DE3545353A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der schalleistung eines fokussierten ultraschallfeldes - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur messung der schalleistung eines fokussierten ultraschallfeldesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Messung der Schalleistung eines fokussierten Ultraschallfeldes
und eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
Fokussierte Ultraschallfelder werden beispielsweise in
der Medizin eingesetzt, um im Körper befindliche Konkremente,
wie z. B. Nierensteine, zu zerstören. Der Vorteil
eines derartigen Verfahrens besteht darin, daß
operative Eingriffe oder das Einführen von Sonden in
den Körper des Patienten und die damit verbundene Gefährdung
durch Infektionen vermieden werden.
Aus der EP-A2 01 33 665 ist eine Einrichtung zum berührungslosen
Zertrümmern eines Konkrementes bekannt,
bei dem die in einem Stoßwellenrohr erzeugte, annähernd
ebene Ultraschallwelle mittels einer akustischen Linse
oder eines akustischen Linsensystems auf das Zielgebiet
fokussiert wird. Zwischen der Linse bzw. dem Linsensystem
und einer als Ultraschall-Sender dienenden
Kupfer-Membran befindet sich ein flüssiges Koppelmedium.
Durch eine Halterung kann das Stoßwellenrohr
auf das Konkrement so ausgerichtet werden, daß der
bildseitige Brennpunkt der Linse im Konkrement liegt.
Die Linse kann außerdem zur genauen Justierung der Lage
des Brennpunktes mit Hilfe einer Feinregulierung längs
der Achse des Stoßwellenrohres verschoben werden.
Bei der Vermessung des von einem Ultraschallsender in
einem schalltragenden Medium, beispielsweise Wasser,
erzeugten Ultraschallfeldes werden sogenannte Miniatur-
Hydrophone verwendet. Die dreidimensionale Verteilung
der Schalldruckamplitude des vom Ultraschallsender erzeugten
Ultraschallfeldes wird dadurch ermittelt, daß
der an jeweils verschiedenen Orten in der Meßwanne
herrschende Schalldruck mit einem derartigen Hydrophon
gemessen wird. Kennt man insbesondere die räumliche
Verteilung der Amplitude und der Ausbreitungsrichtung
des Schallfeldes in einer Querschnittsfläche
des Strahlengangs, so kann man hieraus den Energiefluß
durch diese Fläche ermitteln.
Bei einem bekannten breitbandigen Miniatur-Hydrophon
ist eine mit Elektroden versehene piezoaktive Folie aus
Polyvinylidenfluorid PVDF mit einer Dicke von 25 µm auf
die Stirnfläche eines Edelstahlrohres elektrisch
isoliert aufgespannt. Der Durchmesser der Folie beträgt
etwa 1 mm. Auf der Innenseite der Folie ist ein Platindraht
angebracht, der mit dem Innenleiter eines Koaxialkabels
verbunden ist. Dieser Platindraht wird von
einem das Innere des Edelstahlrohres ausfüllenden
Backing gestützt. Die Außenseite der Folie ist mit dem
Edelstahlrohr elektrisch kontaktiert und mit der Abschirmung
des Koaxialkabels verbunden (Ultrasonics,
September 1981, Seiten 213 bis 216).
Es ist weiterhin ein Membran-Hydrophon bekannt (Ultrasonics,
Mai 1980, Seiten 123 bis 126), bei dem eine
Membran aus Polyvinylidenfluorid PVDF mit einer Dicke
von 25 µm und einem Durchmesser von 100 mm zwischen
zwei Ringen aus Metall aufgespannt ist. In der Mitte
der Membran befindet sich der piezoelektrisch aktive
Bereich, der mit Elektroden versehen ist und beispielsweise
einen Durchmesser von 4 mm hat.
Um die Schalleistung eines fokussierten Ultraschallfeldes
mit Hilfe derartiger Hydrophone zu ermitteln,
müssen somit in einer Querschnittsfläche des Strahlenganges
mehrere voneinander unabhängige Messungen durchgeführt
werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen,
daß mit einem Hydrophon mehrere Messungen
zeitlich nacheinander vorgenommen werden. Ein solches
Verfahren ist jedoch zeitaufwendig und beispielsweise
während des Betriebs eines medizinischen Ultraschallgerätes,
beispielsweise eines Lithotripters, nicht
durchführbar. Zwar kann der zeitliche Aufwand für die
Messung verringert werden, wenn in der Querschnittsfläche
eine Vielzahl von Hydrophonen angeordnet sind,
die annähernd gleichzeitig ausgelesen werden, jedoch
ist hierfür ein hoher konstruktiver Aufwand erforderlich.
Außerdem sind die mit einem derartigen
Aufbau verbundenen Störungen des Ultraschallfeldes
nicht mehr vernachlässigbar.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Messung der Schalleistung eines
fokussierten Ultraschallfeldes anzugeben, daß außerhalb
des Fokus auch während der Beschallung eines
Objektes angewendet werden kann. Außerdem soll eine
einfache Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
angegeben werden, bei der mit einer möglichst geringen
Anzahl von Ultraschallwandlern die gesamte Querschnittsfläche
des Strahlenganges des Ultraschallfeldes
nahezu vollständig überdeckt wird.
Diese Aufgab wird gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1. Die an den Ultraschallwandlern
entstehenden Meßsignale werden derart zeitlich verzögert,
daß sie untereinander phasengleich vorliegen.
Sie können dann addiert werden, ohne daß es zu einer
gegenseitigen Auslöschung der Meßsignale kommt.
In einer vorteilhaften Anordnung zur Durchführung des
Verfahrens sind jeweils die Gebiete auf der piezoaktiven
Polymerfolie, auf denen das fokussierte Ultraschallfeld
nahezu gleichphasig vorliegt, mit einer gemeinsamen
Elektrode versehen. Dadurch wird die Zahl der voneinander
elektrisch getrennten Ultraschallwandler, die zur
nahezu vollständigen Überdeckung der gesamten Querschnittsfläche
des Strahlenganges des Ultraschallfeldes
erforderlich sind, erheblich verringert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die
Empfangsflächen der durch die einzelnen Elektroden gebildeten
Ultraschallwandler annähernd gleich groß. Dadurch
sind die an den Flächen entstehenden, dem Schalldruck
proportionalen Ladungssignale ebenfalls annähernd
gleich groß und die elektrische Weiterverarbeitung wird
erleichtert.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die
Zeichnung verwiesen, in deren
Fig. 1 ein fokussiertes Ultraschallfeld dargestellt
ist, das an mehreren Meßpunkten gemessen wird.
In den
Fig. 2 bis 4 ist der zeitliche Verlauf der Meßsignale,
die an den Ultraschallwandlern dieser
Meßorte entstehen, ausschnittweise jeweils in
einem Diagramm dargestellt und in den
Fig. 5 bis 7 ist der Verlauf der entsprechenden
zeitlich verzögerten Signale ebenfalls jeweils
in einem Diagramm dargestellt.
Fig. 8 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
schematisch im Schnitt und in
Fig. 9 ist diese Vorrichtung in einer Draufsicht
dargestellt.
Gemäß Fig. 1 wird ein kugelförmiges Ultraschallfeld l
im Fokus F gebündelt. Die Fokussierung dieses Ultraschallfeldes
l erfolgt durch akustische Linsen- oder
Reflektorsysteme, die in der Figur nicht dargestellt
sind. Der Fokus F ist zugleich Radiusmittelpunkt des
kugelförmigen Ultraschallfeldes l. Auf einer Querschnittsfläche
12 des Strahlenganges des kugelförmigen
Ultraschallfeldes l befinden sich verschiedene Meßorte
P l , P i und P j in unterschiedlichen Abständen r l , r i
und r j vom Fokus F. Die an diesen Orten herrschenden
Schallschwingungen sind untereinander nicht phasengleich
und es besteht zwischen ihnen somit eine Phasendifferenz.
Diese Phasendifferenz ergibt sich dadurch,
daß sich die Meßorte P l , P i und P j nicht auf einer gemeinsamen
Kugeloberfläche 14 befinden. In der Figur
sind die Meßorte P l , P i und P j beispielsweise auf einer
Ebene 12 angeordnet, welche die durch den Meßort P l
verlaufende Kugeloberfläche 14 tangential im Punkte
P l berührt. Somit ist der Abstand r l des Meßortes P l
vom Fokus F zugleich der kürzeste Abstand der Querschnittsfläche
12 vom Fokus F. Die Meßorte P i und P j
befinden sich im Abstand Δ x il = r i -r l bzw.
Δ x jl = r j -r l zur Kugeloberfläche14. Die Schallschwingung
am Ort P l ist somit gegenüber der am Ort P i
herrschenden Schallschwingung um die Phasendifferenz
Δϕ il = ω · Δ x il /c verzögert, wenn ω die
Kreisfrequenz und c die Schallgeschwindigkeit des
Ultraschallfeldes l ist. Entsprechend ergibt sich die
Phasendiffernz Δϕ jl zwischen den Schwingungen am Meßort
P j zu den Schwingungen am Meßort P l zu ω · Δ x jl- /c.
In den Fig. 2 bis 4 ist jeweils der zeitliche Verlauf
der an den einzelnen Meßorten P l , P i , P j auftretenden
Meßsignale U l , U i , U j für eine Schwingungsperiode
dargestellt. Gegenüber dem Meßsignal U l am Ort
P l eilen die Meßsignale U i und U j um die Zeit Δ t il =
Δ x il /c bzw. Δ t jl = Δ x jl /c voraus.
Entsprechend den Fig. 5 bis 7 ist das Meßsignal U l
phasengleich mit den verzögerten Meßsignalen U i ′ und
U j ′, die aus den Signalen U i bzw. U j durch die Zeitverzögerung
Δ t il bzw. Δ t jl entstanden sind. Die
phasengleich vorliegenden Signale U l , U i ′ und U j ′
können dann addiert werden und zur Ermittlung der
Schalleistung weiterverarbeitet werden.
Gemäß Fig. 8 enthält ein Ultraschallwandler-Anordnung
2 eine piezoelektrische Polymerfolie 4, die wenigstens
mittelbar auf einem ringförmigen Tragkörper 44 befestigt
ist. Die piezoelektrische Polymerfolie 4 besteht
vorzugsweise aus polarisiertem Polyvinylidenfluorid
PVDF und der Tragkörper 44 aus einem Kunststoff,
beispielsweise Polystyrol PS, um den störenden
Einfluß auf das zu messende Ultraschallfeld möglichst
gering zu halten. Auf ihrer beispielsweise dem Tragkörper
44 zugewandten Flachseite ist die Polymerfolie 4
mit einer zusammenhängenden elektrisch leitfähigen
Schicht 6 versehen, die als Masseelektrode dient. Auf
der gegenüberliegenden Flachseite der piezoelektrischen
Polymerfolie 4 sind mehrere voneinander elektrisch
getrennte Elektroden 8 derart angeordnet, daß eine
kreisscheibenförmige Mittelelektrode 82 von mehreren
ringförmigen Außenelektroden 84, 86 konzentrisch
umgeben wird. Zwischen den Elektroden 8 liegt ein
isolierender Zwischenraum 88, dessen Anteil an der
Gesamtfläche der Polymerfole 4 vernachlässigbar ist.
Die Elektrodenanordnung ist rotationssymmetrisch um
eine Symmetrieachse 20, die senkrecht zu den Flachseiten
der Polymerfolie 4 verläuft. Die Ultraschallwandler-
Anordnung 2 ist in einem fokussierten Ultraschallfeld
derart angeordnet, daß die Symmetrieachse 20
der Elektrodenanordnung durch den Fokus F des Ultraschallfeldes
verläuft. Der Durchmesser der Mittelelektrode
82 und die Breite der ringförmigen Außenelektroden
84, 86 soll jeweils so gewählt werden, daß die
Differenz Δ a zwischen dem minimalen Abstand a und dem
maximalen Abstand a + Δ a der auf der jeweiligen Elektrode
80 liegende Punkte vom Fokus F gegenüber der
Wellenlänge λ der verwendeten Ultraschallwelle klein
ist. Insbesondere ist das Verhältnis Δ a/λ kleiner
als 0,1 zu wählen. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet,
daß die auf verschiedene Gebiete einer
Elektrode 8 auftreffenden Ultraschallwellen wenigstens
annähernd gleichphasig sind. Die Bedingung
Δ a/λ ≦ωτ 0,1 bestimmt somit zusammen mit dem Durchmesser
der Polymerfolie 4 und der Forderung, daß der
Flächenanteil des isolierenden Zwischenraumes 88 an der
Gesamtfläche der Polymerfolie klein sein soll, die
Anzahl der erforderlichen Elektroden 8. Die Anzahl der
ringförmigen Außenelektroden 84, 86 ist in der Regel
größer als die Anzahl der in der Figur aus Gründen der
Übersichtlichkeit dargestellten Außenelektroden 84, 86.
Außerdem muß noch berücksichtigt werden, daß am Ort der
Ultraschallwandlers 2 die Apertur des Schallstrahls
kleiner sein muß als die empfindliche Fläche der
Polymerfolie 4.
Gemäß Fig. 9 sind die Elektroden 8 mit elektrischen
Anschlußleitern versehen. Die ringförmigen Außenelektroden
84 und 86 sind jeweils mit einem einen Ende
einer Verzögerungsleitung 54 bzw. 56 verbunden. Die
anderen Enden der Verzögerungsleitungen 54 und 56 sind
mit den Eingängen einer Auswerteelektronik 60 verbunden.
Die Mittelelektrode 82 ist direkt mit dem Eingang
der Auswerteelektronik 60 verbunden. In einer vorteilhaften
Ausführungsform der Erfindung ist der Durchmesser
der Mittelelektrode 82 und die Breite der ringförmigen
Außenelektroden 84, 86 so bemessen, daß ihre
Flächen wenigstens annähernd gleich sind. Dann sind die
an den Elektroden 8 entstehenden Ladungssignale wenigstens
annähernd gleich groß, wenn zusätzlich die Bedingung,
daß der Durchmesser der Polymerfolie 4 gegenüber
dem Abstand der Polymerfolie 4 vom Fokus klein
sein soll, erfüllt ist.
Claims (3)
1. Verfahren zur Messung der Schalleistung eines
fokussierten Ultraschallfeldes, gekennzeichnet
durch folgende Merkmale:
- 1) Der Schalldruck des Ultraschallfeldes (l) wird mit Ultraschallwandlern an mehreren Orten (P l , P i , P j ) wenigstens annähernd gleichzeitig gemessen,
- 2) die an den Wandlern entstehenden elektrischen Meßsignale (U l , U i , U j ) werden zeitlich verzögert,
- 3) die den Wandlern jeweils zugeordnete Verzögerungszeit (Δ t il , Δ t jl ) ist so bemessen, daß die verzögerten Signale (U i ′, U j ′) untereinander phasengleich sind,
- 4) die phasengleichen Signale (U l , U i ′, U j ′) werden elektronisch ausgewertet.
2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, gekennzeichnet durch
folgende Merkmale:
- 1) Die Anordnung enthält eine kreisscheibenförmige piezoelektrische Polymerfolie (4),
- 2) die piezoelektrische Polymerfolie (4) ist mit einer kreisscheibenförmigen Mittelelektrode (82) und mit mehreren konzentrisch um die Mittelelektrode (82) angeordneten ringförmigen Außenelektroden (84, 86) versehen,
- 3) Die Außenelektroden (84, 86) sind jeweils mit einem Ende einer Verzögerungsleitung (54, 56) verbunden,
- 4) die anderen Enden der Verzögerungsleitungen (54, 56) und die Mittelelektrode (82) sind jeweils mit einem Eingang einer Auswerteelektronik (60) verbunden.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode
(82) und die Außenelektroden (84, 86) untereinander
wenigstens annähernd flächengleich sind.
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DE19853545353 DE3545353A1 (de) | 1985-12-20 | 1985-12-20 | Verfahren und vorrichtung zur messung der schalleistung eines fokussierten ultraschallfeldes |
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DE4000362A1 (de) * | 1990-01-09 | 1991-07-11 | Wolf Gmbh Richard | Ultraschallwandler mit piezoelektrischen wandlerelementen |
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1985
- 1985-12-20 DE DE19853545353 patent/DE3545353A1/de not_active Withdrawn
Cited By (3)
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DE4000362A1 (de) * | 1990-01-09 | 1991-07-11 | Wolf Gmbh Richard | Ultraschallwandler mit piezoelektrischen wandlerelementen |
US5101133A (en) * | 1990-01-09 | 1992-03-31 | Richard Wolf Gmbh | Ultrasonic transducer having piezoelectric transducer elements |
DE4102551A1 (de) * | 1991-01-29 | 1992-07-02 | Wolf Gmbh Richard | Verfahren zum bestimmen der akustischen leistung fokussierender elektroakustischer wandler und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |