DE3940808A1 - Wandlerelement fuer die beruehrungsfreie lithotripsie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wandlerelement mit vorzugsweise sechseckiger Ober­ fläche für die berührungsfreie Lithotripsie.

Aus der DE-OS 31 19 295 ist ein Ultraschallwandler als Schwingungserzeuger bekannt, der aus mehreren Einzelwandlern besteht, die separat ansteuerbar sind. Wahlweise besteht der Ultraschallwandler aus einem einzigen großflächi­ gen Schwinger oder einer Mehrzahl von einzelnen Schwingern, die in Matrix­ form angeordnet sind oder konzentrische Ringe bilden. Eine ähnliche Ausge­ staltung ist aus der europäischen Patentanmeldung 3 10 380 bekannt. Beim Gegenstand dieser Literaturstelle ist ein kreisringförmiger Wandler aus einer Vielzahl piezoelektrischer Wandlerelemente aufgebaut. Dieses Prinzip ist auch Gegenstand der DE-OS 37 32 131, bei der eine Kalottenfläche mit piezoelektri­ schen Wandlerelementen belegt ist.

Aus dem Buch von L.D. Rozenberg "SOURCES OF HIGH-INTENSITY ULTRASOUND" Volume 1, Plenum Press New York 1969, Seite 297 ist ein fokussierender Wandler bekannt, der mit piezokeramischen Platten in sech­ seckiger Wabenkonfiguration belegt ist.

Durch den Stand der Technik ist die Möglichkelt gegeben, jede Wandlerzone einzeln oder in Gruppen frei wählbar anzusteuern, und zwar seriell und/oder parallel und auch negativ sowie positiv nach Phase und Amplitude. Darüber hinaus kann durch entsprechende Beschaltung der Wandlerelemente oder Wandlerzonen die Form der erzeugten Schallkeule beeinflußt werden, so daß sie beispielsweise einen ovalen oder ellipsenförmigen Querschnitt auf­ weisen kann, wenn beispielsweise einige am Rande der Wandlerfläche be­ findlichen Wandlerzonen nicht angesteuert werden. Das hat unter anderem den Vorteil, daß man die Schallkeule den anatomischen Gegebenheiten an­ passen kann, was für den Fall wichtig ist, wenn die Rippen des Patienten das Schallfenster zu einem in der Niere befindlichen Konkrement einengen sollte.

Durch serielle Ansteuerung von Wandlerzonen und durch Überlagerung der von diesen im Fokusbereich erzeugten Schallimpulse können weiterhin die Amplitude und/oder die Dauer und/oder die Polarität des insgesamt im Wandlerfokus wirksamen Schallimpulses eingestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Hochleistungswandlerelemente zu bauen, die eine Wandleroberfläche möglichst dicht belegen, gleichzeitig die Gefahr von mechanischem Bruch minimieren, sowie eine einfache Fertigung sowie Reparatur eines Wandlers erlauben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Wandlerelemen­ ten mit sechseckiger Oberfläche in jedem Wandlerelment sieben (neunzehn, siebenunddreißig, einundsechzig) untereinander gleich große in Draufsicht kreisförmige Piezo-Zylinder in symmetrischer geometrischer Verteilung vor­ handen sind und der Durchmesser der Piezo-Zylinder so bemessen ist, daß sie sich weder untereinander noch die Ränder des Sechsecks berühren.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Figuren, die nachfolgend beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Kugelkalotte, die mit sechseckigen Wandlerelementen belegt ist in prinzipieller Darstellung,

Fig. 2 ein Wandlerelement in Draufsicht,

Fig. 3 ein Wandlerelement in Querschnittsansicht,

Fig. 4 das Zusammenfügen mehrerer Wandlerelemente zu einer gekrümm­ ten Fläche und

Fig. 5 und 6 weitere Ausgestaltungen der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein fokussierender Schallwandler 2, dargestellt, der eine Vielzahl von einzeln austauschbaren sechseckigen Wandlerelementen 4 aufweist. Mit­ tels eines wassergefüllten Sacks 6 ist die Stoßwellenquelle an die Haut 8 des Körpers 10 eines Patienten angekoppelt. Im Brennpunkt des fokussierenden Schallwandlers 2 befindet sich ein Nierenstein 12 innerhalb der Niere 14. Solche Schallwandler 2 haben beispielsweise einen Durchmesser von 30 cm bis 50 cm.

Gegenstand der Erfindung sind die Wandlerelemente 4, von denen eines in vergrößerter Darstellung in Fig. 2 in Draufsicht gezeigt ist. Das Wandlerele­ ment 4 ist ein gleichseitiges Hexagon. In der von den Seiten 15 umschlosse­ nen Fläche 18 befinden sich sieben kreisförmige Piezo-Zylinder 20, die sich gegenseitig nicht berühren und auch die Seitenkanten 16 nicht tangieren. Jeder Piezo-Zylinder 20 ist an seinem Mantel 22 vollständig von einer Hoch­ spannungsisolation umgeben. Weitere erfindungsgemäße Anzahlen sind neun­ zehn (Fig. 5), siebenunddreißig (Fig. 6) und einundsechzig (nicht dargestellt) Piezo-Zylinder 20.

Zweckmäßigerweise werden dazu die Zylinder in Isoliermaterial eingegossen, so daß das Wandlerelement 4 aus einem in Draufsicht hexagonalem Würfel besteht, in dem sich die Piezo-Zylinder 20 befinden.

Die sechseckige Geometrie des Wandlerelements 4 bietet den Vorteil, daß diese Grundelemente nach Art der Bienenwabe zu beliebig großen Flächen spaltfrei zusammengefügt werden können. Es gibt zwar auch andere geome­ trische Elemente (gleichseitiges Dreieck; Ouadrat) die diese Forderung erfüllen. Sie weisen jedoch Nachteile auf, wenn in der von Ihnen umschlossenen Fläche ein oder mehrere kreisförmige Elemente mit möglichst großem Durchmesser anzuordnen sind, weil dann Verlustflächen entstehen, die größer sind als sie die Isolation zwischen den einzelnen Zylindern erfordert. Erfindungsgemäß befinden sich in jedem Wandlerelement 4 sieben Piezo- Zylinder 20 (Fig. 2), wobei ihr Durchmesser D so groß bemessen ist, daß der kleinste Abstand S1 zwischen ihnen untereinander und der kleinste Abstand S2 zum Seitenrand eine wirksame Hochspannungsisolation ermöglicht. Zur siche­ ren Isolierung sind die Zylinder mit einer Isolierfolie (z. B. Kapton-Isolierfolie) umgeben.

Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Wandlerelement 4 in Querschnittsansicht, wobei drei Piezo-Zylinder 20 gezeigt sind. Die Zylinder sind auf einer ebenen oder gekrümmten Platte 24 angeordnet, die von Kontakten 26 durchbrochen ist.

Die Platte besteht vorzugsweise aus Epoxidharz.

Für die Zylinder 20 sind eine gemeinsame Rückelektrode 28 und eine gemein­ same Frontelektrode 30 vorhanden, wobei die Frontelektrode an einer Seiten­ wand 16 herausgeführt wird und von dort aus z. B. koaxial weggeleitet werden kann.

Bei der Herstellung des Wandlerelements 4 können die Piezo-Zylinder 20 ein­ zeln auf ihre Leistungsfähigkeit und auf die Hochspannungsfestigkeit geprüft werden. Ist ein Wandlerelement im Betrieb elektrisch durchgeschlagen, so kann es einfach ersetzt werden.

Zur Herstellung gekrümmter Schallwandler 2 könen ebene Wandlerelemente 4 (Fig. 4a, b, c) durch Einlegen von Keilen 32 winklig versetzt zueinander ange­ ordnet werden. Beispielsweise können auch gemäß Fig. 5 Ringe, Ringkalotten, Kegelabschnitte aus Wandlerelementen 4 zusammengesetzt werden. Die Länge der Piezo-Zylinder 20 im Wandlerelement 4 kann unterschiedlich sein, so daß sich abgestufte oder gekrümmte Oberflächen ergeben. Dies ermöglicht auch den Aufbau sogenannter "Tapered Arrays", die zur Formung spezieller Schallsignale besonders geeignet sind.

Fertigt man die Frontelektrode in einer entsprechenden Dicke, die z. B. 1/4 der Wellenlänge der Dickenschwingung der Piezo-Zylinder entspricht, so erreicht man eine akustische Anpassung an das Übertragungsmedium, die zu einer Verbesserung der Abstrahlung führt.

Um Signale großer Bandbreite zu erhalten, kann es vorteilhaft sein, die Ele­ mente in ein absorbierendes Medium zu betten. Aus der Literatur sind hierfür Mischungen aus Epoxyd mit Wolframpulver bekannt.

Claims (9)

1. Wandlerelement mit sechseckiger Oberfläche für die berührungsfreie Lithotripsie, dadurch gekennzeichnet, daß sieben untereinander gleich große in Draufsicht kreisförmige Piezo-Zylinder (20) in geometrischer Verteilung vorhanden sind und die Piezo-Zylinder (20) sich untereinander wie auch die Ränder (16) des Sechsecks (4) nicht berühren.

2. Wandlerelement mit sechseckiger Oberfläche für die berührungsfreie Lithotripsie, dadurch gekennzeichnet, daß neunzehn untereinander gleich große in Draufsicht kreisförmige Piezo-Zylinder (20) in geome­ trischer Verteilung vorhanden sind und die Piezo-Zylinder (20) sich unter­ einander wie auch die Ränder (16) des Sechsecks (4) nicht berühren.

3. Wandlerelement mit sechseckiger Oberfläche für die berührungsfreie Lithotripsie, dadurch gekennzeichnet, daß siebenunddreißig unter­ einander gleich große in Draufsicht kreisförmige Piezo-Zylinder (20) in geometrischer Verteilung vorhanden sind und die Piezo-Zylinder (20) sich untereinander wie auch die Ränder (16) des Sechsecks (4) nicht be­ rühren.

4. Wandlerelement mit sechseckiger Oberfläche für die berührungsfreie Lithotripsie, dadurch gekennzeichnet, daß einundsechzig unterein­ ander gleich große in Draufsicht kreisförmige Piezo-Zylinder (20) in geometrischer Verteilung vorhanden sind und die Piezo-Zylinder (20) sich untereinander wie auch die Ränder (16) des Sechsecks (4) nicht berühren.

5. Wandlerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß jeder Piezo-Zylinder (20) von einer Hochspan­ nungsisolation umgeben ist.

6. Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ab der Oberfläche des Sechsecks (4) eine flächenhafte Frontelektrode (30) vorhanden ist, die mit einer auf jedem Piezo-Zylinder (20) aufgedampften Elektrode in leitender Ver­ bindung steht.

7. Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezo-Zylinder (20) in einer Platine (24) gehaltert sind.

8. Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder Ansprüchen 5, 6, 7, dadurch gekennzeichnet, daß die flächenhafte Frontelektrode gleichzeitig eine akustische Anpassung an das Übertragungsmedium bewirkt.

9. Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder Ansprüchen 5, 6, 7, 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseiten der Elemente (20) in einer gemeinsamen akustischen Dämpfungsschicht ruhen ("Backing").