具有放大聚焦點的衝擊波發生器的製作方法
2023-09-18 11:24:55
專利名稱：具有放大聚焦點的衝擊波發生器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種擴展了聚焦區的衝擊波發生器。
背景技術：
衝擊波發生器，應用於例如診治結石病(碎石術)，腫瘤病和骨科病(骨修復)的治療裝置。為震碎如腎結石，需要由一衝擊波源產生衝擊波序列，並使之聚焦於體內的結石上。
專利US5 800 365披露了一種電動的衝擊波源，它以特定的時間延遲產生首次和第二次衝擊波，以按這種方式通過空化作用加大震碎效果。
專利US5 873 845披露了一種用於對生物組織進行超聲加熱處理的系統，該系統包括一用來擴展聚焦區的折射板。該發明的背景是應用了連續超聲波(「continuous wave」連續波)用來使生物組織凝固，其並不是應用衝擊波。
設計衝擊源的一個重要的要求在於一方面要改善震碎的效果，另一方面要減少由於由結石未吸收的聲學能量而引起的副作用。傳統的衝擊波源通常產生幾何形狀和時間上都精確的脈衝，從而造成銳聚焦束。銳聚焦束的結果往往是使結石破碎成多個仍然還相對較大的塊。產生的震碎效果甚微。此外由於空化傾向而引起了不希望的副作用。
發明內容
本發明的目的是提供一種衝擊波發生器，其具有高的震碎效果較小副作用。
根據本發明的衝擊波發生器包括一透鏡，其中透鏡相對於聲學軸線具有非旋轉對稱的相位移特性。
非旋轉對稱的相位移特性或者時間的延遲特性可以使衝擊波前的幾個部分有時間上的延遲，這樣能使聚焦軸線上的峰值壓力降低。尤其是，按照這種方式可以擴展聚焦點並延長脈衝長度。因而不僅能夠改善震碎效果，而且也降低了副作用。用於解釋改善震碎效果的一種可能的假設的是基於在寬的聚焦點時出現了所謂擠壓效果強化(W.Eisenmenger著的「ESWL中的碎石力學」，UltrasoundMed.Biol.2001；27683-693)，這種效應在震碎結石時作用是非常有效的。
非旋轉對稱的相位移特性可以連續方式形成。為了簡化相應的透鏡的製造，根據另外一可選的優選實施例，也可以將非旋轉對稱的相位移特性設計成非連續性的。
為了實現一種特別有利的相位移，透鏡可以包括至少二個具有相同的相位移特性的扇區。透鏡因此分成至少二個圓扇區，其中每個圓扇區裡的透鏡均設計成具有相同的相位移特性。這意味著每個圓扇區都重複著相同的相位移特性。
根據上文所述的衝擊波發生器的一種有利的改進方案，透鏡可以具有非旋轉對稱的厚度分布，用以形成非旋轉對稱的相位移特性。因而可以簡單的方式製造一種具有所希望的相位移特性的透鏡。
透鏡優選地具有一非連續的厚度分布，具有以不連續幅度變化的厚度的分布，特別地，其可使透鏡的製造更為簡單。
根據另外一種較優的改進方案，透鏡可以具有多個徑向布置的楔形元件，用以形成非旋轉對稱的厚度分布。楔形元件不必須從透鏡的中心開始，也可以在離中心或者離光學軸線特定的距離處開始。
根據所有前述衝擊波發生器的一較優改進方案，厚度可作為角度的函數在一個預先給定的角度範圍呈線性增加。該角度範圍如包括一個扇區，因而在這扇區裡厚度作為角度的函數呈線性增加。線性增加不必須是連續的，也可是不連續幅度(階梯式)增加，其方法是使透鏡例如具有楔形的元件，這些元件的高度或者厚度都以階梯形式線性增加。
根據所有前述的衝擊波發生器的一種較優的改進方案，透鏡可包括至少兩種材料。通過合適地選擇其有某種聲波速度的材料，可以這種方式來製造具有所希望的相位移特性的透鏡。這些不同的材料可以用來替代透鏡的一種不連續的厚度分布，或者作為其補充。例如一個透鏡可以包括不同材料製成的幾個部分。
透鏡優選使用一種形狀穩定的材料，特別是聚苯乙烯(Polistyrol)。這種材料具有各種不同的優點。其一是由於聲學阻抗和小的阻尼常數使得在透鏡中由於反射和阻尼而產生的損耗較小。此外由於聚苯乙烯與水的聲速不同，隨著透鏡厚度小變化就可以引起顯著的相位移，這樣就進一步減小了透鏡中的阻尼。此外聚苯乙烯也是一種價廉而容易加工的材料。
本發明還涉及了一種衝擊波中的具有非旋轉對稱的相位移特性的透鏡的應用。這種透鏡應用於衝擊波，尤其是衝擊波聚焦時可使聚焦區有利的擴展，正如上文所述。
優選的改進方案與上述根據本發明的衝擊波發生器的改進方案對應。
非旋轉對稱的相位移特性可以連續的形成。為了簡化對應透鏡的製造，根據另外一可選的較優的方案可以使非旋轉對稱的相位移特性不連續形成。
為了實現一種特別有利的相位移，該透鏡可以包括至少二個具有相同的相位移特性的扇形區。
根據一優選的改進方案，這種透鏡可以包括非旋轉對稱的厚度分布，用以形成非旋轉對稱的相位移特性。
該透鏡優選地可具有不連續的厚度分布。
根據一較優的改進方案，這種透鏡可以具有多個徑向布置的楔形元件用於形成非旋轉對稱的厚度分布。楔形元件不必須從透鏡的中心開始，也可在與中心或者說與光學軸線某個距離處開始。
根據所有前述透鏡的一種較優的改進方案，厚度可以作為角度的函數在一個預先給定的角度區內呈線性增加，角度區域例如可以包括一個扇形區，因而在這扇形區裡的厚度作為角度的函數而線性增加。線性增加不必須是連續的，也可以以不連續的幅度來實現，其方法是使透鏡例如包括有楔形的元件，這些元件的高度或者說厚度是以階梯方式呈線性增加的。
根據所有上述透鏡的一種較優的改進方案，透鏡可以包括至少二種材料，通過恰當選擇具有特定聲速的材料就可以應用這種方式製造具有所希望的相位移特性的透鏡。
透鏡優選使用一種形狀穩定的材料，特別是聚苯乙烯。
圖1圖示用於本發明的衝擊波發生器的一個透鏡的實施例示意圖。
圖2表示圖1中所示實施例的聚焦排布示意圖。
具體實施例方式
以下根據附圖對本發明的其它特性和優點進行說明。
圖1中的透鏡1的下面部分2相當於一種標準透鏡，即為最佳聚焦的透鏡。上面部分3具有一種非旋轉對稱的厚度分布。這種形狀也稱作為渦流(vortex)透鏡。透鏡分為四個圓扇區，其中在所示的實施例中每個扇區具有徑向布置的N＝15個楔形階梯4，其中在一個扇區之內階梯高度h0......hN-1隨角度變化每一個都呈線性增加。第零個階梯沒有高度，也就是h0＝0。
以下根據惠更斯原理對這種透鏡的效應進行說明。不同的階梯高度使不同的基本波基本上達到一種相對的時間延遲(相位移)。相對的最大時間延遲發生在經過最高的階梯hN-1和經過零階梯h0的階梯的基本波之間，這種延遲用Δtmax表示。
在所示楔形階梯的設置中，每個扇區的結構性幹涉形成焦點，焦點全部落在一個環上，環半徑R取決於Δtmax，因而通過合適地選擇Δtmax就可以對聚焦點的擴展產生影響。
圖2示出了圖1中具有四個扇區S1，S2，S3和S4的透鏡1，其中每個扇區包括有N＝15個階梯，(圖中未示出)。在一個最大階梯高度hN-1≠0時，每個扇區形成一個焦點F1，F2，F3和F4，它們都位於一個半徑為R的環上。半徑R表示為hN-1的函數。F表示具有最大階梯高度hN-1＝0的透鏡的焦點。
例如這透鏡可由具有聲速約為950m/s的矽橡膠組成。透鏡位於水中，水的聲速為1550m/s。例如在通過最高的階梯和具有零高度的階梯之間的時間延遲為6μs，這大致相當於一個衝擊波的長度，那麼就得出一個所需的最大階梯高度hN-1＝15mm。
儘管本發明已經參照附圖和優選實施例進行了說明，但是，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。根據本發明的衝擊波發生器的透鏡也可以以其他方式，尤其是採用這些特徵的其它的組合形成。特別是可以選擇任意數量的扇區，或者相位移可以設計成連續的以代替不連續的幅度，其中N→∞。本發明的各種更改，變化，和等同物由所附的權利要求書的內容涵蓋。
權利要求
1.具有一透鏡(1)的衝擊波發生器，其特徵在於，透鏡相對於聲學軸線具有非旋轉對稱的相位移特性。
2.根據權利要求1所述的衝擊波發生器，其中所述非旋轉對稱的相位移特性是不連續形成的。
3.根據權利要求1或者2所述的衝擊波發生器，其中所述透鏡包括至少二個具有相同的所述相位移特性的扇區(S1；S2；S3；S4)。
4.根據上述權利要求的任一項權利要求所述的衝擊波發生器，其中所述透鏡具有非旋轉對稱的厚度分布，用於形成非旋轉對稱的相位移特性。
5.根據權利要求4所述的衝擊波發生器，其中所述透鏡具有多個徑向布置的楔形元件(4)，用以形成所述非旋轉對稱的厚度分布。
6.根據權利要求4或5所述的衝擊波發生器，其中所述厚度作為角度的函數在一預先給定的角度範圍內呈線性增加。
7.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的衝擊波發生器，其中所述透鏡包括至少二種材料。
8.一種具有非旋轉對稱的相位移特性的透鏡應用，其用於衝擊波。
9.根據權利要求8所述的應用，其中非旋轉對稱的相位移特性是不連續形成的。
10.根據權利要求8或9所述的應用，其中所述透鏡具有一種非旋轉對稱的厚度分布，用以形成非旋轉對稱的相位移動特性。
11.根據權利要求10所述的應用，其中所述透鏡具有多個徑向布置的楔形元件，用以形成非旋轉對稱的厚度分布。
12.根據權利要求10或者11所述的應用，其中所述厚度作為角度的函數在一個預先給定的角度範圍內呈線性增加。
13.根據權利要求8至12中任一權利要求所述的應用，其中所述透鏡包括至少二種材料。
全文摘要
本發明涉及具有透鏡的衝擊波發生器，其中的透鏡相對於聲學軸線具有非旋轉對稱的相位移特徵。本發明還涉及具有非旋轉對稱的相位移特徵的透鏡應用，其用於衝擊波。
文檔編號A61B17/225GK1518959SQ200410000500
公開日2004年8月11日 申請日期2004年2月4日 優先權日2003年2月4日
發明者克裡斯蒂安·布赫裡斯, 克裡斯蒂安 布赫裡斯 申請人:多尼爾醫療技術系統有限責任公司