JPH03170042A - 液体中のキヤビテーシヨン気泡検出用光学的測定装置 - Google Patents
液体中のキヤビテーシヨン気泡検出用光学的測定装置Info
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- JPH03170042A JPH03170042A JP2071775A JP7177590A JPH03170042A JP H03170042 A JPH03170042 A JP H03170042A JP 2071775 A JP2071775 A JP 2071775A JP 7177590 A JP7177590 A JP 7177590A JP H03170042 A JPH03170042 A JP H03170042A
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
- G01N21/43—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle
- G01N21/431—Dip refractometers, e.g. using optical fibres
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
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- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/02—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating changes of state or changes of phase; by investigating sintering
- G01N25/08—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating changes of state or changes of phase; by investigating sintering of boiling point
- G01N25/085—Investigating nucleation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N2015/0007—Investigating dispersion of gas
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- G01N2021/432—Dip refractometers, e.g. using optical fibres comprising optical fibres
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は液体中のキャビテーション気泡を検出するため
の光学的測定装置に関する。
の光学的測定装置に関する。
相当強い負圧を有する衝撃波が液体を通過する際または
液体が可戒り速く流れる際、液体自体の内部にもまたそ
の境界面にもキャビテーションが発生する.その際に生
じるキャビテーション気泡は短時間後に再び消滅する.
このキャビテーション気泡の消滅の際、例えばキャビテ
ーション気泡が溜まっている表面では破壊が起こる.こ
のような不所望な破壊を回避するために、このキャビテ
ーション気泡の発生および時間的特性を検出して監視す
る必要がある.急勾配のパルスエッジを有する超音波衝
撃波は例えば結石破砕器において作られ、患者の身体内
に存在する結石、例えば腎臓結石を破砕するために使用
される.その際、音場、例えば身体内部でも同様にキャ
ビテーション効果の発生を監視しなければならない. キャビテーション気泡を検出することは高速度カメラに
よる直接的な光学的観察によって行うことができる.こ
のような方法はしかしながら費用が掛かり、しかも光学
的に透明な液体に対してだけ可能であり、実際上連続運
転の使用には適さない. 刊行物「ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクスr
Journal of Applied Physi
cs ) 」1 984年、56 (1)、第125頁
〜第131頁に掲載されたY, }ξタ等の論文「衝
撃波による多数気泡の消滅および発生衝撃圧力( Co
llaps ofmultiple gas bu
bbles by a 1hock wave
and laduced t+mpulsive
pressure ) Jによれば、消滅するキャビテ
ーション気泡から出される超音波パルスを測定すること
によってキャビテーシコン気泡を検出するための装置が
公知である. しかしながら、出された超音波パルスは微小振幅しか有
さすしかも段々消えていく反射衝撃波との分離を行うこ
と力1困難であるので、この方法は結石破砕器には適さ
ない. シェタウデンラウス(J.Staudenraus)お
よびアイゼンメンガー(W.Eiservenger)
の論文「光学式水中聴音器、音響の進歩(Optisc
hes Sondenhydrophon, Fort
schritte der Akustik ) 」(
DAGA 1988年、DPG GmbH 19
88年、第467頁)によれば、液体中の超音波衝撃波
の圧力の時間的変化を測定するために、光導波路の自由
端部で反射された光信号を使用することが公知である.
この公知の測定装置においては、光導波路先端の直ぐ近
くにおける高圧力振幅が密度変化、従って液体の屈折率
の変化を生じさせ、この屈折率変化が光導波路内へ反射
して戻る光を変調させることが利用される.測定のため
に使用された先導波路は0.1w以下の直径を有する.
刊行物「ファイバーおよび集積形光センサー( Fas
erund integriert optiache
Sensoren ) J ( A C Sオルガ
ニザチオーンス(Organisations Gsb
ll)、ブンストオルフOlunitorf)、198
8年、第67頁〜第73頁)に掲載されたシュタウデン
ラウスおよびアイゼンメンガーの論文「光学式水中聰音
器、セミナーバンド、AMAセミナー(Optisch
es Sondenhydrophon, Ssmin
arband.^MA Seminar) Jによって
公知となった測定装置においては、コア直径が0.2一
である光ファイバーが示されている.キャビテーション
気泡は両測定装置を用いて観察されるが、しかしながら
反射されて戻って来る光の強度変動だけが測定可能であ
るに過ぎない.(発明が解決しようとする1111) そこで、本発明は、技術な労力を要することなく実現す
ることができ、しかも擾乱的な超音波バックグランドが
存在していてもキ中ビテーシツン気泡を確実に検出する
ことが可能となるような、液体中のキャビテーション気
泡を検出するための光学的測定装置を提供することを課
題とする.〔課題を解決するための手段〕 このような課題を解決するために、本発明は、自由端部
と光源および光受信器に光学的に結合された他端部とを
有する先導波路を備え、光源および光受信器は前記自由
端部にキャビテーシツン気泡が溜まることによって惹き
起こされるキャビテーション信号を検知するための手段
に接続されることを特徴とする. 〔作用および発明の効゛果〕 光導波路の自由端部の近傍に生じたキャビテーション気
泡はこの先導波路の表面上に分散して、この自由端部の
ところに溜まる.これによって、光導波路を取巻く媒体
の屈折率が変化し、光導波路の自由端部において光導波
路内へ反射される光も同様に変化する. 本発明による測定装置は容易に小形化し得、しかも人手
を近づけることが困難である個所での測定、例えば患者
身体内での内視鏡を用いた測定が可能である。
液体が可戒り速く流れる際、液体自体の内部にもまたそ
の境界面にもキャビテーションが発生する.その際に生
じるキャビテーション気泡は短時間後に再び消滅する.
このキャビテーション気泡の消滅の際、例えばキャビテ
ーション気泡が溜まっている表面では破壊が起こる.こ
のような不所望な破壊を回避するために、このキャビテ
ーション気泡の発生および時間的特性を検出して監視す
る必要がある.急勾配のパルスエッジを有する超音波衝
撃波は例えば結石破砕器において作られ、患者の身体内
に存在する結石、例えば腎臓結石を破砕するために使用
される.その際、音場、例えば身体内部でも同様にキャ
ビテーション効果の発生を監視しなければならない. キャビテーション気泡を検出することは高速度カメラに
よる直接的な光学的観察によって行うことができる.こ
のような方法はしかしながら費用が掛かり、しかも光学
的に透明な液体に対してだけ可能であり、実際上連続運
転の使用には適さない. 刊行物「ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクスr
Journal of Applied Physi
cs ) 」1 984年、56 (1)、第125頁
〜第131頁に掲載されたY, }ξタ等の論文「衝
撃波による多数気泡の消滅および発生衝撃圧力( Co
llaps ofmultiple gas bu
bbles by a 1hock wave
and laduced t+mpulsive
pressure ) Jによれば、消滅するキャビテ
ーション気泡から出される超音波パルスを測定すること
によってキャビテーシコン気泡を検出するための装置が
公知である. しかしながら、出された超音波パルスは微小振幅しか有
さすしかも段々消えていく反射衝撃波との分離を行うこ
と力1困難であるので、この方法は結石破砕器には適さ
ない. シェタウデンラウス(J.Staudenraus)お
よびアイゼンメンガー(W.Eiservenger)
の論文「光学式水中聴音器、音響の進歩(Optisc
hes Sondenhydrophon, Fort
schritte der Akustik ) 」(
DAGA 1988年、DPG GmbH 19
88年、第467頁)によれば、液体中の超音波衝撃波
の圧力の時間的変化を測定するために、光導波路の自由
端部で反射された光信号を使用することが公知である.
この公知の測定装置においては、光導波路先端の直ぐ近
くにおける高圧力振幅が密度変化、従って液体の屈折率
の変化を生じさせ、この屈折率変化が光導波路内へ反射
して戻る光を変調させることが利用される.測定のため
に使用された先導波路は0.1w以下の直径を有する.
刊行物「ファイバーおよび集積形光センサー( Fas
erund integriert optiache
Sensoren ) J ( A C Sオルガ
ニザチオーンス(Organisations Gsb
ll)、ブンストオルフOlunitorf)、198
8年、第67頁〜第73頁)に掲載されたシュタウデン
ラウスおよびアイゼンメンガーの論文「光学式水中聰音
器、セミナーバンド、AMAセミナー(Optisch
es Sondenhydrophon, Ssmin
arband.^MA Seminar) Jによって
公知となった測定装置においては、コア直径が0.2一
である光ファイバーが示されている.キャビテーション
気泡は両測定装置を用いて観察されるが、しかしながら
反射されて戻って来る光の強度変動だけが測定可能であ
るに過ぎない.(発明が解決しようとする1111) そこで、本発明は、技術な労力を要することなく実現す
ることができ、しかも擾乱的な超音波バックグランドが
存在していてもキ中ビテーシツン気泡を確実に検出する
ことが可能となるような、液体中のキャビテーション気
泡を検出するための光学的測定装置を提供することを課
題とする.〔課題を解決するための手段〕 このような課題を解決するために、本発明は、自由端部
と光源および光受信器に光学的に結合された他端部とを
有する先導波路を備え、光源および光受信器は前記自由
端部にキャビテーシツン気泡が溜まることによって惹き
起こされるキャビテーション信号を検知するための手段
に接続されることを特徴とする. 〔作用および発明の効゛果〕 光導波路の自由端部の近傍に生じたキャビテーション気
泡はこの先導波路の表面上に分散して、この自由端部の
ところに溜まる.これによって、光導波路を取巻く媒体
の屈折率が変化し、光導波路の自由端部において光導波
路内へ反射される光も同様に変化する. 本発明による測定装置は容易に小形化し得、しかも人手
を近づけることが困難である個所での測定、例えば患者
身体内での内視鏡を用いた測定が可能である。
本発明は、自由液体内に形威されたキャビテーシ!ン気
泡はこのキャビテーシ5ン気泡が先導波路の自由端部に
溜められる場合に初めて明確に検出され得ると言う認識
に基づいている.この場合に初めて、時間的にも振幅的
にも衝撃波と相互関係を有ししかもキャビ,テーシゴン
信号であると明白に解釈し得る信号が得られる.このキ
ャビテーソ5ン信号は光受信器に後置接続された適当な
手段によって検知され、発生したキャビテーシゴン効果
の表示を行うためにもまたキャビテーション気泡の寿命
を解析するためにも用いられ得る,光導波路の自由端部
にキャビテーション気泡を溜めることはこの端部が0.
2■2以上の大きさの平面状の断面積を有することによ
って容易になる光導波路の自由端部は特にこの光導波路
の長手軸に対して少なくともほぼ垂直に延在する平面状
端面によって形威される. 光導波路はボリマー、特にメタクリル酸ポリメチル(P
MMA)から構威される.その場合、PMMA製光導波
路は衝撃波の破壊作用に対してガラス製光導波路よりも
敏感ではない。
泡はこのキャビテーシ5ン気泡が先導波路の自由端部に
溜められる場合に初めて明確に検出され得ると言う認識
に基づいている.この場合に初めて、時間的にも振幅的
にも衝撃波と相互関係を有ししかもキャビ,テーシゴン
信号であると明白に解釈し得る信号が得られる.このキ
ャビテーソ5ン信号は光受信器に後置接続された適当な
手段によって検知され、発生したキャビテーシゴン効果
の表示を行うためにもまたキャビテーション気泡の寿命
を解析するためにも用いられ得る,光導波路の自由端部
にキャビテーション気泡を溜めることはこの端部が0.
2■2以上の大きさの平面状の断面積を有することによ
って容易になる光導波路の自由端部は特にこの光導波路
の長手軸に対して少なくともほぼ垂直に延在する平面状
端面によって形威される. 光導波路はボリマー、特にメタクリル酸ポリメチル(P
MMA)から構威される.その場合、PMMA製光導波
路は衝撃波の破壊作用に対してガラス製光導波路よりも
敏感ではない。
先導波路としては0. 5 m以上の直径を有する円筒
状ファイバーが特に適する。
状ファイバーが特に適する。
光導波路の自由端部と液体との間の境界面の反射性能の
キャビテーション気泡によって惹き起こされる変化は振
幅に関してもまた符号に関しても衝撃波信号とは異なっ
ている。キャビテーション気泡の発生は従って光受信器
の後に配置された評価装置によって容易に検知すること
ができる.〔実施例) 次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
. 第1図によれば、光源(例えばレーザーダイオード)2
と、光受信器(例えばホトトランジスタ)4とが光ファ
イバー3およびスターカブラ−6とを介して先導波路8
に光学的に結合されている.光導波*8ぱスターカプラ
ー6とは反対側の自由端部lOに、特に光導波路8の長
手軸12に対して垂直に位置する平面状端面を有してい
る,光導波路8の自由端部10を平面状に形戒すること
によって、第1図に概略的に圧力の時間的変化が示され
ている衝撃波20によるキャビテーション気泡22を溜
めることが容易になる.先導波路8は有利な実施例にお
いてはボリマー、特にメタクリル酸ポリメチル(PMM
A)から溝戒される.自由端部10の断面稙は好ましく
は0.2m”以上の大きさ、特に0.5m”以上の大き
さである.先導波路8としては特に、O。5一以上の直
径を有する円筒状ファイバーが適する. 液体を通って衝撃波20が通行する際にキャビテーシゴ
ン気泡22が発生し、このキャビテーション気泡22は
液体内の不均一性個所および同様に光導波路8の自由端
部10に溜まる.これによって光導波路8と液体との間
の境界面の反射性能が著しく高まり、光受信器4は自由
端部10におけるキャビテーション気泡22が再び消滅
するまで高強度を受信する.この境界面の反射性能を測
定することによって、キャビテーション気泡22の発生
を検出し、その寿命を決定することができる.その場合
、液体中に存在する自由キャビテ−ション気泡22は光
受信器4にて受信される測定信号には実際上寄与しない
.というのは、自由キャビテーシグン気泡22での散乱
反射によって新たに光導波路8内へ戻る光は実際上無視
し得るからである. 光源2と光受信器4とは制御・評価装置5に接続されて
おり、この制御・評価装置5において光受信器4にて測
定された信号はキャビテーション気泡22の存在を示す
キャビテーション信号を信号戒分として含んでいるか否
かが分析される.キャビテーシラン気泡の発生に伴って
現れるキャビテーション信号はその特性に基づいて適当
な手段によって簡単に検知され得る.このために例えば
制御・評価装115内には光受信器4にて測定された衝
撃波信号をキャビテーシ舊ン信号とは区別し得る手段が
設けられる.この区別は例えば光受信器4にて測定され
た信号の振幅を所定の閾値と比較する比較回路によって
行うことができる.その際、キャビテーション信号より
も時間的に前にある衝撃波信号を検知するために時間的
および振幅的な差を使用することは有利である.その場
合には、キャビテーシゴン信号としては、衝撃波信号の
測定後予め定められた時間ウインドー内に出現する測定
信号だけを考慮すればよい. 第2図は光受信器にて測定された電気信号の典型的な時
間的変化を示す.この測定はl閣の直径を有するPMM
A製先導波路を用いて実施された.光送信器としては5
mWのパワーを有するレーザーダイオードが使用された
.使用された測定装置においては約20mVの振幅を有
している衝撃波信号30が発生した後、キャビテーシゴ
ン信号32がこれとは反対の符号にて観察された.この
キャビテーション信号は衝撃波信号30の振幅の約10
0倍の振幅を有し、キャビテーション気泡が消滅するま
で約500μsec継続した.衝撃波信号30とキャビ
テーション信号32とで符号が相違するのは、衝撃波信
号30は液体の屈折率の増大によって惹き起こされ、一
方キャビテーション信号32は先導波路の自由端部の周
囲における屈折率の明確な減少に起因するからである.
キャビテーション信号32は衝撃波信号30とはその時
間的変化に関してもまたその符号および振幅に関しても
明らかに異なっている.
キャビテーション気泡によって惹き起こされる変化は振
幅に関してもまた符号に関しても衝撃波信号とは異なっ
ている。キャビテーション気泡の発生は従って光受信器
の後に配置された評価装置によって容易に検知すること
ができる.〔実施例) 次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
. 第1図によれば、光源(例えばレーザーダイオード)2
と、光受信器(例えばホトトランジスタ)4とが光ファ
イバー3およびスターカブラ−6とを介して先導波路8
に光学的に結合されている.光導波*8ぱスターカプラ
ー6とは反対側の自由端部lOに、特に光導波路8の長
手軸12に対して垂直に位置する平面状端面を有してい
る,光導波路8の自由端部10を平面状に形戒すること
によって、第1図に概略的に圧力の時間的変化が示され
ている衝撃波20によるキャビテーション気泡22を溜
めることが容易になる.先導波路8は有利な実施例にお
いてはボリマー、特にメタクリル酸ポリメチル(PMM
A)から溝戒される.自由端部10の断面稙は好ましく
は0.2m”以上の大きさ、特に0.5m”以上の大き
さである.先導波路8としては特に、O。5一以上の直
径を有する円筒状ファイバーが適する. 液体を通って衝撃波20が通行する際にキャビテーシゴ
ン気泡22が発生し、このキャビテーション気泡22は
液体内の不均一性個所および同様に光導波路8の自由端
部10に溜まる.これによって光導波路8と液体との間
の境界面の反射性能が著しく高まり、光受信器4は自由
端部10におけるキャビテーション気泡22が再び消滅
するまで高強度を受信する.この境界面の反射性能を測
定することによって、キャビテーション気泡22の発生
を検出し、その寿命を決定することができる.その場合
、液体中に存在する自由キャビテ−ション気泡22は光
受信器4にて受信される測定信号には実際上寄与しない
.というのは、自由キャビテーシグン気泡22での散乱
反射によって新たに光導波路8内へ戻る光は実際上無視
し得るからである. 光源2と光受信器4とは制御・評価装置5に接続されて
おり、この制御・評価装置5において光受信器4にて測
定された信号はキャビテーション気泡22の存在を示す
キャビテーション信号を信号戒分として含んでいるか否
かが分析される.キャビテーシラン気泡の発生に伴って
現れるキャビテーション信号はその特性に基づいて適当
な手段によって簡単に検知され得る.このために例えば
制御・評価装115内には光受信器4にて測定された衝
撃波信号をキャビテーシ舊ン信号とは区別し得る手段が
設けられる.この区別は例えば光受信器4にて測定され
た信号の振幅を所定の閾値と比較する比較回路によって
行うことができる.その際、キャビテーション信号より
も時間的に前にある衝撃波信号を検知するために時間的
および振幅的な差を使用することは有利である.その場
合には、キャビテーシゴン信号としては、衝撃波信号の
測定後予め定められた時間ウインドー内に出現する測定
信号だけを考慮すればよい. 第2図は光受信器にて測定された電気信号の典型的な時
間的変化を示す.この測定はl閣の直径を有するPMM
A製先導波路を用いて実施された.光送信器としては5
mWのパワーを有するレーザーダイオードが使用された
.使用された測定装置においては約20mVの振幅を有
している衝撃波信号30が発生した後、キャビテーシゴ
ン信号32がこれとは反対の符号にて観察された.この
キャビテーション信号は衝撃波信号30の振幅の約10
0倍の振幅を有し、キャビテーション気泡が消滅するま
で約500μsec継続した.衝撃波信号30とキャビ
テーション信号32とで符号が相違するのは、衝撃波信
号30は液体の屈折率の増大によって惹き起こされ、一
方キャビテーション信号32は先導波路の自由端部の周
囲における屈折率の明確な減少に起因するからである.
キャビテーション信号32は衝撃波信号30とはその時
間的変化に関してもまたその符号および振幅に関しても
明らかに異なっている.
第1図は本発明による光学的測定装置を示す概略図、第
2図はキャビテーション気泡が発生した際に光受信器に
て測定された出力信号の時間的変化を示すダイヤグラム
である. 2・・・光源 3・・・光ファイバー 4・・・光受信器 5・・・制御・評価装置 6・・・スターカプラー 8・・・先導波路 10・・・自由端部 12・・・長手軸 20・・・衝撃波 22・・・キャビテーション気泡 30・・・衝撃波信号 32・・・キャビテーション信号
2図はキャビテーション気泡が発生した際に光受信器に
て測定された出力信号の時間的変化を示すダイヤグラム
である. 2・・・光源 3・・・光ファイバー 4・・・光受信器 5・・・制御・評価装置 6・・・スターカプラー 8・・・先導波路 10・・・自由端部 12・・・長手軸 20・・・衝撃波 22・・・キャビテーション気泡 30・・・衝撃波信号 32・・・キャビテーション信号
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1)自由端部(10)と光源(2)および光受信器(4
)に光学的に結合された他端部とを有する光導波路(8
)を備え、前記光源(2)および光受信器(4)は前記
自由端部(10)にキャビテーション気泡が溜まること
によって惹き起こされるキャビテーション信号(32)
を検知するための手段(5)に接続されることを特徴と
する液体中のキャビテーション気泡検出用光学的測定装
置。 2)前記光導波路(8)の自由端部(10)はこの光導
波路(8)の長手軸(12)に対して少なくともほぼ垂
直に延在する平面状端面を有することを特徴とする請求
項1記載の光学的測定装置。 3)前記端面の大きさは少なくとも0.2mm^2の大
きさであることを特徴とする請求項2記載の光学的測定
装置。 4)少なくとも0.5mmの直径を有する円筒状光導波
路(8)が設けられることを特徴とする請求項3記載の
光学的測定装置。 5)メタクリル酸ポリメチルから成る光導波路(8)が
設けられることを特徴とする請求項1ないし4の1つに
記載の光学的測定装置。
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