DE3511134A1

DE3511134A1 - Ultraschall-sonde

Info

Publication number: DE3511134A1
Application number: DE19853511134
Authority: DE
Inventors: Toshio Kunitachi Kondo; Yutaka Kashiwa Sato
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1984-05-28
Filing date: 1985-03-27
Publication date: 1985-11-28
Also published as: JPS60249944A; DE3511134C2; US4653504A; JPH044894B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonde zur Anwendung in einem Ultraschall-Diagnosegerät und insbesondere ein flüssiges Ultraschall-Medium, das in einer derartigen Sonde zwischen dem Oszillator und einem lebenden Körper zur Erhöhung des Ablenkwinkels des Ultraschall-Strahls Anwendung findet, wobei die Schallgeschwindigkeit in diesem Medium niedriger als die in dem lebenden Körper ist.

Als ein flüssiges Medium, in dem die Schallgeschwindigkeit beträchtlich niedriger als die in dem lebenden Körper ist, und mit dem eine gut mit dem lebenden Körper übereinstimmende Impedanz erzielt werden kann, wurden fluor-haltige Kohlenwasserstoffe, beispielsweise das von Minesota Mining and Manufacturing Co. hergestellte "Fluorinet" vorgeschlagen (offengelegte japanische Patentanmeldung (KOKAI) Nr.

85491/1978). Derartige Materialien sind jedoch leicht verdampfend, da sie einen hohen Dampfdruck von beispielsweise 1 bis 230 Torr bei 25⁰C aufweisen (vgl. FC-72, FC-77, FC-104, FC-75, FC-40 und FC-43). Zusätzlich neigen sie aufgrund ihrer hohen Gas-Solubilisierungswirkung nachteilig zur Bildung von Gasblasen in ihrem Inneren, wenn sie für eine Ultraschall-Sonde Anwendung finden. Die im Handel verfügbaren fluorisierten Kohlenwasserstoffe sind aufgrund ihrer niedrigen Siedepunkte leicht verdampfbar, die bei 1 atm für C_fiF.. . bei 57,7°C, für C₉F₂₀ bei 125,5⁰C, für C₃Cl₃F₃ bei 47,6⁰C und

für CgF₁₆O bei 97,2°C liegen.

Die generelle Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, eine Ultraschall-Sonde und ein zugehöriges flüssiges Medium anzugeben, womit die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile zumindest teilweise überwunden werden. Insbesondere soll erfindungsgemäß die akustische Impedanz eines zwischen einem

Oszillator und einem lebenden Körper befindlichen flüssigen Mediums gleich der akustischen Impedanz eines Gehäuses gemacht werden, in dem das Medium eingeschlossen ist/ und dessen akustische Impedanz annähernd der an der Oberfläche des Iebenden Körpers entspricht, um in einer Sonde zur Anwendung in einem Ultraschall-Diagnosegerät die Reflexionen an der Grenzfläche so weit wie möglich zu minimieren. Dadurch können die Echos aufgrund der Vielfachablenkung im Gehäuse unterdrückt werden, womit sich eine Verbesserung der Qualität der mit dem Diagnosegerät erzielten tomografischen Bilder ergibt.

In einer Sonde zur Verwendung in einem Ultraschall-Diagnosegerät ist ein akustisches Medium erforderlich, in dem die Schallgeschwindigkeit geringer als die in dem lebenden Körper ist,und mit dem einfach eine mit dem lebenden Körper übereinstimmende akustische Impedanz erzielt werden kann, um den Ultraschall-Strahl abzulenken oder zu konvergieren. Das erfindungsgemäße flüssige akustische Medium erfüllt die genannten Anforderungen. Das akustische Medium in der Sonde muß zusätzlich zu den akustischen Eigenschaften hinreichende elektrische Eigenschaften, wie z.B. Isolierfähigkeit, sowie Viskositäts-und Schmier-Eigenschaften aufweisen, wenn es für ein mechanisches Abtastsystem Anwendung findet. Weiterhin darf das Medium nicht toxisch und gegenüber Metall- und Kunststoff-Materialien nur geringfügig korrodierend sein. Die Erfinder stellten fest, daß Polymerprodukte von Chlortrifluorethylen mit niedrigem Molekulargewicht ein geeignetes Material für das akustische Medium sind, das diese Anforderungen erfüllt und die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe löst.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der anliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

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Fig. 1

und 2 grafische Darstellungen der akustischen Charakteristi-

ka von Chlortrifluorethylen-Polymerprodukten mit niedrigem Molekulargewicht;

Fig. 3

bis 5 Ansichten des Aufbaus der mechanischen Abtastsonde

nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung des Funktionsprinzips;

Fig. 7 eine Darstellung der erhaltenen Kennlinien bei Anwendung der Erfindung auf die in den Fig. 3 bis 5 gezeigte Sonde;

Fig. 8 eine Darstellung zur Erklärung des Meßprinzips für die Kennlinien der erfindungsgemäßen mechanischen Abtastsonde; und

Fig. 9 eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels in Form einer gekrümmten elektronischen Linearsonde.

Im folgenden werden als ein wesentlicher Faktor der Erfindung die Eigenschaften eines akustischen Mediums aus Polymerprodukten von Chlortrifluorethylen mit niedrigem Molekulargewicht erläutert. Ein Polymerprodukt von Chlortrifluorethylen mit niedrigem Molekulargewicht hat folgende Struktur:

F F

I I ei ( - c - c - ) ei

I I

F Cl

Darin sind die Fluoratome (F) und die Chloratome (Cl) mit dem Gerüst verbunden, dessen beide Enden vollständig mit Chlor stabilisiert sind, und dessen Molekulargewicht sich in Abhängigkeit des Wertes von η (1, 2, 3, 4, 5 oder 6) verändert. Um die Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Molekulargewicht und der Schallgeschwindigkeit sowie der akustischen Impedanz von Chlortrifluorethylen zu bestimmen, wurden die Schallgeschwindigkeit und Dichte für folgende Materialien bestimmt:

(a) ein Material mit etwa 97 % des Chlortrifluorethylen-Polymerprodukts mit niedrigem Molekulargewicht, bei dem in der Molekülformel η = 2,

(b) ein Material mit etwa 97 % des Chlortrifluorethylens mit

niedrigem Molekulargewicht, bei dem in der obigen Molekülformel η = 3, und

(c) ein Gemisch aus beiden oben genannten Materialien in einem entsprechenden Verhältnis.

Tabelle 1 zeigt die Komponenten (Gew.-%) des CTFE-Öls (Handelsname des von DAIKIN INDUSTRIES, LTD., hergestellten Produkts) , mit dem die Ergebnisse der im folgenden beschriebenen experimentellen Untersuchung erzielt wurden. Diese Werte wurden durch eine gaschromatografische Analyse bestätigt. Im in Tabelle 1 gezeigten analytischen Ergebnis beträgt der Gesamtwert für jede der Komponenten nicht 100 %, da sie zusätzlich zu den Chlortrifluorethylen-Polymerprodukten mit niedrigem Molekulargewicht, bei denen η = 1 bis 6, geringfügige unbekannte Verunreinigungen enthalten. Diese Abweichung ist jedoch als vernachlässigbar klein zu betrachten und zeigt keine wesentliche Auswirkung auf die in der folgenden Beschreibung gezogenen Schlußfolgerungen.

Tabelle 2

S - 316 S - 519 #1 #3

durchschnittl. Molekulargewicht

306,84 415,94 492,68 590,04

Tabelle 1

Molekül formel	F F I I C1(-C-C-)C1 I I	F F I I Cl(-C-C-)_OC1 I 1	F F 1 ] Cl(-C-C-) ,Cl I ι ^J	F I I cK-c-c I	F F I I CK-C-C-J₁-Cl I I ~*	If Cl(-C-C-) ,.Cl I I ⁶
	I I F Cl	I I F Cl .	I I F Cl	:-)₄ci	I I F Cl	I I F Cl
Molekular gewicht	187,36	303,85	420,32	I F Cl	635,26	769,73
Produkt-Nr.				536,79
S-316	0,060	96,806	1 ,006		0,039	0,010
S-519	0,062	2,556	95,895	0,270	-	-
#1	-	0,523	39,996	0,085	11 ,139	2,099
#3	-	-	3,706	45,241	49,183	3,926
42,143

Die Werte des durchschnittlichen Molekulargewichts für die in Tabelle 1 gezeigten Chlortrifluorethylen-Polymerprodukte, d.h. S-316, S-519, #1 und #3 werden entsprechend Tabelle 2 berechnet. Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Messung für die Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Molekulargewicht und der Schallgeschwindigkeit in den Chlortrifluorethylen-Polymerprodukten mit niedrigem Molekulargewicht und in Gemischen, die entsprechend der Tabelle durch Mischen von zwei Produktarten in einem geeigneten Verhältnis hergestellt sind.Es war bereits bekannt, daß die Schallgeschwindigkeit in derartigen Chlortrifluorethylen-Polymerprodukten mit niedrigem Molekulargewicht geringer als die in einem lebenden Körper ist und daneben vom Molekulargewicht abhängt (R.T. Lagemann, et al., "Ultrasonic Velocity in Some Liquid Fluorocarbons", Journal of the American Chemical Society, Vol. 70 (September 1948), Seiten 2994 ff). Unter besonderer Berücksichtigung der Tatsache, daß die oben genannte Substanz eine größere Dichte als Wasser hat, bestimmten die Erfinder die Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Molekulargewicht und der akustischen Impedanz, wobei sie herausfanden, daß eine passende Impedanz zwischen dem lebenden Körper und der Substanz leicht erzielt werden kann, wenn die verwendete Substanz ein geeignetes durchschnittliches Molekulargewicht aufweist.

Die akustische Impedanz der Chlortrifluorethylen-Polymerprodukte und der in Fig. 1 gezeigten, daraus hergestellten Gemische wurde aus dem mit einem Hydrometer gemessenen spezifischen Gewicht in Kombination mit dem Meßergebnis für die Schallgeschwindigkeit ermittelt. Fig. 2 zeigt die Be-Ziehung zwischen dem durchschnittlichen Molekulargewicht der in Tabelle 1 dargestellten Chlortrifluorethylen-Polymerprodukte mit niedrigem Molekulargewicht sowie den daraus hergestellten Gemischen und der akustischen Impedanz. In der Figur ist auch die temperaturabhängige Veränderung der

akustischen Impedanz gezeigt, wobei 20⁰C und 30⁰C als die in der praktischen Anwendung zu erwartenden Temperaturen berücksichtigt wurden.

Es wurde angenommen, daß die akustische Impedanz an der Oberfläche eines menschlichen Körpers in einem Bereich zwischen

_c 2 — 6 2

1,55 χ 10 kg/m -see und 1,65 χ 10 kg/m -see liegt. Die Reflexionsechos von der Grenzfläche lassen sich reduzieren, indem die akustische Impedanz der oben genannten Chlortrifluorethylen-Polymerprodukte mit niedrigem Molekulargewicht und des Gehäuses für den Einschluß derselben mit der akustischen Impedanz an der Körperoberfläche abgestimmt wird.

Aus den in Fig. 2 gezeigten experimentellen Untersuchungsergebnissen wird deutlich, daß der genannte Zweck erfüllt werden kann, indem Chlortrifluorethylen-Polymerprodukte mit einem Molekulargewicht zwischen 400 und 500 oder daraus hergestellte Gemische mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht im selben Bereich verwendet werden.

Im Falle der Verwendung von Chlortrifluorethylen-Polymerprodukten für die Sonde haben diese Substanzen die Anforderungen an die Ultraschall-Charakteristika der Geschwindigkeit und der akustischen Impedanz sowie an die elektrischen Isoliereigenschaften zu erfüllen. CTFE-Öl #1 als typisches Beispiel für ein Chlortrifluorethylen-Polymerprodukt mit niedrigem Molekulargewicht hat bei 20⁰C einen Eigen-

1 3 Volumenwiderstand von mehr als 10 Ω-cm, so daß in der entsprechenden Flüssigkeit Metall-Leiterdrähte oder ähnliches ohne besondere Oberflächenisolation verwendet werden können. Da der Fluidisierungspunkt beispielsweise im CTFE-Öl #1 unter -70⁰C liegt, besteht ein weiterer Vorteil darin, daß die das Medium enthaltende Sonde nicht aufgrund des Einfrierens bei einer niedrigen Temperatur während der Konservierung beschädigt wird. Eine weitere hervorragende Eigen-

schaft besteht darin, daß weder eine Korrosion hervorgerufen noch die Rostbildung am Metall in irgendeiner Weise unterstützt wird.

Chlortrifluorethylen-Polymerprodukte mit niedrigem Molekulargewicht zeigen weiterhin den Effekt, daß sie eine bestimmte Art von Kunststoffen und Gummis in Abhängigkeit von ihrem Molekulargewicht aufquellen lassen oder anlösen.

Tabelle 3 zeigt das Ergebnis einer Messung, bei der Kunststoffteile und ausgehärtete Kleber in CTFE-öl S-312 und #1 eingetaucht, darin bei 70⁰C für einen Monat gehalten und anschließend herausgenommen wurden, um die Gewichtsveränderung zu bestimmen und die Menge der in der Flüssigkeit herausgelösten Substanz mit einem Infrarot-Spektralanalysator zu messen. Im Falle des Einweichens der Messobjekte in CTFE-öl mit einem relativ niedrigen Molekulargewicht von 306,84 und mit folgender Molekülformel:

F F

I I

ei ( - c - c - )_oci

I I ²

F Cl

tritt ein Auslaugen des Weichmachers im Epoxidharz und eine Volumen-Zunahme der Kleber und des Polyurethans auf, die sich in einem Aufquellen der Substanzen äußert. Diese Ergebnisse führen zu der Annahme, daß ein Chlortrifluorethylen-Polymerprodukt mit einem Molekulargewicht über 415, d.h. ein Gemisch aus Chlortrifluorethylen-Polymerprodukten mit niedrigem Molekulargewicht und der Molekülformel:

F F

! I

25 Cl ( - C - C - ) Cl

I I ⁿ

F Cl

bei denen η zwischen 3 und 6 liegt, und die auf ein vorgegebenes durchschnittliches Molekulargewicht vermischt sind, nur in geringem Maße zu einem Aufquellen der Kunststoffe oder einem Auslaugen des Weichmachers in den Kunststoffen führt/ womit die Veränderungen aufgrund des Alterns in den Kunststoffen unterdrückt werden können. Angesichts dieses Sachverhalts ist es vorteilhaft, die Verwendung des oben beschriebenen Chlortrifluorethylen-Polymerprodukts mit dem niedrigeren Molekulargewicht zu vermeiden.

Aus vorstehender Erläuterung wird deutlich, daß durch die Verwendung eines Chlortrifluorethylen-Polymerprodukts mit passendem niedrigen Molekulargewicht oder einer Mischung aus zwei oder mehr Arten derartiger Polymerprodukte mit unterschiedlichem Molekulargewicht die Schallgeschwindigkeit in dieser Substanz, verglichen mit der im lebenden Körper, verringert und eine bezüglich des lebenden Körpers angepaßte akustische Impedanz erzielt sowie ein akustisches Medium für die Sonde mit hervorragenden Eigenschaften geschaffen werden kann, d.h. ein akustisches Medium, das gegenüber Metallen oder Kunststoffen nur gering korrosiv wirkt, nicht toxisch ist, hervorragende elektrische Isolationseigenschaften aufweist und herstellungstechnische Vorteile zeigt, da sein Dampfdruck gering ist, beispielsweise für CTFE-Öl #1 bei 30⁰C nur bei 0,4 mmHg liegt.

Tabelle 3

Untersuchungsergebnisse für das Eintauchen von Kunststoffen

in CTFE-öl (S-316 und #1)
(für 1 Monat bei einer Umgebungstemperatur von 70⁰C belassen)

Nummer des	Probe (Bezugsquelle und	Anfangs	Gewicht (g)	Ergebnis der In
CTFE-öls	Herstellungsverfahren)	gewicht	und Gewichts	frarot-Spektral
		(g)	veränderung	analyse für das
			(%) nach 1 Monat	CTFE-öl nach 1
				Monat
	Nr. 1 hergestellt von
	EMERSON & CUMING
	JAPAN K.K.	2,78
	Kleber: ECOOBOND 45 clear		2,80	keine
	und Katalysator 15		(0,72)	Veränderung
	clear, gemischt und
	ausgehärtet im Ge
	wichtsverhältnis 1 :1
#1
Bestand
teile ent	Nr. 2 hergestellt von
sprechend Tabelle 1	YUKA SHELL EPOXY	10,38
	KABUSIKI KAISHA Epoxidharz: Epicoat 828		10,38 (0,0)	keine Veränderung
	und TEPA, gemischt und
	ausgehärtet im Ge
	wichtsverhältnis
1 ,6:0,2

Tabelle 3 (Fortsetzung)

	Nr. 3 hergestellt von NIPPON POLYURETHANE INDUSTRY CO. Polyurethan-Harz: DC-4946 und DC-4954, gemischt und ausgehärtet im Ge wichtsverhältnis 11:9	2,52	2,62 (3,97)	geringfügig er faßter Phthalat- ester
S-316 Bestand teile entspr. Tab. 1	Nr. 4 Kleber (wie Nr. 1)	2,62	2,74 (4,58)	geringe spektra le Veränderung
Nr. 5 Epoxid-Harz (wie Nr. 2)	10,02	10,02 (0,0)	beträchtliche Absorption auf grund von Phthalatester
Nr. 6 Polyurethan-Harz (wie Nr. 3)	2,22	2,46 (10,81)	beträchtliche Absorption auf grund von Phthalatester

In den Fig. 3 bis 5 ist der Aufbau der Sonde gezeigt, bei der das erfindungsgemäße ültraschallmedium Anwendung findet.

Nach den Fig. 3 bis 5 hat ein Träger 11 für einen Oszillator eine zylindrische Gestalt mit einem Oberteil in Form einer Halbkugel. Der Träger 11 ist drehbar auf einer Trägerwelle 12 angeordnet, die durch den zylindrischen Teil des Trägers hindurchtritt. Die Trägerwelle 12 sitzt an ihren beiden Enden in Lagern auf Armen 13, die von einem Halterungselement ausgehen, so daß sich der Träger 11 um die Trägerwelle 12 als Mittellinie drehen kann. Ein scheibenförmiger Oszillator 14 ist in eine auf der unteren Fläche des Trägers 11 gebildete Ausnehmung eingepaßt und daran befestigt, so daß er einen Ultraschall-Strahl hervorbringt, der aufgrund der Hin- und Her-Drehung des Trägers 11 in einem Sektor innerhalb der Rotationsebene des Trägers 11 schwingt.

Wie in Fig. 4 dargestellt, weist eine Antriebseinrichtung, die den Träger 11 hin- und herschwingen läßt, eine in dem halbkugelförmigen Oberteil des Trägers 11 gebildete, parallel zur Mittelachse der Drehung verlaufende lineare Nut 15 und einen Rotor 16 auf, der über dem Träger 11 angeordnet ist. Der Rotor 16 hat eine im wesentlichen konische Form und ist an der sich drehenden Welle 18 eines Motors 17 angebracht, so daß er eine Rotation um die Mittelachse des Konus ausführen kann. Der Rotor 16 und der Motor 17 sind so angeordnet, daß die Mittelachse der Drehung des Rotors 16 senkrecht zur Mittelachse der Drehung des Trägers 11 verläuft, und sie sind durch die Anordnung des Motors am oben beschriebenen Halterungselement fest positioniert. Der Rotor 16 ist so angebracht, daß die sich drehende Welle 18 in einer von der Mittelachse der Drehung des Trägers 11 getrennten Position ist. Weiterhin ist am nach Innen verlän-

gerten Ende des Rotors 16 mittels eines Lagers 20 eine Rolle 19 montiert und in die lineare Nut 15 im Träger 11 eingepaßt.

Wenn bei einer derartigen Antriebseinrichtung der Rotor 16 mittels des Motors 17 gedreht wird, bewegt sich die Rolle unter Ausführung einer Eigendrehung entlang der linearen Nut 15, wodurch der Träger 11 um die Trägerwelle 12 als Mittelachse hin- und herschwingt. Im einzelnen bewegt sich die Rolle 19 bei einer Drehung des Rotors 16 im Uhrzeigersinn entlang eines Kreises, dessen Mittelpunkt auf der Mittelachse der Drehung des Rotors 16 liegt. Bei einer solchen Bewegung bewegt sich die Rolle 19 in der linearen Nut 15 auf dem Träger 11 unter Ausführung einer Eigendrehung und bewirkt gleichzeitig eine Drehung des Trägers 11 gegen den Uhrzeigersinn um die Trägerwelle 12 als Mittelachse. Der Träger 11 dreht sich in einen horizontalen Zustand, wenn sich der Rotor 16 um einen Winkel von 90° dreht, und führt dann bei einer weiteren Drehung des Rotors 16 um einen Winkel von 90° eine Schwingung in Gegenrichtung aus. Wenn der Rotor 16 eine Drehung entlang dem verbleibenden Halbkreis durchführt, schwingt der Träger 11 gegen den Uhrzeigersinn und nimmt wieder den in der Zeichnung dargestellten Zustand ein. Bei einer Fortsetzung der Drehung des Rotors 16 durch den Motor 17 schwingt dementsprechend der vom Oszillator 14 abgegebene Ultraschall-Strahl aufgrund der Hin- und Her-Drehung des Trägers 11 in einem sektorförmigen Bereich.

Der Träger 11, der Rotor 16 und der Motor 17 sind in einem dicht verschlossenen Gehäuse 21 aufgenommen. Dieses Gehäuse 21 hat an den Positionen ein Fenster 22, an denen der Ultraschall-Strahl durchtritt, um die akustische Impedanz anzupassen. In den Innenraum 25 des Gehäuses 21 ist ein öl 23 eingefüllt.

In den herkömmlichen Sonden findet ein Mineralöl Anwendung, das bezüglich der Schallgeschwindigkeit und akustischen Impedanz im wesentlichen mit dem als Untersuchungsobjekt dienenden lebenden Körper übereinstimmt. In diesem Fall ist davon auszugeben/3aß der Winkel des von dem Oszillator 14 abgegebenen Ultraschall-Strahls mit dem Winkel des in dem Sektorfeld schwingenden Oszillators 14 übereinstimmt. Das Fenster 22 des dicht abgeschlossenen Gehäuses 21, durch das der Ultraschall-Strahl austritt, ist dabei mit einer Fläche gebildet, deren Krümmungsmittelpunkt im Drehpunkt des Oszillators 14, d.h. auf der Mittelachse der Trägerwelle 12 liegt, um den in einem Sektorfeld schwingenden Ultraschall-Strahl in einem kleinen Bereich auf die Körperoberfläche des Untersuchungsobjekts aufzubringen. Die gesamte Sonde einschließlich des dicht abgeschlossenen Gehäuses 21 kann in einer länglichen Form aufgebaut sein, da der Motor 17, der Rotor 16 und der Träger 11 im wesentlichen linear angeordnet sind, der Rotor 16 in einer konischen Form ausgebildet, und die Rolle 19 auf der Innenseite des Rotors 16 angeordnet ist. Damit kann der Benutzer die Sonde leicht und fest ergreifen, wodurch die Untersuchung erleichtert wird.

Ein Vorteil der beschriebenen Sonde liegt darin, daß der Aufbau einfach und klein ist, und die Sonde mit geringen Kosten hergestellt werden kann. Da der Schwenkwinkel des Oszillators 14 jedoch nicht proportional zum Drehwinkel des Motors 17 ist, kann im Falle der Abstrahlung von Ultraschall-Impulsen mit gleichen zeitlichen Intervallen der entsprechende Ultraschall-Strahl nicht um gleiche Winkelbereiche sektorförmig abgelenkt werden. Entsprechend Fig. 6 läßt sich ein Oszillator-Schwenkwinkel von ί 46° erzielen, wenn mit einem Drehwinkel des Rotors Φ, einem Schwenkwinkel des Oszillators Θ, einem Drehradius der Rolle r und einem Abstand zwischen dem Drehmittelpunkt des Rotors und dem Drehmittelpunkt des Oszillators Jl das Verhältnis x/l folgender-

maßen festgesetzt wird: r/£ = 1,04. ^^ .**

Wird der Rotor um den Winkel Φ gedreht, ist der entsprechende Schwenkwinkel θ des Oszillators durch folgende Gleichung gegeben:

Β = tan'¹ ( ) (1)

Ist der maximale Schwenkwinkel des Oszillators, wie oben beschrieben, auf ±46° festgelegt, läßt sich der momentane Schwenkwinkel θ folgendermaßen bestimmen:

θ = tan" (tan 46 χ sin Φ)

Durch Einsetzen der entsprechenden Zahlenwerte erhält man für die Beziehung zwischen dem Drehwinkel Φ des Motors bzw. des Rotors und dem Schwenkwinkel, d.h. dem Ablenkungswinkel θ des Ultraschall-Strahls die in Fig. 7 dargestellte Kurve A. Die Kurve A ist im dargestellten Fall für das Verhältnis r/l = 1,04 gegeben.

Wie aus dem in Fig. 7 mit Kurve A dargestellten Rechenbeispiel ersichtlich, ist der Schwenkwinkel θ des Oszillators nicht proportional zum Drehwinkel Φ des Rotors. Die Steigung des Schwenkwinkels θ nimmt bei einer Zunahme des Drehwinkels Φ ab.

Im folgenden wird ein Fall betrachtet, bei dem ein akustisches Medium mit einem Brechungsindex η in einem dünnen Kunststoffelement mit einer gekrümmten Fläche L aufgenommen ist, und der Oszillator in diesem Medium sitzt. In diesem Fall gelten entsprechend Fig. 8 folgende Annahmen: Die gekrümmte Fläche L hat einen kreisförmigen Querschnitt, wobei der Mittelpunkt ihres Krümmungsradius bei O liegt. Der Radius des Kreises ist mit r angegeben, die Schallquelle A liegt um die Strecke y_Q vor dem Mittelpunkt O des Kreises. Die beim Schwingen des Oszillators von der Schallquelle abgegebenen Ultraschall-Strahlen breiten sich in dem Medium

GOPY

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mit einem Winkel θ relativ zur Verlängerung des linearen Segments OA aus und werden anschließend am Schnittpunkt B auf der Grenzfläche zwischen dem Medium und dem Kunststoff gebrochen. Die bei dieser Brechung am Punkt B auftretenden Einfallswinkel und Ausfallswinkel bezüglich der Normallinie OB sind mit α bzw. β bezeichnet. Da die gekrümmte Fläche L einen Querschnitt hat, der gleich dem Kreis um den Mittelpunkt 0 ist, nimmt die Länge OB den Wert r an. Daneben sind in der Figur der Winkel BOA mit γ- und der Winkel OAB mit jy bezeichnet.

Mit den in der Figur dargestellten und oben definierten Symbolen ergibt sich aus der Brechungstheorie folgende Gleichung :

η sin α = sin β (2)

15 Im Dreieck Δ0ΑΒ gilt:

Y₁ + γ₂ + α = 180° (3)

Am Punkt A auf der Strecke OC gilt:

θ + Y₂ = 180° (4)

Der Ablenkungswinkel Θ für den Ultraschall-Strahl bestimmt sich zu:

Θ = Y₁ + 3 (5)

Die Gleichungen (3) und (4) lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

Y₁ + α - θ = 0 (6)

Nach Gleichung (2) ergibt sich:

sin 3 = η sin α

3 = sin"¹ (η sin α) (7)

Unter Anwendung des Sinussatzes auf ΔΟΑΒ ergibt sich 5 folgende Gleichung:

(8,

sin α sin γ~

Diese Gleichung läßt sich folgendermaßen umschreiben:

y₀ _ ^r ₌ ^r

sin α sin (180 - Θ) sin θ r sin α = y₀ sin θ

_₁ y₀ sin θ
1o α = sin ' (—- ) (9)

Aus obigen Gleichungen, die im folgenden zum Gleichungssystem (I) bis (IV) zusammengefaßt sind, läßt sich Θ bestimmen, wenn die Werte für n, r, y_Q und θ gegeben sind:

y sin θ

(I) α = sin ' (— )

(II) Y₁ = θ - α

(III) 3 = sin"¹ (η sin α)

(IV) Θ = Y₁ +3

Für den Fall der Verwendung eines Chlortrifluorethylen-Polymerprodukts mit niedrigem Molekulargewicht und einer

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guten, an den lebenden Körper angepaßten akustischen Impedanz als dem in dem Kunststoffelement gehaltenen Medium ist mit Kurve B in Fig. 7 beispielhaft eine Beziehung zwischen Φ und Θ dargestellt. Die Beziehung zwischen dem Drehwinkel Φ des Motors und dem Schwenkwinkel θ des Oszillators sowie die Beziehung zwischen θ und Θ wurden unter folgenden Annahmen bestimmt: η = 1,80, r = 60 (mm) und Vq = 50 (mm). In diesem Fall wurde für das Verhältnis r/Z ein Wert von 0,488 in Gleichung (1) eingesetzt.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich wird, hat das in der Sonde mit dem in den Fig. 3 bis 5 gezeigten Aufbau gehaltene flüssige Medium eine Schallgeschwindigkeit, die geringer, und eine akustische Impedanz, die annähernd gleich der des lebenden Körpers ist. Das flüssige Medium ist dabei ein PoIy-5 merprodukt von Chlortrifluorethylen mit niedrigem Molekulargewicht, z.B. ein Gemisch aus CTFE-Öl #1 und CTFE-Öl S-316 in einem Gewichtsverhältnis von 4:1.

Im Vergleich zu der herkömmlichen Sonde, in der ein flüssiges Medium mit einer Schallgeschwindigkeit und einer akustisehen Impedanz Anwendung findet, deren Werte ähnlich denen des lebenden Körpers sind, ist nach vorliegender Erfindung der Ablenkungswinkel Θ des Ultraschall-Strahls bezüglich des Drehwinkels Φ des Motors stärker proportional,und die Bildfolge kann verbessert werden.

In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, nach dem der Ablenkungswinkel des Ultraschall-Strahls durch Ausnutzung der Tatsache erhöht wird, daß die Schallgeschwindigkeit in einem Chlortrifluorethylen-Polymerprodukt mit niedrigem Molekulargewicht geringer ist. Diese Erkenntnis ist auf eine Sonde angewandt, bei der Oszillator-Elemente mit jeweils einer geringen Breite in einer gekrümmten Oberfläche angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel finden ein Schall

absorbierendes Material 24, in einer gekrümmten Fläche angeordnete Oszillator-Elemente 25, ein aus Kunststoff hergestelltes Gehäuse 26 mit einer akustischen Impedanz, die annähernd gleich der des lebenden Körpers ist, und ein Chlortrifluorethylen-Polymerprodukt 27 als akustisches Medium Anwendung, wobei die genannten Komponenten im wesentlichen denen der oben beschriebenen mechanischen Abtastsonde entsprechen.

Wie in der Figur dargestellt, bildet das flüssige Medium eine konkave Linse, die mit einer konvex aufgebauten Sonde so kombiniert ist, daß die mit dem lebenden Körper in Kontakt kommende Oberfläche eine ebene Fläche bildet, und der Ablenkungswinkel des Ultraschall-Strahls aufgrund der oben im Zusammenhang mit der mechanischen Abtastsonde beschriebenen Prinzipien vergrößert wird.

Wie im vorhergehenden beschrieben, lassen sich mit vorliegender Erfindung die folgenden vorteilhaften Wirkungen erzielen:

(1) Die Sonde kann wahlweise so ausgelegt werden, daß die Schallgeschwindigkeit durch das flüssige Medium beträchtlieh niedriger (unter 900 m/sec) als die im lebenden Körper ist. Die akustische Impedanz der Sonde und des flüssigen Mediums kann auf einen Wert eingestellt werden, der annähernd dem des lebenden Körpers entspricht.

(2) Die erfindungsgemäße Sonde genügt den geforderten akustisch-physikalischen Eigenschaften sowie den elektrischen Eigenschaften, und hat einen Viskositätswert und Sicherheitsfaktor, wie sie für die Vorrichtung in der Praxis wichtig sind. Zusätzlich ist das flüssige Medium in geringerem Maße verdampfend.

Ah/bi

- Leerseite -

Claims

I'ATENTANWÄLTK STREHL SCHÜBEL-HOPF SCHULZ 3511134 WIDENMAYEHSTRASSE 17. D-8000 MÜNCHEN 22 HITACHI MEDICAL CORPORATION DEA-27089 27. März 1985 Ultraschall-Sonde

1. Ultraschall-Sonde, gekennzeichnet durch

ein akustisches Medium (23, 27) aus einem Polymerprodukt von Chlortrifluorethylen mit niedrigem Molekulargewicht.

5

2. Ultraschall-Sonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

ein akustisches Medium (23, 27) aus mehreren Arten mit unterschiedlichem Molekurlarqewicht von Polymerprodukten von Chlortrifluorethylen mit niedrigem Molekulargewicht, die miteinander so gemischt sind, daß ihre akustische Impedanz annähernd der an der Körperoberfläche entspricht.

3. Ultraschall-Sonde nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch

ein akustisches Medium (23, 27) mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 400 bis 500 aus einem Gemisch mehrerer Arten von Polymerprodukten von Chlortrifluorethylen mit niedrigem Molekulargewicht.

4. Ultraschall-Sonde nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Medium (23, 27) ein Gemisch aus Polymerprodukten von Chlortrifluorethylen mit niedrigem Molekulargewicht ist, die der allgemeinen Formel:

F F I I

Cl ( - C - C - ) Cl

! I

F Cl
entsprechen, wobei η eine ganze Zahl von 3 bis 6 ist.