ГЕНЕРАТОР УДАРНО-ВОЛНОВЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ ЭКСТРАКОРПОРАЛЬНОЙ УДАРНО-ВОЛНОВОЙ ЛИТОТРИПСИИ И ТЕРАПИИ Российский патент 2006 года по МПК A61B17/225 B06B1/02 

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к литотриптерной технике дистанционного воздействия и установкам для ударно-волновой терапии опорно-двигательного аппарата.

Известен генератор ударно-волновых импульсов для экстракорпоральной ударно-волновой литотрипсии и терапии, включающий конденсатор, корпус с размещенными в нем соосно друг другу фокусирующей линзой, излучающей мембраной и дисковым индуктором на диэлектрической подложке, приспособлением для обеспечения водой надмембранной полости корпуса, и приспособление для прижима мембраны к индуктору [1].

Недостатком генератора ударно-волновых импульсов для экстракорпоральной ударно-волновой литотрипсии и терапии является выполнение приспособления для прижима мембраны к поверхности дискового индуктора в виде центральных и периферийных металлических стяжек, что с одной стороны уменьшает эффективную площадь излучения и соответственно КПД отдачи индуктора, а с другой стороны увеличивает жесткость мембраны, что также снижает КПД индуктора и, кроме того, вследствие постепенного эксплуатационного отдаления (из-за ее вытягивания или «паковки») мембраны от индуктора увеличивается индуктивность разрядного контура, и соответственно изменяются параметры ударно-волнового пучка в фокусе, - пучок размывается, падает амплитуда, возрастает отрицательная составляющая в ударно-волновом импульсе, негативно влияющая на вероятность повреждения тканей.

Более близким техническим решением к настоящему изобретению является генератор ударно-волновых импульсов для экстракорпоральной ударно-волновой литотрипсии и терапии, содержащий конденсатор с управляемым разрядником, корпус с размещенными в нем соосно друг другу фокусирующей линзой, излучающей мембраной и дисковым индуктором на диэлектрической подложке, приспособлением для обеспечения водой надмембранной и надлинзовой полостей корпуса и приспособление для прижима излучающей мембраны к поверхности индуктора [2].

В этом генераторе возможно изменение параметров пучка в фокусе за счет изменения параметров зарядки конденсатора и соответственно варьирования в некоторых пределах амплитудных и размерных характеристик ударно-волнового пучка в терапевтическом фокусе.

Однако вследствие использования разнесенных по элементам контура управляемого разрядника и конденсатора индуктивность контура значительна и для эффективного перемещения мембраны (от витков индуктора в импульсе) необходима значительная (до 2 мкФ и более в литотрипсии и до 1 мкФ в терапии) емкость конденсатора, что приводит к большим (более 30 кА) токам в разрядном контуре, преждевременной «паковке» (изменению формы за пределами упругих деформаций) мембраны и перегреву витков индуктора. Кроме того, вследствие эксплуатационной «паковки» мембраны происходит, искажение параметров ударно-волнового пучка в терапевтическом фокусе и возрастает вероятность повреждения тканей за счет возрастающей отрицательной амплитуды ударно-волнового импульса.

Также вследствие отсутствия «демпферного» крепления линзы к корпусу в терапевтическом фокусе фокусируется не только необходимый «короткий» (˜0,5-1 мкс для литотрипсии и ˜2 мкс для терапии) ударно-волновой импульс, но и ненужный значительный по длительности волновой (из-за образующегося гидропотока при перемещении мембраны) импульс в миллисекундном диапазоне, приводящий к возможной травматизации тканей (гематомы на кожной поверхности, гематурия почки и т.п.).

Кроме того, отсутствие приспособления для изменения кривизны излучающей мембраны и приспособления для создания асимметричного ударно-волнового пучка изначально не позволяет отрегулировать размеры ударно-волнового пучка в фокусе и обеспечить необходимое не только размерное (продольный и поперечный размер фокуса) фокальное соотношение, но и соотношение между величиной продольной и тангенциальной амплитудной нагрузки в фокусе пучка. В целом, это значительно снижает эффективность (применительно к литотрипсии - качество дробления, а к терапии - возрастание излишней болевой и энергетической нагрузки на ткани, не находящиеся в зоне «интереса» воздействия).

Помимо этого вследствие отсутствия в надмембранной полости протока воды, охлаждающего и прижимающего мембрану к поверхности индуктора, возрастает вероятность «паковки» мембраны из-за индукционного импульсного перегрева. Кроме того, вследствие закрепления мембраны только по ее периферии эффективность принудительного вакуумирования полости мембрана-индуктор незначительна, что также способствует постепенному «отдалению» мембраны от индуктора, увеличению индуктивности и искажению ударно-волнового пучка, а также снижению ресурса работы генератора.

Именно на решение задачи повышения эффективности ударно-волнового воздействия, как при литотрипсии, так и терапии (за счет обеспечения как можно более длительно сохраняющейся по времени первоначальной оптимальной настройки параметров пучка с минимально возможной отрицательной амплитудой в ударно-волновом импульсе) при одновременном снижении вероятности повреждения тканей и повышения ресурса изделия направлено настоящее изобретение.

Сущность изобретения заключается в создании оптимального соотношения между электрическими и механическими характеристиками, влияющими на параметры ударно-волнового пучка в терапевтическом фокусе, а именно в выполнении в виде цилиндра со сквозным осевым отверстием, в котором расположен управляемый разрядник, причем фокусирующая линза закреплена упруго по ее периферийной части, при этом дисковый индуктор снабжен приспособлением для изменения кривизны поверхностей витков индуктора и излучающей мембраны.

Кроме того, генератор снабжен приспособлением для создания асимметричного ударно-волнового пучка, которое выполнено в виде лепестка-сектора с поглощающим покрытием, при этом лепесток-сектор закреплен на бобышке с возможностью осевого поворота над фокусирующей линзой.

Помимо того, приспособление для обеспечения водой надмембранной и надлинзовой полостей корпуса выполнено в виде бобышки с осевым отверстием для отвода воды и радиальными отверстиями подачи воды, причем последние расположены между излучающей мембраной и фокусирующей линзой, при этом в периферийных частях фокусирующей линзы выполнены сквозные наклонные относительно оси фокусирующей линзы отверстия.

Помимо этого приспособление для прижима излучающей мембраны к дисковому индуктору выполнено в виде размещенной соосно с излучающей мембраной металлической шайбы, с образованной в ней со стороны диэлектрической подложки дискового индуктора вакуумной полостью, при этом металлическая шайба и мембрана покрыты водонепроницаемым покрытием, а в центральной части диэлектрической подложки дискового индуктора выполнена кольцевая канавка. Этим приспособлением реализуется эффективный прием вакуумного прижима внутренней поверхности мембраны к поверхности дискового индуктора.

Технический результат достигается не только за счет создания (путем оптимизации электрических и физико-механических характеристик изделия) близкого к овалообразному (с продольными и поперечными осями в соотношении не более 4:1) терапевтического фокуса с минимально возможной отрицательной амплитудой, но и за счет длительной эксплуатационной сохраняемости оптимальных параметров ударно-волнового пучка путем первоначальной настройки кривизны пары индуктор-мембрана по отношению к кривизне линзы и возможности снижения ненужных энергетических нагрузок (методом экранировки части пучка) на ткани (и кости) вне зоны терапевтического воздействия. Этот технический результат достигается при одновременном повышении КПД и надежности работы индуктора, а также излучающей мембраны по эксплуатационному изменению ее формы (т.е. уменьшению вероятности «паковки» мембраны).

Сущность технического результата состоит в согласовании следующей электромеханической цепи: характеристик разрядного контура (конденсатор - разрядник - индуктор), кинетических (динамических) характеристик находящегося в водной среде излучателя (мембраны) и геометрических характеристик фокусирующего элемента (линзы).

На фиг.1 показан общий вид генератора для экстракорпоральной ударно-волновой литотрипсии и терапии с осевым разрезом корпуса и конденсатора.

На фиг.2 показан осевой разрез части генератора с приспособлением для создания асимметричного ударно-волнового пучка.

На фиг.3 показан вариант (осевой разрез) приспособления для прижима излучающей мембраны к индуктору.

Генератор ударно-волновых импульсов для экстракорпоральной ударно-волновой литотрипсии и терапии состоит из конденсатора 1 в виде цилиндра 2 с управляемым разрядником 3, размещенным в сквозном осевом отверстии 4 цилиндра 2. Низкопотенциальный вывод 5 цилиндра 2 через токовод 6 сообщен с витками 7 дискового индуктора 8, а высокопотенциальный вывод 9 через разрядник 3 также сообщен тоководом 10 с витками 7 индуктора 8. Конденсатор с тоководами 6 и 10, разрядником 3 представляет коаксиальную часть разрядного контура. В отверстии 4 цилиндра 2 размещен вентилятор 11 для охлаждения разрядника 3. В корпусе 12 соосно друг другу размещены двояковогнутая фокусирующая линза 13, индуктор 8 на диэлектрической подложке 14 и излучающая мембрана 15 над поверхностью 16 витков 7 индуктора 8. На оси 17 корпуса 12 расположено приспособление 18 для обеспечения водой надмембранной 19 и надлинзовой 20 полостей корпуса 12. Приспособление 18 выполнено в виде выступающей над мембраной 15 бобышки 21с осевым отверстием 22 отвода воды из полостей 19 и 20 и радиальным отверстиями 23 подачи воды, расположенными в этой полости 19 между излучающей мембраной 15 и фокусирующей линзой 13. Периферийная часть 24 линзы 13 в корпусе 12 закреплена упруго посредством набора периферийных торцевых цилиндрических демпферов 25, оси 26 которых параллельны центральной оси 17 корпуса 12. В линзе 13 на периферии (симметрично по образующей линзы 13) выполнены сквозные наклонные относительно оси 17 отверстия 27, сообщающие надмембранную полость 19 с надлинзовой полостью 20 корпуса 12, а в центральной части 28 линзы 13 выполнено сообщающее между собой полости 19 и 20 осевое отверстие 29 с диаметром, большим чем диаметр бобышки 21.

Индуктор 8 с мембраной 15 прижат к обечайке 30 корпуса 8 посредством прижимных 31 и установочных 32 винтов опорного металлического диска 33. Центральная часть пары индуктор 8 - мембрана 15 опирается на опорную диэлектрическую втулку 34 со ступенью 35, и последняя посредством установочных винтов 32 в центральной части опорного диска 33 прижата к центральной части пары индуктор 8 - мембрана 15. Совокупность элементов: установочный винт 32 в диске 33 и ступень 35 втулки 34 образуют приспособление 36 для изменения кривизны поверхностей 16 дискового индуктора 8 и излучающей мембраны 15.

Среднюю часть 37 (см. фиг.2) бобышки 21 охватывает металлическая шайба 38 с вакуумной полостью 39 в виде радиальных канавок 40 со стороны центральной части 41 диэлектрической подложки 14 индуктора 8 и в этой части 41 выполнена кольцевая вакуумная канавка 42, открытая в сторону радиальных канавок 40 шайбы 38.

Металлическая шайба 38 и мембрана 15 покрыты водонепроницаемым (на основе резиноподобных смесей) покрытием 43, а между мембраной 15 и шайбой 38 имеется кольцевой промежуток 44.

Совокупность элементов в виде шайбы 38 с водонепроницаемым покрытием 43, вакуумной полости 39, кольцевой канавки 42, центральной части 41 подложки 14 образует приспособление 45 для вакуумного прижима излучающей мембраны 15 к индуктору 8.

Вакуумная полость 39 шайбы 38 может быть образована ступенью 46 (см. фиг.3) шайбы 38 при выполнении шайбы ступенчатой, при этом эта ступенчатость шайбы 38 выполняет функции радиальных канавок 40.

Приспособление 47 (см. фиг.2) для создания асимметричного ударно-волнового пучка выполнено в виде лепестка-сектора 48 с поглощающим ударно-волновой пучок покрытием 49 (на основе резиноподобных смесей с развитой внутренней пористостью) со стороны линзы 13. Лепесток-сектор 48 закреплен на бобышке 21 посредством съемной насадки 50 и имеет возможность совместно с насадкой 50 осевого поворота на бобышке 21. В насадке 50 выполнены радиальные 51 и осевое 52 (по оси 17) окна для осуществления доступа воды в отверстие 22 бобышки 21.

Корпус 12 со стороны терапевтического фокуса 53 (см. фиг.1) закрыт эластичной «водяной подушкой» 54, как правило, выполненной на основе силиконовых или латексных смесей. «Водяная подушка» 54 имеет боковые гофры 55 и штуцер 56 для отвода воздуха из полости 20.

Работа генератора ударно-волновых импульсов для экстракорпоральной ударно-волновой литотрипсии и терапии осуществляется следующим образом.

Вначале осуществляется настройка генератора по выбору оптимального режима фокусировки ударно-волновых импульсов. При проведении настройки в терапевтическом фокусе 53 размещается мишень-имитатор (не показана, обычно в виде диска диаметром около 30 мм и толщиной около 5-7 мм). Производится 200 контрольных импульсов на одном из средних энергетических режимов генератора и оценивается форма лунки эрозии на мишени-имитаторе. Затем посредством винтов 32 производится корректировка кривизны поверхности 16 индуктора 8 и мембраны 15 и вторично проводится подача контрольной серии ударно-волновых импульсов на новой мишени-имитаторе. Процесс настройки заканчивается при получении наиболее оптимальной формы лунки эрозии в мишени-имитаторе (обычно, в виде симметричной воронки диаметром около 5-8 мм и глубиной около 2-3 мм). Таким образом, достигается точное согласование направления излучаемого мембраной 15 ударно-волнового пучка с кривизной фокусирующей линзы 13.

После проведения процедуры настройки генератор эксплуатируется в дистанционном литотриптере или на установках для ударно-волновой терапии (не показаны). При литотриптерном варианте эксплуатации используется линза 13 с расстоянием от ее поверхности до терапевтического фокуса в 140-170 мм. На лежаке (не показан) литотриптера размещается пациент (не показан) и стандартным (ультразвуковым или рентгеновским способом) обнаруживается конкремент (не показан), который посредством перемещения лежака с пациентом подводится в терапевтический фокус 53. Затем в надмембранную полость 19 корпуса 12 подается через радиальные отверстия 23 бобышки 21 вода, заполняющая полости 19 и 20. «Водяная подушка» 54 заполняется водой до соприкосновения с пациентом. Обычно, для исключения потерь энергии ударно-волнового пучка на переходе «подушка» 54 - тело пациента «подушку» 54 со стороны пациента смазывают УЗИ-гелем.

При первичном наполнении полостей 19 и 20 водой воздух отводят через штуцер 56 любым из способов, включая и подсоединение штуцера 56 к вакуумной системе (не показана) литотриптера.

После соприкосновения «подушки» 54 с телом пациента вторично контролируют по экрану монитора (не показан) совмещение конкремента с терапевтическим фокусом 53 и начинают процедуру литотрипсии.

При работе генератора вода в «подушке» 54 циркулирует по контуру: радиальные отверстия 23 бобышки 21 - надмембранная полость 19 - наклонные отверстия 27 в линзе 13 - надлинзовая полость 20 - центральное отверстие 29 линзы 13 - осевое отверстие 22 отвода воды. При такой циркуляции поток воды оказывает прижимающее (к индуктору 8) воздействие на мембрану 15 и предотвращает излишний перегрев мембраны 15 и витков 7 индуктора 8.

Для сохранения первоначальной настройки (при эксплуатации генератора) положения мембраны 15 по отношению к поверхности 16 витков 7 индуктора 8 вакуум (из вакуумной системы литотриптера или установки для ударно-волновой терапии - не показана) подводят к кольцевой канавке 42 в центральной части 41 диэлектрической подложи 14 индуктора 8 и от этой канавки 42 через радиальные канавки 40 шайбы 38 вакуум проникает в зазор (не показан) между мембраной 15 и поверхностью 16 индуктора 8. Зазор между мембраной 15 и поверхностью 16 образуется при протекании импульсного тока по виткам 7 индуктора 8, когда мембрана 15, «отталкиваясь» от поверхности 16, образует в воде ударно-волновой импульс, фокусируемый линзой 13 в ударно-волновой пучок.

Для возврата мембраны 15 в исходное положение после прохождения импульсного тока по виткам 7 индуктора 8 используется совокупность - вакуум, упругое водонепроницаемое покрытие 43 мембраны 15 и шайбы 38 и эффект прижатия водонепроницаемого покрытия 43 потоком воды из радиальных отверстий 23 подачи воды в надмембранную полость 19 корпуса 12.

Поскольку упругие и инерционные свойства мембраны 15 (ее разгон, торможение и возврат в исходное положение) связаны с параметрами (индуктивность, емкость, энергия) разрядного контура, то одним из существенных факторов (кроме импульсной энергии конденсатора 1) является время разгона мембраны 15, напрямую зависящее от соотношений величины индуктивности и емкости разрядного контура. Для создания высокого кпд контура (обеспечение максимального процента перехода электрической энергии в механическую) используют предложенную конструкцию с минимально возможной индуктивностью разрядного контура, токовыводов 6 и 10, выводов 5 и 9 конденсатора 1, управляемого разрядника 3. Выводы 5 и 9 и управляемый разрядник 3 (как тот же элемент разрядного контура) обладают в совокупности малой погонной индуктивностью при выполнении этой совокупности элементов «квазикоаксиальными» в виде разрядника 3 внутри осевого отверстия 4 конденсатора 1.

При таком исполнении конденсатора 1 импульсная индуктивность нагрузки (изменяемая по кривой «асимметричного колокола» в координатах «индуктивность в импульсе - время импульса»), достаточно просто согласуется с индуктивностью других (тоководов 5, 6 и цилиндра 2) элементов разрядного контура.

При работе генератора в установке ударно-волновой терапии используют линзу 13 с рабочим расстоянием 40-70 мм до терапевтического фокуса 53. Подведение подушки 54 к «зоне интереса воздействия» (не показана) осуществляется, как правило, визуально, по заранее проведенным рентгеновским или ультразвуковым исследованиям «зоны интереса воздействия».

При необходимости экранирования части ударно-волнового пучка от попадания его на «кости» (особенно при литотрипсии мочеточников) или для создания радиальной нагрузки на кальцифицированные соединения в мышцах в местах их присоединения к костям (при терапии заболеваний опорно-двигательного аппарата) используют приспособление 47 для создания асимметричного ударно-волнового пучка. Для этого удаляют воду из полости 20, снимают «подушку» 54, устанавливают на бобышке 21 насадку 50 и ориентируют лепесток-сектор 48 в необходимом для экранирования части пучка положении. Затем устанавливают «подушку» 54 на корпусе 12, заполняют водой полости 19 и 20 и вводят «подушку» 54 в контакт с пациентом. После чего стандартным образом проводят процедуру литотрипсии или терапии.

При использовании изобретения достигается эффективное сочетание электрических параметров разрядного контура с механическими и инерционными характеристиками излучающей ударно-волновой импульс мембраны, а также обеспечивается надежная повторяемость параметров ударно-волнового импульса в терапевтическом фокусе с минимально возможной отрицательной (т.е. травмирующей ткани) амплитудой в ударно-волновом импульсе, а также, при необходимости, уменьшения ударно-волновой нагрузки на нежелательные зоны воздействия (здоровые ткани, кости).

Источники информации

1. Заявка Германии, №3739390, кл. А 61 В 17/22, опублик. 1989.

2. Патент Германии, №4213586, кл. А 61 В 17/22, опублик. 1992.

Изобретение используется в медицинской технике для экстракорпоральной ударно-волновой литотрипсии и терапии. Генератор ударно-волновых импульсов содержит конденсатор с размещенным внутри последнего управляемым разрядником, корпус с фокусирующей линзой, дисковым индуктором, излучающей мембраной и приспособления для обеспечения водой полостей под «водяной подушкой», для вакуумного прижима мембраны к индуктору, для изменения кривизны поверхностей индуктора и мембраны, для создания асимметричного ударно-волнового пучка. Использование изобретения позволяет эффективно и надежно проводить процедуры литотрипсии и терапии за счет комплексного согласования геометрических характеристик фокусирующей линзы с геометрическими, кинетическими свойствами излучающей мембраны и импульсными характеристиками разрядного контура. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Генератор ударно-волновых импульсов для экстракорпоральной ударно-волновой литотрипсии и терапии, включающий конденсатор с управляемым разрядником, корпус с размещенными в нем соосно друг другу фокусирующей линзой, излучающей мембраной и дисковым индуктором на диэлектрической подложке, приспособление для обеспечения водой надмембранной и надлинзовой полостей корпуса и приспособление для прижима излучающей мембраны к индуктору, отличающийся тем, что корпус снабжен приспособлением для изменения кривизны поверхностей дискового индуктора и излучающей мембраны, конденсатор выполнен в виде цилиндра, в сквозном отверстии которого расположен управляемый разрядник, при этом низкопотенциальный и высокопотенциальный через разрядник выводы конденсатора связаны с витками индуктора, а фокусирующая линза закреплена в корпусе упруго по ее периферийной части.2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен приспособлением для создания асимметричного ударно-волнового пучка, которое выполнено в виде лепестка-сектора с поглощающим покрытием, при этом лепесток-сектор закреплен на бобышке с возможностью осевого поворота над фокусирующей линзой.3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что приспособление для обеспечения водой надмембранной и надлинзовой полостей корпуса выполнено в виде бобышки с осевым отверстием для отвода воды и радиальными отверстиями для подачи воды, расположенными между излучающей мембраной и фокусирующей линзой, а в периферийной части фокусирующей линзы выполнены сквозные, наклонные относительно оси фокусирующей линзы отверстия.4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что приспособление для прижима излучающей мембраны к дисковому индуктору выполнено в виде размещенной соосно с излучающей мембраной металлической шайбы с образованной в ней со стороны диэлектрической подложки дискового индуктора вакуумной полостью, при этом металлическая шайба и мембрана покрыты водонепроницаемым покрытием, а в центральной части диэлектрической подложки дискового индуктора выполнена кольцевая вакуумная канавка.