用於產生聲波的電磁源的電路的製作方法
2023-05-15 17:24:31
專利名稱：用於產生聲波的電磁源的電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於產生聲波的電磁源的電路。
背景技術：
圖1示出根據現有技術的這種電路。該電路包括直流電源1、通常作為火花隙構成的開關裝置2、電容器C以及線圈L，該線圈是電磁源的聲波產生單元的一部分。電磁源的聲波產生單元除了線圈L之外還具有未示出的線圈架，線圈就設置在該線圈架上，以及同樣未示出的、絕緣設置在該線圈L上的薄膜。在通過線圈L對電容器C進行放電期間，電流i(t)流過線圈L，由此產生與薄膜相互作用的電磁場。其中，薄膜被作為聲傳播介質而撞擊，由此將源壓力波發射到作為載波介質的、位於電磁源的聲波產生單元和待發出聲波的物體之間的該聲傳播介質中。通過載波介質中的非線性效應，可以從該聲源壓力波中衝例如產生衝擊波。例如EP0133665B1中描述了電磁源、尤其是電磁衝擊波源的結構。
衝擊波例如用於非侵入式地粉碎患者體內的固結物，例如用於粉碎腎結石。對準腎結石的衝擊波發生作用，使得在腎結石中出現裂縫。最後腎結石彼此分裂開來，並由自然途徑排出體外。
如果運行圖1所示的用於產生聲波的電路，則在通過線圈L對電容器C放電過程中(為此藉助開關裝置2產生短路)，產生圖2中示例性繪出的線圈L上的電壓u(t)(曲線3)和流過線圈L的電流i(t)(曲線4)。如已提到的，流過線圈4的衰減電流i(t)是產生聲波的原因。
電流i(t)的平方(即圖2中的曲線5)與電磁衝擊波源產生的聲波成正比。因此，基於電容器C的放電過程，從第一聲源壓力脈衝(第一最大值)中產生第一聲源壓力波，並由正聲源壓力脈衝的衰減序列產生其它聲源壓力波。如已提到的，第一源壓力波和後面的源壓力波可以通過載波介質中的非線性效應以及衝擊波中的非線性聚焦，以短促上升的正分量和後面拉長的所謂低壓槽(Unterdruckwannen)形成，其中非線性聚焦通常是用本身公知的聲聚焦透鏡實現的。
通過流過線圈L的電流i(t)的頻率可以改變衝擊波的特性，例如衝擊波的聚焦直徑。利用可變的電流頻率和由此可變的衝擊波頻率可以例如改變有效焦點的大小，並根據不同的應用設置到待處理的物體上。例如，可以在碎石機中相應地根據結石的大小選擇有效焦點，使得聲能可以更好地用於分裂結石，並減少周圍組織的負擔。
由於最大可達到100MW範圍的短路功率較高，因此電容器C的可變電容和線圈L的可變電感費用很高。因此，為了改變衝擊波，通常只改變電容器C的充電電壓，由此改變流過線圈L的電流i(t)以及線圈L上電壓u(t)的最大值。但是，電流i(t)和電壓u(t)的曲線形狀基本上保持一致。
發明內容
因此，本發明要解決的技術問題是，建立本文開頭所述類型的電路，使得可以改善聲波的產生。
根據本發明，該技術問題是通過用於產生聲波的電磁源的電路來解決的，其特徵在於，該電路包括至少一個第一電容器，該電容器與至少一個由第二電容器和第一整流器構成的串聯電路並聯。
根據本發明的優選實施方式是第一二極體或第一二極體模塊的第一整流器，在此是這樣連接的，即其在兩個電容器充電之後截至，也就是阻止兩個電容器之間的平衡過程。由此，如根據本發明的優選變形所具有的那樣，在對兩個電容器放電之前第一電容器具有大於第二電容器的充電電壓。為了通過該電路產生聲波，首先以通過線圈對第一電容器放電，也就是通過線圈對具有較大充電電壓的電容器放電來開始。只要第一電容器的充電電壓至少基本上等於第二電容器的充電電壓，第一整流器就導通，從而對兩個電容器放電。因此在第二電容器開始放電前，電路具有的電量為第一電容器的電量。而在兩個電容器放電期間，該電路具有等於兩個電容器電量之和的電量。因此，通過改變兩個電容器的充電電壓，可以改變流過線圈的電流的曲線形狀，由此又可以改變衝擊波的特性。如果電路具有多個串連的整流器/電容器對，且這些串聯的整流器/電容器對與第一電容器並聯並加載不同的充電電壓，則還可以改變放電電流的曲線形狀。
此外，第一二極體模塊還包括例如多個二極體的串聯和/或並聯電路。
根據本發明的實施方式，在放電之前，用第一直流電源對第一電容充電，用第二直流電源對第二電容器充電。在本發明的優選實施方式中，還可以只用一個直流電源對第一電容器和第二電容器充電，並且只要第二電容器達到其充電電壓，就用開關裝置將該直流電源與第二電容器斷開。根據本發明的實施方式，該開關裝置至少包括一個半導體元件。
根據本發明的特別優選的變形，由第二電容器/第一整流器和第一電容器組成的並聯電路與第二整流器並聯。根據本發明的實施方式，第二整流器是一個第二二極體或第二二極體模塊。通過第二整流器與電容器的並聯電路，可以在對電容器放電期間延長第一源壓力脈衝的時間。此外，根據第二整流器的阻抗強烈衰減後面的衰減源壓力脈衝。其中，該衰減可以大到使後面的源壓力脈衝完全消失。通過延長第一源壓力脈衝的時間，可以例如在產生衝擊波時產生較強的第一聲波，也就是較強的第一衝擊波，由此為了粉碎固結物而加強了分裂體積的作用。另外，由於在第一源壓力脈衝後面只出現很少的微弱源壓力脈衝，或更本就不出現源壓力脈衝，避免了會對組織造成損害的氣穴現象，該現象是由跟第一衝擊波後面的、後續源壓力脈衝引起的衝擊波所導致的。由此，由於第二整流器引起極性變換電壓減小，提高了第一和第二電容器的使用壽命。此外，在這樣產生衝擊波時產生更少的可聽見聲波，從而減少了噪音。因此，電流平方曲線下的總面積在產生衝擊波過程中對於產生可聽見的聲波具有決定意義。在本發明的情況下，通過去掉通常緊接在第一源壓力脈衝後面的源壓力脈衝來減小該總面積。
在附圖中示例性地展示了本發明的實施例。其中示出了圖1是用於產生聲波的公知電路，圖2示出在圖1的電路的電容器放電期間電壓u(t)、電流i(t)和電流平方i2(t)隨時間的變化，圖3是電磁衝擊波源，圖4示出根據本發明的用於產生聲波的電路，圖5示出在根據本發明的電路放電期間電流i』(t)隨時間的變化，圖6至圖8示出其它根據本發明的電路。
具體實施例方式
圖3以部分截面、部分電路框圖的形式示出電磁衝擊波源，該電磁衝擊波源為治療頭10的形式，該治療頭10在本實施方式中是未示出的碎石機的部件。治療頭10具有用11表示的、本身公知的按照電磁原理工作的聲波產生單元。聲波產生單元11按照圖3中未示出的方式具有線圈架、設置在該線圈架上的平面線圈和與該平面線圈絕緣的金屬薄膜。為了產生聲波，該薄膜通過與平面線圈的電磁相互作用而被作為用12表示的聲傳播介質撞擊，由此，源壓力波被發射到聲傳播介質12中。聲透鏡13的源壓力波聚焦在焦點區F上，其中，當源壓力波在聲傳播介質12中傳播時以及在進入患者P體內之後，源壓力波上升為衝擊波。在圖3所示實施例的情況下，該衝擊波用於粉碎患者P腎臟N內的結石ST。
治療頭10配屬有操作和供電單元14，後者包括圖4所示的直至平面線圈的根據本發明的用於產生聲波的電路。在此，操作和供電單元14通過圖3所示的連接導線15與包括平面線圈的聲波產生單元11電連接。
圖4中示出的根據本發明的用於產生聲波的電磁衝擊波源的電路包括直流電源DC0、DC1和DC2，開關裝置S，電容器C0、C1和C2，以及治療頭10的電磁聲波產生單元11的扁平線圈23。在本實施例的情況下，電容器C1與二極體D1串聯，電容器C2與二極體D2串聯。此外，由電容器C1/二極體D1和電容器C2/二極體D2構成的串聯電路與電容器C0並聯。
為了給電容器C0至C2充電而斷開開關裝置S。因此用直流電源DC0的直流電壓U0以及按照圖4所示的極性對電容器C0充電。用直流電源DC1的直流電壓U1以及按照圖4所示的極性對電容器C1充電。在本實施例的情況下，直流電源DC1的電壓U1小於直流電源DC0的電壓U0。這樣連接二極體D1，使得只要電容器C0具有比電容器C1大的充電電壓u0(t)，二極體D1就截止。因此，二極體D1阻止充電電壓為U0的電容器C0和充電電壓為U1的電容器C1之間的平衡過程，因此電容器C0在充電結束後具有比電容器C1高的充電電壓U0，而電容器C1在充電結束後具有充電電壓U1。此外，用直流電源DC2的直流電壓U2以及按照圖4所示的極性對電容器C2充電。在本實施例的情況下，直流電壓U2小於直流電壓U1。同樣這樣來連接二極體D2，使得只要電容器C2具有小於電容器C0充電電壓u0(t)的充電電壓u2(t)，二極體D2就截止。由此，電容器C0至C2可以用不同大小的電壓來充電。
為了產生衝擊波而閉合開關裝置S。由此電容器C0開始通過線圈23放電，因此電容器C0的電壓u0(t)下降，並且電流i』(t)流過平面線圈23。加在平面線圈23上的電壓用u』(t)表示。如果電容器C0的電壓u0(t)達到充電後的電容器C1的電壓U1值，則二極體D1導通，並且流過平面線圈23的電流i』(t)由兩個電容器C0和C1饋給。如果電容器C0的電壓u0(t)以及電容器C1的電壓u1(t)都達到充電後的電容器C2的電壓U2，則二極體D2導通，並且流過平面線圈23的電流i』(t)由三個電容器C0至C2饋給。因此，該電路具有可在時間上改變的電量，由此可以影響流過平面線圈23的電流i』(t)的曲線形狀。通過圖4中未示出的與電容器C0並聯的其它電容器/二極體組合，這些組合的電容器具有小於直流電源DC0的電壓U0的、不同大小的充電電壓，可以進一步影響在放電期間流過平面線圈23的電流i』(t)的曲線形狀。
圖5作為例子示出當圖4所示的電路只包括電容器C0和C1時，在放電期間流過平面線圈23的電流i』(t)的變化曲線。通過適當選擇直流電源DC0和DC1的電壓U0和U1，使電流最大值相等。
圖6示出根據本發明的電路的另一實施方式。在本實施例的情況下，圖6所示的電路包括電容器C0』至C2』，開關裝置S』、S1和S2，二極體D1』和D2』，直流電源DC0』以及平面線圈23。
二極體D1』和電容器C1』以及二極體D2』和電容器C2』串聯連接。由電容器C1』/二極體D1』和電容器C2』/二極體D2』構成的串聯電路與電容器C0』並聯。這樣設置二極體D1』和D2』的極性，使得只要電容器C0』的根據圖6所示極性的充電電壓u0』(t)大於根據圖6所示極性的電容器C1的充電電壓u1』(t)以及電容器C2的充電電壓u2』(t)，二極體D1』和D2』就截止。
在電容器C0』之C2』充電期間開關裝置S』斷開。在開始充電時開關S1和S2閉合。由於電容器C1』和C2』應當由比直流電源DC0的電壓U0』小的充電電壓U1』和U2』來充電，因此當電容器C1』和C2』具有期望的充電電壓U1』和U2』時，開關S1和S2斷開。由於在本實施例的情況下電容器具有小於1安培的較小的充電電流，因此開關S1和S2在毫秒範圍內的開關精度就足以用足夠的精度對電容器C1』和C2』充電。在充電期間，利用圖6未示出的測量儀器監控電容器C1』和C2』的電壓u1』(t)和u2』(t)。
因此，在充電結束時開關裝置S1和S2斷開，從而電容器C0』的充電電壓為直流電源DC0』的電壓U0』，電容器C1』和C2』的充電電壓分別為U1』和U2』。此外，在本實施例的情況下，充電後的電容器C2』的電壓U2』小於充電後的電容器C1』的電壓U1』。
為了對電容器C0』至C2』放電閉合開關裝置S』，並開始通過平面線圈23對電容器C0』放電，由此電流i』(t)流過平面線圈23。只要電容器C0』的電壓u0』(t)大於充電後的電容器C1』的電壓U1』，二極體D1』和D2』就截止。如果電容器C0』的電壓u0』(t)達到充電後的電容器C1』的電壓U1』值，則二極體D1』導通，並且流過平面線圈23的電流i』(t)由電容器C0』和C1』饋給。如果電容器C0』的電壓u0』(t)以及電容器C1』的電壓u1』(t)都達到充電後的電容器C2』的電壓U2』，則二極體D2』導通，並且流過平面線圈23的電流i』(t)由電容器C0』至C2』饋給。
圖7示出另一個根據本發明的電路，該電路與圖4所示的電路相比還具有一個二極體D3。二極體D3以截至方向與電容器C0的充電電壓U0並聯。
圖8還示出另一個根據本發明的電路，該電路與圖6所示的電路相比還具有一個二極體D3』。二極體D3』以截至方向與電容器C0』的充電電壓U0』並聯。
可以用具有多個二極體的串聯電路和/或並聯電路的二極體模塊來代替二極體D1至D3和D1』至D3』。開關裝置S、S』、S1和S2可以尤其是由本身公知的半導體閘流管組成的串聯電路，這些半導體閘流管例如由BEHLKEELECTRONIC GmbH公司(Am Auerberg 4，61476 Kronberg)在其2001年6月的產品目錄「Fast High Voltage Solid-State Switches」中提供。
權利要求
1.一種用於產生聲波的電磁源的電路，其特徵在於，該電路包括至少一個第一電容器(C0，C0』)，該電容器(C0，C0』)與至少一個由第二電容器(C1，C2，C1』，C2』)和第一整流器(D1，D2，D1』，D2』)構成的串聯電路並聯。
2.根據權利要求1所述的電路，其特徵在於，所述第一整流器是第一二極體(D1，D2，D1』，D2』)或第一二極體模塊。
3.根據權利要求1或2所述的電路，其特徵在於，在對所述第一電容器(C0，C0』)和第二電容器(C1，C2，C1』，C2』)進行放電之前，對所述第一電容器(C0，C0』)利用比對所述第二電容器(C1，C2，C1』，C2』)大的充電電壓(U0，U0』)進行充電。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的電路，其特徵在於，在放電之前，利用第一直流電源(DC0)對所述第一電容器(C0)充電，利用第二直流電源(DC1，DC2)對所述第二電容器(C1，C2)充電。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的電路，其特徵在於，可以只用一個直流電源(DC)對所述第一電容器(C0』)和所述第二電容器(C1』，C2』)充電，並且只要該第二電容器(C1』，C2』)達到其充電電壓，就可用開關裝置(S1，S2)將該直流電源(DC)與該第二電容器(C1』，C2』)斷開。
6.根據權利要求5所述的電路，其特徵在於，所述開關裝置(S1，S2)包括至少一個半導體元件。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的電路，其特徵在於，由所述第二電容器(C1，C2，C1』，C2』)/第一整流器(D1，D2，D1』，D2』)和第一電容器(C0，C0』)組成的並聯電路與第二整流器(D3，D3』)並聯。
8.根據權利要求7所述的電路，其特徵在於，所述第二整流器是第二二極體(D3，D3』)或第二二極體模塊。
全文摘要
本發明涉及一種用於產生聲波的電磁源的電路。該電路包括至少一個第一電容器(C0，C0′)，該電容器與至少一個由第二電容器(C1，C2，C1′，C2′)和第一整流器(D1，D2，D1′，D2′)構成的串聯電路並聯。
文檔編號B06B1/02GK1665607SQ03815359
公開日2005年9月7日 申請日期2003年6月16日 優先權日2002年6月28日
發明者阿尼姆·羅韋德 申請人:西門子公司