DE19702593C2

DE19702593C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen für technische, vorzugsweise medizintechnische Anwendungen

Info

Publication number: DE19702593C2
Application number: DE19702593A
Authority: DE
Inventors: Werner Hartmann; Joerg Kieser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 1997-01-24
Publication date: 2000-07-06
Anticipated expiration: 2017-01-25
Also published as: US6383152B1; EP0954847A2; JP2001509045A; WO1998033171A2; DE19702593A1; WO1998033171A3; EP0954847B1; DE59801035D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Stoßwellen für technische, vorzugsweise medizintechnische Anwendungen, insbesondere für die Lithotripsie und/oder Schmerztherapie, wobei durch Druckpulsationen akustische Wellen vorgegebener Wellenlänge hoher Energiedichte erzeugt werden, wozu mit Hilfe eines intensiven elektrischen Impulses elektrische Energie in einem flüssigen Elektrolyten direkt und weitestgehend verlustfrei in mechanische Energie in Form von Druckpulsationen gewandelt wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah rens.

Für verschiedene technische Anwendungen werden bereits inten sive Schallwellen oder Stoßwellen eingesetzt, deren Arbeits drücke im Bereich einiger 10⁷ Pa bis zu 10⁸ Pa liegen. Ein Beispiel ist die Lithotripsie in der Medizintechnik, bei der durch extrakorporal erzeugte, fokussierte Druckwellen am Ort von Gallen- oder Nierensteinen eine so starke Stoßwelle er zeugt wird, daß der Stein in kleine Fragmente zerfällt, welche ohne operative Maßnahmen auf natürliche Weise den Körper verlassen können. Für eine ausreichend hohe Fragmen tation des Steins sind dazu typischerweise einige 100 bis einige 1000 Stoßwellenanwendungen, d. h. Einzelpulse, erfor derlich.

Zur Erzeugung letzterer Stoßwellen benötigt man einen Stoß wellengenerator, der eine bereits fokussierte oder durch insbesondere akustische Linsen fokussierbare Schallwelle erzeugt, deren Fokus am Ort des zu zerstörenden Steins liegen muß. Die Brennweite der akustischen Anordnung sollte dabei klein, d. h. im Bereich einiger 10 cm sein, um die Energie dichte an der Körperoberfläche des Patienten soweit, d. h. auf < 1 J/cm² zu begrenzen, daß der beim Schalldurchtritt ent stehende Schmerz durch Lokalanästhetika beherrschbar ist.

Für eine vertretbare Behandlungsdauer sollte die Pulswieder holrate bei etwa 1 bis 5 pro Sekunde liegen. Die Lebensdauer des Stoßwellengenerators muß möglichst hoch, d. h. bei einigen Millionen Pulsen, liegen, um die Behandlung einer größeren Anzahl an Patienten ohne notwendige Service- bzw. Reparatur arbeiten zu ermöglichen. Während der gesamten Lebensdauer dürfen sich die Eigenschaften des Stoßwellengenerators, ins besondere Stoßwellenenergie, Impulsdauer, Fokuslage, etc., nicht oder nur geringfügig ändern, um konstante, reproduzier bare Arbeitsergebnisse zu ermöglichen. Die Erzeugung der Stoßwellen sollte in Wasser oder in Flüssigkeiten mit aku stisch dem Wasser vergleichbaren Eigenschaften erfolgen, damit eine effiziente Schallausbreitung und -übertragung in den Körper des Patienten über eine angepaßte akustische Impedanz zwischen Stoßwellengenerator und Körper möglich wird. Der Fokusdurchmesser der fokussierten Stoßwelle am Ort des Steins (~ cm) sollte vergleichbar sein mit den Abmessun gen des Steins, um eine effiziente Wechselwirkung zwischen Stoßwelle und Stein zu erreichen. Typische Wellenlängen der Stoßwelle liegen im Bereich von 1 bis 10 mm, entsprechend Pulsdauern von typischerweise ~ 1 µs. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Qualität der Wellenfront im Stoß wellengenerator, um die geforderte Fokussierbarkeit zu er zielen.

Ähnliche Anforderungen werden auch bei anderen technischen Anwendungen erhoben, so z. B. beim Recycling durch Stoßwellen, beim Reinigen von Oberflächen durch Stoßwellen, im Bergbau, beispielsweise Felszerkleinerung ohne Einsatz chemischer Sprengmittel, in der Geologie und der Meereskunde, beispiels weise für Sonaranwendungen. Dabei werden zum Teil wesentlich höhere und u. U. auch variablere Pulsenergien gefordert als bei der Lithotripsie, so daß für viele Anwendungen ein nahezu beliebig skalierbares Stoßwellengenerator im Prinzip von großem Nutzen wäre.

Zur Erzeugung von Stoßwellen werden, abgesehen vom Einsatz chemischer Explosivstoffe, bisher ausschließlich die fol genden drei Prinzipien eingesetzt, bei denen elektrische Energie in akustische Energie in Form intensiver Stoßwellen umgesetzt wird:

- Das elektrohydraulische Prinzip mit Erzeugung einer sphä risch expandierenden Druckwelle durch einen Unterwasser funken, und gegebenenfalls Fokussierung mit ellipsoidischen Reflektoren, wozu Ausführungen in Rev. Sc. Instrument 65 (1994), S. 2356-2363 und Biomed. Tech. 22 (1977), S. 164 ff. gemacht werden.
- Das piezoelektrische Prinzip mit Erzeugung einer Druckwelle durch Einsatz gepulst betriebener piezoelektrischer Schall wandler, beispielsweise gemäß der DE 33 19 871 A1.
- Das elektromagnetische Prinzip mit Erzeugung einer Druck welle durch eine elektromagnetisch angetriebene Membran, was im einzelnen in Appl. Phys. Lett. 64 (1994), S 2596- 2598 und Acustica 14 (1964), S. 187 beschrieben ist.

Weiterhin ist aus der DE-AS 10 76 413 eine Stoß-Schallquelle mit wenigstens einem innerhalb einer Flüssigkeit befindli chen, durch Isolierkörper eingeengten Strompfad bekannt, bei dem als Stromquelle ein Entladungskondensator dient und die die Einengung der Strompfade bewirkende Körper aus gummi elastischem Werkstoff großer Zähigkeit bestehen. Über die physikalische und/oder die phänomenologische Wirkungsweise der dort zugrunde liegenden Pulsationserzeugung werden keine eindeutigen Aussagen gemacht.

Insbesondere beim erstgenannten Prinzip sind Hauptnachteile die kurze Lebensdauer, schlechte Reproduzierbarkeit und begrenzte Skalierbarkeit der Stoßwellenwandler, wobei vor allem die kurze Lebensdauer, z. B. nur einige 1000 Pulse, aufgrund des Elektrodenabbrandes sowie die daraus resultie rende Schwankung der Fokuslage Probleme bereiten. Piezoelek trische Wandler sind bei den hier geforderten Amplituden in ihrer mechanischen Lebensdauer ebenfalls stark eingeschränkt. Elektromagnetische Schallwandler erreichen z. Z. die größten Lebensdauern von typisch ~ 1 Million Pulse, sind jedoch aus Gründen elektrischer und mechanischer Belastbarkeit nur begrenzt skalierbar. Eine Verlängerung der Lebensdauer auf mehrere Millionen Pulse wäre vorteilhaft, wie auch eine breitere Skalierbarkeit der Schallwellenenergie und Impuls form.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Er zeugung von Stoßwellen anzugeben, mit dem ohne Verschleiß probleme mehrere Millionen Pulse erzeugt werden können, und dazu eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Verfahrensanspruches 1 und des zugehörigen Vorrichtungsanspruches 7 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung geht davon aus, daß über die kurzzeitige Aufheizung eines gut leitfähigen Elektrolyten mit Hilfe eines intensiven elektrischen Impulses die elektrische Energie direkt und verlustfrei in thermische Energie des Elektrolyten umgesetzt werden kann. Die Aufheizung erfaßt größere, ska lierbare Volumina bzw. große, ebenfalls skalierbare Ober flächen simultan und homogen. Über die Wärmeausdehnung des erwärmten Elektrolyten wird in geeignetem Umgebungsmedium ein Druckanstieg und damit, unter geeigneten Randbedingungen, eine Druckwelle erzeugt, die sich in diesem Medium ausbreiten kann. Aufgrund dieses Prinzips ist eine nahezu beliebige Skalierbarkeit und Geometrie möglich bei gleichzeitig nahezu verschleißfreiem Verhalten eines solchen thermohydraulischen Stoßwellenwandlers. Da im Gegensatz zu dem elektrohydrauli schen Prinzip generell keine Konzentration des Stromflußes durch Plasmabildung an einzelnen Punkten der Elektroden erfolgt, führt der Betrieb einer solchen Anordnung nicht zum Abbrand der Elektroden, wodurch eine hohe Lebensdauer er reichbar ist. Durch die räumlich homogene Leistungsbelastung des Elektrolyten wird auch die Membran bzw. akustisch "durch lässige" Elektrode mechanisch sehr homogen belastet, wodurch die Lebensdauer der Membran ebenfalls stark erhöht wird im Vergleich zu elektromagnetischen Schallwandlern.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei spielen anhand der Zeichnung, die die Arbeitsweise von erfin dungsgemäßen thermoelektrischen Schallwandlern wiedergeben. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen thermoelektrischen Stoßwellengenerator mit ebenen Elektroden und zugehörigem Leistungsimpulsgenerator,

Fig. 2 einen rotationssymmetrischen thermohydraulischen Stoß wellengenerator und zugehörigem Leistungsimpulsgenera tor mit einer radialen Elektrodenanordnung und radialem Stromfluß,

Fig. 3 einen thermohydraulischen Stoßwellengenerator mit kon kaven Elektroden, sowie

Fig. 4 und 5 eine Draufsicht und einen Schnitt einer spezi fischen Ausbildung einer fokussierenden Elektrode.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der Ausführungsform eines thermo elektrischen Schallwandlers mit ebenen Elektroden. Bei einer solchen Ausführungsform wird, entsprechend der Geometrie der Anordnung, eine ebene Schallwelle erzeugt, die von einer gegebenenfalls nachfolgenden akustischen Linse fokussiert werden kann. Der Schallwandler besteht aus einer feststehen den, massiven Elektrode 1, einer dünnen und leichten Elek trode 2 im Abstand s von der Elektrode 1, dem Elektrolyten 3 der Schichtdicke s, und dem Schallausbreitungsmedium 4.

Die feststehende Elektrode 1 und die membranförmige Elektrode 2 sind beide aus gegenüber den Medien 3 und 4 korrosions beständigen Materialien gefertigt und weisen glatte Ober flächen auf, um die Ausbildung lokalisierter Entladungen aufgrund von Feldstärkeüberhöhungen an Spitzen etc. zu ver meiden.

Das Produkt aus Massendichte und Schallgeschwindigkeit der Elektrode 1 ist deutlich größer als die im Elektrolyten 3 und dem Schallausbreitungsmedium 4. Die akustische Impedanz des Elektrolyten 3 und des Schallausbreitungsmediums 4 sollen möglichst gleich sein und etwa der von Wasser, d. h. dem Hauptbestandteil des menschlichen Körpers, entsprechen, um eine gute akustische Anpassung zwischen dem Schallwandler und dem Patientenkörper zu erzielen. Zweckmäßigerweise wird als Medium 4 gasfreies, vollentsalztes Wasser und als Elektrolyt 3 eine leitfähige Salzlösung verwendet.

Eine besonders einfache Ausführungsform verwendet für das Medium 4 dasselbe Material wie für den Elektrolyten 3. Es sind dazu auch andere Flüssigkeiten als Wasser, aber mit ver gleichbaren elektrischen und akustischen Eigenschaften, ver wendbar. Insbesondere bei anderen Anwendungen als in Litho triptern ist es sinnvoll, die akustische Impedanz der Medien 3 und 4 an die des Koppelmediums anzupassen, wie beispiels weise bei der Felszerkleinerung mittels Stoßwellen.

Die Stromzuführung zur Elektrode 2 muß symmetrisch aufgebaut sein, um die gewünschte Symmetrie der zu erzeugenden Druck welle über eine symmetrische Strom- und Leistungsverteilung im Elektrolyten 3 zu erreichen. Vorteilhaft ist dazu die Beibehaltung einer koaxialen Stromzuführung bis zu den Elek troden 1 und 2.

An die Elektroden 1 und 2 angeschlossen ist ein Leistungs impulsgenerator, der elektrische Energie in Form kurzer Pulse mit Zeitdauern von typisch µs bereitstellt. Im einfachsten Fall besteht der Impulsgenerator aus einem Energiespeicher in Form eines Hochspannungskondensators C, einem schnell schlie ßenden Schaltelement S, und einer aus den Zuleitungen gebil deten Induktivität L. Beim Schließen des Schalters S entlädt sich der Kondensator über die Induktivität L und den Schalter S in den Elektrolyten mit dem Innenwiderstand R. Der Energie inhalt E des Speichers ist

E = C.U²/2

mit der Ladespannung U des Kondensators. Dadurch wird der Elektrolyt um die Temperaturdifferenz

ΔT = E/(ρ_m.C_h.A.s)

erwärmt, wobei ρm die Massendichte des Elektrolyten (~ 1,0 g/cm³ für wäßrige Lösungen), C_h die Wärmekapazität des Elektrolyten, und A.s das Volumen des Elektrolyten (= Fläche A . Dicke s) ist. Bei ausreichend kurzen Impulsen im µs-Be reich kann die Wärmeleitung vernachlässigt werden. Dadurch dehnt sich der Elektrolyt um

ΔV/V = α.ΔT

aus, wobei α der Volumenausdehnungskoeffizient ist. Für den Fall, daß gilt

r » s

und s < λ, r < λ

mit 2.r = Durchmesser der Elektroden 1 und 2, λ = Länge der Stoßwelle, λ = c_s.τ mit c_s = Schallgeschwindigkeit in den Medien 3 und 4 und τ = Pulsdauer, dehnt sich der Elektrolyt fast ausschließlich in der Richtung senkrecht zur Elektroden oberfläche aus, d. h. für die relative Schichtdickenänderung erhält man

Δs/s ~ ΔV/V = α.ΔT

Diese Änderung von s wird wegen der endlichen Schallgeschwin digkeit c_s über einen Weg

λ' = s + λ

aufgrund der endlichen Kompressibilität κ der Medien 3 und 4 abgebaut. Wenn κ und c_s für beide Medien 3 und 4 als iden tisch angenommen werden, erhält man für den mittleren Druck anstieg innerhalb des Bereichs λ':

Δp = α . E/[(s + λ) . κ .ρ_m . C_h . A]

und für den Fall s << λ, d. h. im Fall vernachlässigbarer Schichtdicke s im Vergleich zur Stoßwellenbreite λ:

Δp = α . E/[c_s. τ . κ . ρm . C_h . A]

D. h., die Amplitude des Druckanstiegs ist unabhängig von der Schichtdicke s.

Für α, c_s, κ, ρ, und C_h lassen sich, bei Verwendung einer wässrigen Lösung oder Ethanol für die Medien 3 und 4, die Werte aus der Literatur entnehmen:

Bei einer Pulsenergie von 200 J, einer Elektrodenoberfläche A = 100 cm² = 10^-2 m² und einer Pulsdauer von τ ~ 5 µs erzielt man somit eine ebene Druckwelle mit einer mittleren Amplitude von

Δp ~ 2,66 . 10⁵ N/m² ~ 2,6 bar

in wäßrigen Elektrolyten, bzw.

Δp ~ 1,6 . 10⁶ N/m²~ 16 bar

in einem Elektrolyten, der als Hauptbestandteil Ethanol enthält.

Dieser Druckanstieg breitet sich im Medium 4 als ebene Welle senkrecht zur Oberfläche der Elektrode 1 aus und kann von einer akustischen Linse fokussiert werden; dabei werden Fokusdurchmesser 2 . r_f von typisch

2 . r_f ~ λ

erreicht, d. h. die ebene Welle wird um ein bis zwei Größen ordnungen komprimiert, was zu einer entsprechenden Druck erhöhung im Fokus führt.

Über eine Vergrößerung von A lassen sich die im Fokus er zielbaren Spitzendrucke in weiten Grenzen skalieren. Mit Hilfe der beschriebenen Anordnung ist es somit möglich, reproduzierbar und praktisch verschleißfrei Stoßwellen mit Amplituden im < 100 bar-Bereich zu erzeugen, welche für die Anwendung in Lithotriptern geeignet sind.

Eine weitere Erhöhung des Drucks erhält man durch eine Ver kürzung der Pulsdauer, da wegen der endlichen Schallgeschwin digkeit die im Elektrolyten deponierte Energie auf ein klei neres Volumen verteilt und der Druckanstieg dementsprechend über eine kürzere Strecke abgebaut wird. Bei gleicher Puls energie von 200 J und einer Pulsdauer von nur τ = 1 µs steigt der Anfangsdruck bereits auf Δp ~ 10 bar bei Verwendung eines wäßrigen Elektrolyten.

Eine zusätzliche Erhöhung des Drucks läßt sich über Verwen dung anderer Elektrolyten für Medium 3 erreichen; insbeson dere sind Flüssigkeiten mit niedriger Wärmekapazität und kleiner Kompressibilität bei gleichzeitig großem Wärmeaus dehnungskoeffizienten vorteilhaft. Als Beispiel sei hier der oben bereits genannte Ethanol genannt, dem ionenleitende Zusätze beigemischt werden; als Zusatz ist beispielsweise eine Beimischung aus Wasser mit einem darin gelösten Salz geeignet, um die geforderte Leitfähigkeit zu erreichen. Für das oben angegebene Beispiel (E = 200 J; τ = 1 µs) erhält man Drücke der Größenordnung Δp ~ 40 bar bei Verwendung von Etha nol. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung höherwertiger, bei Raumtemperatur nicht entflammbarer Alkohole, wie bei spielsweise Ethylenglycol oder Glycerin mit darin löslichen Salzen wie z. B. Magnesiumperchlorat oder Lithiumchlorid.

Gemäß Fig. 2 verwendet eine vorteilhafte Ausführung eine Elek trodenanordnung mit Stromfluß in radialer anstatt axialer Richtung und läßt somit höhere Betriebsspannungen am Elek trolyten 3 zu. Der Leistungsimpuls wird an eine in der Symmetrieachse zentrische Elektrode 8 und eine dazu koaxial angeordnete, zylindrische oder ringförmige Elektrode 7 ange legt. Der Strom fließt im angegebenen Beispiel, bei dem Rotationssymmetrie vorausgesetzt wird, in radialer Richtung zwischen den Elektroden 7 und 8 im Elektrolyten 3. Der Elek trolyt mit der Schichtdicke s ist auf der einen Seite durch eine isolierende Platte 9 abgegrenzt, auf der anderen Seite durch eine ebenfalls isolierende Membran 10 gegen das Aus breitungsmedium 4, um den Stromfluß dadurch auf das Volumen mit der Elektrolytdicke s zu begrenzen. Die Elektrodenschlag weite s' wird dadurch von s auf annähernd den Radius der An ordnung erweitert, wodurch wesentlich höhere Spannungen an den Elektroden zulässig werden, ohne daß die Gefahr eines Durchschlags im Elektrolyten entsteht. Dadurch kann im Elektrolyten 3 eine wesentlich höhere Energiedichte erzeugt werden, die zu erheblich höheren Druckamplituden führt als im Fall axialen Stromflusses.

Eine Fokussierung der Druckwelle wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, daß zwei Elektroden 21 und 22 nicht eben, sondern entsprechend Fig. 3 konkav ausgebildet sind. Es wird so eine gekrümmte Wellenfront erzeugt, die zu einer konzen trisch einlaufenden Druckwelle führt, welche einen ausgepräg ten Fokus im Brennpunkt des von der Elektrodenoberfläche der Elektrode 21 gebildeten Reflektors aufweist. In dieser selbstfokussierenden Anordnung kann auf eine akustische Linse verzichtet werden, so daß die mit der Linse verbundenen Ab bildungsfehler und Verluste entfallen.

Eine Ausbildung der Elektroden 21 und 22 in konvexer Form würde zur Ausbildung von sphärisch expandierenden Stoßwellen führen, die z. B. für Ultraschall-Tomographie sowie für Sonar- Systeme im Wasser und in der Erdkruste, dem sogenannten "Geo- Mapping", eingesetzt werden können.

In weiteren vorteilhaften, nicht im einzelnen gezeigten Ausführungsformen kann die Geometrie der Elektroden 1 und 2 eine andere als ebene oder sphärische Geometrie aufweisen. Bei Verwendung zylindrischer Elektrodenformen läßt sich bei spielsweise ein Linienfokus erzeugen, der vorteilhaft zum präzisen Trennen spröder Objekte, wie beispielsweise Halb leiterscheiben, Glaswerkstücke, Keramiksubstrate, optische Bauteile, Keramikfliesen, etc., oder zum Reinigen größerer Gußteile einsetzen läßt. Durch Anpassung von Geometrie und elektrischen Parametern läßt sich ein thermohydraulischer Stoßwellengenerator für nahezu jede Anwendung optimieren, bei der hohe mechanische Kräfte nur kurzzeitig, d. h. stoßartig, benötigt werden.

Für die Dimensionierung des Stoßwellengenerators ist die Kopplung mit dem Impulsgenerator ausschlaggebend. Bei einer für die Leistungsimpulstechnik typischen Impedanz Z von Z = √L/C ~ 1 Ω benötigt man einen Innenwiderstand des Elek trolyten von R ~ 1 Ω. Der Innenwiderstand R des Elektrolyten berechnet sich zu R = ρ . s/A und daraus der spezifische Wider stand ρ zu ρ = A . R/s = 10³ Ω.cm.

Ein entsprechender spezifischer Widerstand wird beispiels weise durch wäßrige Salzlösungen mit Konzentrationen im Be reich C ~ 1 g/l erreicht, wenn die Oberfläche A im Bereich A ~ 100 cm² und der Elektrodenabstand s mit s ≅ 1 mm dimen sioniert werden.

Bei einem Elektrodenabstand von s = 1 mm erreicht man eine Spannungsfestigkeit U_max in Wasser von U_max ~ 10 kV. Dies entspricht der maximal und nur kurzzeitig am Elektrolyten anliegenden Spitzenspannung bei einer Ladespannung von 20 kV. Die Dimensionierung von Stoßwellengenerator und Leistungs impulsgenerator entsprechen somit dem bei ähnlichen Geräten eingesetzten Stand der Technik und stellen keine schwer be herrschbaren Anforderungen an die Komponenten.

In weiterer Ausgestaltung kann beim beschriebenen "Thermo hydraulischen Stoßwellengenerator" sowohl auf eine konkave Formgebung der Elektroden als auch auf eine refraktive akustische Linse verzichtet werden. Dies kann dadurch er reicht werden, daß die Oberfläche einer akustisch reflektie renden ("harten") Elektrode so strukturiert ist, daß im Mit tel eine plane oder konkave, fokussierende Oberfläche inner halb zulässiger Toleranzen eingehalten wird, daß aber durch radialsymmetrische Strukturen jedoch eine Fokussierung ring förmiger Anteile der reflektierten ebenen Schallwelle auf einen gemeinsamen Fokus erfolgt. Die Strukturen müssen dabei in radialer Richtung so klein dimensioniert sein, daß sowohl die unvermeidlichen Abweichungen von der angestrebten gemein samen Fokuslage toleriert werden können, als auch die Span nungsfestigkeit zwischen den beiden Elektroden durch die ebenfalls unvermeidlichen Höhendifferenzen der Oberflächen strukturen nicht beeinträchtigt wird.

Gemäß Fig. 4 und Fig. 5 erreicht man den gewünschten Effekt, indem in eine Elektrodenoberfläche 100 konzentrische Ringe 11 eingedreht werden, deren Oberfläche 111 mit der ursprünglich planen Elektrodenoberfläche einen bestimmten Winkel α einschließen, so daß die Ringoberflächen 111 zur Symmetrieachse der Elektrode hin geneigt sind. Dieser Winkel α wird so berechnet, daß die Normalenkegel durch die jewei lige Ringmitte mit ihrer Spitze alle im geforderten Fokus punkt liegen. Dafür gilt die Beziehung

sinα = R_x/F

wobei R_x der mittlere Radius des x-ten Ringes und F der Abstand des Fokus von der Elektrodenoberfläche ist. Die Ringbreite wird vorteilhaft so gewählt, daß die maximalen Höhen der Ringe über der mittleren, d. h. planen Elektroden oberfläche < 0,25 . d sind, wobei d der mittlere Elektroden abstand ist. Dadurch wird die Spannungsfestigkeit der Anord nung nicht unzulässig erniedrigt. Eine zusätzliche Anforde rung an die Ringbreite wird durch die zulässigen Abweichungen der Lage der Teilfokii vom gemeinsamen Fokus und der damit verbundenen Verbreiterung des Fokusdurchmessers erhoben.

Eine vorteilhafte Ausführung verwendet für die Oberflächen der eingedrehten Ringe keine Kegelmantelflächen als ein fachste Ausführungsform, sondern Kugeloberflächen, deren Radien r_x so berechnet sind, daß eine Feinkorrektur der Wellenfront in Bezug auf die geforderte Fokuslage erfolgt:

r_x = F/sinα

Durch weitere Feinkorrekturen der beschriebenen Art lassen sich die nichtlinearen Effekte, die durch die Aufteilung der Druckwelle zu einer intensiven Stoßwelle hervorgerufen wer den, ebenfalls korrigieren, so daß mit einer quasiplanaren Anordnung mit strukturierter Oberfläche eine fokussierende Anordnung mit hervorragender Fokusqualität erzeugt werden kann.

Die im einzelnen beschriebenen Eigenschaften dieser Anordnung führen zu einer Selbstfokussierung der ebenen Schallwelle. Damit ergibt sich ein selbstfokussierender Druckwellengenerator, der extrem kompakt, einfach aufgebaut und von sehr hoher Lebens dauer ist. Ganz allgemein können mit der vorstehend beschrie benen Oberflächenstrukturierung jedoch auch beliebige anders erzeugte ebene oder auch gekrümmte Schallwellen in Reflexion fokussiert bzw. abgebildet werden.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von Stoßwellen für technische, vorzugsweise medizintechnische, Anwendungen, insbesondere für die Lithotripsie und/oder die Schmerztherapie, wobei durch Druckpulsationen akustische Wellen vorgegebener Wellenlänge hoher Energiedichte erzeugt werden, wozu mit Hilfe eines intensiven elektrischen Impulses elektrische Energie in einem flüssigen Elektrolyten direkt und weitestgehend verlustfrei in mechanische Energie in Form von Druckpulsationen gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energie zur Aufheizung des leitfähigen, flüs sigen Elektrolyten eingesetzt wird und somit die Druckpulsa tionen über eine kurzzeitige Aufheizung des Elektrolyten erzeugt werden, wobei die kurzzeitige Aufheizung als homogene Aufheizung in einer großflächigen und dünnen Flüssigkeits schicht des Elektrolyten erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß Stromdichte und elektrische Feld stärke innerhalb der Flüssigkeitsschicht über den Querschnitt der Anordnung weitestgehend konstant bleiben und die Dicke der Flüssigkeitsschicht kleiner als die zu erzeugende Wellen länge, die Querabmessung jedoch groß im Vergleich zur zu erzeugenden Wellenlänge ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß bei der Aufheizung des Elektrolyten skalierbare Volumina bzw. skalierbare Oberflächen simultan und homogen erfaßt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Geometrie der Volumina bzw. Ober flächen an den Verwendungszweck angepaßt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Stromfluß im Elektrolyten senk recht zur Schallausbreitungsrichtung erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Stromfluß in der Flüssigkeits schicht parallel zur bevorzugten Schallausbreitungsrichtung und senkrecht zur Oberfläche der Flüssigkeitsschicht erfolgt.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 6 mit einem flüssigen Elek trolyten und einem Leistungsimpulsgenerator zur Erzeugung von elektrischer Energie sowie Mitteln zum kurzzeitigen Einbrin gen der Energie in den Elektrolyten, gekennzeich net durch eine Anordnung von zwei Elektroden (1, 2, 7, 8, 21, 22, 31), die den Elektrolyten (3) einschließen und vom Leistungsimpulsgenerator (5) angesteuert werden, wobei minde stens eine Elektrode (1, 2, 7, 8, 21, 22, 31) die Auskopplung von Schallwellen in ein Schallausbreitungsmedium (4) ermög licht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Durchführung des Verfah rens nach Anspruch 2 und Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Flüssigkeitsschicht (3) an ihren schmalen Seiten von Elektroden (7, 8) begrenzt wird, die zur Stromeinkopplung benutzt werden, wobei die Auskopp lung der entstehenden Schallwelle durch eine isolierende Membran (10) ermöglicht wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Flüssigkeitsschicht (3) an ihren großflächigen Oberflächen von Elektroden (1, 2, 21, 22) begrenzt wird, die zur Stromeinkopplung benutzt werden und von denen mindestens eine die Auskopplung der entstehen den Schallwelle ermöglicht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung eine erste feststehende massive Elektrode (1, 21, 31) und eine zweite dünne, leichte Elektrode (2, 22) im vorgegebenen Ab stand von der ersten Elektrode (1, 21) enthält, wobei zwi schen den Elektroden (1, 2, 21, 22) sich der Elektrolyt (3) vorgegebener Schichtdicke (9) befindet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung eine erste feststehende massive Elektrode (1) und eine zweite Elektrode (2) im vorgegebenen Abstand von der ersten Elek trode (1) enthält, wobei die zweite Elektrode (2) aus einem Gitter hoher Transmission besteht.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß die Elektro den (1, 2, 7, 8, 21, 22, 31) aus korrosionsbeständigen Mate rialien bestehen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß das Produkt aus Massendichte und Schallgeschwindigkeit der ersten Elektrode (1) deutlich größer ist als die diesbezüglichen Produkte des Elektrolyten (3) und des Schallausbreitungs mediums (4).

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß das Produkt aus Massendichte und Schallgeschwindigkeit des Elektrolyten (3) einerseits und des Schallausbreitungsmediums (4) andererseits in etwa gleich groß sind und dem von Wasser entsprechen.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, da durch gekennzeichnet, daß ebene Elek troden (1, 2) vorhanden sind, mit denen eine ebene Schall wellenfront erzeugt wird.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß der Elek trodenanordnung (1, 2) eine akustische Linse nachgeschaltet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß die schall harte Elektrode (1) eine Strukturierung (11, 111) der Ober fläche (100) aufweist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch ge kennzeichnet, daß die Strukturierung in konzen trischen Ringen (11) besteht, deren Oberflächen (111) mit der Elektrodenfläche (100) einen vorgegebenen Winkel einschlie ßen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ringe (11) im Querschnitt jeweils eine Kegelform haben.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch ge kennzeichnet, daß die Oberflächen (111) der Ringe (11) Kegelmantelflächen bilden.

21. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch ge kennzeichnet, daß die Oberflächen (111) der Ringe konkav gekrümmte Rotationskörperoberflächen, wie bei spielsweise Spheroidflächen, Ellipsoidflächen oder Parabo loidflächen, bilden.

22. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens eine, vorzugsweise jedoch zwei konkav ausgebildete Elektroden (21, 22) vorhanden sind, mit denen eine gekrümmte Wellenfront erzeugt wird.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 22, da durch gekennzeichnet, daß der Lei stungsimpulsgenerator (5) aus einem LC-Glied und einem elektronischen Schaltelement besteht.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 23, da durch gekennzeichnet, daß die elektri sche Leitfähigkeit des Elektrolyten (3) so eingestellt wird, daß die Leistungsanpassung an den Leistungsimpulsgenerator (5) optimiert ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 24, da durch gekennzeichnet, daß Mittel zur Entgasung des Elektrolyten (3) vorgesehen sind.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 25, da durch gekennzeichnet, daß Mittel zur Feinfilterung des Elektrolyten (3) vorgesehen sind.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 26, da durch gekennzeichnet, daß als Elektro lyt (3) eine Flüssigkeit verwendet wird, deren Wert (ΔV/V_o)/W möglichst groß ist, wobei ΔV/V_o die relative Volumenänderung pro eingetragener Energie W ist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 27, da durch gekennzeichnet, daß der Elek trolyt (3) aus einfachen Alkoholen wie Ethanol oder Methanol mit ionenleitfähigen Zusätzen besteht.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 27, da durch gekennzeichnet, daß der Elektro lyt (3) aus höherwertigen Alkoholen, beispielsweise Ethylen glykol oder Glycerin mit ionenleitfähigen Zusätzen, besteht.

30. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Elektrodenform optimiert ist zur Erzeugung eines problemangepaßten, nicht punktförmi gen Fokus.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 21 und 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine, vorzugsweise jedoch zwei konvex ausgebildete Elektroden vorhanden sind, mit denen eine gekrümmte divergie rende Schallwellenfront erzeugt wird.