EP1019903B1 - Vorrichtung zur erzeugung von ultraschallfeldern - Google Patents

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EP1019903B1
EP1019903B1 EP98954231A EP98954231A EP1019903B1 EP 1019903 B1 EP1019903 B1 EP 1019903B1 EP 98954231 A EP98954231 A EP 98954231A EP 98954231 A EP98954231 A EP 98954231A EP 1019903 B1 EP1019903 B1 EP 1019903B1
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array elements
electrolyte
array
electrodes
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
    • G10K15/04—Sound-producing devices
    • G10K15/06—Sound-producing devices using electric discharge

Definitions

  • the invention relates to a device for generating of ultrasound fields, the ultrasound generation taking Application of the thermohydraulic principle in liquids takes place with at least two electrodes that are a volume trap with an electrolyte and from a power pulse generator can be controlled, and with a sounder surface.
  • Ultrasound continues in many areas of technology specifically used in medicine. Examples of the latter Applications are imaging diagnostic procedures in medicine, like the ultrasound examination of internal organs and fetuses in pregnant women. Examples of general Technology are the crack-localization of highly stressed areas Parts or sonar procedures.
  • Ultrasonic fields have recently been used in Hyperthermia procedures in medical treatment and of surgery.
  • a prerequisite is a high one spatial resolution or good focusability. Therefore must have high frequencies in the range above 1 MHz at time averaged sound power from a few watts to a few 100 W can be generated.
  • the quality of the wavefront of the The ultrasound field plays a major role in the resolution or focus size.
  • US-A-3 688 562 discloses an apparatus for generating ultrasonic fields, with two electrodes, using the thermohydraulic principle in Liquids, the pulses being generated by semiconductor switching elements.
  • thermohydraulic principle was also proposed for generating intense pressure pulses in liquids for generation of ultrasonic wave fields. Doing so an electrolyte layer lying between two electrodes heated up by a power pulse of short duration and due to the volume expansion associated with the heating of the electrolyte in the adjacent medium is intense Radiated pressure wave.
  • By generating individual pressure pulses According to this procedure it is possible to level or almost arbitrarily shaped wave fronts with amplitudes of several MPa to create. However, there are electrical pulses with top performance in the range of about 100 MW necessary.
  • the object is achieved in a device of the type mentioned in that the electrolyte volume to be heated by the electrical pulse is so limited that the electrical power to be applied is controlled by semiconductor switching elements.
  • the sound generator surface can preferably be provided either as a two-dimensional array with defined array elements or else as a one-and-a-half-dimensional arrangement of array elements. It is essential in the invention that the sound generator surface is structured so that the individual elements have correspondingly small dimensions. Such elements are also referred to as "Actel" (act uator- el ement s). By using high pulse repetition rates, an ultrasound field of high average power can be generated. It is particularly advantageous that a sound wave front can be shaped almost arbitrarily by targeted control of the individual Actels. The average heat loss in the electrolyte can be removed by cooling, so that stable conditions are present over longer periods of use.
  • a carrier electrode 1 is shown, the one acoustically hard, i.e. reflective electrode defined.
  • a thin, acoustically transparent membrane-like electrode 3 arranged, which is the control electrode forms.
  • a Introduced electrolyte 2 the distance between the Electrodes 1 and 3 and thus the volume of the electrolyte 2 is defined by a spacer 11.
  • the spacer can also act as a web the electrolyte volume limit to the side or all around.
  • the second electrode 3 is in the present example a carrier film 12 is attached, of which the ultrasound generated enters a sound propagation medium 4.
  • 5 is a power pulse generator and 6 denotes a switching element.
  • Actel activator element
  • the Actel shown in Figure 1 uses the thermoelectric Principle from that in detail in the older, unpublished DE 197 02 593 A1 is described. There is especially the physical connection between Energy expenditure and generated pressure amplitude of an Actel in individual derived.
  • FIG. 2 shows a two-dimensional (2D) array, which consists of individual Actels according to Figure 1.
  • a continuous Carrier electrode 21 is here with a carrier film 22 with individual metallic areas 23 as control electrodes provided, an electrolyte between the electrodes 21 and 23 can be arranged according to Figure 1, from the illustration is not recognizable in detail according to FIG. 2.
  • individual Actels 20, 20 ', 20' '... which defines a two-dimensional array of M Form columns and N rows.
  • the electrodes 21 and 23 of 100 ⁇ m are obtained from a Conductivity of the electrolyte of 0.5 ⁇ m a resistance of approx. 50 ⁇ .
  • With an energy input per Actel of ⁇ E 1 mJ you need a peak power of 5 kW for a pulse duration of 0.4 ⁇ s.
  • the current is about 10 A. at a voltage of 500 V.
  • the latter requirements can be met by semiconductor switching elements common today, such as transistors or thyristors become.
  • the switching element is an example in FIG designed as a field effect transistor.
  • Semiconductor switch possible.
  • the pressure amplitude generated with it is typical, for example, of ethylene glycol as an electrolyte about 1 bar.
  • Figures 3 to 6 are so-called one and a half dimensions (1.5 D) arrays shown.
  • the array is used here 3 for generating cylindrical wave fronts, why on the reverberant electrode 31 with electrolytes 2 strip-shaped control electrodes 33, 33 ', 33' '... on one common carrier film 32 are applied.
  • the electrolyte 2 is arranged here continuously, with the Control electrodes 33 each have a narrowly limited volume of electrolyte is activated for generation. A slight crosstalk is harmless.
  • FIG. 5 A corresponding arrangement is shown in FIG. 5 for generating spherical wave fronts.
  • Carrier electrode 51 is circular, special the control electrodes metallized on the carrier film 52 53, 53 ', 53' '... are ring-shaped.
  • the boundary elements are again not shown as in Figure 3. The same applies to the electrolyte layer.
  • control electrodes 33 and 53 are the control electrodes 33 and 53 according to FIG. 3 and FIG. 5 each separately and addressable at the same time. It is also a delayed activation of the individual control electrodes possible, whereby by constant time differences, for example, how it works of a "phased array" is achieved.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallfeldern, wobei die Ultraschallgenerierung unter Anwendung des thermohydraulischen Prinzips in Flüssigkeiten erfolgt, mit wenigstens zwei Elektroden, die ein Volumen mit einem Elektrolyten einschließen und von einem Leistungsimpulsgenerator angesteuert werden, und mit einer Schallgeberoberfläche.
Ultraschall Wird auf vielen Gebieten der Technik und weiterhin speziell in der Medizin angewendet. Beispiele für letztere Anwendungen sind bildgebende Diagnoseverfahren in der Medizin, wie die Ultraschalluntersuchung von inneren Organen und von Föten bei Schwangeren. Beispiele für die allgemeine Technik sind die Riß-Bruchstellenlokalisierung hochbeanspruchter Teile oder Sonarverfahren.
Über obige Anwendungen hinaus finden speziell intensive fokussierte Ultraschallfelder in jüngerer Zeit Anwendung bei Hyperthermieverfahren in der medizinischen Behandlung und in der Chirurgie. Voraussetzung ist dabei jeweils eine hohe räumliche Auflösung bzw. eine gute Fokussierbarkeit. Dafür müssen Hochfrequenzen im Bereich oberhalb von 1 MHz bei zeitlich gemittelten Schalleistungen von einigen Watt bis zu einigen 100 W erzeugt werden. Die Qualität der Wellenfront des Ultraschallfeldes spielt dabei eine große Rolle für die Auflösung bzw. Fokusgröße.
In der Praxis eingeführte Systeme nutzen vorwiegend piezoelektrische Schallwandler, die gut zur Erzeugung ebener Wellenfronten geeignet sind. Dabei erfolgt eine Fokussierung entweder durch akustische Linsen oder aber durch spezifische Formgebung der Schallgeber. Bekannt sind auch mehrdimensionale Arrays, die beispielsweise als phasengesteuerte Anordnungen (Phased Arrays) entwickelt wurden, bei denen die einzelnen Elemente unabhängig voneinander angesteuert werden können, um Fokuslage und Fokusgröße gezielt durch Änderung elektrischer Parameter zu steuern.
US-A-3 688 562 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallfeldern, mit zwei Elektroden, unter Anwendung der thermohydraulischen Prinzips in Flüssigkeiten, wobei die Impulse durch Halbleiterschaltelementen erzeugt werden.
Die vorbekannten Anordnungen sind vergleichsweise komplex aufgebaut, wobei die Lebensdauer der Schallwandler und die erreichbaren Amplituden zu wünschen übrig lassen.
Mit der älteren, nichtvorveröffentlichten DE 19 702 593 A1 wurde auch vorgeschlagen, das thermohydraulische Prinzip zur Erzeugung intensiver Druckpulse in Flüssigkeiten zur Generierung von Ultraschallwellenfelder auszunützen. Dabei wird eine zwischen zwei Elektroden liegende Elektrolytschicht durch einen Leistungsimpuls kurzer Dauer aufgeheizt und aufgrund der mit der Aufheizung verbundenen Volumenausdehnung des Elektrolyten in das angrenzende Medium eine intensive Druckwelle abgestrahlt. Durch Erzeugung einzelner Druckpulse nach diesem Verfahren ist es möglich, ebene oder nahezu beliebig geformte Wellenfronten mit Amplituden von mehreren MPa zu erzeugen. Dazu sind allerdings elektrische Pulse mit Spitzenleistungen im Bereich von etwa 100 MW notwendig.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, auf der Grundlage des in der älteren Anmeldung vorbeschriebenen Verfahrens eine praxisgerechte Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallfeldern aufzubauen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das vom elektrischen Impuls aufzuheizende Elektrolytvolumen so weit begrenzt ist, daß die aufzubringende elektrische Leistung von Halbleiterschaltelementen beherrscht wird. Die Schallgeberoberfläche kann dabei vorzugsweise entweder als zweidimensionales Array mit definierten Arrayelementen oder aber auch als eineinhalbdimensionale Anordnung von Arrayelementen vorgesehen sein. Wesentlich ist bei der Erfindung, daß die Schallgeberoberfläche so strukturiert ist, daß die einzelnen Elemente entsprechend kleine Abmessungen aufweisen. Solche Elemente werden auch als "Actels" (actuator-elements) bezeichnet. Durch Anwendung hoher Pulswiederholraten kann damit ein Ultraschallfeld hoher mittlerer Leistung erzeugt werden. Besonders vorteilhaft ist, daß eine Schallwellenfront durch gezielte Ansteuerung der einzelnen Actels nahezu beliebig geformt werden kann. Die mittlere, im Elektrolyten dabei umgesetzte Verlustwärme kann durch Kühlung abgeführt werden, so daß über längere Anwendungszeiten stabile Verhältnisse vorliegen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung
Figur 1
die Funktionsweise eines einzelnen Actels,
Figur 2
eine ebene Anordnung eines zweidimensionalen Arrays aus N x M Elementen,
Figur 3
die Draufsicht eines eineinhalbdimensionalen Arrays zur Erzeugung zylindrischer Wellenfronten,
Figur 4
einen Schnitt durch eine Anordnung gemäß Figur 3 entlang der Linie IV-IV,
Figur 5
ein eineinhalbdimensionales Array zur Erzeugung sphärischer Wellenfronten.
Figur 6
einen Schnitt durch eine Anordnung gemäß Figur 5 längs der Linie V-V.
In den Figuren haben gleiche bzw. gleichwirkende Teile sich entsprechende Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.
In Figur 1 ist eine Trägerelektrode 1 dargestellt, die eine akustisch harte, das heißt reflektierende Elektrode definiert. Im Abstand davon ist eine dünne, akustisch transparente membranartige Elektrode 3 angeordnet, welche die Steuerelektrode bildet. Zwischen den Elektroden 1 und 2 ist ein Elektrolyt 2 eingebracht, wobei der Abstand zwischen den Elektroden 1 und 3 und damit auch das Volumen des Elektrolyten 2 durch einen Abstandshalter 11 definiert ist. Der Abstandshalter kann als Steg gleichermaßen das Elektrolytvolumen seitlich bzw. umlaufend begrenzen.
Über der zweiten Elektrode 3 ist im vorliegenden Beispiel eine Trägerfolie 12 angebracht, von der der erzeugte Ultraschall in ein Schallausbreitungsmedium 4 gelangt. Mit 5 ist ein Leistungsimpulsgenerator und mit 6 ein Schaltelement bezeichnet.
Durch die Figur 1 ist ein sogenanntes "Actel" (actuator element) definiert. Durch die Aufheizung der Elektrolytschicht 3 durch einen Stromimpuls der Spannungsquelle 5 dehnt sich der Elektrolyt 2 aus und beschleunigt dabei die metallisierte Trägerfolie 12 in das Ausbreitungsmedium 4 hinein. Dadurch wird in diesem Medium 4 eine intensive Schallwelle erzeugt. Durch weitere angrenzende Actels ergibt sich insgesamt eine überlagerte Schallwellenfront.
Das in Figur 1 dargestellte Actel nutzt also das thermoelektrische Prinzip aus, das im einzelnen in der älteren, nichtvorveröffentlichten DE 197 02 593 A1 beschrieben ist. Dort ist auch insbesondere der physikalische Zusammenhang zwischen Energieaufwand und erzeugter Druckamplitude eines Actels im einzelnen abgeleitet.
In Figur 2 ist ein zweidimensionales (2D-)Array dargestellt, das aus einzelnen Actels gemäß Figur 1 besteht. Eine durchgehende Trägerelektrode 21 ist hier mit einer Trägerfolie 22 mit einzelnen metallischen Bereichen 23 als Steuerelektroden versehen, wobei zwischen den Elektroden 21 und 23 ein Elektrolyt entsprechend Figur 1 anordenbar ist, der aus der Darstellung gemäß Figur 2 nicht im einzelnen erkennbar ist. Durch die diskreten Steuerelektroden sind einzelne Actels 20, 20', 20'' ... definiert, die ein zweidimensionales Array aus M Spalten und N Zeilen bilden. Bei typischen Abmessungen eines einzelnen Actels 20 von 1 x 1 mm Seitenlänge und einem Abstand der Elektroden 21 und 23 von 100 µm erhält man bei einer Leitfähigkeit des Elektrolyten von 0,5 Ωm einen Widerstand von ca. 50 Ω. Bei einem Energieeintrag pro Actel von ΔE= 1 mJ benötigt man somit eine Spitzenleistung von 5 kW für eine Pulsdauer von 0,4 µs. Der Strom beträgt dabei etwa 10 A bei einer Spannung von 500 V.
Letztere Anforderungen können von heutzutage üblichen Halbleiterschaltelementen, wie Transistoren oder Thyristoren, beherrscht werden. Beispielhaft ist in Figur 1 das Schaltelement als Feldeffekttransistor ausgeführt. Es sind auch andere Halbleiterschalter möglich. Die damit erzeugte Druckamplitude ist beispielsweise bei Ethylenglykol als Elektrolyt typisch etwa 1 bar.
Mit einer Anordnung gemäß Figur 2 ist es möglich, pro Actel eine mittlere Leistung von 10 W bei einer Impulswiederholrate von 10 KHz zu erreichen. Bei der Arrayanordnung muß die Ansteuerung der einzelnen Actel 20, 20', 20''... simultan, aber unabhängig voneinander erfolgen. Ähnlich wie bei bekannten Flachbildschirmen kann dazu beispielsweise ein Teil der Ansteuerelektroden mit Treibertransistoren oder einer Diodenmatrix direkt auf die Trägerelektrode 21 mit integriert werden.
In den Figuren 3 bis 6 sind jeweils sogenannte eineinhalbdimensionale (1,5 D-)Arrays dargestellt. Dabei dient das Array gemäß Figur 3 zur Erzeugung von zylindrischen Wellenfronten, wozu auf der schallharten Elektrode 31 mit Elektrolyten 2 streifenförmige Steuerelektroden 33, 33', 33''... auf einer gemeinsamen Trägerfolie 32 aufgebracht sind. Nicht gezeigt sind in dieser Figur der Abstandshalter zur Definition des Abstandes zwischen der Trägerelektrode 31 und der Trägerfolie 32 mit den aufmetallisierten Steuerelektroden 33. Der Elektrolyt 2 ist hier durchgehend angeordnet, wobei durch die Steuerelektroden 33 jeweils ein eng begrenztes Elektrolytvolumen zur Generierung aktiviert wird. Ein geringfügiges Übersprechen ist unschädlich.
Eine entsprechende Anordnung ist in Figur 5 zur Erzeugung von sphärischen Wellenfronten dargestellt. In diesem Fall ist die Trägerelektrode 51 kreisförmig ausgebildet, wobei speziell die auf der Trägerfolie 52 aufmetallisierten Steuerelektroden 53, 53', 53'' ... ringförmig ausgebildet sind. Die Begrenzungselemente sind wie in Figur 3 wiederum nicht dargestellt. Für die Elektrolytschicht gilt entsprechendes.
Die Schnittdarstellungen gemäß den Figuren 4 und 6 sind im vorliegenden Fall für die Ausführungsformen gemäß Figur 3 und Figur 5 identisch. In beiden Fällen ist auch die Ansteuerung der Steuerelektroden gleich, wozu jeweils der gemeinsamen Spannungsquelle 5 einzelne Schaltelemente 6, 6', 6''... zugeordnet sind.
Über die Schaltelemente 6, 6', 6''... sind die Steuerelektroden 33 bzw. 53 gemäß Figur 3 bzw. Figur 5 jeweils separat und gleichzeitig adressierbar. Es ist auch ein verzögertes Ansteuern der einzelnen Steuerelektroden möglich, wobei durch konstante Zeitdifferenzen beispielsweise die Funktionweise eines "Phased Array" erreicht wird.
Speziell für eine Anordnung gemäß Figur 3 mit einer Actel-Länge von 50 mm, einer Breite von 1 mm und einem Elektrodenabstand von 0,1 mm wurde im einzelnen gezeigt, daß bei 1,2 MHz Anregungsfrequenz ca. 50 mJ pro Actel für eine Druckamplitude von 1 bar benötigt wird. Der dazu notwendige Spitzenstrom von etwa 500 A kann aufgrund der kurzen Pulsdauer von modernen Hochleistungshalbleitern getragen werden.
Letzteres gilt insbesondere auch für eine Anordnung gemäß Figur 5. Bei den beiden Anordnungen gemäß Figur 3/4 oder Figur 5/6 werden im Vergleich zu Figur 2 deutlich weniger Actels und damit auch weniger Schaltelemente zur Aktivierung benötigt.
Da bei den Anordnungen gemäß Figur 2, Figur 3/4 und Figur 5/6 jeweils streifenförmig metallisierte Kunststoffolien verwendet werden können, ist in allen Fällen eine kostengünstige Bauweise möglich. Es können auch gekrümmte Oberflächen aufgebaut werden.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallfeldern, wobei die Ultraschallgenerierung unter Anwendung des thermohydraulischen Prinzips in Flüssigkeiten erfolgt, mit wenigstens zwei Elektroden, die ein Volumen mit einem Elektrolyten einschließen und von einem Leistungsimpulsgenerator angesteuert werden, und mit einer Schallgeberoberfläche wobei das vom elektrischen Impuls aufzuheizende Elektrolytvolumen (2) so weit begrenzt ist, daß die aufzubringende elektrische Leistung von Halbleiterschaltelementen (6) beherrscht wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente Transistoren (6) oder Thyristoren, beispielsweise Feldeffekttransistoren, sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallgeberoberfläche als zweidimensionales (2D-)Array mit definierten Array-Elementen (20, 20',20'' ...) strukturiert ist, die einzeln ansteuerbar sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallgeberoberfläche (22) als phasengesteuertes Array (20) strukturiert ist, wobei die einzelnen Array-Elemente (20, 20',20''...) entsprechende Abmessungen aufweisen.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von zylindrischen oder sphärischen Wellenfronten eine eineinhalbdimensionale (1,5D-)Anordnung von Arrayelementen vorgesehen ist, die einzeln ansteuerbar sind.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Array-Elemente (20, 20', 20" ...) auf einer gekrümmten Oberfläche angeordnet sind.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansteuerelektronik vorhanden ist, mit der die Ansteuerung der einzelnen Array-Elemente (20, 20', 20''...) gleichzeitig, aber unabhängig voneinander erfolgt.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansteuerelektronik vorhanden ist, mit der die Ansteuerung der einzelnen Array-Elemente (20, 20', 20'', ... mit vorgebbaren Zeitdifferenzen erfolgt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Ansteuerelektronik, wie Treibertransistoren oder eine Diodenmatrix, direkt auf der Trägerelektrode (21, 31, 51) integriert ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehendem Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrolytvolumen durch Elemente (11) begrenzt wird, die gleichermaßen Abstandshalter zwischen den Elektroden (1,3; 21,23; 31,33; 51,53) bilden.
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EP (1) EP1019903B1 (de)
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