Thesis by BROYER Patrick
Electrohydraulic shock-wave generator utilizing one line of transmission: application to extracorporeal lithotripsy
Defended on 28 september 1995
Extracorporeal lithotripsy is a method for fragmenting renal calculi through the focusing of shock waves. The generation of these waves, by electrohydraulic method, is traditionally obtained by discharging the electric energy in a condenser into the space separating two electrodes that are immersed in deionized, degassed water. This type of generator is characterized by a very weak electroacoustic output and by great variations in the amplitude of the shock wave between various shots. As has been shown previously, replacing deionised, degassed water by an electrolyte makes it possible to improve the reproducibility between shocks the output, however, still remains weak. This work contains a description of a new type of shock-wave generator whose discharge circuit utilizes one line of transmission. This line consists of an assembly of several coaxial tubes, made out of para-electric material with a permittivity equal to 1700. It is shown how the design of this discharge line was aided by a mathematical model, which was developed simultaneously. In addition, it contains a discussion of how a compact spark gap was designed to adapt perfectly to the line. The perfect coaxiality of the unit makes it possible to obtain an inductance for the line-spark gap-electrode connection that is much weaker than the inductance in conventional circuits, which consist of condensers connected to electrodes. The release of the spark gap involves a discharge of energy in the form of an appreciably rectangular pulse, when the impedances are matched between the transmission line and the inter-electrode space. This work also contains a description of how a miniature current transformer, positioned inside the spark gap, was developed to measure the discharge current. This measurement, along with measurement of the terminal voltage of the electrodes, makes it possible to carry out a complete electric characterization of the discharge line. The amplitude of the incident shock waves thus obtained is shown to be much higher than that delivered by conventional generators, involving an increase, by a factor of two, of the electroacoustic output. The reduction of connection inductances, however, does not help to reduce the current slew rate in the same ratio. We then show that the current slew rate is related, on the one hand, to the transfer of energy in the inter-electrode space and, on the other hand, to the build-up of plasma in the spark gap. It is also shown that values of incident pressure depend very little on the current slew rate and impulse duration of the current the values seem to be strongly related to the quantity of energy released in the medium. This observation led to the design, from the mathematical model, of a flexible coaxial cable connecting the transmission line to the focusing ellipsoid of the shock waves. Because the characteristic resistance of this cable was close to that of the line and to that of the volume of electrolyte, no significant loss of incident pressure values is noted. Measurements of pressure, after focusing, show a broad increase in these incident pressure values compared to traditional lithotriptors. Tests of fragmentations realized in vitro, on artificially calibrated stones, demonstrate that the efficacy of destruction is greatly improved. The offset of the discharge line compared to the ellipsoid opens extremely interesting prospects in terms of the ease of use of the generator in particular, difficult-to-reach lithiases in the urinary tract could be treated with a greater facility.
Générateur électrohydraulique d'ondes de choc utilisant une ligne de transmission. Application à la lithotritie extracorporelle
Soutenue le 28 September 1995
La lithotritie extracorporelle est une méthode de fragmentation des calculs rénaux par focalisation d'ondes de choc. La génération de ces ondes, par méthode électrohydraulique, est classiquement obtenue en déchargeant l'énergie électrique contenue dans un condensateur, dans l'espace séparant deux électrodes immergées dans de l'eau dégazée déionisée. Ce générateur se caractérise par un rendement électroacoustique très faible et par de grandes variations sur l'amplitude de l'onde de choc au cours des différents tirs. Préalablement à ce travail, il a été montré que le remplacement de l'eau déionisée dégazée par un électrolyte, permettait d'améliorer la reproductibilité inter-chocs. Le rendement cependant reste faible. Dans ce travail, nous décrivons un nouveau générateur d'ondes de choc dont le circuit de décharge utilisé est une ligne de transmission. Cette ligne est constituée par l'assemblage de plusieurs tubes coaxiaux réalisés en matériaux para électrique, de permittivité égale à 1700. La conception de cette ligne à décharge a été assistée par l'utilisation d'un modèle mathématique que nous avons simultanément développé. Un éclateur compact s'adaptant parfaitement à notre ligne a été conçu. La coaxialité parfaite de l'ensemble permet d'obtenir une inductance de liaison ligne-éclateur-électrode beaucoup plus faible que celle présente dans les circuits conventionnels constitués par un condensateur relié aux électrodes. Le déclenchement de l'éclateur entraîne la décharge de l'énergie contenue dans la ligne sous forme d'une impulsion électrique sensiblement rectangulaire lorsque l'adaptation des impédances est respectée entre la ligne et l'impédance de l'espace inter-électrodes. Un transformateur d'intensité miniature, positionné à l'intérieur de l'éclateur, a été développé pour la mesure du courant de décharge ce qui, associé à la mesure de tension aux bornes des électrodes, permet d'effectuer une caractérisation électrique complète de la ligne à décharge. Nous montrons que l'amplitude des ondes de choc incidentes ainsi obtenue est largement supérieure à celle délivrée par les générateurs conventionnels, entraînant une augmentation, par un facteur deux, du rendement électroacoustique. La réduction des inductances de liaison n'a cependant pas permis de réduire le temps de montée du courant dans le même rapport. Nous avons alors montré que le temps de montée du courant est principalement lié, d'une part, au transfert de l'énergie dans l'espace inter électrode, et d'autre part, à l'établissement du plasma dans l'éclateur. Il est également mis en évidence que les valeurs de pression incidente dépendent peu du temps de montée et de la durée de l'impulsion de courant mais semblent fortement liées à la quantité d'énergie libérée dans le milieu. Cette constatation nous a conduit à concevoir, à partir du modèle, un câble coaxial souple reliant la ligne de transmission à l'ellipsoïde de focalisation des ondes de choc. La résistance caractéristique de ce câble étant proche de celle de la ligne et de celle du volume d'électrolyte, aucune perte significative sur les valeurs de pression incidente n'a été constatée. Les mesures de pression, après focalisation, montrent une large augmentation de ces valeurs par rapport aux lithotriteurs classiques. Des tests de fragmentations réalisés in vitro, sur des calculs calibrés artificiels, démontrent que l'efficacité de destruction a été très largement améliorée. Le déport de la ligne à décharge par rapport à l'ellipsoïde ouvre des perspectives extrêmement intéressantes au niveau de la maniabilité du générateur notamment les lithiases difficilement accessibles dans l'appareil urinaire, pourraient être traitées avec une plus grande facilité.
Defended on 28 september 1995
Extracorporeal lithotripsy is a method for fragmenting renal calculi through the focusing of shock waves. The generation of these waves, by electrohydraulic method, is traditionally obtained by discharging the electric energy in a condenser into the space separating two electrodes that are immersed in deionized, degassed water. This type of generator is characterized by a very weak electroacoustic output and by great variations in the amplitude of the shock wave between various shots. As has been shown previously, replacing deionised, degassed water by an electrolyte makes it possible to improve the reproducibility between shocks the output, however, still remains weak. This work contains a description of a new type of shock-wave generator whose discharge circuit utilizes one line of transmission. This line consists of an assembly of several coaxial tubes, made out of para-electric material with a permittivity equal to 1700. It is shown how the design of this discharge line was aided by a mathematical model, which was developed simultaneously. In addition, it contains a discussion of how a compact spark gap was designed to adapt perfectly to the line. The perfect coaxiality of the unit makes it possible to obtain an inductance for the line-spark gap-electrode connection that is much weaker than the inductance in conventional circuits, which consist of condensers connected to electrodes. The release of the spark gap involves a discharge of energy in the form of an appreciably rectangular pulse, when the impedances are matched between the transmission line and the inter-electrode space. This work also contains a description of how a miniature current transformer, positioned inside the spark gap, was developed to measure the discharge current. This measurement, along with measurement of the terminal voltage of the electrodes, makes it possible to carry out a complete electric characterization of the discharge line. The amplitude of the incident shock waves thus obtained is shown to be much higher than that delivered by conventional generators, involving an increase, by a factor of two, of the electroacoustic output. The reduction of connection inductances, however, does not help to reduce the current slew rate in the same ratio. We then show that the current slew rate is related, on the one hand, to the transfer of energy in the inter-electrode space and, on the other hand, to the build-up of plasma in the spark gap. It is also shown that values of incident pressure depend very little on the current slew rate and impulse duration of the current the values seem to be strongly related to the quantity of energy released in the medium. This observation led to the design, from the mathematical model, of a flexible coaxial cable connecting the transmission line to the focusing ellipsoid of the shock waves. Because the characteristic resistance of this cable was close to that of the line and to that of the volume of electrolyte, no significant loss of incident pressure values is noted. Measurements of pressure, after focusing, show a broad increase in these incident pressure values compared to traditional lithotriptors. Tests of fragmentations realized in vitro, on artificially calibrated stones, demonstrate that the efficacy of destruction is greatly improved. The offset of the discharge line compared to the ellipsoid opens extremely interesting prospects in terms of the ease of use of the generator in particular, difficult-to-reach lithiases in the urinary tract could be treated with a greater facility.
Générateur électrohydraulique d'ondes de choc utilisant une ligne de transmission. Application à la lithotritie extracorporelle
Soutenue le 28 September 1995
La lithotritie extracorporelle est une méthode de fragmentation des calculs rénaux par focalisation d'ondes de choc. La génération de ces ondes, par méthode électrohydraulique, est classiquement obtenue en déchargeant l'énergie électrique contenue dans un condensateur, dans l'espace séparant deux électrodes immergées dans de l'eau dégazée déionisée. Ce générateur se caractérise par un rendement électroacoustique très faible et par de grandes variations sur l'amplitude de l'onde de choc au cours des différents tirs. Préalablement à ce travail, il a été montré que le remplacement de l'eau déionisée dégazée par un électrolyte, permettait d'améliorer la reproductibilité inter-chocs. Le rendement cependant reste faible. Dans ce travail, nous décrivons un nouveau générateur d'ondes de choc dont le circuit de décharge utilisé est une ligne de transmission. Cette ligne est constituée par l'assemblage de plusieurs tubes coaxiaux réalisés en matériaux para électrique, de permittivité égale à 1700. La conception de cette ligne à décharge a été assistée par l'utilisation d'un modèle mathématique que nous avons simultanément développé. Un éclateur compact s'adaptant parfaitement à notre ligne a été conçu. La coaxialité parfaite de l'ensemble permet d'obtenir une inductance de liaison ligne-éclateur-électrode beaucoup plus faible que celle présente dans les circuits conventionnels constitués par un condensateur relié aux électrodes. Le déclenchement de l'éclateur entraîne la décharge de l'énergie contenue dans la ligne sous forme d'une impulsion électrique sensiblement rectangulaire lorsque l'adaptation des impédances est respectée entre la ligne et l'impédance de l'espace inter-électrodes. Un transformateur d'intensité miniature, positionné à l'intérieur de l'éclateur, a été développé pour la mesure du courant de décharge ce qui, associé à la mesure de tension aux bornes des électrodes, permet d'effectuer une caractérisation électrique complète de la ligne à décharge. Nous montrons que l'amplitude des ondes de choc incidentes ainsi obtenue est largement supérieure à celle délivrée par les générateurs conventionnels, entraînant une augmentation, par un facteur deux, du rendement électroacoustique. La réduction des inductances de liaison n'a cependant pas permis de réduire le temps de montée du courant dans le même rapport. Nous avons alors montré que le temps de montée du courant est principalement lié, d'une part, au transfert de l'énergie dans l'espace inter électrode, et d'autre part, à l'établissement du plasma dans l'éclateur. Il est également mis en évidence que les valeurs de pression incidente dépendent peu du temps de montée et de la durée de l'impulsion de courant mais semblent fortement liées à la quantité d'énergie libérée dans le milieu. Cette constatation nous a conduit à concevoir, à partir du modèle, un câble coaxial souple reliant la ligne de transmission à l'ellipsoïde de focalisation des ondes de choc. La résistance caractéristique de ce câble étant proche de celle de la ligne et de celle du volume d'électrolyte, aucune perte significative sur les valeurs de pression incidente n'a été constatée. Les mesures de pression, après focalisation, montrent une large augmentation de ces valeurs par rapport aux lithotriteurs classiques. Des tests de fragmentations réalisés in vitro, sur des calculs calibrés artificiels, démontrent que l'efficacité de destruction a été très largement améliorée. Le déport de la ligne à décharge par rapport à l'ellipsoïde ouvre des perspectives extrêmement intéressantes au niveau de la maniabilité du générateur notamment les lithiases difficilement accessibles dans l'appareil urinaire, pourraient être traitées avec une plus grande facilité.
