DE3545353A1

DE3545353A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der schalleistung eines fokussierten ultraschallfeldes

Info

Publication number: DE3545353A1
Application number: DE19853545353
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr Granz; Peter Dr Kraemmer; Bertram Sachs
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-12-20
Filing date: 1985-12-20
Publication date: 1987-06-25

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

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.