EP1273204B1 - Akustischer wandler für breitband-lautsprecher oder kopfhörer - Google Patents

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EP1273204B1
EP1273204B1 EP01929489A EP01929489A EP1273204B1 EP 1273204 B1 EP1273204 B1 EP 1273204B1 EP 01929489 A EP01929489 A EP 01929489A EP 01929489 A EP01929489 A EP 01929489A EP 1273204 B1 EP1273204 B1 EP 1273204B1
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EP
European Patent Office
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acoustic transducer
magnetic field
magnetic resonance
membranes
printed conductors
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EP01929489A
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English (en)
French (fr)
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EP1273204A2 (de
Inventor
Frank Baumgart
Thomas Kaulisch
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Leibniz Institut fuer Neurobiologie
Original Assignee
Leibniz Institut fuer Neurobiologie
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/02—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones characterised by the construction
    • 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
    • G10K13/00—Cones, diaphragms, or the like, for emitting or receiving sound in general

Definitions

  • the invention relates to an acoustic transducer for Broadband speakers or magnetless, electrodynamic Headphones for sound generation Use in a homogeneous and / or inhomogeneous magnetic field of a magnetic resonance tomograph.
  • Brain performance and cardiac dysfunction are due to their high noise emissions in the low-frequency range only through passive measures can be met inadequately, in application and clinical distribution limited (magazine “British Journal of Radiology “, volume 1994, issue 67, Pages 413 to 415; Journal of "Radiology”, vintage 1994, Issue 191, pages 91 to 93 in connection with the "Recommendation of the Radiation Protection Commission, adopted in the 131st meeting on June 22, 1995 ", page 17).
  • anti-noise represents a promising process for reduction of the noise emissions from MRI systems (magazine “Radiology”, 1989, issue 173, pages 549 to 550 and magazine “Proceedings of the Society of Magnetic Resonance "Volume 1995, Issue 2, page 1223) effective noise cancellation is for frequencies up to about 1 kHz but only possible if the anti-noise speaker a very small spatial distance from Noise source (the gradient tube inside the MRI magnets) and the anti-noise speaker has the acoustic Can reflect the field of interference.
  • Noise source the gradient tube inside the MRI magnets
  • Speakers previously designed for noise control directly in the tomograph which use the inhomogeneous portion of the magnetic field for electrodynamic coupling, are only suitable up to pitches of approx. 1 kHz due to their design and can also not be installed in the homogeneous area of the magnetic field (DE 197 27 657 C1 ).
  • the displacement principle on which the invention is based has already been described elsewhere in particular by reducing the effective mass Formation of air pockets (DE 2003 950, US 4039044, US 4160883).
  • the effective mass is determined by the use a membrane which is suitably driven and which air in the trained air pockets is displaced, reduced.
  • the desired big relationship from width to depth of the air pockets the relatively small spatial expansion of the magnetic field limited.
  • An essential aim of the invention is noise pollution through the MRI system during the examination to reduce.
  • Sound insulation with passive systems e.g. earplugs
  • Active systems existing from headphone system and soundproof capsules same damping and no psychoacoustic Effect weakening - on the contrary, loud music lowers it Sensitivity ("Noise Covering", effect enhancement) and the ability to communicate with music is called felt pleasant and increases comfort and lowers Dropout rate and the patient loses listening to music the sense of time is not.
  • the soundproofing of the earmuffs is greatly reduced since the large membrane does not contain any insulation materials allows more on the ear-facing side and they are very problematic in terms of security.
  • the combination of headphone system (capacity) and cable (Inductance) can cause damage if damaged Represent the resonant circuit, the radio frequency energy of the MRI transmitter records.
  • the system would work with the usual Transmitting powers may quickly get very hot and there is a risk of burns.
  • the invention has for its object an acoustic Converter for broadband speakers or headphones to create which in the magnetic field of a magnetic resonance tomograph can be used safely and reliably is high without interfering with imaging Quality requirements in a wide frequency range is enough, active noise abatement is made possible and simple and inexpensive to manufacture and in the form of implementation as headphones with an earmuff can be combined.
  • the invention in the form of implementation as a loudspeaker the underlying problem is that the high noise levels effective MRI systems through active noise abatement can be lowered if a powerful Antisound generator in the gradient tube of the MRI system can be installed.
  • a powerful Antisound generator in the gradient tube of the MRI system can be installed.
  • the advantages achieved by the invention are that sound with defined properties in high Quality and high efficiency within the strong Magnetic field generated by a magnetic resonance tomograph can be. In addition to music and language, this also includes the generation of sound for active noise abatement, like they are not with hose line systems and others electrodynamic converters only in the inhomogeneous range of the magnetic field and in lower quality can be.
  • Loudspeakers can be mounted anywhere in the magnetic resonance tomograph and thus optimally adapted to the respective purpose. This aspect is essential for use as an anti-noise speaker.
  • the loudspeaker has a wide frequency band and in particular tones can be generated above a frequency of 1 kHz.
  • the principle applied of a drive that acts uniformly and uniformly on all parts of the loudspeaker diaphragm ensures that the bending vibrations and distortions that occur with conventional, local cone drives do not occur.
  • the use in a magnetic resonance tomograph enables a practically arbitrarily extended membrane due to the magnetic field which is spatially more extensive than the practical dimensions of the loudspeaker.
  • the extremely low effective mass possible as a result leads to high efficiency and a uniform transmission behavior over wide frequency ranges.
  • the use of a large membrane surface offers the possibility of effectively producing deep tones.
  • a headphones can be used up to now unmatched ratio of pleat depth to pleat height will be realized.
  • the effective mass of the transducer membrane is also very low here and the acoustic rigidity of the membrane very high and almost regardless of their mechanical properties.
  • a large fold area enables the application of many electrically conductive elements arranged in parallel, preferably flat wires.
  • the conductive elements are also electrically connected in parallel and thus result in a very low ohmic resistance of the arrangement.
  • the electrical losses are minimized and there is no heat development in the individual elements. This considerably increases the operational safety and the lifespan of the sound generator.
  • the arrangement has the advantage over the metal strips described (DE 2003 950) that only very low eddy currents can be generated in the conductive elements by the strong magnetic alternating fields generated by an MRI scanner with a frequency of up to 1500 Hz. This in turn prevents the conductive elements from heating up and in particular has no disruptive influences on the magnetic gradient fields of the magnetic resonance tomograph.
  • the magnetic field strengths (up to 3T) of an MRI scanner which are atypical for acoustic transducers, impart a large driving force (Lorentz force) to the membrane firmly connected to them, even at low, auditory currents through the electrically conductive elements. This enables effective sound radiation even at low currents.
  • the magnetic fields generated by these currents are correspondingly low and do not impair the homogeneity of the main field, which means that they have no disruptive influence on the imaging.
  • Fig. 1a shows a possible embodiment in which the membrane 1, consisting of elastic, not or only weakly magnetic material, such as paper, nonwoven or plastic along an axis orthogonal or almost orthogonal to the magnetic field B of the magnetic resonance tomograph in one or more folds or waves is arranged, or a corresponding arrangement is formed by several movably connected individual membranes.
  • the membrane 1 consisting of elastic, not or only weakly magnetic material, such as paper, nonwoven or plastic along an axis orthogonal or almost orthogonal to the magnetic field B of the magnetic resonance tomograph in one or more folds or waves is arranged, or a corresponding arrangement is formed by several movably connected individual membranes.
  • one or more conductor tracks 2 are in each case connected to the membrane 1 flatly and firmly in such a way that the direction of the conductor tracks runs parallel or almost parallel to the folding or bending axes.
  • FIG. 1b shows the arrangement shown in FIG. 1a when a current I flows through the conductor tracks 2.
  • the external magnetic field B of the magnetic resonance tomograph transmits a deflecting force on the conductor tracks 2, the orientation of which is determined by the direction of the current flowing through.
  • a conductor arrangement as described has the effect that the air pockets on one side of the folded or corrugated membrane surface 4 are narrowed by conductor tracks 2 moving towards one another, while the air pockets on the other side of the folded membrane are expanded.
  • a hearing-frequency current leads to a simultaneous and common opening or closing of the air pockets on both sides of the folded or corrugated membrane 1.
  • the pressure fluctuations caused by these movements within the swept air volume are emitted as sound waves on both sides perpendicular to the entire membrane surface.
  • the efficiency of this arrangement is optimal if the magnetic field B of the magnetic resonance tomograph is oriented perpendicular to the folded or corrugated total membrane surface. Deviating from this geometry, be it due to the curvature or twisting of the entire arrangement or of parts thereof, reduces the efficiency without, however, questioning the functionality.
  • a deviation from this geometry makes sense for headphones, be it by curving or twisting the entire arrangement or parts thereof.
  • the efficiency of the sound generation is reduced and thus the radiated sound energy is reduced to the usual and safe values for headphones.
  • the headphones can then be operated with an electrical power, as is usually provided by headphone outputs of audio devices.
  • the membrane is inserted into the earmuffs in such a way that it is almost parallel to the main field of the MRI scanner when worn.
  • the remaining space in the earmuffs is filled with acoustic insulation material so that passive attenuation is retained.
  • Fig. 2a shows an embodiment in which the Membrane 1, along one to magnetic field B of the magnetic resonance tomograph parallel or almost parallel Axis arranged in one or more folds or waves is, or a corresponding arrangement by several single membranes movably connected to each other becomes.
  • One or more flexible conductor tracks 2 are connected flatly and firmly to the membrane 1 in such a way that the direction of the conductor tracks 2 is orthogonal or almost orthogonal to the folding or bending axes 5 runs.
  • the conductor tracks 2 fitted in this way are electrically connected in parallel.
  • Fig. 2b shows the arrangement shown in Fig. 2a Flow of a current I through the conductor tracks 2.
  • the external magnetic field B of the magnetic resonance tomograph imparts a deforming force on the conductor tracks 2, their orientation by the direction of the flowing Current is determined.
  • a ladder arrangement as described causes the air pockets on a Side of the folded or corrugated membrane 1 narrowed be folded while those on the other side of the Membrane 1 air pockets are expanded.
  • a hearing frequency current leads to a sense of the same direction and opening or closing the air pockets together on both sides of the folded or corrugated membrane 1.
  • the pressure fluctuations caused by these movements within the swept air volume are sound waves on both sides perpendicular to the total membrane surface radiated.
  • the efficiency of this The arrangement is optimal if the magnetic field B of the magnetic resonance tomograph perpendicular to the conductor tracks 2 is oriented. A deviation from this geometry is it by curving or twisting the entire assembly or parts thereof, reduces efficiency, without however the functionality in question to deliver.
  • Fig. 3a shows the effective part of an embodiment (without holder), in which the membrane 1 along one to magnetic field B of the magnetic resonance tomograph orthogonal or almost orthogonal axis is arranged in one or more folds or waves, or a corresponding arrangement movable by several interconnected single membranes formed becomes.
  • One or more serving as feed lines 2b Conductors become flat and solid with the membrane 1 connected that the direction of the ladder orthogonal or runs almost orthogonally to the folding or bending axes.
  • one or more conductor tracks 2a flat and firmly connected to the membrane 1.
  • the conductor tracks 2a are with the leads 2b on both sides of the formed by the membrane 1 air pocket electrically connected in parallel.
  • the power must be supplied in such a way that one and the same electric current Conductor tracks 2a on opposite sides of the air pocket flows in the opposite orientation.
  • FIG. 3b shows such an arrangement when a Current I represents one when current flows through the Conductor tracks 2 causes force mediated by magnetic field B, that the formed by the folded membrane 1 Air pocket is expanded or narrowed.
  • a listening frequency Electricity causes within the swept air volume a pressure fluctuation in the same direction, which as Sound wave is emitted.
  • the arrangement shown in Fig. 3a and 3b enables by applying multiple parallel more effective Conductor tracks 2a a large area and eddy current free Driving the membrane 1. Taking into account the Large spatial compared to the dimensions of a transducer Extension of the magnetic field B of the magnetic resonance tomograph, so is the execution of a converter with additionally increased efficiency possible because the efficiency determining ratio of air pocket width a to air pocket depth b (see Fig. 3c) by enlargement the depth b can be reduced.

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Description

Die Erfindung betrifft einen akustischen Wandler für Breitband-Lautsprecher oder magnetlose, elektrodynamische Kopfhörer zur Schallerzeugung zur Verwendung im homogenen und/oder inhomogenen Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen.
Die Erzeugung von Schall, insbesondere mit streng definierten Eigenschaften und in hoher Qualität wie z.B. Musik, Sprache und Antischall, ist in Bereichen mit starken Magnetfeldern problematisch, da herkömmliche elektrodynamische Lautsprecher oder in Kopfhörern angeordnete akustische Wandler in solchen Umgebungen starken Kräften ausgesetzt sind und zusätzlich die auf dem starken Magnetfeld beruhende Anwendung stören können. Moderne Methoden der Kernspintomographie zur bildlichen Darstellung von z. B. Hirnleistungs- und Herzfunktionsstörungen sind durch ihre hohen Schallemissionen, denen im niederfrequenten Bereich durch passive Maßnahmen nur unzureichend begegnet werden kann, in Anwendung und klinischer Verbreitung eingeschränkt (Zeitschrift "British Journal of Radiology", Jahrgang 1994, Heft 67, Seiten 413 bis 415; Zeitschrift "Radiology", Jahrgang 1994, Heft 191, Seiten 91 bis 93 in Verbindung mit der "Empfehlung der Strahlenschutzkommission, verabschiedet in der 131. Sitzung am 22. Juni 1995", Seite 17). Auch unterhalb der gesetzlichen Grenzwerte stellen die Schallemissionen eine Reduzierung von Patientenkomfort und Kommunikationsmöglichkeiten und damit der Patientensicherheit dar. Aktive Lärmbekämpfung ("Antischall") stellt ein aussichtsreiches Verfahren zur Reduzierung der Schallemissionen von MRT-Anlagen dar (Zeitschrift "Radiology" Jahrgang 1989, Heft 173, Seiten 549 bis 550 und Zeitschrift "Proceedings of the Society of Magnetic Resonance" Jahrgang 1995, Heft 2, Seite 1223). Eine wirksame Störgeräuschauslöschung ist für Frequenzen bis etwa 1 kHz aber nur möglich, wenn der Antischallautsprecher einen sehr geringen räumlichen Abstand zur Störgeräuschquelle (dem Gradientenrohr innerhalb des MRT-Magneten) hat und der Antischallautsprecher das akustische Feld der Störquelle spiegeln kann.
Es ist bisher kein mit Magnetresonanztomographen kompatibler Schallerzeuger beschrieben worden, der diese Forderungen im ausreichenden Maße erfüllt.
Bisher für die Lärmbekämpfung unmittelbar im Tomographen konzipierte Lautsprecher, welche den inhomogenen Anteil des Magnetfeldes zur elektrodynamischen Kopplung ausnutzen, sind bauartbedingt nur bis zu Tonhöhen von ca. 1 kHz geeignet und können zudem nicht im homogenen Bereich des Magnetfeldes installiert werden (DE 197 27 657 C1).
Anordnungen zur Auslöschung von Schallwellen, basierend auf dem Prinzip der Erzeugung eines um 180° phasenverschobenen Signals, sind vielfach auch außerhalb der Magnetresonanztomographie beschrieben worden (DE 195 28 888 A 1), können jedoch im Bereich der Magnetresonanztomographie aufgrund der dort vorliegenden Gegebenheiten nicht verwandt werden.
Frühere Entwicklungen von Störgeräuschunterdrückungssystemen in der Magnetresonanztomographie beschränken sich auf die Störgräuschverminderung zur Verbesserung der Patientenüberwachung außerhalb des Magnetresonanztomographen, in einem vom Magnetresonanztomographen akustisch isolierten Kontrollraum. Hierbei wird zudem kein Antischall erzeugt, sondern ein durch Verwendung geeigneter adaptiver Filter um das Störsignal vermindertes Signal mit einem herkömmlichen Lautsprecher innerhalb des magnetfeldfreien Kontrollraumes ausgegeben (EP 0 655 730 A1).
Ein zur Verwendung innerhalb des homogenen Teils des Magnetfeldes eines Magnetresonanztomographen geeigneter elektrodynamischer Lautsprecher ohne eigenen Magneten unter Verwendung ferromagnetischer Feldinhomogenisierer sowie von Schlauchleitersystemen zur Weiterleitung des erzeugten Schalls ist bereits beschrieben worden (US 005 450 499 A). Dieser liefert jedoch aufgrund des verwendeten Schlauchleitersystems weder die zur Erzeugung von Antischall erforderlichen Schalldrücke über das benötigte Frequenzband in definierter Phasenlage, noch erlaubt die Verwendung von wesentlichen ferromagnetischen Bauteilen die unbedingt zu fordernde gefahrlose Handhabung in von Magnetfeldern durchdrungenen Räumen. Desweiteren entstehen bei Verwendung ferromagnetischer Bauteile innerhalb des ursprünglich homogenen Teils des Magnetfeldes durch die lokale Erzeugung nichtdefinierter Magnetfeldinhomogenitäten Interferenzen mit der Bildgebung.
Das auch der Erfindung zugrunde liegende Verdrängerprinzip wurde bereits an anderer Stelle beschrieben, insbesondere die Verringerung der wirksamen Masse durch Ausbildung von Lufttaschen (DE 2003 950, US 4039044, US 4160883). Die wirksame Masse wird durch den Einsatz einer Membran, welche geeignet angetrieben wird und die in den ausgebildeten Lufttaschen vorhandene Luft verdrängt, vermindert. Das angestrebte große Verhältnis von Breite zu Tiefe der Lufttaschen wird hierbei durch die relativ geringe räumliche Ausdehnung des Magnetfeldes begrenzt.
Neuere Lösungen betreffen die nähere Ausgestaltung der Membranen und der Magnete, benutzen jedoch sämtlichst eigene Magnete in Form von Polschuhen oder ähnlichem (US 591 28 63), ohne das Problem der räumlichen Ausdehnung und Erzeugung des Magnetfeldes zu lösen.
Ein wesentliches Ziel der Erfindung ist es, die Lärmbelästigung durch die MRT-Anlage während der Untersuchung zu reduzieren. Die Geräuschdämmung mit passiven Systemen (z.B.: Ohrstöpseln) ist psychoakustisch unwirksam, da das Gehör im vergleichbarem Masse zur erreichten Dämpfung empfindlicher reagiert. Aktive Systeme, bestehend aus Kopfhörersystem und Schallschutzkapseln, realisieren gleiche Dämpfung und keine psychoakustische Effektschwächung - im Gegenteil, laute Musik senkt die Empfindlichkeit ("Noise-Covering", Effektverstärkung) und die Kommunikationsmöglichkeit mit Musik wird als angenehm empfunden und erhöht den Komfort und senkt die Abbrecherquote und der Patient verliert beim Musikhören das Zeitgefühl nicht.
Kombinierte Systeme aus Schallschutzkapseln und Kopfhörersystemen sind in der MRT bekannt und beschrieben. Es gibt verschiedene Systeme mit spezifischen Vor- und Nachteilen, beschrieben ist beispielsweise ein modifizierter Konuslautsprecher ohne eigenen Magneten als Kopfhörersystem. Dieses System ist robust und preiswert, es ist jedoch nicht fähig, tiefe Töne (unter 300 Hz) zu übertragen. Auch Systeme mit Piezo-Lautsprechern sind beschrieben, für diese Kombinationen gilt das oben gesagte, nur liegt hier die untere Grenzfrequenz noch höher (Bauart bedingt bei 500-800 Hz). Kombinationen mit elektrostatischen Kopfhörern sind ebenso beschrieben und kommerziell erhältlich. Diese Systeme weisen einen Frequenzgang auf, der ausreichend tief hinab reicht - ihre akustischen Eigenschaften sind sehr gut. Sie habe jedoch mehrere Nachteile. Insbesondere sind sie teuer, die Schalldämmung der Kapselgehörschützer wird stark reduziert, da die grosse Membran keine Dämmmaterialien auf der Ohr zugewandten Seite mehr zulässt und sie sind sicherheitstechnisch sehr problematisch. Die Kombination aus Kopfhörersystem (Kapazität) und Kabel (Induktivität) kann im Falle von Beschädigung einen Schwingkreis darstellen, der Hochfrequenzenergie des MRT-Senders aufnimmt. Das System würde bei den üblichen Sendeleistungen möglicherweise schnell sehr heiss und es besteht die Gefahr von Verbrennungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen akustischen Wandler für Breitbandlautsprecher oder Kopfhörer zu schaffen, welcher im Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen gefahrlos und zuverlässig einsetzbar ist, ohne mit der Bildgebung zu interferieren, hohen Qualitätsanforderungen in einem weiten Frequenzbereich genügt, eine aktive Lärmbekämpfung ermöglicht und einfach und preiswert herstellbar sowie in der Realisierungsform als Kopfhörer mit einem Kapselgehörschützer kombinierbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale im Anspruch 1.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Der Erfindung in der Realisierungsform als Lautsprecher liegt das Problem zugrunde, dass die hohen Störschallpegel von MRT-Anlagen durch aktive Lärmbekämpfung wirkungsvoll gesenkt werden können, wenn ein leistungsstarker Antischallerzeuger im Gradientenrohr der MRT-Anlage installiert werden kann. Insbesondere muss hierbei dem Umstand Rechnung getragen werden, dass die Handhabung magnetischer Materialien in heutzutage zur Anwendung gelangenden Magnetfeldflussdichten (1 T bis 3 T im klinischen Betrieb) ein äußerst großes Gefahrenpotential darstellt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass Schall mit definierten Eigenschaften in hoher Qualität und mit hohem Wirkungsgrad innerhalb des starken Magnetfeldes eines Magnetresonztomographen erzeugt werden kann. Dies umfasst neben Musik und Sprache auch die Erzeugung von Schall zur aktiven Lärmbekämpfung, wie sie mit Schlauchleitersystemen nicht und anderen elektrodynamischen Wandlern nur im inhomogenen Bereich des Magnetfeldes und in geringerer Qualität geleistet werden kann.
Die Vorteile von Faltmembranen werden besonders gut genutzt, wenn es gelingt, ein ausreichend grosses, ausreichend starkes und homogenes Magnetfeld, wie das eines Kernspintomografen, um die Membran herum aufzubauen.
Die Montage von Lautsprechern kann an beliebigen Stellen innerhalb des Magnetresonanztomographen und damit gemäß dem jeweiligen Zweck optimal angepasst erfolgen. Für den Einsatz als Antischallautsprecher ist dieser Aspekt wesentlich. Der Lautsprecher verfügt über ein breites Frequenzband und es können insbesondere Töne oberhalb einer Frequenz von 1 kHz erzeugt werden. Gleichzeitig stellt das angewandte Prinzip eines gleichmäßig und uniform auf sämtliche Teile der Lautsprechermembran wirkenden Antriebes sicher, dass die bei konventionellem, lokalem Konus-Antrieb auftretenden Biegeschwingungen und Verzerrungen nicht auftreten.
Der Einsatz im Magnetresonanztomographen ermöglicht aufgrund des im Vergleich zu praktischen Abmessungen des Lautsprechers räumlich weiter ausgedehnten Magnetfeldes eine praktisch beliebig ausgedehnte Membran. Die hierdurch mögliche äußerst geringe wirksame Masse führt zu hohem Wirkungsgrad und einem über weite Frequenzbereiche gleichmäßigen Übertragungsverhalten. Gleichzeitig ergibt sich durch den Einsatz einer großen Membranfläche die Möglichkeit zur effektiven Erzeugung von tiefen Tönen.
Im Magnetresonanztomografen kann ein bisher unerreicht grosses Verhältnis von Faltentiefe zu Faltenhöhe realisiert werden. Die wirksame Masse der Lautsprechermembran wird dadurch sehr gering. So wird z.B. bei einer Faltentiefe von 200mm und einer Faltenhöhe von 10mm die wirksame Masse der Membran gegenüber der tatsächlichen Masse um den Faktor 420 verringert. Dies bedeutet wiederum, dass die akustische Steifigkeit der Membran sehr hoch und nahezu unabhängig von ihren mechanischen Eigenschaften wird. Das ermöglicht verzerrungsfreie Schallabstrahlung auch bei hohen Schalldrücken. Der Wirkungsgrad des Schallerzeugung wird ebenfalls erhöht, da die Verluste durch positive und negative Beschleunigung der wirksamen Membranmasse gering sind.
Gemäß der Erfindung kann auch bei Kopfhörern ein bisher unerreicht grosses Verhältnis von Faltentiefe zu Faltenhöhe realisiert werden. Die wirksame Masse der Wandlermembran wird auch hier dadurch sehr gering und die akustische Steifigkeit der Membran sehr hoch und nahezu unabhängig von ihren mechanischen Eigenschaften.
Eine grosse Faltenfläche ermöglicht das Aufbringen vieler parallel angeordneter, elektrisch leitender Elemente, vorzugsweise flacher Drähte. Die leitenden Elemente sind auch elektrisch parallel geschaltet und ergeben so einen sehr geringen ohmschen Widerstand der Anordnung. Die elektrischen Verluste werden dadurch minimiert und es kommt zu keiner Wärmeentwicklung in den einzelnen Elementen. Die Betriebssicherheit und die Lebensdauer des Schallerzeugers werden dadurch erheblich vergrössert. Weiterhin hat die Anordnung gegenüber den beschriebenen Metallbändern (DE 2003 950) den Vorteil, dass durch die bei der Bildgebung von einem Kernspintomographen erzeugten starken magnetischen Wechselfelder mit einer Frequenz bis zu 1500 Hz nur sehr geringe Wirbelströme in den leitenden Elementen erzeugt werden können. Dies verhindert wiederum eine Erwärmung der leitenden Elemente und hat insbesondere keine störenden Einflüsse auf die magnetischen Gradientenfelder des Kernspintomografen.
Die für akustische Wandler untypisch grossen Magnetfeldstärken (bis 3T) eines Kernspintomografen vermitteln schon bei geringen, hörfrequenten Strömen durch die elektrisch leitenden Elemente eine grosse Antriebskraft (Lorentzkraft) auf die fest mit ihnen verbundene Membran. Dies ermöglicht eine wirksame Schallabstrahlung schon bei kleinen Stromstärken. Die von diesen Strömen erzeugten Magnetfelder sind entsprechend gering und beeinträchtigen die Homogenität des Hauptfeldes nicht, dass heisst, sie haben keinen störenden Einfluss auf die Bildgebung.
Der vollständige Verzicht auf ferromagnetische Materialien ermöglicht die unter allen Umständen sichere Handhabung des Antischallautsprechers. Anderenfalls können ferromagnetische Teile geschoßartig in Richtung des Zentrums des permanenten Magnetfeldes beschleunigt werden. Es sind keinerlei Sicherungsmaßnahmen zur Beherrschung von ferromagnetischen Kräften in der Nähe von MRT-Magneten erforderlich.
Einige Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1a
eine gefaltete Membran mit parallel zu den Faltachsen verlaufenden in Reihe geschalteten Leiterbahnen,
Fig. 1b
die Veränderung der Membran gemäß Fig. 1a bei Durchfluß eines Stromes durch die Leiterbahnen,
Fig. 2a
eine gefaltete Membran mit orthogonal zu den Faltachsen verlaufenden parallelgeschalteten Leiterbahnen,
Fig. 2b
die Veränderung der Membran gemäß Fig. 2a bei Durchfluß eines Stromes durch die Leiterbahnen,
Fig. 3a
eine Membran mit einem Leiterbahnenblock,
Fig. 3b
die Veränderung der Membran gemäß Fig. 3a bei Durchfluß eines Stromes durch die Leiterbahnen,
Fig. 3c
eine Darstellung des Verhältnisses von Lufttaschenweite zu Lufttaschentiefe.
Fig. 1a zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel, bei welchem die Membran 1, bestehend aus elastischem, nicht oder nur schwach magnetischem Material, z.B. Papier, Vlies oder Kunststoff entlang einer zum Magnetfeld B des Magnetresonanztomographens orthogonalen oder nahezu orthogonalen Achse in eine oder mehrere Falten oder Wellen angeordnet ist, bzw. eine entsprechende Anordnung durch mehrere beweglich miteinander verbundene Einzelmembranen gebildet wird. Entlang der solcherart durch die Flächen 4 gebildeten Lufttaschen werden beiderseits jeweils eine oder mehrere Leiterbahnen 2 flächig und fest derart mit der Membran 1 verbunden, dass die Richtung der Leiterbahnen parallel oder nahezu parallel zu den Falt- bzw. Biegeachsen verläuft. Die Leiterbahnen 2 werden untereinander derart durch elektrische Verbindungen 3 miteinander verschaltet, dass die Leiterbahnen 2 an einander gegenüberliegenden Flächen 4 einer Lufttasche von ein und demselben elektrischen Strom in entgegengesetzter Orientierung durchflossen werden.
Fig. 1b zeigt die in Fig. 1a dargestellte Anordnung bei Durchfluss eines Stromes I durch die Leiterbahnen 2. Das äußere Magnetfeld B des Magnetresonanztomographen vermittelt eine auslenkende Kraft auf die Leiterbahnen 2, dessen Orientierung durch die Richtung des durchfliessenden Stromes bestimmt wird. Eine Leiteranordnung wie beschrieben bewirkt, daß die Lufttaschen auf einer Seite der gefalteten bzw. gewellten Membranfläche 4 durch sich auf einander zu bewegende Leiterbahnen 2 verengt werden, während die auf der anderen Seite der gefalteten Membran befindlichen Lufttaschen geweitet werden. Ein hörfrequenter Strom führt zu einem gleichsinnigen und gemeinsamen Öffnen bzw. Schließen der Lufttaschen auf beiden Seiten der gefalteten bzw. gewellten Membran 1. Die durch diese Bewegungen hervorgerufenen Druckschwankungen innerhalb des überstrichenen Luftvolumens werden als Schallwelle beidseitig senkrecht zur Membrangesamtfläche abgestrahlt. Der Wirkungsgrad dieser Anordnung ist optimal, wenn das Magnetfeld B des Magnetresonanztomographen senkrecht zur gefalteten bzw. gewellten Membrangesamtfläche orientiert ist. Ein Abweichen von dieser Geometrie, sei es durch Krümmung oder Verdrehung der gesamten Anordnung oder von Teilen hiervon verringert den Wirkungsgrad, ohne jedoch die Funktionsfähigkeit in Frage zu stellen.
Für Kopfhörer ist ein Abweichen von dieser Geometrie, sei es durch Krümmung oder Verdrehung der gesamten Anordnung oder von Teilen hiervon sinnvoll. Der Wirkungsgrad der Schallerzeugung wird verringert und somit die abgestrahlte Schallenergie auf für Kopfhörer übliche und gefahrlose Werte reduziert. Der Kopfhörer kann dann mit einer elektrischen Leistung betrieben werden, wie sie üblicherweise von Kopfhörerausgängen von Audiogeräten zur Verfügung gestellt wird.
Die Membran wird in den Kapselgehörschützer so eingesetzt, dass sie beim Tragen fast parallel zum Hauptfeld des Kernspintomografen ausgerichtet ist. Der verbleibende Platz im Kapselgehörschützer wird mit akustischem Dämmmaterial gefüllt, so dass die passive Dämpfung erhalten bleibt.
Fig. 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Membran 1, entlang einer zum Magnetfeld B des Magnetresonanztomographens parallelen oder nahezu parallelen Achse in eine oder mehrere Falten oder Wellen angeordnet ist, bzw. eine entsprechende Anordnung durch mehrere beweglich miteinander verbundene Einzelmembranen gebildet wird. Eine oder mehrere flexible Leiterbahnen 2 werden flächig und fest derart mit der Membran 1 verbunden, dass die Richtung der Leiterbahnen 2 orthogonal oder nahezu orthogonal zu den Falt- bzw. Biegeachsen 5 verläuft. Die solcherart angebrachten Leiterbahnen 2 werden elektrisch parallel geschaltet.
Fig. 2b zeigt die in Fig. 2a dargestellte Anordnung bei Durchfluss eines Stromes I durch die Leiterbahnen 2. Das äußere Magnetfeld B des Magnetresonanztomographen vermittelt eine deformierende Kraft auf die Leiterbahnen 2, deren Orientierung durch die Richtung des durchfliessenden Stromes bestimmt wird. Eine Leiteranordnung wie beschrieben bewirkt, daß die Lufttaschen auf einer Seite der gefalteten bzw. gewellten Membran 1 verengt werden, während die auf der anderen Seite der gefalteten Membran 1 befindlichen Lufttaschen geweitet werden. Ein hörfrequenter Strom führt zu einem gleichsinnigen und gemeinsamen Öffnen bzw. Schließen der Lufttaschen auf beiden Seiten der gefalteten bzw. gewellten Membran 1. Die durch diese Bewegungen hervorgerufenen Druckschwankungen innerhalb des überstrichenen Luftvolumens werden als Schallwelle beidseitig senkrecht zur Membrangesamtfläche abgestrahlt. Der Wirkungsgrad dieser Anordnung ist optimal, wenn das Magnetfeld B des Magnetresonanztomographen senkrecht zu den Leiterbahnen 2 orientiert ist. Ein Abweichen von dieser Geometrie, sei es durch Krümmung oder Verdrehung der gesamten Anordnung oder von Teilen hiervon verringert den Wirkungsgrad, ohne jedoch die Funktionsfähigkeit in Frage zu stellen.
Fig. 3a zeigt den wirksamen Teil eines Ausführungsbeispiels (ohne Halterung), bei welchem die Membran 1 entlang einer zum Magnetfeld B des Magnetresonanztomographen orthogonalen oder nahezu orthogonalen Achse in eine oder mehrere Falten oder Wellen angeordnet ist, bzw. eine entsprechende Anordnung durch mehrere beweglich miteinander verbundene Einzelmembranen gebildet wird. Eine oder mehrere als Zuleitungen 2b dienende Leiter werden flächig und fest derart mit der Membran 1 verbunden, dass die Richtung der Leiter orthogonal oder nahezu orthogonal zu den Falt- bzw. Biegeachsen verläuft. Zusätzlich werden parallel oder nahezu parallel zur Faltachse und damit orthogonal oder nahezu orthogonal zur Richtung des Magnetfeldes B des Magnetresonanztomographen eine oder mehrere Leiterbahnen 2a flächig und fest mit der Membran 1 verbunden. Die Leiterbahnen 2a werden mit den Zuleitungen 2b auf beiden Seiten der durch die Membran 1 gebildeten Lufttasche elektrisch parallel geschaltet. Die Stromzufuhr hat derart zu erfolgen, dass ein und derselbe elektrische Strom die Leiterbahnen 2a auf gegenüberliegenden Seiten der Lufttasche in entgegengesetzter Orientierung durchfließt.
Mehrere Leiterbahnen 2a sind mittels Zuleitungen 2b zu Leiterbahnblöcken 6 zusammengeschaltet.
Fig. 3b stellt eine solche Anordnung bei Durchfluss eines Stromes I dar. Eine bei Stromdurchfluss durch die Leiterbahnen 2 vom Magnetfeld B vermittelte Kraft bewirkt, dass die durch die gefaltete Membran 1 gebildete Lufttasche geweitet bzw. verengt wird. Ein hörfrequenter Strom verursacht innerhalb des überstrichenen Luftvolumens eine gleichsinnige Druckschwankung, welche als Schallwelle abgestrahlt wird.
Die in Fig. 3a und 3b dargestellte Anordnung ermöglicht durch die Aufbringung mehrerer paralleler wirksamer Leiterbahnen 2a einen großflächigen und wirbelstromfreien Antrieb der Membran 1. Berücksichtigt man die im Vergleich zu den Abmessungen eines Wandlers große räumliche Ausdehnung des Magnetfeldes B des Magnetresonanztomographen, so ist die Ausführung eines Wandlers mit zusätzlich erhöhtem Wirkungsgrad möglich, da das Wirkungsgrad bestimmende Verhältnis von Lufttaschenweite a zu Lufttaschentiefe b (s. Fig. 3c) durch Vergrößerung der Tiefe b gesenkt werden kann.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es möglich, durch geeignete Kombination der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (12)

  1. Akustischer Wandler für Breitband-Lautsprecher oder Kopfhörer zur Schallerzeugung und zur Verwendung im homogenen und/oder inhomogenen Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen unter Ausnutzung der Lorentz-Kraft,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Schallerzeugung durch eine oder mehrere, Lufttaschen bildende Membranen (1) erfolgt, wobei die Membranen (1) aus elastischem, nicht magnetischem oder schwach magnetischem Material bestehen und flächig und fest mit Leiterbahnen (2) verbunden sind, auf die bei Stromfluss die Lorentz-Kraft, vermittelt durch das Magnetfeld des Magnetresonanztomographen, als Antriebskraft wirkt.
  2. Akustischer Wandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Lufttaschen durch Flächen (4) der Membranen (1) gebildet werden und die Flächen (4) durch Falt- oder Biegeachsen (5) begrenzt werden.
  3. Akustischer Wandler nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Leiterbahnen (2) parallel zu den Falt- oder Biegeachsen (5) verlaufen und elektrisch in Reihe geschaltet sind.
  4. Akustischer Wandler nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    mehrere Leiterbahnen (2a) mittels Zuleitungen (2b) zu einem Leiterbahnenblock (6) zusammengeschaltet sind und die Leiterbahnblöcke (6) parallel zu den Falt- oder Biegeachsen (5) verlaufen.
  5. Akustischer Wandler nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Leiterbahnen (2) orthogonal oder nahezu orthogonal zu den Falt- oder Biegeachsen (5) verlaufen.
  6. Akustischer Wandler nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    mehrere Leiterbahnen (2) elektrisch parallel geschaltet sind.
  7. Akustischer Wandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    zur Steigerung des Wirkungsgrades zwei oder mehrere Membranen (1) derart angeordnet sind, daß eine gegensinnig gerichtete Auslenkung die Verdrängung eines größeren Luftvolumens realisiert.
  8. Akustischer Wandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    durch Auffaltung einer oder mehrerer Membranen (1) sowie durch Befestigung der Leiterbahnen (2) entlang der Flächen (4) der Stromfluss durch die Leiterbahnen (2) in wechselseitig entgegengesetzter Orientierung erfolgt.
  9. Akustischer Wandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    durch kompensatorische Anordnung der Leiterbahnen (2) das in der Umgebung des Lautsprechers aufgebaute zusätzliche magnetische Feld minimiert wird.
  10. Akustischer Wandler in Realisierungsform als Lautsprecher nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    er als Auskleidung der Innenwände des Tomographen mit Falzen, Volumenlautsprecher, ausgebildet ist.
  11. Akustischer Wandler in Realisierungsform als Lautsprecher nach Anspruch 1 zur Verwendung als Antischall-Lautsprecher.
  12. Akustischer Wandler in Realisierungsform als Lautsprecher nach Anspruch 1 zur Verwendung innerhalb des im Magnetresonanztomographen angeordneten Teils einer Gegensprechanlage.
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