DE10207737C1 - Schaltkreis für eine elektromagnetische Quelle zur Erzeugung akustischer Wellen - Google Patents

Abstract

Schaltkreis für eine elektromagnetische Quelle zur Erzeugung akustischer Wellen, aufweisend einen entladbaren Hochspannungskondensator (22), welchem eine Diode (24) oder ein Diodenmodul (31) parallel geschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis für eine elektromag­ netische Quelle zur Erzeugung akustischer Wellen, aufweisend einen entladbaren Hochspannungskondensator.

Ein derartiger Schaltkreis ist in Fig. 1 dargestellt. Der Schaltkreis umfasst eine Gleichspannungsquelle 1, ein Schalt­ mittel 2, welches in der Regel als Funkenstrecke ausgeführt ist, einen Hochspannungskondensator 3 sowie eine Spule 4, welche Teil einer Schallerzeugungseinheit der elektromagneti­ schen Quelle ist. Die Schallerzeugungseinheit der elektromag­ netischen Quelle weist neben der Spule 4 einen nicht darge­ stellten Spulenträger, auf dem die Spule angeordnet ist, und eine ebenfalls nicht dargestellte, isolierend auf der Spule 4 angeordnete Membran auf. Bei der Entladung des Hochspannungs­ kondensators 3 über die Spule 4 fließt durch die Spule 4 der Strom I, wodurch ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, welches mit der Membran in Wechselwirkung tritt. Die Membran wird dabei in ein akustisches Ausbreitungsmedium abgestoßen, wodurch Quelldruckwellen in das akustische Ausbreitungsmedium als Trägermedium zwischen der Schallerzeugungseinheit der elektromagnetischen Quelle und einem zu beschallenden Objekt ausgesendet werden. Durch nichtlineare Effekte im Trägermedi­ um können aus den akustischen Quelldruckwellen beispielsweise Stoßwellen entstehen. Der Aufbau einer elektromagnetischen Quelle, insbesondere einer elektromagnetischen Stoßwellen­ quelle, ist im Übrigen beispielsweise in der EP 0 133 665 B1 beschrieben.

Betreibt man den in Fig. 1 gezeigten Schaltkreis zur Erzeu­ gung akustischer Wellen, so ergeben sich während des Entlade­ vorgangs des Hochspannungskondensators 3 über die Spule 4, wozu mittels des Schaltmittels 2 ein Kurzschluss erzeugt wird, die in Fig. 2 exemplarisch eingetragenen Verläufe der Spannung U, des Stromes I und des Quadrates des Stromes I (12). Während die Kurve 5 den Spannungsverlauf U über der Spule 4 veranschaulicht, zeigt die Kurve 6 den dabei durch die Spule 4 fließenden, abklingenden Strom I, welcher, wie bereits erwähnt, ursächlich für die Erzeugung von akustischen Wellen ist. Die Kurve 7 veranschaulicht das Quadrat des Stro­ mes I.

Dem Quadrat des Stromes I proportional sind die von der e­ lektromagnetischen Stoßwellenquelle erzeugten akustische Wel­ len. Aus einem Entladevorgang des Hochspannungskondensators 3 gehen demnach, wie aus der Fig. 2 anhand des Quadrates des Stromes I zu erkennen ist, eine erste akustische Quelldruck­ welle aus dem ersten akustischen Quelldruckpuls (1. Maximum) und weiter akustische Quelldruckwellen aus der abklingenden Folge von positiven akustischen Quelldruckpulsen hervor. Die erste Quelldruckwelle und die nachfolgenden Quelldruckwellen können sich, wie bereits erwähnt, durch nicht lineare Effekte im Trägermedium und eine nichtlineare Fokussierung, welche in der Regel mit einer an sich bekannten akustischen Fokussie­ rungslinse erfolgt, in Stoßwellen mit kurzen aufgesteilten Positivanteilen und nachfolgenden langgezogenen sogenannten Unterdruckwannen formen.

Stoßwellen werden beispielsweise zur nicht invasiven Zerstö­ rung von Konkrementen im Körperinneren eines Patienten, z. B. zur Zerstörung eines Nierensteins, eingesetzt. Die auf den Nierenstein gerichteten Stoßwellen bewirken, dass in dem Nie­ renstein Risse entstehen. Der Nierenstein bricht schließlich auseinander und kann somit auf natürlichem Wege ausgeschieden werden.

Maßgeblich für das volumendesintegrierende Risswachstum im Stein ist dabei die aus dem ersten Quelldruckpuls hervorge­ gangene erste Stoßwelle. Die nachfolgenden Stoßwellen führen hingegen durch die stark angestiegene Keimrate, verursacht durch die Unterdruckwanne der ersten Stoßwelle, nur zu ober­ flächlich wirkenden Kavitationsprozessen, welche sogar gewe­ beschädigend sein können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schalt­ kreis der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass die Erzeugung von akustischen Wellen verbessert wird.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen Schaltkreis für eine elektromagnetische Quelle zur Erzeugung akustischer Wellen, aufweisend einen entladbaren Hochspan­ nungskondensator, welchem eine Diode oder ein Diodenmodul parallel geschaltet ist, wobei die Ladespannung für den Hoch­ spannungskondensator in Sperrrichtung an der Diode oder an dem Diodenmodul anliegt. Das Diodenmodul kann dabei Reihen- und/oder Parallelschaltungen von Dioden aufweisen. Durch die Parallelschaltung der Diode oder des Diodenmoduls zu dem Hochspannungskondensator erreicht man bei der Entladung des Hochspannungskondensators eine zeitliche Verlängerung des ersten Quelldruckpulses. Außerdem werden die nachfolgenden abklingenden Quelldruckpulse abhängig von der Diodenimpedanz bzw. den Diodenimpedanzen stark bedämpft. Die Dämpfung kann dabei so groß sein, dass die nachfolgenden Quelldruckpulse sogar gänzlich verschwinden. Durch die zeitliche Verlängerung des ersten Quelldruckpulses wird eine stärkere erste akusti­ sche Welle, beispielsweise bei der Erzeugung von Stoßwellen, also eine stärkere erste Stoßwelle erzeugt, wodurch sich für die Zertrümmerung von Konkrementen eine Verstärkung der volu­ mendesintegrierenden Wirkung ergibt. Dadurch, dass zudem nur noch wenige schwache oder überhaupt keine dem ersten Quell­ druckpuls nachfolgende Quelldruckpulse auftreten, wird auch die gewebeschädigende Kavitation, verursacht durch die auf die erste Stoßwelle folgenden, aus den nachfolgenden Quell­ druckpulsen hervorgegangenen Stoßwellen, vermindert. Darüber hinaus erhöht sich durch die durch die Diode bzw. das Dioden­ modul bedingte verringerte Umpolspannung die Lebensdauer des Hochspannungskondensators. Zudem werden bei einer derartigen Erzeugung von Stoßwellen weniger hörbare Schallwellen er­ zeugt, so dass sich eine Lärmreduzierung ergibt. Maßgeblich bei der Erzeugung von hörbaren Schallwellen bei der Erzeugung von Stoßwellen ist nämlich die Gesamtfläche unter der Kurve des Quadrates des Stromes, also das Integral des Quadrates des Stroms über der Zeit. Diese wird im Falle der vorliegen­ den Erfindung insgesamt durch den Wegfall der normalerweise auf den ersten Quelldruckpuls folgenden Quelldruckpulse ver­ ringert.

Nach einer Variante der Erfindung weist der Schaltkreis ein Schaltmittel auf, welches einen oder mehrere vorzugsweise in Reihe geschaltete Thyristoren umfasst, wobei dem Hochspan­ nungskondensator eine Hochstromdiode mit langsamer Freiwerte­ zeit oder ein Diodenmodul aufweisend wenigstens zwei Hoch­ stromdioden mit langsamer Freiwerdezeit parallel geschaltet ist. Gemäß einer Variante der Erfindung weist das Diodenmodul eine Reihenschaltung von Hochstromdioden mit langsamer Frei­ wertezeit auf.

Unter Hochstromdioden mit langsamer Freiwerdezeit werden da­ bei an sich bekannte Leistungsdioden verstanden, deren Frei­ werdezeit oder auch Speicherzeit im µs-Bereich liegt. Dagegen weisen Kleinsignaldioden Freiwerdezeiten von ca. 10 bis 100 ns und sehr schnellen Dioden, wie FRED- oder Schottky-Dioden, Freiwerdezeiten in der Größenordnung von 100 ps auf.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen bekannten Schaltkreis zur Erzeugung akustischer Wellen,

Fig. 2 den Verlauf der Spannung U, des Stromes I und des Quadrates des Stromes I über der Zeit während der Entladung des Hochspannungskondensators des Schalt­ kreises aus Fig. 1,

Fig. 3 eine elektromagnetische Stoßwellenquelle,

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Schaltkreis zur Erzeugung akustischer Wellen,

Fig. 5 den Verlauf der Spannung U', des Stromes I' und des Quadrates des Stromes I' über der Zeit während der Entladung des Hochspannungskondensators des Schalt­ kreises aus Fig. 4, und

Fig. 6 einen weiteren erfindungsgemäßen Schaltkreis mit ei­ ner Reihenschaltung aus Thyristoren als Schaltmittel.

Die Fig. 3 zeigt in Form einer teils geschnittenen und teils blockschaltartigen Darstellung eine elektromagnetischen Stoß­ wellenquelle in Form eines Therapiekopfes 10, welcher im Fal­ le des vorliegenden Ausführungsbeispiels Bestandteil eines nicht näher dargestellten Lithotripsiegerätes ist. Der Thera­ piekopf 10 weist eine mit 11 bezeichnete, an sich bekannte Schallerzeugungseinheit auf, welche nach dem elektromagneti­ schen Prinzip arbeitet. Die Schallerzeugungseinheit 11 weist in in Fig. 3 nicht dargestellter Weise einen Spulenträger, eine auf diesem angeordnete Flachspule und eine gegenüber der Flachspule isolierte, metallische Membran auf. Zur Erzeugung von Stoßwellen wird die Membran durch elektromagnetische Wechselwirkung mit der Spule in ein mit 12 bezeichnetes akus­ tisches Ausbreitungsmedium abgestoßen, wodurch eine Quell­ druckwelle in das akustische Ausbreitungsmedium 12 ausgesen­ det wird. Die Quelldruckwelle wird mittels einer akustischen Linse 13 auf eine Fokuszone F fokussiert, wobei sich die Quelldruckwelle während ihrer Ausbreitung in dem akustischen Ausbreitungsmedium 12 und nach Einleitung in den Körper eines Patienten P zu einer Stoßwelle aufsteilt. Im Falle des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispieles dient die Stoßwelle zur Zertrümmerung eines Steines S in der Niere N des Patien­ ten P.

Dem Therapiekopf 10 ist eine Bedien- und Versorgungseinheit 14 zugeordnet, welche bis auf die Flachspule den in der Fig. 4 gezeigten erfindungsgemäßen Schaltkreis zur Erzeugung von akustischen Wellen umfasst. Die Bedien- und Versorgungs­ einheit 14 ist dabei über eine in der Fig. 3 gezeigte Verbin­ dungsleitung 15 mit der die Flachspule umfassenden Schaller­ zeugungseinheit 11 elektrisch verbunden.

Der in Fig. 4 gezeigte Schaltkreis für eine elektromagneti­ sche Stoßwellenquelle zur Erzeugung akustischer Wellen weist eine Gleichspannungsquelle 20, ein Schaltmittel 21, einen Hochspannungskondensator 22 und die Flachspule 23 der elekt­ romagnetischen Schallerzeugungseinheit 11 des Therapiekopfes 10 auf. Außerdem ist dem Hochspannungskondensator 22 erfin­ dungsgemäß eine Diode 24 unmittelbar parallel geschaltet, wobei die Diode 24 in Sperrrichtung zur Ladespannung des Hochspannungskondensators 22 geschaltet ist. Die Vorteile dieses erfindungsgemäßen Schaltkreises zur Entladung des Hochspannungskondensators 22 für die Erzeugung von Stoßwellen lassen sich anhand der Fig. 5 erläutern, welche den Verlauf 25 der Spannung U', den Verlauf 26 des Stromes I' und den Verlauf 27 des Quadrates des Stromes I' zeigt. Die in den Fig. 1 und 4 gezeigten Schaltkreise wurden dabei unter den­ selben Randbedingungen betrieben. Wie der Fig. 5 im Vergleich zu der Fig. 2 entnommen werden kann, weist der Verlauf des Quadrates des Stromes I' nur noch ein Maximum auf und klingt dann kontinuierlich über der Zeit ab, wobei sich gleichzeitig die Fläche unter dem Quadrat des Stromes I' gegenüber der Fläche unter dem ersten Maximum des Quadrates des Stromes I aus Fig. 2 vergrößert hat. Da eine mittels der Schallerzeu­ gungseinheit 11 erzeugte akustische Quelldruckwelle dem Quad­ rat des Stromes I' proportional ist, wird aus der Fig. 5 deutlich, dass sich mit Hilfe des in Fig. 4 gezeigten Schalt­ kreises eine verstärkte erste Stoßwelle ergibt, wodurch sich wiederum eine Verstärkung der Volumendesintegration, also eine verbesserte Wirkung für die Zerstörung des Steines S der Niere N, ergibt. Da darüber hinaus der Verlauf 27 des Quadra­ tes des Stromes I' keine weiteren Maxima zeigt, was gleichbe­ deutend mit der Tatsache ist, dass neben der ersten Quell­ druckwelle keine weiteren Quelldruckwellen entstehen, welche sich zu Stoßwellen aufsteilen, treten auch die bei der be­ kannten Erzeugung von Stoßwellen gewebeschädigenden Kavitati­ onsprozesse durch die auf die erste Stoßwelle folgenden Stoß­ wellen bei der erfindungsgemäßen Erzeugung einer Stoßwelle nicht auf. Des Weiteren erhöht sich durch eine durch die Dio­ de 24 bedingte, verringerte Umpolspannung des Hochspannungs­ kondensators 22 die Lebensdauer des Hochspannungskondensators 22. Als weiterer Vorteil ergibt sich eine Reduzierung der Erzeugung von hörbaren Schallwellen bei der Erzeugung von Stoßwellen, da sich bei einer derartigen Erzeugung von Stoß­ wellen die Gesamtfläche unter der Kurve 27 des Quadrates des Stromes I', welche maßgeblich für die Erzeugung von hörbaren Schallwellen bei der Erzeugung von Stoßwellen ist, gegenüber der Gesamtfläche unter der Kurve 7 des Quadrates des Stromes I verringert.

Die Fig. 6 zeigt einen zweiten erfindungsgemäßen Schaltkreis für eine elektromagnetische Stoßwellenquelle, welcher sich von dem in Fig. 4 gezeigten Schaltkreis dadurch unterschei­ det, dass in schematisch angedeuteter Weise als Schaltmittel 30 eine Reihenschaltung von an sich bekannten Thyristoren vorgesehen ist und dass dem Hochspannungskondensator 22 eben­ falls in schematisch angedeuteter Weise ein Diodenmodul 31 aufweisend eine Reihenschaltung von Hochstromdioden mit lang­ samer Freiwertezeit unmittelbar parallel geschaltet ist. Der in Fig. 6 gezeigte Schaltkreis arbeitet im Wesentlichen wie der in Fig. 4 gezeigte Schaltkreis und führt ebenfalls zu den bekannten Vorteilen der Erfindung, wie sie anhand der Fig. 5 bereits für den Schaltkreis der Fig. 4 erläutert worden sind.

Claims (3)

1. Schaltkreis für eine elektromagnetische Quelle zur Erzeu­ gung akustischer Wellen, aufweisend einen entladbaren Hoch­ spannungskondensator (22), welchem eine Diode (24) oder ein Diodenmodul (31) parallel geschaltet ist.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, welcher ein Schaltmittel (30) aufweist, welches einen oder mehrere Thyristoren umfasst, wobei dem Hochspannungskondensator (22) eine Hochstromdiode mit langsamer Freiwerdezeit oder ein Diodenmodul (31) aufwei­ send wenigstens zwei Hochstromdioden mit langsamer Freiwerde­ zeit parallel geschaltet ist.

3. Schaltkreis nach Anspruch 2, bei dem das Diodenmodul (31) eine Reiheschaltung (31) von Hochstromdioden mit langsamer Freiwerdezeit aufweist.