EP0826435A2 - Ultraschallwandler für den diagnostischen und therapeutischen Einsatz - Google Patents

Ultraschallwandler für den diagnostischen und therapeutischen Einsatz Download PDF

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EP0826435A2
EP0826435A2 EP97114389A EP97114389A EP0826435A2 EP 0826435 A2 EP0826435 A2 EP 0826435A2 EP 97114389 A EP97114389 A EP 97114389A EP 97114389 A EP97114389 A EP 97114389A EP 0826435 A2 EP0826435 A2 EP 0826435A2
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EP
European Patent Office
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ultrasonic transducer
ultrasound
electrode
ultrasonic
transducer according
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Application number
EP97114389A
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English (en)
French (fr)
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EP0826435A3 (de
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Todor Dipl.-Ing. Sheljaskov
Ulrich Dipl.-Ing. Schätzle
Reinhard Prof. Lerch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0826435A2 publication Critical patent/EP0826435A2/de
Publication of EP0826435A3 publication Critical patent/EP0826435A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic transducer with an adaptation layer for one adjacent to the ultrasonic transducer Propagation medium for ultrasonic waves and an ultrasonic transducer element with a first between the adaptation layer and the ultrasonic transducer element and a second on the opposite of the matching layer Mounted side of the ultrasonic transducer element Electrode.
  • HIFU sources High-Intensity Focused Ultrasound
  • HIFU sources High-Intensity Focused Ultrasound
  • the type of treatment is known as local hyperthermia. Temperatures are beyond of 45 ° C, the cell protein coagulates with the Consequence of tissue necrotization. The latter type of treatment is called thermotherapy.
  • the therapeutic ultrasound waves are used by the ultrasound source Continuous sound or emitted as a result of ultrasonic bursts.
  • Such ultrasound sources are usually included combined with a suitable diagnostic, imaging system, causing a doctor who has pathological tissue changes treated in a patient's body, the possibility given the area of treatment in the patient's body localize exactly and use the therapy process to observe focused ultrasound waves in real time or to control and control accordingly.
  • Ultrasonic applicators therefore often have in addition to one Ultrasonic transducers or an array of ultrasonic transducers for therapy also via an ultrasound transducer or an array of ultrasonic transducers for diagnostics, which, however, in usually components of the ultrasound applicator that are spatially separated from one another are and also operated separately from each other will.
  • Sonographic methods currently used for diagnostics, ie imaging, of the treatment area include e.g. B. the sector scan with an ultrasound transducer rotating relative to the therapeutic ultrasound transducer (cf. High-Intensity Focused Ultrasound Experimentation on Human Benigh Prostatic Hypertrophy , European Urology, Vol. 23, Suppl. 1, 1993, ISSN 0302-2838, v. A. Gelet, JY Chapelon, J. Margonari, Y. Theillère, F. Gorry, R. Souchon) or the linear scan, in which the diagnostic converter is moved over the treatment area, the scan being understood to mean, for example, linear or sector-shaped scanning using ultrasound beams becomes.
  • the ultrasound applicators described above which are two separate ultrasound systems for therapy and have diagnostics, but is also associated with risks. On the one hand, so-called rejections occur.
  • H. the Treatment zone on which the therapeutic ultrasound waves act is often not exactly located in the diagnostics, because of the different angles of incidence therapeutic and diagnostic ultrasound waves in that Body tissue the ultrasonic waves different ways in body tissue go through and a different refraction of the Ultrasound waves in various ways through the body tissue occurs.
  • the complex alignment of the two ultrasound sources to each other and the required mechanical scanning device make it more difficult and more expensive for the diagnostic converter also the manufacture of such ultrasonic applicators.
  • New development trends are therefore aimed at development from ultrasonic applicators, both for reception as well as for the generation of ultrasonic waves in different Frequency ranges are suitable and thus in used in medicine for diagnostics and therapy can be.
  • Each ultrasound transducer 1 1 to 1 5 of the ultrasound array has an ultrasound transducer element 2 1 to 2 5 formed from a piezoceramic and a ⁇ / 4 adaptation layer 3 1 to 3 5 formed, for example, from an epoxy resin mixed with copper particles, to an ultrasound transducer 1 1 to 1 5 adjacent acoustic propagation medium 4, in the present case water.
  • the ultrasound transducer elements 2 1 to 2 5 are each provided with two electrodes, namely an electrode 5 1 to 5 5 located between the ultrasound transducer element and the adaptation layer, which is connected to ground, and an electrode 6 1 to 6 arranged on the side opposite the adaptation layer 5 , to which a voltage U directed to ground is applied for control purposes.
  • the ultrasound array of the ultrasound transducers 1 1 to 1 5 is also protected by a film 7 present between the propagation medium 4 and the ultrasound transducers 1 1 to 1 5 against the penetration of the propagation medium into the spaces between the ultrasound transducers 1 1 to 1 5 .
  • a linear phased array of ultrasound transducers of a therapy device to locate and treat one in the body of a Living zone is, for example, from the DE 43 02 538 C1 known.
  • the electroacoustic transducer is can be used either in therapy or in location operation.
  • ultrasound transducers or arrays of ultrasound transducers for diagnostic and therapy operations must have different acoustic properties.
  • a high resonance quality and a high degree of efficiency of the ultrasound transducer or the array elements of the ultrasound transducer are required, while a high bandwidth of the ultrasound transducer or the array elements of the ultrasound transducer is necessary for diagnostics, ie in imaging.
  • Another technical problem is the generation of different ultrasound frequencies with a single ultrasound applicator for therapy and diagnostics operation, the ultrasound frequencies currently used for therapy operation being largely in the frequency band between 0.25 and 4 MHz (cf. Intense Focused Ultrasound in Medicine , European Urology, Vol. 23, Suppl. 1, 1993, ISSN 0302-2838, v. F. Fry), while frequencies above 5 MHz are used for sonography.
  • ultrasonic transducer elements which, for example in a two-layer design made of piezoelectric material, have two pronounced thickness resonances and, by means of targeted electrical excitation, vibrate in one of their two desired oscillation modes, essentially at the frequency of one of the two thickness resonances (cf. A Dual Frequency Ultrasonic Probe for Medical Applications , IEEE Trans. On Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 42, No. 2, 1995, v. S. Saitoh, M. Izumi, Y.
  • the invention is therefore based on the object of an ultrasonic transducer to train in such a way that he can choose either for ultrasound therapy or diagnostics can be used and each acoustically to a propagation medium adjacent to the ultrasound transducer is adjusted.
  • an ultrasonic transducer for the diagnostic and therapeutic Use which is either in the diagnostics or therapy operation Ultrasonic waves of different wavelengths generated, the wavelength of the ultrasonic waves in diagnostic operation less than the wavelength of the ultrasonic waves is in therapy mode, having an n x ⁇ / 4 adaptation layer for one adjacent to the ultrasonic transducer Propagation medium for ultrasonic waves, where n is an odd Is number, and a piezoelectric ultrasonic transducer element with one between the matching layer and the ultrasonic transducer element located first electrode, one on the side of the ultrasonic transducer element opposite the matching layer attached second electrode and a third electrode, which is the ultrasonic transducer element into one lying on one side of the third electrode area adjacent to the matching layer and one on the other side of the third electrode and a common ground contact for the two areas forms, depending on the subdivision of the ultrasonic transducer element Ultrasonic waves different Frequency can be generated for diagnostics and therapy operations are different electrical control
  • the ultrasonic transducer element By subdivision of the ultrasonic transducer element in two areas by means of the third electrode is therefore a separate one from the other independent electrical control of the two areas of the ultrasonic transducer element optionally for one diagnostic and therapeutic use of the ultrasound transducer possible and in such a way that the frequencies of the generated acoustic ultrasonic waves on the one hand the needs of the therapy company and on the other hand the needs of the location operation are adapted, the ultrasonic transducer always acoustic over an n x ⁇ / 4 adaptation layer to the propagation medium adjacent to the ultrasound transducer is adjusted.
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides that the third electrode divides the area of the ultrasound transducer element, which is adjacent to the adaptation layer and to the other side of the third electrode, in a thickness ratio of 1: 2.
  • control signals or control voltages preferably in the form of sine bursts, are then applied to both areas of the ultrasound transducer element, the control voltage applied to the area on one side of the third electrode being essentially the same with essentially the same polarization of the two areas. 1/2 and with essentially opposite polarization of the two regions is substantially equal to +1/2 the control voltage U 1 present at the region lying on the other side of the third electrode. In this way, a homogeneous electric field is generated within the ultrasonic transducer element.
  • the ultrasound transducer behaves like a thickness transducer, the thickness of which is essentially equal to half the wavelength of its basic resonance frequency and which oscillates essentially at the frequency of its thickness resonance and ultrasound waves suitable for therapy, i.e. ultrasound waves with frequencies between 0 depending on the thickness of the ultrasound transducer element , 25 and 4 MHz.
  • the invention is in the diagnostic mode of the ultrasonic transducer on the other side of the third Area lying on the corresponding area Impedance of the one on the other side of the third electrode Area of the ultrasonic transducer element matched electrical resistance completed, so in this area the ultrasonic transducer element stronger ultrasonic waves be dampened. This will cause mechanical reverberation of the ultrasonic transducer element after switching off the electrical excitation pulse or control signal reduced. This measure also increases the bandwidth of the ultrasonic transducer. Then it just lies on the one side of the third electrode Range a control voltage.
  • the adjustment layer now appears as a 3 / 4 ⁇ adaptation layer with respect to the frequency of the thickness resonance the one lying on one side of the third electrode Area, causing the ultrasonic transducer element in turn acoustically to that adjacent to the ultrasonic transducer Propagation medium is adapted.
  • the one on one side of the the third electrode area can thus be operated with control voltages, preferably in the form of triple sine bursts Frequency with regard to the control voltages used in the therapy operation operate.
  • the region of the ultrasound transducer element lying on one side of the third electrode is subdivided together with the adaptation layer into individual oscillators which can be controlled independently of one another with control signals.
  • This is preferably a subdivision into three mutually independent individual oscillators which can be controlled via their first electrode with control voltages U 2 , U 3 and U 4 .
  • the subdivision of the adaptation layer and the area lying on one side of the third electrode into a plurality of individual oscillators improves in particular the width-thickness ratio of the area of the ultrasound transducer element lying on the one side of the third electrode, which is unfavorable for diagnostic operation, so that the frequency spacing between Cross vibration and thickness vibration mode is increased and the risk of undesirable excitation of a parasitic cross vibration mode, which can interfere with the ultrasonic field generated by a specifically excited thickness vibration mode, is reduced.
  • Another advantage of this subdivision is the significantly smaller distance between the individual transducers (element to element spacing), which reduces the formation of side lobes in the generated ultrasound field at the shorter wavelength of the ultrasound waves in diagnostic mode in the propagation medium adjacent to the ultrasound transducers.
  • this embodiment of the ultrasound transducer also results in a homogeneous electric field in the ultrasound transducer element, so that the ultrasound transducer again behaves like a thickness oscillator that vibrates at the frequency of its thickness resonance.
  • the area on the other side of the third electrode is again closed with an electrical resistance matched to the corresponding impedance and control voltages U 2 , U 3 and U 4 are only applied to the three individual oscillators.
  • Another variant of the invention provides the ultrasonic transducer elements on the opposite of the adjustment layer Side with air, making the for the therapy operation of the ultrasound transducer required high efficiency in terms of a short treatment time for the patient.
  • the ultrasonic transducer element from a piezoceramic namely for example made of Vibrit 420, which due to its material parameters for both therapy and diagnostic operations an ultrasonic transducer is well suited.
  • the adjustment layer the ultrasonic transducer is made with one Copper particles offset epoxy resin that already formed in the form of a single adjustment layer, a proportionate one good approximation of the acoustic impedance of the piezoceramic to the of the propagation medium adjacent to the ultrasound transducer causes.
  • this is mixed with copper particles Epoxy resin a relatively low attenuation for ultrasonic waves on and is coolable, what's inside an ultrasound applicator is of great advantage.
  • a variant of the invention provides that the ultrasonic transducer is formed from two elements made of piezoceramic, which are provided with contact surfaces and with their contact surfaces rest against each other to form the third electrode. On in this way, the third electrode of the ultrasonic transducer element easy to implement.
  • the Ultrasonic transducer is designed as a sintered body, wherein the third electrode is formed in the course of a sintering process is. Thus, there are no further ones beyond the sintering process Manufacturing steps for the formation of the third electrode required.
  • the subdivision of the adaptation layer and one on the one Side of the third electrode lying area of the ultrasonic transducer element takes place according to a variant of the invention by sawing, sawing deep until the third electrode is reached.
  • the rest of the sawing is done preferably in equidistant steps, so that all such generated single oscillator of the ultrasonic transducer element in essentially the same width and the same distance from each other exhibit.
  • a particularly preferred variant of the invention provides that the ultrasound transducer generates focused ultrasound waves, the ultrasonic transducer also in the form of a Variety of ultrasound arrays containing ultrasound transducers can be trained.
  • the ultrasound array can as a linear array, i.e. H. with a linear arrangement of a Variety of ultrasonic transducers, as a phased array, d. H. as an arrangement of a plurality of ultrasonic transducers, which electronically focusable by a delayed control Ultrasonic waves generated, or in combination be operated as a linear phased array.
  • a film for example a Hostaphan sealing film a thickness of about 20 microns is present, which prevents penetration to the ultrasound transducer or to the array of ultrasound transducers adjacent propagation medium in the between the ultrasonic transducers and / or the individual transducers the gaps between the ultrasound transducer are prevented, so that there is no unwanted electrical contacting which can get three electrodes through the medium.
  • the film is preferably with a bonding adhesive, e.g. B. Araldite, attached to the matching layer.
  • each of the five ultrasound transducers 8 1 to 8 5 of the ultrasound array A shown has an ⁇ / 4 matching layer 10 1 to 10 5 , which is adjacent to an acoustic propagation medium 9, which is water in the present case, and an adaption layer 10 1 to 10 5 which is made of copper particles Piezoceramic, for example Vibrit 420, formed ultrasonic transducer element 11 1 to 11 5 .
  • Each of the five illustrated ultrasonic transducer elements 11 1 to 11 5 of the ultrasonic array A is provided with three electrodes each.
  • a first electrode 12 1 to 12 5 is located in each case between the adaptation layer 10 1 to 10 5 and the ultrasound transducer element 11 1 to 11 5 .
  • a second electrode 13 1 to 13 5 each of the matching layer attached to the 10 1 to 10 5 opposite side of the ultrasound transducer elements 11 1 to 11 5 and a third electrode 14 1 to 14 5, the ultrasound transducer elements 11 1 divides each to 11 5 in one of the Matching layer 10 1 to 10 5 adjacent upper area 15 1 to 15 5 and a lower area 16 1 to 16 5 , in the present case the division by the third electrodes 14 1 to 14 5 in each case in a thickness ratio of 1: 2.
  • the first electrodes 12 11 to 12 53 of the individual oscillators of the ultrasound transducers 8 1 to 8 5 and the second and third electrodes of the ultrasound transducers 8 1 to 8 5 can be contacted electrically independently of one another.
  • the adaptation layers and the upper areas of the ultrasound transducer elements of the individual oscillators of the ultrasound transducers 8 1 to 8 5 have been omitted separately in FIG. 2 with reference numerals. Therefore, if in the following, for example, the adaptation layers 10 1 to 10 5 are mentioned, the adaptation layers of all individual oscillators of the ultrasound transducers 8 1 to 8 5 are meant.
  • the subdivision of the adaptation layers 10 1 to 10 5 and the upper regions 15 1 to 15 5 of the ultrasonic transducer elements 11 1 to 11 5 is preferably, but not necessarily, by sawing, the width of the individual transducers and the spacing of the individual transducers from one another in each of the ultrasonic transducers 8 1 to 8 5 is substantially constant and the same.
  • the width of an individual oscillator is generally approximately 50-100 ⁇ m and the distance between the individual oscillators of each of the ultrasound transducers 8 1 to 8 5 from one another is approximately 25-50 ⁇ m.
  • the distance between the ultrasound transducers 8 1 to 8 5 of the ultrasound array A is approximately 50-100 ⁇ m (cf. also FIG. 4).
  • the third electrodes 14 1 to 14 5 of the ultrasound transducers 8 1 to 8 5 of the ultrasound array A also form the common ground contact of the upper 15 1 to 15 5 and lower regions 16 1 to 16 5 of the ultrasound transducer elements 11 1 to 11 5 .
  • Such a third electrode 14 1 to 14 5 which is located between an upper and a lower region of an ultrasonic transducer element, can be formed before subdivision into individual transducers, for example by combining two ceramic layers provided with contact surfaces, the contact surfaces adjoining each other being the third electrode 14 1 to 14 5 form.
  • the ultrasound array A is used in therapy and diagnostics operated as a linear phased array and generates ultrasonic waves, which electronically focuses on one level can be. This mode of operation of the ultrasound array However, A is not absolutely necessary.
  • the ultrasound array A In localization mode, the ultrasound array A generates diagnostic acoustic waves in the form of short ultrasonic pulses, the length of which is a few half-periods. In therapy operation generates the ultrasound array A additionally focused therapeutic acoustic ultrasonic waves. With these ultrasonic waves is it continuous sound or pulsed Continuous sound, which briefly emits the diagnostic Ultrasonic waves, which are also preferably focused are interrupted.
  • the control signals or control voltages are present at each ultrasound transducer 8 1 to 8 5 or each ultrasound transducer 8 1 to 8 5 is controlled with such control voltages.
  • the lower regions of the ultrasonic transducer elements 11 1 to 11 5 are each connected to the control voltage U 1 against the ground via the second electrode 13 1 to 13 5 and each individual oscillator of one of the ultrasonic transducers 8 1 to 8 5 via its first electrode 12 11 to 12 53 a control voltage U 2 , U 3 or U 4 , which is directed towards ground, the electrical contacting of the first electrodes of the individual oscillators or of the ultrasound transducer elements 11 1 to 11 5 likewise being shown only by way of example using the ultrasound transducer element 11 1 for reasons of clarity in FIG is.
  • each of the ultrasound transducers 8 1 to 8 5 of the ultrasound array A then behaves like a thickness transducer which oscillates essentially at the frequency of its thickness resonance and has a transient response which is comparable to that of the ultrasound transducer 1 1 to 1 5 of the ultrasound array from FIG. 1.
  • the ultrasound transducers 8 1 to 8 5 are each acoustically adapted to the propagation medium for ultrasound waves 9, the thicknesses of the ⁇ / 4 adaptation layers 10 1 to 10 5 for the therapy operation in are generally matched to the operating frequencies of 1 - 3 MHz and are approx. 200 - 600 ⁇ m.
  • the piezoceramic otherwise has a total thickness of approx. 400-1200 ⁇ m, with approx. 2/3 of the total thickness on the lower regions 16 1 to 16 5 and approx. 1/3 on the upper 15 1 to 15 5 regions of the piezoceramic or the ultrasonic transducer elements 11 1 to 11 5 are omitted.
  • the ultrasonic transducer 8 1 to 8 5 are closed in the rest of the the matching layers 10 1 to 10 5 opposite sides of the ultrasonic transducer elements 11 1 to 11 5 with air, whereby the space required for the therapy mode high power efficiency of each ultrasonic transducer is achieved 8 1 to 8 5 .
  • each lower region 16 1 to 16 5 of each ultrasound transducer element 11 1 to 11 5 is terminated with an electrical resistance which is matched to the corresponding impedance of the lower region 16 1 to 16 5 (cf. FIG. 6).
  • an electrical resistance which is matched to the corresponding impedance of the lower region 16 1 to 16 5 (cf. FIG. 6).
  • ultrasonic waves in the lower regions 16 1 to 16 5 of the ultrasonic transducer elements 11 1 to 11 5 are more strongly damped, as a result of which the mechanical reverberation after the electrical excitation pulse or control signal is switched off is reduced.
  • This also increases the bandwidth of the ultrasound array A for good imaging compared to the original array according to FIG. 1.
  • the ultrasound array A only the three individual oscillators of each ultrasound transducer 8 1 to 8 5 located above the third electrode are controlled with control voltages U 2 , U 3 and U 4 . Since the thickness of the upper regions 15 1 to 15 5 of the ultrasonic transducer elements 11 1 to 11 5 is approximately 1/3 of the total thickness of the piezoceramic ultrasonic transducer elements 11 1 to 11 5 , which is between 400 and 1200 ⁇ m, the adaptation layer now appears as 3 / 4 ⁇ adaptation layer with respect to the thickness resonance frequency of the ultrasound transducers 8 1 to 8 5 present in the diagnostic mode, so that the ultrasound transducer elements 11 1 to 11 5 are in turn acoustically adapted to the propagation medium 9.
  • the ultrasound transducer elements 11 1 to 11 5 can thus be operated in the diagnostic mode with three times the frequency, that is to say approx. 3-9 MHz, with respect to the sinus bursts in the therapy mode.
  • the subdivision of the upper areas 15 1 to 15 5 of the ultrasonic transducer elements 11 1 to 11 5 together with the adaptation layers 10 1 to 10 5 into three mutually independent individual oscillators also makes the otherwise unfavorable width-thickness ratio of the ultrasonic transducer elements 11 1 to 11 5 taken into account in this area in diagnostics. This leads to a greater frequency spacing between the transverse vibration mode and the thickness vibration mode, which reduces the risk of undesired excitation of a transverse vibration mode, which could disrupt an ultrasound field generated specifically by thickness vibrations of the upper regions 15 1 to 15 5 of the ultrasound transducer elements 11 1 to 11 5 .
  • Another advantage of this subdivision lies in the significantly smaller distance between the antenna elements of the ultrasound array A, especially the individual transducers, the term antenna elements being used in analogy to communications or radio frequency technology and denoting a device which can emit and receive electromagnetic waves.
  • the formation of side lobes at the shorter wavelength of the ultrasound waves in the diagnostic mode in the propagation medium 9 is minimized.
  • the upper regions 15 1 to 15 5 of the ultrasonic transducer elements 11 1 to 11 5 and the matching layers 10 1 to 10 5 do not necessarily have to be divided into three individual oscillators, but other subdivisions are also possible.
  • Ultrasonic transducers or the array of ultrasonic transducers according to the invention with other operating frequencies than those mentioned to operate in therapy and diagnostics.
  • the ultrasound array A contains, in practice, a total of, for example, 128 or 256 ultrasound transducers.
  • 3 shows a top view of a corresponding ultrasound array A with z ultrasound transducers, the film 17 and the propagation medium 9 not being shown in FIG. 3.
  • the ultrasonic transducers 8 1 to 8 z are fastened to a frame 18 in such a way that they are sealed off at the rear with air in order, as already mentioned, to achieve a high level of efficiency in therapy operation.
  • 4 shows the section IV-IV from FIG. 3 in a representation of the ultrasound array A comparable to FIG. 2.
  • FIG. 5 shows a side view of the ultrasound array A.
  • the control of the ultrasonic transducers 8 1 to 8 z is described below with reference to the block diagram in FIG. 6, in which the ultrasonic transducers 8 1 , 8 2 and 8 z are shown as examples. These are each via six different signal lines, which are part of a connecting cable, not shown in FIG 6, with switches S1 1 to S1 z , S2 1 to S2 z , S3 1 to S3 z and a switch group S4 1 to S4 z actually three each Switches, which are however treated as a single switch in the following.
  • the switches S1 1 to S4 z are part of a total of 19 control and imaging electronics.
  • the switches S1 1 to S4 z which are preferably electronic switches, are actuated by a control stage 20, the switch positions in the two operating modes of the ultrasound array A being discussed in more detail.
  • the actuation of the switches S1 1 to S4 z by the control stage 20 is otherwise only indicated schematically by a dashed line.
  • each individual oscillator of each ultrasonic transducer 8 1 to 8 z is connected to a corresponding delay element 21 1 to 21 y via a signal line and a switch of the switch groups S4 1 to S4 z .
  • the switches S1 1 to S1 z are in the switch position 2, the switches S2 1 to S2 z and S3 1 to S3 z are closed and the switches S4 1 to S4 z are open, as corresponds to the therapy mode, the lower areas 16 1 to 16 z of the ultrasonic transducer elements 11 1 to 11 z connected to delay elements 22 1 to 22 z .
  • the lower regions 16 1 to 16 z of the ultrasonic transducer elements 11 1 to 11 z are then controlled via the delay elements 22 1 to 22 z with control voltages U 1 directed towards ground, preferably in the form of sine bursts.
  • the delay times of the delay elements 21 1 to 21 y are individually set by an image generation circuit 24 via a line bus 25.
  • the delay times are set such that when the delay elements 21 1 to 21 y are alternately connected to an oscillator 27 or the image generation circuit 24 by means of the switch 26 actuated by the image generation circuit 24, a sector-shaped body layer of the living being to be treated is scanned.
  • the corresponding ultrasound image is displayed on a monitor 28 connected to the image generation circuit 24. If the individual oscillators of the ultrasonic transducers 8 1 to 8 z are connected to the oscillator 27 via the delay elements 21 1 to 21 y and the switch 26, they are driven by the oscillator to emit an ultrasonic pulse.
  • the image generation circuit 24 changes the switch position of the switch 26 such that the signals corresponding to the reflected portions of the ultrasound pulse received by the ultrasound transducers 8 1 to 8 z arrive via the delay elements 21 1 to 21 y and the switch 26 to the image generation circuit 24 .
  • the delay times of the delay elements 21 1 to 21 y are set such that the ultrasound pulse is emitted in a first direction. This process is repeated several times, for example 256 times, but with each repetition of this process the imaging circuit 24 changes the delay times in such a way that the radiation direction of the ultrasound pulse is changed in such a way that the sector-shaped body layer is finally scanned.
  • the image generation circuit generates, for example, a B-mode ultrasound image from the electrical signals thus obtained in a manner known per se. In the locating mode, the sequence described is repeated again with the result that an updated ultrasound image is created.
  • a joystick 29 is connected to the image generation circuit 24, by means of which it is possible to shift a mark F 'superimposed on the ultrasound image shown on the monitor 28.
  • the center F of the active zone lies in the body of the living being to be treated at the point which corresponds to the point marked by the mark F 'in the ultrasound image.
  • the therapeutic ultrasound waves are continuous sound or pulsed continuous sound.
  • the therapeutic ultrasound waves are periodically briefly interrupted in the therapy mode, which can also be switched on by pressing the button 33, for example, by the attending physician, in order to update the ultrasound image even during the therapy mode.
  • the image generation circuit 24 is switched to the control stage 20 and brings the switches S1 1 to S1 z , S2 1 to S2, S3 1 to S3 z and S4 1 to S4 z into the time required for the generation of an ultrasound image Location corresponding position.
  • the switches then return to their switch position corresponding to the therapy mode until the subsequent ultrasound image is taken. While the ultrasound images in the locating mode with a repetition frequency of z. B. 25 Hz are generated, the repetition rate in therapy operation is, for example, 0.2 to 1 Hz.
  • a high spatial resolution is thus advantageously achieved when generating the ultrasound images, so that it is possible to locate the zone to be treated with increased accuracy and to position the active zone with increased accuracy in the zone to be treated.
  • the ultrasound transducer elements 11 1 to 11 z are acoustically adapted or adaptable to the propagation medium both in therapy and in diagnostic operation.
  • control circuit in FIG. 6 as such is otherwise only to be regarded as exemplary. It goes without saying also other control circuits which are essentially the same Functional range conceivable.
  • FIG. 7 shows two ones determined by finite element simulation Ultrasound pressure pulse spectra of the ultrasound arrays from FIG. 1 and FIG 2 opposite, the simulated measurement in about 4 cm Removal from the film 7 and 17 was carried out. Based on the shown Pressure pulse spectra shows that the ultrasound array compared to the ultrasonic transducer according to the invention the array shown in FIG 1 is a much wider Frequency spectrum and has high pressure amplitudes.
  • the ultrasound array according to the invention has proven itself so because of its acoustic properties, in particular the acoustic adaptation to the propagation medium in therapy and diagnostics, as very good for a combined one therapeutic and diagnostic operation for treatment pathological tissue changes in bodies of Suitable for living beings.

Abstract

Ultraschallwandler, welcher im Diagnostik- oder Therapiebetrieb Ultraschallwellen unterschiedlicher Wellenlängen erzeugt, aufweisend eine n x λ/4-Anpassungsschicht (101 bis 10z) für ein an den Ultraschallwandler (81 bis 8z) angrenzendes Ausbreitungsmedium (9), und ein piezoelektrisches Ultraschallwandlerelement (111 bis 11z) mit einer zwischen der Anpassungsschicht (101 bis 10z) und dem Ultraschallwandlerelement (111 bis 11z) befindlichen ersten Elektrode (121 bis 12z), einer auf der gegenüberliegenden Seite des Ultraschallwandlerelementes (111 bis 11z) angebrachten zweiten Elektrode (131 bis 13z) und einer dritten Elektrode (141 bis 14z), welche das Ultraschallwandlerelement (111 bis 11z) in zwei Bereiche (151 bis 15z, 161 bis 16z) teilt, wobei in Abhängigkeit von der Unterteilung des Ultraschallwandlerelementes (111 bis 11z) Ultraschallwellen für den Diagnostik- und Therapiebetrieb erzeugbar sind und wobei die n x λ/4-Anpassungsschicht (101 bis 10z) sowohl für die Wellenlänge der Ultraschallwellen im Diagnostik- als auch im Therapiebetrieb wirksam ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit einer Anpassungsschicht für ein an den Ultraschallwandler angrenzendes Ausbreitungsmedium für Ultraschallwellen und einem Ultraschallwandlerelement mit einer ersten zwischen der Anpassungsschicht und dem Ultraschallwandlerelement befindlichen und einer zweiten auf der der Anpassungsschicht gegenüberliegenden Seite des Ultraschallwandlerelementes angebrachten Elektrode.
Anwendungen des Ultraschalls in der Medizin beispielsweise zur Therapie von gutartigen Prostatahyperplasien erfolgen zumeist 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 erwärmen. 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 jenseits von 45°C erreicht, koaguliert das Zelleiweiß mit der Folge der Nekrotisierung des Gewebes. Letztere Behandlungsart wird als Thermotherapie bezeichnet. Die therapeutischen Ultraschallwellen werden dabei von der Ultraschallquelle als Dauerschall oder als Folge von Ultraschall-Bursts abgestrahlt. Derartige Ultraschallquellen werden in der Regel mit einem geeigneten diagnostischen, bildgebenden System kombiniert, wodurch einem Arzt, welcher pathologische Gewebeveränderungen im Körper eines Patienten behandelt, die Möglichkeit gegeben wird, das Behandlungsgebiet im Körper des Patienten genau zu lokalisieren und den Therapievorgang mittels fokussierter Ultraschallwellen in Echtzeit zu beobachten bzw. zu kontrollieren und entsprechend zu steuern. Ultraschallapplikatoren verfügen daher häufig zusätzlich zu einem Ultraschallwandler oder einem Array von Ultraschallwandlern zur Therapie auch über einen Ultraschallwandler oder ein Array von Ultraschallwandlern zur Diagnostik, welche jedoch in der Regel voneinander räumlich getrennte Komponenten des Ultraschallapplikators sind und auch separat voneinander betrieben werden.
Derzeit verwendete sonographische Verfahren für die Diagnostik, d. h. die Bildgebung, des Behandlungsgebietes umfassen z. B. den Sektor Scan mit einem relativ zu dem therapeutischen Ultraschallwandler rotierenden Ultraschallwandler (vgl.
Figure 00020001
High-Intensity Focused Ultrasound Experimentation on Human Benigh Prostatic Hypertrophy
Figure 00020002
, 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 Behandlungsgebiet verschoben wird, wobei als Scan eine beispielsweise lineare oder sektorförmige Abtastung mittels Ultraschallstrahlen verstanden wird.
Der Einsatz vorstehend beschriebener Ultraschallapplikatoren, welche zwei getrennte Ultraschallsysteme für die Therapie und die Diagnostik aufweisen, ist jedoch auch mit Risiken verbunden. Zum einen treten sogenannte Mißweisungen auf, d. h. die Behandlungszone, auf die die therapeutischen Ultraschallwellen einwirken, wird bei der Diagnostik häufig nicht exakt geortet, da aufgrund der unterschiedlichen Einstrahlwinkel der therapeutischen und diagnostischen Ultraschallwellen in das Körpergewebe die Ultraschallwellen verschiedene Wege im Körpergewebe durchlaufen und eine unterschiedliche Brechung der Ultraschallwellen auf den verschiedenen Wegen durch das Körpergewebe auftritt. Zum anderen besteht die Gefahr einer ungenauen Ausrichtung oder einer falschen Ausrichtung der beiden Ultraschallquellen relativ zueinander. In allen diesen Fällen können also fokussierte Ultraschallwellen im Therapiebetrieb das Therapieziel verfehlen und gesundes Körpergewebe schädigen. Die aufwendige Ausrichtung der beiden Ultraschallquellen zueinander sowie die erforderliche mechanische Scanvorrichtung für den Diagnostikwandler erschweren und verteuern 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 unterschiedlichen Frequenzbereichen geeignet sind und die somit in der Medizin für die Diagnostik und die Therapie eingesetzt werden können. Außerdem setzt man heutzutage in der Ultraschalltechnik 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 angeordneten 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 beispielsweise in FIG 1 gezeigt. Jeder Ultraschallwandler 11 bis 15 des Ultraschallarrays weist dabei ein aus einer Piezokeramik gebildetes Ultraschallwandlerelement 21 bis 25 und eine beispielsweise aus einem mit Kupferpartikeln versetzten Epoxydharz gebildete λ/4-Anpassungsschicht 31 bis 35 an ein an die Ultraschallwandler 11 bis 15 angrenzendes akustisches Ausbreitungsmedium 4, im vorliegenden Fall Wasser, auf. Die Ultraschallwandlerelemente 21 bis 25 sind jeweils mit zwei Elektroden versehen, nämlich einer zwischen dem Ultraschallwandlerelement und der Anpassungsschicht befindlichen Elektrode 51 bis 55, welche an Masse angeschlossen ist, und einer auf der der Anpassungsschicht gegenüberliegenden Seite angebrachten Elektrode 61 bis 65, an die zur Ansteuerung jeweils eine gegen Masse gerichtete Spannung U angelegt ist. Das Ultraschallarray der Ultraschallwandler 11 bis 15 wird außerdem durch eine zwischen dem Ausbreitungsmedium 4 und den Ultraschallwandlern 11 bis 15 vorhandene Folie 7 vor dem Eindringen des Ausbreitungsmediums in die zwischen den Ultraschallwandlern 11 bis 15 vorhandenen Zwischenräume geschützt.
Ein lineares Phased-Array von Ultraschallwandlern eines Therapiegerätes 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 einsetzbar.
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 Ultraschallwandler oder Arrays von Ultraschallwandlern für den Diagnostik- und den Therapiebetrieb unterschiedliche akustische Eigenschaften aufweisen müssen. So ist beispielsweise im Therapiebetrieb eines Ultraschallapplikators eine hohe Resonanzgüte 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 Arrayelemente des Ultraschallwandlers notwendig ist. Ein weiteres technisches Problem liegt in der Erzeugung unterschiedlicher Ultraschallfrequenzen mit einem einzigen Ultraschallapplikator für den Therapie- und den Diagnostikbetrieb, wobei die derzeit verwendeten Ultraschallfrequenzen für den Therapiebetrieb weitgehend in dem Frequenzband zwischen 0,25 und 4 MHz liegen (vgl. Intense Focused Ultrasound in Medicine , European Urology, Vol. 23, Suppl. 1, 1993, ISSN 0302-2838, v. F. Fry), während für die Sonographie Frequenzen über 5 MHz verwendet werden.
Beim derzeitigen Stand der Technik werden zwei Gruppen von Lösungsprinzipien für Ultraschallapplikatoren, welche im Diagnostik- und im Therapiebetrieb eingesetzt werden können, favorisiert. In einem Fall handelt es sich um Strukturen von Ultraschallwandlerelementen, die beispielsweise in zweilagiger Ausführung aus piezoelektrischem Material zwei ausgeprägte Dickenresonanzen aufweisen und durch gezielte elektrische Anregung in einem ihrer beiden gewünschten Schwingungsmoden im wesentlichen mit der Frequenz einer der beiden Dickenresonanz schwingen (vgl. A Dual Frequency Ultrasonic Probe 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 design for dual frequency transducers resulting in separate bandpass for Color Flow Mapping (CFM) , Proc. IEEE Ultrasonics Symposium, 1990, S. Fraguier, J. Gelly, L. Wolnerman, O. Lannuzel). Im anderen Fall handelt es sich um verschiedene Ausführungen von Ultraschallwandlern in Form sogenannter Stapelwandler, deren Schichten aus Piezokeramik für das Senden oder Empfangen von Ultraschallwellen verschiedener Frequenzen umpolarisiert (vgl. EP 0 451 984 B1) oder eigenständig angesteuert 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 Ultrasonics Symposium, 1991, v. J. Hossack, B. Auld).
Ungelöst im Stand der Technik ist noch das Problem der jeweils optimalen akustischen Anpassung des Ultraschallwandlerelementes des Ultraschallwandlers an das an den Ultraschallwandler angrenzende Ausbreitungsmedium für Ultraschallwellen sowohl für die im Therapie- als auch im Diagnostikbetrieb verwendeten Frequenzbereiche. Ebenso verhält es sich mit dem Problem einer möglichst hohen Resonanzgüte der Ultraschallwandler im Therapiefall und einer möglichst großen Dämpfung der Ultraschallwellen bei der Diagnostik.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler derart auszubilden, daß er wahlweise zur Ultraschalltherapie oder -diagnostik einsetzbar ist und jeweils akustisch an ein an den Ultraschallwandler angrenzendes Ausbreitungsmedium angepaßt ist.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen Ultraschallwandler für den diagnostischen und therapeutischen Einsatz, welcher wahlweise im Diagnostikbetrieb oder Therapiebetrieb Ultraschallwellen unterschiedlicher Wellenlängen erzeugt, wobei die Wellenlänge der Ultraschallwellen im Diagnostikbetrieb geringer als die Wellenlänge der Ultraschallwellen im Therapiebetrieb ist, aufweisend eine n x λ/4-Anpassungsschicht für ein an den Ultraschallwandler angrenzendes Ausbreitungsmedium für Ultraschallwellen, wobei n eine ungerade Zahl ist, und ein piezoelektrisches Ultraschallwandlerelement mit einer zwischen der Anpassungsschicht und dem Ultraschallwandlerelement befindlichen ersten Elektrode, einer auf der der Anpassungschicht gegenüberliegenden Seite des Ultraschallwandlerelementes 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 Ultraschallwandlerelementes Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenz für den Diagnostik- und Therapiebetrieb erzeugbar sind, bei deren Erzeugung an den beiden Bereichen im Diagnostik- und Therapiebetrieb unterschiedliche elektrische Steuersignale anliegen, und wobei die n x λ/4-Anpassungsschicht sowohl für die Wellenlänge der Ultraschallwellen im Diagnostik- als auch im Therapiebetrieb wirksam ist. Durch die Unterteilung des Ultraschallwandlerelementes in zwei Bereiche mittels der dritten Elektrode ist also eine getrennte, voneinander unabhängige elektrische Ansteuerung der beiden Bereiche des Ultraschallwandlerelementes wahlweise für einen diagnostischen und therapeutischen Einsatz des Ultraschallwandlers möglich und zwar derart, daß die Frequenzen der erzeugten akustischen Ultraschallwellen einerseits den Bedürfnissen des Therapiebetriebes und andererseits den Bedürfnissen des Ortungsbetriebes angepaßt sind, wobei der Ultraschallwandler stets über eine n x λ/4-Anpassungsschicht akustisch an das an den Ultraschallwandler angrenzende Ausbreitungsmedium angepaßt ist. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik dar, da die akustische Anpassung des Ultraschallwandlers 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 Ausbreitungsmedium im Interesse einer zeitsparenden Behandlung eines Patienten und einer möglichst geringen, dem Patienten zugeführten Dosis akustischer Energie vor allem im Therapiebetrieb 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 Ultraschallwandlerelementes in einem Dickenverhältnis von 1:2 teilt. Im Therapiebetrieb 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 wesentlichen gleicher Polarisierung der beiden Bereiche im wesentlichen 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 liegenden Bereich anliegenden Steuerspannung U1 ist. Auf diese Weise wird ein homogenes elektrisches Feld innerhalb des Ultraschallwandlerelementes 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 Ultraschallwandlerelementes Ultraschallwellen mit Frequenzen zwischen 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 liegenden Bereiches des Ultraschallwandlerelementes abgestimmten elektrischen Widerstand abgeschlossen, so daß in diesem Bereich des Ultraschallwandlerelementes Ultraschallwellen stärker gedämpft werden. Dadurch wird das mechanische Nachschwingen des Ultraschallwandlerelementes nach dem Abschalten des elektrischen Anregungsimpulses bzw. Steuersignales vermindert. Außerdem erhöht sich durch diese Maßnahme die Bandbreite 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 Diagnostikbetrieb mittels entsprechender Steuerspannungen angetriebenen, auf der einen Seite der dritten Elektrode liegenden Bereiches, welche das Ultraschallwandlerelement im Verhältnis 1:2 teilt, ein Drittel der gesamten Dicke des Ultraschallwandlerelementes beträgt, erscheint die Anpassungsschicht nun als 3/4λ-Anpassungsschicht bezüglich der Frequenz der Dickenresonanz des auf der einen Seite der dritten Elektrode liegenden Bereiches, wodurch das Ultraschallwandlerelement wiederum akustisch an das an den Ultraschallwandler angrenzende Ausbreitungsmedium angepaßt ist. Der auf der einen Seite der dritten Elektrode liegende Bereich kann somit mit Steuerspannungen, vorzugsweise in Form von Sinusbursts der dreifachen Frequenz bezüglich der beim Therapiebetrieb verwendeten Steuerspannungen betrieben werden.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der auf der einen Seite der dritten Elektrode liegende Bereich des Ultraschallwandlerelementes zusammen mit der Anpassungsschicht in voneinander unabhängige mit Steuersignalen ansteuerbare Einzelschwinger unterteilt. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Unterteilung in drei voneinander unabhängige Einzelschwinger, welche über ihre erste 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 Diagnostikbetrieb ungünstige Breiten-Dicken-Verhältnis des auf der einen Seite der dritten Elektrode liegenden Bereiches des Ultraschallwandlerelementes verbessert, so daß der Frequenzabstand zwischen Querschwingungs- und Dickenschwingungsmode vergrößert ist und die Gefahr einer unerwünschten Anregung eines parasitären Querschwingungsmodes, welcher das durch einen gezielt angeregten Dickenschwingungsmode erzeugte Ultraschallfeld 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 Ultraschallfeld bei der kürzeren Wellenlänge der Ultraschallwellen 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 Ultraschallwandlers 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 Bereiche im wesentlichen U2=U3=U4=+1/2 U1 sind. Wie im zuvor beschriebenen Fall ergibt sich auch bei dieser Ausführungsform des Ultraschallwandlers ein homogenes elektrisches Feld in dem Ultraschallwandlerelement, so daß sich der Ultraschallwandler 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 abgestimmten 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 Ultraschallwandlerelemente auf der der Anpassungsschicht gegenüberliegenden Seite mit Luft abzuschließen, wodurch der für den Therapiebetrieb des Ultraschallwandlers erforderliche hohe Leistungswirkungsgrad im Sinne einer kurzen Behandlungszeit für den Patienten erreicht wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das Ultraschallwandlerelement aus einer Piezokeramik, nämlich beispielsweise aus Vibrit 420, ausgeführt, welche aufgrund ihrer Materialparameter sowohl für den Therapie- als auch für den Diagnostikbetrieb eines Ultraschallwandlers gut geeignet ist. Die Anpassungsschicht 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 Ausbreitungsmediums bewirkt. Zusätzlich weist das mit Kupferpartikeln versetzte Epoxydharz eine relativ geringe Dämpfung für Ultraschallwellen auf und ist gut kühlbar, was innerhalb eines Ultraschallapplikators von großem Vorteil ist.
Eine Variante der Erfindung sieht vor, daß der Ultraschallwandler 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 Ultraschallwandlerelementes 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 hinausgehenden Fertigungsschritte für die Bildung der dritten Elektrode erforderlich.
Die Unterteilung der Anpassungsschicht und des auf der einen Seite der dritten Elektrode liegenden Bereiches des Ultraschallwandlerelementes erfolgt nach einer Variante der Erfindung 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 voneinander aufweisen.
Eine besonders bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, daß der Ultraschallwandler fokussierte Ultraschallwellen erzeugt, wobei der Ultraschallwandler auch in Form eines eine Vielzahl von Ultraschallwandler enthaltenden Ultraschallarrays 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 fokussierbare 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 akustischen Wellen den jeweiligen Bedürfnissen entsprechend auf elektronischem Wege zu verlagern, und andererseits im Ortungsbetrieb ein zu behandelndes Lebewesen mit den diagnostischen 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 eine Folie, beispielsweise eine Hostaphan-Abdichtfolie mit einer Dicke von ca. 20 µm, vorhanden ist, welche das Eindringen des an den Ultraschallwandler oder an das Array von Ultraschallwandlern 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-Array von Ultraschallwandlern konventioneller Bauart,
FIG 2
in schematischer Darstellung ein lineares Phased-Array von erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern,
FIG 3
die Draufsicht auf ein lineares Phased-Array von erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern,
FIG 4
die Ansicht des Schnittes IV-IV 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 Ultraschallwandlern gemäß FIG 3, und
FIG 7
ein durch zweidimensionale Finite-Element-Simulationen ermitteltes Ultraschall-Druckpulsspektrum.
FIG 2 zeigt von einem erfindungsgemäße Ultraschallwandler enthaltenden Ultraschallarray A fünf Ultraschallwandlern 81 bis 85. Jeder der dargestellten fünf Ultraschallwandler 81 bis 85 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 101 bis 105 und ein aus einer Piezokeramik, beispielsweise Vibrit 420, gebildetes Ultraschallwandlerelement 111 bis 115 auf. Jedes der fünf dargestellten Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 des Ultraschallarrays A ist mit je drei Elektroden versehen. Eine erste Elektrode 121 bis 125 befindet sich jeweils zwischen der Anpassungsschicht 101 bis 105 und dem Ultraschallwandlerelement 111 bis 115. Eine zweite Elektrode 131 bis 135 ist jeweils auf der der Anpassungsschicht 101 bis 105 gegenüberliegenden Seite der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 angebracht und eine dritte Elektrode 141 bis 145 teilt jeweils die Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 in einen der Anpassungsschicht 101 bis 105 benachbarten oberen Bereich 151 bis 155 und einen unteren Bereich 161 bis 165, wobei im vorliegenden Fall die Teilung durch die dritten Elektroden 141 bis 145 jeweils in einem Dickenverhältnis von 1:2 erfolgt. Der obere Bereich 151 bis 155 der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 ist zusammen mit der λ/4-Anpassungsschicht 101 bis 105 zusätzlich in jeweils drei Einzelschwinger unterteilt, so daß jeder Einzelschwinger für sich betrachtet nun drei erste Elektroden 12m1 bis 12m3 mit m=1(1)5 aufweist. Die ersten Elektroden 1211 bis 1253 der Einzelschwinger der Ultraschallwandler 81 bis 85 sowie die zweiten und dritten Elektroden der Ultraschallwandler 81 bis 85 sind voneinander unabhängig elektrisch kontaktierbar. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in FIG 2 im übrigen darauf verzichtet worden die Anpassungsschichten und die oberen Bereiche der Ultraschallwandlerelemente der Einzelschwinger der Ultraschallwandler 81 bis 85 getrennt mit Bezugszeichen zu versehen. Wenn daher im folgenden beispielsweise die Rede von den Anpassungschichten 101 bis 105 ist, sind damit die Anpassungsschichten aller Einzelschwinger der Ultraschallwandler 81 bis 85 gemeint.
Die Unterteilung der Anpassungsschichten 101 bis 105 und der oberen Bereiche 151 bis 155 der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 erfolgt im übrigen vorzugsweise aber nicht notwendigerweise durch Sägen, wobei die Breite der Einzelschwinger und der Abstand der Einzelschwinger voneinander bei jedem der Ultraschallwandler 81 bis 85 im wesentlichen konstant und gleich ist. Die Breite eines Einzelschwingers beträgt in der Regel ca. 50 - 100 µm und der Abstand der Einzelschwinger jedes der Ultraschallwandler 81 bis 85 voneinander ca. 25 - 50 µm. Der Abstand der Ultraschallwandler 81 bis 85 des Ultraschallarrays A beträgt ca. 50 - 100 µm (vgl. hierzu auch FIG 4).
Die dritten Elektroden 141 bis 145 der Ultraschallwandler 81 bis 85 des Ultraschallarrays A bilden im übrigen den gemeinsamen Massekontakt der oberen 151 bis 155 und unteren Bereiche 161 bis 165 der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115. Die Bildung einer solchen zwischen einem oberen und einem unteren Bereich eines Ultraschallwandlerelementes befindlichen dritten Elektrode 141 bis 145 kann vor der Unterteilung in Einzelschwinger beispielsweise durch Zusammenlegen zweier mit Kontaktflächen versehener Keramikschichten erfolgen, wobei die aneinander anliegenden Kontaktflächen jeweils die dritte Elektrode 141 bis 145 bilden. Bei Anwendung der Sintertechnik bietet es sich an, die dritten Elektroden 141 bis 145 im Zuge eines Sintervorganges zu bilden.
Eine Folie 17, beispielsweise eine Hostaphan-Abdichtfolie mit einer Dicke von ca. 20 µm, welche auf die Anpassungsschichten 101 bis 105 der Einzelschwinger der das Ultraschallarray A bildenden Ultraschallwandler 81 bis 85, z. B. mit dem Verbindungskleber Araldit, geklebt ist und sich somit zwischen den Anpassungsschichten 101 bis 105 der Einzelschwinger der Ultraschallwandler 81 bis 85 und dem akustischen Ausbreitungsmedium 9 befindet, verhindert das Eindringen von akustischem Ausbreitungsmedium in die zwischen den Einzelschwingern und den Ultraschallwandlern 81 bis 85 vorhandenen Zwischenräume. Dadurch ist sichergestellt, daß es zu keinen unerwünschten elektrischen Kontaktierungen zwischen den ersten, zweiten und dritten Elektroden der Ultraschallwandler 81 bis 85 durch das akustische Ausbreitungsmedium kommen kann.
Das Ultraschallarray A wird im Therapie- und im Diagnostikbetrieb als lineares Phased-Array betrieben und erzeugt Ultraschallwellen, welche elektronisch in einer Ebene fokussiert werden können. Diese Betriebsart des Ultraschallarrays A ist jedoch nicht zwingend notwendig.
Im Ortungsbetrieb erzeugt das Ultraschallarray A diagnostische akustische Wellen in Form von kurzen Ultraschallpulsen, deren Länge einige Halbperioden beträgt. Im Therapiebetrieb erzeugt das Ultraschallarray A zusätzlich fokussierte therapeutische akustische Ultraschallwellen. Bei diesen Ultraschallwellen handelt es sich um Dauerschall oder um gepulsten Dauerschall, der jeweils kurzzeitig zur Abstrahlung der diagnostischen Ultraschallwellen, die vorzugsweise ebenfalls fokussiert sind, unterbrochen wird.
Im Therapiebetrieb werden zur Erzeugung therapeutischer akustischer Ultraschallwellen alle Bereiche der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115, hierzu gehören die unteren Bereiche 161 bis 165 und die in jeweils drei Einzelschwinger unterteilten oberen Bereiche 151 bis 155 mit Steuersignalen vorzugsweise in Form von Sinusbursts angesteuert, wobei U2=U3=U4 =-1/2U1 gewählt ist, da die Polarisierung der unteren 161 bis 165 und oberen 151 bis 155 Bereiche im vorliegenden Fall im wesentlichen gleich ist. Wie der FIG 2 zu entnehmen ist, liegen die Steuersignale bzw. Steuerspannungen an jedem Ultraschallwandler 81 bis 85 an bzw. wird jeder Ultraschallwandler 81 bis 85 mit derartigen Steuerspannungen angesteuert. Die unteren Bereiche der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 werden jeweils über die zweite Elektrode 131 bis 135 mit der gegen Masse gerichteten Steuerspannung U1 und jeder Einzelschwinger eines der Ultraschallwandler 81 bis 85 über seine erste Elektrode 1211 bis 1253 mit einer gegen Masse gerichteten Steuerspannung U2, U3 oder U4 angesteuert, wobei ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit in der FIG 2 die elektrische Kontaktierung der ersten Elektroden der Einzelschwinger bzw. der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 nur exemplarisch anhand des Ultraschallwandlerelementes 111 dargestellt ist. Bei der Ansteuerung der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 muß im Therapiebetrieb die vorstehend genannte Beziehung zwischen den Steuerspannungen U1, U2, U3 und U4 eingehalten werden, um ein homogenes elektrisches Feld in den Ultraschallwandlerelementen 111 bis 115 zu erzeugen. Jeder der Ultraschallwandler 81 bis 85 des Ultraschallarrays A verhält sich dann wie ein Dickenschwinger, der im wesentlichen mit der Frequenz seiner Dickenresonanz schwingt und ein Einschwingverhalten aufweist, das dem der Ultraschallwandler 11 bis 15 des Ultraschallarrays aus FIG 1 vergleichbar ist. Über die λ/4-Anpassungsschichten 101 bis 105 der Einzelschwinger sind die Ultraschallwandler 81 bis 85 jeweils akustisch an das Ausbreitungsmedium für Ultraschallwellen 9 angepaßt, wobei die Dicken der λ/4-Anpassungsschichten 101 bis 105 für den Therapiebetrieb in der Regel auf die Betriebsfrequenzen von 1 - 3 MHz abgestimmt sind und ca. 200 - 600 µm betragen. Die Piezokeramik weist im übrigen eine Gesamtdicke von ca. 400 - 1200 µm auf, wobei ca. 2/3 der Gesamtdicke auf die unteren Bereiche 161 bis 165 und ca. 1/3 auf die oberen 151 bis 155 Bereiche der Piezokeramik bzw. der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 entfallen. Die Ultraschallwandler 81 bis 85 sind im übrigen auf den den Anpassungsschichten 101 bis 105 gegenüberliegenden Seiten der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 mit Luft abgeschlossen, womit der für den Therapiebetrieb erforderliche hohe Leistungswirkungsgrad eines jeden Ultraschallwandlers 81 bis 85 erreicht wird.
Im Diagnostikbetrieb des Ultraschallarrays A wird jeder untere Bereich 161 bis 165 jedes Ultraschallwandlerelementes 111 bis 115 mit einem auf die entsprechende Impedanz des unteren Bereiches 161 bis 165 abgestimmten elektrischen Widerstand abgeschlossen (vgl. FIG 6). Auf diese Weise werden Ultraschallwellen in den unteren Bereichen 161 bis 165 der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 stärker gedämpft, wodurch das mechanische Nachschwingen nach dem Abschalten des elektrischen Anregungsimpulses bzw. Steuersignales vermindert wird. Außerdem wird dadurch die Bandbreite des Ultraschallarrays A für eine gute Bildgebung im Vergleich zum ursprünglichen Array gemäß FIG 1 erhöht. In diesem Betriebsfall des Ultraschallarrays A werden jeweils nur noch die drei oberhalb der dritten Elektrode liegenden Einzelschwinger eines jeden Ultraschallwandlers 81 bis 85 mit Steuerspannungen U2, U3 und U4 angesteuert. Da die Dicke der oberen Bereiche 151 bis 155 der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 ca. 1/3 der Gesamtdicke der piezokeramischen Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115, welche zwischen 400 und 1200 µm liegt, beträgt, erscheint die Anpassungsschicht nun als 3/4λ-Anpassungsschicht bezüglich der im Diagnostikbetrieb vorliegenden Dickenresonanzfrequenz der Ultraschallwandler 81 bis 85, so daß die Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 wiederum akustisch an das Ausbreitungsmedium 9 angepaßt sind. Die Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115, speziell die drei Einzelschwinger jedes der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115, können somit im Diagnostikbetrieb mit der dreifachen Frequenz, also ca. 3 - 9 MHz, bezüglich der Sinusbursts beim Therapiebetrieb betrieben werden.
Durch die Unterteilung der oberen Bereiche 151 bis 155 der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 zusammen mit den Anpassungsschichten 101 bis 105 in jeweils drei voneinander unabhängige Einzelschwinger wird im übrigen dem andernfalls ungünstigen Breiten-Dicken-Verhältnis der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 in diesem Bereich im Diagnostikbetrieb Rechnung getragen. Dies führt zu einem größeren Frequenzabstand zwischen Querschwingungs- und Dickenschwingungsmode, wodurch die Gefahr einer unerwünschten Anregung eines Querschwingungsmodes reduziert ist, der ein gezielt durch Dickenschwingungen der oberen Bereiche 151 bis 155 der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 erzeugtes Ultraschallfeld stören könnte. Ein weiterer Vorteil dieser Unterteilung liegt in dem deutlich geringeren Abstand der Antennenelemente des Ultraschallarrays A, speziell der Einzelschwinger voneinander, wobei der Begriff Antennenelemente in Analogie zur Nachrichten- bzw. Hochfrequenztechnik verwendet wird und eine Vorrichtung bezeichnet, die elektromagnetische Wellen abstrahlen und empfangen kann. Dadurch ist die Entstehung von Nebenkeulen bei der kürzeren Wellenlänge der Ultraschallwellen im Diagnostikbetrieb in dem Ausbreitungsmedium 9 minimiert. Im übrigen muß die Unterteilung der oberen Bereiche 151 bis 155 der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 115 und der Anpassungsschichten 101 bis 105 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 Ultraschallwandlern mit anderen als den genannten Betriebsfrequenzen im Therapie- und Diagnostikbetrieb zu betreiben. In diesem Fall sind die Dicken der Ultraschallwandlerelemente, deren Unterteilung und die Dicken der n x λ/4-Anpassungsschichten auf die entsprechenden Betriebsfrequenzen abzustimmen.
Das Ultraschallarray A enthält übrigens in der Praxis insgesamt beispielsweise 128 oder 256 Ultraschallwandler. FIG 3 zeigt eine Draufsicht auf ein entsprechendes Ultraschallarray A mit z Ultraschallwandlern, wobei die Folie 17 und das Ausbreitungsmedium 9 in FIG 3 nicht vorhanden sind. In FIG 3 ist zu erkennen, daß die Ultraschallwandler 81 bis 8z 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 IV-IV aus FIG 3 in einer mit FIG 2 vergleichbaren Darstellung des Ultraschallarrays A. FIG 5 zeigt eine Seitenansicht des Ultraschallarrays A.
Die Ansteuerung der Ultraschallwandler 81 bis 8z wird im folgenden anhand des Blockschaltbildes in FIG 6 beschrieben, in der die Ultraschallwandler 81, 82 und 8z exemplarisch dargestellt sind. Diese sind jeweils über sechs verschiedene Signalleitungen, welche Bestandteil eines in FIG 6 nicht dargestellten Verbindungskabels sind, mit Schaltern S11 bis S1z, S21 bis S2z, S31 bis S3z und einer Schaltergruppe S41 bis S4z aus eigentlich je drei Schaltern, die im folgenden jedoch als ein einziger Schalter behandelt werden, verbunden. Die Schalter S11 bis S4z sind Bestandteil einer insgesamt mit 19 bezeichneten Steuer- und Bilderzeugungselektronik. Die Schalter S11 bis S4z, 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 Betätigen der Schalter S11 bis S4z durch die Ansteuerstufe 20 ist im übrigen durch eine strichlierte Linie nur schematisch angedeutet.
Wenn die Schalter S11 bis S4z ihre in FIG 6 dargestellte Schalterstellung einnehmen, die dem Ortungsbetrieb entspricht, befinden sich die Schalter S11 bis S1z in der Schaltposition 1, die Schalter S21 bis S2z und S31 bis S3z sind geöffnet und die Schalter S41 bis S4z sind geschlossen. In diesem Betriebsfall des Ultraschallarrays A sind die unteren Bereiche 161 bis 16z der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 11z über auf die entsprechenden Impedanzen der unteren Bereiche 161 bis 16z abgestimmte elektrische Widerstände Z1 bis Zz abgeschlossen. Die Widerstandswerte der Widerstände Z1 bis Zz sind dabei im wesentlichen gleich, können aber aufgrund leicht unterschiedlicher Impedanzwerte der unteren Bereiche 161 bis 16z der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 11z voneinander geringfügig abweichen. Des weiteren ist jeder Einzelschwinger jedes Ultraschallwandlers 81 bis 8z über je eine Signalleitung und je einen Schalter der Schaltergruppen S41 bis S4z mit einem entsprechenden Verzögerungsglied 211 bis 21y verbunden.
Sind dagegen die Schalter S11 bis S1z in der Schalterstellung 2, die Schalter S21 bis S2z und S31 bis S3z geschlossen und die Schalter S41 bis S4z geöffnet, wie es dem Therapiebetrieb entspricht, sind die unteren Bereiche 161 bis 16z der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 11z mit Verzögerungsgliedern 221 bis 22z verbunden. Die unteren Bereiche 161 bis 16z der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 11z werden dann über die Verzögerungsglieder 221 bis 22z mit gegen Masse gerichteten Steuerspannungen U1 vorzugsweise in Form von Sinusbursts angesteuert. Diese Sinusbursts werden auch über Anpaßschaltungen 231 bis 23z den Einzelschwingern zugeführt, wobei die Anpaßschaltungen 231 bis 23z bewirken, daß die Vorschrift U2=U3=U4=-1/2U1 für den Fall der im wesentlichen gleichen Polarisierung der oberen 151 bis 15z und unteren 161 bis 16z Breiche der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 11z im wesentlichen erfüllt ist.
Die Verzögerungszeiten der Verzögerungsglieder 211 bis 21y werden von einer Bilderzeugungsschaltung 24 über einen Leitungsbus 25 individuell eingestellt. Die Einstellung der Verzögerungszeiten erfolgt derart, daß dann, wenn die Verzögerungsglieder 211 bis 21y mittels des von der Bilderzeugungsschaltung 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 angeschlossenen Monitor 28 dargestellt. Sind die Einzelschwinger der Ultraschallwandler 81 bis 8z über die Verzögerungsglieder 211 bis 21y 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 Bilderzeugungsschaltung 24 die Schaltstellung des Schalters 26 so, daß die den mittels der Ultraschallwandler 81 bis 8z empfangenen reflektierten Anteile des Ultraschallimpulses entsprechenden Signale über die Verzögerungsglieder 211 bis 21y und den Schalter 26 zu der Bilderzeugungsschaltung 24 angelangen. Dabei sind die Verzögerungszeiten der Verzögerungsglieder 211 bis 21y derart eingestellt, daß die Abstrahlung des Ultraschallimpulses in einer ersten Richtung erfolgt. Dieser Vorgang 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 Ultraschallimpulses ergibt, daß schließlich die sektorförmige Körperschicht abgetastet ist. Aus den so erhaltenen elektrischen Signalen erstellt die Bilderzeugungsschaltung in an sich bekannter Weise beispielsweise ein B-Modus-Ultraschallbild. Im Ortungsbetrieb wiederholt sich im Anschluß hieran der beschriebene Ablauf von neuem mit der Folge, daß ein aktualisiertes Ultraschallbild erstellt wird.
An die Bilderzeugungsschaltung 24 ist ein Joystick 29 angeschlossen, mittels dessen es möglich ist, eine in das auf dem Monitor 28 dargestellte Ultraschallbild eingeblendete Marke F' zu verschieben. Eine Fokussierungssteuerung 30, die ebenfalls mit dem Joystick 29 verbunden ist, stellt dann über einen Leitungsbus 31 die einzelnen Verzögerungszeiten der Verzögerungsglieder 221 bis 22z derart ein, daß die dann von allen mittels eines Oszillators 32 angesteuerten Bereiche der Ultraschallwandlerelemente 111 bis 11z ausgehenden therapeutischen Ultraschallwellen auf eine Wirkzone fokussiert sind, wenn die Schalter S11 bis S1z, S21 bis S2z, S31 bis S3z und S41 bis S4z 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 entspricht.
Bei den therapeutischen Ultraschallwellen handelt es sich um Dauerschall oder um gepulsten Dauerschall. Die therapeutischen Ultraschallwellen werden im Therapiebetrieb, der im übrigen durch Betätigung des Tasters 33 beispielsweise durch den behandelnden Arzt eingeschaltet werden kann, periodisch kurzzeitig unterbrochen, um auch während des Therapiebetriebes das Ultraschallbild zu aktualisieren. Zu diesem Zweck wird die Bilderzeugungsschaltung 24 auf die Ansteuerstufe 20 ein und bringt die Schalter S11 bis S1z, S21 bis S2, S31 bis S3z und S41 bis S4z in die für die Erzeugung eines Ultraschallbildes 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 Folgefrequenz 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 Ultraschallwandler 81 bis 8z zur Erzeugung therapeutischer Ultraschallwellen mit einer ersten Frequenz f1=1 - 3 MHz an, die niedriger als die Frequenz f2=3 - 9 MHz der diagnostischen Ultraschallwellen ist, die die Ultraschallwandler 81 bis 8z bei Ansteuerung durch den Oszillator 27 im Ortungsbetrieb abgeben. 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 Genauigkeit zu orten und die Wirkzone mit erhöhter Genauigkeit in der zu behandelnden Zone zu positionieren.
Von entscheidender Bedeutung ist im allgemeinen, daß, wie bereits erwähnt und erläutert, die Ultraschallwandlerelemente 111 bis 11z sowohl im Therapie- als auch im Diagnostikbetrieb jeweils akustisch an das Ausbreitungsmedium angepaßt bzw. anpaßbar 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 dargestellten Druckpulsspektren wird deutlich, daß das Ultraschallarray der erfindungsgemäßen Ultraschallwandler gegenüber dem in FIG 1 dargestellten Array ein wesentlich breiteres Frequenzspektrum besitzt und hohe Druckamplituden aufweist. Das erfindungsgemäße Ultraschallarray erweist sich also aufgrund seiner akustischen Eigenschaften, insbesondere der akustischen Anpassung an das Ausbreitungsmedium im Therapie- und im Diagnostikbetrieb, als sehr gut für einen kombinierten therapeutischen und diagnostischen Betrieb zur Behandlung pathologischer Gewebeveränderungen in Körpern von Lebewesen geeignet.

Claims (19)

  1. Ultraschallwandler für den diagnostischen und therapeutischen Einsatz, welcher wahlweise im Diagnostikbetrieb oder Therapiebetrieb Ultraschallwellen unterschiedlicher Wellenlängen erzeugt, wobei die Wellenlänge der Ultraschallwellen im Diagnostikbetrieb geringer als die Wellenlänge der Ultraschallwellen im Therapiebetrieb ist, aufweisend n x λ/4-Anpassungsschicht (101 bis 10z) für ein an den Ultraschallwandler (81 bis 8z) angrenzendes Ausbreitungsmedium (9) für Ultraschallwellen, wobei n eine ungerade Zahl ist, und ein piezoelektrisches Ultraschallwandlerelement (111 bis 11z) mit einer zwischen der Anpassungsschicht (101 bis 10z) und dem Ultraschallwandlerelement (111 bis 11z) befindlichen ersten Elektrode (121 bis 12z bzw. 1211 bis 12z3), einer auf der der Anpassungsschicht (101 bis 10z) gegenüberliegenden Seite des Ultraschallwandlerelementes (111 bis 11z) angebrachten zweiten Elektrode (131 bis 13z) und einer dritten Elektrode (141 bis 14z), welche das Ultraschallwandlerelement (111 bis 11z) in einen auf der einen Seite der dritten Elektrode (141 bis 14z) liegenden, der Anpassungsschicht (101 bis 10z) benachbarten Bereich (151 bis 15z) und einen auf der anderen Seite der dritten Elektrode (141 bis 14z) liegenden Bereich (161 bis 16z) teilt und einen gemeinsamen Massekontakt für die beiden Bereiche bildet, wobei in Abhängigkeit von der Unterteilung des Ultraschallwandlerelementes (111 bis 11z) Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenz für den Diagnostik- und Therapiebetrieb erzeugbar sind, bei deren Erzeugung an den beiden Bereichen im Diagnostik- und Therapiebetrieb unterschiedliche elektrische Steuersignale anliegen, und wobei die n x λ/4-Anpassungsschicht (101 bis 10z) sowohl für die Wellenlänge der Ultraschallwellen im Diagnostik- als auch im Therapiebetrieb wirksam ist.
  2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, bei dem die dritte Elektrode (141 bis 14z) das Ultraschallwandlerelement (111 bis 11z) im Verhältnis 1:2 teilt.
  3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, bei dem im Therapiebetrieb an beiden Bereichen (151 bis 15z und 161 bis 16z) des Ultraschallwandlerelementes (111 bis 11z) Steuersignale anliegen, wobei an dem auf der einen Seite der dritten Elektrode (141 bis 14z) liegenden Bereich (151 bis 15z) eine Steuerspannung anliegt, welche bei im wesentlichen gleicher Polarisierung der beiden Breiche (151 bis 15z und 161 bis 16z) im wesentlichen gleich -1/2 und bei im wesentlichen entgegengesetzter Polarisierung der beiden Bereiche (151 bis 15z und 161 bis 16z) im wesentlichen gleich +1/2 der an dem auf der anderen Seite der dritten Elektrode liegenden Bereich (161 bis 16z) anliegenden Steuerspannung U1 ist.
  4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 oder 3, bei dem im Diagnostikbetrieb der auf der anderen Seite der dritten Elektrode (141 bis 14z) liegende Bereich (161 bis 16z) mit einem auf die entsprechende Impedanz abgestimmten elektrischen Widerstand (Z1 bis Zz) abgeschlossen ist und nur an dem auf der einen Seite der dritten Elektrode (141 bis 14z) liegenden Bereich (151 bis 15z) eine Steuerspannung anliegt.
  5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der auf der einen Seite der dritten Elektrode (141 bis 14z) liegende Bereich (151 bis 15z) des Ultraschallwandlerelementes (111 bis 11z) zusammen mit der Anpassungsschicht (101 bis 10z) in voneinander unabhängige, mit Steuersignalen ansteuerbare Einzelschwinger unterteilt ist.
  6. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, dessen auf der einen Seite der dritte Elektrode (141 bis 14z) liegender Bereich (151 bis 15z) des Ultraschallwandlerelementes (111 bis 11z) zusammen mit der Anpassungsschicht (101 bis 10z) in drei voneinander unabhängige, mit Steuerspannungen U2, U3 und U4 ansteuerbare Einzelschwinger unterteilt ist.
  7. Ultraschallwandler nach Anspruch 6, bei dem im Therapiebetrieb die Steuerspannungen bei im wesentlichen gleicher Polarisierung der beiden Bereiche (151 bis 15z und 161 bis 16z) im wesentlichen U2 = U3 = U4 = -1/2 U1 und bei im wesentlichen entgegengesetzter Polarisierung der beiden Breiche (151 bis 15z und 161 bis 16z) 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, dessen Ultraschallwandlerelement (111 bis 11z) auf der der Anpassungsschicht (101 bis 10z) gegenüberliegenden Seite mit Luft abgeschlossen ist.
  10. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dessen Ultraschallwandlerelement (111 bis 11z) aus einer Piezokeramik gebildet ist.
  11. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dessen Anpassungsschicht (101 bis 10z) aus einem mit Kupferpartikeln versetzten Epoxydharz ist.
  12. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 10 oder 11, der aus zwei Elementen aus Piezokeramik gebildet ist, die mit Kontaktflächen versehenen sind und mit ihren Kontaktflächen zur Bildung der dritte Elektrode (141 bis 14z) aneinander anliegen.
  13. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dessen Ultraschallwandlerelement als Sinterkörper ausgebildet ist, wobei die dritte Elektrode (141 bis 14z) im Zuge eines Sintervorganges gebildet ist.
  14. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dessen Anpassungsschicht (101 bis 10z) und dessen auf der einen Seite der dritten Elektrode (141 bis 14z) liegender Bereich (151 bis 15z) des Ultraschallwandlerelementes (111 bis 11z) 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 (81 bis 8z) enthaltenden Ultraschallarrays (A) ausgebildet ist.
  17. Ultraschallwandler nach Anspruch 16, der als lineares Array (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 (101 bis 10z) und dem Ausbreitungsmedium (9) befindliche Folie (17) aufweist.
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