DE60211563T2

DE60211563T2 - Ultraschallwandlersonde

Info

Publication number: DE60211563T2
Application number: DE60211563T
Authority: DE
Inventors: Abraham Aharoni; E. Gideon STURLESI; Florin Coter
Original assignee: Bio Scan Ltd
Current assignee: Bio Scan Ltd
Priority date: 2002-01-08
Filing date: 2002-01-08
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2022-01-09
Also published as: AU2002219490A1; CA2472877A1; WO2003057061A1; US20050131289A1; DE60211563D1; EP1471848A1; EP1665998A2; EP1665998A3; EP1471848B1; US20110251490A1; ATE326183T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Sonden, die Ultraschallwandler beinhalten, die unter Verwendung von nicht-elektrischen Sendeverfahren betrieben und/oder gesteuert werden.
Katheter mit geringem Querschnitt und Ultraschallfähigkeit an ihren oder benachbart zu ihren Spitzen sind nach dem Stand der Technik bekannt. Die Sendung elektrischer Energie und/oder elektrischer Signale durch derartige dünne Katheter stellt an die Konstruktion hohe Anforderungen und schränkt die Möglichkeit ein, den Querschnitt der Vorrichtungen zu Verringern. Demzufolge sind nach dem Stand der Technik zahlreiche Vorschläge für das Senden von Energie zur (und das Empfangen von Signalen von der) Spitze des Katheters mit Hilfe optischer Wellen und das Umwandeln optischer Wellen in Ultraschallwellen unter Verwendung eines geeigneten Wandlers nach dem Stand der Technik bekannt.
Das Phänomen der Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung in Ultraschall ist hinlänglich bekannt. Von den untferschiedlichen Umwandlungsarten elektromagnetischer Strahlung in Ultraschall ist die Umwandlung unter thermoelastischen Betriebsbedingungen bei dieser Beschreibung von besonderem, jedoch nicht ausschließlichem, Interesse. Unter thermo-elastischen Betriebsbedingungen erwärmt ein Teil der elektromagnetischen Strahlung, die in einem Zielmaterial absorbiert wird, einen Bereich im Zielmaterial. Vorausgesetzt, die Rate der Wärmebildung ist höher als die Rate ihres Abbaus im bestrahlten Bereich, erfährt der Bereich einen Anstieg seiner Temperatur. Die resultierende thermische Spannung erzeugt eine akustische Störung, die sich vom erwärmten Bereich ausbreitet. Die Rate des Wärmeabbaus, wie sie aus den zeitlichen und räumlichen Parametern der Strahlungswellenfront ermittelt wird, die Rate des Abbaus der Wärme weg vom erwärmten Bereich und die räumliche Verteilung der Tempe ratur im erwärmten Bereich sowie die physikalischen Eigenschaften des Zielmaterials bestimmen die Eigenschaften des resultierenden akustischen Signals.
Die deutsche Patentoffenlegungsschrift DE 24 12 690 beschreibt einen Absorber, der mit einem Wellenleiter gekoppelt ist, der elektromagnetische Strahlung absorbiert und umwandelt, die entlang des Wellenleiters von einer elektromagnetischen Quelle gesendet wird.
Das US-Patent 5.944.687, dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme enthalten ist, verwendet einen Wandler, der einen Fluidbehälter an der Spitze des Katheters enthält. Das Fluid wird von einem Impuls aus Laserlicht erwärmt, das durch den Katheter gesendet wird. Wenn sich das erwärmte Fluid ausdehnt, bewirkt es, dass sich eine Kappe (oder ein Balg) am Fluidbehälter bewegt. Die Beleuchtung ist vorübergehend, und nachdem das Licht unterbrochen worden ist, zieht sich das Fluid zusammen und die Kappe zieht sich zurück.
Das US-Patent 6.022.309 beschreibt eine andere Anwendung, bei der Arbeitsfluid aus dem Katheter befördert wird. Sobald sich das Fluid außerhalb befindet, wird das Fluid mit gepulstem Laserlicht bestrahlt und wandelt das Laserlicht in Ultraschallstrahlung um. Somit wird eine Ultraschallstrahlung außerhalb der Grenzen des Katheters erzeugt.
Das US-Patent 5.254.112 beschreibt einen Katheter, bei dem gepulstes Laserlicht auf ein Ziel trifft, das angeblich eine Ultraschallstrahlung in einer senkrechten Richtung zur Oberfläche des Ziels entgegengesetzt zur Lichtenergie erzeugt. Die beschriebenen Ziele sind metallisch. Dieser Katheter kann angeblich ebenfalls einen Hochleistungslaser übertragen, der reflektiert wird, um sich in derselben allgemeinen Richtung auszubreiten, wie die Ultraschallstrahlung, um Plaque in der Nähe des Katheters optisch abzutragen. Das Patent beansprucht, dass die Richtung der akustischen Strahlung beinahe in einem rechten Winkel geringfügig entfernt zur Achse des Katheters verläuft. Wie dies passiert, wird jedoch von der Anmelderin nicht erläutert. Das Patent beschreibt darüber hinaus die Erfassung akustischer Strahlung an der Sonde durch Erfassen ihrer Interaktion mit einem optischen Signal (z.B. unter Verwendung eines Laserstrahls), das ebenfalls in die Sondenspitze eingeleitet wird. Eine einzige Faser kann entlang des Katheters verlaufen und offensichtlich wahlweise verwendet werden, um ultraschallerzeugendes Laserlicht zu leiten und akustische Strahlung zu erfassen, indem eine selektiv reflektierende Oberfläche verwendet wird, die Ultraschall erzeugende Strahlung hindurchlässt und eine Ultraschall erfassende Strahlung reflektiert. Die akustische Interaktion zwischen umgebenden Ultraschallwellen und Erfassungslicht erfolgt mit einem transparenten zwischenliegenden Medium zwischen der Faser und dem Reflektor. Diese Patent schlägt offensichtlich nicht vor, dieselbe Faser gleichzeitig für mehr als eine Funktion zu verwenden.
Bei diesem Patent gelangt ein Merhrfaser-Katheter zur Verwendung, wobei jede Faser verwendet wird, um ein Winkelsegment zu wählen und Licht und/oder Ultraschallenergie in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Katheterachse zu senden. Zudem wird ein zentraler Führungsdraht verwendet, um den Katheter zu führen. Somit erfordert dieser Aufbau notwendigerweise einen deutlich größeren Durchmesser als der Katheter, bei dem eine einzige Faser Verwendung findet.
Darüber hinaus ist die Energie des Ultraschalls, der von diesem Patent erzeugt wird, offensichtlich durch zahlreiche Verlustvorgänge beschränkt: (a) der Großteil des energieerzeugenden Laserlichtes geht offensichtlich durch Reflexion vom metallischen Ziel verloren, ein Teil dringt in das umgebende Gewebe (mit einem zusätzlichen erhöhten Gesundheitsrisiko) ein, und (b) der Großteil des resultierenden Ultraschallss wird offensichtlich innerhalb der Konstruktion des Katheters abgebaut. Der letztgenannte Effekt verringert den Wirkungsgrad des Systems sowohl durch Einleitung nicht gesteuerter Ultraschallsignale, die eine starke Hintergrundinterferenz hervorrufen, die stark zu Lasten des Leistungsvermögens der Vorrichtung gehen, wie auch durch eine beträchtliche Verringerung der verfügbaren Energie. Darüber hinaus wird zusätzlich unerwünschte Energie offensichtlich ebenfalls im umgebenden Gewebe absorbiert.
ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Spezielle Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert, in denen identische Konstruktionen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Zeichnung erscheinen, vorzugsweise mit derselben oder einer ähnlichen Nummer in sämtlichen Zeichnungen, in denen sie erscheinen, gekennzeichnet sind.
1 ist eine schematische Darstellung einer ultraschallerzeugenden Lichtleitfaser gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
2A ist eine schematische Darstellung einer ultraschallerzeugenden Lichtleitfaser gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
2B zeigt die Absorption von Energie bei der Ausführungsform von 2a, wie sie durch Reflexion abgeändert wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
2C zeigt die Absorption von Energie in einer Exponential-Absorptionsenrichtung gemäß einer alternativen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
2D zeigt die Absorption von Energie in einer Absorptionseinrichtung mit diskreten Schritten gemäß einer alternativen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
3A und 3D stellen die Wirkung der Verwendung zweier aneinandergrenzender Lichtleitfasern auf das resultierende Akustikfeldmuster in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dar;
4 zeigt eine einzige Lichtleitfaser mit mehreren lichtabsorbierenden Bereichen in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt ein optisches Ultraschallsystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt die Verwendung einer Faseroptik-Ultraschallquelle als Leitungsdraht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
7 stellt die Verwendung einer Faseroptik-Ultraschallquelle zur Ultraschallmarkierung eines Invasivinstrumentes gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dar;
8 zeigt eine Mehrelementsonde gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
9 ist ein Graph, der Versuchsergebnisse einer Vorrichtung zeigt, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform aufgebaut ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine schematische Darstellung einer ultraschallerzeugenden Lichtleitfaser 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Die Faser 100 enthält einen Körper 102, durch den sich ein Impuls (oder eine Abfolge von Impulsen oder eine andere Wellenform, wie etwa eine Sägezahnform oder eine Gauß'sche Form) einer elektromagnetischen Strahlung 104 (gekennzeichnet mit einem Pfeil), wie etwa infrarotes, ultraviolettes oder sichtbares Licht, ausbreitet. Wenigstens ein Teil der Beleuchtung wird von einer Absorptionseinrichtung 106 absorbiert, wodurch sie sich erwärmt und bewirkt wird, dass sie sich abrupt ausdehnt und eine Ultraschallwelle aussendet. Diese Welle ist normalerweise eine multispektrale Welle. Wie es im folgenden erläutert wird, kann jedoch das Spektrum und/oder die Richtung der Welle verändert werden.
Potentielle Vorteile der Verwendung geleiteter volumetrischer Absorption sind:

(a) Die erzeugende Strahlung kann durch den Absorptionsvorgang geleitet werden und wird dadurch seitlich begrenzt. Seitliches Streuen der erzeugenden Welle durch den Absorptionsvorgang, wie sie bei nicht geleiteten Situationen auftreten würde, bei denen der Strahl gebeugt wird und sich ausdehnt, kann im wesentlichen verhindert werden. Die Strahlungsleistungsdichte wird daher nur infol ge des Absorptionsvorgangs und nicht als Ergebnis der Strahlstreuung abgeschwächt;
(b) die Absorption kann über eine größere Tiefe des Ziels gestreut werden und daher eine besser gesteuerte Ultraschallwelle erzeugen; und/oder
(c) die Verwendung der Volumenabsorption gestattet eine potentiell bessere Steuerung der resultierenden akustischen Wellenform etwa durch Änderung des Grades der Absorption innerhalb des absorbierenden Bereiches.

Die Ultraschallwelle, die im absorbierenden Bereich erzeugt wird, ist im wesentlichen die Stoßwelle, die durch einen thermischen Stoß infolge der abrupten Erwärmung des Absorptionsmediums erzeugt wird. Die Eigenschaften des akustischen Signals, das unter Verwendung dieser thermo-elastischen Betriebsbedingungen erzeugt wird, gehen vorherrschend aus den temporären Eigenschaften der abgegebenen elektro-magnetischen Energie und/oder aus der geometrischen Form des Wärmeaufbaus und den Wärmeabbau-Eigenschaften des umgebenden Mediums hervor. Aus Gründen der Einfachheit werden unterschiedliche Effekte, wie etwa die Konvektion und die Abstrahlung von Wärme weg vom erwärmten Bereich und die direkte Kopplung des akustischen und des elektromagnetischen Phänomens, vernachlässigt. Auch aus Gründen der Einfachheit wird nur das anfängliche akustische Signal, bevor es infolge der Ausbreitung durch das umgebende Medium verzerrt wird, berücksichtigt, wobei lediglich der Beitrag infolge des linearen Ansprechens des umgebenden Mediums enthalten ist. Es versteht sich, dass keine dieser Annahmen und/oder Einschränkungen für den tatsächlichen Betrieb der Erfindung von Bedeutung ist und diese nur der Vereinfachung der Darstellung und einer vereinfachten Ausgangsberechnung dienen.
Unter diesen Voraussetzungen kann die Verschiebung des erzeugten Ultraschalls wie folgt dargestellt werden: uk(X,t) = αT(3λ + 2μ) ∫vΘ(ξ,t)δij*Gkij(ξ,t;X,0)dV (1)wobei

u_k(X,t): die Ultraschallverschiebung in drei Ausrichtungen, k, ist,
α_T: der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials ist,
(3λ + 2μ): die Lamékonstanten des Materials sind,
Θ(ξ, t): die unverzügliche Wärmeverteilung über den erwärmten Bereich ist,
δ_ij: die Kroneker-Deltafunktion ist,
*: die Faltung in der Zeit ist,
G_kij(ξ, t;X, 0): die Ableitung der Green-Funktion in der j-Richtung ist,

Die Frequenzansprache des Absorbers beinhaltet unterschiedliche Spektralkomponenten, wie es unten für vereinfachte Fälle erläutert ist. Bei einer praktischen Anwendung können die Spektralkomponenten etwas unterschiedlich sein, wobei die folgende Beschreibung jedoch als Hilfe bei der Definition der Anzahl und anderer Eigenschaften der Absorptionsbereiche gemäß beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann.
Die Anstiegsflanke der Green-Funktionen für Verschiebungen ist durch eine Singularität eines abrupten Schrittes gekennzeichnet (Pekeris in Proc. Acad. Sci., 41, Seite 469–480 und Seite 629–639, 1955), was dazu führt, dass die Anstiegsflanke des Ultraschallsignals die zeitliche Verteilung des abgegebenen elektromagnetischen Impulses widerspiegelt.
Nimmt man einen typischen Laserimpuls mit einer Anstiegszeit im Bereich von 10 Nanosekunden und beispielsweise ein Glasmaterial (für den Körper 102) mit einer relativ schwachen Wärmeleitung, entsprechen der thermische Stoß und die resultierende akustische Störung beinahe vollständig den Laserimpulsübergänge, wobei die anfängliche akustische Welle aus dem Frequenzspektrum besteht, das aus einer Übergangsanregung von 10 ns resultiert. Dies ist eine Breitbandanregung mit einer Mittenfrequenz in der Größenordnung von 30 MHz.
Die zeitliche Breite der Längskomponente des Ultraschalls, wie es in den Green-Funktionen zu beobachten ist, liegt im Bereich von weniger als 0,01 r/c, wobei c die Ultraschallgeschwindigkeit und r der Abstand der Quelle vom Beobachtungspunkt ist. Wenn beispielsweise ein Gauß'scher Laserimpuls mit einer Breite von 10 ns für die Erzeugung in Glas bei einem Abstand von 1 mm verwendet wird, würde die Anstiegsflanke des Ultraschallimpulses im Bereich von 5 ns liegen. In ähnlicher Weise ist für diesen Abstand der Beitrag der Breite der Green-Funktion etwa 0,01 × 1 mm/6.000 m/s = 1,7 ns, so dass die Impulsbreite für eine Punktquellen-Erzeugungseinrichtung in der Größenordnung der elektromagnetischen Impulsbreite ist. Es wird erwartet, dass bei Erzeugung eines bipolaren Impulses, der Beitrag die Gestalt der Ableitung der Green-Funktion hat.
Berücksichtigt man das Volumen der Erzeugungseinrichtung, kann die zeitliche Form des anfänglichen Ultraschallimpulses durch die Faltung der elektromagnetischen Impulsform und die Geometrie der Wärmequelle charakterisiert werden, die beide gemäß beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung gesteuert und/oder aufgebaut sein können. Berücksichtigt man einen quadratischen Quellenquerschnitt einer Breite von 1 mm, so erhält man eine Ultraschallwelle mit zwei Hauptmerkmalen – den bipolare Impuls, der sich aus den Rändern des beleuchteten Bereiches ergibt; wobei eine Breite jener des elektromagnetischen Impulses entspricht, und einen Ultraschall-Restimpuls, der der Breite des beleuchteten Bereiches entspricht (dies ist auf eine Asymmetrie der Ableitung der Green-Funktion zurückzuführen). Demzufolge sind zwei Hauptfrequenzkomponenten zu beobachten – ein Impuls mit einer Zeitbreite, die mit der Breite des elektromagnetischen Impulses zu vergleichen ist, und eine zentrale Komponente mit einer Wellenlänge, die mit der Breite der erwärmten Volumens vergleichbar ist.
Beispielsweise wird erwartet, dass ein einzelner Bereich einer Breite w Ultraschall mit einer Mittenfrequenz erzeugt, bei der w der Hälfte einer akustischen Wellenlänge entspricht. Beispielsweise verstärkt in Glas mit einer akustischen Geschwindigkeit von beinahe 6.000 m/s ein gleichmäßig beleuchteter Absorpti onsbereich mit einer Breite w = 1/2 × 6.000/30 MHz = 0,1 mm (und ungeradzahlige Vielfache davon) die erste Wellenfront, die von der ersten thermischen Stoßfront ausgeht, wobei die Wellenfront eines umgekehrten Vorzeichens von der gegenüberliegenden Flanke der thermischen Stoßfront ausgeht. Bei einem weiteren Beispiel entspricht dies für ein Glasziel und 1 mm Beleuchtung einer Mittenfrequenz von f = 2c/w = 2 × 6.000 m/s/1 mm = 12 MHz. Die relative Stabilität dieser Komponente im Vergleich zu jener, die von den Flanken ausgeht, hängt unter anderem vom thermischen Gradienten an der Grenze der thermischen Quelle ab; je schärfer dieser Gradient ist, desto stärker ist der Beitrag der Flankenkomponente im Signal; wenn im Gegensatz dazu die thermische Grenze gradueller oder unscharf wird, nimmt die Bedeutung des geringeren Frequenzbeitrags der Breite der Quelle zu. Wie es unten erläutert wird, ruft die Schwächung der erzeugenden elektromagnetischen Strahlung, wenn sich diese entlang des absorbierenden Bereiches ausbreitet, eine graduelle Grenze zum Bereich hervor, und stabilisiert wirkungsvoll die relative erzeugte Niederfrequenzkomponente. Hält man die Absorber kurz (kleine Werfe von w), wie es in 1 gezeichnet ist, so wird die relative Stabilität der Hochfrequenzkomponenten im erzeugten Ultraschall verbessert.
Bei einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein zusätzlicher Absorptionsbereich 108 entfernt vom Absorber 106 vorgesehen, um wenigstens ein Teil des Lichtes (sofern vorhanden) zu absorbieren, das nicht vom Absorber 106 absorbiert wird. Bei einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung dienen der Abstand a zwischen den Absorbern und ihre Ausdehnung w in axialer Richtung dazu, die gewünschten Ultraschalleigenschaften der resultierenden Wellen zu entwickeln, wie es im folgenden Erläutert ist.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Niederfrequenzkomponente dadurch erzeugt, dass die Länge des Absorptionsbereiches in der Faser erhöht und/oder eine Abfolge geeignet beabstandeter Wärmebereiche verwendet wird. Um beispielsweise ein akustisches Signal mit 600 kHz zu erzeugen kann eine Abfolge von Bereichen einer Länge von w = λ/2 und ein ähnlicher Zwischenraum verwendet werden. In einem Glaswellenleiter können Bereiche von λ/2 = 1/2c/f = 1/2 × 6.000 m/s/600 KHz mit 5 mm Länge verwendet werden. Im all gemeinen bezieht sich die räumliche Verteilung des erwärmten Volumens auf eine Fourier-Transformation des resultierenden Spektrums, in Abhängigkeit der Umhüllung der Beleuchtung. Das Erhöhen der Zahl der Absorber verringert die Breite in der Fourier-Ebene und das resultierende Spektrum des Signals. Da die Grenzen der Absorptionsbereiche gradueller gestaltet werden, werden die Hochfrequenzkomponenten verringert. In ähnlicher Weise führt die Einführung eines sich monoton ändernden Bereichsabstandes und -länge zu einem zeitvariablen Spektrum oder zu einem Chirp-Signal. Um eine spezielle Frequenzkomponente in der erzeugten akustischen Welle zu verstärken, muss der Abstand a zwischen den Absorbern der akustischen Wellenlänge dieser Komponente entsprechen. Dies ist schematisch in 1 dargestellt, in der die Absorber 106 und 108 durch λ, der akustischen Wellenlänge, beabstandet sind.
Wenn dünne Absorptionsvolumina verwendet werden, können diese jeweils eine sehr hohe spezifische akustische Frequenz erzeugen, wie es durch ihre geometrische Breite und die Anstiegszeit des erzeugenden elektromagnetischen Impulses bestimmt ist. Bei einem Impuls mit einer Anstiegszeit von 10 ns und einem Absorber, der schmaler ist als beispielsweise 0,01 mm, kann es beispielsweise Ultraschallkomponenten bei 300 MHz oder mehr geben. Der Abstand zwischen den Absorptionsbereichen bestimmt eine geringere Frequenz mit einer im wesentlichen geringeren Leistung. Ist, wie in 2A gezeigt, der Absorptionsbereich breit, ist die niedrigere Frequenzkomponente stärker. Wahlweise ist die niedrigere Frequenzkomponente so eingerichtet, dass sie die Wellenform dadurch beherrscht, dass eine graduelle Änderung der Absorption in wenigstens einem Teil der Absorptionsbereichsgrenze erzeugt wird. Auf diese Weise werden die Flankeneffekte unterdrückt und herrschen die volumetrischen Effekte über das Ausmaß des Absorptionsbereiches. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Grenzbereich einen linearen Anstieg der optischen Dichte über eine Länge enthalten, die beispielsweise 1 %, 5%, 10%, 20% oder einen beliebig kleineren, dazwischenliegenden oder größeren Prozentsatz der Länge des Absorptionsbereiches hat.
Wahlweise ist ein Reflektor 110 entfernt vom Absorber, wie etwa an einer Spitze der Faser 100 vorgesehen. Dieser Reflektor sendet Licht, das die Absorber 106 und 108 durchlaufen hat, zurück, um durch die Absorber absorbiert zu werden. Alternativ ist der Absorber 108 ein Totalabsorber des gesamten Lichtes, wobei auf den Reflektor 110 verzichtet werden kann. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sollte, um eine bestimmte Frequenzkomponente in der erzeugten akustischen Welle zu verstärken, der Abstand zwischen dem letzten Absorber 108 und dem Reflektor 110 der Hälfte der akustischen Wellenlänge dieser Komponente entsprechen. Dies ist schematisch in 1 dargestellt, in der die Absorber 106 und 108 im eine akustische Wellenlänge a = λ beabstandet sind, während der Abstand zwischen dem Absorber 108 und dem Reflektor 110 die Hälfte dieses Wertes a/2 = λ/2 beträgt.
Bei der Reflektor-Ausführungsform hat das akustische Signal zwei Sätze überlagerter Komponenten, zwei infolge der Absorption der elektromagnetischen Welle bei der Vorwärtsausbreitung und zwei infolge der Rückwärtsausbreitung der elektromagnetischen Welle nach der Reflexion von der Spitze des Wellenleiters, der vollreflektierend ist; da die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung weitaus größer ist, als die von Ultraschall, überlagern sich die beiden Sätze akustischer Wellenformen, und kompensieren wahlweise den Abfall der eintreffenden elektromagnetischen Leistung mit dem Abstand. Der zweite Absorptionsbereich empfängt eine verringerte eintreffende Leistung infolge der Absorption im ersten Bereich, wobei jedoch beim Rücklauf die Situation umgekehrt ist. Da die Absorptionsbereiche in geeigneter Weise mit Abstand angeordnet sind und ihr Absorptionsgrad gesteuert werden kann, können die relativen Intensitäten der vier Komponenten in diesem Fall so eingerichtet werden, dass sie zur Anwendung passen. Ein potentieller Vorteil dieses Ansatzes besteht in der Möglichkeit, eine einzigartige akustische Wellenform zu erzeugen, die auf einfache Art und Weise anhand ihrer spezifischen Eigenschaften im System identifiziert werden kann. Ein weiterer potentieller Vorteil dieses Ansatzes besteht in der Möglichkeit, im Gegensatz zu anderen Anordnungen, bei denen die akusto-optische Interaktion auf einen kleinen Bereich oder eine Grenzschicht beschränkt ist, eine gleichmäßigere akustische Wellenform zu erzeugen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Absorptionsbereiche dichroitisch, wodurch der Transfer einer zweiten elektromagnetischen Wellenlänge gestattet ist. Wie es im folgenden für unterschiedliche Ausführungsformen erläutert wird, können dadurch die Größe, die Zahl, der Ort und/oder die Intensität der Absorptionsbereiche in Echtzeit oder vor der Benutzung gesteuert werden, indem beteiligte Absorptionsvolumina anhand ihrer Wellenlänge gewählt werden. Die Kombination von Quellenparametern, die Abmessungen der Absorptionsbereiche, den Grad der Absorption und die Verteilung des Absorptionsprofils innerhalb des Absorptionsbereiches, die Trennung der Bereiche und der Intensität sowie die Anstiegszeit des (der) erzeugenden Strahlungsimpulses (Strahlungsimpulse) beinhalten, steuert die Eigenschaften der sich ergebenden Ultraschallwellenformen. Es ist dadurch möglich, durch eine geeignete Wahl der oben beschriebenen Parameter die Bündelung und die Richtung, den Frequenzinhalt, die Gesamtumhüllung und die Intensität des erzeugten Signals durch die Konstruktion und/oder durch selektive Manipulation unterschiedlicher Beleuchtungsparameter zu steuern.
Wie es oben erläutert wurde, können die relativen Absorptionseigenschaften der Absorber 106 und 108 und/oder die relativen Eigenschaften des Spiegels verwendet werden, um das gewünschte räumliche Absorptionsprofil in der Faser zu erreichen. Wahlweise bedeckt für denselben oder einen anderen Zweck wenigstens einer der Absorber nicht den gesamten Querschnitt der Faser, damit ein vorbestimmter Teil des Lichtes hindurchtreten kann und möglicherweise zu einem späteren Zeitpunkt absorbiert und/oder reflektiert wird. Alternativ dazu ist der Absorptionsbereich polarisationsabhängig, wie etwa, dass er an sich als Absorptionspolarisator arbeitet, so dass er lediglich eine Komponente der Lichtpolarisation absorbiert. Ein Absorber kann dichroitisch, polarisationsabhängig sein und/oder in der Querschnittsrichtung räumlich variieren.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Absorptionsbereiche in der Faser beispielsweise durch ein Dotiermaterial (z.B. Glas) ausgebildet, aus der die Faser besteht, oder durch Hervorrufen eines willkürlichen Schadens, das Anwenden von Spannung oder durch anderweitiges Modifizieren des Materialkontinuums oder der Uniformität. Alternativ oder zusätzlich wird die Faser geschnitten und mit einem absorbierenden Faserabschnitt (z.B. einer farbigen oder polarisierenden Faser) und/oder einem absorbierenden Materialabschnitt, beispielsweise einem farbigen Plattenmaterial oder einem lineare Polarisator, gespleißt, die wahlweise mit einer Bekleidung beschichtet werden. Beispielsweise erzeugt bei einer Strahlung nahe des Infrarotbereiches eine Dotierung mit einem Absorber, wie etwa CuSO4, den gewünschten Absorptionsbereich. Dieser kann in die Faser durch Spleißen einer undotierten Faser mit einem Abschnitt einer ähnlichen Faser mit einer derartigen Dotierung eingebracht werden.
Aus Gründen der Klarheit ist die Bekleidung der Faser 100 in 1 nicht dargestellt. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die Absorption in der Bekleidung, wie etwa durch Ersetzen eines Abschnittes der Bekleidung durch ein Absorptionsmaterial. Alternativ oder zusätzlich ist der Brechungsindex der Bekleidung modifiziert, damit ein Teil des Lichtes austreten kann und von einem Absorber außerhalb der Faser absorbiert wird. Ein potentieller Vorteil dieses Mechanismustyps besteht darin, dass einige Muster von Absorptionsbereichen außerhalb der Faser einfacher hergestellt werden können. Eine derartige Änderung der Bekleidung kann jedoch Dispersionsprobleme in der Faser verursachen, die in vielen Fällen als unbedeutend erwartet werden.
2A ist eine schematische Darstellung einer ultraschallerzeugenden Lichtleitfaser 200 mit einem Körper 202 gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Im Gegensatz zur Faser 100 (1), wird bei der Faser ein erweiterter Absorber 206 verwendet, der eine Länge nahe λ/2 hat (die Hälfte der gewünschten zentralen Wellenlänge), um die Erzeugung der gewünschten akustischen Frequenzkomponente zu maximieren. Andere Längen können ebenfalls verwendet werden, und hängen unter anderem von der Existenz eines benachbarten Faserendes und/oder eines Reflektors ab. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Lichtimpuls, der mit einem Pfeil 204 gekennzeichnet ist, entlang des Absorbers 206 absorbiert. Wahlweise ist ein Spiegel 210 vorgesehen, um unabsorbiertes Licht entlang des Absorbers 206 zurückzureflektieren. Die Länge des Absorbers kann hier λ/2 erreichen. Unter Verwendung derselben Pa rameter wie zuvor, wäre die Länge etwa w = 1/2 × 6.000/600 KHz = 5 mm zum Erzeugen einer starken 600-KHz-Komponente. Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl 2A den Bereich an der Spitze der Faser zeigt, dieser ebenso gut in einem Abstand von der Faserspitze angeordnet sein kann.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, wie etwa bei der Faser 200 oder 100, werden Mehrfachreflexionen durch die Absorptionsbereiche erzeugt, damit der erzeugende Bereich gleichmäßiger angeregt wird. Bei einem Beispiel wird die eintreffende Welle 204 durch einen polarisierten Strahlenteiler 212 und anschließend durch eine Viertelwellenlängenplatte 214 geleitet. Während des Betriebes wird einfallendes Licht einer Polarisation durch den Strahlenteiler 212 gleitet und um 45° durch die Wellenlängenplatte 214 gedreht, um kreisförmig polarisiertes Licht zu erzeugen, und bei der Reflexion vom Spiegel am Ende des Wellenleiters wiederum gedreht, damit es auf den Teiler 212 in einem orthogonal polarisierten Zustand trifft. Somit quert der einfallende Lichtstrahl den absorbierenden Bereich zweimal, bevor er in die ursprüngliche Polarisation gedreht wird und das Volumen verlässt. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Faser an sich mit speziellen Polarisationseigenschaften versehen, wie etwa, dass sie polarisationserhaltend ist.
Dieses Reflexionsverfahren verringert geringfügig die Ungleichmäßigkeit, die bei relativ großen Absorptionsbereichen infolge der Abschwächung der Beleuchtung bei ihrer Ausbreitung festzustellen ist. Wird die Beleuchtung reflektiert, um wiederum den Absorptionsbereich zu durchlaufen, nimmt die absorbierte Intensität beim Vorwärtsdurchlauf in der Vorwärtsrichtung ab, während die Absorption beim Rückwärtsdurchlauf in entgegengesetzter Art abnimmt, wodurch eine insgesamt gleichmäßigere akustische Energiequelle ausgebildet ist. Dies ist beispielsweise bei der Erzeugung einer niedrigeren Frequenz hilfreich, bei der die Länge des Absorptionsbereiches der vorherrschenden erzeugten akustischen Wellenlänge entspricht. Ultraschall geringerer Frequenz kann verwendet werden, um Plaque und unerwünschtes Gewebe zu lösen, wobei die Lichtenergie so beschaffen sein muss, dass ausreichende Kavitationen oder mechanische Resonanz des Ziels erzeugt wird; normalerweise werden niedrigere Frequenzen zu diesem Zweck verwendet.
2B zeigt die Wirkung der Reflexion auf die Gleichförmigkeit der Energieabsorption. Bezugszeichen 220 zeigt sich vorwärts und rückwärts ausbreitendes Licht 222 und 224 (bei einem Zweidurchlauf-Beispiel). Bezugszeichen 230 ist ein Graph, der eine überlagerte, relative Vorwärtsstrahlungs-Absorption 232, eine relative Rückwärtsstrahlungs-Absorption 234 und eine Gesamtstrahlungs-Absorption 236 darstellt. Die Gesamtabsorption entspricht der tatsächlichen Intensität der abgestrahlten Ultraschallstrahlung.
Wahlweise variiert die Dichte des Absorbers 206 in einer Art, die die Reduktions-Wellenamplitude und/oder -Reflexion berücksichtigt, so dass die thermische Erwärmung gleichmäßig ist oder eine andere gewünschte Form hat. Um beispielsweise eine seitwärts gerichtete Komponente in einer nicht senkrechten Richtung zu erzeugen, kann eine abnehmende Verteilung verwendet werden. Ein weiteres Beispiel ist eine Sinusabsorptions-Charakteristik (entweder strikt oder teilweise sinusförmig) zur Verstärkung der Erzeugung einer bestimmten akustischen Frequenz.
2C zeigt die Absorption von Energie in einem Absorber, der einen exponentialen Absorptionskoeffizient hat, gemäß einer alternativen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Bezugszeichen 240 zeigt den Absorber 206 innerhalb eines Wellenleiters mit einer exponential abgestuften Absorption 244 für die Absorption sich vorwärts ausbreitenden Lichtes 242. Ein Graph 250 zeigt eine Absorptionsdichte 252, die exponential zunimmt, so dass, wenn eine Interaktion mit dem tatsächlichen Strahl stattfindet, das Ergebnis eine gleichförmige Absorption der Energie 256 entlang des Absorptionsbereiches 206 und somit eine relativ gleichförmige Energieverteilung ist.
Das sich gleichförmig ändernde Absorptionsprofil von 2C kann relativ schwer herzustellen sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Exponentialprofil durch eine diskrete Abfolge individueller Absorber angenähert, die jeweils ein möglichst gleichförmiges Absorptionsprofil haben und aneinandergrenzen oder mit Abstand angeordnet sind. 2D zeigt die Absorption der Energie in einem Absorber mit diskreten Schritten gemäß einer alternativen bei spielhaften Ausführungsform der Erfindung. Der Absorber 206 enthält eine Vielzahl von Absorbern 264, die jeweils einen anderen Absorptionskoeffizienten, wie etwa einen exponential zunehmenden Koeffizienten, zwischen den Absorbern haben. Wenngleich die Absorber in Kontakt miteinander dargestellt sind, können sie mit Abstand beispielsweise durch einen absorptionsfreien Wellenleiterabschnitt angeordnet sein. Ein Graph 270 zeigt die stückweise Annäherung an das exponentiale Absorptionsprofil 272 mit einer resultierenden Energieabgabe 276, die im wesentlichen räumlich gleichförmig ist, z.B. geringe Variationen aufweist.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine nur geringe Zahl, wie etwa zwei, drei oder vier, von Absorbern vorgesehen. Es können in den Ausführungsformen von 2C und 2D natürlich Reflektoren vorgesehen sein. Alternativ kann eine größere Zahl, wie etwa 10 oder 20 oder eine dazwischenliegende, kleinere oder größere Zahl, von Absorbern vorgesehen sein.
Die oben beschrieben Vorrichtung kann verwendet werden, um Ultraschall für viele verschiedene Anwendungen zu erzeugen, für die einige Beispiele sind: Ultraschallbehandlung; indirekte Erwärmung unter Verwendung von Ultraschall; Sonophorese; Ultraschallüberwachung unterschiedlicher Parameter, wie etwa Dicke oder Tiefe; Ultraschallcharakterisierung eines Zielmaterials und/oder für die Abbildung; und fotoakustisches Abbilden oder Charakterisieren eines Zielmaterials. Wahlweise sind, wie unten erläutert, eine Vielzahl unterschiedlicher Ultraschallquellen vorgesehen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Lichtquelle Laserlicht wahlweise eines in der Wellenlänge abstimmbaren Lasers. Wir weisen darauf hin, dass die Wahl des Leserlichtes lediglich eine Frage der Bequemlichkeit ist und, da bei einigen Ausführungsformen die Kohärenz der Quelle nicht erforderlich ist, eine Blitzlampe oder andere optischen Blendenlichtquellen mögliche alternative Quelle sind.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Absorber wellenlängenselektiv. Beispielsweise dringt laserbehandeltes Licht im wesentlichen unbeeinflusst durch, während Laser für die Ultraschallerzeugung absorbiert wird.
Alternativ zur Behandlung kann die Transparenz für einige Wellenlängen für optische Vorgänge verwendet werden, wie etwa für die Erzeugung von Lichtbeleuchtung und/oder das Erfassen von Licht.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung verwendet die Ultraschallerfassung akusto-elektrische oder piezoelektrische Wandler (nicht gezeigt), die in der Nähe der Spitze der Faser 100 angebracht sind. Alternativ werden optische Einrichtungen verwendet, um akustische Wellen zu erfassen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung werden akustische Signale mit Hilfe einer akustischen Interaktion mit einem akustisch empfindlichen optischen Material erfasst, das in der Faser vorgesehen ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung breitet sich ein Erfassungsstrahl durch die Faser aus und durchläuft ein akustisch empfindliches Material, das in einem Reflektor an der Spitze der Faser enthalten ist oder an diesen grenzt. Das akustisch empfindliche Material kann dasselbe Material sein, das für die Ultraschallerzeugung verwendet wird, oder es kann ein anderes Material sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein doppelbrechendes Material (nicht gezeigt) in der Nähe des Reflektors 110 als Detektor vorgesehen, so dass ein Bezugsstrahl eines Lichtes, das eine Wellenlänge hat, die von den Absorbern nicht absorbiert wird, durch Änderungen der Doppelbrechung beeinflusst wird, die von der Spannung in der Faser abhängig sind (z.B. Spannung von extern auftreffenden akustischen Wellen). Alternativ kann die Faser als ganzes doppelbrechend sein, entweder beabsichtigt oder unabsichtlich infolge des Herstellungsvorgangs. Alternativ oder zusätzlich können andere optische Erfassungsverfahren angewendet werden, um den Effekt auf die erfassende Wellenlänge oder die erfassenden Wellenlängen zu demodulieren, wie etwa der Fabry-Perot-Resonator, polarimetrische Messungen, Interferometrie unterschiedlicher Arten (z.B. homodyn, heterodyn, gesprenkelt, Fucou, Sagnac, holografisch), die Bragg-Gitter-Spektralanalyse und/oder andere optische Demodulierverfahren, die nach dem Stand der Technik bekannt sind. Die Demodulation kann vollständig in der Faser erfolgen, oder es können sich einige oder sämtliche der Demodulationseinrichtungen wahlweise außerhalb der Faser, wie etwa in einer Steuereinheit außerhalb der Faser (z.B. die Steuereinheit 506, die unten beschrieben ist), befinden.
Alternativ oder zusätzlich verhalten sich die Grenzen der Absorptionsbereiche als Teilreflektoren, die durch die auftreffenden akustischen Weilen verschoben werden. Die Verschiebung erzeugt ein Interferenzmuster im Erfassungslicht, das beispielsweise durch die Steuereinheit unter Verwendung optischer Demodulationstechniken und/oder Signalverarbeitungsverfahren ausgelesen werden kann, die nach dem Stand der Technik bekannt sind. Alternativ oder zusätzlich kann der Reflektor 110 durch die akustischen Wellen bewegt werden, um die Erfassungswellenlänge etwa durch Erzeugung eines Interferenzmusters zu modulieren. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Verschiebung und/oder Kompression der Spitze der Faser, die sich in einem akustischen Feld befindet, durch ihre Auswirkung auf eine Erfassungswelle erfasst, die von der Faserspitze. reflektiert wird. Die Bezugswelle, die zur Erfassung verwendet wird, kann die Absorber (vollständig oder teilweise) durchlaufen, oder sie kann vor den Absorbern beispielsweise durch einen Strahlteiler 212 (der beispielsweise eine andere Polarisation hat) reflektiert werden, wodurch dieselbe Wellenlänge zur Erzeugung und zur Erfassung verwendet werden kann. Die Erfassung kann an einem oder mehreren anderen Punkten entlang der Faser zusätzlich zur oder anstelle der Faserspitze erfolgen. Eine Alternative zu einer Reflexionsfläche ist ein Reflexionsgitter oder eine phasengesteuerte Anordnung oder eine Streuanordnung, die in das Fasermaterial durch eine Vielfalt von Verfahren eingepresst sein kann, die beispielsweise das Laserätzen beinhalten.
Die Form, der Ort und/oder die Aktivierung der Absorptionsbereiche in einer oder mehreren benachbarten Fasern kann genutzt werden, um unterschiedliche Wirkungen zu erzielen, wie etwa insbesondere Strahlzielen, die Verstärkung einer speziellen Spektralkomponente innerhalb des erzeugten Ultraschalls und/oder das anderweitige Wählen eines Frequenzspektrums.
3A und 3B zeigen die Wirkung der Verwendung von zwei aneinandergrenzenden Lichtleitfasern auf das resultierende akustische Feldmuster gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Derartige Multifasern werden bei einigen Ausführungsformen der Erfindung als phasengesteuerte Anordnung angesteuert. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung werden die Fasern als Monoimpulssystem angesteuert, wie es im folgenden erläutert ist. 3A (Be zugszeichen 300) zeigt eine Seitenansicht zweier Fasern 302 und 304 beispielsweise des Typs, der in 1 oder in 2 dargestellt ist. Die beiden Fasern sind um einen Abstand L getrennt, der konstant sein oder sich entlang der Ultraschall-Abstrahlbereich ändern kann. 3B (Bezugszeichen 306) ist eine Frontansicht der beiden Fasern. Beim dargestellten Beispiel werden die Fasern in Phase angesteuert, so dass die Hauptkeulen der erzeugten akustischen Welle entlang der Normalen oder der Mittenlinie der Faseranordnung bei 0° und 180° ausgerichtet sind. Aus Gründen der Klarheit ist lediglich die 0°-Keule dargestellt. Andere relative Phasen rufen andere Strahlrichtungen hervor. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist eine der Keulen beispielsweise durch ein Absorptionsmaterial 310 blockiert (was in der Zeichnung als Block der Keule bei 0° gezeigt ist), so dass im wesentlichen ein gerichteter Strahl von einer derartigen Zweifaser-Sondenanordnung ausgeht. Alternativ oder zusätzlich kann ein Teil der Keule blockiert sein. Alternativ oder zusätzlich ist eine Vielzahl von Fasern in einer Anordnung, beispielsweise einer zweidimensionalen Anordnung, wie etwa einem Sechseck oder einer linearen Anordnung, angeordnet, wodurch eine feinere Steuerung der Strahlrichtung möglich ist. Wahlweise werden die unterschiedlichen Fasern der Anordnung mit gesteuerten Lichtintensitäten angesteuert, um eine simultane Phasen- und/oder Amplitudensteuerung zu bewirken.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Multifasern für die Erfassung von akustischen Feldern durch eine phasengesteuerte Anordnung oder einen Monoimpuls verwendet. Bei der Monoimpuls-Erfassung wird das Feld an jeder Faser getrennt erfasst und/oder jede Quelle separat aktiviert und werden anschließend die Ergebnisse zusammen verarbeitet. Beim Zwei-Sensor-Beispiel aus 3 führt dies zu drei Messungen – einer Messung mit lediglich der ersten Faser, einer Messung mit lediglich der zweiten Faser und einer Messung, bei der beide Fasern gleichzeitig aktiviert sind. Da sich die Ultraschallstrahlmuster für jede dieser Messungen unterscheiden (z.B. infolge ihrer unterschiedlichen abdeckenden Bereiche/Winkel), reflektiert ein Ziel mit unterschiedlichen Intensitäten bei jeder Messung. Die Unterschiede der gemessenen Intensitäten können rückbezogen werden, um Informationen über den räumlichen Ort des Ziels beispielsweise unter Verwendung von Verfahren zu erhalten, die nach dem Stand der Technik des Radars bekannt sind.
Bei einem weiteren Beispiel erhält man die Richtcharakteristik des Ultraschallstrahls, indem man Fasern mit bevorzugten Ultraschall-Emissionsrichtungen verwendet, wie etwa durch die Verwendung von einer Absorptionsbekleidung, die den Großteil des Winkelbereiches jeder Faser mit Ausnahme eines speziell bestimmten Emissionswinkel-Fensters abdeckt. Ein aktives Überstreichen kann man ebenfalls erreichen, indem beispielsweise die Phasendifferenz zwischen Fasern in einem Faserpaar geändert wird. Unterschiedliche Richtungseigenschaften erhält man zudem durch Variieren der relativen Intensität der Irradiation der beiden Fasern.
4 zeigt eine einzelne optische Faser 400 mit einem Körper 402 mit zahlreichen Lichtabsorptionseinrichtungen 404 (z.B. 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr Bereichen) und einem optischen Spitzenbereich und/oder Reflektor 406 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Absorptionsbereiche selektiv für unterschiedliche Wellenlängen. Somit ist der Ort der Ultraschallemission von der verwendeten Wellenlänge abhängig. Alternativ oder zusätzlich werden mehrere Absorptionsbereiche angeregt, um relativ lange Ultraschallquellen zu erzeugen (z.B. für die Wärmebehandlung oder das Erzeugen niedriger Frequenzen). Alternativ oder zusätzlich werden mehrere Wellenlängen gleichzeitig, möglichst bei unterschiedlichen Impulsraten und/oder relativen Phasen, verwendet. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Ultraschallquellen bei gewünschten relativen Phasen und Impulsraten erzeugt werden, wodurch unterschiedliche Interaktionen zwischen den Quellen möglich sind. Alternativ oder zusätzlich können die Signale von diesen Quellen während der Erfassung möglicherweise unter Verwendung eines einzigen Detektors beispielsweise auf der Basis unterschiedlicher Impulswiederholraten, Impulsumhüllungen und/oder Frequenzen der unterschiedlichen Quellen unterschieden werden.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann durch Wählen des Ortes der Anregung die Richtung eines Strahls relativ zur Achse der Fasern in einer Multifaseranordnung gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich ist jeder Ort 404 ein polarisationsabhängiger Absorber (z.B. ein Polarisator) und wird der Ort der Ultraschallquelle durch Ändern der Polarisation alternativ oder zusätzlich zur Änderung der Wellenlänge gewählt. Wenn beispielsweise zwei Absorber mit senkrechten Polarisationsachsen vorgesehen sind, gestattet es das Senden von Licht mit der Polarisation des ersten Absorbers, dass das Licht den ersten Absorber durchläuft und vom zweiten Absorber absorbiert wird. Die Absorber können zudem wellenlängenabhängig sein und/oder nicht senkrechte Polarisationsachsen haben.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung können unterschiedliche "Adressier"-Schemata verwendet werden, bei denen bestimmte Impulse auf bestimmte Absorptionsbereiche auf der Basis vorheriger Impulse gerichtet werden. Sind beispielsweise fotoaktivierte Absorber vorgesehen, kann eine Wellenlänge (z.B. ultraviolett) verwendet werden, um einen Absorber durch Ändern seiner Absorptionseigenschaften zu "aktivieren", wobei eine zweite (z.B. Hochenergieimpulse) anschließend absorbiert und verwendet wird, um den Ultraschall zu erzeugen. Beispielsweise kann das Material, das als "Photogray" vertrieben und in sich dem Sonnenlicht anpassenden Sonnenbrillen verwendet wird, benutzt werden.
Bei einem weiteren Beispiel ist der Absorber entlang seines Querschnittes wellenlängenabhängig, wodurch er ein unterschiedliches Verhalten in unterschiedlichen Teilen des Querschnittes aufweist; wiederum kann dies zur Strahlausbildung genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich ist ein Teil des Querschnittes transparent, um es zu ermöglichen, dass sich Licht entlang der Faser ausbreiten kann. Alternativ oder zusätzlich, wie etwa bei größeren Mehrfachmodusfasern, absorbiert ein Teil des Querschnittes eine Wellenlänge des Lichtes und ein anderer Teil eine andere Wellenlänge des Lichtes. Diese Bereiche können unterschiedliche Längen haben und/oder im Querschnitt überlappen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Absorption unterschiedlicher Wellenlängen in unterschiedlichen Sektoren eines Querschnittes bei einigen Anwendungen funktionsmäßig äquivalent zur Verwendung mehrerer Fasern ist.
In einer generalisierteren Art und Weise kann die Interaktion zwischen mehreren Quellen im Bezug auf zwei Hauptachsen, die radiale und die axiale, analysiert werden.
In der radialen Richtung entspricht die Gegenwart einer zweiten Ultraschallquelle und des resultierenden akustischen Feldes jener einer axialen Dipolquelle. Eine Trennung a zwischen den Quellen (wie es in 1 gezeigt ist) bestimmt die Bündelung der unterschiedlichen Frequenzkomponenten des kombinierten Generators. Es wird darauf hingewiesen, dass sich a auf eine Phasendifferenz zwischen den beiden Quellen bezieht, die ebenfalls von der Frequenz und von einer hervorgerufenen Phasendifferenz beim Ansteuern der Quellen abhängen kann. Wie es oben erläutert wurde, gestattet die Phasengleichschaltung der Quellenaktivierung in Echtzeit eine Echtzeitänderung der Parameter des akustischen Strahls, was beispielsweise ein Winkelüberstreichen des Strahls beinhaltet. Die Bündelung der kombinierten Elemente ist in vielen Fällen stark frequenzabhängig, und daher bezieht sich, da die Quellen normalerweise breitbandig sind, eine Spektralanalyse der erfassten Komponenten auf unterschiedliche radiale Richtungen des Systems. Bei einer Ausführungsform der Erfindung können diese Informationen verwendet werden, um ein Bild zu erzeugen, bei dem dessen Umfangspixelelemente bei unterschiedlichen Frequenzen erfasst werden. Alternativ kann die Frequenzteilung von Funktionen ausgeführt werden. Bei einer einfachen Quelle breiten sich beispielsweise niedrige Frequenzen (z.B. für die Behandlung) senkrecht zur Achse der Sensoranordnung aus, während sich hohe Frequenzen (z.B. für die Abbildung und/oder die Behandlung) in einem Winkel zu dieser Richtung ausbreiten. Wenn die Frequenzen zunehmen, so dass die Trennung a die Hälfte einer akustischen Wellenlänge erreicht, wird beispielsweise der Ultraschallhauptstrahl weiter und weiter von dieser Richtung weggeleitet, bis er sich an der Grenze der Richtung entlang der Achse der Anordnung nähert.
Entlang der Achsrichtung weist die Trennung der einzelnen Absorptionsbereiche eine andere Signifikanz auf – Quellentrennungen in Vielfachen einer akustischen Wellenlänge werden verstärkt, während andere zerstört werden; demzufolge wird in Abhängigkeit der Zahl der Quellen ein in der Frequenz und/oder räumlich schmaleres Bandsignal bei bestimmten vorbestimmten Frequenzen erzeugt. Es versteht sich, dass ein derartiges Signal auch in der Azimutrichtung gemäß beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung gesteuert werden kann.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung werden die physikalischen und/oder geometrischen Eigenschaften der Absorptionsbereiche z.B. auf der Basis von Wellenerzeugungs- und Ausbreitungsgleichungen mathematisch bestimmt: Alternativ oder zusätzlich werden sie iterativ unter Verwendung eines realen und/oder simulierten Modells ermittelt.
5 zeigt ein optisches Ultraschallsystem 500 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung enthält eine Sonde wenigstens eine optische Faser 516, wie etwa jene, die oben beschrieben sind, die eine Ultraschallerzeugungs- und/oder Erfassungsspitze 518 beinhaltet. Licht für die Erzeugung von Ultraschall und/oder die Ausgabe eines Lichtstrahls an der Spitze 518 wird von einer oder mehreren Lichtquellen, wie etwa einer Laserquelle und/oder eine Blitzlampe bereitgestellt. Für den Fall einer Blitzlampe kann ein Filter mit einem oder mehreren Spektraldurchgangsbereichen zum Erzeugen eines gewünschten Spektrums vorgesehen sein.
Das Licht aus der Quelle wird dann wahlweise durch einen Modulator 510 oder einer Verzögerungsquelle optisch moduliert (z.B. um eine gepulste Quelle einer anderen Umhüllung, wie etwa sägezahnartig, sinusförmig oder einer Umhüllung zu erzeugen, die sich auf die gewünschte akustische Wellenform bezieht). Die Verzögerungs- oder Impulsphasendifferenz zwischen unterschiedlichen Lichtstrahlen kann verwendet werden, um beispielsweise eine Strahlrichtung zu steuern. Bei einigen Ausführungsformen ist die Quelle selbstmoduliert (z.B. ein gepulster Laser).
Es wird drauf hingewiesen, dass bei vielen Ausführungsformen der Erfindung eine Sonde 514 lediglich eine Faser mit einem relativ geringen Durchmesser enthalten kann. Wahlweise ist diese Faser mit unterschiedlichen Materialien, wie etwa Anti-Koagulierungsmitteln und biokompatiblen Polymeren beschichtet. Alternativ oder zusätzlich wird ein hohler Wellenleiter verwendet.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung werden mehrere Fasern und/oder mehrere Quellen verwendet. Bei diesen kann ein Koppler oder Schalter 512 vorgesehen sein, um das Licht mit der Sonde 514 zu koppeln und Erfassungslicht von der Sonde 514 mit einem Detektor 504 zu koppeln (sofern dies erforderlich ist). Die Erzeugung und Erfassung von Licht kann beispielsweise mit einer Steuereinheit 506 gesteuert werden. Wahlweise ist beispielsweise ein Computer (z.B. ein Mikrocontroller) 502 für eine Benutzerschnittstelle und/oder zum Speichern aufgezeichneter Signale, Bilder und/oder anderer Daten vorgesehen.
Eine externe Vorrichtung 520, wie etwa eine Abbildungseinrichtung, eine Tonquelle und/oder eine Behandlungsvorrichtung, können von der Steuereinheit 506 gesteuert werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Abbildungseinrichtung zur Rekonstruktion eines Bildes auf der Basis einer akustischen Strahlung verwendet, die von der Sonde 514 erzeugt wird. Eine derartige Rekonstruktion kann beispielsweise auf der Erfassung der Sendungs- und/oder der Reflexionsstrahlung basieren, wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist. Alternativ oder zusätzlich wird die Abbildungseinrichtung verwendet, um die Position der Sonde 514 zu erfassen. Eine externe Ultraschallquelle kann anstelle von oder zusätzlich zu einer Tonquelle in der Sonde 514 verwendet werden, wobei die Sonde 514 zum Erfassen des Tons und Erzeugen eines Bildes oder anderer Informationen verwendet wird. Eine separate Behandlungsvorrichtung kann durch den Computer gesteuert werden, um etwa die Sonde 514 zu behandeln, wie etwa um die Zielrichtung auf die Sonde 514 beizubehalten und/oder Informationen oder ein Bild von der Sonde 514 zu verwenden. Alternativ kann eine manuelle Koordination verwendet werden. Das System kann ebenfalls zur fotoakustischen Abbildung verwendet werden, bei der ein unabhängiger Sensor (möglicherweise unter Verwendung derselben oder einer ähnlichen Lichtleitfaser) die Temperatur des Versuchsobjektes abbildet, wenn die Sondenspitze unterschiedliche Positionen abtastet.
In Abhängigkeit der exakten Anwendung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale Bestandteil des Systems sein:

(a) Erzeugung von Ultraschallwellen für die Erwärmung von Gewebe beispielsweise unter Verwendung von Ultraschall geringerer Frequenz und/oder Ultraschall, der entlang einer signifikanten Länge der Sonde 514 erzeugt wird.
(b) Erzeugung von Ultraschallwellen für die Fragmentierung von Plaque, Gestein oder anderem unerwünschtem Gewebe. Wiederum kann Ultraschall ei ner geringeren Frequenz möglicherweise in Vorwärtsrichtung verwendet werden. Geeignete Frequenzen und Leistungspegel sind nach dem Stand der Technik bekannt.
(c) Erzeugen von Ultraschallwellen für die Abbildung unter schiedlicher Frequenzen, wie etwa geringer Bandbreite und hoher Bandbreite.
(d) Erzeugen einer speziellen Wellenform von Ultraschallwellen, wie etwa einer Abfolge von Impulsen mit gut gesteuerten Intervallen oder eines Chirp. Beispielsweise ist eine Abfolge von Absorptionsbereichen räumlich beabstandet, um das gewünschte zeitliche Verhalten der Ultraschallwelle zu erzeugen. Beispielsweise erhält man eine Abfolge von Ultraschallimpulsen durch eine Sequenz von relativ dünnen Absorbern. Die Dicke der Absorber entspricht der Breite jedes Impulses, und ihre Trennung entspricht dem Abstand zwischen den Impulsen. Durch Verwendung sich monoton ändernder Trennungen und Absorberlängen kann eine Chirp-Wellenform erzeugt werden.
(c) Bereitstellung eines vorwärts oder seitwärts gerichteten Laserlichtes (beispielsweise mit Hilfe eines abgewinkelten Spiegels in oder benachbart zur Faser).
(f) Erfassung der akustischen Strahlung.
(g) Verwendung einer Faser 516 als einen anderen Typ eines Detektor für eine Vielfalt von nach dem Stand hinlänglich bekannter Parameter eines optischen Sensors, wie etwa eines Temperatursensors, eines Druckdetektors eines elektrischen oder magnetischen Feldsensors oder chemischen Sensors.
(h) Erzeugung gerichteter oder omnidirektionaler akustischer Felder beispielsweise zur Ausführung der Sonophorese für eine Verbesserung der Absorption von Pharmazeutika, die sich in der Nähe und/oder an der Sonde 514 befinden.
(i) Erzeugung und Erfassung von Ultraschallwellenformen zur Charakterisierung des Zielmaterials oder der Abmessungen beispielsweise auf der Basis der Spektralreflexion oder anderer Verfahren, die nach der Technik der Ultraschall-Charakterisierung bekannt sind.
(j) Erzeugung periodische akusto-thermischer Signale für die Abbildung und Charakterisierung eines Ziels bei Verfahren die nach der Technik der fotoakustischen Abbildung und Charakterisierung bekannt sind.

Somit kann das System 500 (wahlweise in Verbindung mit einer externen Vorrichtung 500) für eine oder mehrere der folgenden Anwendungen verwendet werden: Ultraschall-Plaquefragmentierung, Laser-Plaqueentfernung und -überwachung; Überwachung der Arterienabmessungen; Messungen im Körperinneren und Abbildung (beispielsweise mit Hilfe des A-Modus und/oder Doppler); und/oder Verbesserung der Arzneimittelverabreichung. Die Sonde 514 kann beispielsweise ein Katheter oder ein Endoskop sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung enthält die Sonde 514 einen aufblasbaren distalen Abschnitt, wie etwa einen Ballon, um einen Kontakt mit umgebendem Gewebe sicherzustellen und/oder die Betrachtungsrichtung der Sonde 514 zu fixieren.
6 zeigt die Verwendung einer Lichtleitfaser-Ultraschallquelle 600 als Wellenleiter gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Leitungsdraht wird häufig bei Koronarbehandlungen verwendet und ist normalerweise dadurch gekennzeichnet, dass er einen geringen Durchmesser und eine ausreichende Flexibilität hat, um sich den Biegungen in den Arterien oder anderen Leitungen anzupassen, in die er eingeführt wird. Wenngleich ein Teil der Energie bei kleinen Krümmungsradien verloren gehen kann, ist dies im allgemeinen kein Problem, da genügend Energie von außerhalb der Körpers zugeführt werden kann. Für diese Anwendung ist die Quelle 600 wahlweise in einer geeigneten Schutzumhüllung eingeschlossen. Die resultierende Vorrichtung kann in ähnlichen Abmessungen hergestellt sein wie ein herkömmlicher Wellenleiter und mit der selben Vorgehensweise gehandhabt werden, wobei der deutliche Vorteil darin besteht, dass möglicherweise eine Ultraschallerfassung zur Verfügung steht. Eine derartige Erfassung kann beispielsweise bei der Betrachtung von Verzweigungen in Blutgefäßen während der Navigation und/oder bei der Erfassung eines Stenosebereiches und/oder bei der Messung der Gefäßabmessungen Anwendung finden. Dieser Vorteil erleichtert das Erfordernis alternativ unterschiedliche chirurgische Instrumente in den zu behandelnden Bereich einzuführen, wie es Stand der Technik ist: der Leitungsdraht dient der mechanischen Führung der medizinischen Behandlungsvorrichtungen, wie etwa Stentapplikatoren. Es kann dadurch das Erfordernis beseitigt werden, zusätzliche Abbildungs- und/oder Diagnoseinstrumente zu verwenden.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung enthält der Leitungsdraht 600 eine einzige Faser (oder eine geringe Zahl von Fasern) 602, die einen oder mehrere Absorptionsbereiche 604 aufweist, die entlang ihrer Länge ausgebildet sind. Wahlweise ist eine Spitze 608, wie etwa eine flexible Spitze oder eine andere Art einer Spitze, wie sie gemäß der Technik von Leitungsdrähten bekannt ist, an einen distalen Ende des Leitungsdrahtes 600 vorgesehen. Die Bereiche 604 können verwendet werden, um Ultraschall zu erzeugen, der an einer externen (oder einer weiteren implantierten) Abbildungseinrichtung erfasst werden soll. Alternativ oder zusätzlich werden die Bereiche 604 zur seitwärts oder vorwärts gerichteten Abbildung und/oder zum Erfassen von Abständen und/oder Hindernissen verwendet. Für den Fall eines Leitungsdrahtes kann beispielsweise die Betrachtung im A-Modus eines einzelnen Pixels distal zur Leitungsdrahtspitze zur Erfassung von Verzweigungen in Gefäßen, der Ermittlung einer Tiefe des Plaque und der Charakterisierung seiner Zusammensetzung geeignet sein. Wahlweise wird der Leitungsdraht zu Messungen beispielsweise das Gefäßdurchmessers, der Wandstärke und des Stenosetyps und/oder der Stenosedicke verwendet, was bei der Wahl eines geeigneten Stents für die Implantation hilfreich sein kann.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Leitungsdraht 600 verwendet, um einen Stent und/oder einen PCTA-Ballon zu tragen, der am Leitungsdraht. angebracht sein kann oder entlang desselben befördert wird.
Eine weitere Verwendung des potentiell kleinen Profils einer akustischen Lichtleitfaserquelle besteht in der Nutzung einer Faser als Markierung oder Ortungsgerät beispielsweise zur Kennzeichnung eines Instrumentes in einem Ultraschallbild oder zur Darstellung seines zukünftigen Weges. Bei dieser Verwendung wird die Faser normalerweise als Ortungsgerät, wie etwa als Punktortungsgerät oder als längliches (d.h. Mehrpunkt-) Ortungsgerät verwendet. Alternativ wird die Vibration der Faser benutzt, um eine Doppler-Verschiebung bei der einfallenden Strahlung zu erzeugen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Wellenlänge des erzeugten Ultraschalls derart eingerichtet, dass sie mit jener des Abbildungssystems (z.B. 520 von 5) übereinstimmt, so dass das Ortungsgerät deutlich erkannt werden kann.
7 zeigt die Verwendung einer Lichtleitfaser-Ultraschallquelle 700 zum Markieren eines invasiven Instrumentes 702 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. In der Zeichnung ist das invasive Instrument eine hypodermische Nadel, wobei die Sonde die Nadel möglichst ohne Behinderung derselben durchläuft. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die Ultraschallquelle 700 zur Positionsbestimmung des Instrumentes alternativ oder zusätzlich zur Verwendung für die Abbildung verwendet, wie es oben erläutert wurde. Alternativ oder zusätzlich wird die Sonde 700 als Detektor in einer akustischen Ortungsvorrichtung wie etwa einer Ortungsvorrichtung verwendet, die durch eine andre implantierte Faser ausgebildet ist. Im Prinzip kann, da Ultraschall das Material des invasiven Instrumentes, wie etwa die Nadel, durchdringen kann, die Faser-Ultraschallquelle vollständig vom Instrument umgeben sein, oder, wie es in 7 dargestellt ist, über das Instrument hinausstehen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung werden zwei oder mehr Ultraschallwellen verwendet, um das markierte Instrument besser zu finden. Wenn lediglich eine Punktquelle verwendet wird, so ist die einzige Kennzeichnung, die man unter Verwendung eines einfachen Detektors erhalten kann, der Abstand zum Ortungsgerät, wobei vom Instrument bekannt ist, dass es sich irgendwo auf einer Kugel befindet. Mit zwei oder mehr Quellen, die einen bekannten Abstand voneinander entfernt sind, kann das Instrument am Schnittpunkt der Instrumentenlänge mit den beiden Kugeln positioniert werden, die durch die Abstände beschrieben sind, die für jede Quelle gemessen werden. Dadurch wird die Unklarheit des Ortes in den meisten praktischen Situationen auf eine konische Oberfläche im dreidimensionalen Raum reduziert. Wenn beispielsweise das System die relative Bewegung zwischen dem Abbildungssystem (z.B. dem Detektor) und den Quellen verfolgt, kann die Unklarheit durch die Erzeugung einer Familie derartiger konischer Abschnitte im Raum, die sich untereinander in einem abnehmenden Bereich schneiden, weiter verringert werden. Somit bietet der Zustand der ununterbrochenen "physikalischen Bewegung" des Instrumentes eine unzweifelhafte Lösung für die Positionsbestimmung des Ortungsgerätes im Raum. Alternativ können ein Vielzahl von Detektoren oder mehr als zwei Quellen verwendet werden. Um die Unterscheidung zwischen dem Ortungsgerätesignal und dem herkömmlichen Abbildungssignal des Abbildungssystems zu erleichtern, kann das Signal vom Ortungsgerät derart beschaffen sein, dass es eine spezielle Wellenform erzeugt, die auf einfache Weise vom Abbildungssignal getrennt werden kann. Beispielsweise können eine Abfolge von Impulsen oder ein Chirp, wenngleich sie im wesentlichen dieselbe Frequenz wie das Abbildungssystem haben, auf einfache Weise von den Abbildungssignalen unterschieden werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Quelle, die unterschiedliche Frequenzen an unterschiedlichen Punkten entlang ihrer Länge erzeugt, verwendet und identifiziert werden (z.B. mit Hilfe unterschiedlicher wellenlängenselektiver Absorber mit unterschiedlichen Geometrien).
Zusätzliche mögliche Vorteile eines akusto-optischen Wandlers gemäß beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung umfassen:

(a) Transferieren beträchtlicher Energie zu einer Katheterspitze.
(b) Sonden geringeren Durchmessers.
(c) Die Möglichkeit der Verwendung in starken Magnetfeldern, wie etwa MRI-Feldern.
(d) Vermeidung von Erdungsproblemen, insbesondere wenn die Sonde unter Feldbedingungen verwendet wird.
(e) Einfache Konstruktion.
(f) Geringe Kosten des aktiven Abschnittes des Systems, der nach jedem chirurgischen Eingriff (oder einer geringen Zahl chirurgischer Eingriffe) entsorgt und ersetzt werden kann.

Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung wird ein opto-akustischer Wandler, wie er oben beschrieben ist, bei einer Mehrelementsonde verwendet, die beispielsweise außerhalb des Körpers Verwendung findet. 8 zeigt eine Mehrelementprobe 800 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung enthält die Probe 800 eine Vielzahl von Fasern 802 die jeweils über eine akustisch aktive Spitze 804 verfügen. Die Spitzen sind beispielsweise in einem Sondenkörper 806 angeordnet. Jede Faser kann individuelle aktiviert werden. Alternativ oder zusätzlich werden die Fasern zusammen beispielsweise als phasengesteuerte Anordnung aktiviert. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Fasern mit Hilfe eine Blitzlampe beispielsweise unter Verwendung einer elektrisch gesteuerten LCD aktiviert, um wahlweise den Fasern Licht zuzuführen. Im Gegensatz zu herkömmlichen piezoelektrischen Wandlern, erfordert die Sonde 800 keine normalerweise hohen Spannungen (oder Spannungen) am Körper 806.
Die Fasern sind normalerweise in einer linearen Anordnung, Seite an Seite, ausgerichtet, wobei jede Faser in seitlicher Richtung erzeugend wirkt. Die Strahlmanipulation in der Ebene des Anordnungsvektors kann anschließend durch Phasengleichschaltung jedes Faserelementes erzeugt werden. Die Manipulation des resultierenden Strahls in der senkrechten Richtung kann durch die zahlreichen Erzeugungs-/Empfangselemente in jeder Faser erfolgen. Auf diese Weise kann eine zweidimensional phasengesteuerte Anordnung ausgebildet werden. Zusätzlich oder alternativ können die Faserquellen in der vorwärts gerichteten Konfiguration verwendet werden. Bei dieser Option ist eine ein- oder zweidimensionale Anordnung durch Anordnen der Faserspitzen in einer Linie oder einer zweidimensionalen Matrix ausgebildet. In diesem Fall wird der Strahl wahlweise durch Phasengleichschaltung der Wandlung sämtlicher Anordnungselemente manipuliert. Bei beiden oben genannten Beispielen ist ein geeignetes Ultraschall-Isolationsmedium wahlweise vorgesehen, um ein Übersprechen zwischen benachbarten Elementen zu minimieren.
9 ist ein Graph, der die Versuchsergebnisse einer Vorrichtung zeigt, die gemäß einer beispielhaften- Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist. Dieses Signal erhielt man, indem eine einzige Absorptionsbereichs-Sendefaser und ein polarisationsdemodulierter doppelbrechender Faserempfänger verwendet wurden. Die Vorrichtung ist in ein Acrylglasrohr eingefügt, das mit Saline gefüllt ist. Das erste Signal bezieht sich auf das direkte akustische Übersprechen zwischen dem Sender und dem Empfänger. Die Rohrwand erzeugt akustische Signale an ihren Vorder- und Rückseiten. Es ist auf die Umkehr der Signalphase an der vorderen Wand zu achten, wie sie aus einer niedrigen zu einer hohen akustischen Impedanz zu erwarten ist. Aus Gründen der Einfachheit wurde ein flüssiges Ziel anstelle eines festen Ziels zur Erzeugung des Ultraschalls verwendet. Dies kann jedoch, wie es oben erläutert wird, bei einigen Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein. Die Erzeugung erfolgt mit einem Laserimpuls von 1 μJ bei 10 ns Anstiegszeit und 1,064 nm. Die Erfassung erfolgt mit einem 532 nm Laser und eine ungefähren Leistung von 5 mW. Die Erzeugungs- und Erfassungsfasern, beide multimodal, sind etwa 1 mm und einige 5 mm von der Wand des Rohrs in einer seitlich ausgerichteten Anordnung positioniert. Die Rohrwand ist etwa 2 mm dick. Die Frequenz des erzeugten Ultraschalls beträgt etwa 3 MHz, wie es vom verwendeten Erzeugungsbereich zu erwarten ist: ein gradueller Grenzflüssigkeitsbereich, der an der Faser angebracht ist, ist etwa 0,8 mm breit.
Wenngleich sich die obige Beschreibung auf optische Fasern konzentrierte, können andere Wellenleiter, wie etwa hohle, Linsenreihen- oder Spiegelwellenleiter für Infrarotstrahlung langer Wellenlänge verwendet werden. Ein möglicher Grund für die Verwendung derartiger Wellenleiter besteht darin, dass dieselbe Wellenlänge zum Erzeugen akustischer Energie und zum Befördern elektromagnetischer Strahlung (z.B. Hochfrequenzstrahlung) verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich kann die beleuchtende elektromagnetische Strahlung Hochfrequenzstrahlung sein, wobei der Wellenleiter von einem geeigneten Typ ist.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand nicht einschränkender Beschreibungen von Ausführungsformen derselben erläutert, die beispielhaft sind und den Geltungsbereich der Erfindung nicht einschränken sollen. Es versteht sich, dass Merkmale und/oder Schritte, die im Bezug auf eine Ausführungsform erläutert wurden, mit anderen Ausführungsformen verwendet werden können, und dass nicht alle Ausführungsformen der Erfindung über sämtliche Merkmale und/oder Schritte verfügen, die in einer speziellen Zeichnung dargestellt sind oder im Bezug auf eine der Ausführungsformen beschrieben sind. Dem Fachmann werden Abänderungen der Ausführungsformen verständlich sein. Darüber hinaus sind einige Ausführungsformen als Verfahren oder Vorrichtung beschrieben, wobei der Geltungsbereich der Erfindung eine Vorrichtung, wie etwa eine Firmware, eine Hardware und/oder Software zur Ausführung des Verfahrens und/oder der Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung, wie auch computerlesbare Medien und/oder Kommunikationssignale beinhaltet, auf denen die Software gespeichert ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass einige der oben erläuterten Ausführungsformen eine beste Art beschreiben, die von den Erfindern in Erwägung gezogen wird, und somit einen Aufbau, einen Vorgang oder Details von Aufbauten und Vorgängen beinhalten, die für die Erfindung nicht wesentlich sind und als Beispiele beschrieben sind. Aufbauten und Vorgänge, die hier beschrieben sind, sind durch Äquivalente ersetzbar, die dieselben Funktionen ausführen, selbst wenn sich der Aufbau oder die Vorgänge unterscheiden, wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist. Daher ist der Geltungsbereich der Erfindung lediglich durch die Elemente und Einschränkungen begrenzt, wie diese in den Ansprüchen verwendet werden. Bei Verwendung in den folgenden Ansprüchen bedeuten die Begriffe "enthalten", "beinhalten", "haben" und deren Konjugationen "enthalten jedoch nicht beschränkt auf".

Claims

Ultraschall-Erzeugungsvorrichtung, die umfasst: eine Quelle (508, 510) gepulster elektromagnetischer Strahlung, die Strahlung erzeugt, die eine Vielzahl verschiedener Wellenlängen hat; einen elektromagnetischen Wellenleiter (100, 200, 302, 304, 400, 514, 802), der mit der Quelle gekoppelt ist; und wenigstens einen absorbierenden Bereich (106, 206, 108, 404, 604) in dem Wellenleiter (100, 200, 302, 304, 400, 514, 802), der auftreffende elektromagnetische Strahlung von weniger als allen der Vielzahl erzeugten Wellenlängen der Quelle in Ultraschallwellen umwandelt.
Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der Wellenlängen, die durch den absorbierenden Bereich (106, 206, 108, 404, 604) nicht in elektromagnetische Strahlung umgewandelt wird, zur Beleuchtung mit Licht verwendet wird.
Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Wellenleiter (100, 200, 302, 304, 400, 514, 802) als ein Führungsdraht (600) ausgebildet ist.
Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Erzeugungsvorrichtung zum Einführen in einen Körper eingerichtet ist.
Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der Wellenleiter (1000, 200, 302, 304, 400, 514, 802) eine Lichtleitfaser umfasst.
Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Faser einen nicht akustischen Lichtleitfasersensor enthält.
Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, wobei der absorbierende Bereich (106, 206, 108, 404, 604) optisch gesteuert werden kann, um seine Absorptionseigenschaften zu ändern.
Generator nach einem der Ansprüche 1–7, wobei der wenigstens eine absorbierende Bereich wenigstens zwei absorbierende Bereiche umfasst.
Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die wenigstens zwei Bereiche gleiche Absorptionseigenschaften haben.
Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die wenigstens zwei Bereiche verschiedene Absorptionseigenschaften haben.
Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8–10, wobei die wenigstens zwei Bereiche gleiche Selektivität haben.
Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–11, wobei der absorbierende Bereich (106, 206, 108, 404, 604) einen Volumenabsorber (206) umfasst, der die Strahlung über seine Länge in einer Ausbreitungsrichtung der Strahlung absorbiert.
Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Volumenabsorber axial einheitliche Absorptionseigenschaften entlang der Achse des Wellenleiters (100, 200, 302, 304, 400, 514, 802) hat.
Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Volumenabsorber axial uneinheitliche Absorptionseigenschaften entlang der Achse des Wellenleiters (100, 200, 302, 304, 400, 514, 802) hat.
Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Volumenabsorber abgestufte Absorptionseigenschaften entlang der Achse des Wellenleiters (100, 200, 302, 304, 400, 514, 802) hat.
Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–15, wobei der absorbierende Bereich (106, 206, 206, 108, 404, 604) einen Festabsorber umfasst.
Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–16, wobei der absorbierende Bereich einen Fluidabsorber umfasst.
Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–17, wobei der Wellenleiter (100, 200, 302, 304, 400, 514, 802) einen akustisch-optischen Modulatorabschnitt umfasst, der Lichtwellen in Reaktion auf ein akustisches Feld moduliert.
Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 18, die einen optischen Detektor umfasst, der mit dem Wellenleiter (100, 200, 302, 304, 400, 514, 802) gekoppelt ist und in Reaktion auf das akustische Feld ein Signal erzeugt.
Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 19, die einen Signalprozessor umfasst, der aus dem Signal ein Bild rekonstruiert.
Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 20, die einen Signalprozessor umfasst, der in Funktion aus dem Signal eine Gewebecharakterisierung rekonstruiert.
Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 21, die einen Signalprozessor umfasst, der in Funktion aus dem Signal einen Abstand rekonstruiert.
Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–22, wobei die Quelle wenigstens eine Wellenlänge mit einem hohen Energiepegel bereitstellt, die im Wesentlichen unabsorbiert durch den absorbierenden Bereich hindurch tritt.
Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–23, die eine Vielzahl von Wellenleitern (100, 200, 302, 304, 400, 514, 802), die in einer phasengesteuerten Anordnung angeordnet sind, sowie eine Steuereinrichtung umfasst, die die Quelle so steuert, dass sie die Anordnung als eine phasengesteuerte Anordnung aktiviert.
Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–24, wobei die Ultraschallwelle in Funktion räumlich durch die Erzeugungsvorrichtung gesteuert wird, ohne den absorbierenden Bereich zu bewegen.
Erzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–25, die eine Steuereinrichtung (506) umfasst, die in Funktion die Quelle steuert.
Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 26, wobei die Steuereinrichtung eine Funktion der Erzeugungsvorrichtung mit einer separaten Behandlungs- und/oder Bilderzeugungseinrichtung synchronisiert.
Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 12, die einen Reflektor (110, 210) umfasst, der wenigstens einen Teil des Lichtes reflektiert, das einmal durch den Absorber hindurch tritt, so dass es wenigstens ein zweites Mal durch den Absorber hindurch tritt.
Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 28, die einen zweiten Reflektor (212) umfasst, der wenigstens einen Teil des Lichtes reflektiert, das zweimal durch den Absorber hindurch tritt, so dass es wenigstens ein drittes Mal durch den Absorber hindurch tritt.
Erzeugungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine zweite der Wellenlängen mit dem Wellenleiter (100, 200, 302, 304, 400, 514, 802) außer in dem wenigstens einen absorbierenden Bereich in Wechselwirkung tritt, um Ultraschall zu erzeugen.
Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 30, wobei der zweite erzeugte Ultraschall eine Intensität hat, die hoch genug ist, um angrenzenden Plaque in einem Blutgefäß anzugreifen.