DE102004013092B4

DE102004013092B4 - Integrierter Drucksensor

Info

Publication number: DE102004013092B4
Application number: DE200410013092
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Phys. Eizenhöfer
Original assignee: Dornier Medtech Systems GmbH
Current assignee: Dornier Medtech Systems GmbH
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2024-03-18
Also published as: DE102004013092A1

Abstract

Vorrichtung zum Detektieren von Schallwellen mittels einer Membran (130), wobei mindestens ein Teil der Membran aus magnetostriktivem Material (210) besteht, welches beim Durchtritt von Schallwellen ein sich änderndes Magnetfeld (230) erzeugt, das mittels mindestens eines Sensors zum Messen von Magnetfeldern gemessen und in Bezug auf die durchgetretene Schallwelle mittels einer Auswerteeinrichtung ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor für die Messung von Druckwellen und insbesondere einen zumindest zum Teil in eine Membran oder einen Balg integrierten Drucksensor zur Messung von applizierten Stoßwellenenergien und/oder zur Funktionsüberwachung eines Stoßwellengerätes.

Die Verwendung von Ultraschall und Stoßwellen hat sowohl in der Industrie als auch in der Medizintechnik eine weite Verbreitung gefunden. Besonders in der Medizintechnik wird die Erzeugung von Druckpulsen sowohl zur extrakorporalen Stoßwellenlithotripsie (ESWL) als auch für die extrakorporale Stoßwellentherapie (ESWT) verwendet. Während die Mechanismen der Steinzertrümmerung bei der ESWL, wie z.B. direkte Krafteinwirkung, Spallationseffekte oder Kavitationseffekte weitgehend bekannt sind, sind die heilenden Wirkungen der ESWT bisher biophysikalisch nicht vollständig geklärt. Allerdings spielen auch hier Mechanismen, wie Dosiseffekte, energieabhängige Effekte und Kavitationseffekte, eine wichtige Rolle.

Es ist daher nicht nur bei der industriellen Materialbearbeitung, sondern auch in der Medizintechnik von großer Bedeutung, eine möglichst genaue Dosismessung der applizierten Stoßwellenenergie und eine Funktionsüberwachung des Stoßwellengerätes durchführen zu können. Diese immer wiederkehrenden Anforderungen sind bis heute nicht befriedigend gelöst. Ursache hierfür sind unter anderem die Forderungen, die Druckpulse möglichst nahe an der Stelle zu messen, an der die Pulse in das zu behandelnde Material oder Gewebe eindringen, damit alle Einflussgrößen in dem Ausbreitungspfad, wie z.B. akustische Linse, Ausbreitungsmedium und Koppelbalg mit berücksichtigt werden können.

Typischerweise bestehen Systeme für die ESWL und die ESWT aus einer Schallquelle, auch Stoßwellenemitter genannt, mit Steuerung und Ankoppelkissen, einer Schallquellenpositionierung, einer Ortungseinrichtung mit Monitor support, entsprechenden Gehäusen mit Stromversorgung und Steuer- und Kontrolleinheiten für die jeweiligen Komponenten, eine Patientenlagerung mit entsprechendem Zubehör und eventuell einem EKG-Gerät zur Herzfrequenzabhängigen Druckpulsauslösung.

1 zeigt eine Ausführung einer Stoßwellenquelle 100 nach dem Stand der Technik mit einen Therapiekopf 110 und einem Koppelbalg 130, der zum Ankoppeln der Stoßwellen an den zu behandelnden Körper dient. Zwischen der im Therapiekopf 110 befindlichen Schallquelle und dem zu behandelnden Körper wird in der Regel ein Wasservorlauf eingesetzt, der auf der Seite des zu behandelnden Körpers durch einen Koppelbalg abgeschlossen ist. Der Wasserdruck im Balg kann zur Unterstützung der Ankopplung und der Regelung der Eindringtiefe der Stoßwellen in den zu behandelnden Körper eingestellt werden. Zwischen Balg und Oberfläche des zu behandelnden Körpers wird typischerweise ein Ultraschallkoppelgel gegeben. Dadurch wird eine möglichst gute Ankopplung der von der Schallquelle erzeugten Druckwellen an den zu behandelnden Körper gewährleistet.

Zur Erzeugung von Schallwellen können punktförmige oder flächige Schallemitter eingesetzt werden, wobei sphärische Schallwellen z.B. durch Funkenstrecken (elektrohydraulische Schallquellen) oder Explosionsladungen sowie lasererzeugte thermische Durchbrüche in Flüssigkeiten erzeugt werden können. Die Erzeugung flächenhafter Schallwellen geschieht bevorzugterweise durch elektromagnetische Stoßwellenemitter (EMSE) oder piezoelektrische Schallquellen.

Beim Betrieb einer solchen Stoßwellenquelle, wie z.B. in einem Lithotripter zur Nierensteinzertrümmerung, ist eine Überprüfung der Funktionstüchtigkeit der Stoßwellenquelle zumindest von Zeit zu Zeit notwendig, um die notwendige klinische Betriebssicherheit zu gewährleisten. Bei einer solchen Überprüfung sind z.B. die Fokuslage, die Druckverteilung oder die Druckamplitude des Stoßwellenimpulses mögliche Parameter, um die ordnungsgemäße Funktion der Stoßwellenquelle zu überwachen.

Als Lösung wurde bisher vorgeschlagen, piezoelektrische Sensorfolien zwischen der Schallquelle und dem Patienten bzw. bei einer industriellen Anwendung zwischen der Schallquelle und dem zu bearbeitenden Körper zu platzieren und an die Sensorfolien eine Auswerteeinheit für die Auswertung der von den Sensorfolien erzeugten Signale anzuschließen. Des Weiteren wurden piezoelektrische Sensorfolien innerhalb der Therapiequelle diskutiert, die z.B. in die akustische Linse eingearbeitet sein könnten.

Die Druckschrift EP 0 256 202 A2 beschreibt einen entsprechenden Ankoppelkörper, mit eingebauter piezoelektrisch aktivierter PVDF-Folie als Stoßwellensensor mit kapazitiver und galvanischer Ableitung des Messsignals.

Allerdings müssen handelsübliche piezoelektrische PVDF-Folien für die galvanische Ableitung des Messsignals beidseitig metallisiert werden, um die dem Druck proportionale Ladungstrennung als elektrisches Signal abgreifen zu können. Ähnliches gilt für die kapazitive Ableitung des Messsignals. Dadurch ist es nahezu unmöglich, einen elastischen Koppelbalg mit integrierter PVDF-Folie zu entwerten, zumal auch die handelsüblichen PVDF-Werkstoffe selbst keine Elastomere sind.

Ein weiteres Problem bei der Verwendung von PVDF-Folien ist die Haftung der Metallisierungsschicht auf dem chemisch inerten PVDF. Die Metallisierung wird insbesondere durch Kavitation sehr schnell beschädigt.

DE 101 62 595 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Überwachung bzw. zur Prüfung der Funktion einer Stoß- bzw. Druckwellenquelle, wie sie beispielsweise im Rahmen der elektromagnetischen Stoßwellen-Lithotripsie zur Anwendung kommt. Die beschriebene Prüf- und Überwachungseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein passives, nicht lineares Übertragungsglied, die von ihm aufgenommenen sehr kurzen Stoßwellenimpulse von nur einigen Mikrosekunden Pulsdauer in einen erheblich niedrigeren Frequenzbereich von ca. 0,1 bis 1 kHz transformiert, dessen Schwingungen dann sensiert und ausgewertet werden.

DE 43 15 282 C2 beschreibt die Verwendung einer akustischen Druckimpulsquelle zur analgetischen Schmerzbehandlung. Die beschriebene Druckimpulsquelle weist ein etwa topfförmiges Gehäuse auf, im Bereich von dessen einem Ende ein Stoßwellengenerator vorgesehen ist. An seinem offenen Ende ist das Gehäuse der im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Mittelachse ausgebildeten Druckimpulsquelle mittels einer flexiblen Koppelmembran verschlossen. Mittels dieser Koppelmembran wird die Druckimpulsquelle zur akustischen Kopplung an den Körper eines Patienten angepresst. Das Gehäuse ist mit Wasser gefüllt, das als akustisches Ausbreitungsmedium für die von dem Stoßwellengenerator ausgehenden Stoßwellen vorgesehen ist.

DE 38 40 077 beschreibt einen Lithotripter mit einem Wandler zur Erzeugung von fokussierten Ultraschallstoßwellen. Dabei ist der Fokus auf das jeweils zu zerstörende Konkrement oder Gewebe ausrichtbar. Mit dem Wandler verbunden ist ein bildgebendes diagnostisches Röntgensystem zur Ortung des Konkrements oder Gewebes, dessen Röntgenstrahler und dessen Bildverstärker an einem schwenkbaren Rahmen angeordnet sind. Die Verbindung zwischen Wandler und Röntgenstrahler und die Anordnung des Röntgenstrahlers im Zentrum des Wandlers ist derart, dass die Wandlerachse und die Röntgenstrahlerachse zusammenfallen.

YAMAMOTO, Y., EDA, N., MORI, T., TARHORE, A. Three-dimensional magnetostrictive vibration sensor: development, analysis, and applications. – In: J. Alloys & Compounds, 1997 BAnd 258, S. 107–113, befasst sich mit einem dreidimensionalen magnetostriktivem Schwingungssensor und untersucht dabei mögliche Anwendungen.

DE 100 39 401 C2 beschreibt implantierbare Hörsysteme, wobei ein Wandlerelement, das an das Mittel- oder Innenohr angekoppelt wird, aus magnetostriktivem Material ausgebildet sein kann.

Quandt, E. Giant magnetostrictive thin film materials and applications. – In: J. Alloys & Compounds, 1997, Band 258, S 126–132, beschreibt die Herstellung von dünnen magnetostriktiven Filmen und mögliche Anwendungsgebiete.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckwellensensor anzugeben, der störunanfällig, langlebig und zuverlässig die ungefähre Fokuslage, die Druckverteilung und/oder Druckamplitude der applizierten Druckwelle überwachen kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Detektieren von Schallwellen sowie dem zugehörigen Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass mittels berührungsloser Messverfahren besonders störunanfällige und vor allen Dingen verschleißfreie Vorrichtungen zur Überwachung von bestimmten Schallwellenparametern realisiert werden können.

Mittels magnetostriktiver Materialien, die bei mechanischer Beanspruchung ein Magnetfeld erzeugen bzw. ändern, kann eine solche berührungslose Messung der Druckwellen realisiert werden. Dazu werden die magnetostriktiven Materialien, bevorzugterweise magnetostriktive Elastomere, in den Koppelbalg eingearbeitet bzw. ein Teil des Koppelbalgs aus magnetostriktivem Elastomer gefertigt, so dass beim Durchtritt einer Druckwelle durch das magnetostriktive Elastomer ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt wird. Dieses sich ändernde Magnetfeld kann durch induktive Sensoren oder andere Magnetfeldsensoren gemessen werden. Dadurch wird nicht nur eine kontaktlose Messung der applizierten Stoßwellenenergie ermöglicht, sondern auch bei einer entsprechenden Anordnung der Sensoren die Druckverteilung und die Fokuslage der applizierten Druckwelle.

Bevorzugterweise wird diese Vorrichtung in einen Lithotripter für die extrakorporale Lithotripsie und die extrakorporale Stoßwellentherapie eingesetzt.

Vorteilhaft ist hierbei, dass magnetostriktive Elastomere in den Koppelbalg des Therapiekopfs eingearbeitet werden können, so dass die Auswertung der Stoßwellenenergie so nah wie möglich am zu therapierenden Patienten oder dem zu behandelnden Körper erfolgt.

Außerdem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung einfach zu kalibrieren und zu warten. Da die Sensoren für die Messung des von den magnetostriktiven Materialien erzeugten Magnetfeldes außerhalb oder innerhalb des Koppelbalgs angeordnet werden können, ist es auf einfache Art und Weise möglich, sowohl den Koppelbalg mit magnetostriktivem Material und die Sensoren getrennt voneinander auszutauschen.

Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Magnetfeldsensoren in den Koppelbalg integriert. Dies ermöglicht bereits eine werksseitige Ausmessung und Kalibrierung der in den Koppelbalg integrierten erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Im Folgenden sollen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren erläutert werden. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten sind in den Figuren mit denselben Bezeichnungen versehen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Therapiekopfes mit Koppelbalg, entsprechend dem Stand der Technik.
2 eine schematische Schnittzeichnung einer Stoßwellenquelle mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
3a eine schematische Darstellung einer Ankoppelfläche einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
3b eine schematische Darstellung einer Ankoppelfläche einer anderen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
3c eine schematische Darstellung einer Ankoppelfläche einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 eine schematische Schnittzeichnung einer Stoßwellenquelle mit einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
5 eine schematische Schnittzeichnung einer Stoßwellenquelle mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 zeigt eine schematische Schnittzeichnung einer Stoßwellenquelle 100 mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. An dem Therapiekopf 110 ist ein flexibler und elastischer Koppelbalg 130 derart befestigt, dass der Innenraum zwischen Therapiekopf 110 und Koppelbalg 130 mit einer Flüssigkeit befüllbar ist. Die dem Therapiekopf 110 gegenüberliegende Ankoppelfläche des Koppelbalgs 130 besteht zu einem bestimmten Anteil aus magnetostriktivem Material 210. Bevorzugterweise besteht das magnetostriktive Material 210 aus magnetostriktivem Elastomer, so dass sich die Ankoppelfläche oder Membran des Koppelbalgs 130 elastisch der Oberfläche des Körpers des zu therapierenden Patienten anpassen kann. Der Koppelbalg dient dabei zur Übertragung von Stoßwellen von dem Stoßwellenemitter zum Körper des Patienten.
Die Deformation des Koppelbalgs 130 oder der Membran wird durch verschiedene Befüllungsgrade des von dem Koppelbalg 130 oder der Membran und dem Therapiekopf 110 eingeschlossenen Volumen erreicht. Ein Füllmittel ist beispielsweise Wasser. Befindet sich mehr Füllmittel in dem Koppelbalg, so wird der Abstand von dem Stoßwellenemitter zu dem zu behandelnden Körper vergrößert und umgekehrt. Der Koppelbalg ist bevorzugterweise als ein Elastomer-Formteil aus Weich-PVC, Polyurethan, Silikon oder TPE hergestellt, in das magnetostriktive Material eingebettet ist. Der Koppelbalg ist dabei alternativ als einfache Membran, als Koppelbalg mit einem Wandungsbereich mit. Falten oder als ein Koppelbalg mit verschiedenen Wandungsbereichen ausgebildet.
Zur Messung des beim Durchtritt einer Druck- oder Stoßwelle durch das magnetostriktive Material 210 erzeugten Magnetfeldes 230 wird mindestens ein Magnetfeldsensor 220 eingesetzt. Die Sensoren 220 zur Messung des erzeugten Magnetfeldes sind bevorzugterweise im seitlichen Wandungsbereich des Koppelbalgs und außerhalb des Schallkegels der Druck- oder Stoßwellen angeordnet.
Bevorzugterweise umfassen die Sensoren 220 in dem Balg eingearbeitete Spulen, wobei die Sensoren die durch den magnetischen Fluß in den Spulen induzierte Spannung messen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das magnetostriktive Material 210 in der Ankoppelfläche des Koppelbalgs so angeordnet, dass die Feldstärke des von dem magnetostriktiven Material 210 erzeugten Magnetfeldes 230 im Bereich der ersten Falte im Seitenbereich des Koppelbalgs 130 besonders stark ist. Dementsprechend sind ein oder mehrere Magnetfeldsensoren 220 in die erste Falte des Koppelbalgs 130 integriert oder innerhalb oder außerhalb des Koppelbalgs um die erste Falte platziert. Dies ermöglicht eine besonders genaue Messung verschiedener Parameter der Stoßwellen, die von dem im Therapiekopf befindlichen Stoßwellenemitter erzeugt werden.
Bei einer Anordnung der Magnetfeldsensoren 220 um den Bereich der ersten Falte des Koppelbalgs sind die Magnetfeldsensoren bevorzugterweise relativ zu der Position der Ankoppelfläche des Koppelbalgs und dem Fokus 240 der Stoßwellen justierbar.
Als Magnetfeldsensoren können induktive Sensoren, wie Spulen, oder Hallsensoren, magnetoresistive Sensoren, Fluxgate-Sensoren oder 3D-Magnetfeldsensoren verwendet werden. Mittels eines Arrays von 3D-Magnetfeldsensoren ist es z.B. möglich, nach einer entsprechenden Kalibrierung die Druckverteilung der Stoßwelle in der Austrittsfläche aus dem Koppelbalg zu bestimmen und darzustellen. Diese Auswertung erlaubt dabei Rückschlüsse auf die Qualität des Fokus der Stoßwelle, wodurch ein weiteres Kriterium für die Funktionsüberwachung der Stoßwellenquelle 100 gegeben ist.
Wie in 2 dargestellt, ist das magnetostriktive Material 210 bevorzugterweise in und um den Stoßwellenkegel in der Ankoppelfläche des Koppelbalgs angeordnet. Damit ist gewährleistet, dass über die gesamte Austrittsfläche der Stoßwellen aus dem Koppelbalg eine Messung der Stoßwellenenergie erfolgt. Damit ist es möglich, die Druckamplitude der Stoßwelle über die gesamte Austrittsfläche des Koppelbalgs zu ermitteln. Die Messung des von aufeinanderfolgenden Stoßwellen erzeugten Magnetfeldes 230 ermöglicht dabei nicht nur eine Bestimmung der applizierten Dosis an Stoßwellen, sondern auch die Überwachung der Funktionstüchtigkeit der Stoßwellenquelle. So ist es z.B. möglich, über den Vergleich der von den Magnetfeldsensoren 220 erzeugten Signale Schwankungen in der Stoßwellenenergie von aufeinanderfolgenden Stoßwellen zu bestimmen und über eine entsprechende Steuereinheit zu kompensieren.
Während des Betriebs der Stoßwellenquelle kann über die Sensoren 220 und eine daran angeschlossene Auswerteelektronik fortlaufend die Funktion der Stosswellenquelle 100 überprüft werden. Bei der Überprüfung der Funktion der Stosswellenquelle 100 ist ein möglicher Überwachungsparameter die von den Sensoren detektierte Druckamplitude des Stosswellenimpulses am Ort des magnetostriktiven Materials 210. Durch eine entsprechende Kalibrierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die z.B. werkseitig vorgenommenen und in der Auswerteelektronik abgespeichert werden kann, werden bestimmte Betriebsparameter des Schallwellenemitters mit den Messwerten der Sensoren 220 abgeglichen. Bei der Verwendung von 3D-Magnetfeldsensorarrays kann so die Qualität des Fokus der Stoßwelle während der Therapie bestimmt und überwacht werden.
Bevorzugterweise korrigiert die Auswerteelektronik das den Sensoren ermittelte Signal, indem es z. B. den von dem Schallwellenemitter eingestreuten Signalanteil von dem von den Sensoren ermittelten Signal subtrahiert, um so das den Stosswellenamplituden entsprechende Signal zu bestimmen. Über eine entsprechende Korrelation der Signale der einzelnen Sensoren, vor allem von 3D-Magnetfeldsensoren, können Aussagen über die Druckverteilung der Stoßwelle am Ort des Austritts aus dem Koppelbalg ermittelt werden.
Mittels Signalverarbeitung, wie z. B. FFT-Analyse, der Sensorsignale sowie zeitaufgelöster Messung der Signale können weitere Qualitätsmerkmale der erzeugten Stoßwellen ermittelt werden, wie z. B. die Energie oder Spitzenintensität der einzelnen Stoßwellen. Über die Ermittlung der Phasenbeziehung der Sensorsignale kann außerdem z.B. die Lage der Schallwellenfront zur Ankoppelfläche ermittelt werden.
Für Kalibrierungs- und Überwachungszwecke können außerdem z. B. Betriebsspannungen des Schallwellenemitters bei ordnungsgemäßem Betrieb und Positionierung in Relation zu einer vorgegebenen Amplitude der Stosswellen als Referenzwerte gesetzt werden. Bei Abweichungen der von den Sensoren 220 und der Auswerteelektronik ermittelten Stosswellenamplituden von diesen Soll- oder Referenzwerten während der Therapie, die eine Vielzahl von Stosswellenimpulsen umfassen kann, lassen sich so Rückschlüsse entweder auf die applizierte Dosis oder aber auf mögliche Störungen in der Stosswellenquelle 100 ziehen.
Dementsprechend kann eine sehr gezielte und dosierte Stoßwellentherapie durchgeführt werden. Bei einer Fehlfunktion der Stosswellenquelle 100 kann die Therapie rechtzeitig abgebrochen werden. Das Abbrechen der Therapie erfolgt alternativ automatisch bei einem Über- oder Unterschreiten von vorher festgelegten Grenz- oder Schwellwerten z. B. für die ermittelten Stosswellenamplituden.
Durch eine kontinuierliche Aufzeichnung und Online-Darstellung der ermittelten Stosswellenamplituden wird darüber hinaus dem Bediener des Stoßwellensystems ein zusätzliches Bewertungskriterium für die Qualität der Behandlung an die Hand gegeben. Mögliche Schäden des Schallwellenemitters werden somit schnell festgestellt und zeitaufwendige Referenzmessungen zur Ermittlung der Stosswellenamplituden in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Schallwellenemitters entfallen.
3a, 3b und 3c zeigen schematische Darstellungen von Anordnung des magnetostriktiven Materials 210 in der Ankoppelfläche des Koppelbalgs sowie Anordnungen der Magnetfeldsensoren 220 gemäß weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
3a zeigt dabei eine Anordnung, wie sie bereits in 2 dargestellt wurde, wobei das magnetostriktive Material 210 genau in dem Bereich der Austrittsfläche des Stoßwellenkegels in die Ankoppelfläche des Koppelbalgs integriert ist. Die Magnetfeldsensoren 220 sind dabei in die erste Falte des Koppelbalgs integriert. Das von den Sensoren 220 erzeugte elektrische Signal kann über entsprechende Kabelverbindung der Auswerteelektronik zugeführt und ausgewertet werden.
Eine ringförmige Anordnung der Magnetfeldsensoren 220 weist den Vorteil auf, dass das von dem magnetostriktiven Material 210 erzeugten Magnetfeld 230 keine spezifische Richtung aufweisen muss. Dies ist besonders von Vorteil für die kostengünstige Fertigung von Koppelbalgen. Eine Kalibrierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Detektieren der Schallwellen kann somit nach Montage des Koppelbalgs mit dem magnetostriktiven Material vor Ort durch einfache Kalibrierungsmessungen erfolgen. Eine entsprechende Justage der Sensoren 220 entfällt damit.
Wie in den 3b und 3c dargestellt, sind auch weitere Ausführungsformen möglich, die sie durch die unterschiedliche Anordnung der Sensoren und des magnetostriktiven Materials auszeichnen. Dabei ist eine symmetrische oder unsymmetrische Anordnung sowohl der Magnetfeldsensoren 220 als auch des magnetostriktiven Materials 210 möglich. Diese unterschiedlichen Anordnungen von magnetostriktivem Material und Sensoren zueinander ermöglichen dabei die Messung von relativen Änderungen der Fokuslage der Stoßwellen sowie Änderungen in der Druckverteilung der Stoßwellen.
So sind entsprechend den magnetischen, elastischen und akustischen Eigenschaften der verwendeten magnetostriktiven Materialien 210 unterschiedliche Anordnungen des magnetostriktiven Materials in der Ankoppelfläche möglich. Wie in 3b und 3c dargestellt, werden alternativ je nach zu messenden Schallwellenparametern die magnetostriktiven Materialien streifenförmig oder array-förmig angeordnet. Darüber hinaus ist alternativ eine Anordnung mit konzentrischen Ringen von magnetostriktiven Materialien vorgesehen, um z.B. die Fokuslage der Druckwellen zu ermitteln. Außerdem können verschiedene Anordnungsformen kombiniert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform werden unterschiedliche magnetostriktive Materialien verwendet, die unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweisen. So wird es z.B. durch magnetostriktive Materialien, die so kombiniert werden, dass sie bei Beanspruchung zueinander entgegengesetzt gepolte Magnetfelder erzeugen, ermöglicht, besonders sensitiv die Lageänderung des Fokusbereichs der Druckwellen während der Behandlung mit den Stoßwellen zu überwachen.
Außerdem ermöglicht die Verwendung von magnetostriktiven Materialien mit zu einander in der Ankoppelfläche senkrecht stehenden Magnetfeldern die voneinander getrennte, aber gleichzeitige Überwachung z. B. der Stoßwellenamplitude und der Fokuslage der Stoßwellen mittels geeigneter, speziell dafür ausgewählter Magnetfeldsensoren.
Darüber hinaus werden alternativ magnetostriktive Materialien mit unterschiedlichen Relaxationszeiten verwendet, um unterschiedliche Parameter der Schockwellen zu bestimmen.
Ein weiterer Aspekt bei der Anordnung des magnetostriktiven Materials in der Ankoppelfläche sowie der Sensoren ist die Optimierung des von dem magnetostriktiven Material erzeugten Magnetfeldes sowie das von den Sensoren 220 erzeugte Signal.
Darüber hinaus sind bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung einzelne elastische magnetostriktive Elemente und miniaturisierte Sensoren 220 in der Ankoppelfläche nahe zueinander angeordnet, um bevorzugterweise eine genaue Phasenmessung der von den magnetostriktiven Elementen erzeugten Magnetfelder vornehmen zu können. Auf diese Weise kann die Lage der Ankoppelfläche zur Schallwellenfront ermittelt werden.
Um den Effekt des magnetostriktiven Materials für die Schallwellenmessung optimal zu nutzen bzw. zu optimieren, werden, wie bereits oben erwähnt, unterschiedliche Materialien für den Koppelbalg verwendet. Darüber hinaus kann der Koppelbalg in unterschiedlichen Formen ausgeführt werden.
Besonders bei der Verwendung von einem Ultraschalltransducer (Ultraschallwandler) als Ultraschallquelle, der in die Stoßwellenquelle 100 integriert ist, ist die Wahl der Koppelbalgform wichtig. Der Ultraschallwandler kann in einer Ebene Ultraschall abstrahlen, wobei die Ebene durch eine Hauptabstrahlrichtung und mindestens einer Abstrahlrichtung einer Side-Lobe (seitliche Abstrahlungskeule) aufgespannt wird. In dieser Ebene kann der Hauptstrahl geschwenkt werden. An Stellen, an denen die Ebene den Koppelbalg 130 schneidet, steht der Wandungsbereich des Koppelbalgs 130 bei allen Füllzuständen des Balgs stets schräg zu der Ebene.
Durch das Schwenken des Hauptstrahls des Ultraschallwandlers kann ein Ultraschallbild in einer Ebene gewonnen werden. Damit auch ein Ultraschallbild in einer anderen Ebene gewonnen werden kann, ist der Ultraschallwandler um seine Mittelachse drehbar.
In diesem Fall weist eine bevorzugte Ausführungsform des Koppelbalgs eine oben liegenden Ankoppelfläche auf. Die Ankoppelfläche liegt im Wesentlichen in einer zweiten Ebene, die senkrecht zu der Ebene steht, in der der Schall des Ultraschallwandlers propagiert, und im wesentlichen parallel zu der Ebene des Schallwellenemitters liegt. Mit dieser Ankoppelfläche kann der Koppelbalg 130 mit einem Medium, beispielsweise dem Körper eines Patienten, in Kontakt gebracht werden.
An die Ankoppelfläche schließt sich ringsherum ein Seitenbereich des Koppelbalgs an, in dem die Falten liegen. Wie in 2 zu erkennen, liegen die Falten bevorzugterweise in Ebenen parallel zu der Ankoppelfläche.
Alternativ können die Falten entlang von Linien liegen, die auf die Ankoppelfläche zulaufen. Die Falten liegen hierbei auf einer Kegelstumpfmantelfläche. Die Kegelspitze des Kegelstumpfes liegt hierbei oberhalb der Ebene, in der die Ankoppelfläche liegt. Die Kegelstumpfform bietet den Vorteil einem Röntgenstrahl den Zugang zu dem Fokusbereich, in dem sich beispielsweise ein Nierenstein befindet, zu ermöglichen. Eine Abschattung des Röntgenstrahls durch den Koppelbalg wird so vermieden, so dass mit dem Röntgenstrahl ein Bild des Fokusbereichs gewonnen werden kann. Die Falten sind am gesamten Umfang der Ankoppelfläche ausgebildet. Jedoch kann auch nur ein Teil hiervon mit Falten versehen sein.
In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass bei der Verwendung von Röntgendiagnosegeräten magnetostriktive Materialien mit der notwendigen Röntgentransparenz verwendet werden.
Die Faltentiefe kann bis zu der Ankoppelfläche hin konstant bleiben oder auch variabel sein. Vorzugsweise bleibt sie konstant oder nimmt bis zu der Ankoppelfläche hin möglicherweise sogar bis auf Null ab.
Alternativ ist der Seitenbereich des Koppelbalgs 130 in einen ersten Koppelbalgbereich und einen zweiten Koppelbalgbereich aufgeteilt, wobei der erste Koppelbalgbereich sich an den zweiten Koppelbalgbereich anschließt, der ebenfalls Falten aufweist. An der Grenze zwischen dem ersten Koppelbalgbereich und dem zweiten Koppelbalgbereich sind die Koppelbalgbereiche miteinander verbunden, wobei die Verbindung vorzugsweise elastisch ist.
Das Material des Koppelbalgs sollte eine ausreichende Eigensteifigkeit aufweisen, so dass auch ein mit einer Flüssigkeit (z.B. Wasser) gefüllter Koppelbalg sein Eigengewicht tragen kann. Dies sollte auch für den Fall gelten, bei dem der Koppelbalg nur an einer seitlichen Position gehalten wird.
4 zeigt eine schematische Schnittzeichnung eines Ultraschalltherapiekopfes 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind die Magnetfeldsensoren 220 außerhalb des Koppelbalgs angeordnet und nicht wie in den vorher beschriebenen Ausführungsformen in das Koppelbalgmaterial integriert. Alternativ sind die Magnetfeldsensoren 220 in dem von dem Koppelbalg eingeschlossenen Innenraum des Ultraschalltherapiekopfes angeordnet. Die Sensoren 220 sind dabei in Richtung des Fokus 240 der Stoßwellen verschiebbar angeordnet, so dass sie entsprechend der Anpassung des Koppelbalgs an den Körper des zu behandelnden Patienten so angeordnet werden, dass das erzeugte Magnetfeld im Bereich der Magnetfeldsensoren einen möglichst großen Wert erreicht.
Darüber hinaus ist bei der in 4 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das magnetostriktive Material nicht direkt in das Material des Koppelbalgs integriert, sondern auf das Material aufgebracht. Um den Schallwellenkegel der Stoßwelle möglichst wenig zu beeinflussen, ist es in diesem Fall notwendig, dass entweder die von dem magnetostriktiven Material abgedeckte Fläche größer ist als die Austrittsfläche der Stoßwellen aus dem Koppelbalg oder das magnetostriktive Material nicht eine Änderung des Fokusbereichs durch eine zusätzliche Brechung der Stoßwellen verursacht.
Zur genauen Bestimmung des von dem magnetostriktiven Elastomer erzeugten Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Lage der Ankoppelfläche zum Fokus der Stoßwellen ist ein zusätzlicher Referenzsensor 410 für das Messen des Magnetfeldes außerhalb des Koppelbalgs vorgesehen. Entsprechend der Zu- oder Abnahme des vom zusätzlichen Referenzsensor 410 gemessenen Magnetfeldes wird somit die Lage der Ankoppelfläche relativ zum Fokus 240 bestimmt. Dies erhöht die Genauigkeit der Ermittlung der applizierten Stoßwellendosis gerade für den Fall, wenn während der Therapie die Eindringtiefe der Stoßwellen in den zu behandelnden Körper verändert wird.
Alternativ wird der Referenzsensor 410 zur Kalibrierung der Stoßwellenquelle 100 eingesetzt und verfügt hierzu über einen zusätzlichen, kalibrierten Drucksensor der bevorzugterweise ebenfalls ein magnetostriktives Material ist. Zur Kalibrierung der Stoßwellenquelle 100 wird der zusätzliche Drucksensor im Fokus der Stoßwelle positioniert und die Amplitude der fokussierten Stoßwelle in Abhängigkeit bestimmter Betriebsparameter des Schallwellenemitters ermittelt. Die Signale des zusätzlichen Drucksensors werden in der Auswerteelektronik erfasst und mit den Messwerten der Sensoren 220 korreliert. Die ermittelten Datensätze werden in entsprechenden Tabellen oder Dateien für die weitere Verwendung gespeichert.
5 zeigt eine schematische Schnittzeichnung einer Stoßwellenquelle 100 mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei ist das von dem magnetostriktiven Material erzeugte Magnetfeld nicht wie in 2 parallel zur Ankoppelfläche des Koppelbalgs angeordnet, sondern senkrecht dazu. Dementsprechend sind die Magnetfeldsensoren 220 so angeordnet, dass sie sich in einem Bereich mit möglichst großer Feldstärke befinden. Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform ist dies im Bereich der unteren Falten des Koppelbalgs. Eine Anordnung innerhalb des Koppelbalgs ist in diesem Fall nur vorgesehen, sofern eine Positionierung der Magnetfeldsensoren innerhalb des Stoßwellenkegels nur einen geringen Einfluss auf die Qualität der Stoßwellen und ihren Fokus hat.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist alternativ für einen diagnostischen Ultraschallwandler und für einen Ultraschalltherapiewandler verwendbar und kann ebenso für die industrielle Bearbeitung von Werkstoffen verwendet werden.
Spezifischen Elemente einzelner hier beschriebener Ausführungsformen sind mit denen anderer hier beschriebener Ausführungsformen kombinierbar.

Claims

Vorrichtung zum Detektieren von Schallwellen mittels einer Membran (130), wobei mindestens ein Teil der Membran aus magnetostriktivem Material (210) besteht, welches beim Durchtritt von Schallwellen ein sich änderndes Magnetfeld (230) erzeugt, das mittels mindestens eines Sensors zum Messen von Magnetfeldern gemessen und in Bezug auf die durchgetretene Schallwelle mittels einer Auswerteeinrichtung ausgewertet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran ein Koppelbalg für eine therapeutische Stoßwellenquelle (100) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetostriktive Material ein magnetostriktives Elastomer ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu detektierenden Schallwellen Stoßwellen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Spule ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Hallsensor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein magnetoresistiver Sensor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Fluxgate-Sensor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein 3D-Magnetfeldsensor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor außerhalb des Stoßwellenkegels angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor im Seitenbereich des Balgs angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppelbalg ein Koppelbalg zum Abstrahlen von Stoßwellen ist und an einen Stoßwellenemitter gekoppelt ist, wobei der Koppelbalg einen seitlichen Wandungsbereich umfasst und mit einer Flüssigkeit gefüllt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der seitliche Wandungsbereich des Koppelbalgs Falten aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor in einer ersten Falte des Koppelbalgs angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Teile des Koppelbalgs aus magnetostriktivem Material bestehen und mehrere Sensoren in dem Wandungsbereich des Koppelbalgs angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppelbalg eine Ankoppelfläche aufweist und in einer Schnittebene parallel zu der Ankoppelfläche ein Zickzack-, ein Sägezahn- und/oder ein Wellenprofil ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppelbalg einen ersten und zweiten Wandungsbereich aufweist, wobei der erste Wandungsbereich auf der von der Ankoppelfläche abgewandeten Seite und der zweite Wandungsbereich spiegelsymmetrisch zu dem ersten Wandungsbereich angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wandungsbereiche miteinander elastisch verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppelbalg als ein Elastomer-Formteil aus Weich-PVC, Polyurethan, Silikon oder TPE hergestellt ist, in welches das magnetostriktive Material eingebettet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppelbalg zusätzlich eine Ultraschallquelle umgibt, wobei diese Ultraschallquelle ein Ultraschallwandler für Bildgewinnungszwecke ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 20 zur Verwendung für einen Lithotripter mit einer therapeutische Stoßwellenquelle (100), wobei die Membran als Koppelbalg für die therapeutische Stoßwellenquelle ausgebildet ist.
Verfahren zum Detektieren von Schallwellen mittels einer Membran (130), wobei mindestens ein Teil der Membran aus magnetostriktivem Material (210) besteht, das Verfahren umfassend: Messen eines sich ändernden Magnetfeldes, welches beim Durchtritt von Schallwellen durch das magnetostriktive Material erzeugt wird, mittels mindestens eines Sensors zum Messen von Magnetfeldern; und Auswerten des gemessenen Magnetfeldes in Bezug auf die durchgetretene Schallwelle mittels einer Auswerteeinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 22, weiterhin umfassend: Erzeugung eines dem gemessenen Magnetfeld -entsprechenden Signals zur Dosismessung einer applizierten Schallwellenenergie.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, weiterhin umfassend: Auswerten des erzeugten Signals zur Funktionsüberwachung einer Schallwellenerzeugung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei die Schallwellen Stoßwellen sind.
Verfahren nach Anspruch 25, weiterhin umfassend: zeitliches Trennen des von dem gemessenen Magnetfeld erzeugten Signals von einem von einem Stoßwellenemitter eingestreuten Störsignal.