DE3545381C2 - Ultraschallwandler zur Messung der Schalleistung eines fokussierten Ultraschallfeldes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler zur Messung der Schalleistung eines in einem Fokus fokussierten Ultraschallfeldes mit einem Stützkörper.

In einem bekannten Fall (DE 33 35 361 C2) nimmt der Stützkörper bei einem solchen Ultraschallwandler ein Blendenrad, das in das Schallfeld hineinragt, auf. Die Drehgeschwindigkeit des Blendenrades dient hierbei als Meßgröße.

Fokussierte Ultraschallfelder werden beispielsweise in der Medizin eingesetzt, um im Körper befindliche Konkremente, wie z.B. Nierensteine, zu zerstören. Der Vorteil eines derartigen Verfahrens besteht darin, daß operative Eingriffe oder das Einführen von Sonden in den Körper des Patienten und die damit verbundene Gefährdung durch Infektionen vermieden werden.

Aus der EP-A2 0 133 665 ist eine Einrichtung zum berührungslosen Zertrümmern eines Konkrementes bekannt, bei der die in einem Stoßwellenrohr erzeugte, annähernd ebene Ultraschallwelle mittels einer akustischen Linse oder eines akustischen Linsensystems auf das Zielgebiet fokussiert wird. Zwischen der Linse bzw. dem Linsensystem und einer als Ultraschall-Sender dienenden Kupfer-Membran befindet sich ein flüssiges Koppelmedium. Durch eine geeignete Halterung kann das Stoßwellenrohr auf das Konkrement so ausgerichtet werden, daß der bildseitige Brennpunkt der Linse im Konkrement liegt. Die Linse kann außerdem zur genauen Justierung der Lage des Brennpunktes mit Hilfe einer Feinregulierung längs der Achse des Stoßwellen­ rohres verschoben werden.

Bei der Vermessung des von einem Ultraschallsender in einem schalltragenden Medium, beispielsweise Wasser, erzeugten Ultraschallfeldes werden sogenannte Miniatur- Hydrophone verwendet. Die dreidimensionale Verteilung der Schalldruckamplitude des vom Ultraschallsender er­ zeugten Ultraschallfeldes wird dadurch ermittelt, daß der an jeweils verschiedenen Orten in der Meßwanne herrschende Schalldruck mit einem derartigen Hydro­ phon gemessen wird. Kennt man insbesondere die räum­ liche Verteilung der Amplitude und der Ausbreitungs­ richtung des Schallfeldes in einer Querschnittsfläche des Strahlengangs, so kann man hieraus den Energiefluß durch diese Fläche ermitteln.

Bei einem bekannten breitbandigen Miniatur-Hydrophon ist eine mit Elektroden versehene piezoaktive Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF mit einer Dicke von 25 µm auf die Stirnfläche eines Edelstahlrohres elektrisch isoliert aufgespannt. Der Durchmesser der Folie beträgt etwa 1 mm. Auf der Innenseite der Folie ist ein Platin­ draht angebracht, der mit dem Innenleiter eines Koaxial­ kabels verbunden ist. Dieser Platindraht wird von einem, das Innere des Edelstahlrohres ausfüllenden Backing gestützt. Die Außenseite der Folie ist mit dem Edelstahlrohr elektrisch kontaktiert und mit der Abschirmung des Koaxialkabels verbunden (Ultrasonics, September 1981, Seiten 213 bis 216).

Es ist weiterhin ein Membran-Hydrophon bekannt (Ultra­ sonics, Mai 1980, Seiten 123 bis 126), bei dem eine Membran aus Polyvinylidenfluorid PVDF mit einer Dicke von 25 µm und einem Durchmeser von 100 mm zwischen zwei Ringen aus Metall aufgespannt ist. In der Mitte der Membran befindet sich der piezoelektrisch aktive Bereich, der mit Elektroden versehen ist und bei­ spielsweise einen Durchmesser von 4 mm hat.

Um die Schalleistung eines fokussierten Ultraschall­ feldes mit Hilfe derartiger Hydrophone zu ermitteln, müssen somit in einer Querschnittsfläche des Strahlen­ ganges mehrere voneinander unabhängige Messungen durch­ geführt werden. Dies kann beispielsweise dadurch er­ folgen, daß mit einem Hydrophon mehrere Messungen zeitlich nacheinander vorgenommen werden. Ein solches Verfahren ist jedoch zeitaufwendig und beispielsweise während des Betriebs eines medizinischen Ultraschall­ gerätes, beispielsweise eines Lithotripters, nicht durchführbar. Zwar kann der zeitliche Aufwand für die Messung verringert werden, wenn in der Querschnitts­ fläche eine Vielzahl von Hydrophonen angeordnet sind, die annähernd gleichzeitig ausgelesen werden, jedoch ist hierfür ein hoher konstruktiver Aufwand erforder­ lich. Außerdem sind die mit einem derartigen Aufbau verbundenen Störungen des Ultraschallfeldes nicht mehr vernachlässigbar.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der Schalleistung eines fokussierten Ultraschallfeldes anzugeben, die außer­ halb des Fokus auch während der Beschallung eines Objektes verwendet werden kann und bei der mit einem einzigen Ultraschallwandler die gesamte Querschnitts­ fläche des Strahlenganges des Ultraschallfeldes vollständig überdeckt wird.

Die genannte Aufgabe wird gelöst mit den kennzeich­ nenden Merkmalen des Anspruchs 1. Die Krümmung der piezoelektrischen Polymerfolie ist wenigstens an­ nähernd gleich ihrem Abstand vom Fokus des fokussierten Ultraschallfeldes. Die gekrümmte Form der piezoelek­ trischen Polymerfolie erhält man dadurch, daß diese auf einen ebenfalls gekrümmten mechanisch stabilen Stütz­ körper aufgebracht ist. Die Ultraschallschwingungen sind somit innerhalb des durch die piezoelektrische Polymerfolie definierten Gebietes wenigstens annähernd gleichphasig und die entsprechenden Oberflächenladungs­ schwingungen können addiert werden, ohne daß sie sich teilweise gegenseitig auslöschen. Die Addition erfolgt dann dadurch, daß die piezoelektrische Polymerfolie auf ihren beiden Flachseiten mit jeweils einer zusammen­ hängenden elektrisch leitfähigen Schicht versehen ist. Die gesamte Wechselladungsamplitude ist proportional dem Schalldruck und die gesamte mittlere Schalleistung ist dem mittleren Quadrat des Schalldruckes und somit dem mittleren Quadrat der Wechselladungsamplitude proportional. Die empfindliche Fläche des Ultraschall­ wandlers kann vorzugsweise größer als die Apertur des Ultraschallfeldes am Ort des Ultraschallwandlers ge­ wählt werden, um die gesamte Schalleistung des Ultra­ schallfeldes zu erfassen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht der Stützkörper aus einem Kunststoff, beispielsweise Poly­ styrol PS. Die akustische Impedanz des Stützkörpers ist dann der akustischen Impedanz des schalltragenden Mediums, beispielsweise Wasser oder einer wasserähnlichen Flüssigkeit, weitgehend angepaßt und die Reflexions­ verluste werden vermindert.

Die piezoelektrische Polymerfolie besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus polarisiertem Poly­ vinylidenfluorid PVDF und ist auf ihrer dem Stütz­ körper zugewandten und auf ihrer freien Oberfläche mit einer elektrisch leitfähigen, beispielsweise metallischen Schicht versehen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, deren einzige Figur die An­ ordnung eines Ultraschallwandlers gemäß der Erfindung in einem fokussierten Ultraschallfeld im Schnitt zeigt.

Entsprechend der Figur wird ein Ultraschallfeld 1 im Fokus F gebündelt. Das Ultraschallfeld 1 hat die Ge­ stalt einer Kugelwelle, deren Radiusmittelpunkt mit dem Fokus F zusammenfällt. Die Fokussierung des Ultra­ schallfeldes 1 erfolgt beispielsweise mit in der Figur nicht dargestellten akustischen Linsen- oder Reflektor­ systemen. Im Ultraschallfeld 1 befindet sich ein Ultra­ schallwandler 2, der einen Stützkörper 4 enthält, auf dessen einer, beispielsweise dem Fokus F zugewandten Oberfläche 42 wenigstens mittelbar eine piezoelek­ trische Polymerfolie 6 angeordnet ist. Die piezoelek­ trische Polymerfolie 6 besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus polarisiertem Polyvinylidenfluorid PVDF. Der Ultraschallwandler 2 hat eine um die Symmetrie­ achse 12 rotationssymmetrische Gestalt und ist im Ultra­ schallfeld 1 derart angeordnet, daß der Fokus F des Ultraschallfeldes 1 auf der Symmetrieachse 12 liegt. Der Stützkörper 4 hat die Gestalt eines Teils einer Kugel­ schale, deren Radiusmittelpunkt mit dem Fokus F zusammen­ fällt. Somit sind die Krümmungsradien der Oberfläche 42 und der dem Fokus F abgewandten Oberfläche 44 des Stütz­ körpers wenigstens annähernd gleich dem Abstand dieser Oberflächen 42 und 44 vom Fokus F. Dadurch ist gewähr­ leistet, daß innerhalb der durch diese Oberflächen 42 und 44 definierten Flächen Gleichphasigkeit des Ultra­ schallfeldes 1 vorliegt. Die piezoelektrische Poly­ merfolie 6 ist an ihrer freien Oberfläche 62 und dem Stützkörper 4 zugewandten Oberfläche 64 jeweils mit elektrisch leitfähigen Schichten 8 versehen, die mit in der Figur nicht dargestellten elektrischen Anschlußleitern verbunden sind. Die an den Oberflächen 62 und 64 der piezoaktiven Polymerfolie 6 entstehenden Wechselladungen sind somit ebenfalls gleichphasig und können sich nicht gegenseitig auslöschen. Die richtige Position des Ultraschallwandlers 2 kann dabei beispielsweise dadurch ermittelt werden, daß dieser in den durch einen Doppelpfeil 14 angegebenen Richtungen solange verschoben wird, bis die maximale Wechselladungsamplitude gemessen wird. Dies ist der Fall, wenn der Abstand R des Ultraschallwandlers 2 vom Fokus F wenigstens annähernd gleich dem Krümmungsradius der piezoelektrischen Polymerfolie 6 ist und die in verschiedenen Bereichen der Oberflächen 62 und 64 der piezoelektrischen Polymerfolie 6 erzeugten Wechselsignale sich wenigstens annähernd gleichphasig addieren.

Claims (3)

1. Ultraschallwandler (2) zur Messung der Schalleistung eines in einem Fokus F fokussierten Ultraschallfeldes (1) mit einem Stützkörper, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• 1) der Stützkörper (4) hat die Gestalt eines Teils einer Kugelschale, deren Radiusmittelpunkt im Fokus F des fokussierten Ultraschallfeldes (1) liegt,
• 2) auf einer der Kugeloberflächen (42, 44) des Stützkörpers (4) ist wenigstens mittelbar eine piezo­ elektrische Polymerfolie (6) angeordnet,
• 3) die piezoelektrische Polymerfolie (6) ist an ihrer dem Stützkörper (4) zugewandten Oberfläche (64) und an ihrer freien Oberfläche (62) jeweils mit einer leitfähigen Schicht (8) versehen.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (4) aus Kunststoff besteht.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Polymerfolie (6) aus polarisiertem Polyvinylidenfluorid PVDF besteht.