DE19635593C1 - Ultraschallwandler für den diagnostischen und therapeutischen Einsatz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit einer An­ passungsschicht für ein an den Ultraschallwandler angrenzen­ des Ausbreitungsmedium für Ultraschallwellen und einem Ultra­ schallwandlerelement mit einer ersten zwischen der Anpas­ sungsschicht und dem Ultraschallwandlerelement befindlichen und einer zweiten auf der der Anpassungsschicht gegenüberlie­ genden Seite des Ultraschallwandlerelementes angebrachten Elektrode.

Anwendungen des Ultraschalls in der Medizin beispielsweise zur Therapie von gutartigen Prostatahyperplasien erfolgen zu­ meist auf der Basis fokussierter Ultraschallwellen, welche sogenannte HIFU-Quellen (High-Intensity Focused Ultrasound) erzeugen, die ein zu behandelndes pathologisches Gewebe mit fokussierten Ultraschallwellen beaufschlagen und somit erwär­ men. Sofern die auftretenden Temperaturen unterhalb von 45°C liegen, wird der Zellstoffwechsel mit der Folge gestört, daß im Falle von Tumoren eine Verlangsamung des Wachstums oder sogar ein Rückgang des Tumors eintritt. Die Behandlungsart ist als lokale Hyperthermie bekannt. Werden Temperaturen jen­ seits von 45°C erreicht, koaguliert das Zelleiweiß mit der Folge der Nekrotisierung des Gewebes. Letztere Behandlungsart wird als Thermotherapie bezeichnet. Die therapeutischen Ul­ traschallwellen werden dabei von der Ultraschallquelle als Dauerschall oder als Folge von Ultraschall-Bursts abge­ strahlt. Derartige Ultraschallquellen werden in der Regel mit einem geeigneten diagnostischen, bildgebenden System kombi­ niert, wodurch einem Arzt, welcher pathologische Gewebever­ änderungen im Körper eines Patienten behandelt, die Möglich­ keit gegeben wird, das Behandlungsgebiet im Körper des Pati­ enten genau zu lokalisieren und den Therapievorgang mittels fokussierter Ultraschallwellen in Echtzeit zu beobachten bzw. zu kontrollieren und entsprechend zu steuern. Ultra­ schallapplikatoren verfügen daher häufig zusätzlich zu einem Ultraschallwandler oder einem Array von Ultraschallwandlern zur Therapie auch über einen Ultraschallwandler oder ein Ar­ ray von Ultraschallwandlern zur Diagnostik, welche jedoch in der Regel voneinander räumlich getrennte Komponenten des Ul­ traschallapplikators sind und auch separat voneinander be­ trieben werden.

Derzeit verwendete sonographische Verfahren für die Diagno­ stik, d. h. die Bildgebung, des Behandlungsgebietes umfassen z. B. den Sektor Scan mit einem relativ zu dem therapeuti­ schen Ultraschallwandler rotierenden Ultraschallwandler (vgl. "High-Intensity Focused Ultrasound Experimentation on Human Benigh Prostatic Hypertrophy", European Urology, Vol. 23, Suppl. 1, 1993, ISSN 0302-2838, v. A. Gelet, J.Y. Chapelon, J. Margonari, Y. Theillère, F. Gorry, R. Souchon) oder den Linear Scan, bei dem der Diagnostikwandler über dem Behand­ lungsgebiet verschoben wird, wobei als Scan eine beispiels­ weise lineare oder sektorförmige Abtastung mittels Ultra­ schallstrahlen verstanden wird.

Der Einsatz vorstehend beschriebener Ultraschallapplikatoren, welche zwei getrennte Ultraschallsysteme für die Therapie und die Diagnostik aufweisen, ist jedoch auch mit Risiken verbun­ den. Zum einen treten sogenannte Mißweisungen auf, d. h. die Behandlungszone, auf die die therapeutischen Ultraschallwel­ len einwirken, wird bei der Diagnostik häufig nicht exakt ge­ ortet, da aufgrund der unterschiedlichen Einstrahlwinkel der therapeutischen und diagnostischen Ultraschallwellen in das Körpergewebe die Ultraschallwellen verschiedene Wege im Kör­ pergewebe durchlaufen und eine unterschiedliche Brechung der Ultraschallwellen auf den verschiedenen Wegen durch das Kör­ pergewebe auftritt. Zum anderen besteht die Gefahr einer un­ genauen Ausrichtung oder einer falschen Ausrichtung der bei­ den Ultraschallquellen relativ zueinander. In allen diesen Fällen können also fokussierte Ultraschallwellen im Therapie­ betrieb das Therapieziel verfehlen und gesundes Körpergewebe schädigen. Die aufwendige Ausrichtung der beiden Ultraschall­ quellen zueinander sowie die erforderliche mechanische Scan­ vorrichtung für den Diagnostikwandler erschweren und verteu­ ern zudem die Herstellung derartiger Ultraschallapplikatoren.

Neue Entwicklungstendenzen zielen daher auf die Entwicklung von Ultraschallapplikatoren ab, die sowohl für den Empfang als auch für die Erzeugung von Ultraschallwellen in unter­ schiedlichen Frequenzbereichen geeignet sind und die somit in der Medizin für die Diagnostik und die Therapie eingesetzt werden können. Außerdem setzt man heutzutage in der Ultra­ schalltechnik verstärkt auf den Einsatz von linearen Phased-Arrays von Ultraschallwandlern, wie z. B. bei der Behandlung von gutartigen Prostatahyperplasien, bei denen durch eine zeitlich versetzte elektrische Anregung der linear angeordne­ ten Array-Elemente von Ultraschallwandlern eine geschwenkte Wellenfront erzeugt werden kann, so daß eine elektronische Fokussierung der erzeugten Ultraschallwellen in einer Ebene möglich ist.

Ein derartiges lineares Phased-Array der genannten Art, von dem fünf Ultraschallwandler dargestellt sind, ist beispiels­ weise in Fig. 1 gezeigt. Jeder Ultraschallwandler 1 ₁ bis 1 ₅ des Ultraschallarrays weist dabei ein aus einer Piezokeramik gebildetes Ultraschallwandlerelement 2 ₁ bis 2 ₅ und eine bei­ spielsweise aus einem mit Kupferpartikeln versetzten Epoxyd­ harz gebildete λ/4-Anpassungsschicht 3 ₁ bis 3 ₅ an ein an die Ultraschallwandler 1 ₁ bis 1 ₅ angrenzendes akustisches Aus­ breitungsmedium 4, im vorliegenden Fall Wasser, auf. Die Ul­ traschallwandlerelemente 2 ₁ bis 2 ₅ sind jeweils mit zwei Elektroden versehen, nämlich einer zwischen dem Ultraschall­ wandlerelement und der Anpassungsschicht befindlichen Elek­ trode 5 ₁ bis 5 ₅, welche an Masse angeschlossen ist, und einer auf der der Anpassungsschicht gegenüberliegenden Seite ange­ brachten Elektrode 6 ₁ bis 6 ₅, an die zur Ansteuerung jeweils eine gegen Masse gerichtete Spannung U angelegt ist. Das Ul­ traschallarray der Ultraschallwandler 1 ₁ bis 1 ₅ wird außerdem durch eine zwischen dem Ausbreitungsmedium 4 und den Ultra­ schallwandlern 1 ₁ bis 1 ₅ vorhandene Folie 7 vor dem Eindrin­ gen des Ausbreitungsmediums in die zwischen den Ultraschall­ wandlern 1 ₁ bis 1 ₅ vorhandenen Zwischenräume geschützt.

Ein lineares Phased-Array von Ultraschallwandlern eines The­ rapiegerätes zur Ortung und Behandlung einer im Körper eines Lebewesens befindlichen Zone ist beispielsweise aus der DE 43 02 538 C1 bekannt. Der elektroakustische Wandler ist dabei wahlweise im Therapie- oder im Ortungsbetrieb einsetz­ bar.

Bei der Entwicklung von Ultraschallapplikatoren, die sowohl für die Therapie als auch für die Diagnostik geeignet sind, treten aber nun technische Probleme derart auf, daß Ultra­ schallwandler oder Arrays von Ultraschallwandlern für den Diagnostik- und den Therapiebetrieb unterschiedliche akusti­ sche Eigenschaften aufweisen müssen. So ist beispielsweise im Therapiebetrieb eines Ultraschallapplikators eine hohe Reso­ nanzgüte und ein hoher Wirkungsgrad des Ultraschallwandlers bzw. der Arrayelemente des Ultraschallwandlers erforderlich, während bei der Diagnostik, d. h. bei der Bildgebung, eine hohe Bandbreite des Ultraschallwandlers bzw. der Arrayele­ mente des Ultraschallwandlers notwendig ist. Ein weiteres technisches Problem liegt in der Erzeugung unterschiedlicher Ultraschallfrequenzen mit einem einzigen Ultraschallapplika­ tor für den Therapie- und den Diagnostikbetrieb, wobei die derzeit verwendeten Ultraschallfrequenzen für den Therapiebe­ trieb weitgehend in dem Frequenzband zwischen 0,25 und 4 MHz liegen (vgl. "Intense Focused Ultrasound in Medicine", Euro­ pean Urology, Vol. 23, Suppl. 1, 1993, ISSN 0302-2838, v. F. Fry), während für die Sonographie Frequenzen über 5 MHz ver­ wendet werden.

Beim derzeitigen Stand der Technik werden zwei Gruppen von Lösungsprinzipien für Ultraschallapplikatoren, welche im Dia­ gnostik- und im Therapiebetrieb eingesetzt werden können, fa­ vorisiert. In einem Fall handelt es sich um Strukturen von Ultraschallwandlerelementen, die beispielsweise in zweilagi­ ger Ausführung aus piezoelektrischem Material zwei ausgepräg­ te Dickenresonanzen aufweisen und durch gezielte elektrische Anregung in einem ihrer beiden gewünschten Schwingungsmoden im wesentlichen mit der Frequenz einer der beiden Dic­ kenresonanz schwingen (vgl. "A Dual Frequency Ultrasonic Pro­ be for Medical Applications", IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 42, No. 2, 1995, v. S. Saitoh, M. Izumi, Y. Mine, sowie "A novel acoustic de­ sign for dual frequency transducers resulting in separate bandpass for Color Flow Mapping (CFM)", Proc. IEEE Ultraso­ nics Symposium, 1990, S. Fraguier, J. Gelly, L. Wolnerman, O. Lannuzel). Im anderen Fall handelt es sich um verschiedene Ausführungen von Ultraschallwandlern in Form sogenannter Sta­ pelwandler, deren Schichten aus Piezokeramik für das Senden oder Empfangen von Ultraschallwellen verschiedener Frequenzen umpolarisiert (vgl. EP 0 451 984 B1) oder eigenständig ange­ steuert werden müssen (vgl. "Improving the Characteristics of a Transducer Using Multiple Piezoelectric Layers", IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 40, No 2, 1993, v. J. Hossack, B. Auld, sowie "Multiple layer transducers for broadband applications", Proc. IEEE Ul­ trasonics Symposium, 1991, v. J. Hossack, B. Auld).

Ungelöst im Stand der Technik ist noch das Problem der je­ weils optimalen akustischen Anpassung des Ultraschallwand­ lerelementes des Ultraschallwandlers an das an den Ultra­ schallwandler angrenzende Ausbreitungsmedium für Ultraschall­ wellen sowohl für die im Therapie- als auch im Diagnostikbe­ trieb verwendeten Frequenzbereiche. Ebenso verhält es sich mit dem Problem einer möglichst hohen Resonanzgüte der Ultra­ schallwandler im Therapiefall und einer möglichst großen Dämpfung der Ultraschallwellen bei der Diagnostik.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ultra­ schallwandler derart auszubilden, daß er wahlweise zur Ultra­ schalltherapie oder -diagnostik einsetzbar ist und jeweils akustisch an ein an den Ultraschallwandler angrenzendes Aus­ breitungsmedium angepaßt ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen Ul­ traschallwandler für den diagnostischen und therapeutischen Einsatz, welcher wahlweise im Diagnostikbetrieb oder Thera­ piebetrieb Ultraschallwellen unterschiedlicher Wellenlängen erzeugt, wobei die Wellenlänge der Ultraschallwellen im Dia­ gnostikbetrieb geringer als die Wellenlänge der Ultraschall­ wellen im Therapiebetrieb ist, aufweisend eine n × λ/4-Anpas­ sungsschicht für ein an den Ultraschallwandler angrenzendes Ausbreitungsmedium für Ultraschallwellen, wobei n eine unge­ rade Zahl ist, und ein Piezoelektrisches Ultraschallwandler­ element mit einer zwischen der Anpassungsschicht und dem Ul­ traschallwandlerelement befindlichen ersten Elektrode, einer auf der der Anpassungsschicht gegenüberliegenden Seite des Ul­ traschallwandlerelementes angebrachten zweiten Elektrode und einer dritten Elektrode, welche das Ultraschallwandlerelement in einen auf der einen Seite der dritten Elektrode liegenden der Anpassungsschicht benachbarten Bereich und einen auf der anderen Seite der dritten Elektrode liegenden Bereich teilt und einen gemeinsamen Massekontakt für die beiden Bereiche bildet, wobei in Abhängigkeit von der Unterteilung des Ultra­ schallwandlerelementes Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenz für den Diagnostik- und Therapiebetrieb erzeugbar sind, bei deren Erzeugung an den beiden Bereichen im Diagno­ stik- und Therapiebetrieb unterschiedliche elektrische Steu­ ersignale anliegen, und wobei die n × λ/4-Anpassungsschicht sowohl für die Wellenlänge der Ultraschallwellen im Diagno­ stik- als auch im Therapiebetrieb wirksam ist. Durch die Un­ terteilung des Ultraschallwandlerelementes in zwei Bereiche mittels der dritten Elektrode ist also eine getrennte, von­ einander unabhängige elektrische Ansteuerung der beiden Be­ reiche des Ultraschallwandlerelementes wahlweise für einen diagnostischen und therapeutischen Einsatz des Ultraschall­ wandlers möglich und zwar derart, daß die Frequenzen der er­ zeugten akustischen Ultraschallwellen einerseits den Bedürf­ nissen des Therapiebetriebes und andererseits den Bedürfnis­ sen des Or­ tungsbetriebes angepaßt sind, wobei der Ultraschallwandler stets über eine n × λ/4-Anpassungsschicht akustisch an das an den Ultraschallwandler angrenzende Ausbreitungsmedium ange­ paßt ist. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik dar, da die akustische Anpassung des Ultra­ schallwandlers an ein an den Ultraschallwandler angrenzendes Ausbreitungsmedium, welches einen von dem Wellenwiderstand des Ultraschallwandlers unterschiedlichen Wellenwiderstand aufweist, für den möglichst reflexionsfreien Übertritt der Schallenergie von dem Ultraschallwandler auf das Ausbrei­ tungsmedium im Interesse einer zeitsparenden Behandlung eines Patienten und einer möglichst geringen, dem Patienten zuge­ führten Dosis akustischer Energie vor allem im Therapiebe­ trieb von entscheidender Bedeutung ist.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht dabei vor, daß die dritte Elektrode den auf der einen, der Anpassungsschicht benachbarten, zu dem auf der anderen Seite der dritten Elektrode liegenden Bereich des Ultraschallwand­ lerelementes in einem Dickenverhältnis von 1 : 2 teilt. Im The­ rapiebetrieb des Ultraschallwandlers liegen dann an beiden Bereichen des Ultraschallwandlerelementes Steuersignale bzw. Steuerspannungen, vorzugsweise in Form von Sinusbursts an, wobei die an dem auf der einen Seite der dritten Elektrode liegenden Bereich anliegende Steuerspannung bei im wesentli­ chen gleicher Polarisierung der beiden Bereiche im wesentli­ chen gleich -1/2 und bei im wesentlichen entgegengesetzter Polarisierung der beiden Bereiche im wesentlichen gleich +1/2 der an dem auf der anderen Seite der dritten Elektrode lie­ genden Bereich anliegenden Steuerspannung U₁ ist. Auf diese Weise wird ein homogenes elektrisches Feld innerhalb des Ul­ traschallwandlerelementes erzeugt. Der Ultraschallwandler verhält sich in diesem Fall wie ein Dickenschwinger, dessen Dicke im wesentlichen gleich der halben Wellenlänge seiner Grundresonanzfrequenz ist und der im wesentlichen mit der Frequenz seiner Dickenresonanz schwingt und für die Therapie geeignete Ultraschallwellen, d. h. je nach Dicke des Ultra­ schallwandlerelementes Ultraschallwellen mit Frequenzen zwi­ schen 0,25 und 4 MHz, erzeugt.

Gemäß einer Variante der Erfindung ist im Diagnostikbetrieb des Ultraschallwandlers der auf der anderen Seite der dritten Elektrode liegende Bereich mit einem auf die entsprechende Impedanz des auf der anderen Seite der dritten Elektrode lie­ genden Bereiches des Ultraschallwandlerelementes abgestimmten elektrischen Widerstand abgeschlossen, so daß in diesem Be­ reich des Ultraschallwandlerelementes Ultraschallwellen stär­ ker gedämpft werden. Dadurch wird das mechanische Nachschwin­ gen des Ultraschallwandlerelementes nach dem Abschalten des elektrischen Anregungsimpulses bzw. Steuersignales vermin­ dert. Außerdem erhöht sich durch diese Maßnahme die Band­ breite des Ultraschallwandlers. Es liegt dann auch nur noch an dem auf der einen Seite der dritten Elektrode liegenden Bereich eine Steuerspannung an. Da die Dicke des im Diagno­ stikbetrieb mittels entsprechender Steuerspannungen angetrie­ benen, auf der einen Seite der dritten Elektrode liegenden Bereiches, welche das Ultraschallwandlerelement im Verhältnis 1 : 2 teilt, ein Drittel der gesamten Dicke des Ultraschall­ wandlerelementes beträgt, erscheint die Anpassungsschicht nun als 3/4λ-Anpassungsschicht bezüglich der Frequenz der Dicken­ resonanz des auf der einen Seite der dritten Elektrode lie­ genden Bereiches, wodurch das Ultraschallwandlerelement wie­ derum akustisch an das an den Ultraschallwandler angrenzende Ausbreitungsmedium angepaßt ist. Der auf der einen Seite der dritten Elektrode liegende Bereich kann somit mit Steuerspan­ nungen, vorzugsweise in Form von Sinusbursts der dreifachen Frequenz bezüglich der beim Therapiebetrieb verwendeten Steu­ erspannungen betrieben werden.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der auf der einen Seite der dritten Elek­ trode liegende Bereich des Ultraschallwandlerelementes zusam­ men mit der Anpassungsschicht in voneinander unabhängige mit Steuersignalen ansteuerbare Einzelschwinger unterteilt. Vor­ zugsweise handelt es sich dabei um eine Unterteilung in drei voneinander unabhängige Einzelschwinger, welche über ihre er­ ste Elektrode mit Steuerspannungen U₂, U₃ und U₄ ansteuerbar sind. Durch die Unterteilung der Anpassungsschicht und des auf der einen Seite der dritten Elektrode liegenden Bereiches in mehrere Einzelschwinger wird insbesondere das für den Dia­ gnostikbetrieb ungünstige Breiten-Dicken-Verhältnis des auf der einen Seite der dritten Elektrode liegenden Bereiches des Ultraschallwandlerelementes verbessert, so daß der Frequenz­ abstand zwischen Querschwingungs- und Dickenschwingungsmode vergrößert ist und die Gefahr einer unerwünschten Anregung eines parasitären Querschwingungsmodes, welcher das durch ei­ nen gezielt angeregten Dickenschwingungsmode erzeugte Ultra­ schallfeld stören kann, reduziert ist. Ein weiterer Vorteil dieser Unterteilung liegt in dem deutlich geringeren Abstand der Einzelschwinger voneinander (element to element spacing), wodurch die Entstehung von Nebenkeulen in dem erzeugten Ul­ traschallfeld bei der kürzeren Wellenlänge der Ultraschall­ wellen im Diagnostikbetrieb in dem an die Ultraschallwandler angrenzenden Ausbreitungsmedium vermindert wird.

Entsprechend der Unterteilung der Anpassungsschicht und des auf der einen Seite der dritten Elektrode liegenden Bereiches in drei oder gegebenenfalls auch mehr Einzelschwinger liegen nun an den Einzelschwingern im Therapiebetrieb des Ultra­ schallwandlers Steuerspannungen an, welche im Falle von drei Einzelschwingern bei im wesentlichen gleicher Polarisierung der beiden Bereiche im wesentlichen U₂=U₃=U₄=-1/2 U₁ und bei im wesentlichen entgegesetzter Polarisierung der beiden Be­ reiche im wesentlichen U₂=U₃=U₄=+1/2 U₁ sind. Wie im zuvor be­ schriebenen Fall ergibt sich auch bei dieser Ausführungsform des Ultraschallwandlers ein homogenes elektrisches Feld in dem Ultraschallwandlerelement, so daß sich der Ultraschall­ wandler erneut wie ein Dickenschwinger verhält, der mit der Frequenz seiner Dickenresonanz schwingt. Im Diagnostikbetrieb ist der auf der anderen Seite der dritten Elektrode liegende Bereich wieder mit einem auf die entsprechende Impedanz abge­ stimmten elektrischen Widerstand abgeschlossen und es sind nur an die drei Einzelschwinger Steuerspannungen U₂, U₃ und U₄ angelegt.

Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, die Ultra­ schallwandlerelemente auf der der Anpassungsschicht gegen­ überliegenden Seite mit Luft abzuschließen, wodurch der für den Therapiebetrieb des Ultraschallwandlers erforderliche ho­ he Leistungswirkungsgrad im Sinne einer kurzen Behandlungs­ zeit für den Patienten erreicht wird.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das Ultraschall­ wandlerelement aus einer Piezokeramik, nämlich beispielsweise aus Vibrit 420, ausgeführt, welche aufgrund ihrer Materialpa­ rameter sowohl für den Therapie- als auch für den Diagnostik­ betrieb eines Ultraschallwandlers gut geeignet ist. Die An­ passungsschicht des Ultraschallwandlers ist aus einem mit Kupferpartikeln versetzten Epoxydharz gebildet, das bereits in Form einer einzigen Anpassungsschicht eine verhältnismäßig gute Annäherung der Schallimpedanz der Piezokeramik an die des an den Ultraschallwandler angrenzenden Ausbreitungsmedi­ ums bewirkt. Zusätzlich weist das mit Kupferpartikeln ver­ setzte Epoxydharz eine relativ geringe Dämpfung für Ul­ traschallwellen auf und ist gut kühlbar, was innerhalb eines Ultraschallapplikators von großem Vorteil ist.

Eine Variante der Erfindung sieht vor, daß der Ultraschall­ wandler aus zwei Elementen aus Piezokeramik gebildet ist, die mit Kontaktflächen versehen sind und mit ihren Kontaktflächen zur Bildung der dritten Elektrode aneinander anliegen. Auf diese Weise läßt sich die dritte Elektrode des Ultraschall­ wandlerelementes besonders einfach realisieren.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Ultraschallwandler als Sinterkörper ausgebildet ist, wobei die dritte Elektrode im Zuge eines Sintervorganges gebildet ist. Somit sind keine weiteren über den Sintervorgang hinaus­ gehenden Fertigungsschritte für die Bildung der dritten Elek­ trode erforderlich.

Die Unterteilung der Anpassungsschicht und des auf der einen Seite der dritten Elektrode liegenden Bereiches des Ultra­ schallwandlerelementes erfolgt nach einer Variante der Erfin­ dung durch Sägen, wobei jeweils so tief gesägt wird, bis die dritte Elektrode erreicht ist. Das Sägen erfolgt im übrigen vorzugsweise in äquidistanten Schritten, so daß alle derart erzeugten Einzelschwinger des Ultraschallwandlerelementes im wesentlichen die gleiche Breite und den gleichen Abstand von­ einander aufweisen.

Eine besonders bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, daß der Ultraschallwandler fokussierte Ultraschallwellen er­ zeugt, wobei der Ultraschallwandler auch in Form eines eine Vielzahl von Ultraschallwandler enthaltenden Ultraschallar­ rays ausgebildet sein kann. Das Ultraschallarray kann dabei als lineares Array, d. h. mit einer linearen Anordnung einer Vielzahl von Ultraschallwandlern, als Phased-Array, d. h. als eine Anordnung einer Vielzahl von Ultraschallwandlern, welche durch eine zeitlich verzögerte Ansteuerung elektronisch fo­ kussierbare Ultraschallwellen erzeugt, oder in Kombination als lineares Phased-Array betrieben werden. In diesem Falle ist es in an sich bekannter Weise leicht möglich, einerseits im Therapiebetrieb die Wirkzone der therapeutischen akusti­ schen Wellen den jeweiligen Bedürfnissen entsprechend auf elektronischem Wege zu verlagern, und andererseits im Or­ tungsbetrieb ein zu behandelndes Lebewesen mit den diagnosti­ schen akustischen Wellen in der Weise abzutasten, wie dies zur Erstellung eines B-Modus-Ultraschallbildes erforderlich ist.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß zwischen der Anpassungsschicht und dem Ausbreitungsmedium ei­ ne Folie, beispielsweise eine Hostaphan-Abdichtfolie mit ei­ ner Dicke von ca. 20 µm, vorhanden ist, welche das Eindringen des an den Ultraschallwandler oder an das Array von Ul­ traschallwandlern angrenzenden Ausbreitungsmediums in die zwischen den Ultraschallwandlern und/oder den Einzelschwinger der Ultraschallwandler befindlichen Zwischenräume verhindert, so daß es zu keinen unerwünschten elektrischen Kontaktierung der drei Elektroden durch das Ausbreitungsmedium kommen kann. Die Folie ist vorzugsweise mit einem Verbindungskleber, z. B. Araldit, an der Anpassungsschicht befestigt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein lineares Phased-Ar­ ray von Ultraschallwandlern konventioneller Bauart,

Fig. 2 in schematischer Darstellung ein lineares Phased-Ar­ ray von erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern,

Fig. 3 die Draufsicht auf ein lineares Phased-Array von er­ findungsgemäßen Ultraschallwandlern,

Fig. 4 die Ansicht des Schnittes A-A' gemäß Fig. 3,

Fig. 5 die Seitenansicht des Arrays der erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern gemäß Fig. 3,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung für das lineare Phased-Array von erfindungsgemäßen Ultra­ schallwandlern gemäß Fig. 3, und

Fig. 7 ein durch zweidimensionale Finite-Element-Simulatio­ nen ermitteltes Ultraschall-Druckpulsspektrum.

Fig. 2 zeigt von einem erfindungsgemäße Ultraschallwandler enthaltenden Ultraschallarray A fünf Ultraschallwandlern 8 ₁ bis 8 ₅. Jeder der dargestellten fünf Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅ des Ultraschallarrays A weist eine an ein akustisches Ausbreitungsmedium 9, welches im vorliegenden Fall Wasser ist, angrenzende aus einem mit Kupferpartikeln versetzten Epoxydharz gebildete λ/4-Anpassungsschicht 10 ₁ bis 10 ₅ und ein aus einer Piezokeramik, beispielsweise Vibrit 420, gebil­ detes Ultraschallwandlerelement 11 ₁ bis 11 ₅ auf. Jedes der fünf dargestellten Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅ des Ultraschallarrays A ist mit je drei Elektroden versehen. Eine erste Elektrode 12 ₁ bis 12 ₅ befindet sich jeweils zwischen der Anpassungsschicht 10 ₁ bis 10 ₅ und dem Ultraschallwandle­ relement 11 ₁ bis 11 ₅. Eine zweite Elektrode 13 ₁ bis 13 ₅ ist jeweils auf der der Anpassungsschicht 10 ₁ bis 10 ₅ gegenüber­ liegenden Seite der Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅ angebracht und eine dritte Elektrode 14 ₁ bis 14 ₅ teilt je­ weils die Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅ in einen der Anpassungsschicht 10 ₁ bis 10 ₅ benachbarten oberen Bereich 15 ₁ bis 15 ₅ und einen unteren Bereich 16 ₁ bis 16 ₅, wobei im vor­ liegenden Fall die Teilung durch die dritten Elektroden 14 ₁ bis 14 ₅ jeweils in einem Dickenverhältnis von 1 : 2 erfolgt. Der obere Bereich 15 ₁ bis 15 ₅ der Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅ ist zusammen mit der λ/4-Anpassungsschicht 10 ₁ bis 10 ₅ zusätzlich in jeweils drei Einzelschwinger unterteilt, so daß jeder Einzelschwinger für sich betrachtet nun drei erste Elektroden 12 _m1 bis 12 _m3 mit m=1(1)5 aufweist. Die ersten Elektroden 12 ₁₁ bis 12 ₅₃ der Einzelschwinger der Ultraschall­ wandler 8 ₁ bis 8 ₅ sowie die zweiten und dritten Elektroden der Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅ sind voneinander unabhängig elektrisch kontaktierbar. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in Fig. 2 im übrigen darauf verzichtet worden die Anpas­ sungsschichten und die oberen Bereiche der Ultraschallwandle­ relemente der Einzelschwinger der Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅ getrennt mit Bezugszeichen zu versehen. Wenn daher im fol­ genden beispielsweise die Rede von den Anpassungsschichten 10 ₁ bis 10 ₅ ist, sind damit die Anpassungsschichten aller Einzel­ schwinger der Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅ gemeint.

Die Unterteilung der Anpassungsschichten 10 ₁ bis 10 ₅ und der oberen Bereiche 15 ₁ bis 15 ₅ der Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅ erfolgt im übrigen vorzugsweise aber nicht notwendi­ gerweise durch Sägen, wobei die Breite der Einzelschwinger und der Abstand der Einzelschwinger voneinander bei jedem der Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅ im wesentlichen konstant und gleich ist. Die Breite eines Einzelschwingers beträgt in der Regel ca. 50-100 µm und der Abstand der Einzelschwinger je­ des der Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅ voneinander ca. 25-50 µm. Der Abstand der Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅ des Ultra­ schallarrays A beträgt ca. 50-100 µm (vgl. hierzu auch Fig. 4).

Die dritten Elektroden 14 ₁ bis 14 ₅ der Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅ des Ultraschallarrays A bilden im übrigen den gemein­ samen Massekontakt der oberen 15 ₁ bis 15 ₅ und unteren Berei­ che 16 ₁ bis 16 ₅ der Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅. Die Bildung einer solchen zwischen einem oberen und einem un­ teren Bereich eines Ultraschallwandlerelementes befindlichen dritten Elektrode 14 ₁ bis 14 ₅ kann vor der Unterteilung in Einzelschwinger beispielsweise durch Zusammenlegen zweier mit Kontaktflächen versehener Keramikschichten erfolgen, wobei die aneinander anliegenden Kontaktflächen jeweils die dritte Elektrode 14 ₁ bis 14 ₅ bilden. Bei Anwendung der Sintertechnik bietet es sich an, die dritten Elektroden 14 ₁ bis 14 ₅ im Zuge eines Sintervorganges zu bilden.

Eine Folie 17, beispielsweise eine Hostaphan-Abdichtfolie mit einer Dicke von ca. 20 µm, welche auf die Anpassungsschichten 10 ₁ bis 10 ₅ der Einzelschwinger der das Ultraschallarray A bildenden Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅, z. B. mit dem Verbin­ dungskleber Araldit, geklebt ist und sich somit zwischen den Anpassungsschichten 10 ₁ bis 10 ₅ der Einzelschwinger der Ul­ traschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅ und dem akustischen Ausbreitungs­ medium 9 befindet, verhindert das Eindringen von akustischem Ausbreitungsmedium in die zwischen den Einzelschwingern und den Ultraschallwandlern 8 ₁ bis 8 ₅ vorhandenen Zwischenräume.

Dadurch ist sichergestellt, daß es zu keinen unerwünschten elektrischen Kontaktierungen zwischen den ersten, zweiten und dritten Elektroden der Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅ durch das akustische Ausbreitungsmedium kommen kann.

Das Ultraschallarray A wird im Therapie- und im Diagnostik­ betrieb als lineares Phased-Array betrieben und erzeugt Ul­ traschallwellen, welche elektronisch in einer Ebene fokus­ siert werden können. Diese Betriebsart des Ultraschallarrays A ist jedoch nicht zwingend notwendig.

Im Ortungsbetrieb erzeugt das Ultraschallarray A diagnosti­ sche akustische Wellen in Form von kurzen Ultraschallpulsen, deren Länge einige Halbperioden beträgt. Im Therapiebetrieb erzeugt das Ultraschallarray A zusätzlich fokussierte thera­ peutische akustische Ultraschallwellen. Bei diesen Ultra­ schallwellen handelt es sich um Dauerschall oder um gepulsten Dauerschall, der jeweils kurzzeitig zur Abstrahlung der dia­ gnostischen Ultraschallwellen, die vorzugsweise ebenfalls fo­ kussiert sind, unterbrochen wird.

Im Therapiebetrieb werden zur Erzeugung therapeutischer aku­ stischer Ultraschallwellen alle Bereiche der Ultraschallwand­ lerelemente 11 ₁ bis 11 ₅, hierzu gehören die unteren Bereiche 16 ₁ bis 16 ₅ und die in jeweils drei Einzelschwinger unter­ teilten oberen Bereiche 15 ₁ bis 15 ₅ mit Steuersignalen vor­ zugsweise in Form von Sinusbursts angesteuert, wobei U₂=U₃=U₄ =-1/2U₁ gewählt ist, da die Polarisierung der unteren 16 ₁ bis 16 ₅ und oberen 15 ₁ bis 15 ₅ Bereiche im vorliegenden Fall im wesentlichen gleich ist. Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, lie­ gen die Steuersignale bzw. Steuerspannungen an jedem Ultra­ schallwandler 8 ₁ bis 8 ₅ an bzw. wird jeder Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅ mit derartigen Steuerspannungen angesteuert. Die unteren Bereiche der Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅ werden jeweils über die zweite Elektrode 13 ₁ bis 13 ₅ mit der gegen Masse gerichteten Steuerspannung U₁ und jeder Einzel­ schwinger eines der Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅ über seine erste Elektrode 12 ₁₁ bis 12 ₅₃ mit einer gegen Masse gerichte­ ten Steuerspannung U₂, U₃ oder U₄ angesteuert, wobei ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Fig. 2 die elektri­ sche Kontaktierung der ersten Elektroden der Einzelschwinger bzw. der Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅ nur exempla­ risch anhand des Ultraschallwandlerelementes 11 ₁ dargestellt ist. Bei der Ansteuerung der Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅ muß im Therapiebetrieb die vorstehend genannte Bezie­ hung zwischen den Steuerspannungen U₁, U₂, U₃ und U₄ eingehal­ ten werden, um ein homogenes elektrisches Feld in den Ultra­ schallwandlerelementen 11 ₁ bis 11 ₅ zu erzeugen. Jeder der Ul­ traschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅ des Ultraschallarrays A verhält sich dann wie ein Dickenschwinger, der im wesentlichen mit der Frequenz seiner Dickenresonanz schwingt und ein Ein­ schwingverhalten aufweist, das dem der Ultraschallwandler 1 ₁ bis 1 ₅ des Ultraschallarrays aus Fig. 1 vergleichbar ist. Über die λ/4-Anpassungsschichten 10 ₁ bis 10 ₅ der Einzelschwinger sind die Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅ jeweils akustisch an das Ausbreitungsmedium für Ultraschallwellen 9 angepaßt, wo­ bei die Dicken der λ/4-Anpassungsschichten 10 ₁ bis 10 ₅ für den Therapiebetrieb in der Regel auf die Betriebsfrequenzen von 1-3 MHz abgestimmt sind und ca. 200-600 µ betragen. Die Piezokeramik weist im übrigen eine Gesamtdicke von ca. 400-1200 µm auf, wobei ca. 2/3 der Gesamtdicke auf die un­ teren Bereiche 16 ₁ bis 16 ₅ und ca. 1/3 auf die oberen 15 ₁ bis 15₅ Bereiche der Piezokeramik bzw. der Ultraschallwandlerele­ mente 11 ₁ bis 11 ₅ entfallen. Die Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅ sind im übrigen auf den den Anpassungsschichten 10 ₁ bis 10 ₅ gegenüberliegenden Seiten der Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅ mit Luft abgeschlossen, womit der für den Therapiebe­ trieb erforderliche hohe Leistungswirkungsgrad eines jeden Ultraschallwandlers 8 ₁ bis 8 ₅ erreicht wird.

Im Diagnostikbetrieb des Ultraschallarrays A wird jeder un­ tere Bereich 16 ₁ bis 16 ₅ jedes Ultraschallwandlerelementes 11 ₁ bis 11 ₅ mit einem auf die entsprechende Impedanz des unteren Bereiches 16 ₁ bis 16 ₅ abgestimmten elektrischen Widerstand abgeschlossen (vgl. Fig. 6). Auf diese Weise werden Ultra­ schallwellen in den unteren Bereichen 16 ₁ bis 16 ₅ der Ultra­ schallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅ stärker gedämpft, wodurch das mechanische Nachschwingen nach dem Abschalten des elek­ trischen Anregungsimpulses bzw. Steuersignales vermindert wird. Außerdem wird dadurch die Bandbreite des Ultraschallar­ rays A für eine gute Bildgebung im Vergleich zum ursprüngli­ chen Array gemäß Fig. 1 erhöht. In diesem Betriebsfall des Ul­ traschallarrays A werden jeweils nur noch die drei oberhalb der dritten Elektrode liegenden Einzelschwinger eines jeden Ultraschallwandlers 8 ₁ bis 8 ₅mit Steuerspannungen U₂, U₃ und U₄ angesteuert. Da die Dicke der oberen Bereiche 15 ₁ bis 15 ₅ der Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅ ca. 1/3 der Ge­ samtdicke der piezokeramischen Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅, welche zwischen 400 und 1200 µm liegt, beträgt, er­ scheint die Anpassungsschicht nun als 3/4λ-Anpassungsschicht bezüglich der im Diagnostikbetrieb vorliegenden Dickenreso­ nanzfrequenz der Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 ₅, so daß die Ul­ traschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅ wiederum akustisch an das Ausbreitungsmedium 9 angepaßt sind. Die Ultraschallwand­ lerelemente 11 ₁ bis 11 ₅, speziell die drei Einzelschwinger jedes der Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅, können so­ mit im Diagnostikbetrieb mit der dreifachen Frequenz, also ca. 3-9 MHz, bezüglich der Sinusbursts beim Therapiebetrieb betrieben werden.

Durch die Unterteilung der oberen Bereiche 15 ₁ bis 15 ₅ der Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅ zusammen mit den An­ passungsschichten 10 ₁ bis 10 ₅ in jeweils drei voneinander un­ abhängige Einzelschwinger wird im übrigen dem andernfalls un­ günstigen Breiten-Dicken-Verhältnis der Ultraschallwandler­ elemente 11 ₁ bis 11 ₅ in diesem Bereich im Diagnostikbetrieb Rechnung getragen. Dies führt zu einem größeren Frequenzab­ stand zwischen Querschwingungs- und Dickenschwingungsmode, wodurch die Gefahr einer unerwünschten Anregung eines Quer­ schwingungsmodes reduziert ist, der ein gezielt durch Dicken­ schwingungen der oberen Bereiche 15 ₁ bis 15 ₅ der Ultraschall­ wandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅ erzeugtes Ultraschallfeld stören könnte. Ein weiterer Vorteil dieser Unterteilung liegt in dem deutlich geringeren Abstand der Antennenelemente des Ultra­ schallarrays A, speziell der Einzelschwinger voneinander, wo­ bei der Begriff Antennenelemente in Analogie zur Nachrichten- bzw. Hochfrequenztechnik verwendet wird und eine Vorrichtung bezeichnet, die elektromagnetische Wellen abstrahlen und emp­ fangen kann. Dadurch ist die Entstehung von Nebenkeulen bei der kürzeren Wellenlänge der Ultraschallwellen im Diagnostik­ betrieb in dem Ausbreitungsmedium 9 minimiert. Im übrigen muß die Unterteilung der oberen Bereiche 15 ₁ bis 15 ₅ der Ultra­ schallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 ₅ und der Anpassungsschichten 10 ₁ bis 10 ₅ nicht notwendigerweise in drei Einzelschwinger erfolgen, sondern es sind auch andere Unterteilungen möglich.

Des weiteren ist es natürlich möglich, den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler bzw. das Array von erfindungsgemäßen Ul­ traschallwandlern mit anderen als den genannten Betriebsfre­ quenzen im Therapie- und Diagnostikbetrieb zu betreiben. In diesem Fall sind die Dicken der Ultraschallwandlerelemente, deren Unterteilung und die Dicken der n × λ/4-Anpassungs­ schichten auf die entsprechenden Betriebsfrequenzen abzustim­ men.

Das Ultraschallarray A enthält übrigens in der Praxis insge­ samt beispielsweise 128 oder 256 Ultraschallwandler. Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein entsprechendes Ultraschallarray A mit z Ultraschallwandlern, wobei die Folie 17 und das Aus­ breitungsmedium 9 in Fig. 3 nicht vorhanden sind. In Fig. 3 ist zu erkennen, daß die Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 _z derart an einem Rahmen 18 befestigt sind, daß sie nach hinten mit Luft, um, wie bereits erwähnt, einen hohen Leistungswirkungsgrad im Therapiebetrieb zu erreichen, abgeschlossen sind. Fig. 4 zeigt den Schnitt A-A' aus Fig. 3 in einer mit Fig. 2 vergleichbaren Darstellung des Ultraschallarrays A. Fig. 5 zeigt eine Seiten­ ansicht des Ultraschallarrays A.

Die Ansteuerung der Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 _z wird im fol­ genden anhand des Blockschaltbildes in Fig. 6 beschrieben, in der die Ultraschallwandler 8 ₁, 8 ₂ und 8 _z exemplarisch darge­ stellt sind. Diese sind jeweils über sechs verschiedene Si­ gnalleitungen, welche Bestandteil eines in Fig. 6 nicht darge­ stellten Verbindungskabels sind, mit Schaltern S1₁ bis S1_z, S2₁ bis S2_z, S3₁ bis S3_z und einer Schaltergruppe S4₁ bis S4_z aus eigentlich je drei Schaltern, die im folgenden jedoch als ein einziger Schalter behandelt werden, verbunden. Die Schal­ ter S1₁ bis S4_z sind Bestandteil einer insgesamt mit 19 be­ zeichneten Steuer- und Bilderzeugungselektronik. Die Schalter S1₁ bis S4_z, bei denen es sich vorzugsweise um elektronische Schalter handelt, werden von einer Ansteuerstufe 20 betätigt, wobei über die Schalterstellungen in den beiden Betriebsmodi des Ultraschallarrays A noch näher eingegangen wird. Das Be­ tätigen der Schalter S1₁ bis S4_z durch die Ansteuerstufe 20 ist im übrigen durch eine strichlierte Linie nur schematisch angedeutet.

Wenn die Schalter S1₁ bis S4_z ihre in Fig. 6 dargestellte Schalterstellung einnehmen, die dem Ortungsbetrieb ent­ spricht, befinden sich die Schalter S1₁ bis S1_z in der Schalt­ position 1, die Schalter S2₁ bis S2_z und S3₁ bis S3_z sind ge­ öffnet und die Schalter S4₁ bis S4_z sind geschlossen. In die­ sem Betriebsfall des Ultraschallarrays A sind die unteren Be­ reiche 16 ₁ bis 16 _z der Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 _z über auf die entsprechenden Impedanzen der unteren Bereiche 16 ₁ bis 16 _z abgestimmte elektrische Widerstände Z₁ bis Z_z ab­ geschlossen. Die Widerstandswerte der Widerstände Z₁ bis Z_z sind dabei im wesentlichen gleich, können aber aufgrund leicht unterschiedlicher Impedanzwerte der unteren Bereiche 16 ₁ bis 16 _z der Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 _z vonein­ ander geringfügig abweichen. Des weiteren ist jeder Einzel­ schwinger jedes Ultraschallwandlers 8 ₁ bis 8 _z über je eine Signalleitung und je einen Schalter der Schaltergruppen S4₁ bis S4_z mit einem entsprechenden Verzögerungsglied 21 ₁ bis 21 _y verbunden.

Sind dagegen die Schalter S1₁ bis S1_z in der Schalterstellung 2, die Schalter S2₁ bis S2_z und S3₁ bis S3_z geschlossen und die Schalter S4₁ bis S4_z geöffnet, wie es dem Therapiebetrieb entspricht, sind die unteren Bereiche 16 ₁ bis 16 _z der Ultra­ schallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 _z mit Verzögerungsgliedern 22 ₁ bis 22 _z verbunden. Die unteren Bereiche 16 ₁ bis 16 _z der Ultra­ schallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 _z werden dann über die Verzö­ gerungsglieder 22 ₁ bis 22 _z mit gegen Masse gerichteten Steu­ erspannungen U₁ vorzugsweise in Form von Sinusbursts ange­ steuert. Diese Sinusbursts werden auch über Anpaßschaltungen 23 ₁ bis 23 _z den Einzelschwingern zugeführt, wobei die Anpaß­ schaltungen 23 ₁ bis 23 _z bewirken, daß die Vorschrift U₂=U₃=U₄=-1/2U₁ für den Fall der im wesentlichen gleichen Po­ larisierung der oberen 15 ₁ bis 15 _z und unteren 16 ₁ bis 16 _z Bereiche der Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 _z im wesent­ lichen erfüllt ist.

Die Verzögerungszeiten der Verzögerungsglieder 21 ₁ bis 21 _y werden von einer Bilderzeugungsschaltung 24 über einen Lei­ tungsbus 25 individuell eingestellt. Die Einstellung der Ver­ zögerungszeiten erfolgt derart, daß dann, wenn die Verzöge­ rungsglieder 21 ₁ bis 21 _y mittels des von der Bilderzeugungs­ schaltung 24 betätigten Schalters 26 alternierend mit einem Oszillator 27 bzw. der Bilderzeugungsschaltung 24 verbunden werden, eine sektorförmige Körperschicht des zu behandelnden Lebewesens abgetastet wird. Das entsprechende Ultraschallbild wird auf einem an die Bilderzeugungsschaltung 24 angeschlos­ senen Monitor 28 dargestellt. Sind die Einzelschwinger der Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 _z über die Verzögerungsglieder 21 ₁ bis 21 _y und den Schalter 26 mit dem Oszillator 27 verbunden, so werden sie von diesem zur Abgabe eines Ultraschallimpulses angetrieben.

Unmittelbar im Anschluß hieran ändert die Bilderzeugungs­ schaltung 24 die Schaltstellung des Schalters 26 so, daß die den mittels der Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 _z empfangenen re­ flektierten Anteile des Ultraschallimpulses entsprechenden Signale über die Verzögerungsglieder 21 ₁ bis 21 _y und den Schalter 26 zu der Bilderzeugungsschaltung 24 angelangen. Da­ bei sind die Verzögerungszeiten der Verzögerungsglieder 21 ₁ bis 21 _y derart eingestellt, daß die Abstrahlung des Ultra­ schallimpulses in einer ersten Richtung erfolgt. Dieser Vor­ gang wiederholt sich mehrfach, beispielsweise 256 mal, wobei jedoch die Bilderzeugungsschaltung 24 bei jeder Wiederholung dieses Vorganges die Verzögerungszeiten derart verändert, daß sich jeweils eine derart veränderte Abstrahlrichtung des Ul­ traschallimpulses ergibt, daß schließlich die sektorförmige Körperschicht abgetastet ist. Aus den so erhaltenen elektri­ schen Signalen erstellt die Bilderzeugungsschaltung in an sich bekannter Weise beispielsweise ein B-Modus-Ultraschall­ bild. Im Ortungsbetrieb wiederholt sich im Anschluß hieran der beschriebene Ablauf von neuem mit der Folge, daß ein ak­ tualisiertes Ultraschallbild erstellt wird.

An die Bilderzeugungsschaltung 24 ist ein Joystick 29 ange­ schlossen, mittels dessen es möglich ist, eine in das auf dem Monitor 28 dargestellte Ultraschallbild eingeblendete Marke F' zu verschieben. Eine Fokussierungssteuerung 30, die eben­ falls mit dem Joystick 29 verbunden ist, stellt dann über ei­ nen Leitungsbus 31 die einzelnen Verzögerungszeiten der Ver­ zögerungsglieder 22 ₁ bis 22 _z derart ein, daß die dann von al­ len mittels eines Oszillators 32 angesteuerten Bereiche der Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 _z ausgehenden therapeu­ tischen Ultraschallwellen auf eine Wirkzone fokussiert sind, wenn die Schalter S1₁ bis S1_z, S2₁ bis S2_z, S3₁ bis S3_z und S4₁ bis S4_z in ihre dem Therapiebetrieb entsprechende Stellung gebracht werden. Das Zentrum F der Wirkzone liegt im Körper des zu behandelnden Lebewesens an der Stelle, die der mittels der Marke F' in dem Ultraschallbild markierten Stelle ent­ spricht.

Bei den therapeutischen Ultraschallwellen handelt es sich um Dauerschall oder um gepulsten Dauerschall. Die therapeuti­ schen Ultraschallwellen werden im Therapiebetrieb, der im üb­ rigen durch Betätigen des Tasters 33 beispielsweise durch den behandelnden Arzt eingeschaltet werden kann, periodisch kurzzeitig unterbrochen, um auch während des Therapiebetrie­ bes das Ultraschallbild zu aktualisieren. Zu diesem Zweck wird die Bilderzeugungsschaltung 24 auf die Ansteuerstufe 20 ein und bringt die Schalter S1₁ bis S1_z, S2₁ bis S2, S3₁ bis S3_z und S4₁ bis S4_z in die für die Erzeugung eines Ultra­ schallbildes erforderliche Zeit in die dem Ortungsbetrieb entsprechende Stellung. Danach kehren die Schalter bis zur Anfertigung des darauffolgenden Ultraschallbildes in ihre dem Therapiebetrieb entsprechende Schaltstellung zurück. Während die Ultraschallbilder im Ortungsbetrieb mit einer Folgefre­ quenz von z. B. 25 Hz erzeugt werden, liegt die Folgefrequenz im Therapiebetrieb beispielsweise bei 0,2 bis 1 Hz.

Im Therapiebetrieb steuert der Oszillator 32 die Ultraschall­ wandler 8 ₁ bis 8 _z zur Erzeugung therapeutischer Ultraschall­ wellen mit einer ersten Frequenz f₁=1-3 MHz an, die niedri­ ger als die Frequenz f₂=3-9 MHz der diagnostischen Ultra­ schallwellen ist, die die Ultraschallwandler 8 ₁ bis 8 _z bei Ansteuerung durch den Oszillator 27 im Ortungsbetrieb abge­ ben. Es wird somit in vorteilhafter Weise bei der Erstellung der Ultraschallbilder eine hohe Ortsauflösung erzielt, so daß es möglich ist, die zu behandelnde Zone mit erhöhter Genauig­ keit zu orten und die Wirkzone mit erhöhter Genauigkeit in der zu behandelnden Zone zu positionieren.

Von entscheidender Bedeutung ist im allgemeinen, daß, wie be­ reits erwähnt und erläutert, die Ultraschallwandlerelemente 11 ₁ bis 11 _z sowohl im Therapie- als auch im Diagnostikbetrieb jeweils akustisch an das Ausbreitungsmedium angepaßt bzw. an­ paßbar sind.

Die Ansteuerschaltung in Fig. 6 als solche ist im übrigen nur als exemplarisch zu betrachten. Es sind selbstverständlich auch andere Ansteuerschaltungen die im wesentlichen denselben Funktionsumfang aufweisen denkbar.

Fig. 7 stellt zwei durch Finite-Element-Simulation ermittelte Ultraschall-Druckpulsspektren der Ultraschallarrays aus Fig. 1 und Fig. 2 gegenüber, wobei die simulierte Messung in ca. 4 cm Entfernung von der Folie 7 bzw. 17 erfolgte. Anhand der dar­ gestellten Druckpulsspektren wird deutlich, daß das Ultra­ schallarray der erfindungsgemäßen Ultraschallwandler gegen­ über dem in Fig. 1 dargestellten Array ein wesentlich breite­ res Frequenzspektrum besitzt und hohe Druckamplituden auf­ weist. Das erfindungsgemäße Ultraschallarray erweist sich al­ so aufgrund seiner akustischen Eigenschaften, insbesondere der akustischen Anpassung an das Ausbreitungsmedium im Thera­ pie- und im Diagnostikbetrieb, als sehr gut für einen kombi­ nierten therapeutischen und diagnostischen Betrieb zur Be­ handlung pathologischer Gewebeveränderungen in Körpern von Lebewesen geeignet.

Claims (19)

1. Ultraschallwandler für den diagnostischen und therapeutischen Einsatz, welcher wahlweise im Diagnostikbetrieb oder Thera­ piebetrieb Ultraschallwellen unterschiedlicher Wellenlängen erzeugt, wobei die Wellenlänge der Ultraschallwellen im Dia­ gnostikbetrieb geringer als die Wellenlänge der Ultraschall­ wellen im Therapiebetrieb ist, aufweisend n × λ/4-Anpassungs­ schicht (10 ₁ bis 10 _z) für ein an den Ultraschallwandler (8 ₁ bis 8 _z) angrenzendes Ausbreitungsmedium (9) für Ultraschall­ wellen, wobei n eine ungerade Zahl ist, und ein piezoelektri­ sches Ultraschallwandlerelement (11 ₁ bis 11 _z) mit einer zwi­ schen der Anpassungsschicht (10 ₁ bis 10 _z) und dem Ultra­ schallwandlerelement (11 ₁ bis 11 _z) befindlichen ersten Elek­ trode (12 ₁ bis 12 _z bzw. 12 ₁₁ bis 12 _z3), einer auf der der An­ passungsschicht (10 ₁ bis 10 _z) gegenüberliegenden Seite des Ultraschallwandlerelementes (11 ₁ bis 11 _z) angebrachten zwei­ ten Elektrode (13 ₁ bis 13 _z) und einer dritten Elektrode (14 ₁ bis 14 _z), welche das Ultraschallwandlerelement (11 ₁ bis 11 _z) in einen auf der einen Seite der dritten Elektrode (14 ₁ bis 14 _z) liegenden, der Anpassungsschicht (10 ₁ bis 10 _z) benachbar­ ten Bereich (15 ₁ bis 15 _z) und einen auf der anderen Seite der dritten Elektrode (14 ₁ bis 14 _z) liegenden Bereich (16 ₁ bis 16 _z) teilt und einen gemeinsamen Massekontakt für die beiden Bereiche bildet, wobei in Abhängigkeit von der Unterteilung des Ultraschallwandlerelementes (11 ₁ bis 11 _z) Ultraschallwel­ len unterschiedlicher Frequenz für den Diagnostik- und Thera­ piebetrieb erzeugbar sind, bei deren Erzeugung an den beiden Bereichen im Diagnostik- und Therapiebetrieb unterschiedliche elektrische Steuersignale anliegen, und wobei die n × λ/4-An­ passungsschicht (10 ₁ bis 10 _z) sowohl für die Wellenlänge der Ultraschallwellen im Diagnostik- als auch im Therapiebetrieb wirksam ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, bei dem die dritte Elektrode (14 ₁ bis 14 _z) das Ultraschallwandlerelement (11 ₁ bis 11 _z) im Verhältnis 1 : 2 teilt.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, bei dem im Therapiebe­ trieb an beiden Bereichen (15 ₁ bis 15 _z und 16 ₁ bis 16 _z) des Ultraschallwandlerelementes (11 ₁ bis 11 _z) Steuersignale an­ liegen, wobei an dem auf der einen Seite der dritten Elek­ trode (14 ₁ bis 14 _z) liegenden Bereich (15 ₁ bis 15 _z) eine Steu­ erspannung anliegt, welche bei im wesentlichen gleicher Pola­ risierung der beiden Bereiche (15 ₁ bis 15 _z und 16 ₁ bis 16 _z) im wesentlichen gleich -1/2 und bei im wesentlichen entgegenge­ setzter Polarisierung der beiden Bereiche (15 ₁ bis 15 _z und 16 ₁ bis 16 _z) im wesentlichen gleich +1/2 der an dem auf der an­ deren Seite der dritten Elektrode liegenden Bereich (16 ₁ bis 16 _z) anliegenden Steuerspannung U₁ ist.

4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 oder 3, bei dem im Diagnostikbetrieb der auf der anderen Seite der drit­ ten Elektrode (14 ₁ bis 14 _z) liegende Bereich (16 ₁ bis 16 _z) mit einem auf die entsprechende Impedanz abgestimmten elektri­ schen Widerstand (Z₁ bis Z_z) abgeschlossen ist und nur an dem auf der einen Seite der dritten Elektrode (14 ₁ bis 14 _z) lie­ genden Bereich (15 ₁ bis 15 _z) eine Steuerspannung anliegt.

5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der auf der einen Seite der dritten Elektrode (14 ₁ bis 14 _z) liegende Bereich (15 ₁ bis 15 _z) des Ultraschallwandlerele­ mentes (11 ₁ bis 11 _z) zusammen mit der Anpassungsschicht (10 ₁ bis 10 _z) in voneinander unabhängige, mit Steuersignalen an­ steuerbare Einzelschwinger unterteilt ist.

6. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, dessen auf der einen Seite der dritte Elektrode (14 ₁ bis 14 _z) liegender Bereich (15 ₁ bis 15 _z) des Ultraschallwandlerelementes (11 ₁ bis 11 _z) zusammen mit der Anpassungsschicht (10 ₁ bis 10 _z) in drei von­ einander unabhängige, mit Steuerspannungen U₂, U₃ und U₄ an­ steuerbare Einzelschwinger unterteilt ist.

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 6, bei dem im Therapiebe­ trieb die Steuerspannungen bei im wesentlichen gleicher Pola­ risierung der beiden Bereiche (15 ₁ bis 15 _z und 16 ₁ bis 16 _z) im wesentlichen U₂ = U₃ = U₄ = -1/2 U₁ und bei im wesentlichen entgegengesetzter Polarisierung der beiden Bereiche (15 ₁ bis 15 _z und 16 bis 16 _z) im wesentlichen gleich U₂ = U₃ = U₄ = +1/2 U₁ sind.

8. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem im Diagnostikbetrieb nur an den drei Einzelschwingern Steuerspannungen U₂, U₃ und U₄ anliegen.

9. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, des­ sen Ultraschallwandlerelement (11 ₁ bis 11 _z) auf der der An­ passungsschicht (10 ₁ bis 10 _z) gegenüberliegenden Seite mit Luft abgeschlossen ist.

10. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, des­ sen Ultraschallwandlerelement (11 ₁ bis 11 _z) aus einer Piezo­ keramik gebildet ist.

11. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dessen Anpassungsschicht (10 ₁ bis 10 _z) aus einem mit Kupfer­ partikeln versetzten Epoxydharz ist.

12. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 10 oder 11, der aus zwei Elementen aus Piezokeramik gebildet ist, die mit Kontaktflächen versehen sind und mit ihren Kontaktflächen zur Bildung der dritte Elektrode (14 ₁ bis 14 _z) aneinander an­ liegen.

13. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dessen Ultraschallwandlerelement als Sinterkörper ausgebildet ist, wobei die dritte Elektrode (14 ₁ bis 14 _z) im Zuge eines Sintervorganges gebildet ist.

14. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dessen Anpassungsschicht (10 ₁ bis 10 _z) und dessen auf der ei­ nen Seite der dritten Elektrode (14 ₁ bis 14 _z) liegender Be­ reich (15 ₁ bis 15 _z) des Ultraschallwandlerelementes (11 ₁ bis 11 _z) durch Sägen in Einzelschwinger unterteilt sind.

15. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, der fokussierte Ultraschallwellen erzeugt.

16. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 15, welcher in Form eines eine Vielzahl von Ultraschallwandlern (8 ₁ bis 8 _z) enthaltenden Ultraschallarrays (A) ausgebildet ist.

17. Ultraschallwandler nach Anspruch 16, der als lineares Ar­ ray (A) betrieben wird.

18. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 16 oder 17, der als Phased-Array (A) betrieben wird.

19. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 5 bis 8 oder 16 bis 18, der eine zwischen der Anpassungsschicht (10 ₁ bis 10 _z) und dem Ausbreitungsmedium (9) befindliche Folie (17) aufweist.