DE2249091A1 - Verfahren und vorrichtung zur fokussierung von ultraschallwellen in einer brennlinie - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur fokussierung von ultraschallwellen in einer brennlinie

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    • H04B11/00—Transmission systems employing sonic, ultrasonic or infrasonic waves

Description

F. Hoffinann-La Roche & Co. Aktiengesellschaft, Basel/Schweiz
Verfahren und Vorrichtungrzur Fokus siejrun^jy-pn. IJltra-· Schallwellen in einer Brennlinie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fokussierung von Ultraschallwellen in einer Brennlinie,
Ultraschallmethoden gewinnen in Technik und Medizin ständig an Bedeutung, so z.B. in der Materialprüfung oder in der medizinischen Diagnostik. Ein bekanntes Verfahren ist das Echolotverfahren, bei dem von einem Schallkopf ein Ultraschall- · impuls ausgesendet und der an einem Hindernis reflektierte Impuls von einem anderen oder von demselben Schallkopf empfangen wird. Aus der Zeit die verstreicht, bis das Echo empfangen wird, kann die Distanz zwischen Sender/Empfänger und dem reflektierenden Objekt bestimmt werden.
Ein Mass für die Genauigkeit eines Bcholotverfahrens ist das longitudinale, d.h. in Richtung der Schallstrahlen bestehende und das laterale, d.h.'das zum ersteren senkrechte
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Auflösungsvermögen. Bei Vervrendung eines einfachen üblichen V/andlers läset sich eine relativ gute longitudinale Auflösung erzielen, jedoch ist wegen des relativ grossen Durchmessers des Ultraschallstrahls die laterale Auflösung ungenügend. Wird der Durchmesser des Schallkopfes kleiner gemacht, so hat der Strahl infolge von Beugungserscheinungen eine grosse Divergenz. Eine Verbesserung lässt sich dadurch erzielen, dass man den Strahl schwach fokussiert, so dass sein Durchmesser in der Kitte des zu beobachtenden Objektes minimal wird. Der minimale Durchmesser darf jedoch nicht zu klein gewählt werden, weil sonst wiederum die Divergenz des Strahls zu gross wird. Typischerweise erhält man einen Strahldurchmesser von 1 bis 2 ein, wenn mit einer Frequenz von 2 MHz über eine Tiefe von 20 cm beobachtet werden soll.
Eine wesentlich bessere laterale Auflösung erreicht man, wenn man den Ultraschallstrahl mit einem System grosser Oeffnung fokussiert. Die laterale Auflösung kann dann in der Grössenordnung der Wellenlänge liegen, also bei 2 EHz ca. 0,75 mm betragen. Diese gute laterale Auflösung wird jedoch nur über eine sehr geringe Tiefe, d.h. ebenfalls ungefähr eine Wellenlänge, erreicht.
Es ist also ersichtlich, dass der Machteil der bisher bekannten Echolotverfahren darin besteht, dass eine Verbesserung der lateralen Auflösung immer mit einer Verringerung der Tiefe, über die sie erreichbar ist, einhergeht.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine gute Bündelung des Schallfeldes und damit eine gute laterale Auflösung über eine groose Tiefe zu erreichen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass ein mindestens teilweise konvergentes Ultraschallfeld mit ring-
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förmigem Querschnitt erzeugt wird.
Ein solches Schallfeld wird vorzugsweise mit einer
Ultraschalloptik erzeugt, die mindestens eine rotationssymmetrische, nicht-sphärische Reflexions- oder Refraktionsflache aufweist. Als rotationssymmetrischey nicht-sphärische Flächen kommen beispielsweise konische oder zylindrische- Flächen oder Kombinationen von solchen mit Kugelflachen in Präge, Da akustische Linsen meist stark reflektieren oder absorbieren, verwendet man mit "Vorteil reflektierende Flächen, d.h. akustische Spiegel.
Ein solches Schallfeld kann ausserdem mit einem ringförmigen Sendewa.ndler erzeugt werden, wobei der Empfangswandler zweckmässigerweise ebenfalls ringförmig ist und gegebenenfalls der Sendewandler auch zum Empfang eingesetzt wird.
Im folgenden sind anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen:
Fig, I einen Ultraschallkopf mit einer einen nichtsphärischen Spiegel enthaltenden Optik,
Figj^J? eine Anordnung mit einem Hohlzylinder als Ojjtik in schematischer Darstellung und
Ρΐ£_£_2. einen ringförmigen Ultraschallwandler mit
konischer Abstrahlungsflache im Schnitt.
Der in Fig. 1 gezeigte Ultraschallkopf enthält einen
Ultraschallwandler 1, der in einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 2 angeordnet ist. Als Ultraschallvrandler kommt ein
handelsübliches Produkt in Frage. Im vorliegenden Fall beträgt der Durchmesser des piezoelektrischen Kristalls des Wandlers
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ca. 20 min. Der Wandler 1 wird durch eine Befestigungshülse 3 und einen Absatz 4 der Gehäuseinnenwand festgehalten. Zu diesem Zweck und um den Ausbau des Wandlers 1 zu gestatten, ist die Hülse 3 durch ein Gewinde mit dem Gehäuse 2 verbunden. Auf der der Befestigungshülse gegenüberliegenden Seite ist das Gehäuse mit einer UIt ra se hall Sc?jiime !linse 5 abgeschlossen. Die Linse 5 besteht, aus einem für Ultraschall-Linsen geeigneten Material, im vorliegenden Pall avis Acrylglas, Sie ist so angeordnet, dans der Wandler 1 in seiner fixierten Position durch eine Schicht 6 eines Ultraschallkopplungsmittels, z.B. Silikonfett, direkt an sie angekoppelt ist.
Auf der gleichen Seite ist das Gehäuse 2 durch ein auf seiner Aussenv/and vorgesehenes Gewinde mit einer im wesentlichen kreisförmigen Trägerplatte 7 verbunden.
Die Trägerplatte 7 hat einen Durchmesser von ca. 135 mm und weist im Abstand \ron etwa 7 mm von ihrem Umfang einen umlaufenden Vorsprung 8 auf. DerVorsprumg 8 dient als Auflage für einen Ultraschallspiegel 9, der durch einen mit der Trägerplatte verschraubten Ring 10 gehalten wird. Der Ultraschallspiegel 9 ist als Hohlspiegel ausgebildet und besitzt eine nichtsphärische, um eine Achse rotationssyuMütrisehe Spiegelfläche·. Im vorliegenden Pail hat die Spiegelfläche eine aus der Kombination einer Kegelfläche und einer Kugelfläche gebildete Form. Der Spiegel 9 besteht aus einem geeigneten, Ultraschall reflektierenden Material, z.B. aus Messing. In Abstand von ca. 75 ram vom Kristall des Wandlers 1 ist ein weiterer Ultraschallspiegel 11 angebracht. Dieser Spiegel. 11 hat etwa den gleichen Durchmesser wie der Kristall und eine sphärische Oberfläche. Er besitr.t einen zylindrischen Ansatz 12 mit dem er mittels einer Stellschraube 14 in einem Haltering 13 Gefestigt ist. Der Haltering 13 ist mittels Streben 15 mit dem Ring 10 verbunden. Der Spiegel 11 besteht ebenfalls aus Hessin^:, während die übrigen
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Befestigungsteile und das Wandlergehäuse beispielsweise aus Aluminium gefertigt sind.
Ein vom Wandler ausgestrahlter Schallimpuls wird durch die Linse 5 fokussiert, vom sphärischen Spiegel 13. aufgeweitet und darm vom Spiegel 9 erneut fokussiert. Durch die nichtsphärische Form des Spiegels 9 entsteht anstelle eines Brennpunktes eine Brennlinie. In einem Punkt dieser Brennlinie wird die von einem ringförmigen Bereich des Spiegels 9 reflektierte Ultraschallenergie fokussiert, d.h. jedem Punkt der Brennlinie entspricht eine ringförmige Apertur der Optik. Durch diese Art der Fokussierung in einer Brennlinie ergibt sich eine enge Bündelung über die ganze Länge dieser Brennlinie und damit die Möglichkeit einer guten lateralen, bei gleichzeitiger guter longitudinaler Auflösung.
Neben der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung sind vielfältige weitere Ausführungsformen möglich. So sind Modifikationen denkbar durch Veränderung des Strahlengangs vom Ultraschallwandler bis zum Spiegel 9» Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Spiegel 9 sphärisch und den Spiegel Il nicht-sphärisch zu machen oder auch beide Spiegel 11 und 9 nicht-sphärisch zu wählen. Ferner kann anstelle des nichtsphärischen Spiegels auch eine akustische Linse mit einer nichtspharischenRefraktionsflache verwendet werden.
Neben diesen Modifikationen der in Fig.. 1 gezeigten Anordnung sind auch von diesen stark abweichende Ausführungsformen möglich. In Fig. 2 ist ein Hohlzylinder 16 als Ultraschällspiegel gezeigt, mit dem ebenfalls eine Fokussierung in einer Brennlinie erzielt werden kann. Ein Ultraschallwandler ist koaxial mit dem Hohlzylinder 16 angeordnet und weist zweck*, mässigerweise eine Zerstreuungslinse 18 auf. Die von ihm aus-.-gehenden .Ultraschallstrahlen 19 werden an .der Innenwand des Hohlzylinders 16 reflektiert» Alle an einem inneren Umfangkreis
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reflektierten'Ultraschallstrahlen schneiden sich in einem Punkt der Zylinderachse.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung eines rotationssymniGtrischen und konvergenten Schallfeldes stellt der in Pig. gezeigte ringförmige V/andler dar. Dieser "besitzt ein ringförmiges Gehäuse 21 mit einem im wesentlichen U-förmigen Querschnitt, wobei die Symmetrieachse der Querschnxttsflache gegen die Ringachse geneigt ist und diese in einem bestimmten Abstand, beispielsweise 12 cm, schneidet. Die offene Seite des U~förmigen Querschnitts ist diesem Schnittpunkt und damit der Ringachse zugewandt. In der ringförmigen Vertiefung des Gehäuses befindet sich ein ringförmiger Dämpfujigsblock 24 aus Epoxyharz/ Wolfram, der durch Korkplatten 22 akustisch vom Gehäuse isoliert ist. Auf der der offenen Seite des Gehäuses zugewandten Oberfläche des Dämpfungsblocks 24 sind mehrere, im vorliegenden Falle vier, zusammen einen Ring bildende flache Segmente 23 aus einem piezoelektrischen Material angebracht, die mit einer zur Anpassung an Wasser dienenden Schicht 25 aus Epoxyharz abgedeckt sind. Die Schicht 25 dient gleichzeitig zum mechanischen Schutz des aus den Segmenten 23 gebildeten piezoelektrischen Schwingers. Zu jedem der Segmente führt von der Rückseite durch geeignete Bohrungen im Gehäuse 21 und im Dämpfungsblock 24 eine elektrische Zuleitung 26.
Die vom piezoelektrischen Schwinger ausgesendeten Ultraschallwellen bilden ein ringförmiges Bündel, das in einer bestimmten Entfernung vom Ultraschallwandler auf der Ringachse in einer Brennlinie fokussiert. Die Länge der Brennlinie bestimmt die Tiefe, über die eine gute laterale Auflösung erreicht wird. Die Länge der Brennlinie und ihr Abstand vom Ultraschallwandler muG3 daher so gewählt werden, dass das zu beobachtende Objekt über die ganze Tiefe ausgeleuchtet wird. Der Abstand der Brennlinie vom Ultraschallwandler bestimmt sich im wesentlichen
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durch die Heigung des piezoelektrischen Schwingers 23 gegen.die Ringachse. Die Länge der Erennlinie wird vor allem durch die Breite des ringförmigen piezoelektrischen Schwingers bestimmt.
Es ist günstig, wenn die Ultraschallwandlereinrichtung, die den Sendewandler enthält, eine grosso Apertur von "beispielsweise mehr als 6° hat. Dabei ist unter Apertur das Verhältnis des mittleren Ringdurchmessers zum mittleren Abstand der Brenn™ linie vom Ring au verstehen»
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Claims (14)

1 ./Verfahre n zur Fokussierung von Ultraschallwellen in einer Brennlinie, dadurch gekennzeichnet, dass ein mindestens teilweise konvergentes Ultraschallfeld mit ringförmige*. Querschnitt erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet.
dass das Ultraschallfeld mittels einer Ultraschalloptik mit mindestens einer rotationssymmetrischen, nicht-sphärischen Reflexions- oder Refraktionsfläche erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallfeld mittels eines ringförmigen Sendewandlers erzeugt wird.
4. Vorrichtung zur Erzeugung von in einer Brennlinie fokussierenden Ultraschallwellen, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Element zur Aussendung eines mindestens teilweise konvergenten Ultraschallfeldes mit ringförmigem Querschnitt enthält.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, zur Fokussierung von
Ultraschallwellen in einer Brennlinie, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Ultrasehalloptik mit mindestens einer rotationssyrnnetri sehen, nicht-sphärischen Reflexions- oder Rcfraktionra-fläche enthält,
6. Vorrichtung nach Ansprach 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallopt.i.k einen akustischen. Spiegel in Form einer Kreiskegelfläche aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschalloptik mindestens eine akustische Linse mit mindestens cirjor Kreiskegelflache aufweist.
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.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet, uäöö die ülträüGXiulloptik eine Reflektionsfläche in JJOrra eines Hohlzylinders aufweint,
9* Vorrichtung nach Anspruch 4S dadurch gekennzeichnet, dass sie sum Sendern der Ultraschallwellen einen ringförmigen Wandler enthält.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet," dass auch zum .SnipiYmg der Ultraschallwellen ein ringförmiger Wandler vorgesehen ist,
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Sendewandler gleichzeitig als Empfangs,-wandler dient.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Apertur des Wandlers grosser als 6° ist,
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 Ms 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstrahlungsfläche des Wandlers gegen die Ringachse geneigt ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 Ms 13, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Wandler aus mehreren Wandlerolementen zusammengesetzt ist.
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DE19722249091 1971-10-07 1972-10-06 Ultraschallwandler für Echolotungen in Technik und Medizin Expired DE2249091C3 (de)

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