DE3446346A1

DE3446346A1 - Ultraschallsender zur verwendung bei einem echtzeit-ultraschalltopometer

Info

Publication number: DE3446346A1
Application number: DE19843446346
Authority: DE
Inventors: Markus Dr.rer.nat. 5300 Bonn Hansen; Günter Dr. Dr. 2509 Meckenheim Schumpe
Original assignee: Travenol GmbH
Current assignee: Schumpe Guenter Prof Dr Dr 5309 Meckenheim
Priority date: 1984-02-21
Filing date: 1984-02-21
Publication date: 1985-08-29
Also published as: DE3446346C2

Description

Ultraschallsender zur Verwendung bei
einem Echtzeit-Stereo-Ultraschalltopemeter Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsender zur Verwendung bei einem Echtzeit-Stereo-Ultraschalltopometer.
Ein solches Echtzeit-Stereo-Ultraschalltopometer ist beschrieben in der Zeitschrift "Funktionelle Diagnostik in der Orthopädie", Stuttgart, 1979, Seiten 69 bis 72.
Dieses Topometer arbeitet derart, daß man an einem zu messenden Gegenstand wenigstens einen Ultraschallsender befestigt, den man zu Ultraschallimpulsen erregt. Diese Impulse werden von mehreren ortsfesten Ultraschallem-Empfängern aufgenommen und die Empfangssignale werden in einer EDV-Anlage verarbeitet, die die Koordinate des Meßpunktes im Raum angibt. Durch schnelle Aufeinanderfolge dieses Meßverfahrens erhält man auch den Bewegungsablauf des Meßpunktes. Mankannnatürlichauchmehrere der Ultraschallsender an dem auszumessenden Körper befestigen, beispielsweise an einer Person, so daß dieses bekannte Verfahren auch zur medizinischen Diagnostik und Rehabilitation eingesetzt werden kann, sowie gegebenenfalls auch für den Sportunterricht. Andere Anwendungsgebiete sind das Vermessen von Oberflächen. Allgemein kann man aus der gemessenen Bewegung eines Meßpunktes andere Größen ableiten, beispielsweise die Beschleunigung usw.
Dem genannten Aufsatz ist schon zu entnehmen, daß man den Ultraschallsender dort zu einer Stoßwelle erregt hat.
Stoßwellen zeichnen sich zwar durch eine hohe Energie aus, sie beinhalten jedoch stets mehrere Wellenzüge. Darunter leidet aber die Meßgenauigkeit, weil gegebenenfalls auch die Schwingungen nach dem ersten, ansteigenden Impuls von den Ultraschallempfängern gemessen werden können Dies führt entweder zu Fehlmessungen oder es muß durch eine geeignete Programmierung der EDV-Anlage dafür gesorgt werden, daß diese Wellenzüge, die ja eine geringere Amplitude habe, bei der Auswertung der Messung nicht berücksichtigt werden. Dies kann wiederum zu erhöhten Rechnerzeiten führen und damit wiederum zu einer gewissen Verzögerung bei der Darstellung der gemessenen Werte, was bei einigen Anwendungsfällen stört.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsender zur Verwendung bei einem derartigen Echtzeit-Stereo-Ultraschalltopometer vorzuschlagen, der kurze Meßzeiten und praktisch fehlerfreie Messungen ermöglicht, so daß die Meßwerte mit großer Genauigkeit und Schnelligkeit zur Verfügung stehen und angezeigt werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender zwei gleichformatige übereinander gelegte und miteinander verklebte Plättchen aus piezokeramischem Material aufweist, die so polarisiert sind, daß sie bei Anlegen einer Spannung vorgegebener Polarität an ihre metallisierten Außenflächen kugelschalenförmig in der einen Richtung und bei Spannungsumkehr in der anderen Richtung ausgelenkt werden und die an ihrer Unterseite im Bereich ihrer Kanten schwingungsgedämpft an einem Gehäuse befestigt sind (Körper 16).
Der erfindungsgemäße Ultraschallsender strahlt somit eine nahezu ideale Kugelwelle nullter bzw. erster Ordnung aus, verbunden mit einer hohen, stoßartig ansteigenden Amplitude, d.h. mit anderen Worten den angestrebten Stoßimpuls.
Bevorzugt wird es, wenn der Durchmesser der Plättchen klein ist im Vergleich zu der Wellenlänge des abzustrahlenden Schalls in dem piezokeramischen Material.
Bei diesen Bedingungen wird ein Kugel strahl er nullter Ordnung erreicht.
Versuche haben gezeigt, daß sich besonders gute Ergebnisse erzielen lassen, wenn die Plättchen quadratisch sind und nur an ihren Ecken am Gehäuse befestigt sind.
Bei vielen Anwendungsfällen ist es vorteilhaft, wenn die Ultraschallsender die Stoßimpulse in einem möglichst großen Raumwinkel abstrahlen, um nämlich sicherzustellen, daß jeder Stoßimpuls von wenigstens drei Empfängern empfangen und ausgewertet wird, und zwar unabhängig von den jeweiligen Bewegungen und auch Verschwenkungen des Meßpunktes mitsamt dem an ihm befestigten Ultraschallsender. Andererseits hat die Abstrahlung in einem großen Raumwinkel den Nachteil einer führbar verringerten Empfangsleistung. Hierzwischen wird man also einen Kompromiß suchen.
Um zu erreichen, daß der Stoßimpuls in einem möglichst großen Winkel im Raum abgestrahlt wird, wird es bevorzugt, wenn eine Lochblende dicht vor der schallabstrahlenden Fläche der Plättchen angeordnet ist. An der Kante der Lochblende wird der Stoßimpuls gebeugt und erreicht somit die gewünschte Raumabstrahlung. Der Durchmesser des Lochs der Lochblende soll in der Größenordnung der Wellenlänge liegen, um zu große Energieverluste durch die Blende zu verhindern. Gute Ergebnisse wurden mit Lochblenden mit einem Durchmesser von etwa 4 mm bei einer Schallwellenlänge von 7 mm erzielt.
Die Lochblende wird vorzugsweise sehr nahe, beispielsweise in einem Abstand von etwa 0,1 mm, vor der schwingenden Fläche der Plättchen angebracht. Dadurch wird der akustische Kurzschluß, den die Rückseite der Membran (= schwingende Plättchenanordnung) mit ihrer Vorderseite hat, zum größten Teil blockiert und die Energieabstrahlung weiterhin verbessert. Es dient demselben Zweck, wenn auf die schallabstrahlende Fläche der Plättchen ein Schalltrichter aufgesetzt ist.
Es sei erwähnt, daß Ultraschallsender mit gleichformatigen und miteinander verklebten sowie entsprechend polarisierten piezokeramischen Plättchen mit einem solchen Schalltrichter an sich bekannt sind. Die bekannten Ultraschallsender sind jedoch nicht elektrisch vorgespannt, und sie sind in ihrem Schwingungsknoten aufgehängt, so daß sie in Resonanz schwingen. Mit diesen bekannten Ultraschall sendern lassen sich daher keine Stoßimpulse abstrahlen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt; Figur 1 schematisch das Prinzip einer eindimensionalen Meßstrecke anhand eines Blockschaltbildes zur Erläuterung 9er wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; Figur 2 perspektivisch und ebenfalls schematisch die wesentlichen Bauteile eines erfindungsgemäßen Ultraschallsenders; Figur 3 einen ebenfalls schematischen Querschnitt durch den Ultraschallsender nach Fig. 2 im Ruhezustand, d.h. ohne an seine Plättchen angelegte Spannung; Figur 4 die Situation von Fig. 3 in vorgespanntem Zustand der Membran; Figur 5 die Situation nach Fig. 3 und 4 im Augenblick des Abstrahlens eines Stoßimpulses, d.h. bei umgepolter Spannung an der Membran.
Bezüglich des grundsätzlichen Aufbaus der beschriebenen Vorrichtung sei auf den eingangs erwähnten Aufsatz von Schumpe u. a. verwiesen. Figur 1 zeigt das Blockschaltbild einer solchen Meßstrecke zwischen einem einzigen Sender 1 und einem einzigen Empfänger 2, d.h. bei einer eindimensionalen Meßstrecke. Es wird bevorzugt, insbesondere bezüglich einer Vereinfachung der Software, wenn der Sender am Meßpunkt befestigt wird und daher beweglich ist und die Empfänger - wenigstens drei Empfänger sind vorgesehen - raumfest sind. Es ist aber grundsätzlich auch die umgekehrte Anordnung möglich, d.h. mit raumfesten Sendern und an den Meßpunkten angebrachten Empfängern, wenngleich dies einen größeren Aufwand bei der Software mit sich bringt. Das im folgenden beschriebene Prinzip der eindimensionalen Meßstrecke bleibt bei allen diesen Meßstrecken zwischen jedem Sender und jedem Empfänger beibehalten. Die EDV-Anlage kann über ihre Software die Empfangsimpulse jedem Empfänger und jedem Sender zuordnen, was nicht Gegenstand dieser Erfindung ist.
Ein Zeitgeber 3 ist auf eine bestimmte Frequenz, vorzugsweise zwischen 1 und 100 Hz, eingestellt, vorzugsweise auf eine Frequenz von etwa 25 Hz. Bei dieser Einstellung gibt der Zeitgeber 3, der ein frei schwingender Oszillator ist, alle 40 Millisekunden einen Startimpuls an einen Senderverstärker 4 ab, worauf der Ultraschallsender 1 dann einen Ultraschall-Stoßimpuls abgibt.
Gleichzeitig wird ein Zähler 5 auf Null gesetzt. Hierfür wird beispielsweise ein fünfstelliger Zähler verwendet. Der Zähler 5 beginnt jetzt, die Zählimpulse eines HF-Oszillators 6 zu zählen, der ein Quarzoszillator ist und mit einer Hochfrequenz von 3,438 MHz schwingt.
Sobald ein Empfängerverstärker 9 über den Ultraschallempfänger 2 den Stoßimpuls empfängt, sendet dieser ein Ubernahmesignal an einen Zwischenspeicher 7 (Latch-Zwischenspeicher), der daraufhin den gegenwärtigen Zählerstand des Zählers 5 übernimmt und bis zum entsprechenden Impuls bei der nächsten Einzelmessung speichert. Der Inhalt des Speichers 7, d.h. der Zählerstand, wird an eine Anzeige 10 weiter geleitet und dort sichtbar gemacht und/oder gespeichert, Die Anzeige ist beispielsweise eine Schirmbildanzeige, ein Schreiber, ein Drucker oder auch eine direkte Digitalanzeige des betreffenden Meßwertes. Auch können aus den gemessenen Koordinaten des Senders 1 dessen Bewegungen abgeleitet werden, weil die Messungen, wie erwähnt, kurz nacheinander durchgeführt werden. Aus diesen Meßdaten können auch alle anderen, jeweils interessierenden Daten abgeleitet werden, beispielsweise die Beschleunigung und, bei Vorhandensein von wenigstens drei Meßpunkten, der Winkel zwischen den drei Meßpunkten, die Winkelgeschwindigkeit, die Winkelbeschleunigung, Symmetrieabweichungen und weitere, interessierende Daten.
Die Zählimpulse werden vom Zähler 5 dem Speicher 7 über eine Leitung 8 zugeleitet.
Der in den Figuren 2 bis 4 gezeigte Ultraschallsender besteht in seinen wesentlichen Bauteilen aus einem Gehäuse 11, in dem eine schwingende Membran untergebracht ist. Diese besteht aus zwei gleichformatigen und übereinander gelegten sowie entgegengesetzt polarisierten pezokeramischen Plättchen 12, 13, die miteinander verklebt sind. über einen Anschlußleiter 14 kann ein elektrisches Potential auf die metallisierte Oberfläche des oberen Plättchens 13 aufgebracht werden und über einen weiteren Anschlußleiter 15 ein elektrisches Potential an die metallisierte Unterseite des unteren Plättchens 12 angelegt werden.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Plättchen 12, 13 quadratisch mit Kantenlängen von etwa 8 mm. Die aus den Plättchen 12, 13 bestehende schwingende Membran ist an ihren vier Ecken über Körper 16 aus Silikonkautschuk am Gehäuse 11 befestigt. Auf die Mitte der Oberseite der Membran ist weiterhin ein schallabstrahlender Trichter 17, vorzugsweise aus Kunststoffmaterial, aufgesetzt und dort mit der Membran verklebt.
Das Gehäuse 11 umschließt die Membran mit ihren Bauteilen allseitig. Nur an der Oberseite, das ist die schallabstrahlende Seite, ist über ein Loch 18 eine Blende im Gehäuse angebracht.
Die Figuren 3 bis 5 erläutern die Funktionsweise dieses Ultraschallsenders. Figur 3 zeigt den Ruhezustand, bei dem also keine Spannung über die Anschlußleiter 14, 15 an der Membran anliegt. In Figur 4 ist die Membran nach unten, d.h. zum Boden des Gehäuses 11 hin, vorgespannt. Dies wird durch die Anlage einer entsprechenden Spannung an-die Membran erzielt.
Soll jetzt ein Stoßimpuls abgegeben werden, so wird die Spannung umgepolt und über den vorstehend beschriebenen piezokeramischen Effekt, der an sich bekannt ist, nimmt die Membran die in Figur 5 gezeigte Gestalt ein und der Stoßimpuls wird über die Lochblende mit dem Loch 18 abgegeben, wie bei Pos. 19 angedeutet. Daraus ist auch ersichtlich, daß eine gute Raumcharakteristik erzielt wird.
Die Aufhängung der Membran an den Kanten bzw. Ecken bringt den Vorteil einer erhöhten Amplitude mit sich, weil, wie ein Vergleich der Figuren 4 und 5 besonders deutlich ergibt, dann der mittlere Bereich der Membran aus der vorgespannten Lage nach Figur 4 über die hohe Lage nach Figur 3 in die Abstrahlungslage nach Figur 5 geht, und zwar innerhalb kürzester Zeit. Die Aufhängung der Membran über die kleinen Körper aus Silikonkautschuk oder einem anderen, schalldämmenden Material, dämpft die Schwingung sehr gut, so daß sie tatsächlich einen Impulscharakter bekommt. Der Schalltrichter 17 verstärkt die Schallabstrahlung,und die Lochblende mit dem Loch 18 ist so bemessen, daß sie einerseits über die Beugung am Rand des Lochs 18 den Abstrahlungswinkel des Stoßimpulses im Raum vergrößert und andererseits aber noch ausreichend Schallenergie durch das Loch 18 hindurchtreten kann.
Grundsätzlich können auch andere Ultraschallsender bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden, obgleich diese nach jetzigem Kenntnisstand gegenüber dem beschriebenen Ultraschallsender nachteilig sind.
Eine gute Kugelcharakteristik hat beispielsweise eine aus einem kleinen Luftvolumen bestehende schwingende Kugel, die durch plötzliches Erhitzen expandiert. Eine solche schwingende Kugel hat den Vorteil, daß eine optimale Anpassung der Impedanzen zwischen Schallstrahler und Schalleiter gegeben ist, weil beides Luft ist. Im Prinzip wird ein solcher Schallstrahler aufgebaut wie ein Ionenhochtöner eines modernen Lautsprechers, bei dem eine Metallspitze mit einem extrem kleinen Krümmungsradius amplitudenmodulierte Hochfrequenz aussendet, die durch den starken Feldstärkegradienten Luftmoleküle ionisiert und durch die Amplitudenmodulation in Schwingungen versetzt. Der Wirkungsgrad eines solchen Wandlersystems ist bis zirka 100 KMz sehr gut, so daß es grundsätzlich für den erfindungsgemäßen Zweck geeignet ist. Das große und schwere Gehäuse und die relativ starre Hochfrequenzzuleitung lassen aber die Verwendung eines solchen Schallstrahlers für die Messung feiner Bewegungsstrukturen, die auch durch das Meßgerät möglichst wenig beeinflußt werden sollen, als nachteilig erscheinen.
Ein solcher Luftkugelschallstrahler, der nur eine Druckwelle aussenden soll, läßt sich grundsätzlich auch durch einen kurzzeitig gezündeten Lichtbogen erzeugen.
Solche Lichtbogensender arbeiten aber nicht sehr zuverlässig und müssen außerdem mit einer Spannung in der Größenordnung von mehreren Kilovolt betrieben werden, was wiederum sicherheitstechnische Probleme mit sich bringt, insbesondere bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an Patienten, Sportlern und anderen Personen. Auch wäre ein solcher Sender relativ unhandlich und schwer, während der beschriebene Ultraschallsender nach Figuren 2 bis 5 sich durch sehr kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht auszeichnet sowie durch verhältnismäßig niedrige, ihm zuzuführende Spannungen, die keine besonderen Sicherheitsvorkehrungen notwendig machen.
Der beschriebene Ultraschallsender kann nicht nur zusammen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden, wie sie in dem erwähnten Aufsatz beschrieben wurde, sondern auch, und zwar vorteilhaft, zusammen mit der Schaltungsanordnung nach Figur 1.
Versuche haben ergeben, daß das zeitliche Auflösungsvermögen der beschriebenen Vorrichtung bei der Verwendung von sechs Ultraschallsendern etwa gleich ein Dreißigstel Sekunde ist. Dieser Wert wird bei Verwendung von weniger Sendern noch verbessert.
Verglichen mit anderen, bisher bekannten Meßsystemen, die vorzugsweise optisch über Filmaufnahmen arbeiten, zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch eine etwa dreißigfach bis einhundertfach verbesserte Ortsauflösung auf. Je nach der verwendeten Anzahl der Sender und Empfänger und auch der Rechnergeschwindigkeit ergibt sich eine Meß- und Analysenzeit von wenigen Minuten bis herab zu etwa ein Hundertstel Sekunde.
Eine solch kurze Zeitspanne zwischen dem Ereignis (Bewegung) und dessen Darstellung erschließt neue Anwendungsgebiete, beispielsweise für die medizinische Rehabilitation und für den Sportunterricht, wobei dann die betreffende Person selbst, gegebenenfalls zusammen mit einem Arzt oder Sportlehrer, die betreffenden Bewegungen praktisch momentan sieht und kontrollieren kann. - Leerseite -

Claims

Patentansprüche 1. Ultraschallsender zur Verwendung bei einem Echtzeit-Stereo-Ultraschalltopometer, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Ultraschallsender zwei gleichformatige, übereinander gelegte und miteinander verklebte Plättchen (12, 13) aus piezokeramischem Material aufweist, die so polarisiert sind, daß sie bei Anlegen einer Spannung vorgegebener Polarität an ihre metallisierten Außenflächen kugelschalenförmig in der einen Richtung und bei Spannungsumkehr in der anderen Richtung ausgelenkt werden und die an ihrer Unterseite im Bereich ihrer Kanten schwingungsgedämpft an einem Gehäuse (11) befestigt sind (Körper 16).
2. Ultraschallsender nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Durchmesser der Plättchen (12, 13) klein ist im Vergleich zu der Wellenlänge des abzustrahlenden Schalls in dem piezokeramischen Material.
3. Ultraschallsender nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen (12, 13) quadratisch sind und nur an ihren Ecken am Gehäuse (11) befestigt sind.
4. Ultraschallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Lochblende (18) dicht vor der schallabstrahlenden Fläche der Plättchen (12, 13) angeordnet ist.
5. Ultraschallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß auf die schallabstrahlende Fläche der Plättchen (12, 13) ein Schalltrichter (17) aufgesetzt ist.