WO2001076320A2 - Akustischer wandler für breitband-lautsprecher oder kopfhörer - Google Patents

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WO2001076320A2
WO2001076320A2 PCT/EP2001/003720 EP0103720W WO0176320A2 WO 2001076320 A2 WO2001076320 A2 WO 2001076320A2 EP 0103720 W EP0103720 W EP 0103720W WO 0176320 A2 WO0176320 A2 WO 0176320A2
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sound
magnetic
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Frank Baumgart
Thomas Kaulisch
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Leibnitz-Institut Für Neurobiologie
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/02—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones characterised by the construction
    • 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
    • G10K13/00—Cones, diaphragms, or the like, for emitting or receiving sound in general

Definitions

  • the invention relates to an acoustic transducer for broadband loudspeakers or magnetless, electrodynamic headphones for sound generation, in particular for use in the homogeneous and / or inhomogeneous magnetic field of a magnetic resonance tomograph.
  • Brain performance and cardiac dysfunction are limited in their use and clinical distribution due to their high sound emissions, which can only be inadequately countered by passive measures in the low-frequency range (Journal "British Journal of Radiology”, Volume 1994, Issue 67, pages 413 to 415; Journal “Radiology”, year 1994, issue 191, pages 91 to 93 in connection with the "Recommendation of the Radiation Protection Commission, adopted in the 131st session on June 22, 1995 ", page 17). Even below the legal limits, noise emissions represent a reduction in patient comfort and communication options and thus patient safety.
  • anti-noise Active noise abatement
  • MRT systems Journal "Radiology”, 1989, Issue 173, pages 549 to 550 and “Proceedings of the Society of Magnetic Resonance", 1995, Issue 2, Page 1223).
  • Effective noise suppression is only possible for frequencies up to about 1 kHz if the anti-noise speaker is very close to the noise source (the gradient tube inside the MRI magnet) and the anti-noise speaker can mirror the acoustic field of the interference source.
  • Speakers previously designed for noise control directly in the tomograph which use the inhomogeneous part of the magnetic field for electrodynamic coupling, are only suitable up to pitches of approx. 1 kHz due to their design and can also not be installed in the homogeneous area of the magnetic field (DE 197 27 657 Cl ).
  • Arrangements for canceling sound waves based on the principle of generating a signal that is phase-shifted by 180 °, have often been described outside of magnetic resonance tomography (DE 195 28 888 A 1), but can be used in the field of magnetic resonance tomography because of the existing ones Conditions are not used.
  • the displacement principle on which the invention is based has already been described elsewhere, in particular by reducing the effective mass Formation of air pockets (DE 2003 950, US 4039044, US 4160883).
  • the effective mass is reduced by the use of a membrane, which is suitably driven and displaces the air present in the air pockets formed.
  • the desired large ratio of width to depth of the air pockets is limited here by the relatively small spatial expansion of the magnetic field.
  • An important aim of the invention is to reduce the noise pollution caused by the MRI system during the examination.
  • the noise insulation with passive systems e.g. earplugs
  • passive systems e.g. earplugs
  • Active systems consisting of a headphone system and soundproof capsules, achieve the same damping and no psychoacoustic effect weakening - on the contrary, loud music lowers the sensitivity ("Noise Covering", effect enhancement) and the ability to communicate with music is perceived as pleasant and increases comfort and lowers Dropout rate and the patient does not lose track of time when listening to music.
  • Combined systems consisting of soundproof capsules and headphone systems are known and described in MRI.
  • Head uterine system This system is robust and inexpensive, but it is not able to transmit low tones (below 300 Hz).
  • Systems with piezo loudspeakers are also described; the above applies to these combinations, only the lower cut-off frequency is even higher here (design requires 500-800 Hz).
  • Combinations with electrostatic headphones are also described and are commercially available. These systems have a frequency response that extends sufficiently deep - their acoustic properties are very good. However, you have several disadvantages.
  • the combination of headphone system (capacitance) and cable (inductance) can constitute a resonant circuit that absorbs high-frequency energy from the MRI transmitter. With the usual transmission powers, the system could quickly become very hot and there is a risk of burns.
  • the object of the invention is to create an acoustic transducer for broadband loudspeakers or headphones which can be used safely and reliably in the magnetic field of a magnetic resonance tomograph without interfering with the imaging, satisfies high quality requirements in a wide frequency range, enables active noise abatement and Can be produced easily and inexpensively and can be combined in the form of headphones with an earmuff.
  • This object is achieved by the features in claim 1.
  • Useful embodiments of the invention are contained in the subclaims.
  • the invention in the form of implementation as a loudspeaker is based on the problem that the high noise levels of MRI systems can be effectively reduced by active noise abatement if a powerful antisound generator can be installed in the gradient tube of the MRI system.
  • a powerful antisound generator can be installed in the gradient tube of the MRI system.
  • the fact must be taken into account that the handling of magnetic materials in magnetic field flux densities used today (1 T to 3 T in clinical operation) represents an extremely great potential hazard.
  • the advantages achieved by the invention are that sound with defined properties can be generated in high quality and with high efficiency within the strong magnetic field of a magnetic resonance tomograph. In addition to music and speech, this also includes the generation of sound for active noise abatement, which cannot be achieved with hose line systems and other electrodynamic transducers only in the inhomogeneous area of the magnetic field and in lower quality.
  • the installation of loudspeakers can be anywhere in the magnetic resonance tomograph and thus optimally adapted to the respective purpose. This aspect is essential for use as an anti-noise speaker.
  • the loudspeaker has a broad frequency band and tones above a frequency of 1 kHz can be generated.
  • the principle applied of a drive that acts uniformly and uniformly on all parts of the loudspeaker membrane ensures that the bending vibrations and distortions that occur with conventional, local cone drives do not occur.
  • An unprecedented large ratio of pleat depth to pleat height can be realized in magnetic resonance tomography.
  • the effective mass of the loudspeaker diaphragm is therefore very low.
  • the effective mass of the membrane is reduced by a factor of 420 compared to the actual mass.
  • This in turn means that the acoustic rigidity of the membrane is very high and almost independent of its mechanical properties. This enables distortion-free sound radiation even at high sound pressures.
  • the efficiency of sound generation is also increased since the losses due to positive and negative acceleration of the effective membrane mass are low.
  • an unprecedentedly large ratio of pleat depth to pleat height can also be achieved with headphones.
  • the effective mass of the transducer membrane is also very low here and the acoustic rigidity of the membrane is very high and almost independent of its mechanical properties.
  • a large fold area enables the application of many electrically conductive elements, preferably flat wires, arranged in parallel.
  • the conductive elements are also electrically connected in parallel and thus result in a very low ohmic resistance of the arrangement.
  • the electrical losses are minimized and there is no heat development in the individual elements. This considerably increases the operational safety and the lifespan of the sound generator.
  • the arrangement has the advantage over the metal strips described (DE 2003 950) that only very low eddy currents can be generated in the conductive elements by the strong alternating magnetic fields generated by an MRI scanner with a frequency of up to 1500 Hz. This in turn prevents the conductive elements from heating up and, in particular, has no disruptive influences on the magnetic gradient fields of the magnetic resonance tomograph.
  • the magnetic field strengths (up to 3T) of an MRI scanner which are atypical for acoustic transducers, transmit a large driving force (Lorentz force) to the membrane firmly connected to them, even at low, auditory currents through the electrically conductive elements. This enables effective sound radiation even at low currents.
  • the magnetic fields generated by these currents are correspondingly low and do not impair the homogeneity of the main field, that is, they have no disruptive influence on the imaging.
  • Fig. lb the change in the membrane according to FIG. la when a current flows through the conductor tracks
  • 3a a membrane with a conductor block
  • 3b the change in the membrane of FIG. 3a when a current flows through the conductor tracks
  • 3c shows the ratio of air pocket width to air pocket depth.
  • Fig. La shows a possible embodiment in which the membrane 1, consisting of elastic, not or only weakly magnetic material, such as paper, fleece or plastic along an orthogonal or almost orthogonal axis orthogonal to the magnetic field B of the magnetic resonance tomograph in one or more folds or waves is arranged, or a corresponding arrangement is formed by several movably connected individual membranes.
  • the membrane 1 consisting of elastic, not or only weakly magnetic material, such as paper, fleece or plastic along an orthogonal or almost orthogonal axis orthogonal to the magnetic field B of the magnetic resonance tomograph in one or more folds or waves is arranged, or a corresponding arrangement is formed by several movably connected individual membranes.
  • one or more conductor tracks 2 are in each case connected to the membrane 1 over their entire surface and in such a manner that the direction of the conductor tracks runs parallel or almost parallel to the folding or bending axes.
  • FIG. 1b shows the arrangement shown in FIG. 1a when a current I flows through the conductor tracks 2.
  • the external magnetic field B of the magnetic resonance tomograph transmits a deflecting force on the conductor tracks 2, the orientation of which is determined by the direction of the current flowing through.
  • a ladder arrangement as described causes the air pockets on a Side of the folded or corrugated membrane surface 4 are narrowed by conductor tracks 2 to be moved towards one another, while the air pockets located on the other side of the folded membrane are expanded.
  • a hearing-frequency current leads to a simultaneous and common opening or closing of the air pockets on both sides of the folded or corrugated membrane 1.
  • the pressure fluctuations caused by these movements within the swept air volume are emitted as sound waves on both sides perpendicular to the total membrane area.
  • the efficiency of this arrangement is optimal if the magnetic field B of the magnetic resonance tomograph is oriented perpendicular to the folded or corrugated total membrane surface. Deviating from this geometry, whether due to the curvature or twisting of the entire arrangement or of parts thereof, reduces the efficiency without, however, questioning the functionality.
  • the headphones can then be operated with an electrical power which is usually provided by headphone outputs of audio devices.
  • the membrane is inserted into the earmuffs in such a way that it is almost parallel to the main field of the MRI scanner when worn.
  • the remaining space in the earmuffs is filled with acoustic insulation material so that passive attenuation is retained.
  • FIG. 2a shows an exemplary embodiment in which the membrane 1 is arranged in one or more folds or waves along an axis parallel or almost parallel to the magnetic field B of the magnetic resonance tomograph, or a corresponding arrangement by means of a plurality of individual membranes which are movably connected to one another is formed.
  • One or more flexible conductor tracks 2 are connected flatly and firmly to the membrane 1 in such a way that the direction of the conductor tracks 2 is orthogonal or almost orthogonal to the folding or bending axes 5.
  • the conductor tracks 2 attached in this way are electrically connected in parallel.
  • FIG. 2b shows the arrangement shown in FIG. 2a when a current I flows through the conductor tracks 2.
  • the external magnetic field B of the magnetic resonance tomograph transmits a deforming force on the conductor tracks 2, the orientation of which is determined by the direction of the current flowing through.
  • a ladder arrangement as described has the effect that the air pockets on one side of the folded or corrugated membrane 1 are narrowed, while the air pockets on the other side of the folded membrane 1 are expanded.
  • a hearing-frequency current leads to a simultaneous and common opening and closing of the air pockets on both sides of the folded or corrugated membrane 1. The pressure fluctuations caused by these movements within the swept air volume are emitted as sound waves on both sides perpendicular to the entire membrane range.
  • the efficiency of this arrangement is optimal if the magnetic field B of the magnetic resonance tomograph is oriented perpendicular to the conductor tracks 2. Deviating from this geometry, whether due to curvature or twisting of the entire arrangement or of parts thereof, reduces the effectiveness degree of efficiency, but without questioning the functionality.
  • 3a shows the effective part of an exemplary embodiment (without holder) in which the membrane 1 is arranged in one or more folds or waves along an axis orthogonal or almost orthogonal to the magnetic field B of the magnetic resonance tomograph, or a corresponding arrangement by several individual membranes which are movably connected to one another are formed.
  • One or more conductors serving as supply lines 2b are connected flatly and firmly to the membrane 1 in such a way that the direction of the conductors is orthogonal or almost orthogonal to the folding or bending axes.
  • one or more conductor tracks 2a are connected flatly and firmly to the membrane 1 parallel or almost parallel to the folding axis and thus orthogonally or almost orthogonally to the direction of the magnetic field B of the magnetic resonance tomograph.
  • the conductor tracks 2a are electrically connected in parallel with the leads 2b on both sides of the air pocket formed by the membrane 1. The current must be supplied in such a way that one and the same electrical current flows through the conductor tracks 2a on opposite sides of the air pocket in the opposite orientation.
  • a plurality of conductor tracks 2a are interconnected to form conductor track blocks 6 by means of leads 2b.
  • FIG. 3b shows such an arrangement when a current I flows through.
  • a force imparted by the magnetic field B when the current flows through the conductor tracks 2 causes the air pocket formed by the folded membrane 1 to be widened or narrowed.
  • a hearing frequency current causes within the swept air volumens a pressure fluctuation in the same direction, which is emitted as a sound wave.
  • FIGS. 3a and 3b enable a large-area and eddy current-free drive of the membrane 1 by the application of several parallel effective conductor tracks 2a. If one takes into account the large spatial expansion of the magnetic field B of the magnetic resonance tomograph compared to the dimensions of a transducer, this makes it possible to design a transducer with an additionally increased efficiency, since the efficiency-determining ratio of air pocket width a to air pocket depth b (see FIG. 3 c) can be reduced by increasing the depth b.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt einen akustischen Wandler für Breitband-Lautsprecher oder magnetlose, elektrodynamische Kopfhörer zur Schallerzeugung, insbesondere zur Verwendung im homogenen und/oder inhomogenen Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen.Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass Schall mit definierten Eigenschaften in hoher Qualität und mit hohem Wirkungsgrad innerhalb des starken Magnetfeldes eines Magnetresonztomographen erzeugt werden kann. Dies umfasst neben Musik und Sprache auch die Erzeugung von Schall zur aktiven Lärmbekämpfung, indem die Schallerzeugung durch eine oder mehrere, Lufttaschen bildende Membranen (1) erfolgt, wobei die Membranen (1) aus elastischem, nicht magnetischem oder schwach magnetischem Material bestehen und flächig und fest mit Leiterbahnen (2) verbunden sind, auf die bei Stromfluss eine Lorentz-Kraft, vermittelt durch das Magnetfeld des Magnetresonanztomographen, als Antriebskraft wirkt.

Description

Akustischer Wandler für Breitband-Lautsprecher oder
Kopfhörer
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen akustischen Wandler für Breitband-LautS recher oder magnetlose, elektrodynamische Kopfhörer zur Schallerzeugung, insbesondere zur Verwendung im homogenen und/oder inhomogenen Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen.
Die Erzeugung von Schall, insbesondere mit streng definierten Eigenschaften und in hoher Qualität wie z.B. Musik, Sprache und Antischall, ist in Bereichen mit starken Magnetfeldern problematisch, da herkömmliche elektrodynamische Lautsprecher oder in Kopfhörern angeordnete akustische Wandler in solchen Umgebungen starken Kräften ausgesetzt sind und zusätzlich die auf dem starken Magnetfeld beruhende Anwendung stören können. Moderne Methoden der Kernspintomographie zur bildlichen Darstellung von z. B. Hirnleistungs- und Herzfunktionsstörungen sind durch ihre hohen Schallemissionen, denen im niederfrequenten Bereich durch passive Maßnahmen nur unzureichend begegnet werden kann, in Anwendung und klinischer Verbreitung eingeschränkt (Zeitschrift „Bri- tish Journal of Radiology" , Jahrgang 1994, Heft 67, Seiten 413 bis 415; Zeitschrift „Radiology", Jahrgang 1994, Heft 191, Seiten 91 bis 93 in Verbindung mit der „Empfehlung der Strahlenschutzkommission, verabschiedet in der 131. Sitzung am 22. Juni 1995", Seite 17). Auch unterhalb der gesetzlichen Grenzwerte stellen die Schallemissionen eine Reduzierung von Patientenkomfort und Kommunikationsmöglichkeiten und damit der Patien- tensicherheit dar. Aktive Lärmbekämpfung („Antischall") stellt ein aussichtsreiches Verfahren zur Reduzierung der Schallemissionen von MRT-Anlagen dar (Zeitschrift „Radiology" Jahrgang 1989, Heft 173, Seiten 549 bis 550 und Zeitschrift „Proceedings of the Society of Magnetic Resonance" Jahrgang 1995, Heft 2, Seite 1223). Eine wirksame Ξtörgeräuschauslöschung ist für Frequenzen bis etwa 1 kHz aber nur möglich, wenn der Antischallaut- sprecher einen sehr geringen räumlichen Abstand zur Störgeräuschquelle (dem Gradientenrohr innerhalb des MRT-Magneten) hat und der Antischallautsprecher das a- kustische Feld der Störquelle spiegeln kann.
Es ist bisher kein mit Magnetresonanztomographen kompatibler Schallerzeuger beschrieben worden, der diese Forderungen im ausreichenden Maße erfüllt.
Bisher für die Lärmbekämpfung unmittelbar im Tomographen konzipierte Lautsprecher, welche den inhomogenen Anteil des Magnetfeldes zur elektrodynamischen Kopplung ausnutzen, sind bauartbedingt nur bis zu Tonhöhen von ca. 1 kHz geeignet und können zudem nicht im homogenen Bereich des Magnetfeldes installiert werden (DE 197 27 657 Cl) . Anordnungen zur Ausloschung von Schallwellen, basierend auf dem Prinzip der Erzeugung eines um 180° phasenverschobenen Signals, sind vielfach auch außerhalb der Ma- gnetresonanztomographie beschrieben worden (DE 195 28 888 A 1) , können jedoch im Bereich der Magnetresonanz- tomographie aufgrund der dort vorliegenden Gegeben- heiten nicht verwandt werden. Frühere Entwicklungen von Störgeräuschunterdrückungs- systemen in der Magnetresonanztomographie beschränken sich auf die Störgräuschverminderung zur Verbesserung der Patientenüberwachung außerhalb des Magnetresonanz- tomographen, in einem vom Magnetresonanztomographen a- kustisch isolierten Kontrollraum. Hierbei wird zudem kein Antischall erzeugt, sondern ein durch Verwendung geeigneter adaptiver Filter um das Störsignal vermin- dertes Signal mit einem herkömmlichen Lautsprecher innerhalb des magnetf ldfreien Kontrollraumes ausgegeben (EP 0 655 730 AI) .
Ein zur Verwendung innerhalb des homogenen Teils des Magnetfeldes eines Magnetresonanztomographen geeigneter elektrodynamischer Lautsprecher ohne eigenen Magneten unter Verwendung ferromagnetischer Feldinhomogenisierer sowie von Schlauchleitersystemen zur Weiterleitung des erzeugten Schalls ist bereits beschrieben worden (US 005 450 499 A) . Dieser liefert jedoch aufgrund des verwendeten Schlauchleitersystems weder die zur Erzeugung von Antischall erforderlichen Schalldrücke über das benötigte Frequenzband in definierter Phasenlage, noch erlaubt die Verwendung von wesentlichen ferromagneti- sehen Bauteilen die unbedingt zu fordernde gefahrlose Handhabung in von Magnetfeldern durchdrungenen Räumen. Desweiteren entstehen bei Verwendung ferromagnetischer Bauteile innerhalb des ursprünglich homogenen Teils des Magnetfeldes durch die lokale Erzeugung nichtdefinier- ter Magnetfeldinhomogenitäten Interferenzen mit der Bildgebung .
Das auch der Erfindung zugrunde liegende Verdrängerprinzip wurde bereits an anderer Stelle beschrieben, insbesondere die Verringerung der wirksamen Masse durch Ausbildung von Lufttaschen (DE 2003 950, US 4039044, US 4160883) . Die wirksame Masse wird durch den Einsatz einer Membran, welche geeignet angetrieben wird und die in den ausgebildeten Lufttaschen vorhandene Luft ver- drängt, vermindert. Das angestrebte große Verhältnis von Breite zu Tiefe der Lufttaschen wird hierbei durch die relativ geringe räumliche Ausdehnung des Magnetfeldes begrenzt .
Neuere Lösungen betreffen die nähere Ausgestaltung der Membranen und der Magnete, benutzen jedoch sämtlichst eigene Magnete in Form von Polschuhen oder ähnlichem (US 591 28 63) , ohne das Problem der räumlichen Ausdehnung und Erzeugung des Magnetfeldes zu lösen.
Ein wesentliches Ziel der Erfindung ist es, die Lärmbelästigung durch die MRT-Anlage während der Untersuchung zu reduzieren. Die Geräuschdammung mit passiven Systemen (z.B.: Ohrstöpseln) ist psychoakustisch unwirksam, da das Gehör im vergleichbarem Masse zur erreichten Dämpfung empfindlicher reagiert. Aktive Systeme, bestehend aus Kopfhörersystem und Schallschutzkapseln, realisieren gleiche Dämpfung und keine psychoakustische EffektSchwächung - im Gegenteil, laute Musik senkt die Empfindlichkeit („Noise-Covering" , Effektverstärkung) und die Kommunikationsmöglichkeit mit Musik wird als angenehm empfunden und erhöht den Komfort und senkt die Abbrecherquote und der Patient verliert beim Musikhören das Zeitgefühl nicht .
Kombinierte Systeme aus Schallschutzkapseln und Kopfhörersystemen sind in der MRT bekannt und beschrieben. Es gibt verschiedene Systeme mit spezifischen Vor- und Nachteilen, beschrieben ist beispielsweise ein modifi- zierter Konuslautsprecher ohne eigenen Magneten als Kopf δrersystem. Dieses System ist robust und preiswert, es ist jedoch nicht fähig, tiefe Töne (unter 300 Hz) zu übertragen. Auch Systeme mit Piezo-Lautsprechern sind beschrieben, für diese Kombinationen gilt das oben gesagte, nur liegt hier die untere Grenzfrequenz noch höher (Bauart bedingt bei 500-800 Hz) . Kombinationen mit elektrostatischen Kopfhörern sind ebenso beschrieben und kommerziell erhältlich. Diese Systeme weisen einen Frequenzgang auf, der ausreichend tief hinab reicht - ihre akustischen Eigenschaften sind sehr gut. Sie habe jedoch mehrere Nachteile. Insbesondere sind sie teuer, die Schalldämmung der Kapselgehörschützer wird stark reduziert, da die grosse Membran keine Dämmmaterialien auf der Ohr zugewandten Seite mehr zulässt und sie sind Sicherheitstechnisch sehr problematisch. Die Kombination aus Kopf örersystem (Kapazität) und Kabel (Induktivität) kann im Falle von Beschädigung einen Schwingkreis darstellen, der Hochfrequenzenergie des MRT-Senders aufnimmt. Das System würde bei den üblichen Sendeleistungen möglicherweise schnell sehr heiss und es besteht die Gefahr von Verbrennungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen akustischen Wandler für Breitbandlautsprecher oder Kopfhörer zu schaffen, welcher im Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen gefahrlos und zuverlässig einsetzbar ist, ohne mit der Bildgebung zu interferieren, hohen Qualitätsanforderungen in einem weiten Frequenzbereich genügt, eine aktive Lärmbekämpfung ermöglicht und ein- fach und preiswert herstellbar sowie in der Realisie- rungsform als Kopfhörer mit einem Kapselgehörschützer kombinierbar ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale im Anspruch 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Der Erfindung in der Realisierungsform als Lautsprecher liegt das Problem zugrunde, dass die hohen Störschall- pegel von MRT-Anlagen durch aktive Lärmbekämpfung wirkungsvoll gesenkt werden können, wenn ein leistungsstarker Antischallerzeuger im Gradientenrohr der MRT- Anlage installiert werden kann. Insbesondere muss hierbei dem Umstand Rechnung getragen werden, dass die Handhabung magnetischer Materialien in heutzutage zur Anwendung gelangenden Magnetfeldflussdichten (1 T bis 3 T im klinischen Betrieb) ein äußerst großes Gefahrenpo- tential darstellt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass Schall mit definierten Eigenschaften in hoher Qualität und mit hohem Wirkungsgrad innerhalb des star- ken Magnetfeldes eines Magnetresonztomographen erzeugt werden kann. Dies umfasst neben Musik und Sprache auch die Erzeugung von Schall zur aktiven Lärmbekämpfung, wie sie mit Schlauchleitersystemen nicht und anderen elektrodynamischen Wandlern nur im inhomogenen Bereich des Magnetfeldes und in geringerer Qualität geleistet werden kann.
Die Vorteile von Faltmembranen werden besonders gut genutzt, wenn es gelingt, ein ausreichend grosses, aus- reichend starkes und homogenes Magnetfeld, wie das eines Kernspintomografen, um die Membran herum aufzubauen.
Die Montage von Lautsprechern kann an beliebigen Stel- len innerhalb des Magnetresonanztomographen und damit gemäß dem jeweiligen Zweck optimal angepasst erfolgen. Für den Einsatz als Antischallautsprecher ist dieser Aspekt wesentlich. Der Lautsprecher verfügt über ein breites Frequenzband und es können insbesondere Töne oberhalb einer Frequenz von 1 kHz erzeugt werden. Gleichzeitig stellt das angewandte Prinzip eines gleichmäßig und uniform auf sämtliche Teile der Laut- sprechermembran wirkenden Antriebes sicher, dass die bei konventionellem, lokalem Konus-Antrieb auftretenden Biegeschwingungen und Verzerrungen nicht auftreten.
Der Einsatz im Magnetresonanztomographen ermöglicht aufgrund des im Vergleich zu praktischen Abmessungen des Lautsprechers räumlich weiter ausgedehnten Magnetfeldes eine praktisch beliebig ausgedehnte Membran. Die hierdurch mögliche äußerst geringe wirksame Masse führt zu hohem Wirkungsgrad und einem über weite Frequenzbereiche gleichmäßigen Übertraglingsverhalten. Gleichzeitig ergibt sich durch den Einsatz einer großen Membranfläche die Möglichkeit zur effektiven Erzeugung von tiefen Tönen.
Im Magnetresonanztomografen kann ein bisher unerreicht grosses Verhältnis von Faltentiefe zu Faltenhδhe realisiert werden. Die wirksame Masse der Lautsprechermemb- ran wird dadurch sehr gering. So wird z.B. bei einer Faltentiefe von 200mm und einer Faltenhöhe von 10mm die wirksame Masse der Membran gegenüber der tatsächlichen Masse um den Faktor 420 verringert. Dies bedeutet wiederum, dass die akustische Steifigkeit der Membran sehr hoch und nahezu unabhängig von ihren mechanischen Eigenschaften wird. Das ermöglicht verzerrungsfreie Schallabstrahlung auch bei hohen Schalldrücken. Der Wirkungsgrad des Schallerzeugung wird ebenfalls erhöht, da die Verluste durch positive und negative Beschleuni- gung der wirksamen Membranmasse gering sind. Gemäß der Erfindung kann auch bei Kopfhörern ein bisher unerreicht grosses Verhältnis von Faltentiefe zu Faltenhöhe realisiert werden. Die wirksame Masse der Wand- lermembran wird auch hier dadurch sehr gering und die akustische Steifigkeit der Membran sehr hoch und nahezu unabhängig von ihren mechanischen Eigenschaften.
Eine grosse Faltenfläche ermöglicht das Aufbringen vie- 1er parallel angeordneter, elektrisch leitender Elemente, vorzugsweise flacher Drähte. Die leitenden Elemente sind auch elektrisch parallel geschaltet und ergeben so einen sehr geringen ohmschen Widerstand der Anordnung. Die elektrischen Verluste werden dadurch minimiert und es kommt zu keiner Wärmeentwicklung in den einzelnen Elementen. Die Betriebssicherheit und die Lebensdauer des Schallerzeugers werden dadurch erheblich vergrös- sert . Weiterhin hat die Anordnung gegenüber den beschriebenen Metallbändern (DE 2003 950) den Vorteil, dass durch die bei der Bildgebung von einem Kernspintomographen erzeugten starken magnetischen Wechselfelder mit einer Frequenz bis zu 1500 Hz nur sehr geringe Wirbelströme in den leitenden Elementen erzeugt werden können. Dies verhindert wiederum eine Erwärmung der leitenden Elemente und hat insbesondere keine störenden Einflüsse auf die magnetischen Gradientenfelder des Kernspintomografen .
Die für akustische Wandler untypisch grossen Magnetfeldstärken (bis 3T) eines Kernspintomografen vermit- teln schon bei geringen, hδrfrequenten Strömen durch die elektrisch leitenden Elemente eine grosse Antriebskraft (Lorentzkraft) auf die fest mit ihnen verbundene Membran. Dies ermöglicht eine wirksame Schallabstrahlung schon bei kleinen Stromstärken. Die von diesen Strömen erzeugten Magnetfelder sind entsprechend gering und beeinträchtigen die Homogenität des Hauptfeldes nicht, dass heisst, sie haben keinen störenden Ein- fluss auf die Bildgebung.
Der vollständige Verzicht auf ferromagnetische Materialien ermöglicht die unter allen Umständen sichere Handhabung des Antischallautsprechers. Anderenfalls können ferromagnetische Teile geschoßartig in Richtung des Zentrums des permanenten Magnetfeldes beschleunigt wer- den. Es sind keinerlei Sicherungsmaßnahmen zur Beherrschung von ferromagnetischen Kräften in der Nähe von MRT-Magneten erforderlich.
Einige Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. la eine gefaltete Membran mit parallel zu den Faltachsen verlaufenden in Reihe geschalteten Leiterbahnen,
Fig . lb die Veränderung der Membran gemäß Fig . la bei Durchfluß eines Stromes durch die Lei- terbahnen,
Fig. 2a eine gefaltete Membran mit orthogonal zu den Faltachsen verlaufenden parallelgeschalteten Leiterbahnen,
Fig. 2b die Veränderung der Membran gemäß Fig. 2a bei Durchfluß eines Stromes durch die Leiterbahnen,
Fig. 3a eine Membran mit einem Leiterbahnenblock, Fig. 3b die Veränderung der Membran gemäß Fig. 3a bei Durchfluß eines Stromes durch die Leiterbahnen,
Fig. 3c eine Darstellung des Verhältnisses von Lufttaschenweite zu Lufttaschentiefe.
Fig. la zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel, bei welchem die Membran 1, bestehend aus elastischem, nicht oder nur schwach magnetischem Material, z.B. Papier, Vlies oder Kunststoff entlang einer zum Magnetfeld B des Magnetresonanztomographens orthogonalen oder nahezu orthogonalen Achse in eine oder mehrere Falten oder Wellen angeordnet ist, bzw. eine entsprechende Anordnung durch mehrere beweglich miteinander verbundene Einzelmembranen gebildet wird. Entlang der solcherart durch die Flächen 4 gebildeten Lufttaschen werden beiderseits jeweils eine oder mehrere Leiterbahnen 2 flä- chig und fest derart mit der Membran 1 verbunden, dass die Richtung der Leiterbahnen parallel oder nahezu parallel zu den Falt- bzw. Biegeachsen verläuft. Die Leiterbahnen 2 werden untereinander derart durch elektrische Verbindungen 3 miteinander verschaltet, dass die Leiterbahnen 2 an einander gegenüberliegenden Flächen 4 einer Lufttasche von ein und demselben elektrischen Strom in entgegengesetzter Orientierung durchflössen werden. Fig. lb zeigt die in Fig. la dargestellte Anordnung bei Durchfluss eines Stromes I durch die Leiterbahnen 2. Das äußere Magnetfeld B des Magnetresonanztomographen vermittelt eine auslenkende Kraft auf die Leiterbahnen 2, dessen Orientierung durch die Richtung des durch- fliessenden Stromes bestimmt wird. Eine Leiteranordnung wie beschrieben bewirkt, daß die Lufttaschen auf einer Seite der gefalteten bzw. gewellten Membranfläche 4 durch sich auf einander zu bewegende Leiterbahnen 2 verengt werden, während die auf der anderen Seite der gefalteten Membran befindlichen Lufttaschen geweitet werden. Ein hörfrequenter Strom führt zu einem gleichsinnigen und gemeinsamen Öffnen bzw. Schließen der Lufttaschen auf beiden Seiten der gefalteten bzw. gewellten Membran 1. Die durch diese Bewegungen hervorgerufenen Druckschwankungen innerhalb des überstrichenen Luftvolumens werden als Schallwelle beidseitig senkrecht zur Membrangesamtfläche abgestrahlt. Der Wirkungsgrad dieser Anordnung ist optimal, wenn das Magnetfeld B des Magnetresonanztomographen senkrecht zur gefalteten bzw. gewellten Membrangesamtfläche orien- tiert ist. Ein Abweichen von dieser Geometrie, sei es durch Krümmung oder Verdrehung der gesamten Anordnung oder von Teilen hiervon verringert den Wirkungsgrad, ohne jedoch die Funktionsfähigkeit in Frage zu stellen.
Für Kopfhörer ist ein Abweichen von dieser Geometrie, sei es durch Krümmung oder Verdrehung der gesamten Anordnung oder von Teilen hiervon sinnvoll. Der Wirkungsgrad der Schallerzeugung wird verringert und somit die abgestrahlte Schallenergie auf für Kopfhörer übliche und gefahrlose Werte reduziert. Der Kopfhörer kann dann mit einer elektrischen Leistung betrieben werden, wie sie üblicherweise von Kopfhörerausgängen von Audiogeräten zur Verfügung gestellt wird. Die Membran wird in den Kapselgehörschützer so einge- setzt, dass sie beim Tragen fast parallel zum Hauptfeld des Kernspintomografen ausgerichtet ist. Der verbleibende Platz im Kapselgehörschützer wird mit akustischem Dämmmaterial gefüllt, so dass die passive Dämpfung erhalten bleibt. Fig. 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Membran 1, entlang einer zum Magnetfeld B des Magnetre- sonanztomographens parallelen oder nahezu parallelen Achse in eine oder mehrere Falten oder Wellen angeord- net ist, bzw. eine entsprechende Anordnung durch mehrere beweglich miteinander verbundene Einzelmembranen gebildet wird. Eine oder mehrere flexible Leiterbahnen 2 werden flächig und fest derart mit der Membran 1 verbunden, dass die Richtung der Leiterbahnen 2 orthogonal oder nahezu orthogonal zu den Falt- bzw. Biegeachsen 5 verläuft. Die solcherart angebrachten Leiterbahnen 2 werden elektrisch parallel geschaltet.
Fig. 2b zeigt die in Fig. 2a dargestellte Anordnung bei Durchfluss eines Stromes I durch die Leiterbahnen 2. Das äußere Magnetfeld B des Magnetresonanztomographen vermittelt eine deformierende Kraft auf die Leiterbahnen 2, deren Orientierung durch die Richtung des durch- fliessenden Stromes bestimmt wird. Eine Leiteranordnung wie beschrieben bewirkt, daß die Lufttaschen auf einer Seite der gefalteten bzw. gewellten Membran 1 verengt werden, während die auf der anderen Seite der gefalteten Membran 1 befindlichen Lufttaschen geweitet werden. Ein horfrequenter Strom führt zu einem gleichsinnigen und gemeinsamen Öffnen bzw. Schließen der Lufttaschen auf beiden Seiten der gefalteten bzw. gewellten Membran 1. Die durch diese Bewegungen hervorgerufenen Druckschwankungen innerhalb des überstrichenen Luftvolumens werden als Schallwelle beidseitig senkrecht zur Memb- rangesamtflache abgestrahlt. Der Wirkungsgrad dieser Anordnung ist optimal, wenn das Magnetfeld B des Magnetresonanztomographen senkrecht zu den Leiterbahnen 2 orientiert ist. Ein Abweichen von dieser Geometrie, sei es durch Krümmung oder Verdrehung der gesamten An- Ordnung oder von Teilen hiervon verringert den Wir- kungsgrad, ohne jedoch die Funktionsfähigkeit in Frage zu stellen.
Fig. 3a zeigt den wirksamen Teil eines Ausführungsbei- spiels (ohne Halterung) , bei welchem die Membran 1 entlang einer zum Magnetfeld B des Magnetresonanztomographen orthogonalen oder nahezu orthogonalen Achse in eine oder mehrere Falten oder Wellen angeordnet ist, bzw. eine entsprechende Anordnung durch mehrere beweg- lieh miteinander verbundene Einzelmembranen gebildet wird. Eine oder mehrere als Zuleitungen 2b dienende Leiter werden flächig und fest derart mit der Membran 1 verbunden, dass die Richtung der Leiter orthogonal oder nahezu orthogonal zu den Falt- bzw. Biegeachsen ver- läuft. Zusätzlich werden parallel oder nahezu parallel zur Faltachse und damit orthogonal oder nahezu orthogonal zur Richtung des Magnetfeldes B des Magnetresonanz- tomographen eine oder mehrere Leiterbahnen 2a flächig und fest mit der Membran 1 verbunden. Die Leiterbahnen 2a werden mit den Zuleitungen 2b auf beiden Seiten der durch die Membran 1 gebildeten Lufttasche elektrisch parallel geschaltet. Die Stromzufuhr hat derart zu erfolgen, dass ein und derselbe elektrische Strom die Leiterbahnen 2a auf gegenüberliegenden Seiten der Luft- tasche in entgegengesetzter Orientierung durchfließt.
Mehrere Leiterbahnen 2a sind mittels Zuleitungen 2b zu Leiterbahnblδcken 6 zusammengeschaltet .
Fig. 3b stellt eine solche Anordnung bei Durchfluss eines Stromes I dar. Eine bei Stromdurchfluss durch die Leiterbahnen 2 vom Magnetfeld B vermittelte Kraft bewirkt, dass die durch die gefaltete Membran 1 gebildete Lufttasche geweitet bzw. verengt wird. Ein hörfrequen- ter Strom verursacht innerhalb des überstrichenen Luft- volumens eine gleichsinnige Druckschwankung, welche als Schallwelle abgestrahlt wird.
Die in Fig. 3a und 3b dargestellte Anordnung ermöglicht durch die Aufbringung mehrerer paralleler wirksamer Leiterbahnen 2a einen großflächigen und wirbelstrom- freien Antrieb der Membran 1. Berücksichtigt man die im Vergleich zu den Abmessungen eines Wandlers große räumliche Ausdehnung des Magnetfeldes B des Magnetresonanz- tomographen, so ist die Ausführung eines Wandlers mit zusätzlich erhöhtem Wirkungsgrad möglich, da das Wirkungsgrad bestimmende Verhältnis von Lufttaschenweite a zu Lufttaschentiefe b (s. Fig. 3c) durch Vergrößerung der Tiefe b gesenkt werden kann.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele . Vielmehr ist es möglich, durch geeignete Kombination der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisie- ren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Akustischer Wandler für Breitband-Lautsprecher oder Kopfhörer zur Schallerzeugung und zur Verwendung im homogenen und/oder inhomogenen Magnetfeld eines
Magnetresonanztomografen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallerzeugung durch eine oder mehrere, Lufttaschen bildende Membranen (1) erfolgt, wobei die Membranen (1) aus elastischem, nicht magnetischem oder schwach magnetischem Material bestehen und flächig und fest mit Leiterbahnen 2 verbunden sind, auf die bei Stromfluss eine Lorentz-Kraft , vermittelt durch das Magnetfeld des Magnet - resonanztomographen, als Antriebskraft wirkt.
2. Akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufttaschen durch Flächen (4) der Membranen (1) gebildet werden und die Flächen (4) durch Falt- o- der Biegeachsen (5) begrenzt werden.
3. Akustischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (2) parallel zu den Falt- oder Biegeachsen (5) verlaufen und elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Akustischer Wandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Leiterbahnen (2a) mittels Zuleitungen (2b) zu einem Leiterbahnenblock (6) zusammengeschaltet sind und die Leiterbahnblöcke (6) parallel zu den Falt- oder Biegeachsen (5) verlaufen.
5. Akustischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (2) orthogonal oder nahezu orthogonal zu den Falt- oder Biegeachsen (5) verlaufen.
6. Akustischer Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Leiterbahnen (2) elektrisch parallel geschaltet sind.
7. Akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung des Wirkungsgrades zwei oder mehrere Membranen 1 derart angeordnet sind, daß eine gegensinnig gerichtete Auslenkung die Verdrängung eines größeren Luftvolumens realisiert.
8. Akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Auffaltung einer oder mehrerer Membranen 1 sowie durch Befestigung der Leiterbahnen 2 entlang der Flächen 4 der Stromfluss durch die Leiterbahnen 2 in wechselseitig entgegengesetzter Orientierung erfolgt .
9. Akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch kompensatorische Anordnung der Leiterbahnen 2 das in der Umgebung des Lautsprechers aufgebaute zusätzliche magnetische Feld minimiert wird.
10. Akustischer Wandler in Realisierungsform als Laut- Sprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Auskleidung der Innenwände des Tomographen mit Falzen (Volumenlautsprecher) ausgebildet ist.
11. Akustischer Wandler in Realisierungsform als Lautsprecher nach Anspruch 1 zur Verwendung als Antischall-Lautsprecher .
12. Akustischer Wandler in Realisierungsform als Lautsprecher nach Anspruch 1 zur Verwendung innerhalb des im Magnetresonanztomographen angeordneten Teils einer Gegensprechanlage .
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