在液体中聚焦的冲击产生的高功率弹性脉冲发生器

在液体中传播的高功率弹性波被用于摧毁固体结构物，特别对于肾或膀胱结石的情况就是如此。

为使此种方法用于生物组织，有需要能将波聚焦在一确切的点上以便限制有用区域以外的能量密度并减少波所经过的组织破坏的风险。

可是已经知道聚焦的尺寸正比于弹性波的波长，也正比于波前的宽度。

因此为了得到有效的聚焦必需采用数量级为1微秒的非常陡峭的波前，例如在此情况能量可集中在直径约为3毫米量级以内。

要解决产生非常陡峭波前的问题，曾建议使用极微小的弹性波源或者分布源。

极微小的源或者由在水中的微粒火药的点火制成，爆炸后可产生球面波;或者由两个浸没其中的两个电极之间的电弧放电而制成。

在此两种情况，所产生的球面波被椭园形镜集中。这些解决方案使得所产生的波的功率及波形很难控制并使所使用的部件很快损坏。可靠性很差，因为在极微小源的范围内，非常高的强度引起干扰现象的发生。

分布源具有大的面积，它的所有点以同位相振动产生平波，此波的聚焦或者用一个声学透镜或者将源本身制成球形壳帽的形状。

因为在源表面的能量密度比聚焦点低得多，它们在直观上具有很 少疲劳的优点。

本发明涉及到此范畴的装置

早已知道高功率分布源发生器的源是由压电元件镶嵌组成。他们的缺点是表面积非常大，因为由每个元件提供的功率比较小而用于为元件充能量的发电机的瞬时功率必须达到1兆瓦的量级，因而导致高的价格。

本发明提供一种简单结构的高功率分布源的发生器。

本发明的发生器包括一个聚焦装置并与分布弹性脉冲源配合，它的特征在于上述源是由一个平台与一个锤组成，两者有有关的面向平面平行。并且利用推进与拉回锤的装置使上述平面间断地以每秒数、米的速率接触和使它们分开。特征在于平台具有一不同于冲击面的发射向。特征在于此锤包括一个数毫米厚的冲击元件。特征在于推进装置与锤适应于在第一阶段中上述冲击元件动能充分大而上述两面向平面由一小的间隙相隔，及在于第二阶段必须比第一阶段短，在其中上述冲击元件从能量观点上与推进装置脱开，在聚集的动能作用下途经上述间隙以产生一个与平台的冲击。

本发明的另一特点是此发生器包括敏感元件适应于检测分布在平台的发射面的园周各有关点的压力波波前;测量装置以测量敏感元件所接收到的有关波前之间的时间偏移以及与所侧的时间偏移呼应的调整装置;用于调节平台倾斜度的螺栓，它们分布于围住平台的法兰的彼此相隔的各点上并面对有关的敏感元件。

本发明的其它特点与优点将从以下的描述参照附图而更清楚，其中：

图1示意地表示出本发明的冲击弹性脉冲发生器的第一实施方案;

图2与图3分别表示部分剖面的正视图及顶视图，平台安装于其支架的方法;

图4与图5为锤与平台的有关平面的平行度自动调节线路;

图6与7为调节线路的各点处的信号波形;

图8为锤及其驱动杆的最佳实施方案;

图9为图8的锤的冲击板中压力波的展开图;

图10到12示意给出为何观测发生器所瞄准的目标及所产生的弹性波束的聚焦点;和

图13和14分别给出发生器的第二实施方案的纵剖面与横剖面图。

图1中平台1被固定于园筒形支架10上的法兰101围住，它与固定于杆3一端的锤2配合，杆在装于由园筒形支架10底部延伸出去的套管100中的两个球形轴承30-33中滑动。在套管100外部杆3的另一端固定一电磁铁4的衔铁32。电磁铁的轭铁安装成能沿杆的轴线滑动。

它由一用马达50带动的连杆-曲轴系统5-6驱动而作往复移动式运动，开关40控制电磁铁的接通。虚线代表由马达轴通过凸轮对此开关的控制。一个受压弹簧34在轴承30附近对与杆成整体的阻挡板31施加压力并压在轴承33上。

在与锤2配合的平台1的平面背面固定一透镜103，适用于将锤的冲击产生的平弹性波转换成球形波，它在液体L中传播，液体盛于以法兰101为底的槽102中。

在装置接通电时，锤靠弹簧34对平台施力，马达50驱动电磁铁的轭铁至最高位置，在此与衔铁32接触。此时凸轮合上开关使对电磁铁充能量，然后在轭铁向下移动时带动衔铁。因此弹簧34被压 缩。在一可调行程的终点处凸轮打开开关使电磁铁与衔铁脱开使得弹簧推动锤直到它与平台撞击。

产生的球面波聚焦在透镜的焦点上，此处形成非常高度的能量的密集。

用例子表示，假如锤与平台由钢制成，冲击速度为10米/秒，所产生的压力将达到2×108Pa。

进一步将提到的是在液体与平台之间提供一个阻抗匹配层是有益的;我们可以认为产生的压力的十分之一将传输给液体。透镜在焦点上增强的压力例如为10倍，在焦点上它给出的压力为2千巴（kbar）。

此压力随着冲击速度线性增长它的传播可以用增加阻抗匹配层数进一步改进。

每秒10米的冲击速度是容易得到的。可用例子表示，对于0.1公斤的运动总质量经过10公分的距离及100牛顿的力，速度将达14米/秒。

在聚焦点上得到压力的增强为10倍是没有困难的。实际上，对于于弹性脉冲宽度为1微秒，聚焦点的直径将为3毫米的量级。假如平台直径为5公分，压力的倍增系数为16.66。

但必须指出上述计算只是在两表面上所有点严格并同时地接触下才成立，做不到这点时波就停止成平状也不用能够聚焦以改脉冲宽度增加，于是它的强度下降得很快。因此在速率为10米/秒时为了得到1微秒的上升波前，两配合平面的本身平整度及平行度的允许偏差将为±5微米量级。

这种本身平整度可以用钢制成的部件经光学抛光而得到，反之，平行度是很难调节特别是在操作中保持住。

在开始时得到优于1微米的严格平行度是可能的，例如将锤安装在一个球窝接头及在锤作用后将接头锁住。

为了确保此装置在操作中尽管经受很大的应力仍保持住平行度，最为采用一个自动调整装置（但它不是必需的）。

在图2和3中平台1被法兰101围住。此法兰的下表面被在园筒形支架10的边缘上有弹性的低柔顺支承件1010-1011（无噪声型垫块）所固定。相对于水平平面的法兰平面位置可以利用由马达510-520-530控制的三个精密螺栓51-52-53来调节。三个敏感元件11-12-13，例如为压电或应力规型，固定在平台的园周上，并处在与透镜接能的那一面（后者在图中未标出），且面向有关的调节螺栓。这些敏感元件检测由背面的冲击面受到冲击所产生的压力波是否到达于平台的上述传输面。假如锤与平台不严格地平行，脉冲前沿到达三个敏感元件的时间相互之间有偏差。

图4给出一线路包括三个放大器110-120-130，它们从各自的敏感元件接受信号。这些信号的前沿触发触发器111-121-131。一个单稳态多谐振荡器14被放大器之一（例如110）的输出所触发，在冲击之后的给定时间内同时使触发器复位。因此可得到可变宽度的矩形波，它可作用于逻辑线路15，后者用于比较来自触发器121及131的矩形波与作为参考的触发器111的矩形波两者的宽度，并给出正比于宽度差值的信号。这些信号在122、132中放大并按照差值的正负号控制马达520-530向前或向后旋转。

因此这种平行度的校正是在每一个逐次冲击时逐步地执行并在一段时间后持久地保持住。马达510可以靠开关511将放大器131与电源接通而手动控制，使它向前或向后的方向旋转以变动平台的平 台的平均位置。这种调节平均位置的优点将在下述中出现。

图5给出一逻辑电路包括二个逻辑反相器150和151，它们分分别接受来自触发器111（图4）的信号 a和触发器121和13131的两信号之一例如 b。这些反相器的输出信号 a和 b加到二个“与”门153和154，此外后者还分别接受b和a，因此产生各自的逻辑乘a b和 ab。

图6为当b超前于a时及图7当b落后于a时的信号a、 a、b、a b和 ab。

在第一种情况输出 ab为正面输出a b为零，在第二种情况正为相反。因此利用从门153和154的两个输出能够控制马达520向前或向后的方向旋转。一个同样的线路将控制马达530，其中反相器151将从触发器131接受信号C。

除了以上提到的保持平台与锤平行度的第一问题外，还有第二个问题即假如施加应力的时间很长就有产生永久变形的危险。为了使锤与平台的接触时间减小到产生弹性波前的严格必需值，应用图8的装置是有益的。锤2由固体件20制成，最好是轻合金金属，其上固定一厚度例如为3毫米钢板21，两者之间再放一弹性层22。法兰状阻挡板31在行程的终点处通过一个弹性密封圈32施力于轴承30以防止锤的快速停止。在此静止位置锤的板21的外平面与平台非常接近（由于装置的结构及调节平台的平均位置），达到接触的极限（例如一毫米的百分之几）。在杆3行程终点，锤的固体块20达到高的速度。因此在刚要撞击到平台之前被阻挡板30-31的配合所阻挡（在移动的一或二毫米之内）。但由于层22的弹性板21在惯性作用下继续前进很短的距离。然后一个压力波在平台1中及板21中传播并受到板21的内部表面的反射，因为这样的事实即上述板的阻抗 比弹性层22的高得多。

在相当于在板21中的弹性波的离开与返回行程的时间之后，这个反射抵消了入射压力。最后在平台水平面上的压力就这样被抵消了。

这个效应与弹性层的返回力的结合破坏了锤与平台之间的接触。

在以上的例子的板21中离开与返回行程的时间为1微秒量级，即等于形成波前的理论间隔。静态应力实际上被消除了。

图9给出冲击后压力波P在板21内部的传播。P1为在背（或者外部）面上的压力，P2为在正面上的压力。

在（a）图示出冲击的瞬间;（b）至（f）图为冲击后的时间，它们分别约为0.25μs;0.5μs（从背面反射的瞬间）;0.75μs，0.9μs和1μs。

在已叙述的弹性波发生器的结构中的第三个问题是气动阻尼：在刚要冲击之前，一层空气被限制在锤与平台之间并引起非常强的制动。为了衰减此效应锤的支架组件将放在真空的外壳中，或更简单地在平台或锤中将制成大量的空气排放槽。

第四个问题是液体能量的传输。波产生于其中的钢阻抗比水的约大30倍，假如想要输出能量中相当大的一部分则需要装多个阻抗匹配板。在平台与水之间插入带有参差阻阻抗及厚度为脉冲的四分之一波长的数个板将是有益的。

制造这种阻抗匹配板为精通工艺的人所能做到的。

为了有效地作用在固定的目标上，例如肾结石，精确地找出它相对于球形聚焦点的位置并观测后者的真正位置是有用的。

图10至12中弹性波发生器以固定在声学透镜103上的平台1的符号表示;一个回波图仪的探头16与定向成45°的镜子17配合，后者在图中围绕由马达171驱动的轴170摆动。

因此探头16产生的超声束（当然与组成回波图装置的一部分并以矩形160符号表示的适当的电脉冲发射器相结合）影响到垂直于图10与11平面并通过弹性波发生器（图12）的对称轴的P平向上的扇形区的扫描。装置160显然包括能接收和显示目标靶上形成的回波的部件。因此得到了目标的显示。

镜17的直径可以只有例如10毫米以致仅截取弹性波发生器发射出的声能的一小部分。

利用这种装置进一步观测弹性波的聚焦点是可能的。为此一压电聚合物“PVF2”（18，图10）的薄片粘贴到平台的表面且与回波图仪160相连结（用虚线180表示）。因此就得到了一个回波图的超声束的发射，它的几何结构与由平台产生的弹性波束的结构相同，但当然功率非常低而脉冲重复频率非常高。

将指出的是PVF2片的阻抗与水的接近而并不妨碍平台产生的压力波的传播。这种材料微带弹性是很经用，能经受压力波的通过而不受损伤。

这种PVF2片进一步允许控制压力脉冲的形状。

在图13和14中，给出变型的结构，其中锤2a由厚度为数毫米的园筒形空心帽制成，它与同样形状的平台1a相配合，后者被延伸到锤外并作为支架的套管10a围住，此套管还使电磁铁的园柱轭铁对中，整体以参考号4a标示。这个轭铁包括一个外部的空心园筒部件41，及封住其一端并带有延伸出去的园柱形芯轴411的底410。此芯轴与部件41之间构成一空隙412并在底与部件41的厚度较小的部分之间构成一园环形空间安放不断通电的线圈413。

部件41、芯轴411及园筒形帽1a和2a的对称轴重合而锤2a的环形边与环形空隙412相面对，以使一种园筒形组件（为了 在空隙中于芯轴上滑动而安装并由能移动的园筒形部件32a及其外延部分为弹性阻挡环320制成）可能冲击锤的边缘。

锤与平台的连接是利用带有环形波纹的二个金属弹性盘23-24，它允许锤沿装置的轴线移动数毫米并严格保证侧面的导向。

园筒形部件32a是坚固的且它包括一以软导线（未画出）输入脉冲的线圈，而阻挡环320稍具弹性，由例如橡胶或硅橡胶制成。这种组件的重量与锤相比是比较轻的。

空心园筒部件41具有一缝隙414，此缝隙沿外部的与内部的母体延伸并用于安放与园筒形部件32a成整体的板321，而允许上述板平行于母体滑动。当电磁铁的磁场作用在流经组件32a-320的线圈的电流上而推动它时，此板防止它旋转（例如百分之一秒的脉冲电流，具有合适的极性驱动上述部件到冲击位置而相反的极性可驱动它到静止位置）。

在开始时，组件32a-320处在静止位置，锤2a处在离平台例如约5毫米的位置。

一个脉冲加于线圈32a将后者射向右方。

在行程终点，阻挡环320与锤相接触且在时间为几毫秒量级内将部件32a的动能传出。能量的传输必须在锤与平台接触之前完成。传输时间将由阻挡环的弹性及尺寸决定。后者被调节到能防止在传输前的弹跳。

锤与平台之间的能量传输只持续几微秒。因为部件32a与锤之间的能量传输的时间较之约大一千倍，上述部件与锤之间所产生的压力比锤与平台冲击的压力小得多。

结果是推进装置的疲损是受到了限制。

将注意的是所产生的弹性波的峰压只依赖于锤速率（而不是它的 质量）而波的宽度依赖于锤的厚度（波在锤中离开与返回的行程）。利用图13中描述的方案，冲击速率可达30米/秒。

已叙述的整个装置装在抽空的外壳中是有益的，以便限制摩擦与特别是最后冲击的气动阻尼。

所产生的压力可用调节流经线圈32a的电流强度来调节。在全部时间内此线圈运动的速率可以精确估计-为了控制它-利用计数器测量-在它的两端点感应的电动力。

应该明白的是已描述的二个方案及说明是没有限制性的。锤与平台的平面的配合并不必需相等也不要平，并且平台的发射面能具有适合于束聚焦的形状。

此外可以想到其它的方法用于使必需具有简单几何形状的冲击板（图8的21或图13）与推进装置脱开，确切地说（它包括图8中锤的主要块体20可以认为在动力驱动能传给上述冲击板之后，它们将不一定需要包括一弹性元件（例如图8的22或图13的320）。

最后重要的并居首位的是反射波不应在推动组件中传播，否则后者可解很快被损，它必然具有一些薄弱点，它的结构较复杂;以及能量传给冲击部件的时间比冲击部件传给平台的长得多。