal (A) entsprechende zeitliche Folge von Amplitudenwerten errechnet.
7. Hochspannungsgenerator nach Anspruch 5 oder 6, da­durch gekennzeichnet, daß ein in dem Übertragungsmedium angeordneter breitbandiger, linearer Druck­sensor (29, 30) vorgesehen ist, der ein der Wellenform (D) der erzeugten Stoßwelle entsprechendes Signal liefert und mit einem Analog/Digital-Wandler (34) verbunden ist, wobei der Analog/Di­gital-Wandler (34) eine der Wellenform (D) der erzeugten Stoß­welle entsprechende zeitliche Folge von Amplitudenwerten ab­gibt, die der elektronischen Recheneinrichtung (21) zuführbar ist, die derart ausgebildet ist, daß sie einen Vergleich der erzeugten Wellenform (D) mit der gewünschten Wellenform (C) der Stoßwelle vornimmt und das Ergebnis des Vergleiches anzeigt.
8. Hochspannungsgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Rechen­einrichtung (21) derart ausgebildet ist, daß sie ausgehend von dem Ergebnis des Vergleiches im Falle von Abweichungen der Wel­lenform (D) der erzeugten Stoßwelle von der gewünschten Wellen­form (C) eine Korrektur der dem Digital-Analog-Wandler (20) zu­führbaren zeitlichen Folge von Amplitudenwerten vornimmt.
9. Hochspannungsgenerator nach Anspruch 7 oder 8, da­durch gekennzeichnet, daß ein Taktgene­rator (25) vorgesehen ist, der Taktimpulse für die elektroni­sche Recheneinrichtung (21), den Digital/Analog-Wandler (20) und Analog/Digital-Wandler (34) erzeugt.
10. Hochspannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das impulsformende Netzwerk (11) und die Stoßwellenquelle (1) ein im wesentlichen verlustloses Anpaßnetzwerk (13) zur breit­bandigen impedanzmäßigen Anpassung des impulsformenden Netz­werkes (11) an die Stoßwellenquelle (1) geschaltet ist.
11. Verfahren zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses (B) hoher Stromstärke zum Antrieb einer Stoßwellenquelle (1), wel­che zur Erzeugung einer Stoßwelle in einem akustischen Über­tragungsmedium dient, dadurch gekennzeich­net, daß ein Niederspannungssignal (A) erzeugt wird, des­sen Energiegehalt zur Erzeugung einer Stoßwelle ausreicht, und das Niederspannungssignal (A) unter Verkürzung seiner Signal­dauer in einen zum Antrieb der Stoßwellenquelle (1) geeigneten Hochspannungsimpuls (B) überführt wird, dessen Energiegehalt im wesentlichen dem des Niederspannungssignales (A) entspricht.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Niederspannungssignal (A) mittels eines impulsformenden Netzwerkes (11) in den Hochspannungsim­puls (B) überführt wird und daß ausgehend von einer vorgegebe­nen Wellenform der Stoßwelle die Signaldauer und der Amplitu­denverlauf des Niederspannungssignales (A) unter Berücksichti­gung der Übertragungsfunktion des impulsformenden Netzwerkes (11), der elektro-akustischen Eigenschaften der Stoßwellen­quelle (1) und der akustischen Eigenschaften des akustischen Übertragungsmediums derart gewählt werden, daß die Stoßwellen­quelle (1) mittels des erzeugten Hochspannungsimpulses (B) zur Erzeugung einer Stoßwelle der gewünschten Wellenform angetrie­ben wird.
EP88115714A 1988-09-23 1988-09-23 Hochspannungsgenerator und Verfahren zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses hoher Stromstärke zum Antrieb einer Stosswellenquelle Expired - Lifetime EP0359863B1 (de)

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