k 19 REGISTRO DE LA PROPIEDAD INDUSTRIAL ESPAÑA k 11 N. de publicación: ES 2 007 823 k 21 Número de solicitud: 88014 k 1 Int. Cl. 4 : H04R 17/00 A61B 17/22 A61B 8/00 G01S 1/00 k 12 PATENTEDEINVENCION A6 k 22 Fecha de presentación: 28.04.88 k Prioridad: 28.04.87 FR 87.0980 k 73 Titular/es: Edap International Z.I. Le Parc Aux Vignes, rue des Vieilles Vignes, Croissy Beaubourg, FR k 4 Fecha de anuncio de la concesión: 01.07.89 k 72 Inventor/es: Dory, Jacques k 46 Fecha de publicación del folleto de patente: 01.07.89 k 74 Agente: Gómez-Acebo Pombo, J. Miguel k 4 Título: Generador de impulsos elásticos que tiene una forma de onda predeterminada deseada y su aplicación al tratamiento o al diagnóstico médico. k 7 Resumen: Generador de impulsos elásticos que tienen una forma de onda predeterminada deseada y su a- plicación al tratamiento o al diagnóstico médico, cuyo generador comprende un transductor piezoeléctrico o magnetoestrictivo focalizante o asociado con medios de focalización, que tiene una pluralidad de superficies emisoras elementales que engendran señales elásticas que se superponen, tras propagación a lo largo de una cierta distancia, en una región focal y medios para excitar periódicamente a una cadencia determinada varios grupos de superficies elementales con señales eléctricas breves respectivas distintas, caracterizado porque las citadas superficies emisoras pertenecen a elementos transductores eléctricamente aislados los unos de los otros que tienen funciones de transferencia diferentes y porque se han previsto medios de defasado de las señales elásticas emitidas por los elementos transductores (líneas de retardo -21-22). Venta de fascículos: Registro de la Propiedad Industrial. C/Panamá, 1 28036 Madrid
1 2 007 823 2 DESCRIPCION Cuando se propagan impulsos elásticos, en particular impulsos elásticos de gran potencia tales como los utilizados en el litotripsia extracorporal, en un líquido de acoplamiento, los picos negativos que comprende inevitablemente su forma de onda engendran variaciones de presión en el seno del líquido y, cuando la presión local desciende por debajo de la presión de vapor saturante, pueden formarse cavidades llenas de vapor en el seno del líquido. Cuando estas burbujas de vapor alcanzan regiones de presión mayor, se condensan brutalmente. La solicitante ha descubierto que este fenómeno de cavitación tiene tendencia a frenar la propagación de cualquier pico positivo precedido por un pico negativo, como consecuencia, a reducir considerablemente la potencia transmitida a las células a tratar o a examinar por un generador de impulsos elásticos y entraña diversas perturbaciones de los efectos buscados en la aplicación de los impulsos elásticos en el examen ecográfico o en el tratamiento por concentración de potencia ultra-acústica en un punto focal. El litotropsia extra-corporal, la cavitación presenta el inconveniente particularmente importante de provocar una sensación de picazón que puede alcanzar el umbral del dolor. La presente invención tiene por objeto un generador de impulsos elásticos que tiene una forma de onda predeterminada deseada, obtenida soperponiendo en una región focal de un transductor piezoeléctrico o magnetoestrictivo ondas elásticas elementales que tienen características de frecuencia y de fases diferentes engendradas separadamente por superficies emisoras elementales respectivas del transductor que tienen en sí mismas funciones de transferencia diferentes. El generador de impulsos elásticos según la invención comprende un transductor piezoeléctrico o magnetoestrictivo, focolizante o asociado con medios de focalización, que tiene una pluralidad de superficies emisoras elementales que engendran señales elásticas que se superponen tras propagación a lo largo de una cierta distancia en una región focal y medios para excitar periódicamente, con una cadencia determinada, varios grupos de superficies elementales con señales eléctricas breves respectivas distintas, y se caracteriza porque las citadas superficies emisoras pertenecen a elementos transductores eléctricamente aislados los uos de los otros y que tienen funciones de transferencia diferentes y porque se han previsto medios de defasado de las señales elásticas emitidas por los elementos transductores. Preferentemente, los citados medios de excitación están dispuestos de modo que las citadas señales eléctricas breves tengan espectros de frecuencia diferentes. Según un modo de ejecución preferido, las frecuencias de resonancia de los elementos transductores son múltiplos enteros de una de ellas (F), ventajosamente F, 2F, 3F, y 4F o F, 2F y 4F, y los defasados de cada una de ellas (Fn) con relación a una referencia de fase arbitraria común sean iguales a - Fn/4. 2 1 2 3 4 0 6 Según una primera forma de ejecución, el transductor está constituído por un soporte en forma de calota esférica sobre cuya superficie se han distribuído transductores piezoeléctricos cerámicos elementales de espesores inversamente proporcionales a las frecuencias de excitación. Preferentemente, los medios de excitación comprenden generadores de frecuencias diferentes sincronizadas por una misma señal de sincronizado que determina la citada cadencia de emisión ydelaslíneas de retardo regulables que constituyen los citados medios de defasado. Según una segunda forma de ejecución, el transductor está consituído por una cerámica monobloque mecanizada con el fín de formar superficies emisoras elementales de espesores diferentes eléctricamente aisladas las unas de las otras. La invención tiene también por objeto un procedimiento para el tratamiento y, en particular, para la litrotripsia extra-corporal por medio de impulsos elásticos, caracterizado por la reducción de los efectos perjudiciales y en particular dolorosos debidos a la cavitación por reducción substancial de la amplitud de los picos negativos de los citados impulsos con relación a la de los picos positivos. Otras particularidades así como las ventajas de la invención se pondrán claramente de manifiesto a la luz de la descripción que sigue. En el dibujo adjunto: La figura 1 representa formas de ondas destinadas a explicar el procedimiento de la invención; La figura 2 es una vista esquemática en planta de la cara de emisión de un transductor en forma de copela esférica, siendo la figura 3 una vista esquemática en sección de la misma, por un plano de simetría; La figura 4 es un esquema de circuíto de excitación; La figura representa un conjunto transductor plano mecanizado con un circuíto de excitación; y La figura 6 es una vista parcial en sección según VI-VI de la figura. En la figura 1, se ha representado en (a) un impulso elástico de corta duración producido por medio de un transductor piezoeléctrico tal como los realizados actualmente, cuando se desea engendrar un impulso acompañado del número mínimo de oscilaciones amortiguadas, cuya cara posterior se ha amortiguado convenientemente, mientras que se han montado láminas de adaptación de las impedancias acústicas sobre su cara anterior. Un impulso de este tipo comprende alternancias de signos opuestos de la alta frecuencia de excitación del transductor y la presencia de las alternancias negativas entraña una pérdida de eficacia significativa debido a la cavitación, cuando la potencia emitida sea relativamente elevada (lo que ocurre en el caso de las sondas utilizadas en terapia). Se observará que es indispensable el que la polaridad del transductor se elija de modo que el primer pico de amplitud significativo sea positivo ya que en el caso contrario, la cavitación provocada por un primer pico negativo impediría la propagación del resto de la señal. Se observa en la figura 1(a) que este primer pico tiene una amplitud sensiblemente menor que
3 2 007 823 4 la del segundo: resulta finalmente, por otra parte, que toda la potencia de la señal no es explotada, por otra parte, de la cavitación puede provocar efectos perjudiciales. Conviene señalar que incluso un transductor teóricamente perfecto, independientemente de la forma de su señal de excitación, engendrará al menos dos alternancias de signos opuestos, debido a que comprende necesariamente dos superficies emisoras separadas por una semi-longitud de onda y que emiten en oposición de fase. En (b) se ha representado un impulos elástico producido por medio de un transductor piezoeléctrico compuesto por una pluralidad de elementos excitados de manera independiente cuyas frecuencias de resonancia respectivas son F 1,F 2.. F n, estando excitados estos elementos por impulsos eléctricos de frecuencias portadoras respectivas F 1,F 2... F n defasadas respectivamente con relación a un origen de las fases arbitrarias en - /4F 1, - /4F 2, - /4F n. La experiencia muestra que, si estas señales eléctricas tienen la misma amplitud o amplitudes próximas y si los elementos del transductor están construídos con el fín de engendrar la forma de onda acústica representada en (a), la superposición de las señales acústicas así engendradas dá la forma de onda representada en (b). Con esta forma de onda, las alternancias negativas tienen una amplitud relativa muy reducida. La experiencia ha mostrado que basta tomar por ejemplo cuatro elementos que tengan frecuencias F, 2F, 3F y 4F, o incluso tres elementos que tengan frecuencias F, 2F y 4F para obtener un predominio suficiente de la alternancia positiva única. Cuando tales elementos están colocados por ejemplo sobre una calota esférica, su trayectoria, hasta el centro de la esfera que constituye el foco, es idéntica y las señales acústicas llegan por lo tanto al foco con las mismas fases relativas que en el momento de su emisión. Se podría considerar la colocación de las mismas sobre la superficie diferente, por ejemplo plana, y sería preciso entonces modificar los defasados de las señales de excitación para obtener una focalización teniendo en cuenta las diferencias de trayectoria entre los diferentes elementos. Los elementos excitados por frecuencias diferentes defasadas entre sí podrían estar presentes en número superior a 4 (o distribuídos en más de cuatro grupos constituídos respectivamente por elementos excitados por la misma señal) y las frecuencias de defasado podrían ser diferentes a las que se han indicado anteriormente a título de ejemplo preferido. Uno de los objetos de la invención es la generación de una forma de onda elástica breve predeterminada (en la práctiva, que comprende ventajosamente el predominio de un pico positivo único) por superposición de varias formas de ondas elásticas elementales, Esta generación se obtiene superponiendo, en una misma región del espacio, ondas elásticas individuales que tengan al menos características de frecuencia y de fase diferentesquesecombinanentresí para dar la forma de onda resultante deseada. En la práctica, se efectuará una simulación de la forma de onda resultante, merced a un accionamiento asistido por 1 2 3 4 0 6 ordenador del reglaje de los parámetros frecuencia, fase e incluso amplitud de las formas de ondas individuales, para optimar ésta haciendo variar los citados parámetros. Se señalará que no sería suficiente hacer variar los parámetros de la señal eléctrica de excitación de un transductor tradicional que tenga una superficie de emisión homogénea para obtener el resultado buscado ya que la respuesta de impulso de un transductor de este tipo sería como máximo del tipo de el de la figura 1(a). Por el contrario, con un transductor heterogéneo del tipo descrito, se podría considrear, para beneficiar un pico predominante, excitar los diferentes elementos con una señal eléctrica única que cubra un amplio espectro de frecuencia, y los defasados apropiados entre las diferentes formas de ondas elásticas individuales así engendradas podrían obtenerse por otra parte por vía acústica, es decir interponiendo en la trayectoria de cada haz de ondas elásticas engendradas por el transductor bloques de forma conveniente de un material transparente en las citadas ondas pero en el que éstas se propagasen con una velocidad diferente a la velocidad en el medio de transmisión por medio del cual el transductor está normalmente acoplado con el medio tratado. La solución descrita es, sin embargo, más cómoda de realizar y permite reglajes fáciles. En las figuras 2 y 3 se ha representado una calota esféruca de aleación de aluminio 1, teniendo el radio de la esfera por ejemplo cm y siendo la altura de la calota de 3,8 cm. Sobre la superficie interna de esta calota se ha montado por ejemplo 0 elementos piezoeléctricos de cerámica de forma cilíndrica, que tiene por ejemplo un diámetro de mm. Estos elementos están distribuídos en tres círculos concéntricos habiéndose representado únicamente dos de los mismos, en una zona anular que rodea un transductor auxiliar central 2 cuya función se ha descrito en la patente francesa n 83 041, depositada el 14 de diciembre de 1983 a nombre de la solicitante, cuyo título es: Aparato de impulsos ultrasónicos destinado a la destrucción de los cálculos. A continuación no se describirán más que las particularidades que distinguen el emisor de litotrísia de la invención de el de la citada patente. Los elementos de cada uno de los juegos la -2a..., 1b-2b... de la zona anular estám distribuídos en tres grupos: por ejemplo los elementos 1a-4a... (3n+4) constituyen un primer grupo que tiene una frecuencia de resonancia de 0 khz, los elementos 2a- a... (3n+29 a constituyen un segundo grupo que tiene una frecuencia de resonancia de 0 khz, los elementos 3a-6a...(3n+3)a, constituyen un tercer grupo que tiene una frecuencia de resonancia de 10 khz. La distribución de las frecuencias para los elementos de rango correspondientes a los otros dos juegos anulares es la misma. Las frecuencias diferentes corresponden a elementos cilíndricos de alturas diferentes que tienen frecuencias de resonancia respectivas F, 2F y 4F, por ejemplo mm para 0 khz, mm para 0 khz y 2, mm para 10 khz. En la figura 4 se ha representado un generador de sincronización 3 que emite máximos cuya 3
2 007 823 6 duración es del orden del microsegundo y cuya cadencia es regulable entre 1/0 y 1 Hz por ejemplo. Estos máximos son aplicados, por intermedio de tras circuítos de defasado regulable 4,, 6, a tres generadores 7, 8, 9 de impulsos de alta frecuencia que corresponden respectivamente a las frecuencias de resonancia de los tres grupos de elementos, a título de ejemplo 0 khz y 10 khz respectivamente. Los generadores 7, 8, 9 atacan respectivamente, por intermedio de niveles separadores respectivos, 11, 12, amplificadores de potencia 13, 14, 1. Cada simplificador de potencia comprende tantos niveles separados en paralelo como elementos existentes en cada grupo, para excitar separadamente y en paralelo los diferentes elementos de un mismo grupo. Los circuítos de defasado 4,, 6, por ejemplo realizados por medio de líneas de retardo, están reglados para obtener una forma de onda tan próxima como sea posible a la que se desee, según las indicaciones anteriores. Se ha simbolizado en 16 un ordenador que efectúa, para accionar los reglajes, el cálculo de las formas de ondas de las tres señales de sincronización y de la señal resultante de su superposición. Este ordenador actuará, no solamente sobre el reglaje de los circuítos de defasado, sino también sobre el de los generadores 7, 8, 9 para determinar las tres formas de ondas de sus defasados respectivos. Un dispositivo de este tipo permitirá evidentemente obtener una gran variedad de formas de ondas de la señal acústica engendrada por el conjunto transductor, considerado con vistas a beneficiar por ejemplo los picos negativos con el fín de acrecentar el fenómeno de cavitación en las aplicaciones numéricas. En la aplicación a la litotrípsia más particularmente considerada, el procedimiento permite, merced a la reducción considerable de la cavitación, efectúar los disparos con cadencias que podrían alcanzar Hz, con el fín de dividir por un factor del orden de los tiempos de tratamiento actuales. Atítulo de variante del dispositivo que acaba de describirse, los defasados, obtenidos por vía electrónica, entre las tres señales de sincronización, podrían reemplazarse por defasados obtenidos por introducción de diferencias de longitudes de recorrido de las señales acústicas engendradas por los tres grupos de transductores respectivos. A título de ejemplo, tales diferencias podrían obtenerse introduciendo cuñas de espesores respectivos convenientes, de material apto para transmitir los ultrasonidos, entre la superficie de la calota 1 y las superficies posteriores de excitación de los elementos piezoeléctricos cilíndricos de los tres grupos. En la figura se ha representado una sonda destinada a la ecografía y que es capaz como con- 1 2 3 4 0 6 secuencia de engendrar impulsos acústicos cuyo espectro de frecuencia esté centrado en MHz. Esta sonda está constituída por un disco 17 de cerámica piezoeléctrica que tiene por ejemplo un diámetro de mm y su cara radiante o anterior es plana. Por el contrario, su cara posterior de excitación está mecanizada con el fín de formar una serie de bandas paralelas 18 muy finas, que tiene por ejemplo una anchura de 1 mm y espesores diferentes. En la figura 6 se ha representado una vista a mayor escala y fragmentada del espesor del disco, que representa una sucesión de los grupos de tres bandas tales como 181, 182, 183 que tienen respectivamente un espesor de 1/4mm, 1/2mm y 1mm. Cada una de estas bandas está dotada con un electrodo de excitación 18, 18, 18 aislado de el de las bandas contíguas. En la figura 6 se ha representado un generador de impulsos eléctricos único 19 conectado con los electrodos respectivos 18, 18, 18 por intermedio de tres líneas de retardo regulables, 21, 22. Más precisamente, la salida de cada línea de retardo se ha conectado con todos los electrodos de las bandas de igual espesor de los grupos sucesivos. Evidentemente, los hilos de masa, no representados, están unidos con un electrodo único, no representado, fijado a la cara anterior. De este modo se han constituído tres conjuntos de elementos transductores piezoeléctricos que tienen frecuencias de resonancia respectivas de mhz, MHz y 2, MHz. De forma en sí conocida, la cara posterior del disco estará dotada además ventajosamente con un bloque amortiguador de las oscilaciones parásitas, mientras que la cara anterior sufrirá un mecanizado que permita la colocación de las láminas de adaptación de impedancia. Los retardos están reglados para corresponder a los defasados deseados de las tres señales acústicas de frecuencias diferentes engendradas por los tres conjuntos respectivos, de la manera ya explicada. La señal de excitación proporcionada por el generador 19 debe tener un espectro de frecuencia que cubra los valores mhz, MHz y2,mhz. Este modo de ejecución es apropiado para la realización de sondas que trabajen a frecuencias elevadas (varios megahertzios): se evita la fabricación delicada de elementos piezoeléctricos individuales independientes de tamaño muy pequeño. Un transductor de este tipo no es focalizante y por lo tanto deberá asociarse, para superponer las ondas elásticas individuales, con un medio de focalización, por ejemplo una lente acústica. Descrita suficientemente la naturaleza del invento, asi como la manera de realizarlo en la práctica, debe hacerse constar que las disposiciones anteriormente indicadas y representadas en los dibujos adjuntos, son susceptibles de modificaciones de detalle en cuanto no alteren su principio fundamental. 4
7 2 007 823 8 REIVINDICACIONES 1. Generador de impulsos elásticos que comprende un transductor piezoeléctrico o magnetoestrictivo focalizante o asociado con medios de focalización, que tiene una pluralidad de superficies emisoras elementales que engendran señales elásticas que se superponen, tras propagación a lo largo de una cierta distancia, en una región focal y medios para excitar periódicamente a una cadencia determinada varios grupos de superficies elementales con señales eléctricas breves respectivamente distintas, caracterizado porque las citadas superficies emisoras pertenecen a elementos transductores eléctricamente aislados los unos de los otros, (1a, 2a...; 1b, 2b..., respectivamente 181, 182, 183) tienen funciones de transferencia diferentes y porque se han previsto medios de defasado de las señales eléctricas emitidas por los elementos transductores. 2. Generador según la reivindicación 1, caracterizado porque las frecuencias de trabajo de los citados elementos transductores son múltiplos enteros de una de ellas (F), ventajosamente F, 2F, 2F y 4F o F, 2F y 4F y los defasados de cada una de ellas (Fn), con relación a una referencia de fase arbitraria común son iguales a - Fn/4. 3. Generador según la reivindicación 1, caracterizado porque los citados medios están dispuestos además para que las citadas señales eléctricas breves tengan frecuencias respectivamente iguales a las frecuencias de resonancia de los citados elementos transductores elementales. 4. Generador según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de excitación comprenden generadores de frecuencias diferen- 1 2 3 tes sincronizadas por una misma señal de sincronización que determina la citada cadencia de emisión y líneas de retardo regulables que constituyen los citados medios de defasado.. Generador según la reivindicación 1, caracterizado porque el transductor está constituído por un soporte en forma de calota esférica sobre cuyas superficies se han distribuído transductores piezoeléctricos cerámicos elementales de espesores inversamente proporcionales a sus frecuencias de trabajo. 6. Generador según la reivindicación 1, caracterizado porque los citados medios de defasado son elementos aptos para modificar el tiempo de propagación de las ondas elásticas a lo largo de la citada instancia. 7. Generador según la reivindicación 1, caracterizado porque los citados medios están constituídos por el defasado de las superficies de emisión de los elementos transductores entre sí. 8. Generador según la reivindicación 1, caracterizado porque el transductor está constituído por una cerámica monobloque mecanizada con el fín de formar superficies emisoras elementales de espesores diferentes eléctricamente aisladas las unas de las otras. 9. Procedimiento para el tratamiento, en particular de litotripsia extra-corporal, por ondas elásticas emitidas en impulsos de alta frecuencia de cadencia determinada, caracterizado por la reducción de los efectos perjudiciales y, en particular dolorosos, debidos a la cavitación, por reducción substancial de la amplitud de los picos negativos de los citados impulsos con relación a la de los picos positivos. 4 0 6
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