DE19653085A1 - Ultraschall-Wandlereinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Wandlerein­ richtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Einrichtungen sind aus der Veröffentlichung "Ultrasonics", März 1981, Seiten 81-86, der GB 2 052 918 A sowie der DE 43 25 028 A bekannt.

Während die Verwendung von Ultraschall-Wandlereinrichtungen für bildgebende Verfahren zu diagnostischen Zwecken bereits vielfach in der medizinischen Technik Einzug gehalten hat, ist die Verwendung dieser Technologie für eine Thermotherapie von erkranktem, insbesondere menschlichem Gewebe erst seit kurzem von großem Interesse für die medizinische Fachwelt. In der Veröffentlichung "Med. Phys.", 23, (5), Mai 1996, Seiten 767 bis 776, sind die Vorteile einer nicht-invasiven oder minimal-invasiven Thermotherapie von altersbedingten Ver­ größerungen der Prostata (BHP, benign prostatic hyperplasia) oder von Prostata-Krebs ausgeführt sowie die Anforderungen an ein Therapiegerät dargestellt. So ist es wünschenswert, eine Energiequelle ohne operative Eingriffe möglichst nahe an das Zielgebiet (den potentiellen Krankheitsherd) innerhalb des gesunden Gewebes heranzuführen. Ferner ist eine möglichst weitgehende Kontrolle über die Energieverteilung des in das Gewebe eingebrachten Ultraschalls erforderlich, um nicht auch gesundes Gewebe mitzuschädigen. Eine Ultraschall-Wandlerein­ richtung, die für die Thermotherapie geeignet sein soll, muß sich demnach auch in Öffnungen und Höhlungen, besonders des menschlichen Körpers, einführen lassen und einen möglichst hohen Wirkungsgrad für die in das Zielgebiet abgestrahlte Schalleistung aufweisen.

Wie beispielsweise aus DE 43 25 028 A bekannt, wird bei Ultraschall-Wandlereinrichtungen für bildgebende Verfahren typischerweise ein akustischer Dämpfungskörper hinter den Wandlerelementen aufgebracht. Damit sollen Mehrfachechos durch Reflexionen an der vom abzubildenden Objekt abgewandten Seite der Wandlerelement verhindert bzw. minimiert werden. Der damit verbundene Verlust an Schalleistung ist bei einem therapeutischen Verfahren gerade nicht erwünscht, da aus den vorgenannten Gründen ein möglichst großer Wirkungsgrad nötig ist. Die ohne akustischen Dämpfungskörper auftretenden Mehr­ fachechos spielen in therapeutischen Verfahren bei einer an­ gestrebten Pulsdauer im Sekundenbereich überdies keine Rolle. Ein Aufbau der bekannten Ultraschall-Wandlereinrichtung als sogenanntes "airbacked array", also ohne zusätzlichen Dämp­ fungskörper hinter den Wandlerelementen, ist aber nicht mög­ lich, da der Dämpfungskörper bei dem bekannten Aufbau zur Kontaktierung der Wandlerelemente erforderlich ist. Folglich ist diese bekannte Ultraschall-Wandlereinrichtung nicht ge­ eignet für den Einsatz in der Thermotherapie.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannten Ultraschall-Wandlereinrichtungen dahingehend auszugestalten, daß deren Aufbau wenigstens die oben genannten Anforderungen an ein Therapiegerät für die Thermotherapie erfüllt und dabei einen möglichst kostengünstigen und weitestgehend automati­ sierten Fertigungsprozeß der Wandlereinrichtung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Bei der erfindungsgemäßen Wandlereinrichtung wird das Array von Wandlerelementen von einem Gehäuse aufgenommen, und die Verbindungsleitungen werden von einem elektronischen Schalt­ teil über eine Platine in das Gehäuse geführt. Diese Platine ist mechanisch mit dem Gehäuse verbunden, so daß die Wandler­ elemente, von Seiten des Schaltteils vollständig zugent­ lastet, direkt kontaktiert werden können. Die Einrichtung ist somit auch im Dauereinsatz handhabbar, ohne daß deren (elek­ trische) Funktionsfähigkeit durch mechanische Belastungen beeinträchtigt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Wandler­ einrichtung gehen aus den abhängigen Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen jeweils schema­ tisch deren Fig. 1 einen Querschnitt durch das Gehäuse der Wandlereinrichtung, deren Fig. 2 eine Detail-Schrägansicht der Einrichtung, in der das Gehäuse selbst nicht dargestellt ist, deren Fig. 3 eine Draufsicht einer Leitbahnfolie zur Kontaktierung der Wandlerelemente, deren Fig. 4 eine zur Führung der Verbindungsleitungen in das Gehäuse eingesetzte Multilayerplatine, deren Fig. 5 und Fig. 6 Detailansichten von Haltevorrichtungen für das Array von Wandlerelementen, und deren Fig. 7 die Darstellung eines Querschnitt durch den Wandlerkopf der Einrichtung.

In den Figuren sich entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die erfindungsgemäße Ultraschall-Wandlereinrichtung setzt sich zusammen aus Einzelteilen, die für sich betrachtet in bekannter Weise aufgebaut sind bzw. sogar handelsüblich verfügbar sind. Dadurch wird ein vereinfachter, kosten­ günstiger und standardisierte Aufbau der Einrichtung möglich. Kernstück einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Wandler­ einrichtung ist in Fig. 1 (Querschnitt) bzw. Fig. 2 (Schrägansicht) dargestellt. Ein Array 3 von Wandlerelementen wird in eine am Gehäuse 2 vorgesehene Haltevorrichtung 6 eingesetzt. Dabei besteht jedes der Wandlerelemente des Arrays 3 wenigstens aus einem säulen- oder quaderförmigen Schwingungskörper aus einem piezoelektrischen Material wie z. B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Die Elemente sind zu einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordnet, wobei sich jeweils an zwei freien, einander gegenüberliegenden Stirn­ seiten eines Elements zwei zur Schwingungsanregung dieses Körpers erforderliche Elektroden befinden. Die Flächennorma­ len der Elektroden weisen jeweils in die Abstrahlrichtung der Elemente. Über eine Platine 4) die mit dem Gehäuse 2 mecha­ nisch verbunden ist, vorzugsweise durch eine Verbindung 7 an einer Berührungsfläche von Platine 4 und Gehäuse 2, werden die von einem nicht dargestellten elektronischen Schaltteil zu den Wandlerelementen führenden Verbindungsleitungen der Einrichtung in das Gehäuse 2 geleitet. Über elektrische Kontakte, die gehäuseseitig auf der Platine 4 vorgesehen sind, und flexiblen elektrischen Zuleitungen 5, die jeweils einen Teil der Verbindungsleitungen bilden, sind die Wand­ lerelemente des Arrays 3 jeweils an der im Inneren des Ge­ häuses 2 liegenden Elektrode jedes Elements mit dem Schalt­ teil elektrisch kontaktiert. In dieser Ausführungsform ist die Kontaktierung des Arrays 2 von Wandlerelementen aufgrund der mechanischen Verbindung platinenseitig zugentlastet.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Array 3 mit dem Gehäuse 2 durch mindestens eine Verbindung mechanisch verbunden und bildet gemäß Fig. 7 zusammen mit dem Gehäuse 2 einen Teil des Wandlerkopfs 23 der Ultraschall-Wandlerein­ richtung. Der Wandlerkopf 23 bildet eine mechanische Einheit, und die in Fig. 1 dargestellten flexiblen elektrischen Zulei­ tungen 5 sind in dieser Ausführung auch seitens des Arrays 3 zugentlastet.

Vorzugsweise befindet sich die Haltevorrichtung 6 am oberen Rand des Gehäuses 2, und ist insbesondere so ausgestaltet, daß eine Fläche 10 des Arrays 3 eine Außenfläche des Wandler­ kopfs 23 bildet. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Haltevorrichtung 6 so ausgebildet, daß das Array 3 im Wesentlichen nur mit den senkrecht zur Abstrahlrichtung des Arrays gerichteten Seiten das Gehäuse 2 bzw. die Haltevorrichtung berührt. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist das Array 3 vorzugsweise so ausgestaltet, daß die vom Gehäuse abgewandte Seite 10 des Arrays 3 eine mindestens einfach konkave Oberfläche aufweist.

Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Wandlereinrichtung sind in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellt. In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist die Haltevorrichtung als Aussparung 61 am Gehäuse 2 ausgebil­ det. Die Aussparung besitzt eine der Größe des Arrays 3 ent­ sprechende Abmessung, so daß die Aussparung 61 wenigstens das Array 3 aufnehmen kann und dieses gegebenenfalls durch Klem­ men oder auch Einschrumpfen paßgenau fixiert. Die Aussparung 61 kann gegebenenfalls auch noch wenigstens eine Verbindung 8 zwischen Array 3 und Gehäuse 2 aufnehmen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Fig. 6 kann zusätzlich ein Halterahmen 62 zur Aufnahme des Arrays vorgesehen sein. Die Aussparung 61 nimmt eine erste Verbindung 8 zwischen Gehäuse 2 und Halterahmen 62 und den Halterahmen selbst auf, welcher wiederum eine zweite Verbindung 9 zwischen Halterahmen 62 und Array 3 aufnimmt.

Vorzugsweise ist die erste Verbindung 8 und/oder die zweite Verbindung 9 als feste mechanische Verbindung nach einem Verfahren oder einer Kombination von Verfahren aus der Gruppe Kleben, Schrauben, Nageln, Klemmen, Einschrumpfen ausgebil­ det. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die erste Verbindung 8 und/oder die zweite Verbindung 9 als Klebung ausgeführt.

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführung kann das Array 3 selbstverständlich aber auch ohne eine Aussparung direkt oder über einen Halterahmen am Gehäuse 2 angebracht sein.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung dieser Aus­ führungsform umfaßt die Berührungsfläche des Arrays 3 mit der Haltevorrichtung 6 am Gehäuse 2 weniger als ein zehntel der Fläche des Arrays.

Vorzugsweise ist die Verbindung 7 zwischen Gehäuse 2 und Platine 4 eine feste mechanische Verbindung nach einem Ver­ fahren oder einer Kombination von Verfahren aus der Gruppe Kleben, Schrauben, Nageln, Klemmen, Einschrumpfen ausgebil­ det. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform Verbin­ dung 7 als Klebung ausgeführt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Wandlereinrichtung ist für die Kontaktierung der Wandlerelemente des Arrays 3 mit flexiblen elektrischen Zu­ leitungen 5 mindestens eine flexible Leiterplatte vorgesehen. Die flexible Leiterplatte besteht dabei aus einem flexiblen, nicht-leitenden Trägermaterial mit einer Stärke von 200 µm oder weniger und einer Vielzahl von darauf aufgebrachten, als elektrische Zuleitungen 5a, . . ., 5n dienende Leitbahnen. Vor­ zugsweise sind die Leitbahnen parallel zueinander angeordnet, oder laufen zum einen Ende der Leiterplatte hin trapezförmig aufeinander zu. In einer besonders vorteilhaften Ausführung beträgt die Stärke des Trägermaterials sogar nur 50 µm oder weniger. Fig. 3 in Verbindung mit Fig. 4 zeigt schematisches ein Beispiel solcherart ausgeführter Zuleitungen 5. Die flexiblen Leiterplatten sind derart kontaktiert, daß jeweils eine ins Innere des Wandlerkopfs weisende Elektrode eines Wandlerelements mit dem entsprechenden Kontakt 42a, . . ., 42n auf der Platine 4 elektrisch verbunden ist. Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß eine akustische Verkopp­ lung der Wandlerelemente bzw. eine Dämpfung der Sendeleistung sowie durch starre elektrische Zuleitungen verursachte Ein­ wirkung mechanischer Spannungen auf das Array vermieden wird. Ferner sind solche flexiblen Leiterplatten bereits handels­ üblich erhältlich. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind somit die Verbindungsleitungen insbesondere im Bereich der flexiblen elektrischen Zuleitungen 5 in automatisierter Weise kontaktiert. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist eine automatische Kontaktierung sämtlicher elektrischer Kontakte der Einrichtung vorgesehen.

In einer anderen, vorteilhaften Ausführung der erfindungs­ gemäßen Wandlereinrichtung sind die flexiblen elektrischen Zuleitungen 5 ein Teil der Platine 4, und die Kontakte 42a, . . ., 42n auf der Platine 4 sind durch galvanische Durch­ kontaktierungen elektrisch jeweils mit den Zuleitungen 5a, . . ., 5n verbunden.

Vorteilhaft läßt sich die Kontaktierung der Verbindungslei­ tungen zumindest teilweise durch ein Verfahren oder eine Kombination von Verfahren aus der Gruppe Laserstrahllöten, Handlöten, Thermodenlöten, Reflow-Löten, Hotair-Löten, Bon­ den, Widerstandsschweißen, Leitkleben ausführen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ultraschall-Wandlereinrichtung geht aus Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 7 hervor. Durch den Verlauf der Verbindungsleitungen auf der Platine 4 wird eine Längsachse L der Platine fest­ gelegt. Durch diese Längsachse L werden Querschnittsflächen 41 durch die Platine 4 definiert, welche als eine gemeinsame Flächennormale die Längsachse L besitzen. Zumindest in einem dem Wandlerkopf 23 zugewandten Teil der Platine 4 ist in dieser vorteilhaften Ausführung die Querschnittsfläche 41 kleiner als jede Querschnittsfläche des Wandlerkopfs 23, welche eine Flächennormale in Richtung der Längsachse (L) besitzt. In einer besonders vorteilhaften Ausführung gilt die obige Größenbeziehung zwischen Querschnittsfläche 41 der Platine 4 und Querschnittsfläche 31 des Wandlerkopfs für die gesamte Platine. In dieser besonderen Ausführungsform ist einzig die Querschnittsfläche 31 des Wandlerkopfs 23 die begrenzende Größe beim Einsatz der Ultraschall-Wandlerein­ richtung unter beengten Platzverhältnissen, beispielsweise also in Öffnungen oder Höhlungen im Körper eines Patienten. Der Wandlerkopf 23 kann bis zu einer nur durch die Länge der Platine vorgegebenen Tiefe in Körperöffnungen eingeführt werden, solange diese eine Mindestweite besitzen, die der Querschnittsfläche 31 des Wandlerkopfs 23 entspricht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dieser erfin­ dungsgemäßen Ausführungsform ist als Platine 4 eine Multi­ layer-Platine vorgesehen. In einer solchen Multilayer-Platine werden bei einer Gesamtzahl von beispielsweise n Leiterbahnen diese auf mehrere Schichten zu in Leiterbahnen aufgeteilt und in einem gemeinsamen mechanischen Körper, aber elektrisch voneinander isoliert entlang der Platine 4 vom einen Ende zum anderen geführt. Die Anzahl in der Leiterbahnen je Schicht in der Multilayer-Platine ist im allgemeinen kleiner als die Gesamtzahl n der Leiterbahnen und vorzugsweise annähernd halb so groß wie n oder kleiner. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung beträgt in nur annähernd ein Viertel von n oder noch weniger. Durch Verwendung einer Multilayer-Platine wird im Vergleich zu einer herkömmlichen Platine in der Ultra­ schall-Wandlereinrichtung eine gleiche Anzahl Verbindungs­ leitungen in wesentlich kompakterer Form vom Wandlerkopf zum Schaltteil oder einem weiteren flexiblen Verbindungsteil am schaltteilseitigen Ende der Platine geführt bzw. es können bei vorgegebenem Platzangebot mit einer Multilayer-Platine wesentlich mehr Verbindungsleitungen geführt werden.

In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Platine in der Einrichtung so angeordnet, daß die Längsachse L der Platine 4, welche durch die Führung der Verbindungsleitungen auf der Platine 4 vorgegeben wird, in Richtung einer der beiden schmäleren Seiten des Arrays 3 weist. In dieser Ausführungsform kann ohne Vergrößerung der Querschnittsfläche 31 des Wandlerkopfs 23 für das Array 3 eine variable Anzahl von Wandlerelementen 3a, . . ., 3n vorge­ sehen werden. Für die Anwendung zu Therapiezwecken wird die Mindestweite für Körperöffnungen und Höhlungen im wesent­ lichen nur durch die Breite des Arrays 3 vorgegeben. Durch die erfindungsgemäße Ultraschall-Wandlereinrichtung werden insbesondere deutlich kleinere Raumbereiche des zu behand­ elnden Körpers zugänglich gemacht und somit neue therapeuti­ sche Möglichkeiten eröffnet.

Claims (17)

1. Ultraschallwandlereinrichtung mit

• a1) einem ein- oder zweidimensionalen Array (3) von Wandler­ elementen (3a, 3b, . . ., 3n), die jeweils einen piezo­ elektrischen Schwingkörper mit an gegenüberliegenden Flächen angeordneten Elektroden aufweisen;
• a2) einem den Wandlerelementen zugeordneten elektronischen Schaltungsteil, sowie
• a3) Verbindungsleitungen von den Elektroden der Wandler­ elemente zu dem elektronischen Schaltungsteil;
  dadurch gekennzeichnet, daß
• b) ein Gehäuse (2) mit einer Haltevorrichtung (6) zur Aufnahme des Arrays (3) vorgesehen ist, welches zusammen mit dem Array Teile eines Wandlerkopfs (23) bildet;
• c) die Verbindungsleitungen über eine Platine (4), die mit dem Gehäuse (2) mechanisch verbunden ist, in das Gehäuse geführt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Array (3) mit dem Gehäuse (2) mechanisch fest verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die elektrische Kon­ taktierung der Wandlerelemente (3a, . . ., 3n) mindestens eine flexible Leiterplatte vorgesehen ist, welche jeweils eine der zwei Elektroden eines Wandlerelements (3a, . . ., 3n) mit entsprechenden Kontakten (42a, . . ., 42n) auf der Platine (4) elektrisch verbindet.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ge­ kennzeichnet durch eine Platine, die

• i) eine durch den Verlauf der Verbindungsleitungen fest­ gelegte Längsachse (L) besitzt;
• ii) zumindest in einem dem Wandlerkopf zugewandten Teil eine Querschnittsfläche (41) aufweist, welche
• a) eine Flächennormale in Richtung der Längsachse (L) besitzt und
• b) kleiner ist als eine Querschnittsfläche des Wandler­ kopfs (23), welche eine Flächennormale in Richtung der Längsachse (L) besitzt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß als Platine (4) eine Multilayer-Platine vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Längs­ achse (L) der Platine (4), welche durch die Führung der Verbindungsleitungen auf der Platine (4) vorgegeben wird, in Richtung einer der beiden schmäleren Seiten des Arrays (3) weist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ge­ kennzeichnet durch eine elektrische Kontaktie­ rung der Verbindungsleitungen zumindest teilweise durch ein Verfahren oder eine Kombination von Verfahren aus der Gruppe Laserstrahllöten, Handlöten, Thermoden-Löten, Reflow-Löten, Hotair-Löten, Bonden, Widerstandsschweißen, Leitkleben.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung der Verbindungsleitungen automatisiert durch­ geführt ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Berüh­ rungsfläche des Arrays (3) mit der Haltevorrichtung (6) am Gehäuse (2) weniger als ein Zehntel der Außenfläche (10) des Arrays (3) umfaßt.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (2) als Haltevorrichtung (6) mindestens eine Aus­ sparung (61) vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Haltevorrichtung (6) als Halterahmen (62) aus­ gebildet ist.

12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Wandlerkopf (23) nach außen weisende Seite (10) des Arrays (3) mindestens einfach konkav ausgebildet ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß daß das Array mit dem Gehäuse durch mindestens ein Verfahren oder eine Kombination von Verfahren aus der Gruppe Kleben, Schrauben, Nageln, Klemmen, Einschrumpfen mechanisch verbunden ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Platine (4) mit dem Gehäuse (2) mechanisch fest verbunden ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß das Array mit dem Gehäuse durch mindestens ein Verfahren oder eine Kombina­ tion von Verfahren aus der Gruppe Kleben, Schrauben, Nageln, Klemmen, Einschrumpfen mechanisch verbunden ist.

16. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Haltevorrichtung (6), dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Array 3 im Wesentlichen nur mit den senkrecht zur Abstrahlrichtung des Arrays gerichteten Seiten das Gehäuse 2 bzw. die Haltevorrichtung berührt.

17. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Zuleitungen 5 ein Teil der Platine 4 sind, und die Kontakte 42a, . . ., 42n auf der Platine 4 durch galvanische Durchkontaktierungen elektrisch mit den Zuleitungen 5a, . . ., 5n verbunden sind.