DE4000362C2 - Ultraschallwandler mit piezoelektrischen Wandlerelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler für die Lithotripsie, bei dem piezoelektrische Wandlerelemente an einem Träger befestigt und mit frontseitigen sowie mit rückseitigen Elektroden elektrisch leitend verbunden sind, die an einen elektrischen Impulsgenerator anschließbar sind, um über die Elektroden impulsweise elektrische Felder in den Wandlerelementen zu erzeugen und diese zum Schwingen anzuregen.

Derartig konzipierte Ultraschallwandler sind bekannt. Ihre Wirkungsweise beruht darauf, daß bei Anlegen einer Spannung das piezokeramische Wandlerelement im Innern desselben schlagartig ein mechanischer Spannungszustand erzeugt wird, der dadurch entsteht, daß sich im Innern des Wandlerelementes ein elektrisches Feld aufbaut, das bewirkt, daß jede Schicht des Wandlerelementes das Bestreben hat, ihre Dicke zu ändern. Bei Planparallelität der Elektroden der Keramikkörper der Wandlerelemente entsteht dabei im Innern derselben ein homo­ genes elektrisches Feld, das bei auf einem reflexionsfreien rückseitigen Träger (backing) befestigten Wandlerelementen neben positiven Druckpulsen auch Druckpulse mit negativen Vor­ zeichen erzeugt. Diese treten als Zugimpulse in Erscheinung, die insbesondere bei den üblichen fokussierenden Wandlern die Gefahr von Gewebeschädigungen im Fokusumfeld mit sich bringen.

Um diese Gefahr zu minimieren, hat man verschiedene Maßnahmen getroffen, die eine Reduzierung der Amplitude der emittierten negativen Pulswellen zum Ziel haben.

So ist aus der DE-PS 34 25 992 ein piezoelektrischer Wandler zu entnehmen, bei dem eine Vielzahl von Wandlerelementen an der Frontseite eines kugelkalottenförmigen Trägers angeordnet sind. Dabei ist das Kalottenmaterial so gewählt, daß dessen Wellenwiderstand von dem der Keramikelemente kaum abweicht und die Rückseite der Oberfläche der Kalotte so gestaltet, daß die daran reflektierten, von den Keramikelementen erzeugten Schallwellen nicht fokussiert werden. Damit läßt sich zwar ein günstiges Verhältnis der Amplituden der positiven und der negativen Pulse erreichen, jedoch kann eine erwünschte weitere Reduzierung der negativen Pulse nicht erreicht wer­ den, da deren Form an der Grenzschicht Wandlerelement-Träger durch die vorhandene Geometrie der Wandlerelemente und der Elektrodenanordnung vorgegeben ist.

Die DE-OS 31 19 295 zeigt eine weitere Einrichtung zur Zer­ störung von Konkrementen, bei der die Gefahr der Gewebeschä­ digung dadurch reduziert wird, daß der auf das Konkrement zu fokussierende Ultraschallwandler so großflächig ist, daß einerseits die Schalleistungsdichte auf dem Transmissions­ weg klein, andererseits im Fokus aber so groß ist, daß sie zur Zerstörung des im Fokus befindlichen Konkrementes aus­ reicht.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Ultraschall­ wandler mit hoher Schalleistungsdichte im Fokus zu schaffen, bei dem der negative Druckpuls so weit reduziert ist, daß jegliche Gefahr einer Gewebeschädigung im Umfeld des Kon­ krementes und auf dem Transmissionsweg vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die rück­ seitigen Elektroden so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie auch an einem Teil der seitlichen Begrenzungsflächen der Wandlerelemente elektrisch leitend zur Anlage kommen. Unter seitlichen Begrenzungs­ flächen im Sinne der Erfindung sind all die Begrenzungsflächen zu verstehen, die nicht ausschließlich quer zur Wandlerachse liegen. Das kann dadurch erreicht werden, daß die zweiten Elektroden eine wenigstens teilweise zu den ersten Elektroden abweichend verlaufende Form haben und konkret dadurch, daß die zweiten, topfförmig aus­ gebildeten Elektroden jeweils den einen Bereich der Wandlerelemente vollständig einschließen.

Durch diese Maßnahme erhöht sich die Amplitude des posi­ tiven Druckpulses, während gleichzeitig die des negativen Druckpulses reduziert und dessen zeitliche Dauer vergrößert wird. Es ergibt sich also ein gegenläufiges Verhalten bei der Entstehung der positiven und negativen Druckpulse, wo­ bei die Dauer multipliziert mit dem Quadrat der Amplitude ein Maß für die in dem jeweiligen Druckpuls enthaltene Energiedichte darstellt.

Nach einer bevorzugten Ausführung kann der Boden der topfför­ migen zweiten Elektroden parallel zu den ersten Elektroden verlaufen. Die zweiten Elektroden können aber auch in Form von Ringen ausgebildet sein, die auf gleicher Achse wie die ihnen zugeordneten Wandlerelemente liegen und jeweils den rückseitigen Teil der Wandlerelemente einfassen.

Dabei kann die elektrische Verbindung rückseitig dadurch erfolgen, daß die rückseitigen Endflächen der Wandlerele­ mente und der Ringe elektrisch leitend mit dem ebenfalls leitenden Träger verbunden werden. Eine weitere Möglichkeit der rückseitigen elektrischen Verbindung besteht darin, daß die zweiten Elektroden durch Ausnehmungen im elektrisch lei­ tenden Träger gebildet sind, und daß die Elektroden mit ihren rückseitigen Teilen in den Ausnehmungen festgelegt sind. Der frontseitige elektrische Anschluß der Wandler­ elemente kann dadurch erfolgen, daß die frontseitigen Enden der Wandlerelemente gemeinsam mit einem die ersten Elektro­ den bildenden elektrischen Leiter abgedeckt sind.

Der erfindungsgemäße Schallwandler ist nachstehend anhand einiger, in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbei­ spiele näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen fokussierenden Ultraschallwandler bekannter Bauart,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Ultraschall­ wandler nach Fig. 1 mit einer erfindungs­ gemäßen Ausbildung der trägerseitigen Elek­ troden,

Fig. 3 eine vergrößerte schematische Schnittdarstel­ lung eines erfindungsgemäßen Wandlerelementes mit dem nach Anlegen einer Spannung in diesem entstehenden elektrischen Feld,

Fig. 4 eine Variante der Ausbildung der Elektroden für den elektrischen Anschluß der Wandlerele­ mente,

Fig. 5, 6 und 7 verschiedene erfindungsgemäße Ausgestaltungen der rückseitigen Elektroden.

In Fig. 1 ist ein fokussierender Ultraschallwandler 1 ge­ zeigt, der eine Vielzahl von piezoelektrischen Ultraschall- Wandlerelementen 2 in einer Ringanordnung um die Mittelachse aufweist. Der Ultraschallwandler 1 ist kugelkalottenförmig gestaltet und ist damit mechanisch fokussiert und kann da­ rüber hinaus in bekannter und daher nicht näher zu be­ schreibender Weise elektronisch fokussierbar sein.

Die Wandlerelemente 2 sind gemäß Fig. 2 mit ihren rück­ seitigen Enden auf einem elektrisch leitfähigen Träger 3, der eine kalottenförmige Grundgestalt hat, vorzugsweise durch Kleben befestigt. Jedes Wandlerelement 2 ist dabei, wie besser in Fig. 3 zu erkennen ist, an seinem rücksei­ tigen Ende durch eine topfförmige Elektrode 4 eingefaßt, so daß diese den Kontakt zu dem elektrisch leitfähigen Träger 3 bildet. Dieser Kontakt wird durch Anwendung eines ebenfalls elektrisch leitfähigen Klebers sichergestellt. Die topfförmige Ausbildung der Elektrode 4 bewirkt, daß nicht nur die ebene Stirnfläche der Wandlerelemente 2 elek­ trisch leitend angeschlossen ist, sondern auch Teile der seitlichen Begrenzungsflächen derselben. Dieser Umstand bewirkt, daß bei Anlegen einer Spannung zwischen einer frontseitigen Elektrode 5 und den rückseitigen topfförmigen Elektroden 4 ein elektrisches Feld wie in Fig. 3 durch seine Aquipotentiallinien angedeutet aufgebaut wird, das in den Wandlerelementen 2 frontseitig homogen und rück­ seitig inhomogen ist, da hier eine Verzerrung durch die Topfform der Elektrode 4 eintritt. Um diesen erwünschten Effekt zu erreichen, ist Voraussetzung, daß das rückseitige inhomogene elektrische Feld das frontseitige, homogene Feld nicht bzw. nur unwesentlich beeinflußt, was sichergestellt ist, wenn der Durchmesser des Wandlerelementes 2 seine Höhe nicht wesentlich überschreitet. Die frontseitige Elektrode 5 kann in Form einer elektrisch leitfähigen Folie vorge­ sehen sein, mit der die frontseitigen Stirnflächen der Wandlerelemente 2 verbunden werden.

Der Aufbau des Ultraschall-Wandlers 1 nach Fig. 4 sieht vor, daß die Wandlerelemente 2 mit ihren frontseitigen Stirn­ flächen an einer die Schallenergie leitenden und elektrisch leitfähigen Platte 6 befestigt und die rückseitig an den Wandlerelementen 2 angebrachten topfförmigen Elektroden 4 einzeln miteinander elektrisch leitend verbunden werden.

Nach Fig. 5 sind die erfindungsgemäß ausgestalteten Wandler­ elemente 2 mit ihren rückseitigen, durch topfförmige Elek­ troden 4 eingefaßten Enden auf einer ebenen Trägerfläche befestigt und nach Fig. 6 in eine Ausnehmung 7 in dem Trä­ ger 3 eingepaßt, womit die topfförmige Ausgestaltung der Elektrode 4 gegeben ist. Nach Fig. 7 ist eine kegelförmige Ausnehmung 8 vorgesehen, die ebenfalls eine Inhomogenität des elektrischen Feldes im Bereich des rückseitigen Endes des Wandlerelementes 2 bewirkt.

Die pulsweise elektrische Beaufschlagung der Wandlerelemente 2 erfolgt in bekannter Weise durch einen Impulsgenerator 9, dessen Pole einerseits an dem Träger 3 und andererseits an der die Front-Stirnseiten der Wandlerelemente 2 verbindenden Folie angeschlossen werden.

Claims (7)

1. Ultraschallwandler für die Lithotripsie, bei dem piezoelektrische Wandlerelemente an einem Träger befestigt und mit frontseitigen sowie mit rückseitigen Elektroden rückseitigen elektrisch leitend verbunden sind, die an einen elektrischen Impulsgenerator an­ schließbar sind, um über die Elektroden impulsweise elektrische Felder in den Wandlerelementen zu erzeugen und diese zum Schwingen anzuregen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (4) so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie auch an einem Teil der seitlichen Begrenzungsflächen der Wandler­ elemente (2) elektrisch leitend zur Anlage kommen.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rückseitigen Elektroden (4) topfförmig ausgebildet jeweils den rückseitigen und daran anschließenden seitlichen Teil der Wandlerelemente (2) einschließen.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der topfförmigen rückseitigen Elektroden (4) parallel zu den frontseitigen Elektroden (5) verläuft.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rückseitigen Elektroden (4) durch auf dem Träger (3) angeordnete Ringe gebildet sind, die jeweils konzentrisch zu dem davon umschlossenen Wandlerelement (2) angeordnet und leitend mit diesem verbunden sind.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe elektrisch leitend mit dem ebenfalls elektrisch leitenden Träger (3) verbunden sind.

6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die rückseitigen Elektroden (4) durch Ausnehmungen (7 bzw. 8) im elektrisch leitenden Träger (3) gebildet sind.

7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die frontseitigen Enden der Wandlerelemente (2) durch einen gemeinsamen elektrischen Leiter abgedeckt sind, welcher die frontseitigen Elektroden (5) bildet.