DEP0048765DA - Ultraschallgerät, insbesondere für medizinische Zwecke - Google Patents

Description

Für diathermische Behandlungen sind in der Medizin Ultraschallgeräte entwickelt worden, die eine Beschallung von begrenzten Teilen des menschlichen Körpers zum Ziel haben. Bei derartigen Behandlungen ist der Wunsch aufgetaucht, eine Ultraschalltiefentherapie durchzuführen, indem die gerichtete Ultraschallstrahlung auf Gewebsteile konzentriert wird, die in einer bestimmten Tiefe unter der Haut liegen. Um derartige Behandlungen zu ermöglichen, sind Ultraschallgeräte erforderlich, die mit besonders ausgebildeten gerichteten Ultraschallstrahlern arbeiten.

Es ist bekannt, einen schwingenden sogenannten "Grützmacher"-Quarz mit einer konkaven Oberfläche zu versehen, so daß er wie ein sphärischer Spiegel eine konvergente Strahlung erzeugt. Da die Schallstrahlen bei Erregung der Kugelschale in der Dickenschwingung in der Hauptsache senkrecht von der schwingenden Oberfläche ausgehen, vereinigen sie sich auf der konkaven Seite der Kugelschale in einem Brennpunkt, der mit dem Krümmungsmittelpunkt der Kugel zusammenfällt. Die Herstellung derartige Quarze ist jedoch außerordentlich teuer, so daß eine allgemeine Anwendung kaum in Frage kommt, und außerdem bilden sich beim Auflegen einer konkaven Fläche auf das Behandlungsobjekt leicht Luftpolster, die die Übertragung der Schallstrahlung praktisch unmöglich machen.

Gemäß der Erfindung wird mit einem im wesentlichen flachen Schwingungserzeuger z.B. einem Quarz normaler Ausführung gearbeitet und es wird zur Konzentrierung der Strahlung eine Konzentriervorrichtung benutzt, die aus einer Linse besteht, deren Stärke im wesentlichen gleich (Lambda)/2 der verwendeten Wellenlänge oder einem Vielfachen davon ist.

Bei einem Durchtritt von Schallwellen durch eine linsenähnliche Einrichtung ist nämlich nicht nur die Tatsache zu berücksichtigen, daß die Schallwellen eine wesentlich größere Wellenlänge als Lichtquellen haben und daß infolgedessen bei einer Schalllinse die Beugungserscheinungen eine wesentliche Rolle spielen können; es muß auch in Betracht gezogen werden, daß die Schallwellen als mechanische Wellen eine mechanische Schwingung der Linse hervorrufen, wobei die elastischen Eigenschaften der Linse, ihre Fähigkeit in transversaler oder longitudinaler Richtung zu schwingen, ihr Wellenwiderstand usw. eine Rolle spielen. Untersuchungen haben ergeben, daß bei den in Frage kommenden festen Materialien ein Durchtritt der Ultraschallenergie durch eine Platte nur dann ohne größere Verluste möglich ist, wenn diese Platte eine Stärke von (Lambda)/2 der verwendeten Wellenlänge oder ein Vielfaches davon hat. Dies trifft auch für linsenähnliche Gebilde aus festen Materialien zu. Die in der Literatur bekannten Ultraschallinsen bestehen demgegenüber aus einer dünnen Metallhaut mit Flüssigkeitsfüllung und sind in einem Flüssigkeitsbad angeordnet, so daß völlig andere Verhältnisse herrschen. Stellt man eine Ultraschallinse aus einem festen Material, z.B. Metall, Glas oder einem Kunststoff in der aus der Optik bekannten Form her, wobei auch die Bedingung erfüllt ist, daß der Durchmesser der Linse ein Vielfaches der Wellenlänge ist, dann tritt eine starke Reflexion der Schallenergie ein, weil die Teile der Linse, deren Stärke in der Größenordnung von (Lambda)/4 oder einem ungeraden Vielfachen davon liegen praktisch keine Ultraschallstrahlung durchlassen. Erst durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Linse als Gebilde, dessen Stärke von der 1/2 Wellenlänge der Strahlung praktisch nur wenig abweicht, ermöglicht es, eine Linse mit guter Energieausnützung anzufertigen.

Die Linse kann z.B. als Stufenlinse ausgebildet sein, wobei darauf zu achten ist, daß die Stärke der Linse an den höchsten und tiefsten Stellen der Stufenflächen nur soweit von (Lambda)/2 abweicht, daß mindestens ein vorgeschriebener Anteil der Ultraschallstrahlung von z.B. 60 oder 80% abgeschallt wird. Aus dieser Bedingung ergibt sich der Abstand der einzelnen Stufen, z.B. derart, daß die Höhe der Stufen nur 1% der Plattendicke betragen darf.

Weitere Einzelheiten ergeben sich im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen, die im folgenden beschrieben werden.

Figur 1 und 1a zeigen eine Linsenanordnung im Querschnitt, während Figur 2 einen Schnitt durch die Linsenoberfläche in vergrößertem Maßstab wiedergibt.

In Figur 1 ist ein Schwingquarz 1 in Form einer runden Scheibe im Schnitt dargestellt. Auf diesen Quarz ist entweder unmittelbar oder nach Figur 1a auf eine zur Verkleidung des Quarzes vorgesehene Schutzhaube 3 eine Metallplatte 2, z.B. aus Aluminium oder einer aushärtbaren Aluminiumlegierung, aufgesetzt. Die Schallgeschwindigkeit in dem betreffenden Aluminiummaterial ist ermittelt worden und beträgt beispielsweise 6200 m/sec.

Bei Verwendung einer Ultraschallstrahlung mit einer Frequenz von 1 MHz ergibt sich eine Wellenlänge von 6,2 mm, die mittlere Stärke der Linsenplatte 2 wird daher gleich 3,1 mm gemacht. An der Außenfläche besitzt die Linse 2 eine Stufenform. Die einzelnen Stufen bestehen aus ringförmigen Zonen, deren Oberflächen-Neigung so bemessen ist, daß die abgestrahlte Schallenergie im gegebenen Abstand a auf der mittleren Achse der Linse gesammelt wird. Ferner ist die Bedingung einzuhalten, daß die einzelnen Stufen keine größere Veränderung der Plattenstärke als plus/minus 1% ergeben. Die Brennweite der der Linse hängt von dem Verhältnis der Fortpflanzungsgeschwindigkeiten v(sub)1 : v(sub)2 der Ultraschallwellen in den beiden Medien ab, die in der Linsenfläche aneinanderstossen, sowie von dem Eintritts- + Austrittswinkel (Alpha) und (Beta) der Schallwellen. Der Durchmesser des mittleren Bereichs der Linse wird zweckmäßig so groß gemacht, wie etwa der zulässige Streukreis des Brennflecks.

Die Schutzkappe 3 kann aus dem gleichen Material bestehen wie die Linse 2 oder auch aus anderen Stoffen, die die Ultraschallenergie möglichst gut übertragen. Die Dicke der zwischen Quarz und Linse vorgesehenen Schicht beträgt zweckmäßig (Lambda)/2 oder ein Vielfaches davon. Diese Schutzkappe kann so ausgebildet sein, daß sie den Quarz vor Feuchtigkeit schützt, wenn die ganze Vorrichtung zur Beschallung von Objekten benutzt wird, die sich z.B. unter Wasser befinden. Die Linsenplatte wird erforderlichenfalls auswechselbar befestigt, so daß je nach Wunsch eine Linse längerer oder kürzerer Brennweite aufgesetzt werden kann. Die Linsenplatte 2 kann auf verschiedenem Wege hergestellt werden. Zum Beispiel durch Eindrehen der Stufen, durch Prägung oder Pressung, durch Verformung im kalten oder warmen Zustand. Bei der Verbindung der Linsenplatte mit der Unterlage muß besonders darauf geachtet werden, daß keine Lufteinschlüsse zwischen der Platte und der Unterlage verbleiben, da sonst störende Reflektionen auftreten können. Die Linse kann z.B. mit einer planen geschliffenen Fläche auf die den Ultraschall abstrahlende Fläche auswechselbar aufgesetzt und dort unter Druck festgehalten werden, wobei eine Fett- oder Ölschicht als Kontaktmittel dienen kann. In anderen Fällen wird die Linse auf der Unterlage aufgekittet, z.B. mit Schellack; ist eine Erwärmung der Vorrichtung zu erwarten, so wird zweckmäßig ein hitzebeständiger Kitt verwendet, der bei Erwärmung keine Gasbildung zeigt, wodurch ein Ablösen der Linse oder eine Verschlechterung des Kontaktes eintreten können.

Die Linsenplatte 2 kann nicht nur aus Metall, sondern aus Kunststoff, wie Plexiglas oder einem keramischen Isolierstoff hergestellt sein. Für die Wahl des Stoffes ist der Verwendungszweck ausschlaggebend. Wird die Linse z.B. in der Therapie benutzt und direkt auf den Körper des Patienten, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Fett- oder Ölfilmes, aufgesetzt, so wird man ein Material verwenden, in dem die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls geeignete Werte hat, so daß sich eine leichte und handliche Ausführung ergibt. Bei Verwendung der Einrichtung für Materialuntersuchungen wird man andere Materialien für den Linsenkörper anwenden.

Es ist auch möglich, den Linsenkörper aus Ringen oder Abschnitten verschiedenen Materials zusammenzusetzen, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Bei einer derart zusammengesetzten Linse ist dann für jeden einzelnen Abschnitt die Bedingung einzuhalten, daß die Stärke des betreffenden Abschnitts im wesentlichen = (Lambda)/2 der bei der verwendeten Frequenz in dem Material sich ergebenden Wellenlänge oder einem Vielfachen davon ist.

Die Anwendung der Konzentriervorrichtung ist nicht auf die genannten Verwendungszwecke beschränkt. Die Vorrichtung kann in Verbindung mit beliebigen Ultraschallerzeugern verwendet werden und läßt sich z.B. auch bei Emulsionierungsgeräten, bei Zerstäubungs- und Zerkleinerungsvorrichtungen usw. benutzen.

Es ist auch möglich, mehrere linsenähnliche Gebilde hintereinander anzubringen und anstelle einer Konzentrierung der Schallenergie einer Zerstreuung nach Art einer Zerstreuungslinse zu erreichen.

Claims (7)

1. Ultraschallgerät, insbesondere für medizinische Zwecke mit einem im wesentlichen flachen Schwingungserzeuger und einer Vorrichtung zur Konzentrierung der Ultraschallstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentriervorrichtung aus einer Linse besteht, deren Stärke im wesentlichen gleich (Lambda)/2 der Wellenlänge der Ultraschallstrahlung in der Linsensubstanz oder einem Vielfachen davon ist.

2. Ultraschallgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse als Stufenlinse ausgebildet ist.

3. Ultraschallgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Linse an den höchsten und tiefsten Stellen der Stufenfläche nur soweit von (Lambda)/2 abweicht, daß mindestens ein vorgeschriebener Anteil der Ultraschallstrahlung von z.B. 60 oder 70% abgeschallt wird.

4. Ultraschallgerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse auswechselbar auf dem Schwingungserzeuger oder einer den Ultraschall abstrahlenden Fläche aufgesetzt ist.

5. Ultraschallgerät nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse auf einem Schwingquarz aufgekittet ist.

6. Ultraschallgerät nach Anspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse aus Metall, z.B. Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

7. Ultraschallgerät nach Anspruch 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse aus Ringzonen des gleichen oder verschiedenen Materials zusammengesetzt ist.