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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messender Schalldruckverteilung in einem Fluid, insbesondere zum Vermessen eines Ultraschall-Stoßwellenfeldes oder von diagnostischem Ultraschall. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein faseroptisches Hydrophon zum Durchführen des Verfahrens sowie auf einen Stoßwellenkopf mit einem solchen faseroptischen Hydrophon.
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Bei akustischen Stoßwellen, wie sie beispielsweise in der Lithotripsie verwendet werden, treten hohe Drücke bis etwa 108 Pa mit Anstiegszeiten im Bereich von wenigen ns auf. Die Messung solcher hohen Drücke erfordert Sensoren mit einer hohen mechanischen Stabilität. Außerdem sollten diese Sensoren weitgehend miniaturisiert sein, um die Schalldruckverteilung in einem Stoßwellenfeld mit möglichst hoher örtlicher Auflösung vermessen zu können.
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Aus der
EP 0 354 229 B1 oder der
DE 38 02 024 A1 sowie aus
J. Staudenraus, W. Eisenmenger, „Fibre-optic probe hydrophone for ultrasonic and shock-wave measurements in water", Ultrasonics 1993, Vol. 31, No. 4, Seite 267–273, sind jeweils Messanordnungen bekannt, bei der zur Messung der räumlichen und zeitlichen Verteilung des Druckes von Ultraschall-Stoßwellen in einer Flüssigkeit das am freien Ende eines Lichtwellenleiters reflektierte Licht verwendet wird. Bei dieser bekannten faseroptischen Messanordnung wird ausgenutzt, dass die hohe Druckamplitude eine Dichteänderung und somit eine Änderung des Brechungsindex der Flüssigkeit in unmittelbarer Nähe des freien Endes erzeugt, die den Anteil des in den Lichtwellenleiter an der Grenzfläche zurückreflektierten Lichtes moduliert. Die zur Messung verwendeten Lichtwellenleiter haben dabei einen Durchmesser, der 0,1 mm nicht überschreitet. Das freie, die Reflektivität der Grenzfläche Flüssigkeit/Lichtwellenleiter bestimmende Ende des Lichtwellenleiters wird durch eine kugelförmige oder ebene, senkrecht zur Lichtwellenleiterachse stehende Endfläche gebildet. Durch die Kleinheit dieser Endfläche wird eine für die Messung von fokussierten Stoßwellen erforderliche hohe Ortsauflösung, geringe Richtungsempfindlichkeit und hohe Bandbreite erzeugt.
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Aus der
DE 39 32 711 A1 ist ein faseroptischer Stoßwellensensor bekannt, bei dem das freie Ende des Lichtwellenleiters als Rotationskörper gestaltet ist, dessen Hüllkurve sich durch ein Polynom dritten Grades beschreiben lässt. Durch diese Maßnahme sollen auch bei der Verwendung von Lichtwellenleitern mit größerem Durchmesser sowohl die Empfindlichkeit als auch die Ortsauflösung verbessert werden.
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Aus
Koch, Ch., "Coated fiber-optic hydrophone for ultrasonic measurement", Ultrasonics 34, 1996, Seite 687–689, ist ein faseroptisches Hydrophon bekannt, das sowohl die Änderungen des Brechungsindex des umgebenden Fluids als auch die Änderung der Eigenschaften eines an der Faserspitze durch dielektrische Schichten gebildeten Interferometers nutzt, um auf diese Weise die Empfindlichkeit der Messanordnung zu erhöhen.
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Nachteilig an den bekannten faseroptischen Hydrophonen ist jedoch, dass diese sehr bruchempfindlich sind und bereits nach 10 bis 100 Stoßwellen bei etwa 50 MPa zerstört sein können. Darüber hinaus ist ein hoher fertigungstechnischer Aufwand erforderlich, um die freien Enden der Lichtwellenleiter reproduzierbar mit der jeweils erforderlichen Form herzustellen.
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Zur Vermeidung der vorstehend genannten Probleme ist in der
EP 1 565 713 B1 alternativ zu den vorgenannten faseroptischen Hydrophonen vorgeschlagen worden, als Messkopf einen transparenten massiven Körper aus Quarzglas zu verwenden, in dem sich das Licht bis zu einer Grenzfläche zwischen dem Körper und einem Fluid frei ausbreitet. An dieser Grenzfläche wird das Licht reflektiert und die Intensität des reflektierten Lichtes wird mit einem Lichtempfänger gemessen. Analog zu den faseroptischen Hydrophonen hängt die gemessene Lichtintensität vom Brechungsindex des Fluids und damit vom Schalldruck im Fluid an der Grenzfläche ab. Ein in dieser Weise gestaltetes optisches Hydrophon ist sehr robust gegenüber der Stoßwelle und schwer zerstörbar. Es muss daher nur selten ausgetauscht werden. Die Herstellung eines solchen Hydrophons ist jedoch bei Verwendung eines massiven Körpers aus Quarzglas kostenintensiv.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen der Schalldruckverteilung in einem fluiden Medium anzugeben, mit dem auch hohe Schalldrucke, wie sie im Fokus eines Lithotripters auftreten, genau und reproduzierbar gemessen werden können. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optisches Hydrophon zum Durchführen des Verfahrens anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Bei dem Verfahren wird von einer Lichtquelle erzeugtes Licht in ein Lichtleiterkabel eingekoppelt und es wird die Intensität des durch das Lichtleiterkabel transmittierten Lichtes mit einem Lichtempfänger gemessen, wobei das Lichtleiterkabel eine Lichtleitfaser enthält, die in einem diese umgebenden Mantel angeordnet ist, der durch Beaufschlagung mit einem Schalldruck verformbar und zumindest an einem Teil seines Innenumfangs von der Lichtleitfaser beabstandet ist. In dem sich dadurch zwischen Mantel und Lichtleitfaser ergebenden Zwischenraum befindet sich ein fluides Medium, dessen Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex der Lichtleitfaser und der Brechungsindex des Mantels.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Idee, dass es durch Verwendung eines Lichtleiterkabels als faseroptisches Hydrophon möglich ist, mit geringem fertigungstechnischen Aufwand eine gegen Zerstörung unempfindliche Messanordnung bereitzustellen, die bei hoher Messgenauigkeit eine hohe Lebensdauer aufweist, und mit der außerdem ein räumliches Auflösungsvermögen erzielt werden kann, das vergleichbar ist mit dem räumlichen Auflösungsvermögen der im Stand der Technik bekannten faseroptischen Hydrophone.
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Hinsichtlich des faseroptischen Hydrophons wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 2. Gemäß diesen Merkmalen enthält ein faseroptisches Hydrophon eine Lichtleitfaser, die in einem diese umgebenden, durch Beaufschlagung mit einem Schalldruck verformbaren Mantel angeordnet ist, der zumindest an einem Teil seines Innenumfangs von der Lichtleitfaser beabstandet ist, wobei sich an diesen Stellen zwischen Mantel und Lichtleitfaser ein fluides Medium befindet, dessen Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex der Lichtleitfaser und kleiner ist als der Brechungsindex des Mantels.
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Eine besonders hohe Stabilität des faseroptischen Hydrophons sowie eine einfache Handhabbarkeit wird erzielt, wenn das Lichtleiterkabel zumindest in einem sensitiven Abschnitt unverdeckt auf einem Träger angeordnet ist.
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Ein zur Durchführung des Verfahrens und zur Verwendung im erfindungsgemäßen faseroptischen Hydrophon geeignetes Lichtleiterkabel ist als Drucksensor im Handel unter der Marke Pinchguard
® erhältlich und in der
EP 1 474 670 B1 näher beschrieben, auf deren Offenbarungsgehalt ausdrücklich Bezug genommen wird.
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Wenn das Lichtleiterkabel zumindest im sensitiven Abschnitt in Kurven, beispielsweise mäanderförmig auf dem Träger angeordnet ist, d. h. einen größeren Flächenbereich überstreicht, ist eine qualitative Messung mit geringer Ortsauflösung möglich, die sich insbesondere zur einfachen und daher häufig möglichen Kontrolle der korrekten Funktion eines Lithotripters eignet, da in diesem Fall eine korrekte Positionierung im Fokus nicht erforderlich ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt der Mantel mit einem Teil seines Innenumfangs an der Lichtleitfaser an. Auf diese Weise ist es möglich, auch negative Druckamplituden, d. h. Zugwellen zu messen.
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Ein faseroptisches Hydrophon gemäß der Erfindung kann aufgrund seiner kompakten Bauweise auch in den Stoßwellenkopf eines Lithotripters integriert werden. Insbesondere kann das faseroptische Hydrophon am Koppelbalg oder an oder in einer zur Fokussierung der Stoßwelle verwendeten akustischen Linse angeordnet werden. Durch diese Maßnahme kann auch während einer Stoßwellenbehandlung eine Kontrolle der korrekten Funktionsfähigkeit des Lithotripters erfolgen.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele verwiesen. Es zeigen:
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1 ein optisches Hydrophon gemäß der vorliegenden Erfindung in einem schematischen Längsschnitt,
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2 einen Querschnitt durch das in 1 dargestellte optische Hydrophon,
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3 einen Querschnitt durch ein im optischen Hydrophon verwendetes Lichtleiterkabel,
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4 eine Ausführungsform, bei der das Lichtleiterkabel mäanderförmig auf dem Träger angeordnet ist,
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5 und 6 jeweils in einer Prinzipdarstellung den Stoßwellenkopf eines Lithotripters mit einem im Stoßwellenkopf integrierten optischen Hydrophon gemäß der Erfindung.
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Gemäß 1 und 2 umfasst das optische Hydrophon 2 ein Lichtleiterkabel 6, das mit einem Abschnitt auf einem Träger 4 angeordnet ist. Im Beispiel der Figur ist das Lichtleiterkabel 6 in eine in den Träger 4 eingebrachte Nut 8 eingelegt, aus der es mit einem Überstand über den Träger 4 hinaus ragt. Das Lichtleiterkabel 6 ist auf dem Träger 4 mit einer Deckplatte 10 fixiert, die ebenfalls mit einer Nut 12 versehen ist, in die der über den Träger 4 hinaus ragende Teil des Lichtleiterkabels 6 eingebettet ist. Die Deckplatte 10 ist mit einem Fenster 14 versehen, in dem das Lichtleiterkabel 6 unverdeckt in unmittelbarem Kontakt mit einem Fluid gebracht werden kann. Das Fenster 14 legt auf diese Weise den sensitiven, d. h. druckempfindlichen Abschnitt des Lichtleiterkabels 6 fest. Mit der Größe des Fensters 14 ist auch das räumliche Auflösungsvermögen des faseroptischen Hydrophons 2 festgelegt.
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Mit Hilfe einer Lichtquelle
20, im Beispiel eine LED oder eine Laserdiode, wird in das Lichtleiterkabel Licht mit einer Intensität I
i eingekoppelt. Die Intensität I
t des durch die Lichtleitfaser
6 transmittierten Lichtes wird mit einem Lichtempfänger
22, im Beispiel eine Photodiode, erfasst. Die transmittierte Intensität I
t wird entsprechend dem von einer sich in einem Fluid
28 ausbreitenden Stoßwelle
30 auf den sensitiven Abschnitt des Lichtleiterkabels
6 ausgeübten Druck modifiziert, wie dies in der
EP 1 474 670 B1 näher erläutert ist.
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Das Lichtleiterkabel 6 ist gemäß 3 aus einer Lichtleitfaser 40 aufgebaut, die von einem Mantel 42 unter Bildung eines zusammenhängenden oder mehrerer voneinander getrennter Zwischenräume 44 umgeben ist. Der Mantel 42 ist durch Beaufschlagung mit einem Schalldruck verformbar und zumindest an einem Teil seines Innenumfangs von der Lichtleitfaser beabstandet, so dass er sich bei einer von außen wirkenden Druckkraft an die Lichtleitfaser 40 anlegt. Die Lichtleitfaser 40 ist optisch homogen mit einem über ihre gesamte Querschnittsfläche konstanten Brechungsindex n1. Der oder die Zwischenräume 44 sind mit einem fluiden Medium gefüllt, dessen Brechungsindex n2 kleiner ist als der Brechungsindex n1 der Lichtleitfaser 40, um eine Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Lichtleitfaser 40 und Zwischenraum 44 sicherzustellen. Ein geeignetes fluides Medium ist beispielsweise ein Gas, vorzugsweise Luft. Der Brechungsindex n3 des Mantels 42 ist größer als der Brechungsindex des in dem oder den Zwischenräumen 44 sich befindenden fluiden Mediums.
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Abhängig von den Brechungsindizes n2, n3 der an die Lichtleiterfaser 40 angrenzenden Medien – Mantel 42 und fluides Medium in den Zwischenräumen – und der Fläche mit denen diese an der Lichtleitfaser 40 anliegen, tritt ein Teil des in die Lichtleitfaser 40 eingekoppelten Lichtes aus dieser aus und führt zu einer Verringerung der transmittierten Intensität It. Durch Einwirkung eines äußeren Druckes auf den Mantel 42 wird dieser im Bereich der Zwischenräume 44 unter Ausweichen des fluiden Mediums auf die Oberfläche der Lichtleitfaser 40 gepresst. Da der Brechungsindex n3 des Mantels 42 größer ist als der Brechungsindex des in dem oder den Zwischenräumen 44 sich befindlichen fluiden Mediums, tritt mehr Licht aus der Oberfläche der Lichtleitfaser 40 aus und es erfolgt gegenüber dem drucklosen Zustand eine zusätzliche Dämpfung des sich in ihr ausbreitenden Lichtes. Dementsprechend tritt gegenüber dem unbelasteten Zustand eine Verringerung der transmittierten Intensität It auf, die mit dem Lichtempfänger 22 (1) gemessen wird.
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Im Ausführungsbeispiel der 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der der Mantel 42 bereits im unkomprimierten Zustand mit einem Teil seiner Innenfläche 46 an der Oberfläche der Lichtleitfaser 40 anliegt. Auf diese Weise wird bei einer Druckentlastung, beispielsweise beim Auftreten von Zugwellen, die Fläche, mit der der Mantel 42 auf der Oberfläche der Lichtleitfaser 40 aufliegt, verringert, so dass die transmittierte Intensität zunimmt. Somit können auch negative Drücke gemessen werden. Grundsätzlich sind jedoch auch Ausführungsformen geeignet, bei denen sich der Mantel 42 nur punktuell an einzelnen Stützstellen an der Lichtleitfaser 40 abstützt.
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Die im Ausführungsbeispiel der 3 dargestellte Lichtleitfaser 40 hat einen kreisrunden Querschnitt. Alternativ hierzu sind auch rechteckige Querschnittsformen möglich, so dass das Lichtleiterkabel 6 mit einer Flachseite auf dem Träger 4 aufliegt. Mit zunehmender Ausdehnung der dem Fluid im Fenster 14 zugewandten und unmittelbar mit dem Fluid in Kontakt stehenden Flachseite, d. h. der drucksensitiven Fläche, verringert sich zwar die Ortsauflösung. Ein derartig aufgebautes faseroptisches Hydrophon ist jedoch insbesondere zur regelmäßigen Überprüfung der Funktion eines Lithotripters geeignet, da dieses nicht exakt nach vorheriger Fokussuche im Fokus positioniert werden muss. Ein solches faseroptisches Hydrophon kann beispielsweise in einem transportablen Wasserbecken fixiert sein, das ein akustisches Fenster aufweist, und das in vorgegebener, reproduzierbarer Position auf einen Stoßwellenkopf aufgesetzt werden kann.
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Die Empfindlichkeit des optischen Hydrophons hängt von der Dicke und vom Werkstoff des Mantels 42 ab. Um einen großen Messbereich abzudecken, kann es daher von Vorteil sein, entweder mehrere Lichtleiterkabel 6 mit unterschiedlichen Mänteln 42 nebeneinander auf dem Träger 4 (1 und 2) anzuordnen oder je nach dem zu messenden Schalldruckbereich, beispielsweise durch Verwendung einer abnehmbaren Deckplatte 10 (1 und 2), auszutauschen.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist das Lichtleiterkabel 6 mäanderförmig auf dem Träger 4 verlegt, so dass es auf dem Träger 4 einen größeren Flächenbereich überstreicht. Dies ermöglicht eine qualitative Vermessung eines Stoßwellenfeldes im Bereich des Fokus, ohne dass hierzu eine präzise Positionierung erforderlich ist. Anstelle der mäanderförmigen Verlegung eines Rundkabels kann auch ein Flachkabel auf dem Träger 4 verlegt werden, dessen Ortsauflösungsvermögen entsprechend der Größe seiner sensitiven Fläche eingestellt werden kann.
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Gemäß 5 und 6 ist das faseroptische Hydrophon 2 in einen Stoßwellenkopf 50 eines Lithotripters integriert. In den Beispielen ist ein Stoßwellenkopf 50 mit einer elektromagnetischen Stoßwellenquelle 52 und einer dieser jeweils zugeordneten akustischen Linse 54 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist das faseroptische Hydrophon 2 an einem Koppelbalg 56 angeordnet. Alternativ hierzu ist gemäß 6 vorgesehen, das faseroptische Hydrophon 2 auf oder in der zum Fokussieren der Stoßwellen verwendeten akustischen Linse 54 anzuordnen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0354229 B1 [0003]
- DE 3802024 A1 [0003]
- DE 3932711 A1 [0004]
- EP 1565713 B1 [0007]
- EP 1474670 B1 [0013, 0024]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- J. Staudenraus, W. Eisenmenger, „Fibre-optic probe hydrophone for ultrasonic and shock-wave measurements in water”, Ultrasonics 1993, Vol. 31, No. 4, Seite 267–273 [0003]
- Koch, Ch., ”Coated fiber-optic hydrophone for ultrasonic measurement”, Ultrasonics 34, 1996, Seite 687–689 [0005]
