DE102009020676A1

DE102009020676A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE102009020676A1
Application number: DE102009020676A
Authority: DE
Inventors: Franz Dirauf; Hendrik Faustmann; Gerhard Prof. Lindner; Michael Muench
Original assignee: HOCHSCHULE fur ANGEWANDTE WIS; Hochschule fur Angewandte Wissenschaften - Fachhochschule Coburg; Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2029-05-12
Also published as: GB2470256A8; GB201006693D0; DE102009020676B4; US20100281983A1; GB2470256A; CN101887124A; GB2470256B; US8833170B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes (d). Erfindungsgemäß wird eine akustische Oberflächenwelle erzeugt und zumindest teilweise auf eine wenigstens eine Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) aufweisende Oberfläche (2, 21, 22, 23) überkoppelt. Die an der Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) reflektierte Oberflächenwelle wird schließlich durch die Vorrichtung (1) registriert. Eine Bestimmung des Abstandes der Vorrichtung (1) zu der Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) erfolgt aus der Laufzeit der Oberflächenwelle. Durch die Erfindung lassen sich aufwandsarm und flexibel Abstände und damit auch Positionen messen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes.
Die Bestimmung einer Positionsinformation von in der Lage veränderlichen Objekten spielt in weiten Bereichen der Technik eine Rolle. Die vielleicht einfachste Methode zur Positionsbestimmung ist auf dem Objekt, dessen Position zu bestimmen ist, einen Sender anzuordnen, dessen Position auf Grundlage übertragener Signale lokalisiert werden kann. Zudem gibt es z. B. Messverfahren, die auf Grundlage eines Messmittels zur berührungslosen Messung eines Abstandes mit Hilfe eines Infrarotdetektors oder eines Ultraschalldetektors arbeiten. In manchen Bereichen ist jedoch die Anwendung dieser Lösungen nicht günstig, da sie mit einem zu großen Aufwand verbunden sind. Zusätzlich sind diese Verfahren zum Teil mit Maßnahmen verbunden, die im Hinblick auf das Objekt, dessen Position bestimmt wird, nachteilig sind (z. B. kann die von einem für die Positionsbestimmung verwendeten Sender abgegebene Strahlung ungewünscht sein).
Ein Beispiel für eine technische Vorrichtung, die eine Positionsbestimmung erfordert, welche bestimmten Randbedingungen unterliegt, ist die Bestimmung der Position von Lamellen eines sogenannten Lamellenkollimators (auch Multi-leaf-Kollimator genannt) in der Medizintechnik. Derartige Kollimatoren werden in der Regel bei Bestrahlungsgeräten für die Tumortherapie eingesetzt. Mittels des Lamellenkollimators wird das Strahlprofil des Bestrahlungsgerätes so eingegrenzt, dass der zu bestrahlende Körperbereich möglichst formtreu vom Therapiestrahl umfasst wird. Zur optimalen Anpassung der Form des Strahlprofils an den zu bestrahlenden Bereich bestehen die Kollimatoren üblicherweise aus einzelnen dünnen, typischerweise ca. 2 bis 4 mm dicken Lamellen aus einem Material mit hohem Absorptionsvermögen für Röntgen- bzw. Gammastrahlung, wobei die Lamellen parallel zur Bestrahlungsrichtung angeordnet sind und unabhängig voneinander in einer zur Bestrahlungsrichtung senkrechten Ebene verschoben werden können. Hierzu ist jede Lamelle in einer feststehenden Gleitbahn gelagert und mit einem eigenen Stellantrieb versehen.
Die Position jeder Lamelle muss unabhängig vom Stellabtrieb in im Vergleich zur Bestrahlungsdauer kurzen Zeitabständen messbar sein, um die Übereinstimmung der Lamellenpositionen mit den für die Behandlung der hergebenden Anforderungen überprüfen zu können. Dabei wäre es aufwendig und evtl. sogar störend, auf dem beweglichen Lamellen Sensoren oder andere Messvorrichtungen und ggf. zugehörige Kabelverbindungen anzubringen.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Position von Lamellen in einen Lamellenkollimator ist z. B. in der US 2006/0072849 A1 angegeben. Dort wird vorgeschlagen, die Projektion von auf den Lamellenkollimator abgestrahltem Licht zur Positionsbestimmung zu verwenden. Diese Vorgehensweise benötigt eine zusätzliche Lichtquelle und ist vergleichsweise aufwendig bezüglich der Umsetzung der Lichtprojektion in quantitative Informationen, die z. B. zur Steuerung der Stellantriebe des Kollimators benutzt werden können.
In der US 2009/0010395 A1 wird vorgeschlagen, die Positionsbestimmung für einen Lamellenkollimator mittels einer Kamera vorzunehmen, welche den Lamellenkollimator aufnimmt. Aus dem aufgenommenen Bild werden dann Positionsinformationen ermittelt. Diese Lösung erfordert eine zusätzliche Kamera und ist ebenfalls aufwendig bezüglich der Umsetzung des aufgenommenen Bildes in Positionsinformationen für die einzelnen Lamellen eines Lamellenkollimators.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine neuartige Positionsbestimmung zu ermöglichen, die neue Möglichkeiten im Vergleich zu herkömmlichen Vorgehensweisen eröffnet und Nachteile von bekannten Verfahren vermeidet, insbesondere auch im Hinblick auf die Bestimmung der Position von Lamellen eines Lamellenkollimators.
Die Aufgabe wird durch ein Konzept gelöst, welches in den Ansprüchen dargestellt ist.
Das erfindungsgemäße Konzept sieht vor, akustische Oberflächenwellen für eine Abstands- bzw. Positionsbestimmung zu verwenden. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Rayleigh-Wellen oder Wellen im Übergangsbereich zwischen Rayleigh- und Lamb-Wellen. Eine zentrale Idee der Erfindung besteht dabei darin eine akustische Oberflächenwelle mittels einer Vorrichtung zu erzeugen und auf eine Oberfläche überzukoppeln. Die Oberflächenwelle läuft dann auf der Oberfläche bis zu einem Reflektionspunkt, von dem aus sie zu der Vorrichtung zurückreflektiert und dort durch die Vorrichtung registriert bzw. detektiert wird. Aus der Laufzeit der Oberflächenwelle wird dann der Abstand zwischen Vorrichtung und Reflektionsstelle bestimmt (wobei man sinnvoller Weise den Abstand zwischen Vorrichtung und Reflektionspunkt als den Abstand zwischen einem ausgezeichneten Punkt, z. B. Randpunkt, an dem die Vorrichtung die Oberflächenwelle auf die Oberfläche überkoppelt, und den Reflektionspunkt definiert). Die Reflektionsstelle kann z. B. durch eine Einkerbung realisiert sein. Wenn die Reflektionsstelle eine bekannte Position auf der Oberfläche besitzt, kann dann aus dem Abstand zu der Reflektionsstelle die Position von anderen ausgezeichneten Punkten der Oberfläche bestimmt werden; insbesondere kann die Position eines Endes der Oberfläche errechnet werden.
Wenn im Zuge dieser Anmeldung von einer Oberflächenwelle gesprochen wird, ist damit eine akustische Oberflächenwelle gemeint, in Form einer räumlich begrenzten und zeitlich veränderlichen Anregung der Oberfläche, die zu einer Ausbreitung in einer Ausbreitungsrichtung entlang der Oberfläche geeignet ist. Im Bezug auf die räumlich begrenzte Anregung ist diese so zu verstehen, dass die Abmessungen der Wellen derart sind, dass sie sich für Messungen eignen. Die Einsetzbarkeit von Oberflächenwellen für Messungen ist auch in der EP 0988538 B1 thematisiert. Für zusätzliche Information zu vergleichbaren Wellen sei auf die Abschnitte 0017 und 0018 hingewiesen.
Das vorgestellte Verfahren ist eine flexible und aufwandsarme Weise, um Positionsbestimmungen durchzuführen. Beispielsweise kann die Position von Lamellen eines Lamellenkollimators ermittelt werden, wobei die Lamellen mit jeweils zumindest einem Reflektionspunkt versehen sind. Typischerweise werden Lamellen eines Lamellenkollimators von dem jeweiligen Stellantrieb nur in eine Richtung bewegt. Es ist aber auch denkbar, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mehrere einer Oberfläche zugeordneten Positionsinformationen durch in entsprechend verschiedenen Richtungen emittierte Oberflächenwellen zu bestimmen. Ähnlich ist auch das Einsatzgebiet der Erfindung nicht auf einen eingeschränkten Bereich der Medizintechnik, z. B. Lamellenkollimatoren, beschränkt. Die Erfindung ist z. B. für Positionsmessungen in anderen medizinischen Geräten geeignet, u. a. in Patiententischen, Röntgenstativen, diagnostischen Blenden etc. Vielerlei Anwendungen außerhalb der Medizintechnik sind ebenfalls denkbar. Generell kann die Erfindung immer zum Einsatz kommen, wenn über eine Oberfläche eine Position zu bestimmen ist. Dabei kann das Verfahren auch für nicht ebene Oberflächen verwendet werden; die Oberflächenwellen folgen auch gekrümmten Oberflächen, so dass eine große Gestaltungsfreiheit gegeben ist im Vergleich zu anderen Messverfahren, die nur in gerader Linie anwendbar sind (z. B., optische Verfahren). Das Vermessverfahren misst die Position sofort nach dem Einschalten absolut und benötigt keine Referenzierung wie bei den relativen Messverfahren erforderlich ist. Dieses Merkmal trägt erheblich zur Aufwandsarmut bei.
Zur Erzeugung der Oberflächenwelle kann ein elektromechanisches Wandlerelement, z. B. ein piezoelektrischer Interdigitalwandler vorgesehen sind. Ein derartiger Wandler ist z. B. auch in der 2 der WO 00/26658 zur Verwendung für ein anderes Messverfahren gezeigt.
Eine alternative Methode zur Erzeugung der Oberflächenwelle besteht darin, zunächst – beispielsweise mittels eines piezoelektrischen Dickenschwingers – eine Volumenschallwelle zu erzeugen und diese mittels Modenkonversion in eine Oberflächenwelle umzuwandeln.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung, mittels derer die Oberflächenwelle erzeugt wird, eine Oberfläche für die Überkopplung zu der Oberfläche mit der Reflektionsstelle auf. Diese Oberfläche der Vorrichtung ist dann für die Überkopplung ausgestaltet, z. B. für einen direkten Kontakt oder einen Kontakt über ein Schmiermittel. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Oberfläche der Vorrichtung Krümmungen aufweisen kann, um sich so besser an eine untersuchte, nicht ebene Oberfläche anzupassen. Die Oberfläche der Vorrichtung kann mit einem Koppelmittel, z. B. einem Schmierfett versehen sein.
Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist eine Mehrzahl von benachbarten Reflektionsstellen vorgesehen, die im Zusammenwirken ein Reflektionsmuster erzeugen, welches von der Vorrichtung zur Identifizierung der Reflektionsstelle verwendet werden kann. Der Abstand zwischen Reflektionsstellen ist dabei sinnvoller Weise gering im Vergleich zu der im Normalfall durch die reflektierte Welle durchlaufenen Strecke bzw. den Abmessungen der Oberfläche in der untersuchten Richtung. Durch die Auswertung der Anzahl der aufeinanderfolgenden Reflektionen und der Festlegung von eindeutigen Reflektionsmustern ist auch bei mehreren parallel durchgeführten Positionsbestimmungen bzw. ungewollten Reflektionen sichergestellt, dass eine richtige Zuordnung von empfangenen reflektierten Wellen vorgenommen wird.
Die Erfindung hat vor allem dann Vorteile, wenn sie in einer Konstellation eingesetzt wird, wo die untersuchte Oberfläche in Bezug auf die Schallwelle erzeugende Vorrichtung positionsveränderlich ist (in der Regel wird die Vorrichtung ortsfest sein und die Oberfläche zu einem sich bewegenden Objekt gehören). Eine derartige Situation besteht beispielsweise bei einem Lamellenkollimator, wo die einzelnen Lamellen immer wieder nach Maßgabe der vorgenommenen Untersuchungen eingestellt bzw. bewegt werden. Im Hinblick auf einen Lamellenkollimator und ähnlich strukturierte Objekte ist es sinnvoll, die erfindungsgemäße Vorrichtung derart auszugestalten, dass eine Oberflächenwelle auf eine Mehrzahl von Objekten (Lamellen) auskoppelbar ist, so dass praktisch simultan die Positionsbestimmung für alle diese Objekte durchgeführt werden kann. Vorzugsweise werden in einer derartigen Konstellation die oben angesprochenen Reflektionsmuster verwendet, um die Reflektionen von den verschiedenen Objekten zu unterscheiden. Eine Oberflächenwelle kann z. B. auf mehrere Objekte ausgekoppelt werden, indem in der Vorrichtung mehrere Wellenteiler hintereinander angeordnet sind, die eine in Richtung dieser Wellenteil laufende Welle teilweise jeweils zu einem Objekt auskoppeln und teilweise für die nächste Auskopplung durchlassen bzw. transmittieren.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Oberflächenwelle und damit die bestimmte Position kann von äußeren Einflüssen abhängen, wie z. B. Temperatur oder Luftdruck. Man kann eine Art Kalibrierung durchführen, indem man die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwelle für eine bekannte Strecke misst. Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes wird eine derartige Bestimmung beim Erfindungsgegenstand schon vorgesehen. Eine Ausgestaltung dafür besteht darin, innerhalb der Vorrichtung eine Strecke vorzusehen, die eine Oberflächenwelle durchläuft und aus der dann mittels der bekannten Länge der Strecke die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle ermittelt wird. Der Einfachheit halber kann hier auch vorgesehen sein, dass die Oberflächenwelle innerhalb der Vorrichtung reflektiert wird. Für eine derartige Geschwindigkeitsbestimmung besteht neben der Verwendung einer Strecke innerhalb der Vorrichtung auch die Möglichkeit, eine bekannte Strecke der Oberfläche zu verwenden. Dies geschieht z. B. indem zwei Wellen auf der Oberfläche bei verschiedenen Reflektionspunkten reflektiert werden und der Abstand der Reflektionspunkte bekannt ist. Beide Reflektionspunkte können sich beispielsweise auf verschiedenen Seiten in Bezug auf die Vorrichtung befinden.
Der Erfindungsgegenstand wird im Folgenden im Rahmen von Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert.
1: einen Lamellenkollimator in einer Ebene senkrecht zur Strahlungsrichtung
2: eine schematische Seitenansicht einer Strahlungsquelle mit einem Lamellenkollimator
3: eine erfindungsgemäße Vorrichtung
4: die Verwendung von Reflektionsmustern bei dem Erfindungsgegenstand
5 eine Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes mit Oberflächenerzeugung durch Modenkonversion einer Volumenschallwelle
6 eine Variante für die Gewinnung eines Referenzsignals
7 eine Ausgestaltung für die Auskopplung einer Welle auf einer Mehrzahl von Lamellen.
In 1 ist ein Lamellenkollimator 61 in Draufsicht schematisch dargestellt. Der Lamellenkollimator 61 weist ein Gehäuse 62 sowie entlang einer Verschiebungsrichtung 63 über eine Verstellmechanik verstellbare Lamellen 2 auf. Die Verstellmechanik ist in dem Gehäuse 62 untergebracht. Die Lamellen 2 absorbieren Strahlen eines Strahlenbündels 71 aus einer Strahlungsquelle 70 (2). Die Strahlungsrichtung 65 zeigt in dieser Darstellung senkrecht in die Bildebene hinein. Die Lamellen 2 sind gegenläufig aufeinander zu bis in eine Schließposition 66 verstellbar, in der der Abstand der Stirnflächen 67 der Lamellen 2 zueinander minimal ist. Durch das Verstellen der Lamellen 2 kann für das den Lamellenkollimator 61 in Strahlungsrichtung 65 durchtretende Strahlenbündel eine Öffnung so vorgegeben werden, dass der Querschnitt des durch tretenden Strahlenbündels einem vordefinierten Bestrahlungsgebiet 68 bis auf Randzonen 69 entspricht.
3 zeigt den Teil einer Lamelle 2 eines Lamellenkollimators. Diese Lamelle ist mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Oberflächenwellen in Kontakt. Diese Vorrichtung wird im Folgenden auch als feststehende Gleitvorrichtung bezeichnet, weil sie einerseits ortsfest ist, andererseits erlaubt, dass bei Bewegung der Lamelle diese entlang der Vorrichtung 1 derart gleitet, dass die für die Überkopplung einer Oberflächenwelle erforderliche Kopplung bzw. der Kontakt bestehen bleibt. Zwischen Lamelle 2 und Vorrichtung 1 ist ein Gleitmittel 5 vorgesehen, welches zugleich als Koppelmittel dient. Die Erzeugung der Oberflächenwellen wird mittels eines elektromechanischen Wandlerelements mit Kabelanschluss vorgenommen, z. B. einem piezoelektrischen Digitalwandler 3. Durch das Wandlerelement 3 wird eine akustische Oberflächenwelle, nämlich eine Rayleigh-Welle oder eine Welle im Übergangsbereich zwischen Rayleigh und Lamb-Wellen erzeugt. Diese bewegt sich in 1 zunächst in Richtung der Oberfläche und wird dann auf die Oberfläche übergekoppelt. Die Oberfläche läuft dann in Richtung eines auf der Oberfläche der Lamelle 2 vorgesehenen Reflektionspunkt 4, wird dann zurückreflektiert und läuft dann denselben Pfad zum elektromechanischen Wandelelement bzw. Transponder 3 zurück. Das Wandlerelement 3 registriert bzw. detektiert die reflektierte Welle.
Da der Abstand zwischen dem Reflektionspunkt 4 und dem Ende der Lamelle bekannt ist, kann aus der Laufzeit der Abstand d zwischen Vorrichtung und Lamellenende berechnet werden. Dieser Abstand ist veränderlich, je nachdem, welche Einstellung der Lamelle für die jeweilige Behandlung vorgenommen wurde.
Die auf diese Weise auf die bewegte Schmalseite der Lamelle übergekoppelte akustische Oberfläche wird also auf dieser Fläche bis zu einer dort fest angebrachten Reflektionsstelle, z. B. einer Einkerbung, geleitet von der die reflektierte Oberflächenwelle auf die gleiche Weise wieder zurück zum elektromechanischen Wandler reflektiert wird. Die Position der Lamelle kann nun aus der Lage der Reflektionsstelle relativ zur feststehenden Gleitvorrichtung bestimmt werden, indem die Laufzeit eines kurzen Oberflächenwellenimpulses zwischen dem Zeitpunkt seiner Erzeugung im elektromechanischen Wandlerelement und dem Ankunftszeitpunkt des von der Reflektionsstelle zurückkehrenden Echopulses gemessen wird.
Mittels Pfeilen ist angedeutet, dass die erzeugte Oberflächenwelle auch innerhalb der Vorrichtung übertragen werden kann, was, wie in 6 dargestellt und dort näher beschrieben, zur Berechnung der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit verwendet werden kann.
4 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, welche für eine Abstandsmessung in zwei Richtungen ausgestaltet ist. Die Vorrichtung weist zwei Wandlerelemente 31 und 32 auf, welche jeweils Schallwellen für entgegengesetzte Richtungen erzeugen. Mittels des Wandlerelements 31 wird eine Schallwelle erzeugt, die in Richtung auf die auf der rechten Seite der Lamelle 2 sich befindenden drei Einkerbungen 41 zuläuft, dort reflektiert wird und danach wieder durch das Wandlerelement 31 registriert wird. Das Wandlerelement 32 wird verwendet zur Abstandsmessung in der entgegengesetzten Richtung. Die erzeugte Oberflächenwelle läuft in der Figur nach links, wird dort von den drei Einkerbungen 42 reflektiert und dann wieder durch das Wandlerelement 32 registriert. Unten in dem Bild sind auf einer Zeitskala die von den Wandlerelementen 31 bzw. 32 gemessenen Ereignisse aufgezeigt.
Im Falle des Wandlerelements 31 liegt die Registrierung von Ereignissen später als beim Wandlerelement 32, was mit der größeren Länge des Abstands d1 im Vergleich zu d2 korrespondiert. Die Einkerbungen 41 liegen weiter auseinander als die der anderen Seite 42, was unten im Bild sich in dem Abstand der gemessenen Ereignisse wiederspiegelt. Diese Ausgestaltung der Erfindung hat zwei Vorteile, nämlich zum einen, dass durch verschiedene Reflektionsmuster, die durch die Verwendung von Mehrfachreflektionsstellen erzeugt werden, Ereignisse eindeutig einer Reflektion zugeordnet werden können. Zum anderen werden hier zwei Abstände, nämlich d1 und d2 ermittelt. Aus den bekannten Abmessungen der Lamelle zusammen mit den bekannten Abmessungen der Vorrichtung 1 kann durch Auswertung der Zeitdauer für die Reflektionen die Geschwindigkeit der Oberflächenwellen ermittelt werden, d. h. der Abstand zwischen den beiden Reflektionspunkten bzw. zwischen den beiden Enden der Lamelle 2 dient als Referenzgröße.
In 5 ist eine weitere Ausgestaltung gezeigt. Bei dieser Ausgestaltung werden Oberflächenwellen nicht durch ein Wandlerelement, sondern durch eine alternative Methode erzeugt. Die Vorrichtung 1 ist mit einem piezoelektrischen Dickenschwinger 11 versehen, mittels welcher eine Volumenschallwelle erzeugt wird. An der Übergangsstelle zwischen Vorrichtung 1 und Gleitmittel 5 werden mittels einer Modemkonversionsstruktur 12, welche beispielsweise aus einer geeigneten periodischen Strukturierung der Oberfläche, z. B. durch eine Kerbenanordnung besteht, Oberflächenwellen erzeugt und auf die Lamelle 2 übergekoppelt. Diese Umwandlung mittels Modenkonversion ist reversibel, so dass die reflektierten Oberflächenwellen wieder in (longitudinale bzw. transversale) Volumenschallwellen umgewandelt und durch den piezoelektrischen Dickenschwinger 11 registriert werden können. Wieder sind – entsprechend der vorhergehenden Lösung – auf beiden Seiten der Vorrichtung 1 Reflektionskerben 41 bzw. 42 angebracht, wobei diesmal die Anzahl der Kerben unterschiedlich ist (eine bzw. zwei), so dass nicht der Abstand von Ereignissen sondern die Anzahl von Ereignissen das Reflektionsmuster ausmacht. Mittels des piezoelektrischen Dickenschwingers 11 können auf diese Weise die Abstände d1 und d2 ermittelt werden, wobei aus den bekannten Gesamtabmessungen der Lamelle wiederum die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwelle berechnet werden kann.
6 zeigt ein Beispiel für eine andere Vorgehensweise zur Ermittlung der Oberflächengeschwindigkeit. In dieser Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass eine Oberflächenwelle durch ein Wandlerelement 3 erzeugt wird, welche sich innerhalb der Vorrichtung fortbewegt und dort an dem Reflektionspunkt 43 zurückreflektiert wird. Aus der bekannten Entfernung zwischen Wandlerelement 3 und Reflektionspunkt 43 kann die Oberflächengeschwindigkeit ermittelt werden. Zugleich ist vorgesehen, dass eine Welle auf die Oberfläche der Lamelle 2 übergekoppelt wird, und dort nach Reflektion an den Reflektionspunkt 41 wieder zum Wandlerelement 3 zurück übertragen wird. Dabei weisen die verwendeten Reflektionspunkte 41 und 43 eine unterschiedliche Zahl von Kerben (nämlich 1 und 2) auf, d. h. es wird zumindest ein Multireflektionspunkt verwendet, so dass bei gleichzeitiger Durchführung durch den Wandler 3 registrierte Ereignisse eindeutig zuordenbar sind. Dies wird noch deutlicher aus der unten im Bild gezeigten Zeitkurve, die die durch den Wandler 3 registrierten Ereignisse zeigt. Nach einer ersten Zeit t1 wird das zu dem Reflektionspunkt 43 zugehörige Reflektionsmuster detektiert; zu einer späteren Zeit t2 das Reflektionsmuster des Reflektionspunktes 41. Während die Zeitdauer t2 von der zu berechnenden Länge d abhängt, ist die Laufstrecke für t1 bekannt und kann für die Berechnung der Geschwindigkeit der Oberflächenwelle verwendet werden, aus welcher zusammen mit der Zeit t2 die Strecke d erhalten wird.
Eine Variante der Anordnung aus 6 besteht darin, ein Signal für beide Messungen (Referenzmessung und Entfernungsmessung) zu verwenden. Dies kann durch eine Einkerbung bzw. einen Teiler durchgeführt werden, die bzw. der das für die Referenzmessung verwendete Signal teilweise auf die Lamelle 2 auskoppelt. Die Wirkungsweise ist in der Beschreibung zu 7 näher erläutert, wo dieses Konzept für eine Mehrzahl von Lamellen erweitert wird.
In 7 ist eine Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes in zwei verschiedenen Ansichten dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung ist ein Element 3 zur Erzeugung einer Oberflächenwelle vorgesehen, welches für eine Vielzahl von Lamellen 21, 22, 23 verwendet wird. Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung 1 mit Wellenteilern in Form von teilweise reflektierenden Einkerbungen versehen, durch welche die Welle auf mehrere bewegliche Lamellen aufgeteilt wird, so dass die Position mehrerer Lamellen gleichzeitig ermittelt werden kann. Die durch den Wandler 3 erzeugte Welle läuft zunächst zu dem Teiler bzw. der Einkerbung 51, welcher bzw. welche im Winkel von 45° einen Teil der Welle für die Positionsmessung an der Lamelle 2.1 abzweigt. Der Rest der Welle läuft weiter zu dem Teiler 52, wo ein Teil der Welle für die Positionsmessung an der Lamelle 22 abgezweigt wurde. Weiter ist eine dritte Lamelle 23 gezeigt, für welche am Teiler 53 eine Welle abgezweigt wird. Der von dem Teiler 53 durchgelassene Wellenteil wird in einer Senke, bzw. einem Dämpfer 7 entfernt. In dem unteren Teil der 7 ist für eine andere Perspektive – nämlich die Perspektive der 3 bis 6 – der Verlauf der Welle nach Teilung für die Lamelle 21 gezeigt. Analog 3 wird diese Welle bzw. dieser Wellenanteil auf die Lamelle 21 übergekoppelt und durch eine Mehrfachreflektionsstelle mit spezifischem Reflektionsmuster 41 zurückreflektiert. Der restliche Weg ist reversibel zum vorher durchlaufenen Weg, d. h. mittels des Teilers 51 erfolgt eine Rückleitung zu dem Wanderelement 3. Das Wanderelement 3 registriert die Reflektionen von allen drei Lamellen 21, 22 und 23. Da diese Lamellen jedoch jede mit einem charakteristischen Reflektionspunkt 41, 42 bzw. 43 und damit charakteristischem Reflektionsmuster versehen sind, können die vom Wandelelement 3 registrierten Ereignisse eindeutig zugeordnet werden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, mittels eines einzelnen Wandelelements für eine Mehrzahl von Lamellen eine Positionsbestimmung durchführen zu können.
Weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind für den Fachmann routinemäßig aufzufinden. Beispielsweise könnte auch die in 5 dargestellte Oberflächenwellenerzeugung aufwandsarm für eine Mehrzahl von Lamellen verwendet werden, nämlich z. B. indem eine Volumenwelle erzeugt wird, welche an mehreren Stellen mit Modenkonversionsstruktur jeweils auf eine Lamelle eine Oberflächenwelle überkoppelt. Weiter ist dem Fachmann unmittelbar einsichtig, dass der Erfindungsgegenstand in vielerlei Form und für vielerlei Gegenstände bei der Positionsbestimmung zum Einsatz kommen kann. Dabei sind diese Gegenstände nicht auf die Medizintechnik beschränkt, sondern können beliebige körperliche Strukturen betreffen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2006/0072849 A1 [0005]
- US 2009/0010395 A1 [0006]
- EP 0988538 B1 [0010]
- WO 00/26658 [0012]

Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung eines Abstandes (d), ausgestaltet zur – Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle, – zumindest teilweisen Überkopplung der Oberflächenwelle auf eine wenigstens eine Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) aufweisende Oberfläche (2, 21, 22, 23), – Registrierung der an der Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) reflektierten Oberflächenwelle durch die Vorrichtung (1), und – Bestimmung des Abstandes der Vorrichtung (1) zu der Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) aus der Laufzeit der Oberflächenwelle.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Lage der Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) (4, 41, 42, 43) relativ zu einem Ende der Oberfläche (2, 21, 22, 23) bekannt ist, und – die Vorrichtung für die Berechnung der Position des Endes der Oberfläche aus dem Abstand zu der Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) und der Lage der Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein elektromechanisches Wandlerelement (3) zur Erzeugung der Oberflächenwelle umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Wandlerelement (3) ein piezoelektrischer Interdigitalwandler ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) für die Erzeugung wenigstens einer Volumenschallwelle und die Umwandlung der wenigstens einen Volu menschallwelle in die Oberflächenwelle mittels Modenkonversion ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen piezoelektrischen Dickenschwinger (11) zur Erzeugung der wenigstens einen Volumenschallwelle umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Oberfläche (2, 21, 22, 23) aufweist, die für eine Kopplung mit der die wenigstens eine Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) aufweisenden Oberfläche (2, 21, 22, 23) zwecks Überkopplung der Oberflächenwelle ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2, 21, 22, 23) der Vorrichtung (1) mit einem Koppelmittel versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelmittel durch ein Schmierfett gegeben ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur Identifizierung eines Reflexionsmusters ausgestaltet ist, wobei das Reflexionsmuster durch Reflexion an einer Mehrzahl von im Bezug auf die Ausdehnung der Oberfläche (2, 21, 22, 23) in einer durch den Laufweg der reflektierten Oberflächenwelle definierten Richtung nahe beieinander liegende Reflexionsstellen (4, 41, 42, 43) erhältlich ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) dafür ausgestaltet ist, die Oberflächenwelle zu einer Oberfläche (2, 21, 22, 23) eines Objekts überzukoppeln, welches für die Durchführung einer relativen Bewegung zu der Vorrichtung (1) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) für die Überkopplung einer Oberflächenwelle auf eine Mehrzahl von Objekten ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) dafür ausgestaltet und so anordenbar ist, dass eine in der Vorrichtung (1) erzeugte Oberflächenwelle entlang eines Pfades innerhalb der Vorrichtung läuft (1), auf dem hintereinander eine Mehrzahl von Wellenteilern (51, 52, 53) angeordnet sind, durch welche Oberflächenwellen teilweise für die Überkopplung auf jeweils ein Objekt abgeleitet und teilweise durchgelassen werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) dafür ausgestaltet ist, – eine zusätzliche akustische Oberflächenwelle entlang einer Strecke innerhalb der Vorrichtung (1) zu übertragen, – die Laufzeit der zusätzlichen Oberflächenwelle für die Übertragung zu ermitteln, und – die Laufzeit der zusätzlichen Oberflächenwelle und die Länge der Strecke für die Bestimmung des Abstandes (d) zu der Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) aus der Laufzeit der Oberflächenwelle zu verwenden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) dafür eingerichtet ist, – an zwei unterschiedlichen Reflexionsstellen (4, 41, 42, 43) der Oberfläche (2, 21, 22, 23) reflektierte Oberflächenwellen zu registrieren, – aus dem Abstand der Reflexionsstellen (4, 41, 42, 43) und den beiden Laufzeiten der reflektierten Oberflächenwellen die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Oberflächenwellen zu ermitteln, und – die ermittelte Ausbreitungsgeschwindigkeit für die Bestimmung des Abstandes zu einer Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) aus der Laufzeit einer an dieser Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) reflektierten Oberflächenwelle zu verwenden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) durch eine oder eine Mehrzahl von Einkerbungen realisiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Oberflächenwelle eine Rayleigh-Welle oder eine Welle im Übergangsbereich zwischen Rayleigh- und Lamb-Wellen oder eine Lamb-Welle ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie für eine Positionsbestimmung von Lamellen eines Lamellenkollimators ausgestaltet ist.
Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes, umfassend die Schritte – Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle mittels einer Vorrichtung (1), – zumindest teilweisen Überkopplung der Oberflächenwelle auf eine wenigstens eine Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) aufweisende Oberfläche (2, 21, 22, 23), – Registrierung der an der Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) reflektierten Oberflächenwelle durch die Vorrichtung (1), und – Bestimmung des Abstandes (d) der Vorrichtung (1) zu der Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) aus der Laufzeit der Oberflächenwelle.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass – die Lage der Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) relativ zu einem Ende der Oberfläche (2, 21, 22, 23) bekannt ist, und – die Position des Endes der Oberfläche (2, 21, 22, 23) aus dem Abstand zu der Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) und der Lage der Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Volumenschallwelle erzeugt und diese wenigstens eine Volumenschallwelle in die akustische Oberflächenwelle mittels Modenkonversion umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Identifizierung eines Reflexionsmusters vorgenommen wird, wobei das Reflexionsmuster durch Reflexion an einer Mehrzahl von im Bezug auf die Ausdehnung der Oberfläche (2, 21, 22, 23) in einer durch den Laufweg der reflektierten Oberflächenwelle definierten Richtung nahe beieinander liegende Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43)n erhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überkopplung von einer Oberflächenwelle auf eine Mehrzahl von Objekten vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der Vorrichtung erzeugte Oberflächenwelle entlang eines Pfades innerhalb der Vorrichtung läuft, auf dem hinter einander eine Mehrzahl von Wellenteiler angeordnet sind, durch welche Oberflächenwellen teilweise für die Überkopplung auf jeweils ein Objekt abgeleitet und teilweise durchgelassen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass – eine zusätzliche akustische Oberflächenwelle entlang einer Strecke innerhalb der Vorrichtung (1) übertragen wird, – die Laufzeit der zusätzlichen Oberflächenwelle für die Übertragung ermittelt wird, und – die Laufzeit der zusätzlichen Oberflächenwelle und die Länge der Strecke für die Bestimmung des Abstandes (d) zu der Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) aus der Laufzeit der Oberflächenwelle verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass – an zwei unterschiedlichen Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43)n der Oberfläche (2, 21, 22, 23) reflektierte Oberflächenwellen registriert werden, – aus dem Abstand der Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43)n und den beiden Laufzeiten der reflektierten Oberflächenwellen die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Oberflächenwellen ermittelt werden, und – die ermittelte Ausbreitungsgeschwindigkeit für die Bestimmung des Abstandes zu einer Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) aus der Laufzeit einer an dieser Reflexionsstelle (4, 41, 42, 43) reflektierten Oberflächenwelle verwendet werden.