DE4023856A1 - Schaltkreis fuer einen piezowandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis zur Erzeugung von Druckpulsen mit einem Piezowandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Piezowandler werden in der Medizintechnik z. B. zur Fragmentation von Humankonkrementen (Gallensteinen, Nierensteinen, Harnleitersteinen, Speichelsteinen) oder zur ultraschallgestützten Bilderzeugung eingesetzt.

Der Schaltkreis zur Ansteuerung eines solchen Piezowandlers (Piezotransducers) enthält in der Regel neben einer Hochspannungsquelle und einem Ladekondensator eine Ansteuerung (einen schnellen Schalter wie z. B. ein Thyratron). Diese Ansteuerung führt zu einem schnellen Spannungsprung (Anstiegszeiten 10-100 nsec, je nach verwendetem Schalter). Die infolge dieses Spannungsprung auf den Piezowandler fließende Ladung veranlaßt diesen zu einer Dickenschwingung. Dabei werden Druck- und Zugpulse an das Medium an Vor- und Rückseite des Kristalls abgegeben. Die Spannung am Kristall bzw. die entsprechende Ladung wird anschließend durch einen Entladewiderstand im Zeitbereich von ca. 100 µsec abgebaut.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schaltkreis anzugeben, bei dessen Verwendung ein Piezowandler unipolare Druck- oder Zugpulse abstrahlt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Schaltkreis mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.

Mit dem erfindungsgemäßen Schaltkreis ist es möglich, akustische Pulse zu erzeugen, bei denen die Pulsanteile nach dem ersten Nulldurchgang nur noch sehr gering ausgebildet sind und die deswegen als Unipolarpulse bezeichnet werden können. Die mechanischen Nachschwinger des Piezowandlers bzw. die elektrischen Nachschwinger des elektrischen Kreises, die ihrerseits wieder mechanische Nachschwinger auslösen könnten, werden dabei durch die erfindungsgemäßen zusätzlichen elektronischen Bauelemente gedämpft.

Durch den erfindungsgemäßen Schaltkreis werden folgende Vorteile erreicht:

• - Verbesserung der Fragmentation von Humankonkrementen durch Hochleistungsultraschallpulse mit überwiegendem Druckanteil und stark reduziertem Zuganteil, wodurch eine geringe Belastung des Gewebes erfolgt.
• - Eine verbesserte Trefferkontrolle beim Aussenden eines schwachen unipolar Druck- oder Zugpulses und nachfolgender Detektion des Reflexes an der Steinoberfläche. Verbesserte Ortsauflösung bei diagnostischer Anwendung. Der Einzelpuls als Anregung ergibt auch ein einfacher zu analysierendes Echosignal.
• - Verbesserung der Bildqualität bei der ultraschallgestützten Bildverarbeitung, da Unipolarpulse die Extraktion der Phaseninformation erleichtern und die zeitliche Auflösung verbessert ist, da der Unipolarpuls kürzer ist als der bis jetzt verwendete Pulszug.

Die Erfindung kann am einfachsten durch eine Modifikation des elektrischen Kreises realisiert werden, die sicherstellt, daß die Schwingungsperiode des elektrischen Kreises größer wird wie die Schwingungsperiode der mechanischen Piezoeigenschwingung. In diesem Fall folgt die Auslenkung des Piezoelements dem Integral des elektrischen Strompulses (entspricht der aufgebrachten Ladung).

Die Verlangsamung der Zeitkonstanten des elektrischen Kreises kann z. B. durch eine zusätzliche Induktivität im Kreis erreicht werden, die typischerweise in der Größenordnung zwischen 0,1 und 500 µH liegt. Um sicherzustellen, daß von der elektrischen Schwingung nur eine Halbwelle auf das Piezoelement wirken kann, benötigt man ein zusätzliches Element (schnelle Diode bzw. sättigbare Induktivität), das das Piezoelement nach der ersten Halbwelle vom übrigen Stromkreis entkoppelt. Für akustische Pulse, die wie oben erklärt angesteuert werden und keinen Nachschwinger mehr aufweisen, wurde experimentell folgende Beziehung zwischen Breite des Strompulses t_r und Impedanz des Schaltkreises Z_q gefunden:

t_r=t_o+k · 1/Z_q

Dabei ist
t_r=Breite des Strompulses
t_o=Achsenabschnitt
k=Steigung der Geraden
Z_q=Impedanz des Netzwerks.

Die Werte von t_o und k richten sich dabei nach der Geometrie und der Materialkonstanten des jeweils verwendeten Piezoschwingers.

Im Spezialfall des RLC-Kreises gilt:
t_r≅π · =T/2
L=Induktivität,
C=Kapazität,
T=zeitliche Dauer der Schwingungsperiode,
k=(π/2 · -t_o) · .

Die elektrischen Pulse der bevorzugten Ausführung haben erfindungsgemäß eine charakteristische Breite zwischen 0,1 und 10 µsec.

Die Erfindung wird anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schaltkreis aus dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Schaltkreis.

Fig. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines bekannten Schaltkreises zur Erzeugung von Druckpulsen mit einem Piezotransducer P. Der Schaltkreis besteht aus der Spannungsquelle U, dem Ladekondensator C1 und dem Ladewiderstand R1. Eingezeichnet sind weiter die Induktivität der Zuleitung L1 und der ohmsche Widerstand der Zuleitung R2. Beispielhafte Größen sind in der Figur angegeben. Die mit einem solchen Schaltkreis erzeugten Druckpulse weisen starke, nur wenig gedämpfte Nachschwinger auf.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Schaltkreis, bei dem zusätzlich zu den Elementen der Fig. 1 die Induktivität L2 und die Diode D vor dem Piezotransducer P eingebaut sind. Die Induktivität L2 ist so gewählt, daß die in Anspruch 6 angegebene Beziehung erfüllt ist. Sie liegt in der Größenordnung von 0,1 bis 500 µH. Die schnelle Diode D läßt den Strom nur in eine Richtung durch und entkoppelt damit die elektro-mechanischen Schwingungen des Piezotransducers P von den elektrischen Schwingungen des Gesamtkreises.

Nicht gezeigt ist ein Schaltkreis, bei dem die zusätzliche Induktivität L2 weggelassen ist. Ein solcher Schaltkreis unterscheidet sich vom Stand der Technik nur durch die Diode D, erfüllt aber immer noch die erfindungsgemäße Aufgabe.

Ebenfalls nicht gezeigt ist ein Schaltkreis, bei dem die Diode D durch eine sättigbare Induktivität L_sätt ersetzt ist.

Claims (7)

1. Schaltkreis zur Erzeugung von Unipolarpulsen mit einem Piezowandler (P)

• - so dimensioniert, daß die Strompulsbreite eine definierte, von der Geometrie und den Materialkonstanten des Wandlers abhängige Zeitdauer besitzt, die größer ist als die Pulsbreite der Eigenschwingung des Wandlers,
• - enthaltend mindestens ein zusätzliches Element (Diode D, sättigbare Induktivität L_sätt), das bewirkt, daß der Piezoschwinger (P) mit seiner elektromechanischen Schwingung nach dem ersten Nulldurchgang des elektrischen Strompulses vom übrigen Schaltkreis elektrisch getrennt ist, so daß insbesondere keine Ladung vom Piezoschwinger (P) auf den Kondensator (C1) zurückfließen kann.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsbreite des elektrischen Strompulses durch eine gesteuerte Stromquelle eingestellt wird.

3. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Strompulses durch eine zusätzliche Induktivität eingestellt wird, die in der Größenordnung von 0,1 bis 500 µH liegt.

4. Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Pulsbreite des Strompulses t_r und der Impedanz des Schaltkreises Z_q folgende Beziehung besteht: t_r=t_o+k/Z_qwobei t_o im Bereich von 0-10 µsec liegt und k eine Konstante in der Größenordnung von 1 mΩ ist.

5. Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombreite durch einen RLC-Kreis eingestellt ist (C=Kapazität des Kreises, L=Induktivität), wobei die Konstante k folgenden Wert hat: k=(π/2 · -t_o) · .

6. Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Pulse eine charakteristische Breite von 0,1 bis 10 µsec haben.

7. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromanstiegsgeschwindigkeit langsamer ist als die Anstiegsflanke der mechanischen Eigenschwingung.