DE3120611A1 - Device for radiating and for receiving focused ultrasonic waves - Google Patents
Device for radiating and for receiving focused ultrasonic wavesInfo
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Abstract
Description
Vorrichtung zur Abstrahlung und zum Em- Device for radiation and em-
pfang fokussierter Ultraschallwellen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abstrahlung und zum Empfang fokussierter Ultraschallwellen, bestehend im wesentlichen aus einem piezoelektrischen Ultraschallwandlersystem und einer Linse. Focused Ultrasonic Wave Capture The invention relates to a Device for emitting and receiving focused ultrasonic waves, consisting of essentially consisting of a piezoelectric ultrasonic transducer system and a lens.
Ultraschallwellen lassen sich ebenso wie jede andere Wellenart fokussieren. Bei Arbeitsfrequenzen zwischen 0,5 und 5 MHz liegen die entsprechenden Wellenlängen z.B. in Flüssigkeiten (Wasser) zwischen 3 und 0,3 mm und in Festkörpern (Stahl) zwischen 10 und 1 mm. Man erreicht damit Brennfleckdurchmesser im Millimeterbereich. Der Vorteil fokussierter Strahlung liegt bei typischen Anwendungen in der Diagnostik und der Defektoskopie im besseren Auflösungsvermögen und gesteigerter Empfindlichkeit und bei Anwendung in der Therapie, in der Möglichkeit tiefliegende kranke Gewebebereiche lokal und unter Schonung des gesamten Umfeldes zu behandeln.Ultrasonic waves can be focused just like any other type of wave. The corresponding wavelengths are at working frequencies between 0.5 and 5 MHz e.g. in liquids (water) between 3 and 0.3 mm and in solids (steel) between 10 and 1 mm. This achieves focal spot diameters in the millimeter range. The advantage of focused radiation lies in typical diagnostic applications and defectoscopy with better resolution and increased sensitivity and when used in therapy, in the Possibility of deep-seated Treat diseased tissue areas locally and with care for the entire environment.
Zur Fokussierung von Ultraschallwellen sind neben sphärischen und zylindrischen Hohlspiegeln Hohlschwinger verschiedenster Geometrie sowie Flüssigkeits- und Feststofflinsen bekannt. Daneben existieren Wandler mit synthetischer Apertur, bei denen die Fokussierung mit entsprechenden elektronischen Mitteln erfolgt. Alle bekannten Einrichtungen haben den Nachteil, daß eine gezielte Brennpunktvariation sowohl in lateraler als auch in axialer Richtung nicht möglich bzw.For focusing ultrasonic waves are in addition to spherical and cylindrical concave mirrors hollow oscillators of various geometries as well as liquid and solid lenses are known. There are also converters with a synthetic aperture, in which the focusing takes place with appropriate electronic means. All known devices have the disadvantage that a specific focus variation not possible or not possible in both the lateral and the axial direction
relativ aufwendig ist. Eine solche Maßnahme ist jedoch in den relevanten Anwendungsgebieten im Hinblick auf die gezielte Bereichserfassung sehr wesentlich.is relatively expensive. However, such a measure is relevant in the Areas of application with regard to the targeted area coverage are very important.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein fokussierendes Ultraschallwandlersystem zu entwickeln, mit dem der zu untersuchende bzw. zu behandelnde Bereich ohne großen technischen Aufwand gezielt abtastbar ist.The present invention is therefore based on the object of a focusing To develop ultrasonic transducer system with which the to be examined or treated Area can be scanned in a targeted manner without great technical effort.
Eine solche Vorrichtung sollte in allen in Frage kommepden Gebieten der Medizin und Biologie sowie der Materialprüfung einsetzbar und möglichst so konstruiert sein, daß das Wandlersystem austauschbar ist.Such a device should be used in all areas in question can be used in medicine and biology as well as material testing and, if possible, designed in this way be that the transducer system is replaceable.
Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art lösen läßt, in der das Ultraschallwandlersystem aus einem scheibenförmigen Planschwinger besteht, vor dem eine Flüssigkeitskammer mit einer ersten Flüssigkeit angeordnet ist, in der sich eine, zwischen zwei elastischen, schalldurchlässigen Membranen eingeschlossene zweite Flüssigkeit befindet, deren Schallgeschwindigkeit sich von der Schallgeschwindigkeit der ersten Flüssigkeit unterscheidet, so daß eine Flüssigkeitslinse gebildet wird, und daß die Brennweite der Flüssigkeitslinse durch Änderung des Volumens der zweiten Flüssigkeit variierbar und/oder der-Brennpunkt in der Brennebene mechanisch verschiebbar ist. Weitere Abbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 erläutert.It has now been shown that this task with a device can solve the type mentioned, in which the ultrasonic transducer system from a disk-shaped plan oscillator consists, in front of which a liquid chamber with a first liquid is arranged, in which one, between two elastic, sound-permeable membranes enclosed second liquid is located, their The speed of sound differs from the speed of sound of the first liquid differs so that a liquid lens is formed and that the focal length of the liquid lens by changing the volume of the second liquid variable and / or the focal point is mechanically displaceable in the focal plane. More pictures of the device according to the invention are explained in the subclaims 2 to 8.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl in der medizinischen Diagnostik, z.B. zur Ortung von Tumoren, Nierensteinen o.ä. als auch in der Therapie, z.B. zur lokalen Hypertermiebehandlung eingesetzt werden. Der wesentliche Vorteil auf diesen Gebieten im Vergleich zu den bisher bekannten Vorrichtungen dieser Art liegt darin, daß der fokussierende Wandler in einfacher Weise an handelsübliche Therapie-oder Diagnostikgeräte, bzw. Materialprüfgeräte angepaßt werden kann. Dadurch läßt sich ein relativ großes Volumengebiet unter beträchtlichem Gewinn für das Nutzpegel-Störpegel-Verhältnis automatisch abtasten bzw. einen beliebigen Volumenbereich möglichst schonend und gezielt therapieren.The device according to the invention can be used both in the medical Diagnostics, e.g. to locate tumors, kidney stones or the like as well as in therapy, e.g. used for local hypertermia treatment. The main advantage in these areas compared to the previously known devices of this type is that the focusing transducer in a simple manner to commercially available Therapy or diagnostic devices or material testing devices can be adapted. Through this a relatively large volume area can be obtained with considerable gain for the useful level / interference level ratio automatically scan or any volume area as gently and as possible give targeted therapy.
Die Erfindung wird anhand beiliegender, lediglich einen Ausführungsweg darstellender Zeichnungen näher erläutert.The invention is based on the enclosed, only one embodiment Illustrative drawings explained in more detail.
Es zeigt in schematischer Vereinfachung Figur 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der der Brennpunkt in der Brennebene linear bzw. azimutal verschiebbar und die Brennweite variierbar ist, Figur 2 in Draufsicht die Lagerung des Ultraschallwandlersystems zur Erzielung einer linearen bzw. azimutalen Verschiebung des Brennpunktes in der Brennebene und Figur 3 die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung mit Darstellung der Verschiebung des Brennpunktes in der Brennebene.In a schematic simplification, FIG. 1 shows an embodiment of the device according to the invention, in which the focal point in the focal plane is linear or azimuthally displaceable and the focal length can be varied, FIG. 2 in plan view the mounting of the ultrasonic transducer system to achieve a linear or azimuthal Shift of the focal point in the focal plane and FIG. 3 that shown in FIG Device showing the shift of the focal point in the focal plane.
In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung im wesentlichen aus einer Flüssigkeitskammer 1, die eine Flüssigkeitslinse 2 enthält und einem, das Ultraschallwandlersystem 3 umfassenden, mit der Flüssigkeitskammer 1 z.B. durch einen Gewindeverschluß 4 lösbar verbundenen Außengehäuse 5.In the embodiment shown in Figure 1, there is the inventive Device essentially consists of a liquid chamber 1, which has a liquid lens 2 contains and one, the ultrasonic transducer system 3 comprehensive, with the liquid chamber 1, for example, the outer housing 5 releasably connected by a threaded fastener 4.
Die Flüssigkeitslinse 2 wird aus zwei, mehr oder weniger stark sphärisch gekrümmten, elastischen und hydraulisch deformierbaren Membranen 6 gebildet, zwischen denen eine Flüssigkeit, z.B. Frigen, Glycerin oder dergleichen mit Schallgeschwindigkeit c1 ein geschlossen ist. Die Flüssigkeit in der Flüssigkeitskammer 1 besitzt eine davon unterschiedliche Schallgeschwindigkeit c2 und ist vorzugsweise Wasser.The liquid lens 2 is made of two, more or less strongly spherical curved, elastic and hydraulically deformable membranes 6 formed between those a liquid such as frigen, glycerin or the like at the speed of sound c1 is closed. The liquid in the liquid chamber 1 has a of which different speed of sound c2 and is preferably water.
Das Flüssigkeitsvolumen der Linse 2 ist über eine Leitung 7, einen Zylinder 8 mit Kolben, der durch ein Zahnrad mit Übersetzung 9 und einem Motor 10 betrieben wird, variierbar.The liquid volume of the lens 2 is via a line 7, a Cylinder 8 with piston, which is driven by a gear with gear 9 and a motor 10 is operated, variable.
In Abhängigkeit von dem Volumen der Linsenflüssigkeit werden die Membranen 6 mehr oder weniger stark gekrümmt. Aus dem Krümmungsradius r1, r2 der beiden Membranen 6 sowie aus den Schallgeschwindigkeiten c1, -c2 kann die Brennweite f der so gebildeten Flüssigkeitslinse 2 berechnet werden, und zwar nach der Formel 1 ~ c1 1 1 T = ( c ~ 1) > + r bei r1 = r2 r c2 1 2 1 = c1 - 1) 2 r T 2 Bei dieser Ausführungsform ist die Flüssigkeitskammer 1 beidseitig mit zwei, z.B. ca. 50 /um dicken Folien 11 und 12 abgeschlossen, die jeweils seitlich gespannt sind. Die äußere Hälfte der Flüssigkeitskammer 1 zwischen dem Linsensystem 2 und dem zu behandelnden Bereich ist jedoch entbehrlich, wenn die Behandlung im Wasserbad erfolgt. Anderenfalls ist vor der Flüssigkeitslinse 2 die wassergefüllte, mit einer ebenen Folie 11 abgeschlossene Vorkammer, die durch ein geeignetes Koppelmittel, z.B. öl, Wasser oder dergleichai, an den zu beschallenden Körper angekoppelt werden muß.Depending on the volume of the lens fluid, the membranes are 6 more or less strongly curved. From the radius of curvature r1, r2 of the two membranes 6 and from the speeds of sound c1, -c2, the focal length f of the thus formed Liquid lens 2 can be calculated according to the formula 1 ~ c1 1 1 T = ( c ~ 1)> + r at r1 = r2 r c2 1 2 1 = c1 - 1) 2 r T 2 in this embodiment the liquid chamber 1 is covered on both sides with two foils, e.g. about 50 μm thick 11 and 12 completed, each of which are laterally stretched. The outer half the liquid chamber 1 between the lens system 2 and the area to be treated however, it is not necessary if the treatment is carried out in a water bath. Otherwise is in front of the liquid lens 2, the water-filled, closed with a flat film 11 Antechamber, which by a suitable coupling agent, e.g. oil, water or the like, must be coupled to the body to be sonicated.
In dem in Figur 1 dargestellten Fall ist über Spaltöffnungen 13 eine Verbindung zwischen Vor- und Hinterräumen der Flüssigkeitskammer 1 gewährleistet. In der Flüssigkeitskammer 1 ist ferner eine Ausgleichskammer 14 vorgesehen, die bei Volumenänderung der Flüssigkeitslinse 2 für den notwendigen Druckausgleich sorgt und somit eine Wölbung der Folie 11 bei Überdruck verhindert. Zu diesem Zweck ist die Ausgleichskammer 14 mit Luft gefüllt und elastisch abgeschlossen.In the case shown in Figure 1 is a 13 about gap openings Connection between the front and rear spaces of the liquid chamber 1 guaranteed. In the liquid chamber 1, a compensation chamber 14 is also provided, which ensures the necessary pressure equalization when the volume of the liquid lens 2 changes and thus prevents curvature of the film 11 in the event of excess pressure. To that end is the compensation chamber 14 filled with air and closed elastically.
Das piezoelektrische Ultraschallwandlersystem besteht erfindungsgemäß aus einem Planschwinger 3 z.B. mit einer Resonanzfrequenz von 0,5 bis 5 MHz und steht mit der Folie 12 in unmittelbarem oder mittelbarem akustischen Kontakt. Die hintere Hälfte der Flüssigkeitskammer 1 braucht nicht durch eine Membran bzw. Folie abgeschlossen zu werden, wenn der Ultraschallwandler 3 fest installiert und direkt angekoppelt ist. Bei austauschbaren Wandlern sorgt die Folie 12 an die der Wandler wiederum durch ein geeignetes-Koppelmeditm akustisch angekoppelt werden muß, für einen ungehinderten Austausch.The piezoelectric ultrasonic transducer system is made according to the invention from a plane oscillator 3 e.g. with a resonance frequency of 0.5 to 5 MHz and is in direct or indirect acoustic contact with the film 12. the the rear half of the liquid chamber 1 does not need to pass through a membrane or film to be completed when the ultrasonic transducer 3 is permanently installed and direct is coupled. In the case of exchangeable transducers, the film 12 ensures that the transducers again must be acoustically coupled by a suitable coupling medium for an unhindered exchange.
Damit der Planschwinger 3 auch bei Änderung seines Neigungswinkels in Bezug auf die optische Achse der Flüssigkeitslinse 2 straff auf der Folie 12 liegt, ist zur Flüssigkeitskammer 1 hin eine flexible Lagerung 15 vorgesehen. Diese Lagerung 15 besteht z.B. aus einem Faltenbalk aus Metall und bildet einen Teil der seitlichen Wandung der Flüssigkeitskammer 1.So that the plane oscillator 3 also when changing its angle of inclination taut on the film 12 with respect to the optical axis of the liquid lens 2 is, a flexible mounting 15 is provided towards the liquid chamber 1. These Storage 15 consists, for example, of a metal fold bar and forms part of the lateral wall of the liquid chamber 1.
Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform wird der Planschwinger 3 in einem Gehäuse 16 auf dessen n h 2-dicken Bodenplatte 17, z.B. aus Metall, befestigt. Die Unterbringung des Planschwingers 3 in einem solchen Gehäuse 16 erleichtert die Auswechselbarkeit des Ultraschallwandlersystems.In the embodiment shown in Figure 1, the plane oscillator 3 in a housing 16 on its n h 2-thick base plate 17, e.g. made of metal. The accommodation of the plane oscillator 3 in such a housing 16 facilitates this Interchangeability of the ultrasonic transducer system.
Dies ist für eine vielseitige Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erforderlich. So können für Impuls-Echo-Anwendungen, wie sie in der Diagnostik und Defektoskopie vorkommen, zur Erzielung kurzer Impulse bedämpfte und für den Dauer-Betrieb z.B. in der Therapie unbedämpfte kreisscheibenförmige piezoelektrisch angelegte Planschwinger jeweils Verwendung finden.This is for a versatile applicability of the invention Device required. So can for pulse-echo applications like those in the Diagnosis and defectoscopy occur, to achieve short pulses and dampened For continuous operation, e.g. in therapy, undamped circular disk-shaped piezoelectric applied plan oscillators are used.
Zum Auswechseln der Wandler 3 wird das Außengehäuse 5 entweder von der Flüssigkeitskammer 1 ausgekoppelt oder seitlich mit einem Fenster 18 versehen, durch das hindurch eine Manipulation ermöglicht wird.To replace the converter 3, the outer housing 5 is either of the liquid chamber 1 decoupled or laterally provided with a window 18, through which manipulation is made possible.
Damit bei wechselndem Neigungswinkel des Planschwingers 3 bzw. der Bodenplatte 17 der Kontakt mit der Folie 12 nicht verloren geht, wird das Gehäuse 16 bzw. der Planschwinger 3 an der der Flüssigkeitskammer 1 entgegengesetzten Seite über eine gefederte, zentrale, in der Richtung der Flächennormalen verlaufende Stange 19 gelagert. Diese Stange 19 bewegt sich in dem Hohlzylinder 20 in axialer Richtung und die Federung 21 sorgt im Zusammenwirken mit der Elastizität der Lagerelementes 15 für eine straffe Spannung des Planschwingers 3 bzw. der Bodenplatte 17 auf der Folie 12. Die Stange 19 wird auf einer senkrecht zur optischen Achse der Flüssigkeitslinse 2 angeordneten Scheibe 22 in einer radialen Nate 23 exzentrisch verschiebbar gelagert. Diese Lagerung wird in Figur 2 in Draufsicht verdeutlich. Die Verstellung der Stange 19 bzw. deren Auflagepunkt 24 (s. Figur 2) in der Nute 23, wird über ein in die Nute 23 geführtes Stellglied, z.B. eine Schraube 25 erzielt. Eine Federung 26 von der ent- gegengesetzten Seite sorgt dafür, daß der Auflagepunkt 24 der Stange 19 bei zurückgezogenem Stellglied 25 sich in entgegengesetzter Richtung in der Nute 23 bewegt. Diese Hin-und Herbewegung des Auflagepunktes 24 in der Nute 23 ermöglicht eine Veränderung des Neigungswinkels des Planschwingers 3 in Bezug auf die optische Achse der Flüssigkeitslinse 2 und damit eine lineare Verschiebung des Brennpunktes in der Brennebene. Die Verstellung des Stellglieds 24 kann sowohl manuell als auch motorbetrieben erfolgen.Thus with a changing angle of inclination of the plane oscillator 3 or the Base plate 17, the contact with the film 12 is not lost, the housing 16 or the plane oscillator 3 on the side opposite the liquid chamber 1 via a spring-loaded, central rod running in the direction of the surface normal 19 stored. This rod 19 moves in the hollow cylinder 20 in the axial direction and the suspension 21 provides in cooperation with the elasticity of the bearing element 15 for a tight tension of the plane oscillator 3 or the base plate 17 on the Slide 12. The rod 19 is on a perpendicular to the optical axis of the liquid lens 2 arranged disk 22 in a radial hub 23 eccentrically slidably mounted. This storage is illustrated in Figure 2 in plan view. Adjusting the rod 19 or its point of support 24 (see FIG. 2) in the groove 23 is inserted into the Groove 23 guided actuator, for example a screw 25 achieved. A suspension 26 of the opposite side ensures that the support point 24 of the rod 19 when the actuator 25 is retracted in the opposite direction moved in the groove 23. This back and forth movement of the support point 24 in the groove 23 enables the angle of inclination of the plane oscillator 3 to be changed in relation to one another on the optical axis of the liquid lens 2 and thus a linear displacement of the focal point in the focal plane. The adjustment of the actuator 24 can be both manual as well as motorized.
Für eine effektive Abtastung, z.B. bei Defektoskopie, wird erfindungsgemäß der oben beschriebenen linearen Verschiebung des Brennpunktes azimutale Bewegung überlagert. Hierfür wird die Scheibe 22 als eine Drehscheibe ausgebildet, die durch Motor 27 mit Zahnradübersetzung 28 in Rotation versetzt werden kann. Bei festem Auflagepunkt 24 der Stange 19 wird dadurch eine kreisförmige, bei gleichzeitig veränderlichem Auflagepunkt 24 eine spiralförmige Bewegung des Auflagepunktes auf der Drehscheibe erzielt. Erfindungsgemäß kann auch z.B. nur eine lineare oder eine nur kreisförmige Verschiegung bewirkt werden. Die Art der Brennpunktverschiebung wird schematisch in Figur 3 dargestellt.For effective scanning, e.g. during defectoscopy, according to the invention the above-described linear displacement of the focal point azimuthal movement superimposed. For this purpose, the disc 22 is designed as a turntable, which by Motor 27 with gear ratio 28 can be set in rotation. With solid The support point 24 of the rod 19 thereby becomes a circular one that is variable at the same time Support point 24 a spiral movement of the support point on the turntable achieved. According to the invention, for example, only a linear or only circular Concealment can be effected. The type of focus shift becomes schematic shown in Figure 3.
Claims (8)
Priority Applications (3)
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DE19813120611 DE3120611A1 (en) | 1981-05-23 | 1981-05-23 | Device for radiating and for receiving focused ultrasonic waves |
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DE19813120611 DE3120611A1 (en) | 1981-05-23 | 1981-05-23 | Device for radiating and for receiving focused ultrasonic waves |
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Publication Number | Publication Date |
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DE3120611A1 true DE3120611A1 (en) | 1982-12-16 |
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ID=6133084
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Country Status (1)
Country | Link |
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1981
- 1981-05-23 DE DE19813120611 patent/DE3120611A1/en not_active Withdrawn
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