DE19743336C2 - Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallfeldern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallfeldern, wobei die Erzeugung des Ultraschalls in elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten unter Anwendung des thermohydraulischen Prinzips erfolgt, mit wenigstens zwei Elektroden, die ein Volumen mit einem Elektrolyten einschlie­ ßen und von einem Leistungsimpulsgenerator angesteuert wer­ den, und mit einer Schallgeberoberfläche.

Ultraschall wird auf vielen Gebieten der Technik und weiter­ hin speziell in der Medizin angewendet. Beispiele für letzte­ re Anwendungen sind bildgebende Diagnoseverfahren in der Me­ dizin, wie die Ultraschalluntersuchung von inneren Organen und Föten. Beispiele für die allgemeine Technik sind die Riß- Bruchstellenlokalisierung hochbeanspruchter Teile oder Sonar­ verfahren. Daneben finden speziell intensive fokussierte Ul­ traschallfelder in jüngerer Zeit Anwendung bei Hyperthermie­ verfahren in der medizinischen Behandlung und in der Chirur­ gie. Voraussetzung ist dabei jeweils eine hohe räumliche Auf­ lösung bzw. eine gute Fokussierbarkeit. Dafür müssen Hochfre­ quenzen im Bereich oberhalb MHz bei zeitlich gemittelten Schalleistungen von einigen Watt bis zu einigen 100 W erzeugt werden. Die Qualität der Wellenfront des Ultraschallfeldes spielt dabei eine große Rolle für die Auflösung bzw. Fokus­ größe.

In der Praxis eingeführte Systeme nutzen vorwiegend piezo­ elektrische Schallwandler, die gut zur Erzeugung ebener Wel­ lenfronten geeignet sind. Dabei erfolgt eine Fokussierung entweder durch akustische Linsen oder aber durch spezifische Formgebung der Schallgeber. Bekannt sind auch mehrdimensiona­ le Arrays, die beispielsweise als phasengesteuerte Anordnungen (Phased Arrays) entwickelt wurden, bei denen die einzel­ nen Elemente unabhängig voneinander angesteuert werden kön­ nen, um Fokuslage und -größe gezielt durch Änderung elektri­ scher Parameter zu steuern.

Aus der EP 0 336 086 A2 ist ein mikromechanischer Schallgeber bekannt, bei dem in ein Substrat eingebettet eine Anzahl von Mikromembranen in vorbestimmter Anordnung direkt einzeln, parallel oder seriell zur Abstrahlung von Ultraschall ansteu­ erbar sind. Weiterhin ist aus der DE 27 32 855 C2 ein Ultra­ schallgenerator mit einer Schicht zur Anregung elastischer Wellen und einem mit dieser Schicht akustisch gekoppelten Ausbreitungsmedium für die Wellen bekannt, bei dem die vom Ausbreitungsmedium abgewandt liegende, an sich freie Oberflä­ che der Anregungsschicht akustisch festgespannt ist. Damit soll der Wirkungsgrad des Ultraschallgenerators erhöht wer­ den, wobei vorteilhaft herausgestellt wird, daß die erzeugte akustische Energie innerhalb des Mediums, an das sie übertra­ gen wird, erhalten bleibt und zum Auskoppeln an dem Ausgang verfügbar ist.

Die vorbekannten Anordnungen sind vergleichsweise komplex aufgebaut, wobei die Lebensdauer der Schallwandler und die erreichbaren Amplituden zu wünschen übrig lassen.

Mit der älteren, nichtvorveröffentlichten DE 197 02 523 A1 wurde bereits vorgeschlagen, das thermohydraulische Prinzip zur Erzeugung intensiver Druckpulse in Flüssigkeiten zur Ge­ nerierung von Ultraschallwellenfelder auszunützen. Dabei wird eine zwischen zwei Elektroden liegende Elektrolytschicht durch einen Leistungsimpuls kurzer Dauer aufgeheizt und auf­ grund der mit der Aufheizung verbundenen Volumenausdehnung des Elektrolyten in das angrenzende Medium eine intensive Druckwelle abgestrahlt. Durch Erzeugung einzelner Druckpulse nach diesem Verfahren ist es möglich, ebene oder nahezu beliebig geformte Wellenfronten mit Amplituden von mehreren MPa zu erzeugen. Dazu sind allerdings elektrische Pulse mit Spit­ zenleistungen im Bereich von etwa 100 MW notwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit dem vorgeschlagenen Verfah­ ren eine praxisgerechte Vorrichtung aufzubauen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die eine Elektrode eine großflächige Trägerelektrode ist und daß über dem Elek­ trolyten auf einer Trägerfolie, die gleichermaßen die Schall­ geberoberfläche bildet, diskrete Steuerelektroden in jeweils definierter Begrenzung und mit im Vergleich zu ihren Querab­ messungen geringem Abstand von der Trägerelektrode angeordnet sind, wodurch das vom Leistungsimpulsgenerator aufzuheizende Volumen des Elektrolyten derart begrenzt wird, daß die aufzu­ bringende elektrische Leistung von Halbleiterschaltelementen beherrschbar ist. Die Schallgeberoberfläche kann dabei vor­ zugsweise entweder als zweidimensionales Array mit definier­ ten Arrayelementen oder aber auch als eineinhalbdimensionale Anordnung von Arrayelementen vorgesehen sein.

Wesentlich ist bei der Erfindung, daß die Schallgeberoberflä­ che so strukturiert ist, daß die einzelnen Elemente entspre­ chend kleine Abmessungen aufweisen. Solche Elemente werden auch als "Actels" (actuator-elements) bezeichnet. Durch An­ wendung hoher Pulswiederholraten kann damit ein Ultraschall­ feld hoher mittlerer Leistung erzeugt werden. Besonders vor­ teilhaft ist, daß eine Schallwellenfront durch gezielte An­ steuerung der einzelnen Actels nahezu beliebig geformt werden kann. Die mittlere, im Elektrolyten dabei umgesetzte Ver­ lustwärme kann durch Kühlung abgeführt werden, so daß über längere Anwendungszeiten stabile Verhältnisse vorliegen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei­ spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentan­ sprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung

Fig. 1 die Funktionsweise eines einzelnen Actels,

Fig. 2 eine ebene Anordnung eines zweidimensionalen Arrays aus N × M Elementen,

Fig. 3 die Draufsicht eines eineinhalbdimensionalen Arrays zur Erzeugung zylindrischer Wellenfronten,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Anordnung gemäß Fig. 3 ent­ lang der Linie IV-IV,

Fig. 5 ein eineinhalbdimensionales Array zur Erzeugung sphä­ rischer Wellenfronten.

Fig. 6 einen Schnitt durch eine Anordnung gemäß Fig. 5 längs der Linie V-V.

In den Figuren haben gleiche bzw. gleichwirkende Teile sich entsprechende Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise ge­ meinsam beschrieben.

In Fig. 1 ist eine Trägerelektrode 1 dargestellt, die eine akustisch harte, das heißt reflektierende Elektrode definiert. Im Abstand davon ist eine dünne, akustisch transparen­ te membranartige Elektrode 3 angeordnet, welche die Steuere­ lektrode bildet. Zwischen den Elektroden 1 und 2 ist ein Elektrolyt 2 eingebracht, wobei der Abstand zwischen den Elektroden 1 und 3 und damit auch das Volumen des Elektroly­ ten 3 durch einen Abstandshalter 11 definiert ist. Über der zweiten Elektrode 3 ist im vorliegenden Fall eine Trägerfolie 12 angebracht, von dar der erzeugte Ultraschall in ein Schallausbreitungsmedium 4 gelangt. Mit 5 ist ein Leistungs­ impulsgenerator und mit 6 ein Schaltelement bezeichnet.

Durch die Fig. 1 ist ein sogenanntes "Actel" (actuator ele­ ment) definiert. Durch die Aufheizung der Elektrolytschicht 3 durch einen Stromimpuls der Spannungsquelle 5 dehnt sich der Elektrolyt 2 aus und beschleunigt dabei die metallisierte Trägerfolie 12 in das Ausbreitungsmedium 4 hinein. Dadurch wird in diesem Medium 4 eine intensive Schallwelle erzeugt. Durch weitere angrenzende Actels ergibt sich insgesamt eine überlagerte Schallwellenfront.

Das in Fig. 1 dargestellte Actel nutzt also das thermoelek­ trische Prinzip aus, das im einzelnen in der älteren, nicht­ vorveröffentlichten DE 197 02 593 A0 beschrieben ist. Dort ist auch insbesondere der physikalische Zusammenhang zwischen Energieaufwand und erzeugter Druckamplitude eines Actels be­ schrieben.

In Fig. 2 ist ein zweidimensionales (2D-)Array dargestellt, das aus einzelnen Actels gemäß Fig. 1 besteht. Eine durchge­ hende Trägerelektrode 21 ist hier mit einer Trägerfolie 22 mit metallischen Bereichen 23 als Steuerelektroden bedeckt, wobei zwischen den Elektroden 21 und 23 ein Elektrolyt ent­ sprechend Fig. 1 angeordnet ist. Es werden somit einzelne Actels 20, 20', 20" . . . definiert. Bei typischen Abmessungen von 1 × 1 mm Seitenlänge und einem Abstand der Elektroden 21 und 23 von 100 µm für eine Leitfähigkeit des Elektrolyten von 0,5 Ωm erhält man einen Widerstand von ca. 50 Ω. Bei einem Energieeintrag pro Actel von ΔE = 1 mJ benötigt man somit eine Spitzenleistung von 5 kW für eine Pulsdauer von 0,4 µs. Der Strom beträgt dabei etwa 10 A bei einer Spannung von 500 V. Diese Anforderungen werden von heutzutage üblichen Halblei­ terschaltelementen, wie Transistoren oder Thyristoren, be­ herrscht. Beispielhaft ist in Fig. 1 das Schaltelement als Feldeffekttransistor ausgeführt. Es sind auch andere Halblei­ terschalter möglich. Die damit erzeugte Druckamplitude ist beispielsweise bei Ethylenglykol als Elektrolyt typisch etwa 1 bar.

Mit einer Anordnung gemäß Fig. 2 ist es möglich, pro Actel eine typische mittlere Leistung von 10 W bei einer Impulswie­ derholrate von 10 KHz zu erreichen. Bei der Arrayanordnung muß die Ansteuerung der einzelnen Actel 20, 20', 20" . . . si­ multan, aber unabhängig voneinander erfolgen. Ähnlich wie bei flachen Flachbildschirmen kann dazu beispielsweise ein Teil der Ansteuerelektroden mit Treibertransistoren oder einer Di­ odenmatrix direkt auf die Trägerelektrode 21 mit integriert werden.

In den Fig. 3 bis 6 sind jeweils sogenannte eineinhalbdi­ mensionale (1,5D-)Arrays dargestellt. Dabei dient das Array gemäß Fig. 3 zur Erzeugung von zylindrischen Wellenfronten, wozu auf der schallharten Elektrode 31 mit Elektrolyten 2 streifenförmige Steuerelektroden 33, 33', 33" . . . auf einer gemeinsamen Trägerfolie 32 aufgebracht sind. Nicht gezeigt sind in dieser Figur der Abstandshalter zur Definition des Abstandes zwischen der Trägerelektrode 31 und der Trägerfolie 32 mit den aufmetallisierten Steuerelektroden 33.

Eine entsprechende Anordnung ist in Fig. 5 zur Erzeugung von sphärischen Wellenfronten dargestellt. In diesem Fall ist die Trägerelektrode 51 kreisförmig ausgebildet, wobei speziell die auf der Trägerfolie 52 aufmetallisierten Steuerelektroden 53, 53', 53" . . . ringförmig ausgebildet sind. Die Begren­ zungselemente sind wiederum nicht dargestellt.

Die Schnittdarstellungen gemäß den Fig. 4 und 6 sind im vorliegenden Fall für die Ausführungsformen gemäß Fig. 3 und Fig. 5 identisch. In beiden Fällen ist auch die Ansteuerung der Steuerelektroden gleich, wozu jeweils der gemeinsamen Spannungsquelle 5 einzelne Schaltelemente 6, 6', 6" . . . zuge­ ordnet sind.

Über die Schaltelemente 6, 6', 6" . . . sind die Steuerelektro­ den 33 bzw. 53 gemäß Fig. 3 bzw. Fig. 5 jeweils separat und gleichzeitig adressierbar. Es ist auch ein Verzögertes An­ steuern der einzelnen Steuerelektroden möglich, wobei kon­ stante Zeitdifferenzen beispielsweise die Funktionweise eines "Phased Array" erreicht wird.

Speziell für eine Anordnung gemäß Fig. 3 kann im einzelnen gezeigt werden, daß bei einer Actel-Länge von 50 mm, sowie einer Breite von 1 mm und einem Elektrodenabstand von 0,1 mm man bei 1,2 MHz Anregungsfrequenz ca. 50 mJ pro Actel für ei­ ne Druckamplitude von 1 bar benötigen würde. Der dazu notwen­ dige Spitzenstrom von etwa 500 A kann aufgrund der kurzen Pulsdauer von modernen Hochleistungshalbleitern getragen wer­ den. Dies gilt insbesondere auch für eine Anordnung gemäß Fig. 5. Bei den beiden Anordnungen gemäß Fig. 3 oder Fig. 5 werden im Vergleich zu Fig. 2 deutlich weniger Actels und damit auch weniger Schaltelemente benötigt.

Da bei den Anordnungen gemäß Fig. 2, Fig. 3/4 und Fig. 5/6 jeweils streifenförmig metallisierte Kunststoffolien verwendet werden können, ist in allen Fällen eine kostengünstige Bauweise möglich. Es ist auch eine gekrümmte Oberfläche rea­ lisierbar.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallfeldern, wobei die Erzeugung des Ultraschalls in Flüssigkeiten unter An­ wendung des thermohydraulischen Prinzips erfolgt, mit wenigstens zwei Elektroden, die ein Volumen mit einem Elektrolyten einschließen und von einem Leistungsimpuls­ generator angesteuert werden, und mit einer Schallgeber­ oberfläche dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode eine großflächige Trägerelektrode (1, 21, 31, 51) ist und daß über dem Elektrolyten (2) auf einer Trägerfolie (12, 22, 32, 52), die gleichermaßen die Schallge­ beroberfläche bildet, diskrete Steuerelektroden (3; 23, . .; 33, . .; 53, . .) in jeweils definierter Begrenzung und mit im Vergleich zu ihren Querabmessungen geringem Abstand von der Trägerelektrode (1, 21, 31, 51) angeordnet sind, wodurch das vom Leistungsimpulsgenerator jeweils aufzuheizende Volumen des Elektrolyten (2) derart begrenzt wird, daß die aufzubrin­ gende elektrische Leistung von Halbleiterschaltelementen (6) beherrschbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schaltelemente Thyristo­ ren (6) oder Transistoren, beispielsweise Feldeffekttransi­ storen, sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schallgeberoberfläche als zweidimensionales (2D-)Array mit definierten Array-Elementen (20, 20', 20" . . .) strukturiert ist, die einzeln ansteuerbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schallgeberoberfläche (22) als phasengesteuertes Array (20) strukturiert ist, wobei

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Erzeugung von zylindrischen oder sphärischen Wellenfronten eine eineinhalbdimensionale (1,5D-)Anordnung von Arrayelementen vorgesehen ist, die einzeln ansteuerbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Array- Elemente (20, 20', 20" . . .) auf einer gekrümmten Oberfläche angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß eine An­ steuerelektronik vorhanden ist, mit der die Ansteuerung der einzelnen Array-Elemente (20, 20', 20" . . .) gleichzeitig, aber unabhängig voneinander erfolgt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß eine An­ steuerelektronik vorhanden ist, mit der die Ansteuerung der einzelnen Array-Elemente (20, 20', 20", . .) mit vorgebbaren Zeitdifferenzen erfolgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Teil der Ansteuerelektronik, wie Treibertransistoren oder eine Dioden­ matrix, direkt auf der Trägerelektrode (1, 21, 31, 51) inte­ griert ist.