DD296609A5 - CONVERTER FOR TRANSCUTANEOUS AND INTRAOPERATIVE BLOOD TEST MEASUREMENT ACCORDING TO THE ULTRASONIC DOPPLER METHOD - Google Patents

CONVERTER FOR TRANSCUTANEOUS AND INTRAOPERATIVE BLOOD TEST MEASUREMENT ACCORDING TO THE ULTRASONIC DOPPLER METHOD Download PDF

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DD296609A5
DD296609A5 DD34280590A DD34280590A DD296609A5 DD 296609 A5 DD296609 A5 DD 296609A5 DD 34280590 A DD34280590 A DD 34280590A DD 34280590 A DD34280590 A DD 34280590A DD 296609 A5 DD296609 A5 DD 296609A5
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Ruediger Scharf
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wandleranordnung zur Erfassung reproduzierbarer Ultraschallsignale bei mehreren moeglichen Arbeitsfrequenzen. Sie findet Anwendung in der transcutanen und intraoperativen Blutstroemungs-Diagnostik nach dem Doppler-Verfahren unter Verwendung von Dauerstrich-Ultraschallsignalen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dasz fuer den Empfangswandler piezoelektrisches polymeres Material mit einer sehr groszen elektroakustischen Bandbreite und fuer den Sendewandler piezoelektrisches polykristallines Keramikmaterial, das in seiner Dickenresonanzfrequenz bzw. einer seiner ungeradzahligen Oberschwingungen angeregt wird, verwendet wird, so dasz die Gesamtanordnung mehrere Arbeitsfrequenzen, beginnend mit der Dickenresonanzfrequenz des Sendewandlers, aufweist. Beide Wandlerelemente werden auf einen Kunststoffkoerper aufgeklebt, dessen spezielle Form den maximal erfaszbaren Tiefenbereich festlegt. Fig. 1{Wandleranordnung; Ultraschall; Doppler-Verfahren; Blutstroemungs-Diagnostik; Arbeitsfrequenz; Dickenresonanz; Oberschwingung}The invention relates to a transducer arrangement for detecting reproducible ultrasonic signals at several possible operating frequencies. It finds application in the transcutaneous and intraoperative blood flow diagnostics according to the Doppler method using continuous wave ultrasound signals. The essence of the invention is that for the receiving transducer piezoelectric polymeric material having a very large electroacoustic bandwidth and for the transmitting transducer piezoelectric polycrystalline ceramic material, which is excited in its thickness resonant frequency or one of its odd harmonics is used, so dasz the overall arrangement several operating frequencies , starting with the thickness resonant frequency of the transmitting transducer. Both transducer elements are glued to a plastic body whose specific shape determines the maximum detectable depth range. Fig. 1 {transducer arrangement; Ultrasonic; Doppler method; Blutstroemungs diagnostics; Operating frequency; Dick resonance; Harmonic}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Wandleranordnung zur Verwendung in dertranscutanen und intraoperativen Ultraschall-Doppler-Blutströmungs-Diagnostik unter Anwendung von Dauerstrich-Signalen.The invention relates to a transducer assembly for use in transcutaneous and intraoperative ultrasound Doppler blood flow diagnostics using continuous wave signals.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Die bekannten Wandleranordnungen für Ultraschall-Dauerstrich-Doppler-Verfahren bestehen im wesentlichen aus zwei meist identisch aufgebauten Wandlereinheiten für Sende- und Empfangssystem in einem gemeinsamen Gehäuse. Winkelanordnungen aus zwei Wandlerelementen zur bevorzugten Erfassung eines bestimmten Tiefenbereichs sind mehrfach beschrieben worden (DE OS 3434740 DD WP 144357, DD WP 261 958, DD WP 267 184, GB PS 2064117).The known transducer assemblies for ultrasonic continuous wave Doppler method essentially consist of two mostly identically constructed transducer units for transmitting and receiving system in a common housing. Angular arrangements of two transducer elements for the preferred detection of a specific depth range have been described several times (DE OS 3434740 DD WP 144357, DD WP 261 958, DD WP 267 184, GB PS 2064117).

Spezielle Anordnungen mit nur einem Wandler bei gleichzeitigem Sende- und Empfangsbetrieb für intravasale Messungen sind ebenfalls bekannt. Allen Anordnungen ist gemeinsam, daß Sende- und Empfangssystem aus dem gleichen piezoelektrischen Material bestehen, wobei neben Keramiken auch einkristalline Materialien eingesetzt werden. Diese Anordnungen gestatten nur eine Arbeitsfrequenz, d.h., jeder Frequenzwechsel erzwingt einen Wechsel der Wandleranordnung.Special arrangements with only one transducer with simultaneous transmission and reception operation for intravascular measurements are also known. All arrangements have in common that transmitting and receiving system consist of the same piezoelectric material, wherein in addition to ceramics and monocrystalline materials are used. These arrangements allow only one operating frequency, that is, each frequency change forces a change in the transducer array.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, mit einer Wandleranordnung Signalableitungen bei mehreren Arbeitsfrequenzen zu ermöglichen. Darlegung des Wesens der ErfindungThe aim of the invention is to enable with a transducer arrangement signal derivatives at several operating frequencies. Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wandleranordnung zu entwicklen, die eine reproduzierbare Signalableitung aus einem definierten Tiefenbereich bei mehreren Arbeitsfrequenzen ermöglicht.The invention has for its object to develop a transducer assembly that allows reproducible signal output from a defined depth range at several operating frequencies.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die beiden Wandlerelemente auf der Frontseite eines Kunststoffkörpers, dessen Form das geforderte Schallfeld ergibt, aufgeklebt werden. Der Kunststoffkörper ist so geformt, daß die Wandlerelemente nur am äußeren Rand aufgeklebt sind, wodurch hinter dem überwiegenden Teil der Wandlerflächen ein luftgefüllter Raum entsteht. Die Flächennormalen beider Wandlerelemente schließen einen Winkel ein, der den Oberlappungsbereich der Schallfelder von Sende- und Empfangswandler im biologischen Gewebe und damit den maximal erfaßbaren Tiefenbereich bestimmt. Für den Sendewandler wird piezoelektrisches polykristallines Keramikmaterial eingesetzt, das sowohl mit seiner Dickenresonanzfrequenz als auch mit ungeradzahligen Oberschwingungen, vorzugsweise in der dritten oder fünften Oberschwingung, angeregt werden kann. Für den Empfangswandler wird ein piezoelektrisches polymeres Material sehr geringer Schichtdicke verwendet, so daß der Bereich der möglichen Arbeitsfrequenzen der Gesamtanordnung weit unterhalb der Dickenresonanz des verwendeten Materials liegt.According to the invention the object is achieved in that the two transducer elements on the front side of a plastic body, the shape of which produces the required sound field, are glued. The plastic body is shaped so that the transducer elements are glued only at the outer edge, whereby behind the majority of the transducer surfaces, an air-filled space is created. The surface normals of both transducer elements enclose an angle which determines the upper overlap region of the sound fields of the transmit and receive transducers in the biological tissue and thus the maximum detectable depth range. For the transmitting transducer piezoelectric polycrystalline ceramic material is used, which can be excited both with its thickness resonant frequency and with odd harmonics, preferably in the third or fifth harmonic. For the receiving transducer, a piezoelectric polymeric material of very small layer thickness is used, so that the range of possible operating frequencies of the overall arrangement is well below the thickness resonance of the material used.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die beschriebene Ultraschallwandleranordnung wurde für die Untersuchung der Mikrozirkulation und kleiner Blutgefäße im Bereich der Hautoberfläche und intraoperative Untersuchungen an Parenchymgewebe entwickelt.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. The disclosed ultrasound transducer assembly has been developed for the study of microcirculation and small blood vessels in the area of the skin surface and intraoperative studies on parenchymal tissue.

Die dazugehörige Zeichnung zeigtThe accompanying drawing shows

Fig. 1: Kunststoffkörper mit eingeklebten Wandlerelementen im Schnitt (Schnittebene in Schallstrahlungsrichtung der Wandlerelemente}1: plastic body with glued-in transducer elements in section (sectional plane in the direction of sound radiation of the transducer elements)

Der in Fig. 1 dargestellte Kunststoffkörper 1, der im angegebenen Beispiel aus Polystyren besteht, wird als Spritzgußteil hergestellt oder aus einem Stück gefräst. Auf die Randflächen der halbzylinderförmigen Öffnungen werden halbrunde Wandlerelemente (im Ausführungsbeispiel 5mm Durchmesser) mit einem Klebstoff geringer Schichtdicke, im Ausführungsbeispiel mit Cyanoacrylatklebstoff, aufgeklebt. Für den Empfangswandler 2 wird als piezoelektrisches Material Polyvinylidendifluorid-Folie mit einer Schichtdicke um 30 pm verwendet. Die Kontaktierung des Folie-Wandlers erfolgt mit ' einem leitfähigen Klebstoff. Der gesamte Rand des Empfangswandlers einschließlich der Kontaktierungspunkte wird mit Epoxydharz eingebettet 4. Für den Sendewandler 3 wird herkömmliches piezoelektrisches Keramikmaterial in ebenfalls bekannter Klebe- und Kontaktierungstechnologie verwendet. Der Winkel 5 wird entsprechend der geforderten Tiefe des Überlappungsbereiches der Schallfelder von Empfangswandler 2 und Sendewandler 3 auf ca. 30 Grad festgelegt.The plastic body 1 shown in Fig. 1, which consists of polystyrene in the example given, is produced as an injection molded part or milled from one piece. On the edge surfaces of the semi-cylindrical openings semicircular transducer elements (in the embodiment 5mm diameter) with an adhesive of low layer thickness, glued in the embodiment with Cyanoacrylatklebstoff. For the receiving transducer 2 is used as a piezoelectric material polyvinylidene difluoride film with a layer thickness of 30 pm. The contacting of the film converter takes place with 'a conductive adhesive. The entire edge of the receiving transducer including the contact points is embedded with epoxy resin 4. For the transmitting transducer 3 conventional piezoelectric ceramic material is also used in known bonding and bonding technology. The angle 5 is determined according to the required depth of the overlap region of the sound fields of receiving transducer 2 and transmit transducer 3 to about 30 degrees.

Der Kunststoffkörper 1 wird mit den aufgeklebten Wandlerelementen in ein zylindrisches Wandlergehäuse 6 eingesetzt. Dieses Gehäuse dient als Griffstück und beinhaltet in bekannter Weise die Anschlüsse und die Zugentlastung des Schallkopfkabels. Zur Messung wird der Raum zwischen Vorderseite der Wandlerelemente und Gevvebeoberfläche raitJCoppelgel ausgefüllt und der Wandler ohne Druck senkrecht auf das Gewebe aufgesetzt. ..·The plastic body 1 is inserted with the glued converter elements in a cylindrical transducer housing 6. This housing serves as a handle and includes in a known manner, the connections and the strain relief of the transducer cable. For measurement, the space between the front of the transducer elements and the surface of the control surface is filled in and the transducer is placed without pressure perpendicular to the tissue. .. ·

Der Sendewandler kann in seiner Dickenresonanzfrequenz oder einer Oberschwingung elektrisch angeregt werden. Die absinkende Sendeempfindlichkeit bei Oberschwingungsbetrieb kann durch erhöhte Sendeleistung ausgeglichenyverden. Die Bandbreite des Empfangswandlers überdeckt den gesamten Arbeitsbereich der Wandleranordnung) sofern sdine* Dickenresonanzfrequenz ausreichend weit oberhalb der höchsten Arbeitsfrequenz der Anordnung liegt. >'The transmitting transducer can be electrically excited in its thickness resonant frequency or a harmonic. The sinking transmission sensitivity in harmonic mode can be compensated by increased transmission power. The bandwidth of the receiving transducer covers the entire working range of the transducer assembly) if sdine * thickness resonant frequency is sufficiently far above the highest operating frequency of the device. > '

Claims (4)

1. Wandleranordnung zurtranscutanen und intraoperativen Blutströmungsmessung nach dem Ultraschall-Doppler-Verfahren, bestehend aus zwei piezoelektrischen Wandlern, die auf einem Kunststoff körper am Rand so aufgeklebt werden, daß hinter dem überwiegenden Teil der Wandlerflächen ein luftgefüllter Raum entsteht, wobei die Flächennormalen beider Wandlerelemente einen Winkel einschließen, der einen Überlappungsbereich der Schallfelder beider Wandlerelemente ergibt, der von der Frontseite des Kunststoffkörpers bis in eine dem Anwendungsfall entsprechende Tiefe reicht, gekennzeichnet dadurch, daß der Empfangswandler aus einem piezoelektrischen polymeren Material sehr geringer Schichtdicke und großer elektroakustischer Bandbreite und der Sendewandler aus einem Material mit ausgeprägter Dickenresonanz, das sich in den ungeradzahligen Oberschwingungen anregen läßt, besteht, so daß die Gesamtanordnung mehrere Arbeitsfrequenzen, beginnend mit der Dickenresonanzfrequenz des Sendewandlers, aufweist.1. Transducer assembly for transcutaneous and intraoperative blood flow measurement by the ultrasonic Doppler method, consisting of two piezoelectric transducers, which are glued to a plastic body at the edge so that behind the vast majority of the transducer surfaces creates an air-filled space, the surface normals of both transducer elements a Include angle, which results in an overlap region of the sound fields of both transducer elements, ranging from the front of the plastic body to a depth corresponding to the application, characterized in that the receiving transducer of a piezoelectric polymeric material very thin layer and large electro-acoustic bandwidth and the transmitting transducer of a Material with pronounced thickness resonance, which can be excited in the odd harmonics exists, so that the overall arrangement of several operating frequencies, starting with the thickness resonance frequency of the Sendewa dealer, has. 2. Wandleranordnung nach 1., gekennzeichnet dadurch, daß die elektrische Anregung des Sendewandlers vorzugsweise in der dritten und fünften Oberschwingung erfolgt.2. converter arrangement according to 1, characterized in that the electrical excitation of the transmitting transducer preferably takes place in the third and fifth harmonic. 3. Wandleranordnung nach 1., gekennzeichnet dadurch, daß für den Sendewandler vorzugsweise polykristallines Material eingesetzt wird.3. transducer arrangement according to 1, characterized in that preferably polycrystalline material is used for the transmitting transducer. Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung betrifft eine Wandleranordnung zur Verwendung in der transcutanen und intraoperativen Ultraschall-Doppler-Blutströmungs-Diagnostik unter Anwendung von Dauerstrich-Signalen.The invention relates to a transducer assembly for use in transcutaneous and intraoperative ultrasound Doppler blood flow diagnostics using continuous wave signals. Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art Die bekannten Wandleranordnungen für Ultraschall-Dauerstrich-Doppler-Verfahren bestehen im wesentlichen aus zwei meist identisch aufgebauten Wandlereinheiten für Sende- und Empfangssystem in einem gemeinsamen Gehäuse. Winkelanordnungen aus zwei Wandlerelementen zur bevorzugten Erfassung eines bestimmten Tiefenbereichs sind mehrfach beschrieben worden (DE OS 3434740 DD WP 144357, DD WP 261 958, DD WP 267 184, GB PS 2064117). Spezielle Anordnungen mit nur einem Wandler bei gleichzeitigem Sende- und Empfangsbetrieb für intravasale Messungen sind ebenfalls bekannt. Allen Anordnungen ist gemeinsam, daß Sende- und Empfangssystem aus dem gleichen piezoelektrischen Material bestehen, wobei neben Keramiken auch einkristalline Materialien eingesetzt werden. Diese Anordnungen gestatten nur eine Arbeitsfrequenz, d.h., jeder Frequenzwechsel erzwingt einen Wechsel der Wandleranordnung.The known transducer assemblies for ultrasonic continuous wave Doppler method essentially consist of two mostly identically constructed transducer units for transmitting and receiving system in a common housing. Angular arrangements of two transducer elements for the preferred detection of a specific depth range have been described several times (DE OS 3434740 DD WP 144357, DD WP 261 958, DD WP 267 184, GB PS 2064117). Special arrangements with only one transducer with simultaneous transmission and reception operation for intravascular measurements are also known. All arrangements have in common that transmitting and receiving system consist of the same piezoelectric material, wherein in addition to ceramics and monocrystalline materials are used. These arrangements allow only one operating frequency, that is, each frequency change forces a change in the transducer array. Ziel der ErfindungObject of the invention Ziel der Erfindung ist es, mit einer Wandleranordnung Signalableitungen bei mehreren Arbeitsfrequenzen zu ermöglichen.The aim of the invention is to enable with a transducer arrangement signal derivatives at several operating frequencies. Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wandleranordnung zu entwicklen, die eine reproduzierbare Signalableitung aus einem definierten Tiefenbereich bei mehreren Arbeitsfrequenzen ermöglicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die beiden Wandlerelemente auf der Frontseite eines Kunststoffkörpers, dessen Form das geforderte Schallfeld ergibt, aufgeklebt werden. Der Kunststoffkörper ist so geformt, daß die Wandlerelemente nur am äußeren Rand aufgeklebt sind, wodurch hinter dem überwiegenden Teil der Wandlerflächen ein luftgefüllter Raum entsteht. Die Flächennormalen beider Wandlerelemente schließen einen Winkel ein, der den Überlappungsbereich der Schallfelder von Sende- und Empfangswandler im biologischen Gewebe und damit den maximal erfaßbaren Tiefenbereich bestimmt. Für den Sendewandler wird piezoelektrisches polykristallines Keramikmaterial eingesetzt, das sowohl mit seiner Dickenresonanzfrequenz als auch mit ungeradzahligen Oberschwingungen, vorzugsweise in der dritten oder fünften Oberschwingung, angeregt werden kann. Für den Empfangswandler wird ein piezoelektrisches polymeres Material sehr geringer Schichtdicke verwendet, so daß der Bereich der möglichen Arbeitsfrequenzen der Gesamtanordnung weit unterhalb der Dickenresonanz des verwendeten Materials liegt.The invention has for its object to develop a transducer assembly that allows reproducible signal output from a defined depth range at several operating frequencies. According to the invention the object is achieved in that the two transducer elements on the front side of a plastic body, the shape of which produces the required sound field, are glued. The plastic body is shaped so that the transducer elements are glued only at the outer edge, whereby behind the majority of the transducer surfaces, an air-filled space is created. The surface normals of both transducer elements enclose an angle that determines the overlap region of the sound fields of the transmit and receive transducers in the biological tissue and thus the maximum detectable depth range. For the transmitting transducer piezoelectric polycrystalline ceramic material is used, which can be excited both with its thickness resonant frequency and with odd harmonics, preferably in the third or fifth harmonic. For the receiving transducer, a piezoelectric polymeric material of very small layer thickness is used, so that the range of possible operating frequencies of the overall arrangement is well below the thickness resonance of the material used. Ausführungsbeispielembodiment Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die beschriebene Ultraschallwandleranordnung wurde für die Untersuchung der Mikrozirkulation und kleiner Blutgefäße im Bereich der Hautoberfläche und intraoperative Untersuchungen an Parenchymgewebe entwickelt. Die dazugehörige Zeichnung zeigtThe invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. The disclosed ultrasound transducer assembly has been developed for the study of microcirculation and small blood vessels in the area of the skin surface and intraoperative studies on parenchymal tissue. The accompanying drawing shows Fig. 1: Kunststoffkörper mit eingeklebten Wandlerelementen im Schnitt (Schnittebene in Schallstrahlungsrichtung der Wandlerelemente)1: plastic body with glued-in transducer elements in section (sectional plane in the direction of sound radiation of the transducer elements) Der in Fig. 1 dargestellte Kunststoffkörper 1, der im angegebenen Beispiel aus Polystyren besteht, wird als Spritzgußteil hergestellt oder aus einem Stück gefräst. Auf die Randflächen der halbzylinderförmigen Öffnungen werden halbrunde Wandlerelemente (im Ausführungsbeispiel 5mm Durchmesser) mit einem Klebstoff geringer Schichtdicke, im Ausführungsbeispiel mit Cyanoacrylatklebstoff, aufgeklebt. Für den Empfangswandler 2 wird als piezoelektrisches Material Polyvinylidendifluorid-Folie mit einer Schichtdicke um 30 μηι verwendet. Die Kontaktierung des Folie-Wandlers erfolgt mit einem leitfähigen Klebstoff. Der gesamte Rand des Empfangswandlers einschließlich der Kontaktierungspunkte wird mit Epoxydharz eingebettetThe plastic body 1 shown in Fig. 1, which consists of polystyrene in the example given, is produced as an injection molded part or milled from one piece. On the edge surfaces of the semi-cylindrical openings semicircular transducer elements (in the embodiment 5mm diameter) with an adhesive of low layer thickness, glued in the embodiment with Cyanoacrylatklebstoff. For the receiving transducer 2 is used as piezoelectric material polyvinylidene difluoride film with a layer thickness of about 30 μηι. The contacting of the film converter is carried out with a conductive adhesive. The entire edge of the receiving transducer including the contact points is embedded with epoxy resin 4. Für den Sendewandler 3 wird herkömmliches piezoelektrisches Keramikmaterial in ebenfalls bekannter Klebe- und Kontaktierungstechnologie verwendet. Der Winkel 5 wird entsprechend der geforderten Tiefe des Überlappungsbereiches der Schallfelder von Empfangswandler 2 und Sendewandler 3 auf ca. 30 Grad festgelegt. Der Kunststoffkörper 1 wird mit den aufgeklebten Wandlerelementen in ein zylindrisches Wandlergehäuse 6 eingesetzt. Dieses Gehäuse dient als Griffstück und beinhaltet in bekannter Weise die Anschlüsse und die Zugentlastung des Schallkopfkabels. Zur Messung wird der Raum zwischen Vorderseite der Wandlerelemente und Gewebeoberfläche mit Koppelgel ausgefüllt und der Wandler ohne Druck senkrecht auf das Gewebe aufgesetzt.4. For the transmitting transducer 3 conventional piezoelectric ceramic material is also used in known bonding and contacting technology. The angle 5 is determined according to the required depth of the overlap region of the sound fields of receiving transducer 2 and transmit transducer 3 to about 30 degrees. The plastic body 1 is inserted with the glued converter elements in a cylindrical transducer housing 6. This housing serves as a handle and includes in a known manner, the connections and the strain relief of the transducer cable. To measure the space between the front of the transducer elements and tissue surface is filled with coupling gel and placed the transducer without pressure perpendicular to the tissue. Der Sendewandler kann in seiner Dickenresonanzfrequenz oder einer Oberschwingung elektrisch angeregt werden. Die absinkende Sendeempfindlichkeit bei Oberschwingungsbetrieb kann durch erhöhte Sendeleistung ausgeglichen werden. Die Bandbreite des Empfangswandlers überdeckt den gesamten Arbeitsbereich der Wandleranordnung, sofern seine Dickenresonanzfrequenz ausreichend weit oberhalb der höchsten Arbeitsfrequenz der Anordnung liegt.The transmitting transducer can be electrically excited in its thickness resonant frequency or a harmonic. The sinking transmission sensitivity in harmonic mode can be compensated by increased transmission power. The bandwidth of the receiving transducer covers the entire working range of the transducer assembly, provided that its thickness resonant frequency is sufficiently far above the highest operating frequency of the device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2004004559A1 (en) * 2002-07-03 2004-01-15 Uscom Pty Ltd Low profile chest affixed cw transducer

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