System zur automatischen Einstellung des Elektordenabstandes einer Funkenstrecke bei elektrohydraulischen Stosswellensystemen

Abstract

 Durch den Abstand der Elektrodenspitzen einer Funkenstrecke wird die mögliche Energie einer Stoßwelle limitiert, da der Abstand die mögliche Spannung bestimmt. Ist der Abstand der Elektrodenspitzen zu klein, bleibt ein Teil der gespeicherten Primärenergie ungenutzt, denn nur ein Teil der Energie bewirkt den Durchschlag und transformiert zur akustischen Energie, der Rest dagegen transformiert zu Wärmeenergie.. Ist der Abstand der Elektrodenspitzen zu groß, kommt es nur zu einer Teilentladung über die Unterwasserfunkenstrecke, bzw. es kommt zu keiner Entladung. Die Erfindung erlaubt die automatische Anpassung des Elektrodenabstandes einer Funkenstrecke zur Erzeugung von Stoßwellen, indem die Entladekurve des Kondensators oder die Entladekurve der Funkenstrecke ermittelt und mit bestimmten Soll-Werten verglichen wird und entsprechend der ermittelten Abweichung der Abstand der Funkenstreckenelektroden automatisch korrigiert wird. Der Vergleich der Soll-Werte kann z.B. dadurch erfolgen, daß das Signal des gemessenen Spannungsverlaufs, einer halbsinusförmigen Kurve, integriert und nach anschließender Invertierung ein Ausgangssignal erzeugt wird, dessen steil abfallende Flanke mit Referenzwerten verglichen und bei entsprechendem unter- bzw. überschreiten der Referenzwerte der Elektrodenabstand automatisch über eine Einstelleinrichtung angepaßt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Methode und Vorrichtung zur automatischen Justierung und Regulierung des Elektrodenabstandes einer Funkenstrecke eines elektrohydraulischen Stoßwellenerzeugungssystems.

[0002] Bekannt ist ein Gerät zur berührungsfreien Zerstörung von Konkrementen (z.B. Nierensteinen) im Körper von Lebewesen (DE-PS23 51 247), bei dem zur Erzeugung von Stoßwellen eine elektrische Unterwasserfunkenentladung eingesetzt wird. Die Entladung erfolgt über eine Funkenstrecke, die im Fokus eines Reflektors angebracht ist. (DE-PS 2 635 635, DE-OS 2 418 631, EP O 124 686)

[0003] Zur Regulierung der Stoßwellenenergie wird bei diesen Systemen die Höhe der Ladespannung des Kondesators, der Entladen wird verändert. Durch eine größere oder kleinere Spannung erfolgt eine stärkere oder schwächere Funkenbildung und damit verändert sich der Druck der Stoßwelle und die Größe des therapeutisch wirksamen Fokus und damit letztlich die applizierte Stoßwellenenergie. Bei diesen Systemen kann die Spannung nicht beliebig erhöht und anschließend wieder reduziert werden, ohne daß ein Austausch der Funkenstrecke erforderlich wäre. Denn für den Entladungsvorgang ist der Abstand der Elektroden von entscheidender Bedeutung. Je größer der Elektrodenabstand, desto größer ist die erforderliche Mindestspannung zur Auslösung einer Funkenentladung. Da diese Systeme Funkenstrecken mit fest eingestelltem Elektrodenabstand verwenden und da der Elektrodenabstand sich durch den bekannten Abbrand der Elektroden während des Einsatzes vergrößert, ist die Funkenstrecke mit zunehmendem Gebrauch nur noch bei größerer Spannung funktionsfähig, so daß Stoßwellen mit geringer Gesamtenergie oder niedrigen Drücken erst nach dem Austausch der Funkenstrecke wieder möglich werden. Die Lebensdauer der Funkenstrecken ist deswegen gering. Wird dagegen eine weniger abgenutzte Funkenstrecke, d.h. mit einem geringeren Elektrodenabstand, für eine höhere Spannung verwendet, bleibt ein Großteil der gespeicherten Primärenergie ungenutzt. Ein Teil der Energie bewirkt den Durchschlag der Umgebung und transformiert zur akustischen Energie, der Rest transformiert zur Wärmeenergie und nimmt an der Bildung der Stoßwelle nicht teil.

[0004] Bekannt sind weiterhin Funkenstrecken, die durch die Möglichkeit der Nachführung der Elektroden den Abbrand wieder kompensieren und den oben beschriebenen Mangel ausgleichen. (EP O 349 915, EP C 242 237) Diese Funkenstrecken haben jedoch den Nachteil, daß sie manuell nachgestellt werden müssen, oder nur in eine Richtung nachgestellt werden können (EP C 242 237).

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Methode und Anordnung zur automatischen Anpassung des Elektrodenabstandes an die gewählte Spannung zu schaffen und hierdurch im therapeutischen Einsatz über die gesamte Lebensdauer einer Funkenstrecke beliebig häufige Entladungen mit hoher oder niedriger Spannung durchzuführen zu können.

[0006] Das Prinzip der Erfindung besteht darin, daß direkt die geregelte Größe, d.h. der Spannungswert und Spannungsverlauf zur Auslösung des Funkens gemessen wird und aufgrund der ermittelten Abweichung von ihrer Soll-Größe werden die Funkenstreckenelektroden auf einen solchen Wert eingestellt, der die Nutzung der gespeicherten Energie bei deren Umwandlung zur Stoßwelle optimal zu gestalten erlaubt.

[0007] Gemäß den Kennzeichen des Anspruches 1 wird die Entladekurve einer Funkenstrecke gemessen und mit den Soll-Werten der Entladekurve verglichen. Bei korrekter Justierung des Elektrodenabstandes der Funkenstrecke weist das gemessene Signal der Entladekurve einen typischen Verlauf auf. Ist der Abstand der Elektrodenspitzen zu groß, kommt es zu keiner vollständigen Entladung über die Funkenstrecke und das gemessene Signal weicht vom typischen Verlauf ab. Ist der Abstand der Elektrodenspitzen zu klein, weicht das gemessene Signal wiederum vom typischen Verlauf ab, da der Funkenschlag durch den kleinen Abstand erleichtert wird. Ziel der Erfindung ist es, den Elektrodenabstand so zu justieren, daß das gemessene Signal der Entladekurve dem typischen Verlauf einer optimalen Entladung entspricht. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das Signal der gemessenen Entladekurve mit den Soll-Werten der Entladekurve verglichen wird und entsprechend der ermittelten Abweichung der Abstand der Funkenstreckenelektroden automatisch korrigiert wird.

[0008] Gemäß den Kennzeichen des Anspruches 2 wird der Spannungsverlauf der Lade- und Entladekurve des Kondensators gemessen und mit der Soll-Lade-Entladekurve verglichen und entsprechend der ermittelten Abweichung der Abstand der Funkenstreckenelektroden automatisch korrigiert. Die Methode gemäß Anspruch 2 setzt voraus, daß die Entladung des Hochspannungskondensators nicht wie üblich unmittelbar über eine Funkenstrecke erfolgt, sondern über einen weiteren Kondensator, der sich wiederum mittels Selbstentladung bei maximaler Ladung über die Funkenstrecke entläd. Gemäß Fig. 3 wird die Spannung auf C2 durch zwei Vorgänge bestimmt. C2 wird zum einen durch C1 über L1 aufgeladen, zugleich wird jedoch C2 durch die Ableitung über die Funkenstrecke entladen. Gemäß der Erfindung wird der Abstand der Elektrodenspitzen der Unterwasserfunkenstrecke in Abhängigkeit von der Spannung auf C2 und dem Zustand der Elektroden automatisch justiert. Dies führt bei korrekter Justierung zu einer Selbstentladung des Hochspannungskondensators C2 bei maximaler Ladung über die parallel geschaltete Unterwasserfunkenstrecke. Ist der Abstand der Elektrodenspitzen zu klein, kommt es zu einer Entladung über die Unterwasserfunkenstrecke, bevor der Hochspannungskondensator C2 seine vorgewählte Ladung erreicht hat. Ist der Abstand der Elektrodenspitzen zu groß, kommt es nur zu eine r Teilentladung über die Unterwasserfunkenstrecke, nachdem der Hochspannungskondensator seine maximale Ladung überschritten hat und wegen eines Leckstromes über den Widerstand des Wassers einen Teil der Ladung wieder verloren hat, bzw. es kommt zu keiner Entladung. In beiden Fällen wird die gespeicherte Energie nur unvollkommen genutzt. Ziel der Erfindung ist es, unabhängig von der gewählten Ladespannung die Entladung des Hochspannungskondensators bei maximaler Ladung zu erreichen. Dies wird dadurch erreicht, daß der Spannungsverlauf der Ladekurve des Kondensators C2 gemessen und mit der Soll-Ladekurve verglichen wird und entsprechend der ermittelten Abweichung der Abstand der Funkenstreckenelektroden automatisch korrigiert wird, so daß die Entladung über die Funkenstrecke bei maximaler Ladung des Hochspannungs-kondensators erfolgt. Die Abweichung von der Soll-Ladekurve wird über einen Auswertungskreis ermittelt. Nach der Auswertung signalisiert der Auswertungskreis an das Stellglied die Vornahme einer Korrektur.

[0009] Eine mögliche Methode zur Ermittlung der Abweichung der Entladekurve von der Soll-Entladekurve wird über einen Auswertungskreis dargestellt, die Gegenstand des Unteranspruches ist. Gemäß Fig. 3 bedeutet bei zugelassener Tolleranz der Entladungsspannung U_max die höchste und somit die gewünschte Entladungsspannung, und U_min die kleinste zugelassene Spannung unter Betücksichtigung des Aufladungszustandes des Kondensators sowie des Entladungszustandes durch die Ableitung zwischen den Elektroden. Erfolgt die Entladung bei U<U_min, unterscheidet der Auswertungskreis, ob es sich dabei um eine unzureichende Aufladung oder einen Spannungsrückgang durch Ableitung handelt. Nach der Auswertung signalisiert der Auswertungskreis an das Stellglied die Vornahme einer Korrektur. Dies wird dadurch erreicht, daß zum transformierten Signal der Ladespannung des Hochspannungskondensators 50% der negativen Referenzspannung addiert wird. Siehe Fig 1a). Durch Integration dieser halbsinusförmigen Kurve und anschließender Invertierung erhält man ein Ausgangssignal, dessen steil abfallende Flanke mit einem oberen und einem unteren Referenzwert verglichen wird, siehe Fig 1b). Diese Referenzwerte liegen nahe dem Nulldurchgang des Ausgangssignals. Findet die Entladung des Hochspannungskondensators nahe dem Maximum der Ladekurve statt, liegt das Ausgangssignal zwischen dem oberen und dem unteren Referenzwert, siehe Fig 1c). Kommt es zur Entladung, bevor die maximale Ladung des Hochspannungskondensators erreicht wurde und liegt das Ausgangssignal über dem oberen Referenzwert, so wird dies statistisch erfaßt. Der Elektrodenabstand muß bei mehrmals wiederholtem Auftreten vergrößert werden. Kommt es zur Entladung, nachdem die maximale Ladung des Hochspannungskondensators erreicht wurde bzw. kommt es zu keiner Entladung und liegt das Ausgangssignal unter dem unteren Referenzwert, so wird dies statistisch erfaßt. Der Elektrodenabstand muß bei mehrmals wiederholtem Auftreten verkleinert werden.

[0010] Eine weitere Ausgestaltung der Anprüche 1 und 2 besteht darin, daß die Auswertung der Entlade- oder Ladekurve eines Hochspannungskondensators mit der statistischen Erfassung der Anzahl und der Spannung der einzelnen Impulsen kombiniert wird. Der Verschleiß einer Elektrode wird dann statistisch über die Anzahl und die Spannung der abgegebenen Impulse ermittelt. Das Ergebnis der statistischen Auswertung führt zur automatischen Korrektur der Elektrode.

[0011] Die Anordnung für die Ausführung der besagten Methode besteht aus einem Halbellipsoid (1), einer Unterwasserfunkenstrecke (2), einem Motor (3) mit Getriebe (4), der elektronischen Auswertungseinheit (5) und dem Hochspannungskondensator (12), der mit dem inneren Leiter (6) und dem äußeren Leiter (9) verbunden ist. Fig 2 zeigt den Aufbau der Erfindung. Die Unterwasserfunkenstrecke (2), welche aus einem inneren beweglichen Leiter (6) mit Elektrodenspitze (7), einem Isolator (8) und einem äußeren Leiter (9) mit Käfig (10) und feststehender Elektrodenspitze (11) besteht, Iäßt sich in das Halbellipsoid einstecken. Der bewegliche Innenleiter ist über ein Getriebe mit dem Motor verbunden, welcher durch Regelelektronik gesteuert wird. Erfindungsgemäß wird bei zu kleinem oder zu großem Abstand der Elektrodenspitzen der Innenleiter vor oder zurück bewegt.

[0012] Der Vorteil dieser Methode liegt in der Möglichkeit, die Stoßwellenenergie bei schon gebrauchten Elektroden im Verlauf einer Behandlung beliebig über die gesamte Lebensdauer verändem zu können, ohne daß die Funkenstrecke ausgetauscht oder manuell nachgestellt werden muß. Sie verlängert die Lebensdauer der Funkenstrecke und optimiert den Einsatz eines elektrohydraulischen Stoßwellengerätes bei Anwendungen (z.B. in der Orthopädie), bei denen teils mit sehr hohen und teils mit sehr niedrigen Stoßwellenenergieen und Drücken therapiert wird. Weiterhin erlaubt die Erfindung die permanente Abgabe von Stoßwellen mit gleichbleibender Stoßwellenenergie. Schließlich führt die Erfindung zur optimalen Ausnutzung der Primärenergie, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert wird.

Ansprüche

1. Methode zur Anpassung des Elektrodenabstandes einer Funkenstrecke zur Erzeugung von Stoßwellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladekurve der Funkenstrecke ermittelt und mit den Soll-Werten der Entladekurve verglichen wird und entsprechend der ermittelten Abweichung der Abstand der Funkenstreckenelektroden automatisch korrigiert wird .

2. Methode zur Anpassung des Elektrodenabstandes einer Funkenstrecke zur Erzeugung von Stoßwellen an die Ladespannung eines Kondensators dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsverlauf der Lade- und Entladekurve eines Kondensators gemessen und mit der Soll-Lade-/Entladekurve verglichen wird und entsprechend der ermittelten Abweichung der Abstand der Funkenstreckenelektroden automatisch korrigiert wird, so daß die Entladung über die Funkenstrecke bei maximaler Ladung des Hochspannungskondensators erfolgt.

3. Die Methode nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß zum transformierten Signal des gemessenen Spannungsverlaufs der Entladespannung 50 % der negativen Referenzspannung addiert werden und daß durch Integration dieser halbsinusförmigen Kurve und anschließender Invertierung ein Ausgangssignal erzeugt wird, dessen steil abfallende Flanke mit Referenzwerten verglichen und bei entsprechendem unter- bzw. überschreiten der Referenzwerte der Elektrodenabstand angepaßt wird.

4. Die Methode nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl und die Spannung der Impulse statistisch ermittelt werden, aus diesen Werten ein Einstell-Faktor berechnet wird, der wiederum zur automatischen Korrektur des Elektrodenabstandes über einen elektromechanischen oder hydraulischen Antrieb führt.

Zeichnung