DE10112458C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen einer Quelle von akustischen Wellen - Google Patents

Abstract

Zum Prüfen einer Quelle (1) akustischer Wellen (11) wird ein von einem Lichtsender (3) ausgesandter Lichtstrahl (12) durch ein flüssiges Medium (2) geleitet, in welchem sich die akustischen Wellen (11) ausbreiten. Der Lichtstrahl (12) tritt quer zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen (11) durch das flüssige Medium (2) hindurch. Die Intensitätsänderung des Lichtstrahls (12) wird auf der gegenüberliegenden Seite durch einen Lichtempfänger (4) erfaßt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen einer Quelle von sich in einem flüssigen Medium aus­ breitenden akustischen Wellen gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 bzw. des Anspruchs 7.

Akustische Wellen werden zu unterschiedlichen Zwecken in der Human- und Veterinärmedizin eingesetzt. Die von einer Quelle erzeugten akustischen Wellen breiten sich in einem flüssigen Medium aus und werden über eine Applikationsfläche in den Kör­ per des Patienten eingekoppelt. Die akustischen Wellen dienen hauptsächlich therapeutischen, teilweise auch diagnostischen Zwecken. Insbesondere in Form von Stoßwellen werden extrakor­ poral erzeugte akustische Wellen eingesetzt zur Zerstörung von Körperkonkrementen (Lithotripsie) und für orthopädische Be­ handlungen.

Die Quellen der akustischen Wellen müssen regelmäßig überprüft werden, um sicher zu stellen, daß die akustischen Parameter der erzeugten Wellen innerhalb gewisser Grenzen liegen, die für den bestimmungsgemäßen Gebrauch der Wellen vorgegeben sind. Aus der DE 196 40 050 C2 und der DE 196 40 051 A1 ist es bekannt, einen Drucksensor in das Feld der akustischen Wel­ len zu bringen. Der Drucksensor wird dabei unmittelbar durch die Druckamplitude der Wellen beaufschlagt, so daß er einer hohen mechanischen Beanspruchung und einem entsprechend hohen Verschleiß unterworfen ist. Außerdem ist eine Prüfung der Wel­ len nicht unter den Bedingungen des tatsächlichen Gebrauchs möglich.

Aus der DE 38 02 024 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrich­ tung der eingangs genannten Gattung bekannt. Dabei wird die Eigenschaft ausgenützt, daß sich die optischen Eigenschaften des flüssigen Mediums in Abhängigkeit des Druckes ändern. Eine Lichtleiter-Sonde wird in das flüssige Medium gebracht und die Reflexion des Lichtes an der Grenzfläche zwischen dem Lichtleiter und dem flüssigen Medium bestimmt. Da sich der Bre­ chungsindex zwischen dem Lichtleiter und dem flüssigen Medium in Abhängigkeit von dem Druck des flüssigen Mediums ändert, kann über die Änderung der Reflexion der Druck in dem flüssi­ gen Medium bestimmt werden. Auch hier wird die Endfläche der Lichtleiter-Sonde unmittelbar durch den Druck der akustischen Welle beaufschlagt, so daß die Sonde einer hohen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt ist, insbesondere wenn Quellen ener­ giereicher Stoßwellen geprüft werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen einer Quelle von akustischen Wel­ len zu schaffen, die eine Prüfung der Quelle unter dem tat­ sächlichen Einsatz entsprechenden Bedingungen erlauben und auch die Prüfung von Quellen hoher Wellenenergie ohne Beschä­ digung der Vorrichtung zulassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den jeweils rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, das flüssige Me­ dium, in welchem sich die akustischen Wellen ausbreiten, quer zur Ausbreitungsrichtung dieser Wellen zu durchleuchten und die von dem Druck der Wellen in dem Medium abhängige Änderung der Intensität des durchtretenden Lichtes als Meßsignal zu er­ fassen. Dadurch können die akustischen Wellen in dem Medium fotoakustisch erfaßt werden, ohne daß das Meßsystem durch die akustischen Wellen beaufschlagt wird. Eine Beschädigung des Meßsystems durch die akustischen Wellen ist ausgeschlossen, selbst wenn Stoßwellen mit hoher Energiedichte erzeugt werden.

Erfindungsgemäß kann die Quelle z. B. auch unter Bedingungen geprüft werden, die denen des tatsächlichen Einsatzes entspre­ chen. Hierzu wird die Quelle an ein Meßvolumen angekoppelt, welches mit einem flüssigen Medium, z. B. Wasser, gefüllt ist, dessen Dichte mit der Dichte des Körpergewebes des Patienten übereinstimmt. Die Ausbreitung der akustischen Wellen in die­ sem Meßvolumen entspricht somit weitgehend der Ausbreitung der Wellen im Körper des Patienten. Mit Hilfe eines solchen Meßvo­ lumens kann die Quelle daher unter realistischen Einsatzbedin­ gungen geprüft werden.

Bei einer geringeren Druckamplitude der Wellen eignet sich an­ stelle von Wasser besser ein anderes flüssiges Medium für das Meßvolumen, z. B. Ethanol, in welchem die Druckschwankungen einen stärkeren optischen Effekt hervorrufen.

Bei vielen Quellen werden die akustischen Wellen in einem ge­ schlossenen Volumen eines flüssigen Mediums erzeugt und brei­ ten sich in diesem Volumen aus, bevor sie über eine Applikati­ onsfläche in den Körper des Patienten eingekoppelt werden. Bei solchen Quellen kann gegebenenfalls auch das flüssige Medium in der Quelle durchstrahlt werden, um die Funktion der Quelle zu prüfen.

Der Lichtsender sendet sein Licht quer, d. h. unter einem be­ liebigen Winkel, zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Wel­ len durch das flüssige Medium. Läuft die akustische Welle durch das flüssige Medium, so ändert sich im Schallfeld der Welle die Dichte des Mediums und somit dessen Brechungsindex. Das vom Lichtsender ausgesandte Licht wird dadurch unter­ schiedlich gebrochen und abgelenkt, was zu einer quantitativen Änderung im Meßsignal des lichtempfindlichen Empfängers auf der anderen Seite des flüssigen Mediums führt. Um ein gutes Meßsignal zu erhalten, wird vorzugsweise ein gebündelter Lichtstrahl verwendet. Dieser Lichtstrahl wird entsprechend der Änderung des Brechungsindexes des flüssigen Mediums mehr oder weniger stark aufgeweitet und/oder abgelenkt. Der Licht­ empfänger kann in der optischen Achse des Lichtstrahls ange­ ordnet werden, so daß eine stärkere Aufweitung oder Ablenkung des Strahles durch den sich ändernden Brechungsindex zu einer Schwächung des Intensitätssignals im Lichtempfänger führt. Der Lichtempfänger kann auch außerhalb der optischen Achse des durchtretenden Lichtstrahls angeordnet sein, so daß die stärkere Aufweitung oder Ablenkung des Lichtstrahls in Folge des sich ändernden Brechungsindexes zu einem positiven Intensi­ tätssignal in dem Lichtempfänger führt.

Vorzugsweise wird das von dem Lichtsender ausgesandte Licht über einen Strahlteiler geführt, so daß ein Teil der Intensi­ tät durch das flüssige Medium gestrahlt wird, während der an­ dere Teil der Strahlintensität als Referenzsignal verwendet wird. Dadurch können das Rauschen des Lichtsenders und Inten­ sitätsänderungen des Lichtsenders eliminiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Druckverteilung in dem Schallfeld der akustischen Wellen über einen Volumenbe­ reich gemittelt, der sich aus dem Querschnitt des Lichtstrahls und aus der Länge des Lichtwegs durch das Schallfeld ergibt. In der Regel ist eine solche Messung der gemittelten Druckver­ teilung für eine Prüfung der Funktion der Quelle ausreichend. Für die Prüfung der Funktionsfähigkeit ist es nicht notwendig, absolute Druckwerte zu bestimmen und es ist keine Ausmessung der räumlichen Verteilung des Schallfeldes notwendig. Für die praktische Funktionsprüfung der Quelle ist in der Regel aus­ reichend, wenn unter gleicher räumlicher Konfiguration des Meßsystems vorgegebene Vergleichswerte reproduziert werden können.

Wird ein eng gebündelter Lichtstrahl verwendet, z. B. ein nur wenig aufgeweiteter Laserstrahl, so können mit dem erfindungs­ gemäßen Verfahren auch Aussagen über die räumliche Verteilung des Schallfeldes der akustischen Wellen gewonnen werden. Hier­ zu kann der Lichtstrahl parallel zu seiner Strahlrichtung auf der Ausbreitungsachse der akustischen Wellen verschoben wer­ den. Dadurch ist eine Bestimmung des Schallwellenfeldes in Richtung der Ausbreitung der Schallwellen möglich. Wird zu­ sätzlich die Richtung des Lichtstrahls in der zur Ausbrei­ tungsachse der akustischen Wellen senkrechten Ebene gedreht oder werden mehrere Meßsysteme mit im Winkel gegeneinander versetzter Lichtstrahlrichtung verwendet, so kann eine weitere Information über die Rotationssymmetrie der Verteilung des Schallfeldes gewonnen werden. Eine Verschiebung des Lichtstrahles in Richtung der Ausbreitung der akustischen Wellen und eine Drehung der Strahlrichtung um die Achse der Ausbrei­ tung der akustischen Wellen bzw. die Verwendung mehrerer Lichtstrahle ermöglicht somit eine Ermittlung der räumlichen Druckverteilung des Schallfeldes der akustischen Wellen nach Art einer Computertomographie.

Wird als Lichtsender ein fokussierbarer Laser verwendet, so ist es ebenfalls möglich mittels des Fokus des Laserstrahles die räumliche Verteilung des Schallfeldes der akustischen Wel­ len der Quelle abzuscannen. Ein solches Scannen des Schallfel­ des setzt ebenso wie ein tomographisches Erfassen des Schall­ feldes selbstverständlich eine intelligente rechnerische Si­ gnalverarbeitung voraus.

Wird erfindungsgemäß eine Quelle geprüft, bei welcher sich die akustischen Wellen in einem Volumen des flüssigen Mediums aus­ breiten, welches innerhalb der Quelle von deren Applikations­ fläche eingeschlossen ist, und wird der Lichtstrahl durch das flüssige Medium innerhalb der Quelle geleitet, so ist es mög­ lich, die Prüfung der Quelle auch während des Einsatzes, d. h. während der Behandlung eines Patienten zu prüfen. Die Prüfung der Quelle kann daher gewissermaßen "on line" während der ge­ samten Benutzungsdauer der Quelle durchgeführt werden. Bei elektrohydraulischen Stoßwellenquellen kann auf diese Weise kontinuierlich der Verschleiß und Abbrand der Elektroden über­ wacht werden.

Zur Messung der Intensität des durchtretenden Lichtstrahls kann jeder bekannte lichtempfindliche Sensor verwendet werden. Eine zusätzliche Information kann bei Verwendung eines CCD- Sensors oder einer Flächenfotodiode erhalten werden, mit wel­ chen die Intensitätsverteilung gemessen werden kann. Daraus kann das Druckprofil der Welle in dem flüssigen Medium rückbe­ rechnet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in schematisierter Darstellung eine Vorrichtung zum Prüfen einer Quelle akustischer Wellen.

Eine zu prüfende Quelle 1 erzeugt akustische Wellen in an sich bekannter Weise, z. B. akustische Stoßwellen. An die Quelle 1 wird ein Meßbehälter 2 angesetzt, der mit einem flüssigen Me­ dium, z. B. Wasser gefüllt ist. Die in der Quelle 1 erzeugten akustischen Wellen werden über eine Applikationsfläche 19, z. B. eine Koppelmembran in das flüssige Medium des Meßbehälters 2 eingekoppelt. Der Meßbehälter 2 kann gegen die Quelle 1 of­ fen sein, so daß er nur durch die Applikationsfläche 19 der Quelle 1 verschlossen wird. Gegebenenfalls kann der Meßbehäl­ ter 2 auch durch eine eigene Membran abgeschlossen sein, an welcher sich die Applikationsfläche 19 der Quelle 1 anlegt.

Die in der Quelle 1 erzeugten und in den Meßbehälter 2 einge­ koppelten akustischen Wellen 11 bilden in dem Meßbehälter 2 ein fokussiertes Druckwellenfeld aus, welches in der Zeichnung (von links oben nach rechts unten) schraffiert dargestellt ist.

Ein Lichtsender 3, z. B. ein Laser, sendet einen Lichtstrahl 12 aus, der über ein optisches System 6 geführt und fokussiert wird. Der Lichtstrahl 12 wird dann durch einen Strahlteiler 7 geleitet, der den Lichtstrahl 12 in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl teilt. Der Meßstrahlanteil des Lichtstrahles 12 läuft durch den Meßbehälter 2, wobei die Strahlachse des Lichtstrahles 12 senkrecht zur Ausbreitungsachse der akusti­ schen Wellen 11 verläuft und diese im Fokus des Schallfeldes der Wellen 11 schneidet. Bei einer Fokussierung des Licht­ strahles 12 wird der Fokus des Lichtstrahles 12 in den Schnittpunkt mit der Achse der akustischen Wellen 11 gelegt.

Der auf der gegenüberliegenden Seite aus dem Meßbehälter 2 austretende Lichtstrahl 12 wird durch ein weiteres optisches System 8 und eine Lochblende 9 geleitet und von einem Licht­ empfänger 4 detektiert. Ein zweiter Lichtempfänger 10 nimmt den durch den Strahlteiler 7 abgelenkten Referenzstrahlanteil des Lichtstrahls 12 auf. Die Lichtintensitätssignale des Lichtempfängers 4 und des Lichtempfängers 10 werden in einer Auswerteeinrichtung 5 verarbeitet. In dieser Auswerteeinrich­ tung 5 werden das Rauschen des Lichtsenders 3 und ebenso alte­ rungs- und temperaturabhängige Intensitätsschwankungen heraus­ gefiltert. Das zeitabhängige Drucksignal wird angezeigt und mit einem festgelegten Standard verglichen.

Das gesamte Meßsystem (bestehend aus dem Lichtsender 3, den Lichtempfängern 4 und 10 sowie den optischen Systemen 6 und 8 und dem Strahlteiler 7) kann in einer einfachen Ausführung fest an dem Meßbehälter 2 angeordnet sein. Es ist dann nur ei­ ne einzige Messung möglich, die eine gemittelte Aussage über den Meßbereich zuläßt, um in einfacher Weise durch Vergleich mit einem Standard die Funktionsfähigkeit zu prüfen.

In einer anderen Ausführung kann das gesamte Meßsystem in ei­ nem Rahmen montiert werden, der gegenüber dem Meßbehälter 2 bewegbar ist. Ist der Rahmen nur in Richtung der Achse des Wellenfeldes der akustischen Wellen 11 bewegbar, so kann der Lichtstrahl 12 in der Weise parallel verschoben werden, daß er das Schallfeld der akustischen Wellen 11 in unterschiedlichem Abstand von der Quelle 1 schneidet. Dadurch kann beispielswei­ se der Fokus des Schallfeldes der Wellen 11 ermittelt werden.

Kann der Rahmen zudem auch um eine mit der Ausbreitungsachse der Wellen 11 zusammenfallende Achse gedreht werden, so kann der Lichtstrahl 12 unter unterschiedlichen räumlichen Winkeln durch den Meßbehälter 2 geleitet werden. Es ist somit ein Ab­ tasten des Schallfeldes der akustischen Wellen 11 nach Art ei­ ner Computertomographie möglich.

Claims (17)

1. Verfahren zum Prüfen einer Quelle von sich in einem flüs­ sigen Medium ausbreitenden akustischen Wellen, bei welchem die druckabhängige Änderung der optischen Eigenschaften des flüssigen Mediums erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Licht durch das flüssige Medium quer zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen geleitet wird und die Änderung der Intensität des durchtretenden Lichtes erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht als gebündelter Strahl durch das flüssige Medium geleitet wird und die Änderung der Intensität in der Strahlachse des durchtretenden Strahles erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht als gebündelter Strahl durch das flüssige Medium geleitet wird und die Änderung der Intensität des abgelenkten Lich­ tes außerhalb des durchtretenden Strahles erfaßt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht durch ein an die Quelle ankoppelbares mit dem flüssigen Medium gefülltes Meßvolumen geleitet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht durch ein in der Quelle eingeschlossenes flüssiges Medium, in welchem die akustischen Wellen erzeugt werden, geleitet wird.

6. Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die räum­ liche Lage und/oder Richtung des Strahles des Lichtes ver­ stellt wird, um das räumliche Druckfeld der akustischen Wellen zu ermitteln.

7. Vorrichtung zum Prüfen einer Quelle von sich in einem flüssigen Medium ausbreitenden akustischen Wellen, mit we­ nigstens einem Lichtsender und wenigstens einem Lichtemp­ fänger, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (3) und der Lichtempfänger (4) an einander ge­ genüberliegenden Seiten des flüssigen Mediums in der Weise angeordnet sind, daß das von dem Lichtsender (3) ausge­ sandte Licht (12) durch das flüssige Medium unter einem Winkel zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen (11) hindurchtritt und auf der gegenüberliegenden Seite in den Lichtempfänger (4) gelangt und daß die Änderung des Signals des Lichtempfängers (4) in einer Auswerteeinrich­ tung (5) verarbeitet wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das flüs­ sige Medium in einem Meßbehälter (2) eingeschlossen ist, der an die Quelle (1) der akustischen Wellen ankoppelbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das flüs­ sige Medium in dem Volumen der Quelle (1) eingeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfänger (4) in der Achse des von dem Lichtsender (3) ausgesandten Lichtstrahls (12) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfänger (4) außerhalb der Achse des von dem Licht­ sender (3) ausgesandten Lichtstrahls (12) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-11, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Lichtsender (3) ausgesandte Lichtstrahl (12) vor dem Eintritt in das flüssige Medium durch einen Lichtteiler (7) in einen durch das flüssige Medium geleiteten Meß­ strahl und einen Referenzstrahl geteilt wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (3) und der Lichtempfänger (4) parallel zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen (11) bewegbar sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (3) und der Lichtempfänger (4) gemeinsam um eine mit der Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen (11) zusammenfallende Achse drehbar sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-13, dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens zwei Lichtsender (3) und zwei Lichtempfänger (4) vorgesehen sind, deren Lichtstrahlen um einen Drehwinkel um die Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen (11) gegeneinander versetzt verlaufen.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-15, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (3) einen Laser aufweist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-16, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfänger (4) ein CCD-Sensor oder eine Flächenfoto­ diode ist.