DE4336149A1 - Ultraschallwandler, der aus einer Vielzahl von Wandlerelementen zusammengesetzt ist - Google Patents

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.