Linsensystem für einen Stosswellengenerator

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Linsensystem für akustische Wellen mit wenigstens zwei Linsenelementen, wobei wenigstens ein Linsenelement um eine Rotationsachse innerhalb des Strahlengangs rotierbar ist und die wenigstens zwei Linsenelemente bzgl. der Rotationsachse eine nichtrotationssymmetrische Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik aufweisen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Linsensystem für einen Stoßwellengenerator mit wenigstens zwei Linsenelementen.

[0002] Stoßwetiengeneratoren werden beispielsweise in Therapieeinrichtungen zur Behandlung von Steinleiden (Lithotripsie), Tumorleiden und Knochenleiden (Osteorestauration) verwendet. Zur Zertrümmerung beispielsweise von Nierensteinen werden Stoßwellensequenzen von einer Stoßwellenquelle erzeugt, die auf das Konkrement im Körper fokussiert werden. Bei den heute verfügbaren Geräten ist die geometrische Form und der zeitliche Verlauf der Stoßwellen durch die Struktur und Geometrie der Quelle und der fokussierenden Elemente festgelegt.

[0003] Ein wichtiges Anliegen bei der Gestaltung der Stoßquellen besteht darin, auf der einen Seite die Effektivität der Zertrümmerung zu verbessern und auf der anderen Seite die Nebenwirkungen durch die nicht vom Stein absorbierte akustische Energie zu reduzieren. Untersuchungen an elektrohydraulischen Stoßquellen (Elektrodenquellen) haben gezeigt, dass die erzeugten Stoßwellen in Bezug auf das Verhältnis von Wirkung zu Nebenwirkung dadurch verbessert werden können, dass ein Teil der Stoßwellenfront gegenüber der Hauptwelle zeitlich so verzögert wird, dass die im Fokus und in dessen Umgebung auftretenden Zuganteile durch Überlagerung von positiven Anteilen aus der verzögerten Welle reduziert und dadurch die für die Nebenwirkungen verantwortliche Kavitationsneigung verringert wird. Versuche der Anmelderin mit Verzögerungsstrecken im Stoßwellenpfad haben gezeigt, dass es möglich ist, durch Verzögerung von Teilen der Stoßwellenfront die Spitzendrücke in der Fokusachse zu senken. Dabei konnten erheblich reduzierte Durchsätze akustischer Energie durch den Therapiefokus realisiert werden, ohne die Effektivität des Einzelpulses hinsichtlich seiner Zertrümmerungswirkung zu verringern.

[0004] Das häufig verwendete elektrohydraulische Verfahren erzeugt durch den außerfokalen Funkensprung eine zeitliche Dehnung und eine seitliche Verschmierung des Fokusprofils. Die elektromagnetische Quelle erzeugt insbesondere bei großen Apparaturen geometrisch und zeitlich exakte Pulse, die - unterstützt durch nichtlineare Effekte - zu einer sehr scharfen Bündelung führen. Scharfe und unscharfe Fokussierungen führen zu unterschiedlichen Zerkleinerungsmechanismen, die je nach Steingröße, Steinzusammensetzung und Zertrümmerungsfortschritt auf verschiedene Weise geeignet eingesetzt werden können.

[0005] Aus der EP 0 254 104 ist ein Stoßwellengenerator bekannt, der eine Fokussierungseinrichtung mit mehreren Linsen umfasst. Dabei werden eine oder mehrere Linsen entweder in den Strahlengang bzw. den Stoßwellenweg eingebracht oder aus diesem heraus genommen. Durch dieses Einbringen und Herausnehmen der Linsen kann die Fokusbreite verändert werden.

[0006] Ein erster Nachteil dieses Stands der Technik besteht darin, dass lediglich die Fokusgeometrie, nicht jedoch das Pulsprofil verändert werden kann. Außerdem erfordert dieses Verfahren des Einbringens und Herausnehmens der Linsen einen relativ voluminösen Stoßwellengenerator.

[0007] Die EP 0 448 291 offenbart eine Ultraschallsonde, bei der neben einem piezoelektrischen Element eine Welle zum Rotieren von ein oder zwei Beugungsteilen angeordnet ist, um verschiedene Abschnitte eines Beugungsteils in den Strahlengang einzubringen.

[0008] Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Linsensystem bereitzustellen, das eine Veränderung der Fokusgeometrie und des Pulsprofils von Stoßwellen ermöglicht und außerdem in kompakter Bauweise herstellbar ist.

[0009] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Linsensystem gemäß Anspruch 1. Dementsprechend wird erfindungsgemäß ein Linsensystem für einen Stoßwellengenerator mit wenigstens zwei Linsenelementen bereitgestellt, wobei wenigstens ein Linsenelement um eine Rotationsachse innerhalb des Strahlengangs rotierbar ist und die wenigstens zwei Linsenelemente bezüglich der Rotationsachse eine nichtrotationssymmetrische Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik aufweisen.

[0010] Unter einem Linsenelement wird hier und im Folgenden ein durchstrahlbares Element verstanden, das geeignet ist, einen akustischen Strahl zu verändern. Die Veränderung kann beispielsweise in einer Fokussierung oder einer Phasenverschiebung bestehen. Der Begriff Beugungscharakteristik impliziert nicht notwendigerweise, dass das entsprechende Linsenelement den Strahl fokussiert; auch eine Aufweitung des Strahls ist möglich. Ein Linsenelement kann auch lediglich eine Phasenverschiebung eines Teils oder des gesamten Strahls bewirken ohne diesen zu fokussieren. In diesem Fall kann ein weiteres Linsenelement vorgesehen sein, das lediglich der Fokussierung dient. Neben den wenigstens zwei Linsenelementen kann ein Linsenelement mit einer rotationssymmetrischen Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik vorgesehen sein.

[0011] Die nichtrotationssymmetrische Phasenverschiebungscharakteristik kann kontinuierlich oder nichtkontinuierlich ausgebildet sein.

[0012] Die wenigstens zwei Linsenelemente müssen nicht notwendigerweise dieselbe Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik aufweisen. Wie unten ausführlich diskutiert wird, ist es häufig nützlich, wenn sie unterschiedliche Beugungsund/oder Phasenverschiebungscharakteristika aufweisen.

[0013] Die nichtrotationssymmetrische Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik der wenigstens zwei Linsenelemente erlaubt ein Verändern und Anpassen des Fokus und des Pulsprofils durch Rotation des wenigstens einen Linsenelements um die Rotationsachse. Kompakte Abmessungen des Linsensystems werden dadurch gewährleistet, dass die Rotationsachse innerhalb des Strahlengangs bzw. akustischen Wellenwegs liegt. Die Linsen müssen nicht, wie in dem oben beschriebenen Stand der Technik, jeweils in den Strahlengang eingebracht werden.

[0014] Es ist zu beachten, dass das wenigstens eine Linsenelement des erfindungsgemäßen Linsensystems nicht notwendigerweise so ausgebildet ist, dass es in einem Strahlengang den gesamten Wellenquerschnitt (beispielsweise einer Stoßwelle) erfasst. Das Linsenelement muss auch nicht die Rotationsachse vollständig umgeben und/oder in irgendeiner Weise symmetrisch bzgl. der Rotationsachse ausgebildet sein.

[0015] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können die wenigstens zwei Linsenelemente koaxial angeordnet und die gemeinsame Achse die Rotationsachse sein.

[0016] Bei einer koaxialen Anordnung weist jedes Linsenelement - zumindest was seine Umfangsgestalt in der Ebene senkrecht zur Rotationsachse betrifft - eine Symmetrie bezüglich dieser Rotationsachse auf. Beispielsweise könnte ein Linsenelement einen kreisförmigen Umfang aufweisen. Durch die koaxiale Anordnung wird ein einfacher und kompakter Aufbau ermöglicht. Außerdem ist ein einfaches Einstellen bzw. Anpassen der Linsenstellungen möglich.

[0017] Zur Einstellung eines bestimmten Fokus oder Pulsprofils können die wenigstens zwei Linsenelemente in eine vorherbestimmte relative Stellung zueinander gebracht werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein Linsenelement fest ist während das andere um die Rotationsachse bewegbar ist. Es können aber auch alle Linsenelemente rotierbar sein. Bei mehr als zwei Linsenelementen können alternativ auch einige der Linsenelemente bewegbar sein während andere fest angeordnet sind.

[0018] In einer vorteilhaften Weiterbildung können die Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristika der wenigstens zwei Linsenelemente derart ausgebildet sein, dass die Beugungs- und/oder Phasenverschiebungswirkung der wenigstens zwei Linsenelemente in einer ersten vorbestimmten relativen Anordnung der wenigstens zwei Linsenelemente maximal und in einer zweiten vorbestimmen relativen Anordnung minimal ist.

[0019] In der ersten vorbestimmten relativen Anordnung der wenigstens zwei Linsenelemente können sich also etwa die Beugungs- und/oder Phasenverschiebungswirkungen der Linsenelemente verstärken während sie sich in der zweiten vorbestimmten relativen Anordnung etwa zumindest teilweise kompensieren.

[0020] In einer vorteilhaften Weiterbildung kann wenigstens ein zweites Linsenelement eine derartige Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik aufweisen, dass die Kombination des wenigstens einen und des zweiten Linsenelements in einer vorbestimmten relativen Anordnung der Linsenelemente eine rotationssymmetrische Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik aufweist. Auf diese Weise kann die nichtrotationssymmetrische Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik des wenigstens einen Linsenelements durch eine vorbestimmte relative Position wenigstens eines zweiten Linsenelements kompensiert werden, so dass die gesamte Charakteristik des einen und des zweiten Linsenelements rotationssymmetrisch ist.

[0021] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann das zweite Linsenelement die gleiche Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik wie das wenigstens eine Linsenelement aufweisen. Damit wird die Beugungs- und/oder Phasenverschiebungswirkung der beiden Linsenelemente, wenn diese bzgl. der Rotationsachse in gleicher Position sind, maximal verstärkt. Diese Weiterbildung erlaubt auch eine einfache Herstellung des Linsenelements.

[0022] Gemäß einer vorteilhaften Alternative kann das zweite Linsenelement eine zu der des wenigstens einen Linsenelements inverse Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik aufweisen. Auf diese Weise kann in einer vorherbestimmten relativen Anordnung der beiden Linsenelemente eine Kompensation der nichtrotationssymmetrischen Beugungs- und/oder Phasenverschiebungswirkung des wenigstens einen Linsenelements erzielt werden. Falls beispielsweise das wenigstens eine Linsenelement in einem Bereich eine konvexe Wölbung aufweist kann das zweite Linsenelement in einem entsprechenden Bereich eine konkave Wölbung aufweisen. Damit kann erreicht werden, dass in einer ersten relativen Anordnung der Linsenelemente eine Maximierung der Beugungs- und/oder Phasenverschiebungswirkung erreicht wird; in einer anderen relativen Anordnung kann eine Kompensation der Wirkung erzielt werden. Vorzugsweise sind das wenigstens eine und das zweite Linsenelement derart ausgebildet, dass die relative Anordnung der beiden Linsenelemente mit minimaler Wirkung durch eine relative Drehung um 90° aus der Stellung maximale Wirkung entsteht.

[0023] In einer vorteilhaften Weiterbildung der zuvor beschriebenen Linsensysteme kann das wenigsten eine Linsenelement eine nichtrotationssymmetrische Dickenverteilung aufweisen. Vorzugsweise kann die Dickenverteilung nichtkontinuierlich sein. Dies ermöglicht eine genaue Einstellung eines definierten Fokus und/oder Pulsprofils.

[0024] Wie bereits zuvor erwähnt, muss ein Linsenelement nicht einen gesamten Wellenquerschnitt umfassen. Vorzugsweise kann das wenigstens eine Linsenelement in Ringform ausgebildet sein. Dadurch wird ein Teil des Strahls unbeeinflusst gelassen.

[0025] In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das wenigsten eine Linsenelement wenigstens zwei Materialien umfassen. Durch eine geeignete Wahl der Materialien mit bestimmten Schallgeschwindigkeiten können somit Linsenelemente mit gewünschten Charakteristika hergestellt werden.

[0026] Vorteilhafterweise kann das wenigstens eine Linsenelement einen formstabilen Werkstoff, insbesondere Polistyrol, umfassen.

[0027] Die Erfindung stellt außerdem einen Stoßwellengenerator mit einem Linsensystem der zuvor beschriebenen Art bereit. Die Verwendung eines solchen Stoßwellengenerators erlaubt es, die Stoßwellen bei einer Therapie auf den jeweiligen Patienten anzupassen und dabei die Nebenwirkungen bei gleichbleibender Effektivität zu verringern.

[0028] Weitere Merkmale und Vorteile in der Erfindung werden an Hand der folgenden Zeichnungen näher beschreiben. Dabei zeigt

Figur 1

in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Linsensystems in einem Stoßwellengenerator;

Figur 2

in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Linsensystems in einem Stoßwellengenerator mit einer ersten relativen Anordnung der Linsenelemente;

Figur 3a

das Fokusprofil der Linsenanordnung von Figur 2;

Figur 3b

das Pulsprofil der Linsenanordnung von Figur 2;

Figur 4

das zweite Ausführungsbeispiel mit einer anderen Anordnung der beiden Linsenelemente;

Figur 5a

das Fokusprofil für die Anordnung der Linsenelemente von Figur 4; und

Figur 5b

das Pulsprofil für die Anordnung der Linsenelemente von Figur 4.

[0029] Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stoßwellengenerators. Der Stoßwellengenerator umfasst eine Stoßquelle 1, bei der es sich beispielsweise um eine ebene (wie in der Figur gezeigt) oder eine zylindrische elektromagnetische Quelle, eine ebene oder kalottenförmige piezoelektrische Quelle handeln kann. In dem Strahlengang der Stoßwelle ist eine konvexe Linse 2 angeordnet, die der Fokussierung der Stoßwelle dient. In der der Stoßquelle abgewandten Seite der Linse 2 sind Vertiefungen 3 angeordnet.

[0030] Die Linse 2 besteht aus einem Material mit einer anderen Schallgeschwindigkeit als das umgebende Medium (z.B. Wasser). Auf Grund der Vertiefungen 3 sind Teile einer Stoßwelle, welche die Linse 2 in den Bereichen der Vertiefungen 3 verlassen, gegenüber anderen Teilen der Stoßwelle, welche aus der Linse 2 in anderen Bereichen der Oberfläche austreten, phasenverschoben. Die Vertiefungen 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel in Form von Stufen ausgebildet; das Linsenelement 2 weist somit eine nichtkontinuierliche Dickenverteilung auf.

[0031] In Strahlungsrichtung nach dem Linsenelement 2 kommt ein weiteres Linsenelement 4, das lediglich der Phasenverschiebung dient; es wird nicht zur Fokussierung verwendet. Auf dem Linsenelement 4 sind Erhöhungen 5 angeordnet. Die Höhe der Erhöhungen 5 entspricht der Tiefe der Vertiefungen 3. Beide Linsenelemente 2 und 4 sind koaxial bzgl. der Achse 6 angeordnet, wobei das Linsenelement 4 um die Achse 6 rotierbar ist, wie durch den Pfeil angedeutet wird.

[0032] In der in Figur 1 gezeigten relativen Stellung der Linsenelemente 2 und 4 zueinander, kompensieren sich die durch die Vertiefungen 3 und Erhöhungen 5 erzielten Phasenverschiebungen. Auf Grund der sich entsprechenden Verzögerungs- oder Beschleunigungsstrecken in den Linsenelementen 2 und 4, haben die beiden Linsenelemente zueinander inverse Phasenverschiebungscharakteristika. Die resultierende Stoßwellenfront ist durch die Linie mit der Bezugsziffer 9 angedeutet.

[0033] Wird das Linsenelement 4 um die Achse 6 gedreht, so dass die Stufen 3 und 5 nicht mehr übereinander liegen, durchläuft eine Stoßwelle je nach Bereich der Linsenelemente 2 und 4 unterschiedliche Strecken in dem Linsenmaterial. Dadurch erfahren Teile der Stoßwelle, je nach gewähltem Material, eine Beschleunigung oder eine Verzögerung gegenüber anderen Teilen der Stoßwelle.

[0034] Statt der in Figur 1 gezeigten Form, können die Vertiefungen 3 und Erhöhungen 5 auch bis zum Mittelpunkt der Linsenelemente reichen. Neben den gezeigten Stufen mit einer bestimmten Höhe bzw. Tiefe können auch weitere Stufen mit unterschiedlicher Höhe bzw. Tiefe vorhanden sein. Auch die gezeigten Stufen können unterschiedliche Abmessungen aufweisen; dies gilt sowohl für Stufen innerhalb eines der Linsenelemente als auch für die Stufen in verschiedenen Linsenelementen.

[0035] Die Linsenelemente können aus einem Material mit höherer Schallgeschwindigkeit (z.B. Polistyrol) oder mit niedrigerer Schallgeschwindigkeit (z.B. Silikonkautschuk) als das umgebende Ausbreitungsmedium (z.B. Wasser) bestehen. Aus Gründen der Formstabilität können die Linsenelemente aus einem formstabilen Werkstoff wie z.B. Polistyrol gefertigt sein.

[0036] Die Rotation des Linsenelements 4 kann von Hand durch einen Hebel von außen oder etwa mit einem Stellmotor erfolgen. Auch das andere Linsenelement 2 kann beweglich sein.

[0037] Figur 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stoßwellengenerators. In diesem Beispiel kommt nach der elektromagnetischen Quelle 1 eine konvexe Linse 2, die lediglich der Fokussierung dient. Die Linse 2 wird gefolgt von zwei Linsenelementen 7 und 8, welche jeweils die gleiche Phasenverschiebungscharakteristik aufweisen. In der gezeigten Anordnung nimmt die Dicke des Linsenelements vom Mittelpunkt aus nach links und rechts zu.

[0038] In Figur 2 sind die Linsenelemente 7 und 8 derart zueinander angeordnet, dass sich die Phasenverschiebung beider Linsenelemente maximal verstärkt, da sich die phasenverzögemden Bereiche (bei einem Material mit niedrigerer Schallgeschwindigkeit als das Umgebungsmedium) übereinander befinden.

[0039] Die resultierende Stoßwellenfront ist durch die Linie 9 angedeutet. Wie man erkennen kann, sind die Randbereiche links und rechts der Wellenfront im Vergleich zu einer nicht verzögerten Stoßwellenfront 10 etwas zurückgeblieben. Die entsprechende Druckverteilung im Fokus 11 ergibt sich aus den gezeigten Isobaren.

[0040] In Figur 3a ist die Ortsabhängigkeit des Drucks p nochmals gezeigt. Man erkennt die räumliche Defokussierung der Stoßwellenfront. Figur 3b stellt das Pulsprofil dar. Auch die zeitliche Defokussierung der Stoßwellenfront ist somit maximal.

[0041] In Figur 4 ist das Ausführungsbeispiel des Linsensystems von Figur 2 gezeigt, wobei hier die Linsenelemente 7 und 8 relativ zu der in Figur 2 gezeigten Anordnung um 90° gegeneinander verdreht sind. Somit werden die Phasenverschiebungen kompensiert. Jeder Teil der Stoßwelle durchläuft die gleiche Materialdicke mit von dem Umgebungsmedium abweichender Schallgeschwindigkeit, so dass die gesamte Stoßwellenfront dieselbe Beschleunigung bzw. Verzögerung erfährt. Die resultierende Stoßwellenfront 10 entspricht somit der eines Stoßwellengenerators ohne Linsenelemente 7 und 8.

[0042] Die resultierende Druckverteilung bzw. das resultierende Pulsprofil sind in Figuren 5a und 5b gezeigt. Man erkennt, dass die Stoßwelle sowohl räumlich (Figur 5a) als auch zeitlich (Figur 5b) maximal fokussiert ist.

[0043] Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Linsenelemente sind lediglich illustrationen des erfindungsgemäßen Linsensystems. Es ist klar, dass beispielsweise die Linsenelemente 7 und/oder 8 auch vor der konvexen Linse 2 angeordnet sein können. Auch sind andere Kombinationen von Linsenelementen insbesondere mit anderen Dickenverteilungen oder aus verschiedenen Materialien denkbar.

[0044] In den Ausführungsbeispielen sind ebene elektromagnetische Stoßquellen gezeigt. Linsenelemente für andere Stoßquellen (beispielsweise zylindrische oder kalottenförmige Quellen) können in analoger Weise konstruiert werden.

Ansprüche

1. Linsensystem für akustische Wellen mit wenigstens zwei Linsenelementen (2, 4; 7, 8), wobei wenigstens ein Linsenelement um eine Rotationsachse innerhalb des Strahlengangs rotierbar ist und die wenigstens zwei Linsenelemente bezüglich der Rotationsachse nicht rotationssymmetrische Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristika aufweisen.

2. Linsensystem nach Anspruch 1, wobei die wenigstens zwei Linsenelemente koaxial angeordnet sind und die gemeinsame Achse die Rotationsachse (6) ist.

3. Linsensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristika der wenigstens zwei Linsenelemente derart ausgebildet ist, dass die Beugungs- und/oder Phasenverschiebungswirkung der wenigstens zwei Linsenelemente in einer ersten vorherbestimmten relativen Anordnung der wenigstens zwei Linsenelemente maximal und in einer zweiten vorherbestimmen relativen Anordnung minimal ist.

4. Linsensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei wenigstens ein zweites Linsenelement eine derartige Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik aufweist, dass die Kombination des wenigstens einen und des zweiten Linsenelements in einer vorherbestimmten relativen Anordnung der Linsenelemente eine rotationssymmetrische Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik aufweist.

5. Linsensystem nach Anspruch 4, wobei das zweite Linsenelement die gleiche Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik wie das wenigstens eine Linsenelement aufweist.

6. Linsensystem nach Anspruch 4, wobei das zweite Linsenelement eine zu der des wenigstens einen Linsenelements inverse Beugungs- und/oder Phasenverschiebungscharakteristik aufweist.

7. Linsensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das wenigstens eine Linsenelement eine nichtrotationssymmetrische Dickenverteilung aufweist.

8. Linsensystem nach Anspruch 7, wobei die Dickenverteilung nichtkontinuierlich ist.

9. Linsensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das wenigstens eine Linsenelement in Ringform ausgebildet ist.

10. Linsensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das wenigstens eine Linsenelement wenigstens zwei Materialien umfasst.

11. Linsensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das wenigstens eine Linsenelement ein formstabiles Material, insbesondere Polistyrol, umfasst.

12. Stoßwellengenerator mit einem Linsensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche.

Zeichnung