用于冲击波发生器的透镜系统 【技术领域】
本发明涉及一种用于冲击波发生器的透镜系统，其包括至少二个透镜元件。
背景技术
冲击波发生器应用于例如诊治结石病(碎石术)、肿瘤病和骨科病(骨修复)的治疗装置中。为了震碎如肾结石，需要由一个冲击波源产生冲击波序列，并使之聚焦于体内的结石上。在目前可供使用的仪器中，冲击波源和聚焦元件的构造和几何形状尺寸确定了冲击波的几何形状和随时间的变化曲线。
设计冲击源时一个重要的要求在于：一方面要改善震碎的效果，而另一方面要减小由结石未吸收的声学能量而引起的副作用。对电液冲击源(电级源)的实验研究业已表明：所产生的冲击波涉及作用效果与副作用效果比例关系可按如下方法来改善：使冲击波前的一部分相对于主波时间上有延迟，从而通过将延迟波中的正成分进行迭加来减小在聚焦点及其周围所出现的拉伸成分，并因而减小了产生副作用的空化倾向。发明人对冲击波路径中的延迟部分所作的实验已经表明：可以通过延迟冲击波前的几个部分来降低聚焦轴线上的峰值压力。此时，治疗聚焦点就可以大大减小声能的产生量，而并不减小单个脉冲的震碎作用效果。
经常使用的电液方法通过外聚焦点的火花跳跃产生了聚焦点轮廓的一种时间上的延伸和一种侧面的调平。尤其在大型仪器设备中电磁源产生了几何形状和时间上都是精确的脉冲，这些脉冲基于非线性效应产生了锐聚焦。锐聚焦与非锐化聚焦导致各种不同地破碎机制，根据结石的大小、结石的成分和震碎的进展按各种不同的方式适当使用。
专利EP 0 254 104披露了一种冲击波发生器，其具有一个带有多个透镜的聚焦装置。此时将一个或多个透镜或者置入光路或冲击波路程内或者从其中取出。通过透镜的这种置入和取出就可以使聚焦区宽度发生改变。
该背景技术的第一个缺点在于：其仅可以改变聚焦区的几何形状尺寸，而不能改变脉冲曲线。此外，这种置入和取出透镜的方法要求容量相对大的冲击波发生器。
专利EP 0 448 291公开了一种超声探头，其中除了一个压电元件外还布置了一个用于使一个或二个衍射部分旋转的轴，以便将衍射部分的各个不同的部段置入光路里。
【发明内容】
本发明的目的是提出一种透镜系统，其可以使冲击波的聚焦点几何形状尺寸和脉冲曲线发生改变，并且还可以紧凑的结构形式制成。
本发明提供了一种用于冲击波发生器的透镜系统，它至少包括二个透镜元件，其中至少一个透镜元件可以围绕一个旋转轴线在光路之内旋转，且至少二个透镜元件相对于旋转轴线具有非旋转对称的衍射特性和/或相位移特性。本发明的目的是通过上述具有至少二个透镜元件用于声波的透镜系统实现的。
透镜元件在此处和下文是指可透光元件，其适合于改变声学辐射。这种改变例如可以是聚焦或者是相位移。衍射特性的概念不必须指相应的透镜元件使射束聚焦，射束的扩展也是可能的。透镜元件也只能引起一部分或者全部射束的相位移而并不使之聚焦。在这种情况下可以设置另外一个透镜元件，它只用于聚焦。除了至少二个透镜元件之外还设置了一个透镜元件，它具有旋转对称的衍射特性和/或相位移特性。
非旋转对称的相位移特性可以是连续或者不连续的构成。
至少二个透镜元件不一定必须具有相同的衍射特性和/或相位移特性。正如下面要详细讨论的那样，如果它们具有不同的衍射特性和/或相位移特性的话，则往往是有利的。
至少二个透镜元件的非旋转对称的衍射特性和/或相位移特性允许聚焦区和脉冲变化曲线发生改变和实现适配，这是通过使至少一个透镜元件围绕旋转轴线的旋转而实现的。由于旋转轴线位于光路或者说声波路径之内，因而保证了透镜系统的紧凑的外形尺寸。透镜不必如上面所述的背景技术那样每次置入在光路里。
值得注意的是，本发明的透镜系统中至少一个透镜元件不一定要设计为使其在一个光路内检测到整个波的横截面(例如一个冲击波的)。透镜元件也不必完全围住旋转轴线，而且/或者不必须以任意一种方式制成对称于旋转轴线的。
根据一种有利的改进方案，可以同轴地布置至少二个透镜并且其共同轴线可以是旋转轴线。
同轴的布置中的每个透镜元件，至少是指其在垂直于旋转轴线的平面里的周边轮廓，相对于旋转轴线是对称的。例如一个透镜元件可以具有一种圆形的周边。由于采用同轴布置可使其结构简单而紧凑。此外，还可以使透镜位置的调整或者适配简便。
为了调整一定的聚焦区或脉冲轮廓，可以使至少二个透镜元件各自置入一个给定的相对的位置上。通过使其中一个透镜元件固定住，而使另一个围绕旋转轴线运动可以实现这一点。但也可以使所有透镜元件都是可旋转的。在二个以上透镜元件的情况下，另一种可选方案也可以是使一些透镜元件可以活动，而另一些则固定布置。
在一种有利的改进方案中，至少二个透镜元件的衍射特性和/或相位移特性可以这样设计，即可使得至少二个透镜元件的衍射特性和/或相位移特性在至少二个透镜元件的第一种给定的相对布置中是最大的，而在第二种给定的相对布置中则是最小的。
在至少二个透镜元件的第一种给定的相对布置中透镜元件的衍射特性和/或相位移特性大体上可能加强，而在第二种给定的相对布置中它们则大体上至少部分地得以补偿。
在一种有利的改进方案中，至少第二个透镜元件可以具有这种衍射特性和/或相位移特性，从而使至少一个透镜元件和第二个透镜元件的组合在透镜元件的一种给定的相对布置中具有旋转对称的衍射特性和/或相位移特性。按照这种方式，就可以用至少第二个透镜元件的一种给定的相对位置来补偿至少一个透镜元件的非旋转对称的衍射特性和/或相位移特性，从而使一个透镜元件和第二个透镜元件的整体特性是旋转对称的。
根据一种有利的改进方案，第二个透镜元件可以具有与至少一个透镜元件相同的衍射特性和/或相位移特性。因而如果二个透镜元件相对于旋转轴线处于相同的位置上，那么它们的衍射作用和/或相位移作用就最大地被加强。这种改进方案也可以简化透镜的制造。
根据另外一种有利的可选方案，第二个透镜可以具有一种与至少一个透镜元件的特性相反的衍射特性和/或相位移特性。按照这种方式，在二个透镜元件的一种给定的相对布置中可以实现对至少一个透镜元件的非旋转对称的衍射作用和/或相位移作用的补偿。举例来说，如果至少一个透镜元件在一个部位里具有凸起，那么第二个透镜元件可以在一个对应部位里具有一个凹槽。因而可以在透镜元件的第一种相对布置中使衍射作用和/或相位移作用达到最大；在另一种相对布置中可以实现该作用的补偿。至少一个以及第二个透镜元件的优选的设计是通过以最大作用效果的位置相对转动约90°以形成二个透镜元件的具有最小作用效果的相对布置。
在前述的透镜系统的一种有利的改进方案中，至少一个透镜元件可以具有非旋转对称的厚度分布。厚度分布优选的可是不连续的。这就可以准确地调整已定义的聚焦区和/或脉冲曲线。
如前所述，一个透镜元件不必包含整个波的横截面。至少一个透镜元件优选地可以设计成环形。这样就使一部分射线不受影响。
在一种有利的改进方案中，至少一个透镜可以采用至少二种材料。通过合适地选择具有特定声速的材料，可以制成具有所希望特性的透镜元件。
至少一个透镜元件可以优选地采用一种形状稳定的材料，特别是聚苯乙烯。
本发明还涉及一种具有一个前述类型的透镜系统的冲击波发生器。应用该冲击波发生器可使冲击波在治疗时能适应不同的病人，并且在保持相同的治疗效果情况下降低了副作用。
【附图说明】
图1为冲击波发生器中根据本发明的透镜系统的第一实施例示意图；
图2所示为根据本发明的透镜系统的第二实施例示意图，该透镜系统在冲击波发生器中，具有第一种相对布置的透镜元件；
图3a图示图2的透镜装置聚焦区变化曲线；
图3b图示图2所示透镜装置的脉冲变化曲线；
图4具有二个透镜的另一种布置的第二种实施例；
图5a图示图4所示透镜元件布置的聚焦点变化曲线；
图5b图示图4所示透镜元件布置的脉冲变化曲线。
【具体实施方式】
以下根据附图对本发明的其它特征和优点进行说明。
图1表示了一种根据本发明的冲击波发生器的一个实施例。冲击波发生器包括一个冲击源1，其例如可是一平面(如图中所示)或者可是一圆柱形的电磁源，一个平面或球缺形的压电源。在冲击波的光路里布置了一个凸透镜2，它用于使冲击波聚焦。在透镜2的背向冲击源的一侧设有凹槽3。
透镜2由一种声速与周围介质(例如水)的声速不同的材料组成，由于凹槽3，使得穿过透镜2上凹槽3部位的部分冲击波相对于穿过透镜2上其它表面部位其它部分冲击波产生了相位移。该实施例中，凹槽3设计成阶梯状，因此透镜元件具有非连续的厚度分布。
在沿透镜元件2的辐射方向上布置另外一个透镜元件4，其仅用于相位移，而不用于聚焦。透镜元件4上设有凸起5。凸起5的高度对应于凹槽3的深度。二个透镜元件2和4相对于轴线6同轴布置，其中透镜元件4可以围绕轴线6旋转，如箭头所指。
图1所示的透镜2和4相互的相对应位置中，由于凹槽3和凸起5而实现的相位移相互补偿。由于在透镜元件2和4中相互对应的延迟距离或加速距离这二个透镜元件相互具有相反的相位移特性。所得出的冲击波前用标号为9的线标明。
如果使透镜元件4围绕轴线6旋转，使台阶3和5位置不再上下相互对应，那么冲击波根据透镜元件2和4的部位不同而经过透镜不同的距离。因而根据所选材料的不同，一部分冲击波相对于另一部分冲击波产生了加速或者延迟。
如果不采用图1所示的结构，凹槽3和凸起5也可以一直延伸到透镜的中心。除了所示的具有某特定高度或深度的阶梯之外，也可以采用其它具有不同的高度或深度的阶梯。所示的阶梯也可以具不同的外形尺寸，这既适用于透镜元件内的阶梯，也适用于不同透镜元件的阶梯。
透镜元件可由一种具有比周围传播介质(如水)更高声速的材料(例如聚苯乙烯(polistyrol))或者具有更低声速的材料(例如硅橡胶)制成。出于形状稳定性的考虑，透镜元件可以由一种形状稳定的材料(例如聚苯乙烯)制成。
透镜元件4的旋转可以用手通过的一个控制杆以外面进行或者例如用带有一个伺服电机的设备来实现。其它的透镜元件也可以是可活动的。
图2表示了一种根据本发明的冲击波发生器的另一个实施例。该实例中，朝向电磁源1是一个凸透镜2，其仅用于使冲击波聚焦。透镜2后面是二个透镜元件7和8，它们分别具有相同的相位移特性。在所示的布置中透镜元件的厚度以中心起向左和向右都是增加的。
在图2中透镜元件7和8相互布置的形式可使两个透镜元件的相位最大地加强，这是因为相位延迟的部位(在应用一种具有比周围介质较低声速的材料时)上下相互重合。
所得出的冲击波前用线9表示。正如人们所知，波前左边和右边的边缘部位与一个没有延迟的冲击波前10相比略有落后。所示的等压线得出了聚焦区11的相应的压力分布。
图3a再次示出了压力p的位置相关性。从中可以看出冲击波前的空间散焦作用。图3b示出了脉冲变化曲线。冲击波前随时间的散焦作用因而也是最大的。
图4示出了图2中的透镜系统的实施例，其中此处的透镜元件7和8相对图2所示的布置来说相互旋转了大约90°。因此补偿了相位移。冲击波的每个部分都透过具有与周围介质声速不同的的同样的材料厚度，从而使整个冲击波前产生相同的加速或者延迟。所产生的冲击波前10因此对应于一个没有透镜元件7和8的冲击波发生器。
所产生的压力分布或者产生的脉冲变化曲线如图5a和5b所示。从中可以看出冲击波既随空间(图5a)也随时间(图5b)最大地聚焦。
实施例中所示的透镜元件只是对根据本发明的透镜系统的说明。显然，例如透镜7和/或8也可以布置在凸透镜2前面。而且，也可以考虑采用尤其是具有其他厚度分布或者由不同材料组成的透镜元件的组合方案。
在这些实施例中示出了平面电磁冲击源。用于其它冲击源(例如圆柱形或者球缺形源)的透镜元件可以以类比方式进行设计。
尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。本发明的各种更改，变化，和等同物由所附的权利要求书的内容涵盖。