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Technisches Gebiet und Hintergrund der Erfindung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Ultraschall unter Ausnutzung des magnetoelastischen Effekts.
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Ultraschall kommt in zahlreichen technischen und medizinischen Bereichen zur Anwendung. Beispielsweise wird Ultraschall zur Untersuchung und Überprüfung der Materialeigenschaften oder des Verschleißes von Bauteilen von Maschinen verwendet.
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Weiterhin wird Ultraschall in zahlreichen medizinischen Anwendungen, wie beispielsweise bei der Untersuchung von Gewebe mit Hilfe von Ultraschall oder im Rahmen von Ultraschalltherapien, zur Anwendung. Insbesondere können miniaturisierte autonome Untersuchungssysteme in gekapselter Tablettenform durch Patienten geschluckt werden. Das jeweilige miniaturisierte autonome Untersuchungssystem kann durch Anlegen eines geeigneten Magnetfeldes außerhalb des Körpers gezielt innerhalb des Körpers, insbesondere innerhalb des Magen-Darm-Traktes, bewegt und positioniert werden. Auf diese Weise lassen sich zahlreiche Untersuchungen autonom, also ohne unmittelbaren mechanischen Kontakt zwischen der untersuchenden Person und dem Untersuchungssystem, durchführen.
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Bei einer Ultraschalluntersuchung eines menschlichen oder tierischen Körpers wird typischerweise ein Ultraschallkopf von außen auf die Haut aufgelegt und auf der Haut entlang geführt.
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Im Rahmen der Materialprüfung von Bauteilen wird ein zur Untersuchung verwendeter Ultraschallprüfkopf typischerweise entlang der äußeren Oberfläche des Bauteils geführt. Schwierigkeiten ergeben sich jedoch bei der Untersuchung von räumlich schwer zugänglichen Bereichen im Inneren eines Bauteils, da der Schallkopf möglicherweise entweder zu groß ist oder eine präzise Führung des Schallkopfes im Inneren eines solchen Bauteils schwer möglich ist.
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Aufgabe und Lösung gemäß der Erfindung
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Die Aufgabe der folgenden Erfindung besteht darin, eine vorteilhafte Vorrichtung und ein vorteilhaftes Verfahren zur Erzeugung von Ultraschall zur Verfügung zu stellen, womit auch räumlich schwer zugängliche Bereiche mit Ultraschall beaufschlagt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Erzeugung von Ultraschall gemäß Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Die im Folgenden, insbesondere in den Unteransprüchen, beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination miteinander vorteilhaft.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall umfasst einen magnetoelastischen Körper und eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes. Der magnetoelastische Körper ist im Inneren einer Kapsel angeordnet. Die Kapsel ist abgeschlossen. Zudem ist die Kapsel in einem Hohlraum bewegbar. Mit Hilfe des magnetischen Wechselfeldes ist durch den magnetoelastischen Körper Ultraschall emittierbar. Vorzugsweise handelt es sich bei dem magnetischen Wechselfeld um ein magnetisches Hochfrequenzwechselfeld.
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Prinzipiell ist die Wahl der Frequenz abhängig von der zu adressierenden Anwendung. Generell ist ein Frequenzbereich von 20 kHz bis einigen 100 kHz geeignet. Das magnetische Wechselfeld kann also eine Frequenz zwischen 20 kHz und 500 kHz haben.
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Unter einem Hohlraum wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Kavität verstanden, die durch mindestens eine Öffnung zugänglich ist. Der Hohlraum kann zumindest teilweise mit einem Fluid, also einem flüssigen oder gasförmigen Material, gefüllt sein.
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Vorzugsweise kann die Kapsel in einem Hohlraum frei bewegbar angeordnet sein, also autonom gegenüber mechanischen Bewegungseinrichtungen. Das heißt, die Kapsel kann vorzugsweise ohne eine unmittelbare mechanische Steuerung oder Führung in dem Hohlraum frei bewegt werden, insbesondere geradlinig bewegt werden oder gedreht werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise zur Untersuchung und/oder Behandlung von Material, beispielsweise von Oberflächen von Bauteilen oder von Gewebe, verwendet werden. Es sind also sowohl eine Untersuchung und/oder Behandlung von Bauteilen als auch eine Untersuchung und/oder Behandlung von Lebewesen möglich.
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Vorteilhafterweise kann die Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes, insbesondere des magnetischen Hochfrequenzwechselfeldes, außerhalb des Hohlraums angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Kapsel sehr klein ausgestaltet sein. Weiterhin kann innerhalb der Kapsel mindestens eine Einrichtung zum Fokussieren des erzeugten Ultraschalls angeordnet sein. Bei der Einrichtung zum Fokussieren kann es sich beispielsweise um mindestens einen Ultraschallreflektor oder mindestens einen Ultraschallabsorber handeln. Auf diese Weise lässt sich fokussierter Ultraschall mit einer hohen Energiedichte erzeugen.
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Bei der Kapsel kann es sich weiterhin um eine Untersuchungskapsel, eine Behandlungskapsel oder eine medizinische Diagnosekapsel handeln.
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Darüber hinaus kann die Kapsel mit Hilfe eines weiteren magnetischen Wechselfeldes in dem Hohlraum bewegbar und/oder positionierbar sein. Dabei kann das zur Erzeugung des Ultraschalls verwendete magnetische Wechselfeld, insbesondere das magnetische Hochfrequenzwechselfeld, dem zur Bewegung und Positionierung der Kapsel verwendeten magnetischen Wechselfeld überlagert sein. Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung also eine Einrichtung zur Erzeugung des Weiteren magnetischen Wechselfeldes umfassen, die insbesondere außerhalb des Hohlraumes angeordnet sein kann und vorteilhafterweise mit der Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes zur Erzeugung des Ultraschalls identisch ist. Auf diese Weise kann mit Hilfe einer Einrichtung zur Erzeugung von magnetischen Wechselfeldern sowohl die Kapsel bewegt und positioniert werden, als auch der Ultraschall erzeugt werden. Bei der Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes kann es sich zum Beispiel um externe Spulen handeln.
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Zudem kann es sich bei dem Hohlraum um einen Fluidkanal handeln. Vorzugsweise kann der Fluidkanal von einer Flüssigkeit oder einem Gas durchströmbar sein. Wenn der Fluidkanal von einer Flüssigkeit oder einem Gas durchströmt wird, kann die Kapsel mit Hilfe des strömenden Gases beziehungsweise der strömenden Flüssigkeit durch den Fluidkanal bewegt werden. Es kann sich also bei dem Hohlraum zum Beispiel um zumindest einen Teil eines Rohrleitungssystems oder einen Strömungskanal im Inneren einer Maschine handeln. Es ist weiterhin möglich, dass es sich bei dem Hohlraum um zumindest einen Teil des Verdauungssystems eines Lebewesens handelt. Der Hohlraum kann sich also im Inneren eines Menschen oder eines Tieres befinden. Es kann sich dabei beispielsweise um den Magen, den Darm oder einen anderen Teil des Magen-Darm-Traktes handeln.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Ultraschall wird ein magnetoelastischer Körper im Inneren einer abgeschlossenen Kapsel angeordnet. Die Kapsel wird in einen Hohlraum eingebracht. Anschließend wird mit Hilfe eines magnetischen Wechselfeldes durch den magnetoelastischen Körper im Inneren des Hohlraumes Ultraschall emittiert. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich grundsätzlich mit Hilfe der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführen. Es hat zudem dieselben Vorteile wie die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung. Hinsichtlich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher auf die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.
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Es kann sich bei dem zur Erzeugung des Ultraschalls verwendeten magnetischen Wechselfeldes beispielsweise um ein Hochfrequenzwechselfeld handeln. Zudem kann die Kapsel in dem Hohlraum frei und autonom, also ohne unmittelbare mechanische Führung bewegt werden. Vorteilhafterweise wird das magnetische Wechselfeld außerhalb des Hohlraumes erzeugt.
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Der erzeugte Ultraschall kann innerhalb der Kapsel fokussiert werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe von mindestens einem Ultraschallreflektor oder mindestens einem Ultraschallabsorber erfolgen.
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Mit Hilfe eines weiteren magnetischen Wechselfeldes kann die Kapsel in dem Hohlraum bewegt und/oder positioniert werden, also geradlinig bewegt oder gedreht werden. Zur Bewegung der Kapsel kann wiederum die gleiche, vorzugsweise außerhalb des Hohlraumes angeordnete, Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes verwendet werden, die auch zur Erzeugung des Ultraschalls verwendet wird. Dabei kann es sich insbesondere um externe Spulen handeln. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Kapsel in einen Fluidkanal eingebracht werden. In diesem Fall kann die Kapsel mit Hilfe eines Fluides in dem Fluidkanal bewegt werden. Bei dem verwendeten Fluid kann es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln. Beispielsweise kann die Kapsel in zumindest einen Teil des Verdauungssystems eines Lebewesens, beispielsweise eines Mensches oder eines Tieres, eingebracht werden. Die Kapsel kann insbesondere in den Magen-Darm-Trakt eingebracht werden und dort infolge der Peristaltik bewegt werden.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der erzeugte Ultraschall auf einen außerhalb der Kapsel befindlichen Bereich gerichtet werden. Dabei kann es sich zum Beispiel um eine Oberfläche innerhalb des Hohlraumes, um Gewebe oder um eine Oberfläche innerhalb des Fluidkanals handeln.
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Sowohl im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung als auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der verwendete magnetoelastische Körper ferromagnetisches Material umfassen oder aus ferromagnetischem Material bestehen.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine bisher nicht bekannte miniaturisierte autonome Ultraschallvorrichtung zur Verfügung, die sowohl eine Untersuchung als auch eine Behandlung von Material und Oberflächen innerhalb von räumlich schwer zugänglichen Hohlräumen sowohl in lebenden Organismen als auch in Bauteilen ermöglicht.
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Ausführungsbeispiele
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Die oben beschriebenen Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele stellen jedoch keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung dar. Die im Rahmen der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale sind dabei auch einzeln oder in einer beliebigen Kombination miteinander vorteilhaft.
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1 zeigt schematisch einen Teil eines Hohlraumes im Inneren eines Körpers mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall.
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2 zeigt schematisch einen Teil eines Hohlraumes im Inneren eines Bauteils mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines ersten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die 1 näher erläutert. Die 1 zeigt schematisch einen Teil eines Hohlraumes im Inneren eines Körpers mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall. Der in der 1 gezeigte Körper 1 umfasst einen Hohlraum oder eine Kavität 10. In den Hohlraum 10 ist eine Kapsel 2 eingebracht worden. Die Kapsel 2 ist vollständig geschlossen. Im Inneren der Kapsel 2 befindet sich ein in die Kapsel 2 integriertes Ultraschallsystem 3. Das Ultraschallsystem 3 umfasst einen magnetoelastischen Körper 5 und eine Einrichtung zum Fokussieren von Ultraschall 4.
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Außerhalb des Körpers 1 ist eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes 8 angeordnet. In der 1 wird ein externes magnetisches Wechselfeld mit Hilfe eines Spulenpaares 8 erzeugt. Mit Hilfe dieses magnetischen Wechselfeldes wird die Kapsel 2 zunächst bewegt und positioniert. Weiterhin wird mit Hilfe der Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes 8 ein externes überlagertes Hochfrequenzmagnetfeld erzeugt. Durch das externe überlagerte Hochfrequenzmagnetfeld wird der magnetoelastische Körper 5 im Inneren des Ultraschallsystems 3 zu Schwingungen im Ultraschallbereich angeregt. Auf diese Weise kann im Inneren der autonomen Kapsel 2 Ultraschall erzeugt werden, der dann zur Untersuchung oder Behandlung des Hohlraumes 10 im Inneren des Körpers 1 zur Verfügung steht.
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Bei dem Körper 1 kann es sich beispielsweise um den Körper eines Menschen oder eines Tieres handeln. Insbesondere kann es sich bei dem in der 1 gezeigten Körper 1 um einen Teil des Verdauungssystems eines Lebewesens, beispielsweise einen Teil des Magen-Darm-Traktes, handeln. Falls sich in dem Hohlraum 10 beispielsweise ein Fremdkörper oder krankhaftes Gewebe 7 befindet, so kann dieses mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erkannt und/oder untersucht und/oder lokalisiert und gegebenenfalls zerstört werden. Die gegebenenfalls erforderliche Fokussierung der Ultraschallwellen 6 kann insbesondere mit Hilfe eines Ultraschallreflektors beziehungsweise eines Ultraschallabsorbers erreicht werden, wobei eine Streuung des erzeugten Ultraschalls verringert wird.
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Bei dem magnetoelastischen Körper beziehungsweise dem magnetoelastischen Material 5 kann es sich um ein ferromagnetisches Material handeln. Zumindest kann der magnetoelastische Körper 5 ferromagnetisches Material umfassen.
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Fokussierter Ultraschall lässt sich insbesondere medizinisch anwenden, wobei durch gezielte Bündelung der Schallwellen Gewebe erhitzt und zerstört wird. Der magnetoelastische Effekt erlaubt es durch Anlegen eines magnetischen Wechselfelds mit geeigneter Frequenz Ultraschallwellen zu erzeugen. Die Wahl einer entsprechenden Geometrie des magnetoelastischen Schallkopfes erlaubt eine Fokussierung von Ultraschallwellen. Damit wird es möglich in miniaturisierten autonomen Diagnosesystemen, die vom Patienten zum Beispiel geschluckt werden können, Ultraschallbehandlungen direkt im Körper durchzuführen.
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Durch Nutzung des magnetoelastischen Effekts kann in autonomen Diagnosekapseln somit im Körper direkt fokussierter Ultraschall erzeugt werden und gezielt Gewebe behandelt werden. Durch Anlegen eines externen magnetischen Wechselfeld wird ein ferromagnetischer Körper zu Schwingungen angeregt. Durch geeignete Sendefrequenz schwingt das magnetoelastische Material und erzeugt dadurch Ultraschallwellen.
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Ultraschallwellen mit hoher Frequenz, können durch geeignete Krümmung des Schallgebers in einem Fokus gebündelt werden. Dieser Fokus erzeugt hohe Leistungen vor dem Schallkopf. Bei der im Fokus entstehenden Temperatur kann das behandelte Gewebe zerstört werden. Aufgrund der ausgeprägten Bündelung der durch die Schallwellen übertragenen Energie bleibt das umliegende Gewebe jedoch intakt. Damit werden Ultraschall-Anwendungen innerhalb des Körpers möglich. Die genaue Positionierung der Kapsel ermöglicht das Identifizieren und exakte Lokalisieren der Position für die Ultraschallanwendung.
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Durch externe Spulen können sowohl die Bewegung und Positionierung der Kapsel in dem Hohlraum gesteuert werden. Ein überlagertes magnetisches Wechselfeld ermöglicht gleichzeitig die Erzeugung von Ultraschall durch Anregung eines magnetoelastischen Materials innerhalb der Kapsel. Die Kapsel kann somit exakt an zu behandelten Stellen innerhalb des Körpers geführt werden und es können sehr lokalisiert Ultraschall-Behandlungen durchgeführt werden. Um Schallerzeugung möglichst unidirektional zu erzeugen kann eine Fokussierung durch einen Schallreflektor oder Schallabsorber an einem Ende des magnetoelastischen Ultraschallerzeugers erzielt werden.
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Ultraschallwellen mit geeignet hoher Frequenz, werden durch geeignete Krümmung des Schallgebers in einem Fokus gebündelt. Dieser Fokus erzeugt hohe Leistungen vor dem Schallkopf. Bei der im Fokus entstehenden Temperatur wird das behandelte Gewebe zerstört. Aufgrund der ausgeprägten Bündelung der durch die Schallwellen übertragenen Energie bleibt das umliegende Gewebe intakt.
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Im Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel anhand der 2 näher erläutert. Die 2 zeigt schematisch einen Teil eines Bauteils 20. Das Bauteil 20 umfasst einen in seinem Inneren angeordneten Hohlraum 30, bei welchem es sich beispielsweise um einen Fluidkanal handeln kann. Bei dem Bauteil 20 kann es sich beispielsweise um einen Teil eines Rohrleitungssystems oder um ein Bauteil einer Maschine handeln.
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Eine Kapsel 22 ist in den Fluidkanal 30 eingebracht worden. Die Kapsel 22 kann mit Hilfe einer externen Einrichtung 28 innerhalb des Fluidkanals 30 bewegt und positioniert werden. Bei der externen Einrichtung 28 kann es sich beispielsweise um eine Vorrichtung zur Erzeugung eines externen magnetischen Wechselfeldes, wie im Zusammenhang mit der 1 erläutert, handeln. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Fluidkanal 30 von einem Fluid, beispielsweise einem Gas oder einer Flüssigkeit, durchströmt werden. Mit Hilfe des strömenden Fluids kann die Kapsel 22 ebenfalls innerhalb des Fluidkanals 30 bewegt und positioniert werden.
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Die Kapsel 22, die grundsätzlich dieselben Eigenschaften wie die im Zusammenhang mit der 1 beschriebene Kapsel 2 haben kann, umfasst ein in ihrem Inneren angeordnetes Ultraschallsystem 23. Das Ultraschallsystem 23 umfasst einen magnetoelastischen Körper, der beispielsweise ferromagnetisches Material umfasst, sowie gegebenenfalls geeignete Ultraschallreflektoren oder Ultraschallabsorber analog zudem in der 1 gezeigten Beispiel. Die entsprechenden Einrichtungen zum Fokussieren der Ultraschallwellen sind in der 2 nicht gezeigt.
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Durch ein externes Hochfrequenzmagnetfeld, bei welchem es sich beispielsweise um ein dem zur Führung der Kapsel 22 verwendeten magnetischen Wechselfeld überlagertes Hochfrequenzmagnetfeld handeln kann, wird der magnetoelastische Körper zu Schwingungen im Ultraschallbereich angeregt. Die erzeugten Ultraschallwellen können fokussiert werden und gezielt in Richtung auf eine innere Oberfläche 29 des Bauteils 20 hin gerichtet werden. Dies ist in der 2 durch einen Pfeil 26 angedeutet. Es lässt sich somit das Material und die Oberfläche 29 sowie der Fluidkanal 30 des Bauteils 20 mit Hilfe von Ultraschall untersuchen und mögliche Defekte genau lokalisieren. Zudem lassen sich mögliche Ablagerungen im Inneren des Fluidkanals 30 mit Hilfe des erzeugten Ultraschalls oberflächenschonend abtragen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die beschriebenen Ausführungsbeispiele näher illustriert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
