DEP0048765DA

DEP0048765DA - Ultrasound apparatus, in particular for medical purposes

Info

Publication number: DEP0048765DA
Authority: DE
Inventors: Georg Dr. Darmstadt-Eberstadt Güllner
Original assignee: Blaupunkt-Werke GmbH, Zweigniederlassung Darmstadt, Darmstadt
Publication date: 1951-03-15

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.For diathermic treatments, ultrasound devices have been developed in medicine, which aim at the irradiation of limited parts of the human body. In such treatments, the desire has arisen to carry out deep ultrasound therapy by concentrating the directed ultrasound radiation on parts of tissue that lie at a certain depth under the skin. In order to enable such treatments, ultrasound devices are required that work with specially designed, directional ultrasound emitters.

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.It is known to provide an oscillating so-called "Grützmacher" quartz with a concave surface so that it generates convergent radiation like a spherical mirror. Since the sound rays emanate mainly perpendicularly from the vibrating surface when the spherical shell is excited in the thickness oscillation, they unite on the concave side of the spherical shell in a focal point that coincides with the center of curvature of the sphere. However, the production of such quartz crystals is extremely expensive, so that a general application is hardly possible, and in addition, when a concave surface is placed on the object to be treated, air cushions easily form, which make the transmission of the sound radiation practically impossible.

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.According to the invention, a substantially flat vibration generator, for example a normal quartz quartz, is used and a concentrating device is used to concentrate the radiation, which consists of a lens whose strength is substantially equal to (lambda) / 2 of the wavelength used or a multiple thereof is.

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.When sound waves pass through a lens-like device, not only the fact that the sound waves have a significantly greater wavelength than light sources and that consequently the diffraction phenomena can play an essential role in a sound lens must be taken into account; It must also be taken into account that the sound waves, as mechanical waves, cause a mechanical vibration of the lens, the elastic properties of the lens, its ability to vibrate in the transverse or longitudinal direction, its wave resistance, etc. play a role. Investigations have shown that, with the solid materials in question, the ultrasonic energy can only pass through a plate without major losses if this plate has a thickness of (lambda) / 2 or a multiple of the wavelength used. This also applies to lens-like structures made of solid materials. The ultrasonic lenses known in the literature, on the other hand, consist of a thin metal skin with a liquid filling and are arranged in a liquid bath, so that completely different conditions prevail. If an ultrasonic lens is made from a solid material, for example metal, glass or a plastic, in the form known from optics, the condition that the diameter of the lens is a multiple of the wavelength is also met, then there is a strong reflection of the sound energy because the parts of the lens whose power is in the order of magnitude of (lambda) / 4 or an odd multiple thereof let practically no ultrasound radiation pass through. Only through the inventive design of the lens as a structure, the strength of which differs practically only slightly from the 1/2 wavelength of the radiation, makes it possible to manufacture a lens with good energy utilization.

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.The lens can, for example, be designed as a stepped lens, whereby it must be ensured that the strength of the lens at the highest and lowest points of the stepped surfaces is only as far as (lambda) / 2 deviates that at least a prescribed proportion of the ultrasonic radiation of e.g. 60 or 80% is rejected. The distance between the individual steps results from this condition, e.g. such that the height of the steps may only be 1% of the panel thickness.

Weitere Einzelheiten ergeben sich im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen, die im folgenden beschrieben werden.Further details emerge in connection with the exemplary embodiments which are described below.

Figur 1 und 1a zeigen eine Linsenanordnung im Querschnitt, während Figur 2 einen Schnitt durch die Linsenoberfläche in vergrößertem Maßstab wiedergibt.FIGS. 1 and 1a show a lens arrangement in cross section, while FIG. 2 shows a section through the lens surface on an enlarged scale.

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.In Figure 1, a quartz crystal 1 is shown in the form of a round disk in section. A metal plate 2, for example made of aluminum or a hardenable aluminum alloy, is placed on this quartz either directly or according to FIG. 1a on a protective hood 3 provided for covering the quartz. The speed of sound in the aluminum material in question has been determined and is, for example, 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.When using an ultrasonic radiation with a frequency of 1 MHz, a wavelength of 6.2 mm results, the mean thickness of the lens plate 2 is therefore made equal to 3.1 mm. The lens 2 has a step shape on the outer surface. The individual steps consist of ring-shaped zones, the surface inclination of which is dimensioned so that the radiated sound energy is collected at the given distance a on the central axis of the lens. Furthermore, the condition must be met that the individual steps do not result in a change in the panel thickness greater than plus / minus 1%. The focal length of the lens depends on the ratio of the propagation velocities v (sub) 1: v (sub) 2 of the ultrasonic waves in the two media that collide in the lens surface, as well as on the entry + exit angle (alpha) and (beta) of the sound waves. The diameter of the central region of the lens is expediently made as large as, for example, the permissible scattering circle of the focal point.

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.The protective cap 3 can consist of the same material as the lens 2 or also of other materials that transmit the ultrasonic energy as well as possible. The thickness of the layer provided between quartz and lens is expediently (lambda) / 2 or a multiple thereof. This protective cap can be designed in such a way that it protects the quartz from moisture when the entire device is used for sonication of objects which are, for example, under water. If necessary, the lens plate is fastened interchangeably, so that a lens with a longer or shorter focal length can be attached as required. The lens plate 2 can be manufactured in various ways. For example, by screwing in the steps, by embossing or pressing, by deforming in a cold or warm state. When connecting the lens plate to the base, particular care must be taken to ensure that no air pockets remain between the plate and the base, since otherwise disruptive reflections can occur. The lens can, for example, be placed on the surface emitting the ultrasound with an exchangeable flat surface and held there under pressure, whereby a layer of fat or oil can serve as a contact medium. In other cases the lens is cemented onto the base, e.g. with shellac; If heating of the device is to be expected, a heat-resistant cement is expediently used which does not show any gas formation when heated, which can result in detachment of the lens or deterioration of the contact.

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.The lens plate 2 can be made not only of metal, but also of plastic, such as Plexiglas or a ceramic insulating material. The intended use is decisive for the choice of the substance. For example, if the lens is used in therapy and placed directly on the patient's body, possibly with the interposition of a grease or oil film, then a material will be used in which the propagation speed of the ultrasound has suitable values so that a slight and handy execution results. When using the device for material tests, other materials will be used for the lens body.

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.It is also possible to assemble the lens body from rings or sections of different materials in order to achieve the desired effect. With a lens assembled in this way, the condition must then be met for each individual section that the strength of the section in question is essentially = (lambda) / 2 of the wavelength resulting in the material at the frequency used or a multiple thereof.

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.The application of the concentrating device is not restricted to the stated purposes. The device can be used in connection with any ultrasonic generator and can also be used, for example, in emulsifying devices, atomizing and comminuting devices, etc.

Es ist auch möglich, mehrere linsenähnliche Gebilde hintereinander anzubringen und anstelle einer Konzentrierung der Schallenergie einer Zerstreuung nach Art einer Zerstreuungslinse zu erreichen.It is also possible to attach several lens-like structures one behind the other and, instead of concentrating the sound energy, achieve a diffusion in the manner of a diffusing lens.

Claims

1. Ultrasonic device, especially for medical purposes with a substantially flat vibration generator and a device for concentrating the ultrasonic radiation, characterized in that the concentrating device consists of a lens whose strength is essentially equal (lambda) / 2 of the wavelength of the ultrasonic radiation in the lens substance or a multiple thereof.

2. Ultrasonic device according to claim 1, characterized in that the lens is designed as a stepped lens.

3. Ultrasonic device according to claim 1 or 2, characterized in that the strength of the lens at the highest and lowest points of the step area only differs from (lambda) / 2 to the extent that at least a prescribed proportion of the ultrasonic radiation of, for example, 60 or 70% is rejected .

4. Ultrasonic device according to claim 1 to 3, characterized in that the lens is replaceably placed on the vibration generator or on a surface emitting the ultrasound.

5. Ultrasonic device according to claim 1-4, characterized in that the lens is cemented onto a quartz oscillator.

6. Ultrasonic device according to claim 1-5, characterized in that the lens consists of metal, e.g. aluminum or an aluminum alloy.

7. Ultrasonic device according to claim 1-6, characterized in that the lens is composed of ring zones of the same or different material.