EP0212352A1 - Ultraschallgenerator - Google Patents

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EP0212352A1
EP0212352A1 EP86110398A EP86110398A EP0212352A1 EP 0212352 A1 EP0212352 A1 EP 0212352A1 EP 86110398 A EP86110398 A EP 86110398A EP 86110398 A EP86110398 A EP 86110398A EP 0212352 A1 EP0212352 A1 EP 0212352A1
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EP
European Patent Office
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piezoelectric transducer
ultrasonic generator
generator according
acoustic
lens
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EP86110398A
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Arnim Dipl.-Ing. Rohwedder
Gerd Dr. Wessels
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/30—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using refraction, e.g. acoustic lenses

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic generator for the sonication of pathological changes in the human body with a flat-shaped piezoelectric transducer, which is acoustically coupled on its front side with an acoustic lens and on its rear side with a damping body and is provided on its front and rear side with electrodes.
  • Such an ultrasound generator can be used, for example, to generate shock waves for the contactless destruction of concrements or for sonication of pathologically changed tissue in the human body.
  • Such an ultrasonic generator is known from US Pat. No. 3,387,604, in which the lens is acoustically coupled to the front of the piezoelectric transducer by a casting process and the damping body is acoustically coupled to the rear by gluing.
  • the front and back of the piezoelectric transducer are covered by a conductive coating, e.g. Silver lacquer, designed as electrodes.
  • the known ultrasonic generator can thus only be produced in a complex manner, since the transducer must first be provided with electrodes and then measures must be taken for its acoustic coupling to the lens and the damping body.
  • the invention has for its object to design an ultrasonic generator of the type mentioned in such a way that the piezoelectric transducer in a simple manner can be provided with electrodes and acoustically coupled to the lens and the damping body.
  • layers of a soft metal are provided both between the piezoelectric transducer and the acoustic lens and between the piezoelectric transducer and the damping body, which at the same time as electrodes and for acoustically coupling the piezoelectric transducer with the acoustic lens and serve the damping body.
  • a soft metal e.g. Lead to hang up and keep this pressed between the piezoelectric transducer and the acoustic lens and the damping body.
  • the piezoelectric transducer can be designed very simply, for example by being produced from a single plate made of piezoelectric material. Even in the case in which a plurality of plates, arranged in one plane, made of piezoelectric material are used to construct the piezoelectric transducer, there is a simplification compared to the prior art, since all of the plates contact very easily by means of the layers of soft metal and on the lens and damping body are coupled.
  • Each plate can be formed by a single layer, but also by a plurality of layers of piezoelectric material lying one above the other, between which layers of a soft metal are arranged, each of which form individually contacted electrodes.
  • contacting and coupling of the transducer to the lens and damping body are very simple compared to the prior art. It is also effective given full acoustic coupling of the layers of piezoelectric material to one another.
  • the acoustic lens can advantageously consist of a material whose acoustic impedance is greater than or equal to the geometric mean of the acoustic impedances of the material of the piezoelectric transducer and of water, it being assumed that the acoustic impedance of water is essentially that of the tissue to be sonicated corresponds.
  • the acoustic lens can consist of two parts, of which the first part has a fixed focus and is acoustically coupled to the piezoelectric transducer and the second part has a variable focus and is acoustically coupled to the radiation surface of the first part.
  • This training enables a focus shift and thus an optimal adjustment of the focus position to the respective circumstances, e.g. B. an adjustment to a kidney stone, possible.
  • the first part is expediently made of a material with a lower acoustic impedance than the piezoelectric transducer, for. B. made of magnesium or aluminum.
  • the second part can be formed by a liquid lens which is integrated in the first part and whose shape can be adapted to the desired focus position by the liquid pressure. Instead of a liquid lens, a solid-state lens can also be used. The focus can also be shifted by moving the solid-state lens or changing the temperature.
  • FIG. 1 shows a piezoelectric transducer 1 forming a single oscillator, which forms a flat plate and is glued into a ring 2.
  • the electrical contacting of the piezoelectric transducer 1 is made by two lead plates 4, 5, which are pressed between the front of the piezoelectric transducer 1 and the first part 6 of an acoustic lens and the back of the piezoelectric transducer 1 and an acoustic damping body 7.
  • the lead plates 4, 5 also ensure the acoustic coupling of the first part 6 of the acoustic lens and the damping body 7 to the piezoelectric transducer 1.
  • the acoustic lens has one in part 6, e.g.
  • the acoustic lens can consist of magnesium, integrated liquid lens 8, which is formed by a membrane 9 and an acoustically favorable liquid 10.
  • the acoustic lens then has a sound impedance which is greater than or equal to the geometric mean of the sound impedances of the material of the piezoelectric transducer 1 and of water.
  • the volume of the liquid lens 8 can be changed via a line 11. This changes the shape of the liquid lens 8 and the resulting focus can be adjusted according to the respective requirements.
  • the coupling of the ultrasound generator to the body to be treated can, for. B. over a further membrane 3.
  • the space between the membranes 9 and 3 is thereby through a coupling medium 13, z. B. water filled.
  • the components 6, 9, 11 are held by a steel ring 14.
  • a steel plate 15 serves as a counter plate.
  • An insulating plate 16 is arranged between the acoustic damping body 7 and the steel plate 15.
  • piezoelectric transducer As a piezoelectric transducer, as already mentioned at the beginning mentioned, instead of a single flat plate, a number of such plates arranged in one plane made of piezoelectric material are used.
  • the piezoelectric transducer is formed from a plurality of layers 17, 18, 19 made of piezoelectric material, which are covered by lead layers 20, 21, 22, 23, which serve as electrodes and for acoustic coupling.
  • thicknesses in the order of magnitude greater than 1 mm and diameters greater than 10 mm are suitable for use as high-intensity ultrasound generators for the irradiation of pathological changes. It is essential that the diameter is larger than the thickness.
  • Lead zirconate titanate can be used as the active material.
  • FIG. 1 shows in dashed lines an embodiment with three plates 1a, 1b, 1c which together form the piezoelectric transducer and which can be used instead of a single plate.
  • the lead plates 4 and 5 cover all plates 1a, 1b and 1c.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallgenerator für die Beschallung von pathologischen Veränderungen im menschli­chen Körper mit einem eben ausgebildeten piezoelektri­schen Wandler (1), der an seiner Vorderseite mit einer akustischen Linse (6, 8) und an seiner Rückseite mit ei­nem Dämpfungskörper (7) akustisch gekoppelt ist und an seiner Vorder- und Rückseite mit Elektroden versehen ist. Sowohl zwischen dem piezoelektrischen Wandler (1) und der akustischen Linse (6, 8) als auch zwischen dem piezoelek­trischen Wandler (1) und dem Dämpfungskörper (7) sind Schichten (4, 5, 20, 23) aus einem weichen Metall vorge­sehen, die zugleich als Elektroden und zur akustischen Kopplung des piezoelektrischen Wandlers (1) mit der aku­stischen Linse (6, 8) und dem Dämpfungskörper (7) dienen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Ultraschallgenerator für die Beschallung von pathologischen Veränderungen im menschli­chen Körper mit einem eben ausgebildeten piezoelektri­schen Wandler, der an seiner Vorderseite mit einer aku­stischen Linse und an seiner Rückseite mit einem Dämp­fungskörper akustisch gekoppelt und an seiner Vorder- und Rückseite mit Elektroden versehen ist.
  • Ein derartiger Ultraschallgenerator kann beispielsweise zur Erzeugung von Stoßwellen für die berührungslose Zer­trümmerung von Konkrementen oder zur Beschallung von pathologisch verändertem Gewebe im menschlichen Körper dienen. Durch die US-PS 3 387 604 ist ein solcher Ultra­schallgenerator bekannt, bei dem die Linse durch einen Gießvorgang mit der Vorderseite des piezoelektrischen Wandlers und der Dämpfungskörper durch Kleben mit dessen Rückseite akustisch gekoppelt sind. Außerdem sind Vorder­und Rückseite des piezoelektrischen Wandlers durch eine leitfähige Beschichtung, z.B. Silberlack, als Elektroden ausgebildet.
  • Der bekannte Ultraschallgenerator ist somit nur aufwendig herstellbar, da zunächst der Wandler mit Elektroden ver­sehen werden muß und dann Maßnahmen zu dessen akustischer Kopplung an die Linse und den Dämpfungskörper getroffen werden müssen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultra­schallgenerator der eingangs genannten Art so auszubil­den, daß der piezoelektrische Wandler auf einfache Weise mit Elektroden versehen und an die Linse und den Dämp­fungskörper akustisch angekoppelt werden kann.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß so­wohl zwischen dem piezoelektrischen Wandler und der aku­stischen Linse als auch zwischen dem piezoelektrischen Wandler und dem Dämpfungskörper Schichten aus einem wei­chen Metall vorgesehen sind, die zugleich als Elektroden und zur akustischen Kopplung des piezoelektrischen Wand­lers mit der akustischen Linse und dem Dämpfungskörper dienen. Um den piezoelektrischen Wandler mit Elektroden zu versehen und akustisch an die Linse und den Dämpfungs­körper anzukoppeln, ist es somit lediglich erforderlich, auf Vorder- und Rückseite des piezoelektrischen Wandlers dünne Platten aus weichem Metall, z.B. Blei, aufzulegen und diese zwischen dem piezoelektrischen Wandler und der akustischen Linse sowie dem Dämpfungskörper eingepreßt zu halten.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallgenerator kann der piezoelektrische Wandler sehr einfach ausgebildet werden, z.B. indem er aus einer einzigen Platte aus piezoelektri­schem Material hergestellt wird. Auch in dem Fall, in dem mehrere, in einer Ebene angeordnete Platten aus piezo­elektrischem Material zum Aufbau des piezoelektrischen Wandlers benutzt werden, ergibt sich eine Vereinfachung gegenüber dem Stand der Technik, da sämtliche Platten mittels der Schichten aus weichem Metall sehr einfach kontaktiert und an Linse und Dämpfungskörper angekoppelt sind. Jede Platte kann dabei von einer einzigen Schicht, aber auch von mehreren übereinanderliegenden Schichten aus piezoelektrischem Material gebildet sein, zwischen denen Schichten aus einem weichen Metall angeordnet sind, die jeweils einzeln kontaktierte Elektroden bilden. Auch hier ergibt sich eine gegenüber dem Stand der Technik sehr einfache Kontaktierung und Ankoppelung des Wandlers an Linse und Dämpfungskörper. Außerdem ist eine wirkungs­ volle akustische Koppelung der Schichten aus piezoelek­trischem Material untereinander gegeben.
  • Die akustische Linse kann in vorteilhafter Weise aus ei­nem Material bestehen, dessen Schallimpedanz größer oder gleich dem geometrischen Mittel der Schallimpedanzen des Werkstoffes des piezoelektrischen Wandlers und von Wasser ist, wobei davon ausgegangen wird, daß die akustische Im­pedanz von Wasser im wesentlichen der des zu beschallen­den Gewebes entspricht.
  • Dabei kann die akustische Linse aus zwei Teilen bestehen, von denen der erste Teil einen festen Fokus aufweist und akustisch am piezoelektrischen Wandler angekoppelt und der zweite Teil einen veränderbaren Fokus aufweist und akustisch an der Abstrahlfläche des ersten Teiles ange­koppelt ist. Durch diese Ausbildung ist eine Fokusver­lagerung und damit eine optimale Anpassung der Fokuslage an die jeweiligen Gegebenheiten, z. B. eine Einstellung auf einen Nierenstein, möglich. Der erste Teil wird da­bei zweckmäßigerweise aus einem Material mit geringerer Schallimpedanz als der piezoelektrische Wandler aufge­baut, z. B. aus Magnesium oder Aluminium. Der zweite Teil kann von einer Flüssigkeitslinse gebildet sein, die in den ersten Teil integriert ist und die durch den Flüssig­keitsdruck in ihrer Form der jeweils gewünschten Fokus­lage anpaßbar ist. Anstelle einer Flüssigkeitslinse kann aber auch eine Festkörperlinse Verwendung finden. Die Fokusverlagerung kann auch durch Verschiebung der Fest­körperlinse oder Temperaturänderung erfolgen.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeich­nung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 einen Schnitt durch einen Ultraschallgenera­tor nach der Erfindung, und
    • Fig. 2 eine Variante des piezoelektrischen Wandlers des Ultraschallgenerators gemäß Figur 1.
  • In der Figur 1 ist ein einen Einzelschwinger bildender piezoelektrischer Wandler 1 dargestellt, der eine ebene Platte bildet und in einem Ring 2 eingeklebt ist. Die elektrische Kontaktierung des piezoelektrischen Wandlers 1 erfolgt durch zwei Bleiplatten 4, 5, die zwischen der Vorderseite des piezoelektrischen Wandlers 1 und dem er­sten Teil 6 einer akustischen Linse sowie der Rückseite des piezoelektrischen Wandlers 1 und einem akustischen Dämpfungskörper 7 eingepreßt sind. Durch die Bleiplatten 4, 5 wird zugleich die akustische Kopplung des ersten Teiles 6 der akustischen Linse und des Dämpfungskörpers 7 an den piezoelektrischen Wandler 1 gewährleistet. Die akustische Linse weist eine in dem Teil 6, der z.B. aus Magnesium bestehen kann, integrierte Flüssigkeitslinse 8 auf, die von einer Membran 9 und einer akustisch günsti­gen Flüssigkeit 10 gebildet ist. Die akustische Linse weist dann eine Schallimpedanz auf, die größer oder gleich dem geometrischen Mittel der Schallimpedanzen des Werkstoffes des piezoelektrischen Wandlers 1 und von Was­ser ist. Das Volumen der Flüssigkeitslinse 8 kann dabei über eine Leitung 11 verändert werden. Dadurch verändert sich die Form der Flüssigkeitslinse 8 und der resultie­rende Fokus kann den jeweiligen Anforderungen entspre­chend eingestellt werden. Die Ankopplung des Ultraschall­generators an den zu behandelnden Körper kann z. B. über eine weitere Membran 3 erfolgen. Der Raum zwischen den Membranen 9 und 3 wird dabei durch ein durch einen Kanal 12 einleitbares Koppelmedium 13, z. B. Wasser, gefüllt. Die Komponenten 6, 9, 11 sind durch einen Stahlring 14 gehaltert. Eine Stahlplatte 15 dient als Gegenplatte. Zwischen dem akustischen Dämpfungskörper 7 und der Stahl­platte 15 ist eine Isolierstoffplatte 16 angeordnet.
  • Als piezoelektrischer Wandler kann, wie bereits eingangs erwähnt, anstelle einer einzigen ebenen Platte auch eine Anzahl solcher in einer Ebene angeordneter Platten aus piezoelektrischem Material Verwendung finden.
  • Bei dem Beispiel gemäß Figur 2 ist der piezoelektrische Wandler von mehreren Schichten 17, 18, 19 aus piezoelek­trischem Material gebildet, die durch Bleischichten 20, 21, 22, 23, die als Elektroden und zur akustischen An­koppelung dienen, abgedeckt sind.
  • Für den piezoelektrischen Wandler 1 kommen für die Anwen­dung als Hochintensitäts-Ultraschallgenerator für die Be­schallung pathologischer Veränderungen Dicken in der Größenordnung größer 1 mm und Durchmesser größer 10 mm in Frage. Wesentlich ist, daß der Durchmesser dabei größer als die Dicke ist. Als aktives Material kann Blei-Zirko­nat-Titanat verwendet werden.
  • In der Figur 1 ist gestrichelt eine Ausbildung mit drei Platten 1a, 1b, 1c dargestellt, die zusammen den piezo­elektrischen Wandler bilden und die anstelle einer einzi­gen Platte Verwendung finden können. Dabei überdecken die Bleiplatten 4 und 5 sämtliche Platten 1a, 1b und 1c.
  • Um unterschiedliche Spektralanteile der akustischen Welle zu erreichen, können mehrere Keramiken mit unterschiedli­chen Dicken übereinander und/oder ringförmig angeordnet werden.

Claims (10)

1. Ultraschallgenerator für die Beschallung von patholo­gischen Veränderungen im menschlichen Körper mit einem eben ausgebildeten piezoelektrischen Wandler (1), der an seiner Vorderseite mit einer akustischen Linse (6, 8) und an seiner Rückseite mit einem Dämpfungskörper (7) aku­stisch gekoppelt ist und an seiner Vorder- und Rückseite mit Elektroden versehen ist, dadurch ge­kennzeichnet, daß sowohl zwischen dem pie­zoelektrischen Wandler (1) und der akustischen Linse (6, 8) als auch zwischen dem piezoelektrischen Wandler (1) und dem Dämpfungskörper (7) Schichten (4, 5, 20, 23) aus einem weichen Metall vorgesehen sind, die zugleich als Elektroden und zur akustischen Kopplung des piezoelektri­schen Wandlers (1) mit der akustischen Linse (6, 8) und dem Dämpfungskörper (7) dienen.
2. Ultraschallgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Linse (6, 8) aus einem Material besteht, dessen Schallimpedanz größer oder gleich dem geometrischen Mittel der Schallim­pedanzen des Werkstoffes des piezoelektrischen Wandlers (1) und von Wasser ist.
3. Ultraschallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, da­durch gekennzeichnet, daß die aku­stische Linse aus zwei Teilen (6, 8) besteht, von denen der erste Teil (6) einen festen Fokus aufweist und aku­stisch am piezoelektrischen Wandler (1) angekoppelt und der zweite Teil (8) einen veränderbaren Fokus aufweist und akustisch an der Abstrahlfläche des ersten Teiles (6) angekoppelt ist.
4. Ultraschallgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (6) aus einem Leichtmetall besteht.
5. Ultraschallgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung besteht.
6. Ultraschallgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (6) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
7. Ultraschallgenerator nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil (8) von einer Flüssigkeitslinse gebildet ist, die in den ersten Teil (6) integriert ist.
8. Ultraschallgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler (1) von einer einzigen Platte aus piezoelektrischem Material gebildet ist.
9. Ultraschallgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler von mehreren, in einer Ebene angeordneten Platten (1a, 1b, 1c) aus piezoelektrischem Material gebildet ist und an seiner Vorder- und Rücksei­te mit jeweils einer einzigen Schicht weichen Metalls (4, 5) versehen ist.
10. Ultraschallgenerator nach Anspruch 8 oder 9, da­durch gekennzeichnet, daß jede Platte mehrere übereinanderliegende Schichten (17, 18, 19) aus piezoelektrischem Material aufweist, zwischen denen Schichten (21, 22) aus einem weichen Metall ange­ordnet sind, die jeweils einzeln kontaktierte Elektroden bilden
EP86110398A 1985-08-09 1986-07-28 Ultraschallgenerator Expired EP0212352B1 (de)

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DE3528676 1985-08-09

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EP0212352A1 true EP0212352A1 (de) 1987-03-04
EP0212352B1 EP0212352B1 (de) 1989-09-27

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