EP1019903B1

EP1019903B1 - Device for generating ultrasound fields

Info

Publication number: EP1019903B1
Application number: EP98954231A
Authority: EP
Inventors: Werner Hartmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-09-28
Publication date: 2002-04-17
Anticipated expiration: 2018-09-28
Also published as: US6366535B1; DE19743336C2; JP2001518386A; DE59803879D1; WO1999017276A1; DE19743336A1; EP1019903A1

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.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.

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.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.

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 addition to the above applications, there are especially intensive focused ones 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.

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.Systems introduced in practice mainly use piezoelectric ones Sound transducers that are good for creating flat wave fronts are suitable. There is a focus either by acoustic lenses or by specific ones Shape of the sounder. Multi-dimensional are also known Arrays, for example as phased arrays (Phased Arrays) were developed in which the individual Elements can be controlled independently of each other, to focus position and focus size by changing electrical Control parameters.

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.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.

Die vorbekannten Anordnungen sind vergleichsweise komplex aufgebaut, wobei die Lebensdauer der Schallwandler und die erreichbaren Amplituden zu wünschen übrig lassen.The previously known arrangements are comparatively complex built, the life of the transducer and the achievable amplitudes leave something to be desired.

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.With the older, unpublished DE 19 702 593 A1 the 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.

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.Based on this, it is an object of the invention on the basis the procedure described in the earlier application a practical device for generating ultrasonic fields build.

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.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.

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.

Further details and advantages of the invention emerge from the following description of the figures of exemplary embodiments with reference to the drawing in conjunction with the patent claims. They each show a schematic representation

Figure 1: the functioning of a single Actel,
Figure 2: a flat arrangement of a two-dimensional array of N x M elements,
Figure 3: the top view of a one and a half-dimensional array for generating cylindrical wavefronts,
Figure 4: 4 shows a section through an arrangement according to FIG. 3 along the line IV-IV,
Figure 5: a one and a half dimensional array for generating spherical wave fronts.
Figure 6: a section through an arrangement according to Figure 5 along the line VV.

In den Figuren haben gleiche bzw. gleichwirkende Teile sich entsprechende Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.In the figures, the same or equivalent parts have each other corresponding reference numerals. The figures are partly common described.

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.In Figure 1, a carrier electrode 1 is shown, the one acoustically hard, i.e. reflective electrode defined. At a distance from it is a thin, acoustically transparent membrane-like electrode 3 arranged, which is the control electrode forms. Between the electrodes 1 and 2 is 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.

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.Above 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. With 5 is a power pulse generator and 6 denotes a switching element.

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.1 shows a so-called "Actel" (actuator element) Are defined. By heating the electrolyte layer 3 by a current pulse from the voltage source 5, the Electrolyte 2 and accelerates the metallized Carrier film 12 into the spreading medium 4. Thereby an intensive sound wave is generated in this medium 4. Through further adjacent Actels there is a total of one superimposed sound wave front.

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.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.

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.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. Due to the discrete control electrodes, individual Actels 20, 20 ', 20' '... which defines a two-dimensional array of M Form columns and N rows. With typical dimensions one individual Actels 20 of 1 x 1 mm side length and a distance the electrodes 21 and 23 of 100 µm are obtained from a Conductivity of the electrolyte of 0.5 Ωm a resistance of approx. 50 Ω. With an energy input per Actel of ΔE = 1 mJ you need a peak power of 5 kW for a pulse duration of 0.4 µs. The current is about 10 A. at a voltage of 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.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. There are others too Semiconductor switch possible. The pressure amplitude generated with it is typical, for example, of ethylene glycol as an electrolyte about 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.With an arrangement according to Figure 2, it is possible per Actel an average power of 10 W at a pulse repetition rate of 10 kHz. In the case of the array arrangement, the control of the individual Actel 20, 20 ', 20' '... simultaneously, but done independently. Similar to known ones Flat screens can, for example, be part of the control electrodes with driver transistors or a diode matrix can be integrated directly onto the carrier electrode 21.

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.In 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. Not shown are in this figure the spacer for defining the Distance between the carrier electrode 31 and the carrier film 32 with the metallized control electrodes 33. 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.

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.A corresponding arrangement is shown in FIG. 5 for generating spherical wave fronts. In this case it is 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.

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.The sectional views according to Figures 4 and 6 are in present case for the embodiments according to FIGS. 3 and Figure 5 identical. In both cases the control is also the control electrodes the same, for which purpose the common Voltage source 5 individual switching elements 6, 6 ', 6' '... assigned are.

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.Via the switching elements 6, 6 ', 6' '... 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.

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.Especially for an arrangement according to FIG. 3 with an Actel length of 50 mm, a width of 1 mm and an electrode spacing of 0.1 mm was shown in detail that at 1.2 MHz excitation frequency approx. 50 mJ per Actel for a pressure amplitude of 1 bar is required. The peak current required for this of around 500 A can due to the short pulse duration are carried by modern high-performance semiconductors.

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.The latter also applies in particular to an arrangement according to the figure 5. In the two arrangements according to Figure 3/4 or Figure 5/6 are significantly fewer Actels compared to Figure 2 and therefore fewer switching elements required for activation.

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.Since in the arrangements according to Figure 2, Figure 3/4 and Figure 5/6 each used strip-shaped metallized plastic films can be an inexpensive in all cases Construction possible. Curved surfaces can also be built up become.

Claims

Apparatus for generating ultrasound fields, the ultrasound generation being effected using the thermohydraulic principle in liquids, having at least two electrodes which enclose a volume with an electrolyte and are driven by a power pulse generator, and having a sound transmitter surface, characterized in that the electrolyte volume (2) to be heated by the electrical pulse is delimited to such an extent that the electrical power to be applied is controlled by semiconductor switching elements (6).
Apparatus according to Claim 1, characterized in that the switching elements are transistors (6) or thyristors, for example field-effect transistors.
Apparatus according to Claim 1, characterized in that the sound transmitter surface is structured as a two-dimensional (2D) array with defined array elements (20, 20', 20'' ...) which can be driven individually.
Apparatus according to Claim 3, characterized in that the sound transmitter surface (22) is structured as a phase-controlled array (20), the individual array elements (20, 20', 20" ...) having corresponding dimensions.
Apparatus according to Claim 1, characterized in that, in order to generate cylindrical or spherical wavefronts, a one-and-a-half-dimensional (1.5D) arrangement of array elements which can be driven individually is provided.
Apparatus according to one of Claims 1 to 5,characterized in that the array elements (20, 20', 20'' ...) are arranged on a curved surface.
Apparatus according to one of Claims 1 to 6, characterized in that an electronic drive unit is present, which effects the driving of the individual array elements (20, 20', 20" ...) simultaneously, but independently of one another.
Apparatus according to one of Claims 1 to 6, characterized in that an electronic drive unit is present, which effects the driving of the individual array elements (20, 20', 20", ...) with predeterminable time differences.
Apparatus according to Claim 7 or Claim 8, characterized in that a portion of the electronic drive unit, such as driver transistors or a diode matrix, is integrated directly on the support electrode (21, 31, 51).
Apparatus according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolyte volume is delimited by elements (11) which form, as it were, spacers between the electrodes (1, 3; 21, 23; 31, 33; 51, 53).