[0001] Die Erfindung geht aus von einem Gerät zur Erzeugung von Schallimpulsen für den medizinischen
Anwendungsbereich, insbesondere zur Erzeugung von Stoßwellen zur Beschallung von körperinneren
Objekten, mit piezokeramischen Wandlerelementen als elektroakustische Wandler, die
aus einer Hochspannungsquelle mit Hochspannungsimpulsen ansteuerbar sind, um in Abhängigkeit
von der vorgegebenen Polarisierung der Wandlerelemente und der Polarität der Hochspannungsimpulse
die Schallimpulse durch gerichtete Längenänderungen der Wandlerelemente zu erzeugen.
[0002] Bekannte Geräte dieser Art (DE-C 39 32 959, DE-A 40 00 362 und EP-A 0 372 198), haben
sich vor allem bei der extrakorporalen Lithotripsie bewährt, da sie eine gewebeschonende
und schmerzfreie Therapieform bieten, im übrigen aber eine gezielte und effektive
Beschallung des Objektes, beispielsweise eines Harnleiter- oder Nierensteines, gewährleisten.
[0003] Man wünscht sich aber für bestimmte Anwendungsbereiche, etwa für die Zerstörung von
tiefliegenden Harnleitersteinen, zusätzliche Leistungsreserven hinsichtlich der Schallenergie,
um noch effektiver arbeiten zu können. Auch für andere Therapieformen werden im Prinzip
höhere Leistungen als bisher möglich erforderlich, wobei man etwa an die Stimulation
von Knochengewebe und die Behandlung von Pseudoarthrosen denken kann.
[0004] Leistungssteigerungen lassen sich durch Anwendung neuer verbesserter Piezokeramiken
oder auch durch optimale akustische Anpassungen erreichen, was aber im allgemeinen
mit einem relativ hohen Aufwand verbunden ist. Weiterhin kann die Leistung der Geräte
auch durch Erhöhung der die Wandlerelemente ansteuernden Hochspannungsimpulse gesteigert
werden. Dies geht aber nur auf Kosten der Lebensdauer der Wandlerelemente und stellt
höchste Anforderungen an die Isolationsfestigkeit, da sich die Kontaktierungen bzw.
Elektroden der Wandlerelemente sonst nicht mehr zuverlässig gegeneinander elektrisch
isolieren lassen. Im übrigen kann auf diesem Weg die Geräteleistung ohnehin nur begrenzt
erhöht werden, da anderenfalls die elektrische Feldstärke zwischen den Kontakten der
Wandlerelemente zu hoch wird, die Auslenkung und Längenänderung der Wandlerelemente
nicht mehr proportional zur angelegten Spannung zunimmt und schließlich die Keramik
zerstört werden könnte.
[0005] Durch die Erfindung soll eine einfach und kostengünstig zu verwirklichende Möglichkeit
zur Steigerung der akustischen Leistung der in Rede stehenden Geräte aufgezeigt werden.
[0006] Diese Aufgabe wird bei einem Gerät der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß so
gelöst, daß die Wandlerelemente vor dem Eintreffen jeweils eines Hochspannungsimpulses
mit einer Vorspannung beaufschlagbar sind, deren Polarität entgegengesetzt zur Polarität
des Hochspannungsimpulses ist.
[0007] Wenn von den Wandlerelementen beispielsweise positive Druckimpulse als akustische
Nutzimpulse zur Beschallung von Objekten erzeugt werden sollen, werden die Wandlerelemente
mit der Vorspannung zunächst negativ vorgespannt, so daß in ihnen ein negativ gerichtetes
elektrisches Feld aufgebaut wird und die Länge der Wandlerelemente, ausgehend von
einer neutralen Ausgangskonfiguration, reduziert wird. Auch im Zusammenhang mit einer
solchen Vorspannung wird also der reziproke piezoelektrische Effekt ausgenutzt, so
daß die Wandlerelemente nicht nur durch das entsprechend gerichtete elektrische Feld,
sondern quasi auch mechanisch negativ vorgespannt werden und die Lage der Abstrahlfläche
durch ein negatives Offset verändert wird. Dies setzt natürlich voraus, daß die Polarität
der Vorspannung und Feldstärke sowie die Polarisation des Keramikmaterials entsprechend
aufeinander abgestimmt sind, was im wesentlichen eine Frage der Polarisation des Keramikmaterials
ist, von der bei der Bestimmung der Polarität der Vorspannung und der Hochspannungsimpulse
auszugehen ist.
[0008] Nach negativer Vorspannung der Wandlerelemente werden diese mit dem kurzen transienten
und positiven Hochspannungsimpuls angesteuert und unter Abgabe eines positiven Druckimpulses
aus der willkürlich herbeigeführten Deformation in Abstrahlrichtung entgegengesetzt
deformiert. In umgekehrter Weise wäre vorzugehen, wenn negative Druckimpulse bzw.
Zugimpulse erzeugt werden sollen. In diesem Fall werden die Wandlerelemente positiv
vorgespannt, so daß ihre Länge im Verhältnis zur neutralen Ausgangskonfiguration zunächst
um einen positiven Offset größer wird, während anschließend die Wandlerelemente mit
negativen Hochspannungsimpulsen beaufschlagt werden und ihre Länge schlagartig reduziert
wird mit der Folge eines negativen akustischen Impulses.
[0009] Wenn man davon ausgeht, daß die Wandlerelemente beispielsweise nur mit einer Hochspannung
beaufschlagt werden sollen, die gleich groß ist wie die Spannung der Hochspannungsimpulse
bei herkömmlichen Geräten mit geringer akustischer Leistung, läßt sich mit der erfindungsgemäßen
Lösung erreichen, daß die maximale an den Wandlerelementen anliegende Spannung um
den Betrag der Vorspannung und somit das Risiko von Spannungsüberschlägen zwischen
den Elektroden der Wandlerelemente reduziert werden können.
[0010] Außerdem ist es möglich, den Bereich der erforderlichen Deformationen und Auslenkungen
der Wandlerelemente in einen Bereich zu verlegen, in dem die Auslenkungen proportional
zur angelegten Hochspannung sind.
[0011] Schließlich wird die Leistung des Gerätes auch dadurch gesteigert, daß aufgrund der
Vorspannung der Wandlerelemente eine kurze Anstiegszeit ihrer Deformation und Auslenkung
erreicht wird, sobald der jeweilige Hochspannungsimpuls eintrifft. Dies liegt an dem
Bestreben des Keramikmaterials, aus dem vorgespannten Zustand in den neutralen Zustand
zurückkehren zu wollen, wodurch die Beschleunigung der Deformation höher ist als wenn
wie bisher die Wandlerelemente in einem ladungsneutralen Zustand angesteuert werden.
[0012] Die Vorspannung kann eine permanente Gleichspannung sein, der die in ihrem absoluten
Spannungswert höheren Hochspannungsimpulse überlagert werden. Andererseits kann die
Vorspannung auch eine Impulsform haben und jeweils im wesentlichen zeitgleich mit
dem Beginn bzw. Eintreffen eines Hochspannungsimpulses abgeschaltet werden. Da sich
die Wandlerelemente wie RC-Glieder mit einer Zeitkonstanten
verhalten, sollten bei Anwendung von Vorspannungsimpulsen deren zeitliche Länge
Δt und die Zeitkonstante τ die Beziehung Δt ≧ 5τ erfüllen, damit die Wandlerelemente
rechtzeitig vor dem Auftreten der Hochspannungsimpulse auf den erforderlichen Wert
vorgespannt werden können.
[0013] Neben der vorerwähnten ersten Hochspannungsquelle wird in der Steuerung des Gerätes
eine zweite Hochspannungsquelle zur Erzeugung der Vorspannung für die Wandlerelemente
vorgesehen, wobei die erste Hochspannungsquelle über einen triggerbarren Schalter
an die Wandlerelemente anschließbar ist.
[0014] Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
weiter erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- eine Schaltung mit Hochspannungsquellen zur Erzeugung der Hochspannungsimpulse und
der Vorspannung,
- Figuren 2 bis 5
- zeitliche Verläufe von Spannungen in der Geräteschaltung und an den Wandlerelementen,
- Figur 6
- ein Wandlerelement in Verbindung mit einem möglichen Verlauf der an ihm wirksamen
Spannung und
- Figuren 7 bis 10
- schematisch diverse Ausführungsformen von elektroakustischen Wandlern.
[0015] Gemäß Figur 7 können die Wandlerelemente stehend und in mosaikartiger Anordnung so
an einem Träger 2 angeordnet sein, daß sich aufgrund der Kugelkalottenform des Trägers
die Achsen der Wandlerelemente in einem Punkt, nämlich im Fokus des Wandlers treffen.
Es handelt sich hierbei also um eine selbstfokussierende Ausführung.
[0016] Die Wandlerelemente haben abstrahlseitig oben Kontaktierungen, über die sie mit an
Masse liegenden Drähten 3 miteinander verbunden sind. Die gegenüberliegenden Enden
der Wandlerelemente sind mit dem Träger 2 aus elektrisch leitendem Material verbunden.
Der Träger steht mit den später beschriebenen Hochspannungsquellen zur Erzeugung der
Hochspannungsimpulse und der Vorspannung in Verbindung.
[0017] Bei dem ebenfalls selbstfokussierenden Wandler nach Figur 8 befinden sich die Wandlerelemente
1 an der Unterseite des an Masse liegenden Trägers 2, so daß in diesem Fall die gegenüberliegende
Trägerseite die Abstrahlfläche bildet. Die elektrischen Kontaktierungen und Verbindungen
der Wandlerelemente mit den Drähten 3 sind so wie bei dem in Figur 7 gezeigten Wandler
ausgeführt und an die Ausgänge der Hochspannungsquellen angeschlossen.
[0018] Bei dem planaren Wandler gemäß Figur 9 sind die Wandlerelemente 1 auf einem ebenen
Träger 2 befestigt, so daß die von ihnen auf parallelen Achsen abgegebenen Schallimpulse,
falls deren Fokussierung erforderlich ist, mit einer akustischen Linse 4 fokussiert
werden müssen. Wenn entsprechend Figur 10 eine metallische Fokussierlinse 5 verwendet
wird, können gesonderte Verbindungsdrähte entfallen, da deren Funktion die die oberen
Enden der Wandlerelemente elektrisch verbindende Linse übernehmen kann. Die anderen
Enden der Wandlerelemente stehen dann über den metallischen Träger 2 in Verbindung,
so daß auch hier wie bei den drei vorab geschriebenen Wandlertypen alle Wandlerelemente
elektrisch parallel geschaltet sind.
[0019] Im übrigen richtet sich die Polung der Spannungen, mit denen die Wandlerelemente
angesteuert werden, und die Polung der Anschlüsse der Wandlerelemente danach, wie
diese polarisiert sind und ob sie positive Druckimpulse oder negative Zugimpulse erzeugen
sollen. Dies ist bekannt und braucht deshalb nicht näher erläutert zu werden.
[0020] Mit der in Figur 1 gezeigten Schaltung können die Wandlerelemente 1 negativ vorgespannt
und anschließend jeweils mit positivem Hochspannungsimpulsen angesteuert werden. Mit
der in bezug auf die Polarisierung der Wandlerelemente negativ geschalteten Hochspannungsquelle
6 werden die Wandlerelemente 1 über den Widerstand 7 entgegen ihrer Polarisationsrichtung
vorgespannt, wobei der Kondensator 8 als Trennkondensator für die Vorspannung wirkt,
die in diesem Fall eine permanente Gleichspannung sein soll.
[0021] Über die weitere Hochspannungsquelle 9 wird der Ladekondensator 10 aufgeladen. Ein
schneller und z.B. als Funkenstrecke ausgebildeter Schalter 11 steht an seinem Eingang
12 mit einer nicht weiter dargestellten und üblichen Triggerschaltung in Verbindung.
Durch Triggerung des Schalters 11 wird dieser jeweils kurzzeitig geschlossen, so daß
die Wandlerelemente in Polarisationsrichtung mit der am Ladekondensator 10 anstehenden
Hochspannung in Form eines positiven Hochspannungsimpulses angesteuert werden. Über
den Widerstand 7 und die Diode 13 werden anschließend die Wandlerelemente wieder auf
den Ladungszustand zurückgeführt, der durch die permanente Vorspannung bestimmt ist.
[0022] In entsprechender Weise funktioniert diese Schaltung, wenn die Wandlerelemente positiv
vorgespannt und mit negativen Hochspannungsimpulsen beaufschlagt werden sollen, um
dementsprechend negativ gerichtete akustische Impulse bzw. Stoßwellen erzeugen zu
können. Dann sind nur die beiden Hochspannungsquellen 6 und 9 und die Diode 8 umgekehrt
gepolt in die Schaltung nach Figur 1 einzubauen.
[0023] Bei den gemäß Figur 2 über der Zeit t verlaufenden Spannungen U wird vorausgesetzt,
daß die von der Hochspannungsquelle 6 bereitgestellte Vorspannung 14 eine negative
Gleichspannung ist. Die Triggerimpulse 15 steuern den Schalter 11 an, so daß wie vorher
beschrieben die positiven Hochspannungsimpulse 16 erzeugt werden, welche in diesem
Fall die Vorspannung 14 übersteuern, so daß sich an den Wandlerelementen der Verlauf
der Spannung 17 ergeben wird, der im wesentlichen mit dem Verlauf der Deformation
und Längenänderung 18 der Wandlerelemente übereinstimmen wird, wenn im linearen Bereich
gearbeitet wird. Unter diesen Voraussetzungen kann man am unteren Diagramm der Figur
2 auch erkennen, daß aufgrund der negativen Vorspannung ein negativer Offset 18a der
Wandlerelemente und beim Eintreffen eines Hochspannungsimpulses 16 der Verlauf 18b
der Längenänderung der Wandlerelemente entstehen.
[0024] Die Spannungsverläufe nach Figur 3 ergeben sich bei einer impulsartigen Form der
negativen Vorspannung, wobei die Vorspannungsimpulse 19 im wesentlichen gleichzeitig
mit dem Auftreten der Hochspannungsimpulse 16 beendet werden. Dies macht eine zusätzliche
Triggerung der Hochspannungsquelle 6 über einen Schalter erforderlich, und zwar so,
daß die Vorspannung bzw. Vorspannungsimpulse 19 zeitlich und im Verhältnis zu den
Hochspannungsimpulsen 16 so wie in Figur 3 dargestellt erzeugt werden. Dann ergibt
sich an den Wandlerelementen der Verlauf der Spannung 20, der auch in diesem Fall
zumindest im wesentlichen mit dem Verlauf der Längenänderung der Wandlerelemente in
und entgegengesetzt zur Abstrahlrichtung übereinstimmen wird.
[0025] Falls die Wandlerelemente 1 positiv vorgespannt und anschließend mit negativen Hochspannungsimpulsen
angesteuert werden sollen, ergeben sich die in den Figuren 4 und 5 dargestellten Spannungsverläufe.
[0026] Gemäß Figur 4 ist die Vorspannung 21 positiv. Mit den Triggerimpulsen 15 wird die
entsprechende Hochspannungsquelle über einen Schalter kurzzeitig an die Wandlerelemente
angeschlossen, wobei negative Hochspannungsimpulse 22 erzeugt werden, die der Spannung
21 überlagert werden. Hierbei wird sich der Verlauf der Spannung 23 an den Wandlerelementen
ergeben, so daß diese ausgehend von einem positiven Offset in ihrer Länge schlagartig
reduziert werden und negative bzw. Zugimpulse erzeugen.
[0027] Die in Figur 5 dargestellten Verhältnisse ergeben sich, wenn die positive Vorspannung
24 durch Impulse dargestellt ist, mit denen die Wandlerelemente vorgespannt und in
einen positiven Offset in bezug auf ihre neutrale Ausgangsform gebracht werden. Die
Triggerimpulse 15 können in diesem Fall im wesentlichen gleichzeitig die Vorspannungsquelle
abschalten und die Hochspannungsquelle zur Abgabe der negativen Hochspannungsimpulse
25 durchschalten, so daß sich an den Wandlerlementen der Verlauf der Spannung 26 einstellen
wird.
[0028] Bei der Bemessung der Länge Δt der Vorspannungsimpulse 19 und 24 ist zu beachten,
daß die Hochspannungsquelle für die Hochspannungsimpulse 25 so getriggert wird, daß
vor dem Eintreffen der Hochspannungsimpulse jeweils die erforderliche Vorspannung
an den Wandlerelementen anliegt, was der Fall sein wird, wenn die Beziehung Δt ≧ 5τ
erfüllt ist, wobei τ die durch die parallel geschalteten und sich wie RC-Glieder verhaltenden
Wandlerelemente bedingte Zeitkonstante ist.
[0029] Anhand der Figur 6 kann man erkennen, wie ein Wandlerelement 1 bei Anwendung einer
negativen Vorspannung und eines positiven Hochspannungsimpulses deformiert wird und
wie die Spannung 18 am Wandlerelement verläuft, wobei der Verlauf dieser Spannung
dem zeitlichen Verlauf der Deformationen des Wandlerelementes im wesentlichen entsprechen
wird.
[0030] Aufgrund der negativen und der Polarisierung des Wandlerelementes entgegengesetzt
gerichteten Vorspannung wird das Wandlerelement, ausgehend von der in ausgezogenen
Linien dargestellten Kontur, unter Bildung einer seitlich gerichteten Auswölbung 1a
in seiner Länge verkürzt, so daß ein negativer Offset entsteht. Sobald der positive
Hochspannungsimpuls eintrifft, dehnt sich das Wandlerelement unter Bildung einer seitlichen
Einschnürung 1b schlagartig aus und nimmt anschließend wieder seine Ausgangskonfiguration
an. Diese hängt verständlicherweise davon ab, ob eine permanente oder eine impulsförmige
Vorspannung zur Anwendung kommt.
[0031] Die Amplitude der Hochspannungsimpulse wird im allgemeinen größer sein als die der
Vorspannung, und zwar insbesondere dann, wenn eine Gleichspannung als Vorspannung
an die Wandlerelemente gelegt wird. Weiterhin werden der Höhe der Vorspannung gewisse
Grenzen durch die nicht zu überschreitende Depolarisierungsspannung der Piezokeramik
gesetzt sein.
[0032] Bei den dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispielen werden alle Wandler
gleichzeitig mit der Vorspannung und anschließend mit einem Hochspannungsimpuls beaufschlagt.
Es ist allerdings auch möglich, jeweils mehrere Wandlerelemente zu Gruppen zusammenzufassen
und solche Gruppen unabhängig voneinander zur Abgabe von Schallimpulsen zu steuern.
[0033] Als Material für die Wandlerelemente kommen in erster Linie piezoelektrische Keramiken
in Betracht. Möglich ist aber auch die Verwendung von elektrostriktiven Werkstoffen.
Schließlich können die Wandlerelemente auch als sog. Plattenstapel ausgebildet werden,
also aus mehreren übereinander geschichteten Platten aus Piezokeramik bestehen.
1. Gerät zur Erzeugung von Schallimpulsen für den medizinischen Anwendungsbereich, insbesondere
zur Erzeugung von Stoßwellen zur Beschallung von körperinneren Objekten, mit piezokeramischen
Wandlerelementen (1) als elektroakustische Wandler, die aus einer Hochspannungsquelle
(9) mit Hochspannungsimpulsen (16, 22, 25) ansteuerbar sind, um in Abhängigkeit von
der vorgegebenen Polarisierung der Wandlerelemente (1) und der Polarität der Hochspannungsimpulse
die Schallimpulse durch gerichtete Längenänderungen der Wandlerelemente (1) zu erzeugen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (1) vor dem Eintreffen eines Hochspannungsimpulses
(16, 22, 25) mit einer Vorspannung (14, 19, 21, 24) beaufschlagbar sind, deren Polarität
entgegengesetzt zur Polarität des Hochspannungsimpulses ist.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung (14, 21) eine permanente
Gleichspannung ist, der die in ihrem absoluten Spannungswert höheren Hochspannungsimpulse
(16, 22) überlagert werden.
3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung (19, 24) eine Impulsform
hat und jeweils im wesentlichen zeitgleich mit dem Beginn bzw. mit dem Eintreffen
eines Hochspannungsimpulses (16, 25) abschaltbar ist.
4. Gerät nach Anspruch 3, bei dem sich die Wandlerelemente (1) wie RC-Glieder mit einer
Zeitkonstanten
verhalten, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Länge Δt der Vorspannungsimpulse
(19, 24) und die Zeitkonstante τ die Beziehung Δt ≧ 5τ erfüllen.
5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß neben der erwähnten
ersten Hochspannungsquelle (9) eine zweite Hochspannungsquelle (6) zur Erzeugung der
Vorspannung (14, 19, 21, 24) vorgesehen ist und daß die erste Hochspannungsquelle
(9) über einen triggerbaren Schalter (12) an die Wandlerelemente (1) anschließbar
ist.