DE4336149A1 - Ultraschallwandler, der aus einer Vielzahl von Wandlerelementen zusammengesetzt ist - Google Patents
Ultraschallwandler, der aus einer Vielzahl von Wandlerelementen zusammengesetzt istInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, der aus ei
ner Vielzahl von Wandlerelementen zusammengesetzt ist.
Derartige Ultraschallwandler werden beispielsweise in der
Medizin für unterschiedliche Zwecke eingesetzt. Es seien hier
nur die Erzeugung von Stoßwellen zur Zertrümmerung von Kon
krementen (Lithotripsie) und die Behandlung von pathologi
schen Gewebeveränderungen mit therapeutischem Ultraschall
(Hyperthermie bzw. Thermotherapie) genannt.
Aus einer Vielzahl von Wandlerelementen zusammengesetzte Ul
traschallwandler werden verwendet, weil Einzelschwinger
technologische Probleme bereiten, wenn gewisse Leistungsgren
zen und damit Abmessungen überschritten werden. Solche Pro
bleme sind bei aus einer Vielzahl von Wandlerelementen zusam
mengesetzten Ultraschallschwingern vermieden, da eine techno
logisch problemlos beherrschbare Größe der Wandlerelemente
gewählt werden kann.
Da der technische und damit finanzielle Aufwand für einen aus
einer Vielzahl von Wandlerelementen zusammengesetzten Ultra
schallwandler mit der Zahl der Wandlerelemente steigt, ist es
an sich wünschenswert, die Zahl der Wandlerelemente auf das
unbedingt notwendige Maß zu beschränken. Dabei zeigt sich
jedoch, daß unabhängig von den eingangs genannten technologi
schen Schwierigkeiten, die auftreten, wenn die Wandlerelemen
te eine gewisse Größe überschreiten, auch im Zusammenhang mit
der Fokussierung des mittels des Ultraschallwandlers erzeug
ten Ultraschalls Probleme auftreten. Im einzelnen handelt es
sich um Nebenmaxima oder Nebenfoci, die insbesondere in Rich
tung der Wandlerachse vor und hinter dem eigentlichen Fokus,
d. h. dem Maximum des Schalldruckes, entstehen. Diese Neben
foci sind insbesondere bei medizinischen Anwendungen äußerst
gefährlich, da die Gefahr von unbeabsichtigten Gewebeschädi
gungen im Bereich der Nebenfoci besteht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ultra
schallwandler der eingangs genannten Art so auszubilden, daß
für eine gegebene Anzahl der Wandlerelemente eine Abschwä
chung der Nebenfoci erreicht wird.
Nach einem ersten Lösungsprinzip wird diese Aufgabe durch
einen Ultraschallwandler gelöst, der aus einer Vielzahl von
Wandlerelementen zusammengesetzt ist, wobei Wandlerelemente
gleichen Abstandes von der Wandlerachse in unterschiedlichen
Winkelabständen voneinander angeordnet sind.
Nach einem weiteren Lösungsprinzip wird die Aufgabe durch
einen Ultraschallwandler gelöst, der aus einer Vielzahl von
Wandlerelementen zusammengesetzt ist und keinen Schnitt mit
die Wandlerachse enthaltender Schnittebene aufweist, der zur
Wandlerachse spiegelsymmetrisch ist.
Nach einem anderen Lösungsprinzip wird die Aufgabe durch ei
nen Ultraschallwandler gelöst, der aus einer Vielzahl von
Wandlerelementen zusammengesetzt ist und keine zwei deckungs
gleiche Halbschnitte mit die Wandlerachse enthaltender
Schnittebene aufweist.
Allen Lösungsprinzipien gemeinsam ist eine unsymmetrische
Anordnung der Wandlerelemente, die zu einer Reduzierung des
Schalldruckes im Bereich etwaiger Nebenfoci führt. Grundsätz
lich kann gesagt werden, daß die Nebenfoci um so weniger aus
geprägt sind, je unsymmetrischer die Wandlerelemente angeord
net sind. Dabei ist es günstig, wenn Wandlerelemente unter
schiedlichen Abstandes von der Wandlerachse auf unterschied
lichen Radien, d. h. unterschiedlichen ausgehend von der Wand
lerachse radial nach außen verlaufenden Geraden, die mit der
Wandlerachse jeweils einen rechten Winkel einschließen,
liegen.
Gemäß einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß die
Wandlerelemente auf zur Wandlerachse konzentrischen Kreisen
angeordnet sind. Durch diese Anordnung der Wandlerelemente
lassen sich besonders kompakte Abmessungen des Ultraschall
wandlers realisieren. Allerdings sollten auf einem konzentri
schen Kreis höchstens vier Wandlerelemente angeordnet sein,
da eine zu große Anzahl von Wandlerelementen auf ein und dem
selben konzentrischen Kreis zu einer Verringerung der Unsym
metrie führt und somit die Bildung von Nebenfoci begünstigt.
Unter Umständen genügt die durch die sogenannte natürliche
Fokussierung auftretende Bündelung der erzeugten Ultraschall
wellen. Wenn dies nicht der Fall ist, besteht die Möglich
keit, Fokussierungsmaßnahmen zu treffen, also beispielsweise
akustische Linsen oder fokussierende Reflektoren vorzusehen.
Vorzugsweise wird eine Fokussierung der erzeugten Ultra
schallwellen jedoch dadurch erreicht, daß die Wandlerelemente
Abstrahlflächen aufweisen, die in einer wenigstens im wesent
lichen sphärischen Fläche liegen, wobei die Lage des (Haupt-)Fokus
der erzeugten Ultraschallwellen theoretisch dem Zen
trum der sphärischen Fläche entspricht. Eine an die sphäri
sche Fläche angepaßte sphärische Ausbildung der Abstrahlflä
chen der Wandlerelemente ist im Falle des erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers nicht unbedingt erforderlich. Vielmehr
sind die Fokussierungseigenschaften des erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers auch dann bereits sehr gut, wenn dessen
Wandlerelemente plane Abstrahlflächen aufweisen.
Unter der Abstrahlfläche eines Wandlerelementes ist übrigens
diejenige Fläche zu verstehen, von der der Nutz-Ultraschall
ausgeht. Der Abstand eines Wandlerelementes von der Wandler
achse wird im rechten Winkel zur Wandlerachse gemessen und
bezieht sich für alle Wandlerelemente des Ultraschallwandlers
auf den gleichen Bezugspunkt, beispielsweise den Flächen
schwerpunkt der Abstrahlfläche oder den jeweils am nächsten
bei der Wandlerachse befindlichen Punkt der Abstrahlfläche.
Wenn von einem Radius die Rede ist, auf dem ein Wandlerele
ment liegt, so ist damit eine die Wandlerachse rechtwinklig
schneidende Gerade gemeint, die bei dem jeweiligen Wandler
element durch einen bzw. zwei markante Punkte verläuft, bei
spielsweise den Flächenschwerpunkt der Abstrahlfläche oder
den am dichtesten bei der Wandlerachse liegenden und den am
weitesten von der Wandlerachse entferntesten Punkt der Ab
strahlfläche. Wenn die Rede davon ist, daß mehrere Wandle
relemente auf einem konzentrischen Kreis angeordnet sind, so
bedeutet dies, daß die entsprechenden Wandlerelemente den
gleichen Abstand von der Wandlerachse aufweisen, jedoch auf
unterschiedlichen Radien liegen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 in grob schematischer Darstellung eine Stirnansicht
eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Ul
traschallwandler, und
Fig. 3 und 4 den Verlauf des Schalldruckes längs der Wand
lerachse für den erfindungsgemäßen und für ei
nen herkömmlichen Ultraschallwandler.
Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler gemäß den Fig. 1 und
2 weist insgesamt 35 an einem Tragkörper 15 angebrachte
kreisscheibenförmige piezoelektrische Wandlerelemente auf.
Diese sind auf insgesamt 14 zur Wandlerachse W konzentrischen
Kreisen angeordnet. Auf keinem der konzentrischen Kreise, die
in Fig. 1 strichpunktiert eingetragen sind, befinden sich
mehr als drei Wandlerelemente. Die Wandlerelemente sind in
Fig. 1 mit den Bezugsziffern 1₁ bis 14₃ versehen, wobei
beispielsweise das zweite Wandlerelement auf dem siebten
Kreis mit 7₂ bezeichnet ist. Bezüglich der Kreise ist die
Zählweise derart, daß der innerste Kreis die Nummer "1" und
der äußerste Kreis die Nummer "14" trägt. Die Numerierung der
Wandlerelemente der einzelnen Kreise erfolgt im
Uhrzeigersinn, wobei dasjenige Wandlerelement den Index 1
trägt, das in der 12-Uhr-Position oder im Uhrzeigersinn
betrachtet am dichtesten bei der 12-Uhr-Position liegt.
Bezüglich der auf einem Kreis liegenden Wandlerelemente ist
die Anordnung derart getroffen, daß einander benachbarte
Wandlerelemente durch jeweils unterschiedliche Winkelabstände
voneinander getrennt sind. Für Kreise, auf denen sich nur
zwei Wandlerelemente befinden, bedeutet dies, daß die ent
sprechenden Wandlerelemente einen Winkelabstand voneinander
aufweisen, der von 180° verschieden ist.
Bezüglich auf unterschiedlichen konzentrischen Kreisen lie
gender Wandlerelemente sollte nach Möglichkeit die Anordnung
derart getroffen werden, daß keine auf unterschiedlichen kon
zentrischen Kreisen liegende Wandlerelemente auf dem gleichen
Radius liegen. So liegt beispielsweise auf dem in Fig. 1 mit
R7₂ bezeichneten Radius nur das Wandlerelement 7₂. Im Falle
des Ausführungsbeispieles liegen lediglich die Wandlerelemen
te 4₁ und 10₁, 4₂ und 9₁, 3₁ und 9₂, 4₃ und 10₂ sowie 3₂ und
9₃ jeweils auf einem gemeinsamen Radius.
Durch den Ultraschallwandler gemäß Fig. 1 kann weder ein
Schnitt mit die Wandlerachse W enthaltender Schnittebene ge
legt werden, der zur Wandlerachse W spiegelsymmetrisch ist,
noch können zwei Halbschnitte mit die Wandlerachse enthalten
der Schnittebene durch den Ultraschallwandler gemäß Fig. 1
gelegt werden, die deckungsgleich sind, also durch Drehung um
die Wandlerachse W zur Deckung gebracht werden können.
Wie die Fig. 2, in der die Wandlerelemente nicht dargestellt
sind, zeigt, sind die zur Aufnahme der Wandlerelemente 11 bis
14₃ vorgesehenen Bohrungen des sphärisch gekrümmten kalotten
förmigen Tragkörpers 15 jeweils mit Innengewinde versehen.
Die Bohrungen, in denen die Wandlerelemente mittels
geeigneter mit Außengewinde versehener Halteringe in nicht
dargestellter Weise angebracht sind, sind derart angeordnet,
daß sich die Mittelachsen aller Wandlerelemente in denjenigen
Punkt F schneiden, um den der Tragkörper 15 sphärisch
gekrümmt ist. Dies ist in Fig. 2 anhand der zu den
Wandlerelementen 12₂, 1₁, 3₁ und 9₂ gehörigen Mittelachsen
M12₂, M1₁, M3₁ und M9₂ verdeutlicht. Der Krümmungsradius der
konkaven Seite des Tragkörpers 15 beträgt übrigens ca.
200 mm.
Im Betrieb des Ultraschallwandlers strahlen die Wandler
elemente ihren Nutzschall in Richtung auf den im folgenden
als Fokus bezeichneten Krümmungsmittelpunkt F des Tragkörpers
15 ab. Die Abstrahlflächen der Wandlerelemente befinden sich
also auf der konkaven Seite des Tragkörpers 15 und liegen in
einer sphärischen Fläche. Letzteres gilt angesichts der pla
nen kreisförmigen Abstrahlflächen nur für deren Mittelpunkte,
durch die übrigens die Mittelachsen der Wandlerelemente ver
laufen. Wegen der kreisförmigen Gestalt der Abstrahlflächen
sind deren Mittelpunkte mit ihren Flächenschwerpunkten iden
tisch.
Wenn der Nutzschall in Wasser als akustisches Ausbreitung
smedium eingeleitet wird, ergibt sich für den erfindungsge
mäßen Ultraschallwandler längs der Wandlerachse W der in Fig.
3 dargestellte Verlauf des Schalldruckes p, wobei die z-Rich
tung der Richtung der Wandlerachse W, und der Wert z=0 der
Position des Fokus F entspricht. Die negativen z-Werte liegen
übrigens zwischen Fokus und Tragkörper 15. Die Verhältnisse
für einen Ultraschallwandler, der 48 mit denen des erfin
dungsgemäßen Ultraschallwandlers identische Wandlerelemente
aufweist, die in jeweils gleichen Winkelabständen voneinander
auf drei konzentrischen Kreisen angeordnet sind
(10 Wandlerelemente auf dem inneren, 16 auf dem mittleren und
22 auf dem äußeren), sind in Fig. 4 dargestellt. Es wird
deutlich, daß im Falle des erfindungsgemäßen Ultraschallwand
lers die Nebenfoci deutlich geringer ausgeprägt sind. Sowohl
in der Fig. 3 als auch in der Fig. 4 ist dem maximalen
Schalldruck übrigens der relative Wert zugeordnet, so daß
die beiden Darstellungen direkt vergleichbar sind. Vergleich
barkeit besteht auch insoweit, als die den Fig. 3 und 4 zu
grundeliegenden Ultraschallwandler jeweils eine Apertur von
230 mm und einen Fokusabstand von 200 mm aufweisen.
Wie aus der Darstellung der Fig. 2 ersichtlich ist, sind mit
dem Tragkörper 15 ein Abstandsring 16 und ein Boden 17 ver
schraubt. Der Tragkörper 15 und der Boden 17 sind mit zentri
schen Öffnungen 18 bzw. 19 versehen, die bei medizinischen
Anwendungen des Ultraschallwandlers zur Aufnahme des Ultra
schallkopfes einer Ultraschall-Ortungseinrichtung vorgesehen
sind.
Der Ultraschallwandler kann, wie in der Fig. 2 strichliert
angedeutet, mit einem in Fig. 1 nicht dargestellten flexiblen
Ankoppelbalg 28 versehen sein, wobei der von dem Ankoppelbalg
28, dem Tragkörper 15 und den Wandlerelementen 1₁ bis 14₃
begrenzte Raum mit einem flüssigen akustischen Ausbreitungs
medium für die Ultraschallwellen, beispielsweise Wasser, ge
füllt ist. Es besteht dann die Möglichkeit, den Ultraschall
wandler mit einem zu beschallenden Objekt akustisch zu kop
peln, indem der Ankoppelbalg 28 an die Oberfläche des Objek
tes angepreßt wird.
Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispieles sind sowohl
der Ultraschallwandler in seiner Gesamtheit als auch die
Wandlerelemente rund ausgebildet. Der Ultraschallwandler kann
aber auch unrund, z. B. elliptisch, quadratisch oder recht
eckig, ausgebildet sein. Auch die Wandlerelemente können un
rund ausgebildet sind. Beispielsweise können sie von sechs
eckiger oder einer anderen eine dichte Anordnung der Wand
lerelemente begünstigenden Form sein. Im Falle des beschrie
benen Ausführungsbeispieles sind die Abstrahlflächen der
Wandlerelemente wie bereits erwähnt plan ausgeführt. Es be
steht aber auch die Möglichkeit, Maßnahmen zur Fokussierung
zu treffen, beispielsweise, indem jedem der einzelnen Wand
lerelemente eine akustische Linse zugeordnet ist, die die von
dem jeweiligen Wandlerelement ausgehenden Ultraschallwellen
auf den Fokus F fokussiert. Alternativ besteht die Möglich
keit, die Wandlerelemente mit um den Fokus F sphärisch ge
krümmten Abstrahlflächen zu versehen.
Im Normalfall wird die Ansteuerung der Wandlerelemente derart
erfolgen, daß keine Phasenverschiebung zwischen den den ein
zelnen Wandlerelementen zugeführten elektrischen Signalen
vorliegt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Wandler
elemente nach Art eines sogenannten phased array phasenver
setzt anzusteuern, um eine Verlagerung des Fokus F zu ermög
lichen.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel unterscheiden sich
die Wandlerelemente hinsichtlich Abmessungen und Gestalt
nicht. Bei Bedarf können aber Wandlerelemente unterschiedli
cher Abmessungen und/oder Gestalt verwendet werden.
Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispieles sind pie
zoelektrische Wandlerelemente vorgesehen. Es besteht aber
auch die Möglichkeit, erfindungsgemäße Ultraschallwandler
unter Verwendung z. B. elektromagnetischer oder magnetostrik
tiver Wandlerelemente aufzubauen.
Claims (9)
1. Ultraschallwandler, der aus einer Vielzahl von Wandler
elementen (1₁ bis 14₃) zusammengesetzt ist, wobei Wandlerele
mente gleichen Abstandes von der Wandlerachse (W) in unter
schiedlichen Winkelabständen voneinander angeordnet sind.
2. Ultraschallwandler, der aus einer Vielzahl von Wandlerele
menten (1₁ bis 14₃) zusammengesetzt ist und keinen Schnitt
mit die Wandlerachse (W) enthaltende Schnittebene aufweist,
der zur Wandlerachse (W) spiegelsymmetrisch ist.
3. Ultraschallwandler, der aus einer Vielzahl von Wandlerele
menten (1₁ bis 14₃) zusammengesetzt ist und keine zwei
deckungsgleiche Halbschnitte mit die Wandlerachse enthalten
der Schnittebene aufweist.
4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
Wandlerelemente unterschiedlichen Abstandes von der Wandler
achse (W) auf unterschiedlichen Radien liegen.
5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, des
sen Wandlerelemente (1₁ bis 14₃) auf zur Wandlerachse (W)
konzentrischen Kreisen angeordnet sind.
6. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, bei dem auf einem kon
zentrischen Kreis höchstens vier Wandlerelemente angeordnet
sind.
7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, des
sen Wandlerelemente (1₁ bis 14₃) Abstrahlflächen aufweisen,
die in einer wenigstens im wesentlichen sphärischen Fläche
liegen.
8. Ultraschallwandler nach Anspruch 7, dessen Wandlerelemente
Mittelachsen aufweisen, die sich im Zentrum der sphärischen
Fläche schneiden.
9. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, des
sen Wandlerelemente (1₁ bis 14₃) plane Abstrahlflächen auf
weisen.
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DE4336149A1 true DE4336149A1 (de) | 1995-04-27 |
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DE19934336149 Withdrawn DE4336149A1 (de) | 1993-10-22 | 1993-10-22 | Ultraschallwandler, der aus einer Vielzahl von Wandlerelementen zusammengesetzt ist |
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DE (1) | DE4336149A1 (de) |
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