RU2118129C1

RU2118129C1 - Multi-beam generator of focused impact-wave acoustic pulses

Info

Publication number: RU2118129C1
Application number: RU96117106/14A
Authority: RU
Inventors: нов Юрий Владимирович Андри; Юрий Владимирович Андриянов; нова Ольга Николаевна Андри; Ольга Николаевна Андриянова; Камиль Газалиевич Багаудинов; Борис Александрович Гарилевич
Original assignee: Юрий Владимирович Андриянов; Ольга Николаевна Андриянова; Камиль Газалиевич Багаудинов; Борис Александрович Гарилевич
Priority date: 1996-08-20
Filing date: 1996-08-20
Publication date: 1998-08-27

Abstract

FIELD: medicine; biology; echo ranging. SUBSTANCE: generator has at least three flat electromagnetic radiators positioned in symmetry with generator axis. Radiators consist of flat spiral coils with metal membrane and focusing acoustic lenses, foci of which are combined at one point on generator axis. One coil lead of every radiator is connected to lead of inherent capacitive storage. Second leads of coils are interconnected and connected to one of discharge electrodes. Second leads of all radiator coils are connected to second electrode of discharge. Symmetrical arrangement of electromagnetic radiators relative to generator axis and connection of radiator coils to discharge circuit with one controlled discharge and separate capacitive storages for every radiator enhance efficiency of destruction of renal calculuses and gallstones. EFFECT: enhanced efficiency. 5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области медицинской техники и может найти применение в устройствах для неинвазивного разрушения почечных и желчных камней. The invention relates to the field of medical technology and can find application in devices for non-invasive destruction of kidney and gallstones.

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]. Known multi-beam shock wave generators containing piezoelectric emitters located either on a spherical, or on a flat, or on a cylindrical surface and connected to pulse voltage generators with a control unit [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. The disadvantage of these devices is their low reliability, due to the low electric strength of piezoceramics due to imperfections in the structure of the material and aging over time when operating in the modes characteristic of generators in lithotripters.

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]. Closest to the proposed device is a multi-beam generator of focused shock wave pulses containing electromagnetic flat emitters, each of which consists of a flat inductor in the form of a flat spiral coil with a metal membrane and a focusing acoustic lens, while the first output of the emitter coil is connected to the output of the capacitive storage , the second - to one of the electrodes of a controlled spark gap with the possibility of their formation of a discharge circuit, and the focusing tricks are acoustically the lenses are combined in a single point on the axis of the generator [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. In this device, the inductor coils are connected to the discharge circuit either in parallel and are switched by a spark gap to one capacitor, or each coil is connected to a separate discharge circuit with its own spark gap and capacitor, and the synchronous start of the spark gap is provided by one ignition device. With such a scheme, in the case of parallel switching on of the coils, a breakdown of one of the coils leads to a sharp decrease in its inductance and all the capacitor energy stored for all emitters is released in one coil, which leads to significant damage to the coil, and if each coil is included in a separate discharge circuit there is a problem of synchronization of arresters. In addition, the emitters in the known device are arranged in two groups symmetrically with respect to the middle plane, the angles of inclination of the shock wave planes in the focal zone turn out to be unequal, a complex wave pattern of the pressure field distribution is created in the focal zone, which varies from pulse to pulse due to the spread in the response times of the arresters . All this leads to a decrease in the efficiency of crushing of kidney and gallstones.

Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в повышении эффективности разрушения почечных и желчных камней. The technical result from the use of the proposed technical solution is to increase the destruction efficiency of kidney and gallstones.

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. The technical result is achieved in that in a multi-beam generator of shock-wave acoustic pulses containing electromagnetic flat emitters, each of which consists of a flat inductor in the form of a flat spiral coil with a metal membrane and focusing acoustic lens, while the first output of the emitter coil is connected to the output of the capacitive drive, the second - to one of the electrodes of a controlled arrester with the possibility of formation of a discharge circuit by them, and the foci of acoustic lenses are combined into one point on the axis of the generator, it is proposed that at least three emitters be placed symmetrically relative to the axis of the generator with an angle between them of 360 / n, where n is the number of emitters, and connect the first output of each emitter coil to the output of its capacitive storage, the second conclusions of which are connected together and connected to electrode of a controlled arrester.

Предлагается также укрепить индукторы излучателей на общем основании посредством сильфонного соединения с возможностью регулирования наклона плоскости индуктора относительно оси генератора. It is also proposed to strengthen the emitter inductors on a common basis by means of a bellows connection with the possibility of adjusting the inclination of the inductor plane relative to the axis of the generator.

Предлагается также снабдить генератор электрически управляемыми преобразователями перемещения для изменения наклона плоскости индукторов. It is also proposed to equip the generator with electrically controlled displacement transducers to change the inclination of the plane of the inductors.

Предлагается также наклон осей линз излучателя к оси генератора установить в пределах 10-30^o.It is also proposed that the inclination of the axis of the lenses of the emitter to the axis of the generator be set within 10-30 ^o .

Предлагается также выбирать отношение фокусного расстояния линзы к ее диаметру в пределах 1,5-3. It is also proposed to choose the ratio of the focal length of the lens to its diameter in the range of 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. The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows the design of a generator with three emitters; figure 2 shows the electrical diagram of the implementation of the emitters in a multi-beam generator of shock-wave pulses; in FIG. Figure 3 shows the pressure distributions: a) in the plane perpendicular to the axis of the generator, and b) along the axis of the generator in comparison with a single-lens generator having the same aperture as the multi-beam generator.

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. The device consists of a base 1 on which are mounted symmetrically with respect to the n axis of emitters of shock-wave acoustic pulses of electromagnetic type in such a way that their axes intersect at the focal point of each of the emitters. Each emitter consists of an inductor made in the form of a flat spiral coil 2 with a metal membrane 3, and an acoustic focusing lens 5, and a bellows 4. In the circuit for switching on the inductor coils, each coil is connected in series with a capacitor with a capacity of C, all of these circuits are connected in parallel to the controlled arrester 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. The device operates as follows. Previously, all capacitors are charged to the same voltage. Then, when an ignition pulse is applied to the control electrode of the spark gap 6, each capacitor is discharged through its inductor coil, while eddy currents are excited in the membranes, the interaction of which with the current in the coil accelerates the membranes and excites acoustic shock -wave pulses. These pulses are further focused by lenses 5 in the zone of intersection of the lens axes. The choice of lens diameter small enough in comparison with their focal length leads to the fact that in the intersection zone the focused beams propagate in the form of plane waves with an angle of inclination of the front planes determined by the angle of inclination of the optical axes of the lenses to the axis of the generator. With a sufficiently small inclination of the axis of the lenses to the axis of the generator, the beams in the intersection zone in a sufficiently long section propagate together, which leads to effective nonlinear interaction of the waves with their sufficiently large amplitude, typical for use in crushing kidney and gallstones (hundreds of atmospheres). As the measurements showed, in the focus zone there is a pressure distribution having a plateau-like appearance with a sharp drop in the shadow region (curves 2 and 3 in FIG. 3a), in contrast to the distribution for a single-lens generator with the same aperture (curve 1 in FIG. 3a), which is close to Gaussian. The pressure distribution along the axis for a multi-beam generator (curve 2 in FIG. 3b) is narrower than for a single-lens generator (curve 1 in FIG. 3b). This is positive for reducing traumatic lesions of surrounding tissues during surgery to crush stones in the kidneys and gall bladder.

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. A sharper decrease in the pressure distribution in the transverse direction is favorable for efficient crushing, because when a beam having a sharp boundary interacts with the frontal surface of the stone, tensile stresses are created in the beam boundary zone with a large negative pressure that causes the stone to break down fragments.

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. Thus, the beam structure in the focus area of the proposed device is more preferable for effective crushing than the known device. The circuit solution for incorporating emitters into the discharge circuit provides a higher reliability of the device. The signs given in the additional paragraphs of the formula characterizing the ranges of choice of geometric sizes are based on the results of experiments and estimates of nonlinear effects in the joint propagation of intersecting wave beams.

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. To align the generator, adjusting mechanisms are used that change the inclination of the planes of the inductors. This slope can be changed to change the position of the focus of the generator, i.e. the proposed technical solution allows to realize a generator with a controlled focus position by means of electromechanical means without changing the position in the space of the generator itself.

Источники информации:
1. Патент Великобритании N2140693, кл. A 61 B 17/22, опублик. 1984 г.Sources of information:
1. UK patent N2140693, CL A 61 B 17/22, published. 1984 year

2. Патент ФРГ N3119295, кл. A 61 B 17/22, опублик. 1982 г. 2. The patent of Germany N3119295, cl. A 61 B 17/22, published. 1982 g.

3. Выложенная заявка ФРГ N3328068, кл. A 61 B 17/22, опублик. 1985 г. 3. The laid out application of Germany N3328068, cl. A 61 B 17/22, published. 1985

Claims

\\\ 1 1. A multi-beam generator of focused shock-wave acoustic pulses containing electromagnetic flat emitters, each of which consists of a flat inductor in the form of a flat spiral coil with a metal membrane and a focusing acoustic lens, while the first output of the emitter coil is connected to the output of the capacitive drive, the second - to one of the electrodes of the controlled arrester with the possibility of their formation of a discharge circuit, and the focuses of the focusing acoustic lenses are aligned at one point on the axis generator, characterized in that at least three electromagnetic emitters are placed symmetrically relative to the axis of the generator with an angle between them 360 / n, where n is the number of emitters, and the first output of each emitter coil is connected to its capacitive storage, the second conclusions of which are connected and connected to the electrode controlled arrester. \\\ 2 2. The generator according to claim 1, characterized in that the inductors of the emitters are placed on a common base by means of a bellows connection with the possibility of adjusting the inclination of the plane of the inductor relative to the axis of the generator. \\\ 2 3. The generator according to claims 1 and 2, characterized in that each emitter is equipped with electrically controlled displacement transducers to change the inclination of the plane of the inductors. \\\ 2 4. The generator according to claims 1 to 3, characterized in that the tilt angles of the optical axes of the lenses are in the range 10-30 <198>. \\\ 2 5. The generator according to paragraphs. 1 to 4, characterized in that in it the ratio of the focal length of the lens to their diameter is selected in the range of 1.5 to 3.