DE3241026C2

DE3241026C2 - Reflektor zur Fokussierung von Stoßwellen

Info

Publication number: DE3241026C2
Application number: DE3241026A
Authority: DE
Inventors: Othmar Dr. 7997 Immenstaad Wess
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1982-11-06
Filing date: 1982-11-06
Publication date: 1986-12-04
Also published as: EP0108190A3; JPH0417660B2; DE3366440D1; JPS5988146A; EP0108190B1; DE3241026A1; EP0108190A2; US4570634A

Abstract

Reflektor zur Fokussierung von Stoßwellen zur berührungslosen Zerkleinerung von Konkrementen in Körpern von Lebewesen, bei dem durch geeignete Materialauswahl und Geometrie ein Voreilen einer Transversalwelle im Reflektormaterial von der Stoßwellenfront im Koppelmedium verhindert wird.

Description

9max <9κ" arcs·"

ψ mix

maximal auftretender Einfallswinkel der nicht fokussierten Stoßwellen auf den Reflektor

kritischer Einfallswinkel, bei dem eine Stoßwellenfront so schnell wie eine transversale Oberflächenwelle im Reflcktormaterial über den Reflektor läuft.

3. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor oder seine innere reflektierende Oberfläche aus Blei, Zin" oder Tantal besteht.

4. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor ein Teilellipsoid darstellt, dessen Grenzwinkel q>_nw wegen eines relativ kleinen Umschließungswinkcl.s kleiner als der Winkel ^a₁ ist.

5. Reflektor nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität des Reflektorkörpcrs nahe bei 1 liegt.

Die Erfindung betrifft einen Reflektor zur Fokussierung von Stoßwellen in einer Koppclflüssigkcil, z. B. Wasser, zur berührungslosen Zerkleinerung von Konkrementen in Körpern von Lebewesen.

Ein derartiger Reflektor ist aus der DE-OS 23 51 247 bekannt.

Der Reflektor besitzt die Form eines Ellipsoids und hat die Aufgabe, Stoßwellen, die an einer Funkenstrecke im ersten Brennpunkt erzeugt werden und sich durch eine Flüssigkeit im Reflektor ausbreiten uuf den /weiten Brennpunkt, in dem sich das zu zerstörende Konkrcment z. B. ein Nierenstein befindet, zu fokussieren. Der Reflektor soll einen möglichst hohen Anteil der im ersten Brennpunkt erzeugten Wellenenergie möglichst phasenrichtig in den zweiten Brennpunkt übertragen.

Bekannt sind Reflektoren aus Messing mit einem Umschlicßungswinkcl von ca. 250°, wobei der volle Raumwinkel (4 sr) zu etwa 90% ausgenutzt wird und einem Achsverhältnis a : b von ungefähr 2 :1 (E. Schmiedt: Beiträge zur Urologie, Bd. 2, Seite 8—13, München 1980). Als Umschließungswinkel wird derjenige Winkel bezeichnet, der von den beiden in einer durch die to Hauptachse des Reflektors verlaufenden Ebene liegenden Randstrahlen eingeschlossen wird und dem Scheitelpunkt des Reflektors zugewandt ist Die Materialauswahl erfolgt aufgrund eines möglichst hohen Sprunges in der Schallimpedanz ζ — ρ ■ c (ρ = Dichte; c - Schallgeschwindigkeit) zwischen Flüssigkeit und Reflcktormatcrial, um einen hohen Reflexionskoeffizienten zu erhalten. Die weiteren Randbedingungen wie Stabilität und leichte Bearbeitbarkeit haben bisher zur Verwendung von Messing geführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reflektor zu schaffen, der Stoßwellen mit einem höheren Wirkungsgrad als die aus dem Stand der Technik bekannten Reflektoren fokussiert.

Gelöst wird diese Aufgabe von einem Reflektor mit den im Anspruch 1 oder in Anspruch 2 genannten Merkmalen.

Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß jo nicht der Sprung im Schaliwcllenwiderstand ρ ■ c allein die entscheidende Größe für eine gute Fokussierung ist, sondern daß die Geschwindigkeiten der Schallwelle im Reflckiorinatcrial und in der Flüssigkeit aufeinander abgestimmt sein müssen. Die auf die Oberfläche des Re- y, flcktors treffenden Wellen regen diesen u.a. zu Transversalschwingungen an, die sich mit charakteristischen Ausbreilungsgcschwindigkeiten im Reflektormaterial und an dessen Oberfläche ausbreiten. Zu Störungen der reflektierten Wcllenfront kommt es,; >·πη aufgrund von Lauf/.citunierschieden die Rcflcxionsflächc bereits in Richtung der Fliichennormalen schwingt, wenn die Primärwellenfront einläuft.

Eine phasenrichtige Fokussierung in den zweiten

Brennpunkt wird dann erreicht, wenn sich die Welle in der Flüssigkeil schneller als im Reflektor ausbreitet. Die Wcllenfront trifft dann stets auf eine ruhende Reflektoroberflaehc.

Gemäß der Erfindung können jedoch auch Materialien verwendet werden, deren transversale Oberflächcngcschwindigkcit größer als Hie Schallgeschwindigkeit im Koppelmedium /.. B. Wasser ist, wenn nur die Voreilung der Oberflächenwelle durch die Geometrie des Reflektors durch Einhalten der im Anspruch 2 genannten Bedingung verhindert wird. Die reflektierte Nut/.wcllc bleibt dann selbst ungestört und behält die ursprüngliche Flankensteilheit der Primärwelle bei. Alle übrigen Störungen — die z. B. durch die nachhinkende Oberflächenwelle erzeugt werden — folgen der Nutzwellc zeitlich verzögert und können den Fokussierungs-Wi Vorgang nicht beeinträchtigen.

Erfindiingsgemäße Reflektoren realisieren eine wesentlich bessere Fokussierung als bisher, da alle Welleniintcile sich phasenrichtig überlagern. Die Flankensteilheit des Druckanstiegs, clic für eine Zerkleinerung weh^ri scntlich ist. bleibt hoch. Die Zerklcincrungsleistung steigt, es sind weniger Applikationen als bisher notwendig, wodurch der Patient entlastet wird und die Standzeit der Funkenstrecke erhöht wird.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand ier einzigen Figur erklärt:

Die Figur zeigt schematisch einen menschlichen Körper 1 mit einem Nierenstein 6 in einer wassergefüllten Wanne 2. An der Unterseite der Wanne 2 ist ein ellipsoidförmiger Reflektor 3 mit den beiden Brennpunkten 4 und 5 befestigt, der ebenfalls mit Wasser gefüllt ist. Im Brennpunkt 4 im Inneren dts Reflektors 3 befindet sich eine Funkenstrecke (nicht gezeigt), die durch Unterwasserentladung Stoßwellen erzeugen kann. Im zweiten Brennpunkt 5, außerhalb des Reflektors, liegt das zu zerstörende Konkrement, z. B. der Nierenstein 6. Durch die Reflektorgeometrie ist der Grenzwinkel φ_πι;ιχ definiert. Wenn im Brennpunkt 4 eine Unterwasserentladung gezündet wird, entsteht eine Stoßwellenfront 7, die sich kugelförmig ausbreitet -und vom Reflektor auf den Nierenstein geleitet wird. Durch die hohen Druck- und Zugampliiuden werden Teile des Nierensteins zum Abplatzen gebracht. Eingezeichnet ist die Stoßwellenfront 7, die gerade an den Punkten 8 die Reflektoroberfläche erreicht. Sie trifft momentan unter einem Winkel φ auf die Reflektoroberfläche. Die auftretende StcßwelL-nfront 7 wird zum größten Teil reflektiert (Front 9), erzeugt aber auch eine transversale Oberflächenwelle 10 (nicht maßstäblich gezeichnet), die sich in der Reflektoroberfläche ausbreitet (Pfeil). Bei erfindungsgemäßer Material- und Geometrieauswahl läuft die Stoßwellenfront 7 schneller über die Oberfläche als die störende Transversalwelle 10. Die Stoßwellenfront 7 trifft daher immer auf ruhendes Oberflächenmaterial, sie wird also ungestört reflektiert. Die reflektierte Wellenfront 9 behält die ursprüngliche Flankensteilheit im Druckanstieg. Alle reflektierten Anteile überlagern sich phasenrichtig. Für die Zerkleinerung des Steins 6 geht kaum Energie verloren. Werden die erfindungsgemäBen Bedingungen nicht eingehalten, so trifft die Stoßwcllenfront 7 auf schon von der Oberflächenwelle 10 angeregte Teile des Reflektors. Durch Wechselwirkung der Stoßwellcnfront 7 mit der Oberflächenwelle 10 wird die reflektierte Welle 9 in Amf.:itude und Phase beträchtlich gestört. Die Folge ist, daß Energie für die Zerkleinerung des Konkrements fehlt oder daß der Druckanstieg am Ort des Konkrements durch die nicht phascnrichlige Überlagerung der einzelnen Anteile zu langsam erfolgt.

Ausführungsbeispiilo

Die Bedingung ctd < Cs wird erfüllt, wenn als Rcflektormaterial Blei und als Koppelflüssigkcil Wasser verwendet wiro. Da die transversale Schailgcschwindigkeit in Blei mit 710m/sec kleiner als die Schallgeschwindigkeit in Wasser mit 1480 m/scc ist, ist die sich ausbreitende Stoßwellenfront 7 immer schneller als die Oberflächenwelle 10. Die Bedingung ist daher unabhängig von der Reflektorgeometric immer erfüllt. Ein kritischer Winkel ψ_κ tritt nicht auf. Es ist nicht notwendig, daß der ganze Reflektorkörper aus Blei hergestellt wird. Es reicht, wenn die innere Oberfläche des Reflektors aus einer Bleischicht besteht.

Die erfindungsgemäüe Bedingung kann auch von Reflektoren aus einem Material erfüllt werden, dessen Cm > Cs ist. Ein wassergefülltcr Reflektor aus Zinn (cro = 1670 m/scc) mit den Halbachsen a = 12,5 cm und b = 7,5 cm erfüllt die crfindungsgemäße Bedingung, wenn der maximal auftretende Einfallswinkel g/_mj, kleiner als der kritische Winkel ψκ = 62,4° ist.

3. Der zum Stand der Technik gehörende Messingreflektor (c_To = 2120m/sec) besitzt bei Wasserfüllung eben kritischen Winkel von 44,8°, jedoch einen maximalen Einfallswinkel von 53,1°. Er erfüllt die erfindungsgemäße Bedingung nicht, eine optimale Fokussierung ist nicht gegeben. Die Fokussierung kann bei gleichem Material verbessert werden durch Wahl des Achsenverhältnisses des Ellipsoids näher an 1 oder durch Verzicht auf Randzonen (kleinerer Umschließungswinkel). Die Randzonen sind aber für die Übertragung äußerst wichtig und sollten nicht weggelassen werden.

In Analogie zur Schallmauer ergibt sich beim kritisehen Winkel ψ_κ die Situation, daß die Quelle der Oberflächenschwingung (die einlaufende Primärfront) sich auf der Reflektorfläche mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit c_To der Oberflächenwelle selbst ausbreitet und damit phasenrichtig Energie in die Oberflächenwelle einkoppelt. Erst wenn nach einer gewissen gemeinsamen zurückgelegten Strecke sich auV.nind der veränderten Reflektorgeometrie der Einfallswinkel ^vergrößert, kann die jetzt energiereiche Oberflächenwelle der einfallenden Stoßwellenfront vorauseilen und ihre F.nergie nach Art des Mach'schen Kegels (modifiziert durch die gek ümmte Reflektorfläche) ausstrahlen und u. a. teilweise noch vor der eigentlichen Nutzwelle in den Fokusbereich einbringen.

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40 Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Reflektor zur Fokussierung von Stoßwellen in einer Koppelflüssigkeit, z. B. Wasser, zur berührungslosen Zerkleinerung von Konkrementen in Körpern von Lebewesen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit du einer transversalen Oberflächenwelle im reflektierenden Material kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit Cs in der den Reflektor füllenden Koppelflüssigkeit.

2. Reflektor zur Fokussierung von Stoßwellen in einer Koppelflüssigkeit, z. B. Wasser, zur berührungslosen Zerkleinerung von Konkrementen in Körpern von Lebewesen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit cto einer transversalen Oberflächenwelle im reflektierenden Material größer ist als die Schallgeschwindigkeit Cs in der den Re Sektor füllenden Koppelflüssigkeit und daß die Exzentrizität und der Umschüsiiungswinke! des Reflektors und die Auswahl des reflektierenden Materials nur Einfallswinkel φ zulassen, die zwischen 0 und g>_m,x variieren, wobei gilt: