DE3807568A1 - Piezoelektrischer schallsender fuer therapeutische anwendungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Schallsender für therapeutische Anwendungen mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Wandlerelementen, die mit ihren Stirnflächen zwischen einer Frontelektrode und einer Trägerelektrode, an die die Hochspannung angelegt ist, angeordnet sind, und mit einem in die Zwischenräume zwischen die Wandlerelemente eingebrachten elektrisch isolierenden Material.

Derartige Schallsender werden beispielsweise zur extra­ korporalen Zerstörung von Konkrementen verwendet und sind beispielsweise aus der DE 33 19 871 A1 oder der DE 34 25 992 A1 bekannt. Auf diese Druckschriften wird im übrigen zur Erklärung aller hier nicht näher erläuterten Begriffe Bezug genommen.

Bei diesen bekannten Schallsendern ist das zwischen den einzelnen Wandlerelementen angeordnete iso­ lierende Material unter dem Gesichtspunkt der Optimierung der bei einer bestimmten angelegten Spannung abgegebenen Schalleistung ausgewählt.

Erfindungsgemäß ist nun erkannt worden, daß diese schein­ bar günstige Wahl des isolierenden Materials zu einer Reihe von Nachteilen führt:
Die Belastbarkeit der Schallsender und damit die Größe der an die piezoelektrischen Elemente anlegbaren Hochspannung ist - wie erkannt worden ist - nicht in erster Linie von der Spannungsfestigkeit der eingesetzten Wandlerelemente, sondern vom Auftreten von Defekten, d.h. insbesondere von "Durchschlag-Kanälen" in dem eingesetzten Isolationsmate­ rials abhängig:

Beispielweise werden Schallsender der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art bei einer angelegten Hochspannung von 1 kV/mm Schichtdicke, d.h. bei einer weit unter der Spannungsfestigkeit der verfügbaren Piezoele­ mente liegenden Spannung, bereits nach ca. 10⁶ Schall­ impulsen unbrauchbar. Dies bedeutet, daß die bekannten Schallsender unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten "gerade noch" zur Zerstörung von Nierensteinen, aber nicht mehr zur Zerstörung von Gallenblasensteinen eingesetzt werden können, da zu deren Zerstörung ein wesentlich höhe­ rer Schalldruck erforderlich ist. Ein derartiger Schall­ druck kann aber - wenn nicht die Abmessungen des Schall­ senders unzumutbar groß werden sollen - nur durch eine Erhöhung der angelegten Hochspannung erzeugt werden, die aber - wie bereits ausgeführt - bei den bekannten Schall­ sendern zu einer raschen Zerstörung der Schallsender führen würde.

Aber auch bei der Zerstörung von Nierensteinen sind bei den bekannten piezoelektrischen Schallsendern die großen Abmessungen und insbesondere der Durchmesser von ca. 50 cm nachteilig, der für die benötige Schallenergie bzw. den benötigten Schalldruck am Ort des Konkrements erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelek­ trischen Schallsender für therapeutische Anwendungen mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Wandlerelementen anzugeben, dessen Leistungsfähigkeit im wesentlichen durch die Leistungsfähigkeit der verwendeten piezoelektrischen Elemente bestimmt ist.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, das zwischen den einzelnen Wandlerelementen vorgesehene isolierende Material nicht unter dem Gesichtspunkt der bei einer be­ stimmten an die Elemente angelegten Hochspannung abge­ gebenen maximalen Schallenergie auszuwählen, sondern unter dem Gesichtspunkt, daß das in die Zwischenräume zwischen den Wandlerelementen eingebrachte isolierende Material die Beseitigung von auftretenden Defekten und insbesondere von Durchschlag-Kanälen erlaubt. Diese erfindungsgemäße Material-Auswahl ermöglicht es, an die Wandlerelemente eine Hochspannung anzulegen, deren Größe nur noch durch die Hochspannungsfestigkeit der Wandlerelemente bestimmt ist. Bei den gegenwärtig verfügbaren Wandlerelementen kann damit die an den erfindungsgemäßen Schallsender angelegte Hochspannung typischerweise bis zu 4 kV/mm Schichtdicke betragen.

Dabei wird erfindungsgemäß bewußt in Kauf genommen, daß bezogen auf die anliegende Hochspannung die abgestrahlte Schalleistung nicht den größtmöglichen Wirkungsgrad auf­ weist, und daß sich in dem elektrisch isolierendem Material "Durchschlags-Kanäle" bilden können.

Insgesamt überwiegen nämlich die Vorteile des erfindungs­ gemäßen Schallsenders:

Da erfindungsgemäß die an den Piezoelementen anliegende Hochspannung nur noch durch die Spannungsfestigkeit der Elemente begrenzt ist, und nicht mehr aus Rücksicht auf die Lebensdauer des Schallsenders deutlich niedriger ge­ gewählt werden muß, kann die Hochspannung auf Werte von 4 kV/mm Schichtdicke und darüber eingestellt werden, so daß die abgestrahlte Schallenergie im Vergleich zum Stand der Technik wenigstens um den Faktor 4 höher liegt. Dies be­ deutet, daß bei gleicher Schalleistung die aktive Fläche um den Faktor 4 (und darüber) niedriger sein kann bzw. bei gleicher aktiver Fläche eine um mindestens den Faktor 4 höhere Energie emittiert wird.

Trotz der höheren Schalleistung bezogen auf die aktive Fläche ist die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Schall­ senders wesentlich größer als die der bekannten Schall­ sender, da erfindungsgemäß das elektrisch isolierende Material so ausgewählt ist, daß es regenerierbar ist: Dies bedeutet, daß eventuell auftretende Durchschlag-Kanäle selbsttätig oder aufgrund einer entsprechenden "Regenerier-Behandlung" beseitigt werden können.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben:

Gemäß Anspruch 2 ist das isolierende Material ein Fest­ körper, bei dem auftretende Defekte durch Erwärmen auf eine höhere Temperatur als die Betriebstemperatur be­ seitigbar sind. Damit kann der erfindungsgemäße Schall­ sender nach einer bestimmten Betriebszeit beispielsweise durch Erwärmen in einem handelsüblichen Wärmeschrank, wie er in jeder Klinik vorhanden ist, regeneriert werden.

Eine mögliche Ausführungsform für das im Anspruch 2 ge­ kennzeichnete Material ist im Anspruch 3 angegeben, gemäß dem das isolierende Material Paraffin ist. Diese Material­ wahl ist jedoch lediglich exemplarisch zu verstehen; selbstverständlich können auch andere Materialien als Iso­ lationsmaterial verwendet werden, sofern Sie nur folgende Eigenschaften aufweisen:

• - Das Material muß ein guter Isolator sein, so daß Hoch­ spannungen bis zu 4 kV/mm Schichtdicke und darüber an den erfindungsgemäßen Schallsender anlegbar sind.
• - In dem Material auftretende Defekte, wie beispielsweise Durchschlag-Kanäle müssen bei Temperaturen regenerierbar bzw. beseitigbar sein, die einerseits über der normalen Betriebstemperatur des Schallsenders liegen, bei denen aber andererseits noch keine Beschädigung der übrigen Ele­ mente des Schallsenders, wie beispielsweise der piezoelek­ trischen Wandlerelemente, auftritt.

Selbstverständlich ist es möglich, anstelle oder zusätz­ lich zu einem festen isolierendem Material ein flüssiges und/oder gasförmiges Material einzubringen. Hierzu wird gemäß Anspruch 4 der von der Frontelektrode und der Trä­ gerelektrode eingeschlossene Raum hermetisch abgeschlos­ sen. Eine derartige Lösung hat den Vorteil, daß "Durch­ schlag-Kanäle" ohne zusätzliche Wärmebehandlung "selbst­ tätig" regeneriert werden. Insbesondere bei der Ausbil­ dung, bei der sowohl feste als auch flüssige und/oder gasförmige Materialien vorhanden sind, wird eine gute Isolation mit einer selbsttätigen Regenerierung der Durch­ schlag-Kanäle erreicht, ohne daß "zu häufig" eine thermi­ sche Behandlung des Schallsenders zur Beseitigung der in dem Festkörper erzeugten Kanäle erforderlich ist.

Beispiele für flüssige und/oder gasförmige Materialien sind in den Ansprüchen 5 bis 9 gekennzeichnet.

Insbesondere können diese Materialien Isolationsöle, flüssige und/oder gasförmige halogenierte Kohlenwasser­ stoffe, wie Frigen, elektronegative Gase, wie O₂ und/oder SF₆ sein.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, in der zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel.

In den Figuren sind mit 1 eine Frontelektrode, mit 2 eine Trägerelektrode und mit 3 piezoelektrische Wandler­ elemente bezeichnet. In den zwischen der Frontelektrode 1, der Trägerelektrode 2 und den Wandlerelementen 3 ge­ bildeten Zwischenräumen ist ein elektrisch isolierendes Material 4 vorgesehen, das die auf Bezugspotential liegende Frontelektrode 1, die auf Hochspannung liegende Trägerelektrode 3 und die Elemente 2 gegeneinander elektrisch separiert.

Erfindungsgemäß ist das isolierende Material so gewählt, daß es die Beseitigung von auftretenden Defekten und ins­ besondere von Durchschlag-Kanälen erlaubt. Hierzu kann das Material 4 beispielsweise ein Festkörper, wie Paraffin, eine Flüssigkeit, wie ein Isolationsöl, ein halogenierter flüssiger oder gasförmiger Kohlenwasserstoff oder ein elektronegatives Gas sein wie SF₆ oder O₂.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele unterscheiden sich im wesentlichen dadurch, daß bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl die Front­ elektrode 1 als auch die Trägerelektrode 2 die Form einer Kugelkalotte haben, während bei dem in Fig. 2 dargestell­ ten Ausführungsbeispiel die Trägerelektrode 2 als ebene Platte ausgebildet ist und die Frontelektrode 1 auf der den Piezoelementen 3 zugewandten Seite ebenfalls eine ebene Fläche und auf der Abstrahlseite eine sphärische oder asphärische Flächengestaltung aufweist, so daß sie eine Linsenwirkung hat.

In jedem Falle ergeben sich eine Reihe von Vorteilen:
Da erfindungsgemäß die an den Piezoelementen anliegende Hochspannung nur noch durch die Spannungsfestigkeit der Elemente und nicht mehr durch Rücksichtnahme auf die Le­ bensdauer des Schallsenders begrenzt ist, kann die Hoch­ spannung bis zu 4 kV/mm Schichtdicke und darüber betragen, so daß die abgestrahlte Schallenergie im Vergleich zum Stand der Technik wenigstens um den Faktor 4 höher liegt. Dies bedeutet, daß bei gleicher Schalleistung die aktive Fläche um den Faktor 4 (und darüber) niedriger sein kann bzw. bei gleicher aktiver Fläche eine um mindestens den Faktor 4 höhere Energie emittiert wird. Damit kann der erfindungsgemäße Schallwandler eine so hohe Schallenergie abgeben, daß er nicht zur zur Zertrümmerung von Nieren­ steinen, sondern auch zur Zertrümmerung von Gallenblasen­ steinen eingesetzt werden kann.

Dennoch ist die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Schallsenders wesentlich höher als die der bekannten Schallsender, da erfindungsgemäß das elektrisch iso­ lierende Material so ausgewählt ist, daß es regenerierbar ist: Dies bedeutet, daß eventuell auftretende Durchschlag- Kanäle nicht mehr den Schallsender unbrauchbar machen, sondern selbsttätig oder aufgrund einer entsprechenden "Behandlung" beseitigt werden können, so daß der Schall­ sender weiter verwendet werden kann. Da eine Vielzahl von "Regenerationszyklen" durchgeführt werden kann, ist die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Schallwandlers wesent­ lich größer als die der bekannten Schallwandler.

Claims (9)

1. Piezoelektrischer Schallsender für therapeutische Anwendungen mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Wand­ lerelementen (3), die mit ihren Stirnflächen zwischen einer Frontelektrode (1) und einer Trägerelektrode (2), an die die Hochspannung angelegt ist, angeordnet sind, und mit einem in die Zwischenräume zwischen die Wandlerele­ mente eingebrachten elektrisch isolierenden Material (4), dadurch gekennzeichnet, daß das in die Zwischenräume zwischen den Wandlerelementen (3) eingebrachte elektrisch isolierende Material (4) die Beseitigung von auftretenden Defekten und insbesondere von Durchschlag-Kanälen erlaubt.

2. Schallsender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material (4) ein Festkörper ist, bei dem auftretende Defekte und insbe­ sondere Durchschlag-Kanäle durch Erwärmen auf eine höhere Temperatur als die Betriebstemperatur beseitigbar sind.

3. Schallsender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material (4) Paraffin ist.

4. Schallsender nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Frontelektrode (1) und der Trägerelektrode (2) eingeschlossene Raum her­ metisch abgeschlossen ist, und daß das isolierende Material (4) ein flüssiges und/oder ein gasförmiges Material ist.

5. Schallsender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material (4) ein Isolationsöl ist.

6. Schallsender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material (4) ein flüssiger und/oder gasförmiger halogenierter Kohlenwasserstoff ist.

7. Schallsender nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der halogenierte Kohlenwasser­ stoff Frigen ist.

8. Schallsender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material (4) ein elektronegatives Gas ist.

9. Schallsender nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronegative Gas O₂ und/oder SF₆ ist.