Многопучковый генератор фокусированных ударно-волновых акустических импульсов

 

Генератор используется для преобразования электрической энергии в энергию звуковых импульсов или ударных волн в медицине, биологии, эхолокации и т. д. Генератор содержит не менее трехэлектромагнитных плоских излучателей, размещенных симметрично оси генератора. Излучатели состоят из плоских спиральных катушек с металлической мембраной и фокусирующих акустических линз, фокусы которых совмещены в одной точке на оси генератора. Один вывод катушки каждого излучателя подключен к выводу своего емкостного накопителя, вторые выводы которых соединены вместе и подключены к одному из электродов разрядника,к второму электроду которого подключены вторые выводы всех катушек излучателей. Симметричное размещение электромагнитных излучателей относительно оси генератора и включение катушек излучателей в разрядный контур с одним управляемым разрядником и отдельными емкостными накопителями для каждого излучателя позволяет повысить эффективность разрушения почечных и желчных камней. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области медицинской техники и может найти применение в устройствах для неинвазивного разрушения почечных и желчных камней.

Известны многопучковые генераторы ударных волн, содержащие пьезоэлектрические излучатели, размещенные либо на сферической, либо на плоской, либо на цилиндрической поверхности и подключенные к генераторам импульсного напряжения с блоком управления [1,2].

Недостатком этих устройств является их невысокая надежность, обусловленная низкой электрической прочностью пьезокерамики из-за несовершенства структуры материала и старения во времени при работе в режимах, характерных для генераторов в литотриптерах.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является многопучковый генератор фокусированных ударно-волновых импульсов, содержащий электромагнитные плоские излучатели, каждый из которых состоит из плоского индуктора в виде плоской спиральной катушки с металлической мембраной и фокусирующей акустической линзой, при этом первый вывод катушки излучателя подключен к выводу емкостного накопителя, второй - к одному из электродов управляемого разрядника с возможностью образования ими разрядного контура, а фокусы фокусирующих акустических линз совмещены в одной точке на оси генератора [3].

В этом устройстве катушки индукторов включены в разрядный контур либо параллельно и коммутируются разрядником к одному конденсатору, либо каждая катушка включается в отдельный разрядный контур со своим разрядником и конденсатором, а синхронный запуск разрядников обеспечивается одним устройством поджига. При такой схеме, в случае параллельного включения катушек пробой одной из катушек приводит к резкому уменьшению ее индуктивности и вся энергия конденсатора, запасенная для всех излучателей, выделяется в одной катушке, что приводит к значительным повреждениям катушки, а в случае включения каждой катушки в отдельный разрядный контур возникает проблема синхронизации разрядников. Кроме того, излучатели в известном устройстве размещены двумя группами симметрично относительно средней плоскости, углы наклона плоскостей ударных волн в фокальной зоне оказываются неодинаковыми, в зоне фокуса создается сложная волновая картина распределения поля давлений, которая меняется от импульса к импульсу из-за разброса времен срабатывания разрядников. Все это приводит к снижению эффективности дробления почечных и желчных камней.

Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в повышении эффективности разрушения почечных и желчных камней.

Технический результат достигается тем, что в многопучковом генераторе ударно-волновых акустических импульсов, содержащем электромагнитные плоские излучатели, каждый из которых состоит из плоского индуктора в виде плоской спиральной катушки с металлической мембранной и фокусирующей акустической линзой, при этом первый вывод катушки излучателя подключен к выводу емкостного накопителя, второй - к одному из электродов управляемого разрядника с возможностью образования ими разрядного контура, а фокусы акустических линз совмещены в одной точке на оси генератора, предлагается не менее трех излучателей разместить симметрично относительно оси генератора с углом между ними 360/n, где n - число излучателей, а первый вывод каждой катушки излучателя подключить к выводу своего емкостного накопителя, вторые выводы которых соединены вместе и подключены к электроду управляемого разрядника.

Предлагается также укрепить индукторы излучателей на общем основании посредством сильфонного соединения с возможностью регулирования наклона плоскости индуктора относительно оси генератора.

Предлагается также снабдить генератор электрически управляемыми преобразователями перемещения для изменения наклона плоскости индукторов.

Предлагается также наклон осей линз излучателя к оси генератора установить в пределах 10-30^o.

Предлагается также выбирать отношение фокусного расстояния линзы к ее диаметру в пределах 1,5-3.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 показана конструкция генератора с тремя излучателями; на фиг.2 показана электрическая схема выполнения излучателей в многопучковом генераторе ударно-волновых импульсов; на фиг. 3 показаны распределения давления: а) в плоскости, перпендикулярной оси генератор, и б) вдоль оси генератора в cравнении с однолинзовым генератором, имеющим такую же апертуру, как и многопучковый генератор.

Устройство состоит из основания 1, на котором установлены симметрично относительно оси n излучателей ударно-волновых акустических импульсов электромагнитного типа таким образом, что их оси пересекаются в точке фокуса каждого из излучателей. Каждый излучатель состоит из индуктора, выполненного в виде плоской спиральной катушки 2 с металлической мембраной 3, и акустической фокусирующей линзы 5, и сильфона 4. В схеме включения катушек индукторов каждая катушка соединена в последовательную цепь с конденсатором емкостью C, все эти цепи подключены параллельно управляемому разряднику 6.

Устройство работает следующим образом. Предварительно все конденсаторы заряжаются до одинакового напряжения. Затем при подаче поджигающего импульса на управляющий электрод разрядника 6, каждый конденсатор разряжается через свою катушку индуктора, при этом в мембранах возбуждаются вихревые токи, взаимодействие которых с током в катушке приводит к ускорению мембран и возбуждению в жидкой среде, с которой контактируют мембраны, акустических ударно-волновых импульсов. Эти импульсы далее фокусируются линзами 5 в зоне пересечения осей линз. Выбор диаметра линз достаточно малым по сравнению с их фокусным расстоянием приводит к тому, что в зоне пересечения фокусируемые пучки распространяются в виде плоских волн с углом наклона плоскостей фронтов определяемым углом наклона оптических осей линз к оси генератора. При достаточно малом наклоне осей линз к оси генератора пучки в зоне пересечения на достаточно протяженном участке распространяются совместно, что приводит к эффективному нелинейному взаимодействию волн при их достаточно большой амплитуде, характерной для использования при дроблении почечных и желчных камней (сотни атмосфер). Как показали измерения, при этом в зоне фокуса наблюдается распределение давления, имеющее платообразный вид с резким спадом в области тени (кривые 2 и 3 на фиг.3а), в отличие от распределения для однолинзового генератора с такой же апертурой (кривая 1 на фиг. 3а), которое близко к гауссовскому. Распределение давления вдоль оси для многопучкового генератора (кривая 2 на фиг.3б) уже, чем для однолинзового (кривая 1 на фиг.3б). Это имеет положительное значение для уменьшения травматических поражений окружающих тканей при проведении операции по дроблению камней в почках и в желчном пузыре.

Более резкий спад в распределении давления в поперечном направлении благоприятен для эффективного дробления, т. к. при взаимодействии пучка, имеющего резкую границу, с лобовой поверхностью камня в нем в зоне границы пучка создаются растягивающие напряжения с большим по амплитуде отрицательным давлением, вызывающим разрушение камня на фрагменты.

Таким образом, структура пучка в зоне фокуса у предлагаемого устройства является более предпочтительной для эффективного дробления, чем у известного устройства. Схемное решение для включения излучателей в разрядный контур обеспечивает более высокую надежность устройства. Приведенные в дополнительных пунктах формулы признаки, характеризующие диапазоны выбора геометрических, размеров основаны на результатах проведенных экспериментов и оценках нелинейных эффектов при совместном распространении пересекающихся пучков волн.

Для юстировки генератора используются регулировочные механизмы, изменяющие наклон плоскостей индукторов. Этот наклон можно изменять и для изменения положения фокуса генератора, т.е. предлагаемое техническое решение позволяет реализовать генератор с управляемым положением фокуса посредством электромеханических средств без изменения положения в пространстве самого генератора.

Источники информации: 1. Патент Великобритании N2140693, кл. A 61 B 17/22, опублик. 1984 г.

2. Патент ФРГ N3119295, кл. A 61 B 17/22, опублик. 1982 г.

3. Выложенная заявка ФРГ N3328068, кл. A 61 B 17/22, опублик. 1985 г.

Формула изобретения

\\\1 1. Многопучковый генератор фокусированных ударно-волновых акустических импульсов, содержащий электромагнитные плоские излучатели, каждый из которых состоит из плоского индуктора в виде плоской спиральной катушки с металлической мембраной и фокусирующей акустической линзой, при этом первый вывод катушки излучателя подключен к выводу емкостного накопителя, второй - к одному из электродов управляемого разрядника с возможностью образования ими разрядного контура, а фокусы фокусирующих акустических линз совмещены в одной точке на оси генератора, отличающийся тем, что не менее трех электромагнитных излучателей размещены симметрично относительно оси генератора с углом между ними 360/n, где n - число излучателей, а первый вывод каждой катушки излучателя подключен к своему емкостному накопителю, вторые выводы которых соединены и подключены к электроду управляемого разрядника. \\\2 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что индукторы излучателей размещены на общем основании посредством сильфонного соединения с возможностью регулирования наклона плоскости индуктора относительно оси генератора. \\\2 3. Генератор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что каждый излучатель снабжен электрически управляемыми преобразователями перемещения для изменения наклона плоскости индукторов. \\\2 4. Генератор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что углы наклона оптических осей линз находятся в пределах 10 - 30º. \\\2 5. Генератор по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что в нем отношение фокусного расстояния линз к их диаметру выбрано в пределах 1,5 - 3.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3