DE2337863C2 - Akustische Linsenanordnung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine akustische Linsenanordnung mit mindestens zwei im Abstand angeordneten Schallwellen-Linsen und einem im Zwischenraum zwischen denselben angeordneten flussigen Füllmedium der im Oberbegriff des Patentanspruches I ⁴"> genannten Gattung.

Eine derartige Anordnung ist bereits bekannt (DE-OS 42 425). Hierbei werden elastisch dehnbare Linsen verwendet, die aus dünnen aus Polymerfilm bestehenden Membranen zusammengesetzt sind, wobei je eine ^w Flüssigkeit vor der Membran und hinter der Membran Vorgesehen sind und die Flüssigkeiten unterschiedliche Ultraschall-Fortpflanzungsgeschwindigkeiten aufweilen. Das Produkt aus der Dichte und der Fortpflantungsgeschwindigkeit des Umgebungsmediums ist gleich dem Produkt aus der Dichte und der Fortpflantungsgeschwindigkeit der Linse. Es hat sich jedoch gezeigt, daß derartige bekannte Linsenanordnungen tioch nicht den hohen Anforderungen entsprechen, die keim zerstörungsfreien Abbilden bzw. Prüfen von Insbesondere lebenden menschlichen Organen, beispielsweise einem Herzen, in der Ultraschallabbildungs· technik gestellt werden. Erwünscht wird nämlich ein »akustisches Bild« mit einem Minimum an Verzerrung und Verlust akustischer Energie.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Lösung dieses Problems auf konstruktiv einfache Weise, ohne daß die Anwendbarkeit der Linsenanordnung auf die Abbildung lebender Organismen beschränkt ist

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beanspruch und in Unteransprüchen sind weitere Ausbildunge bzw. Verbesserungen derselben genannt

Die erfindungsgemäße Linsenanordnung ermöglich! bei Aufrechterhaltung der erwünschten Ablenkungs beispielsweise Fokussierungseigenschaften gegenübe] Schallwellen, die Kurvenradien der Linsen um ei solches Maß zu vermindern, daß Modusumwandlunge an den Grenzflächen im wesentlichen verhinderl werden. Dies ist möglich, obwohl feste Linse verwendet werden können.

Durch geeignete Auswahl der relativen Fortpflan Zungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen in de Linsenanordnung, dem flüssigen Umgebungsmediuni und dem flüssigen Füllmedium wird der Krümmungsra dius der festen Linsenelemente erheblich vergroße Dies geschieht in einem solchen Maße, daß ein Umsetzung der Schwingungsart an den Grenzfläche zwischen flüssigen und festen Materialien im wesentli chen eleminiert wird, während die erforderlich Abbildungs- oder Fokussierungsfunktion erfüllt wird, treten dann auch nicht die bisher üblichen Probleme aul die bei einem Einfallswinkel der Druckwelle vorhande sind, der von der Senkrechten auf die Oberfläche de festen Körpers abweicht und beim Stand der Technik zi einer Umsetzung eines großen Teils der Druckwelle ScherungsweU?nenergie Anlaß gao.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werdei die Linsenelemente so gewählt daß die Fortpflanzung: geschwindigkeit der akustischen Wellen in diese; Elementen größer als die Fortpflanzungsgeschwindig keit der akustischen Wellen in dem die Linsenanora nung umgebenden Übertragungsmedium ist; das Füll medium wird so gewählt daß die Fortpflanzungsge schwindigkeit der akustischen Wellen kleiner als ihn Geschwindigkeit in dem Umgebungsmedium ist

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nul anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen

F i g. 1 und 2 senkrechte I^ängsschnitte durch di Mitte von Linsen, wobei cas erfindungsgemäß Konzept bei zwei verschiedenen Linsenanordnunge dargestellt ist.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer kombi nierten akustischen Linsenanordnung ist in Fig. gezeigt. Die Fokussierungswirkung für die dargestellt akustische Linse wird durch zwei feste Linsenelement« 10,12 erzielt die beide eine bikonkave Form haben uni die an ihrem Außenumfang miteinander verbunden sind so daß eine Kammer 13 zwischen ihnen gebildet wird Die Kammer 13 ist mit einem flüssigen Füllmedium 1 gefüllt. Die Linsenanordnung ist für die Verwendung ii einem flüssigen Medium vorgesehen. Daher ist sie ii einem im wesentlichen zylindrischen Rohr 15 (das ai beiden Enden geschnitten gezeigt ist) -mtergebracht da: das flüssige Medium 16(das sogenannte Umgebungsme dium) enthält.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist daj Material der Linsenelemente 10,12 so gewählt, daß dia Geschwindigkeit der akustischen Wellen in denselberj groß im Vergleich zu der Geschwindigkeit diese Wellen in dem Umbegungsmedium ist, was zu de konkaven oder bikonkaven Linsenkonfiguration führ Diese Konfiguration wird bevorzugt, da sich di Fachleute für den Entwurf akustischer Linsen (T. Tar noczy, Ultrasonics, Juli —September 1964, 1965, Seite 115—127 und »The aberrational Characteristics ο Acoustic Lenses«, BD. Tartakovskii, Soviet Phisics

Acoustics, Bsnd8, Nr. 3, ja.-.uar—März '953) darüber einig sind, daß eine konkave Linse (beschleunigende akustische Linse) weniger Aberration und Reflexion als eine konkave (abbremsende) Linse erzeugt. Daher ist es besser, Linsen aus Substanzen herzustellen, in denen die Fortpflanzungsgeschwindigkeit größer ist als in der Umgebung.

Um den gewünschten Fokussierungseffekt zu erzeugen, soll der Krümmungsradius der konkaven Linsenflächen, d. h. der Oberflächen der konkaven Linsenelemente 10, 12 im allgemeinen recht kurz sein und sollen die Oberfläche ^iJiS Linsenelementes 10, 12 eine große Krümmung haben. Wenn Schallwellen zwischen einer Flüssigkeit und einem festen Körper unter einem Winkel, d. h. nicht senkrecht, übertreten, werden bekanntlich Scherungswellen zusätzlich zu den longituinalen Wellen in dem festen Körper erzeugt Dieses Phänomen wird als Umsetzung der Schwingungsart bezeichnet Bei der Erfindung wird das Maß der Umsetzung der Schwingungsart reduziert, während dennoch die Brechung verwirklicht wird, die für eine ordnungsgemäße Fokussierungswirkung erforderlich ist.

Tatsächlich vermindert diese Linsenanordnung alle die bekannten Mangel akustischer Linsen, die bestehen in:

Energieverlust aufgrund der Umsetzung der Schwingungsform. Energieabsorption der Materialien, Aberration und Abbildungsfehler, die durch innere Aufheizung verursacht werden.

Die Energieabsorption wird teilweise durch die geschickte Auswahl des Materials für die festen Linsenelemente 10, 12 auf ein Minimum herabgesetzt. Beispielsweise wird Polystyrol wegen seiner geringen Schallabsorption, d. h. klein im Vergleich zu Materialien, wie Polymethylmethacrylat und Glas, und auch wegen ieiner geringen Reflektivität in Wasser als Linsenmate-•iai gewählt Die Aberration wird durch Designparameier und die Verwendung der beschleunigenden Linseninordnung auf ein Minimum herabgesetzt

Anordnungen ge~iäß der Erfindung gestatten eine Verringerung der Krümmung der Linsenelemente, die 'Qr die Fokussierung erforderlich ist. Auf diese Weise werden der Energieverlust und die interne Aufheizung tufgrund der Schwingungsarten-Umsetzung und Abiorption auf ein Minimum herabgesetzt. Ferner wird lurch Verringerung der erforderlichen Lnsenkrümnung die Dicke der Linsenelemente verkleinert woraus »ich eine weitere Verringerung der Energieabsorption irgibt Die Schwingungsarten-Umsetzung und Energieibsorption sind auch verantwortlich für die innere \ufheizung. die Abbildungsfehler verursacht.

Diese Vorteile verden durch geeignete Auswahl der vlaterialien für das flüssige Füllmedium 14. das Material ler festen Linsenelemente 10, 12 und des Umgebungsnediums 16 erreicht. Bei der gezeigten Anordnung ist Wasser als Umgebungsmedium 16 gewählt, weil es eines ler besten Medien ist. die für die Kopplung an )iologischen Materialien bekannt sind, da deren ikustische Impedanz näherungsweise gleich <ier des Wassers ist. Tatsächlich ist Wasser ein übliches Jmgebungsmedium. Wie oben angegeben wurde, ist das ür die festen Linseneleme'ite 10, 12 verwendete vfaterial vorzugsweise Polystyrol.

Freone ([R] FluorkohlenwaiiserHoffe), Silikonöle und luorierte Kohlenwasserstoffe sin<l wahlweise mögliche vlittel für das Füllmedium Ά Speziell vorteilhaft sind He im Handel erhältlichen iljr>rH:rten Kohlenwasserstoffe der Gruppe, die von ihrem Hersteller, der Minnesota Mining ans Manufacturing Company, mit »Fluoriniert« bezeichne; werd.- lnsbf.:unür.fe eier fluonerte Kohlenwasserstoff FC75 ist eine gute Wdh! für diii flüssige Füllmedium 14. Akustische Wellen mit einer Frequenz von 3,5 Megaherz haben eine Geschwindigkeit \un 2400 m/sec in Polystyrol, 1500 m/see in Wasser und 600 m/sec in FC75. Die mittlere Dichte von Polystyrol ist 1,1 g/cm³, von destilliertem Wasser to etwa 1 g/cm³ bei 25° und von FC75 1,77 g/cm³.

Die akustischen Eigenschaften von Polystyrol oder den Materialien für das Füllmedium 14 allein unterscheiden sich nicht genügend von den Eigenschaften von Wasser, um die Linsenkrümmungen zu begrenzen; die richtige Kombination dieser Materialien, erzeugt jedoch einen starken Effekt. Es ist zu beachten, daß die Auswahl der Materialien für die Linsenelemente 10, 12, das flüssige Füllmedium 14 und das Umgebungimedium 16 so getroffen ist, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der einfallenden akustischen Wellen im Medium wenigstens auf der Seite der kombinierten, '''.ustischen Linsenanordnung, an der die Schallwellen einfallen, zwischen der Fortpflanzungsgeschwindigkeit aer akustischen Wellen in den Medien der Linsenelemente 10, 12 und dem Strömungsmittel-Füllmedium 14 liegt. In der in F i g. 1 gezeigten akustischen Linse ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen in den festen Linsenelementen 10, 12 größer als im Umgebungsmedium 16 Daher wird das Füllmedium 14 so gewählt, daß die Fortpflanzungsgeschwindipkeit der Schallwellen in diesem Medium kleiner als die im Umgebungsmedium 16 ist. Als weitere Verbesserung kar.ii die Auflösung durch die Verwendung des Füllmediums 16 (FC75 in dem vorliegenden Beispiel) auf der Bildseite der Linse 1 statt Wasser verbessert werden.

Zum besseren Verständnis des Wirkungsgrades der Erfindung werden zwei verschiedene Akustiklinsenanordnungen verglichen, die jeweils eine Brennweite von 12.7 cm haben, für den Betrieb in Wasser als Umgebungsmedium gedacht sind und jeweils zwei symmetrische, doppelkonkave Linsenelemente 10, 12 aus Polystyrol haben. In der einen Linse wird Wasser als Füllmedium 14 verwendet, und ihre Linsenflächen haben Krümmungsradien von 18.4 cm. Wenn der fluorierte Kohlenwasserstoff FC75 als Fülk.iedium verwendet wird, haben die Linsenflächen Krümmungsradien von 56,4 cm.

Durch die Verwendung der beschriebenen Anordnung ist die Krümmung der Linsen erheblich reduziert, d. h. die Krümmungen der Stirnfläche der Linsenelemente 10, 12 sind für eine vorgegebene Fokussierungswirkung erheblich kleiner. Das ist ein Ergebnis der Tatsache, daß eine erhebliche Brechung an den ^5 innenseit.gen Grenzflächen zwischen dem flüssigen Füllmedium 14 und den festen Linsenelementen 10, 12 aufgrund des größeren Unterschiedes in der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Welle in den festen Linsenelementen 10, 12 und dem darin eingeschlossenen. flüssigen Füll"iedium 14 bewirkt wird. Die Verkleinerung der Linsenkrümmung ist tatsächlich ausreichend, um die erforderliche Linsendicke erheblich zu reduzieren, so daß sich eine viel geringere Energieabsorption in der Linse ergibt und die ^fv' Aberration reduziert wird. Ferner wurden die Quotienten aus den Bu·· hungsind:cs der Materialien groß gemacht, so daß sich eine kleinere Aberration bei einer Linse mit vorgegebener Brennweite ergibt (Drude. The

Theory of Optics, Dover Publications Inc., 1959).

In einer praktischen Ausführung für eine Hauptanwendung der Erfindung haben die Linsenelemente 10, 12 einen Außendurchmesser von 24,1 cm, wobei die Fläche der Krümmung einen Durchmesser von 21,6 cm hat. Der Krümmungsradius der Linsen 10, 12 an den Flächen, die an das Umgebungsmedium 16 angrenzen, ist 31,8 cm, und der Krümmungsradius der gegenüberliegenden Flächen (neben dem flüssigen Füllmedium 14) ist 92,7 cm. Diese Abmessungen geben der kombinierten, akustischen Linsenanordnung I eine Brennweite von etwa 15,2 cm.

Der Erfindungsgedanke kann auch auf verzögernde Linsen angewendet werden. Die in Fig. 2 gezeigte kombinierte akustische Linsenanordnung kann zur Erläuterung dieses Punktes dienen. Wieder sei angenommen, daß die kombinierte akustische Linsenanordnung 20 von Wasser als Flüssigkeitsmedium 21 umgeben ist. Das Material der Linsenelemente 22,24 ist in diesem Fall so gewählt, daß die Geschwindigkeit der einfallenden akustischen Wellen darin langsamer als in dem Umgebungsmedium 21 ist. Da die Geschwindigkeit der akustischen Wellen in den Linsenelementen 22, 24 langsamer als in dem Umgebungsmedium ist, müssen die akustischen Linsenelemente konvex (in diesem speziellen Fall doppel-komvex) sein. Um die ordnungsgemäße Abbildungswirkung zu erzielen, ohne die gekrümmten Stirnflächen der Linsenelemente 22, 24 so steil zu machen, daß eine erhebliche Wellenform-Umsetzung einzuführen ist, schließen die zwei Linsenelemente 22, 24 wiederum ein Füllmedium 25 zwischen sich ein. In diesem Fall ist das flüssige Füllmedium 25 so gewählt.

daß die Geschwindigkeit der in Frage stehenden akustischen Wellen größer als im flüssigen Umgebungsmedium 21 ist.
Auf diese Weise sind die Materialien der Linsenele·

■> mente 22, 24 und das Material des flüssigen Füllmediums 25 wiederum so gewählt, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen in der Umgebungsflüssigkeit (wenigstens auf der Einfallseite der Schallwellen) zwischen der in den anderen beiden

i" Medien liegt. Wieder ist ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 26 vorgesehen, das die kombinierte akustische Linsenanordnung 20 flüssigkeitsdicht umgibt, so daß das flüssige Füllmedium 25 und das Umgebungsmedium 21 nicht austreten können.

ι ι Die akustischen Linsenanordnungen der Fig.) und 2 sind im hohen Maße praktisch. Die beschriebenen Prinzipien können jedoch auch auf akustische Linsensysteme in vielen anderen Ausführungen ausgedehnt werden. Beispielsweise kann eine beliebige Zahl vor)

-'<> Linsenelementen in der Linsenanordnung vorgesehen sein. Auch können andere Formen von Elementen, z. B, plankonkave, konvexkonkave, verwendet werden. Auch können einzelne Linsenelemente aus einer Linsenkombination aufgebaut werden. Ferner können Blenden-

:> scheiben durch Einfügen zwischen die Linsenelemente vorgesehen sein, um die Aberration zu reduzieren, und die Linsenflächen können behandelt sein, um die Reflexion zu reduzieren. Es ist beispielsweise bekannt, d?3 die Linsenflächen mit Überzügen versehen oder

«> geätzt werden können, um Vertiefungen oder Oberflächenporen zu erzeugen und um die Reflexion nach dem Interferenzprinzip zu reduzieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Akustische Linsenanordnung mit mindestens zwei im Abstand angeordneten Schallwellen-Linsen und einem im Zwischenraum zwischen denselben angeordneten flüssigen FöUmedium, bei der die Schallwellenfortpflanzungsgeschwindigkeit in den Linsen von der Schal Iwellenfortpflanzungsgeschwindigkeit in dem Umgebungsmedium abweicht, dadurch gekennzeichnet, daß für die festen Linsen (10, 12; 22, 24) und für das flüssige Füllmedium (14; 25) Materialien derart ausgewählt sind, daß sich die Schallwellenfortpflanzungsgeschwindigkeit des Umgebungsmediums (16; 21) zwischen den Schallwellenfortpflanzungsgeschwindigkeiten in den festen Linsen (10,12; 22,24) und ;m flüssigen Füllmedium (14; 25) befindet.

2. Linsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwellenfortpflanzungsgeschwindigkeit der festen Linsen (10, t2; 22, 24) größer und die Schallwellenfortpflanzungsgeschwindigkcu des flüssigen Füllmediums (14; 25) kleiner als die des Umgebungsmediums (16; 21) gewählt sind

3. Linsenanordnung nach Anspruch 1 oder 2. gekennzeichnet durch die Verwendung von konvexen Linsen (22,24).

4. Linsenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung von bikonkaven Linsen (10,12).

5. Linsenanordnung nach einem der vorhergehen- ^ω den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Linsen (10,12) aus Polystyrol bestehen.

6. Lii.senanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daduiV, gekennzeichnet, daß das flüssige Füllmedii-n fluorierte Kohlenwasserstoffe ^J5 aufweist.