Электромагнитный генератор фокусированных ударных волн

 

Изобретение относится к технике преобразования электрической энергии в энергию звуковых импульсов или ударных волн и может найти применение в медицине и биологии. Устройство состоит из индуктора в металлической оболочке, емкостного накопителя, подключенного через управляемый разрядник к катушке индуктора, и рефлектора. Выполнение катушки индуктора многослойной в виде спиральной обмотки из тонкой металлической ленты с изоляционным слоем, снабжение витков катушки параллельными полосковыми токоподводами, выходящими с торцов катушки и подключенными через дополнительные управляемые разрядники к емкостному накопителю, позволило повысить эффективность дробления почечных и желчных камней, а также расширить диапазон показаний к применению электромагнитного генератора ударных волн в медицинской практике. Катушка индуктора может быть выполнена в виде круговых цилиндров или в виде кругового усеченного конуса. Металлическая оболочка - в виде внешнего короткозамкнутого витка катушки индуктора. В этом случае катушка индуктора включена в разрядный контур по схеме трансформатора. 4 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к технике преобразования электрической энергии в энергию акустических ударных волн и может найти применение в медицинских установках для дробления почечных и желчных камней, в онкологии и в терапии различных патологических процессов.

Известны генераторы ударных волн, содержащие разрядные электроды, установленные в фокусе эллиптического рефлектора, и емкостный накопитель с разрядником [1].

Недостатками этих генераторов являются невысокая стабильность параметров ударно-волнового импульса в фокусе, обусловленная статистическим характером формирования канала разряда, необходимость частой замены разрядных электродов из-за их разрушения вследствие электрической эрозии, необходимость непрерывной прокачки воды для удаления образующихся при разряде в воде газовых пузырей.

От этих недостатков свободны электромагнитные генераторы ударных волн, содержащие плоский индуктор с мембраной, включенный в разрядный контур емкостного накопителя, и акустическую фокусирующую линзу [2].

Однако эти генераторы имеют невысокую эффективность преобразования электрической энергии в энергию акустических ударных волн из-за сравнительно высокой паразитной индуктивности разрядного контура, обусловленную конструктивными особенностями плоского индуктора, и довольно больших потерь энергии при прохождении ударно-волнового импульса через акустическую линзу.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является электромагнитный генератор ударных волн, содержащий индуктор, выполненный в виде спиральной катушки размещенной внутри круговой металлической оболочки, емкостный накопитель, подключенный через управляемый разрядник к катушке индуктора, и рефлектор [3].

Это устройство обеспечивает получение высоких значений амплитуд давления в фокусе рефлектора. Однако в фокусе рефлектора при традиционном выполнении катушки индуктора в виде однослойной обмотки на цилиндрическом каркасе формируется полуволна отрицательного давления, амплитуда которой достигает 20% от амплитуды ударной волны и которая вызывает значительные травматические поражения окружающих тканей.

Кроме того, в известном устройстве невозможно регулировать длительность ударно-волнового импульса в процессе проведения процедуры дробления. Все это в конечном итоге приводит к снижению эффективности дробления и сужению диапазона показаний к применению данного генератора.

Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности дробления почечных и желчных камней и в расширении диапазона показаний к применению генератора в медицинской практике.

Технический результат достигается тем, что в электромагнитном генераторе ударных волн, содержащем индуктор, выполненный в виде спиральной катушки, размещенной внутри круговой металлической оболочки, емкостный накопитель, подключенный через управляемый разрядник к катушке индуктора, и рефлектор, предлагается катушку индуктора выполнить многослойной из тонкой металлической ленты с изоляционным слоем, при этом витки катушки снабжены параллельными полосковыми токоподводами, выходящими с торцов катушки и подключенными через дополнительные управляемые разрядники к емкостному накопителю, а ширина металлической ленты выбрана сопоставимой с рабочей длиной индуктора.

Предлагается также катушку индуктора и металлическую оболочку выполнить в виде кругового цилиндра, при этом рефлектор выполнен в виде тела вращения, образующая которого описывается в полярной системе координат с центром в точке геометрического фокуса выражением вида где R₀ - радиус выходного отверстия рефлектора, а f - расстояние от точки геометрического фокуса до плоскости выходного отверстия рефлектора.

Предлагается также катушку индуктора и металлическую оболочку выполнить в виде кругового усеченного конуса, а рефлектор - в виде тела вращения, образующая которого в полярной системе координат с центром в точке пересечения образующих металлической оболочки определяется выражением вида где α - угол между образующей конической металлической оболочки и ее осью вращения.

Предлагается также металлическую оболочку выполнить в виде внешнего короткозамкнутого витка катушки индуктора, при этом катушка индуктора включена в разрядный контур по схеме автотрансформатора.

Предлагается также толщину металлической ленты катушки индуктора выбирать сопоставимой с толщиной скин-слоя для тока в разрядном контуре при заданных значениях емкости и индуктивности.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 показаны конструкции электромагнитных генераторов ударных волн: а) с цилиндрическим индуктором, в котором многослойная катушка индуктора выполнена в виде спиральной намотки широкой металлической ленты на цилиндр; б) с коническим индуктором, в котором многослойная катушка индуктора выполнена в виде спиральной намотки широкой металлической ленты на усеченный конус. На фиг. 2 показаны конструктивные варианты индукторов: а, б) цилиндрического индуктора, в) конического индуктора. На фиг. 3 показаны электрические схемы предлагаемого генератора: а) трансформаторная схема, б) автотрансформаторная схема.

Устройство (фиг. 1) состоит из металлической оболочки 1 цилиндрической (фиг. 1а) или конической формы (фиг. 1б), катушки индуктора 2 с полосковыми токоподводами 3, рефлектора 4 и ультразвукового датчика 5 системы наведения, Может также использоваться рентгеновская система наведения. В этом случае внутри катушки индуктора устанавливается рентгеновская трубка. Внешний вывод катушки индуктора подключен непосредственно к емкостному накопителю, емкость которого C (фиг.3), а внутренние выводы подключены к емкостному накопителю через управляемые разрядники K1, K2, K3. Возможны два варианта электрических схем генератора. В первом варианте (фиг. 3а) металлическая оболочка изолирована от катушки индуктора и функционально представляет собой вторичную обмотку понижающего трансформатора. Во втором варианте (фиг. 3б) металлическая оболочка выполняется в виде одного внешнего витка катушки индуктора, который замкнут либо посредством выводов на торцах, либо по образующей, при этом катушка индуктора включена по схеме автотрансформатора. В этом случае емкостной накопитель может быть подключен либо к внешнему концевому выводу катушки индуктора, либо к выводу первого внешнего витка.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно заряжается емкостный накопитель до рабочего напряжения U₀. Затем при подаче запускающего импульса на один из разрядников K1, K2 или K3 происходит разряд емкостного накопителя через катушку индуктора 2. При этом в разрядной цепи возбуждаются быстро затухающие колебания тока I₁, который трансформируется в ток вторичной обмотки, выполненной в виде замкнутой металлической оболочки. Ток, возбуждаемый в оболочке, примерно в N раз больше тока в катушке индуктора, где N -число витков катушки индуктора. Взаимодействие противоположно направленных токов в катушке индуктора и в оболочке приводит к ударному ускорению оболочки в радиальном направлении, при этом в жидкости (обычно дегазированная вода), контактирующей с оболочкой, возбуждается ударно-волновой акустический импульс в виде цилиндрической или конической расходящейся волны. Отражение цилиндрической или конической волны от рефлектора, форма поверхности которого выполнена в соответствии с приведенными в дополнительных пунктах формулы изобретения выражениями, приводит к фокусированию волны в зоне фокуса F. Особенностью ударно-волнового импульса в фокусе рефлектора с достаточно большой апертурой в предлагаемом генераторе является сравнительно низкое значение амплитуды полуволны отрицательного давления. Это связано с тем, что в предлагаемой конструкции индуктора устранена основная причина, вызывающая усиление отрицательного давления в устройстве-прототипе. Суть заключается в следующем. Несмотря на то, что в устройстве-прототипе индуктор выполнен в виде однослойной обмотки на поверхности вращения с осевой симметрией, конструктивное расположение токоподводов к катушке индуктора всегда приводит к несимметричному распределению магнитного поля и тока на поверхности металлической оболочки, так как однослойная катушка не обеспечивает экранирование неоднородно распределенной по углу азимутальной компоненты магнитного поля, возникающей в зоне токоподводов. Это приводит к неоднородному распределению силы давления магнитного поля на оболочку и формированию в жидкой среде волны с сильно неоднородным распределением давления. Распространение в среде и отражение от поверхности рефлектора волновых фронтов с сильно неоднородным распределением давления сжатия на фронте сопровождается формированием в среде дифракционных волн растяжения, которые образуют в фокусе рефлектора отрицательную полуволну значительной амплитуды. В предлагаемой конструкции катушка индуктора выполнена многослойной из сплошной металлической ленты, которая препятствует проникновению быстропеременного азимутального магнитного поля в пространство между внешним витком катушки индуктора и металлической оболочки, т.е. практически исключается влияние азимутальной компоненты магнитного поля на распределение тока в оболочке. В результате магнитное поле вблизи оболочки в предлагаемой конструкции имеет преимущественно аксиальную составляющую, а ток на внутренней поверхности оболочки течет преимущественно в азимутальном направлении, при этом обеспечивается достаточно равномерное распределение плотности азимутального тока вдоль направления оси оболочки и, следовательно, достаточно равномерное распределение силы магнитного давления на оболочку. В результате в жидкости формируется волна сжатия с равномерным распределением давления на фронте и исключается формирование дифракционных волн растяжения во внутренних частях волнового фронта. Остаются лишь дифракционные волны на краях волны, амплитуду которых можно уменьшить, выбирая достаточно большую апертуру рефлектора. При необходимости и эти волны можно значительно уменьшить, выполняя оболочку более толстой на краях, чем в средней части, таким образом, чтобы распределение давления в волне вдоль оси рефлектора было близким к распределению Гаусса. В этом случае обеспечивается достижение эффекта апподизации.

Дополнительное преимущество предлагаемого устройства заключается в том, что ленточная конструкция обмотки обеспечивает снижение индуктивности рассеяния индуктора, коэффициент связи катушки индуктора и оболочки может быть близким к единице, полосковые токоподводы обеспечивают минимальную паразитную индуктивность разрядного контура, а это приводит к более эффективному преобразованию электрической энергии в энергию ударно-волнового импульса.

В предлагаемом устройстве легко реализуется возможность регулирования длительности ударно-волнового импульса в процессе проведения процедуры дробления. Известно, что во многих случаях целесообразно изменять длительность ударно-волнового импульса в процессе дробления, начиная процесс с больших длительностей и по мере разрушения камня на фрагменты уменьшая длительность или пространственную протяженность волны в соответствии с размерами фрагментов. Наличие у катушки индуктора токоподводов к отдельным виткам и введение в схему разрядного контура дополнительных управляемых разрядников позволяет легко изменять полупериод разряда в контуре просто выбором включения соответствующего разрядника. Остальные разрядники при этом не включаются. Например, включение разрядника K1 (фиг.3) обеспечивает подключение к конденсатору всей катушки индуктора, при этом полупериод разряда получается максимальным. Разрядники K2 и K3 подключают к конденсатору лишь часть катушки индуктора, при этом с увеличением номера включаемого разрядника полупериод разряда уменьшается. Отметим, что технические решения обеспечивающие регулирование длительности импульса электромагнитного генератора ударных волн в литературе не описаны, хотя ввиду высокой стабильности параметров генерируемых импульсов это представляет несомненный интерес. Предлагаемое техническое решение позволяет простыми средствами повысить эффективность дробления и расширить диапазон показаний к клиническому применению электромагнитных генераторов ударных волн.

Варианты выполнения предлагаемых индукторов с намоткой ленточного типа показаны на фиг. 2. Цилиндрический индуктор (фиг. 2а, б) изготавливается намоткой на цилиндрический каркас широкой металлической фольги одновременно с изоляционной прокладкой. Ширина изоляционной прокладки выбирается больше ширины фольги на длину закраин (на фиг. 2 не показано), которая определяется из условия обеспечения электрической прочности. Полная толщина обмотки подбирается под внутренний диаметр оболочки, которая показана на фиг. 2а в срезанном виде для наглядности.

Цилиндрический индуктор используется с фокусирующим рефлектором, математическое выражение для образующей которого легко определяется из условия постоянства длины путей для всех радиальных лучей, исходящих с поверхности оболочки (фиг. 1а) Отсюда получается выражение для рефлектора с цилиндрическим индуктором где R₀, f - радиус выходного отверстия рефлектора и расстояние от фокуса до плоскости выходного отверстия.

Аналогичным образом получается выражение для образующей рефлектора с коническим индуктором (фиг. 1б)

где
а α - угол между образующей и осью конического индуктора. В этом варианте катушка индуктора наматывается на каркас, выполненный в виде усеченного конуса, широкой лентой из металлической фольги вместе с лентой из одного или нескольких слоев полимерной пленки, конденсаторной бумаги или их комбинации. Ширина изоляционной ленты выбирается больше ширины металлической фольги.

В обоих вариантах для повышения электрической прочности обмотки катушек индукторов могут выполняться из металлической ленты клинообразной формы, при этом витки имеют меньшую ширину во внутренней части обмотки, находящейся при разряде конденсатора под высоким потенциалом. Межвитковая изоляция может быть пропитана трансформаторным маслом. При использовании в качестве рабочей жидкости в генераторе деионизованной обезгаженной воды межвитковая изоляция может быть обеспечена заполнением водой воздушных промежутков между витками и слоями изоляции. Высокая диэлектрическая проницаемость воды позволяет снизить краевой эффект и повысить электрическую прочность в диапазоне длительностей импульсов до 1-2 мкс.

Для обеспечения быстрого затухающего или близкого к апериодическому режима разряда конденсатора необходимо выбирать толщину фольги обмотки меньше толщины скин-слоя при заданных параметрах индуктивности и емкости разрядного контура. В этом случае обеспечивается достаточно высокий декремент затухания и разряд завершается в течение 2-3 колебаний разрядного тока.

В автотрансформаторной схеме при надлежащем выборе числа слоев обмотки можно несколько повысить эффективность преобразования, выполняя внешнюю оболочку в виде одного - двух замкнутых внешних витков катушки индуктора.

Предлагаемая конструкция электромагнитного генератора ударных волн, отличаясь простотой выполнения индуктора, обеспечивает достижение нового положительного эффекта.

Источники информации
1. Патент ФРГ N 3536271 МКИ B 06 B 1/02, опублик. 1987 г.

2. Патент РФ N 2027528 МКИ B 06 B 1/04, приоритет 1992 г.

3. Патент ФРГ N 3835318 МКИ A 61 B 17/22, опублик. 1990 г.-прототип.

Формула изобретения

1. Электромагнитный генератор ударных волн, содержащий индуктор, выполненный в виде спиральной катушки, размещенной внутри круговой металлической оболочки, емкостный накопитесь, подключенный через управляемый разрядник к катушке индуктора, и рефлектор, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса дробления почечных и желчных камней и расширения диапазона показаний к применению генератора в медицинской практике, в нем катушка индуктора выполнена многослойной из тонкой металлической ленты с изоляционным слоем, при этом витки катушки снабжены параллельными полосковыми токоподводами, выходящими с торцов катушки и подключенными через дополнительные управляемые разрядники к емкостному накопителю, а ширина металлической ленты выбрана сопоставимой с рабочей длиной индуктора.

2. Электромагнитный генератор ударных волн по п. 1, отличающийся тем, что в нем катушка индуктора и металлическая оболочка выполнены в виде круговых цилиндров, при этом рефлектор выполнен в виде тела вращения, образующая которого описывается в полярной системе координат с центром в точке геометрического фокуса выражениям

где радиус выходного отверстия рефлектора;
f - расстояние от точки геометрического фокуса до плоскости выходного отверстия рефлектора.

3. Электромагнитный генератор ударных волн по п. 1, отличающийся тем, что в нем катушка индуктора и металлическая оболочка выполнены в виде кругового усеченного конуса, а рефлектор - в виде тела вращения, образующая которого описывается в полярной системе координат с центром в точке пересечения образующих металлической оболочки выражением вида

где
r_o - радиус выходного отверстия рефлектора;
f - расстояние от фокуса до плоскости выходного отверстия,
α - угол между образующей конической металлической оболочки и ее осью вращения.

4. Электромагнитный генератор ударных волн по пп. 1-3, отличающийся тем, что в нем металлическая оболочка выполнена в виде внешнего короткозамкнутого витка катушки индуктора, при этом катушка индуктора включена в разрядный контур по схеме автотрансформатора.

5. Электромагнитный генератор ударных волн по пп. 1-4, отличающийся тем, что в нем толщина металлической ленты катушки индуктора выбрана сопоставимой с толщиной скин-слоя для тока в разрядном контуре при заданных значениях емкости и индуктивности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3