DE19543741C1 - Elektroakustischer Wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler zur Erzeugung von fokussierten Schallwellen für die Beschallung körperinnerer Objekte, bei dem die Schallwellen mittels piezo­ elektrischer Wandlerelemente erzeugt und über ein Fluid als Koppelmedium auf den Körper des Patienten übertragen werden und bei dem die auf einem Träger befestigten Wandlerelemente an ihren aktiv abstrahlenden Seiten mit einer Schicht aus elek­ trisch isolierender Vergußmasse versehen sind, die auch die Räu­ me zwischen den jeweils benachbarten Wandlerelementen ausfüllt.

Ein solcher elektroakustischer Wandler ist aus der DE 39 32 959 C1 bekannt. Eine medizinische Anwendung dieser Wandler liegt in der Lithotripsie, bei der die mit dem Wandler erzeugten Ul­ traschallstoßwellen auf zu zerstörenden innere Objekte, wie Gal­ len- bzw. Nierensteine, fokussiert werden. Bei dem aus der oben genannten Patentschrift bekannten Wandler bildet die Vergußmas­ se eine Kunststoffschicht, die z. B. aus Polyuretan, Epoxidharzge­ misch oder Silikon besteht, so daß die einzelnen piezoelektrischen Wandlerelemente einschließlich ihrer Zwischenräume mit Aus­ nahme ihrer am Träger anliegenden Seite vollständig von dieser Vergußmasse umgeben sind. Der Vorteil einer solchen Konstruk­ tion besteht darin, daß die Kunststoffschicht nicht nur eine elek­ trische Isolation der einzelnen piezoelektrischen Wandlerelemente bewirkt, sondern auch die Aufgabe der Impedanzanpassung über­ nehmen kann, so daß ein solcher Wandler mit hohen Spannungen angesteuert werden kann.

Allerdings ergibt sich bei einem Wandler dieser Art, da er grund­ sätzlich über ein Fliud als Koppelmedium, nämlich üblicherweise Wasser, mit dem Körper eines Patienten in Kontakt gebracht wird, das Problem der Fluiddichtheit, insbesondere Wasserdichtheit. Da der Wandler bei der Behandlung des Patienten längere Zeit mit Wasser in Kontakt steht, kann es zu einer Wasseraufnahme in der als akustische Anpaßschicht und Isolierschicht wirkenden Kunst­ stoffschicht kommen. Eine Epoxidharzschicht kann im Wasser aufquellen, so daß es zur partiellen Ablösung der Schicht an den Piezoelementen und damit zu einem Ausfall der Wandlers kom­ men kann. Außerdem kann sich beim Wandler durch das Auf­ quellen der Kunststoffschicht ein allmählicher Leistungsabfall einstellen. Im klinischen Einsatz wir ein solcher Leistungsabfall meist zu spät bemerkt, und es kommt zu ungewünschten Wieder­ holungsbehandlungen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen elektroakustischen Wandler so zu verbessern, daß seine Leistung auch über längere Zeit trotz des Einsatzes unter Wasser konstant bleibt, indem das Eindringen von Wasser oder Wasserdampf in die Kunststoffschicht vermieden wird.

Um die Wasseraufnahme der elektrisch isolierenden Vergußmasse eines weiteren aus der DE 41 17 638 A1 bekannten elektroakusti­ schen Wandlers zu vermeiden, hat man statt des Epoxidharzes für die zwischen den Piezoelementen und dem Koppelfluid liegende Vergußmasse Fluorharz verwendet. Nachteil ist dabei ein schwer beherrschbarer und kostenintensiver Fertigungsprozeß, der zu einem hohen Prozentsatz nicht verwendbarer Ausschußteile ge­ führt hat.

Somit ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen auch insofern verbesserten, wasserresistenten Wandler zu schaffen, der einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.

Die obigen Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch einen elektroakustischen Wandler zur Erzeugung von fokussierten Schallwellen für die Beschallung körperinnerer Objekte, bei dem die Schallwellen mittels piezoelektrischer Wandlerelemente er­ zeugt und über ein Fluid als Koppelmedium auf den Körper des Patienten übertragen werden, bei dem die auf einem Träger befe­ stigten Wandlerelemente an ihren aktiv abstrahlenden Seiten mit einer Schicht aus elektrisch isolierender Vergußmasse versehen sind, die auch die Räume zwischen den jeweils benachbarten Wandlerelementen ausfüllt, und bei dem die Schicht mit einem folienartigen Belag aus Metall als zwischen dem Koppelmedium und der Schicht wirksame Fluidsperre versehen ist.

Der Belag kann eine Dicke in der Größenordnung von 30 bis 300 µm, bevorzugt 100 µm ± 10% haben.

Damit eine Korrision des Metallbelags auf seiner dem Koppelme­ dium zugekehrten Seite vermieden wird, kann er mit einem Korro­ sionsschutzmittel überzogen werden, welches eine Lackschicht oder eine Oxidschicht sein kann. Bevorzugt wird als Korrosions­ schutzmittel eine PE-Schicht, insbesondere eine PE-Folie einge­ setzt, so daß eine Verbundfolie aus der Metallfolie und der Kor­ rosionsschutzfolie aus Polyethylen entsteht, welche die Kunststoff­ schicht abdeckt und gegenüber dem Koppelmedium abdichtet.

Weiterhin ist der Metallbelag zwecks besserer Haftung an seiner der Vergußmasseschicht zugekehrten Seite aufrauht. Die Metall­ folie kann dort mit der Schicht verklebt sein.

Der folienartige Metallbelag kann eine tiefgezogene Metallfolie sein oder auch durch metallisches Bedampfen der Vergußmasse­ schicht hergestellt sein; alternativ kann der Metallbelag auch durch galvanische Metallisierung der Vergußmasseschicht herge­ stellt sein.

Insgesamt wird durch die Erfindung ein elektroakustischer Wand­ ler ermöglicht, bei dem unter Beibehaltung der bewährten Her­ stellungsweise der Wandlerkalotte durch Vergießen der Piezoele­ mente mit einer hochisolierenden Vergußmasse, insbesondere einer Kunststoff- oder Kunstharzvergußmasse, eine metallische Schutzschicht als Wasser- und Wasserdampfsperre auf die Front­ seite der konkav gekrümmten Wandlerfläche luftblasenfrei im Verbund mit der Vergußmasse aufbracht ist. Die Sperre ist dünn genug, um den kurzzeitigen Hubbewegungen der Piezoelemente bei Aussenden einer Ultraschallstoßwelle bzw. -druckwelle folgen zu können, ohne sich abzulösen und ohne die Transmissionscha­ rakteristik der erzeugten Ultraschallimpulse zum Koppelmedium hin nachteilig zu verändern.

Nachstehend werden der erfindungsgemäße Wandler in einer bevorzugten Ausführungsform sowie mehrere alternative Herstel­ lungsverfahren anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch eine Aus­ führungsform des erfindungsmäßen Wandlers;

Fig. 2, 3A und 3B schematisch Schritte eines Verfahrens zum Aufbringen einer Aluminiumfolie auf die konkave Wandlerfläche mittels Ver­ klebung;

Fig. 4-7 schematisch ein weiteres Verfahren, bei dem eine an die Oberflächenform des elektroakustischen Wandlers angepaßte Aluminiumfolie durch Tiefziehen herge­ stellt, auf eine Gegenform aufgelegt, mit Vakuum fixiert und die Gegenform mit der fixierten Alumini­ umfolie auf einen für den Verguß vorgesehenen Wandler, der mit Piezoelementen bestückt ist, auf­ gesetzt und befestigt wird (Fig. 7A und 7B).

Der kalottenförmige, elektroakustische Wandler 1 gemäß Fig. 1 besteht aus piezoelektrischen Wandlerelementen 2, die unter Einhaltung von Zwischenräumen 22 mit einer konkaven Unterlage bzw. einem Träger 18 verbunden sind. Die Wandlerelemente 2 sind zur Isolierung und gegebenenfalls zur elektroakustischen Impedanz mit einer Schicht 3 aus elektrisch isolierender Verguß­ masse überzogen, wobei auch die Zwischenräume 22 zwischen den piezoelektrischen Wandlerelementen 2 ausgefüllt sind. Auf diese an die Kalottenform des Wandlers angepaßte Schicht 3 aus z. B. Epoxidharzgemisch ist eine dünne Metallfolie 4 aufgebracht, die als Fluidsperre zwischen dem Koppelmedium 20 und der Schicht 3 dient. Nach außen, d. h. zum Koppelmedium 20 hin, ist die Metallfolie 4 mit einer Korrosionsschutzschicht 5 überzogen. Diese kann aus Polyethylen oder einer Folie aus Polyethylen bestehen, die mit der Metallfolie 4 verbunden ist und mit dieser eine Verbundfolie bildet. Die Korrosionsschutzfolie 5 kann z. B. 50 µm dick sein. Alternativ kann die Korrosionsschutzschicht auch aus Lack bestehen.

Die piezoelektrischen Wandlerelemente 2 sind durch Leitungen 11 verbunden und werden von einem Impulsgenerator 7 elektrisch angesteuert, welcher mit dem elektrisch leitenden Träger 18 und den Leitungen 11 elektrisch verbunden ist. Im Betrieb erzeugen die piezoelektrischen Wandlerelemente des Wandlers insgesamt eine Ultraschallstoßwelle oder Ultraschalldruckwelle, die durch das Koppelmedium hindurchgeht und auf einen Brennpunkt 15 fokussiert ist.

In bevorzugter Ausführungsform ist die Metallfolie 4 etwa 100 µm ± 10% dick und bildet eine sehr zuverlässige Fluidsperre, ins­ besondere Dampfsperre, die ein Eindringen des Koppelmediums in die Vergußmasseschicht 3 wirksam verhindert.

Nachstehend werden einige alternative Beispiele von Verfahren zur Herstellung des elektroakustischen Wandlers, insbesondere zum Aufbringen des folienartigen Metallbelags 4 beschrieben.

Allgemein muß ein Verfahren zum Aufbringen des folienartigen Metallbelags 4 auf die Schicht 3 sicherstellen, daß der Metall­ belag 4 eine wirksame Sperre bildet, die den kurzzeitigen Hubbe­ wegungen der piezoelektrischen Wandlerelemente 2 folgen kann, ohne sich abzulösen und ohne die Transmissionscharakteristik der erzeugten Impulse zum Koppelmedium 20 hin nachteilig zu ver­ ändern.

Metallische Beläge können unter anderem durch folgende Ver­ fahren auf eine bestehende Kunststoffschicht aufgebracht werden:
Bedampfen der Kunststoffschicht mit dem Metall im Hochvakuum (sputtern) oder
galvanische Metallisierung, entweder durch elektrolytische Abscheidung oder durch stromlose (chemische) Metallabschei­ dung.

Diese Verfahren haben allerdings nicht nur Vorteile. Es kann nämlich zu Fehlstellen bei der Metallisierung kommen, so daß der Metallbelag keine sichere Wassersperre bildet. Ferner sind meist die Haftungseigenschaften auf der Kunststoff- oder Kunstharz­ schicht ungenügend. Außerdem wirken sich bestimmte Fertigungs­ bedingungen, wie Hochvakuum, Temperatur sowie Elektrolytlösun­ gen qualitätsmindernd auf den Wandler aus.

Aus diesem Grunde werden, obwohl die vorerwähnten Verfahren grundsätzlich zur Herstellung des Metallbelags nicht auszuschlie­ ßen sind, nachstehend bevorzugte Beispiele zum Aufbringen einer dünnen, homogenen Metallfolie auf die konkav gekrümmte, kalot­ tenförmige Oberfläche des elektroakustischen Wandlers unter Bezug auf die Fig. 2 bis 7 beschrieben.

Die Metallfolie 4 muß dabei allgemein die Eigenschaften einer sicheren Fluidsperre, einer guten Schalltransmissionscharakteristik, einer guten Haftung auf dem Kunststoffuntergrund, einer guten Korrosionsbeständigkeit und hohen Lebensdauer sowie einer guten Verformbarkeit haben.

Als Metallfolien sind prinzipiell Folien aus Kupfer, Zinn, Blei, Magnesium, Aluminium sowie verschiedenen Legierungen einsetz­ bar. Bei jedem Material ergibt sich bei diskreter Resonanzfre­ quenz der aus Keramik bestehenden piezoelektrischen Wandler­ elemente eine theoretische Metallfoliendicke, die bezogen auf eine angenommene Wellenlänge λ einer emittierten Ultraschall­ welle 1/4 λ oder 3/4 λ beträgt, um optimale Schalldurchlässigkeit zu erreichen. Da jedoch bei den erzeugten Ultraschallwellen ein breites Frequenzband emittiert wird, führen diese Berechnungen nicht zum Ziel.

Versuche mit dünnen Metallfolien, deren Dicke im Bereich von 20 bis 300 µm lag, brachten nahezu keine meßbaren Transmissions­ verluste. Bei den oben genannten verschiedenen Metallfolienma­ terialien wurden z. B. Transmissionsverluste zwischen 0 bis 10% bei Foliendicken von 30 bis 300 µm gemessen.

Um die dauerhaft gleiche Schalltransmissionsfähigkeit zu gewähr­ leisten, muß eine gute Haftung ohne Lufteinschlüsse zwischen der Oberfläche der Epoxidharzschicht 3 und der Metallfolie erzielt werden. Dazu werden zwei Verfahrensalternativen zum Aufbringen der Metallfolie beschrieben:
Die Metallfolie wird auf die ausgehärtete Epoxidharzschicht ge­ klebt (Fig. 2, 3a, 3b), oder die Metallfolie wird mit der Ep­ oxidharzschicht 3 vergußtechnisch verbunden (Fig. 4 bis 7).

Die Praxis hat gezeigt, daß sich als Fluidsperre besonders eine Aluminumfolie eignet, deren Dicke im Bereich 30 µm bis 300 µm liegt. Da bei einer Dicke von 100 µm dieser Aluminiumfolie noch keine Verluste der Schalldurchlässigkeit nachgewiesen werden konnten, kann eine Aluminiumfolie mit einer Dicke von 100 µm gewählt werden. Die Aluminiumfolie muß bei der Fertigung knit­ ter- und faltenfrei auf die Wandleroberfläche aufgebracht werden. Dafür haben sich zwei Verfahrensweisen bewährt.

Zum einen kann eine mit einer Klebeschicht versehene Alumini­ umfolie auf die Oberfläche eines mit Epoxidharz vergossenen Wandlers aufgeklebt werden. Dieses Verfahren wird nachstehend anhand der Fig. 2, 3a und 3b erläutert.

Alle Öffnungen im Wandler werden luftdicht verschlossen. Eine Folie 14 aus weichem Aluminium (Aluminiumgehalt < 99%) mit einseitiger Klebefläche 23 wird eben auf den Wandler 1 aufgelegt. Weiterhin wird eine Abdeckplatte 15 mit hoher Kraft (Pfeile F) auf die Aluminiumfolie 14 gepreßt, und zwar so von oben, daß der Wandler 1 bzw. die Schicht 3 und die Aluminiumfolie 14 einen luftdichten Abschluß gewährleisten. Mittels einer Vakuumpumpe P wird der Raum 8 zwischen der Epoxidharzschicht 3 und der Folie 14 evakuiert. Nachdem ein Unterdruck von etwa 1000 mbar erreicht ist, wird bei weiterlaufender Vakuumpumpe P langsam ein Ventil V an der Abdeckplatte geöffnet. Dadurch kann Luft zwischen die Abdeckplatte 15 und die Aluminiumfolie 14 einströ­ men (Pfeil A), wodurch die Aluminiumfolie 14 langsam und gleichmäßig gegen die Wandleroberfläche gezogen wird. Damit eine hohe Klebekraft erreicht wird, sollte unter weiterlaufender Vakuumpumpe die Aluminiumfolie 14, wie in Fig. 3A gezeigt ist, nach Entfernen der Abdeckplatte 15 mit einer Druckrolle 17 (Druckkraft F < 10 N) angedrückt werden. Ein spiralförmiger Bahnverlauf 16 der Druckkraft, wie er in Fig. 3B gezeigt ist, verhindert irreparable Verformungen der Aluminiumfolie 14, wie z. B. Knitterfalten. Anschließend kann die Aluminiumfolie gegen Korrosion mit einem Speziallack überzogen werden.

Bei der Vergußtechnik wird zum anderen die Aluminiumfolie schon bei Verguß des Wandlers mit der Vergußmasseschicht 3 aufgebracht. Eine Aluminium/Polyethylen-Verbundfolie 24/34 wird auf einer an die Form des elektroakustischen Wandlers 1 ange­ paßten Tiefziehform 28 tiefgezogen (Fig. 4). Die Polyethylenfolie 34 befindet sich auf der Aluminiumfolie 24 an der der konkaven Vertiefung der Tiefziehform 28 entgegengesetzten Seite. Genau wie bei der Klebetechnik wird eine Abdeckplatte 15 mit hoher Kraft auf die ebene Verbundfolie 24/34 gedrückt. Dann erfolgt das Tiefenziehen der Verbundfolie dadurch, daß zunächst durch die Vakuumpumpe P im Raum 8 zwischen der Tiefziehform 28 und der Verbundfolie 24/34 ein Vakuum mit ausreichend hohem Unterdruck hergestellt wird. Danach wird das Ventil V langsam geöffnet, so daß ein Luftstrom A in den Raum 8 strömen kann. Dadurch wird die Verbundfolie 24/34 nach unten in die konkave, kalottenförmige Ausnehmung in der Tiefziehform 28 gezogen, bis sie dicht an der glatten Wandung derselben anliegt.

Gemäß Fig. 5 wird die fertig tiefgezogene Verbundfolie 24/34 auf eine Gegenform 38 gelegt und mit Hilfe eines durch eine Vaku­ umpumpe P erzeugten Vakuums fixiert. Dazu weist die Gegenform 38, wie Fig. 6 zeigt, feine Luftkanäle 39 in ihrer an der Verbund­ folie 24/34 anliegenden Fläche auf, wobei diese Luftkanäle 39 eine Verbindung mit dem zu Vakuumpumpe P führenden Kanal bilden.

Die Aluminiumfolie sollte, um eine möglichst hohe und gleichmä­ ßige Haftung zwischen Aluminium und der Vergußmasse zu er­ möglichen, mechanisch (durch Schmirgeln oder Sandstrahlen), chemisch oder elektrochemisch aufgerauht und danach gut gerei­ nigt werden. Das als Vergußmasse dienende Epoxidharz sollte auch eine gute Haftung auf Aluminium haben.

Anschließend wird, wie Fig. 7A zeigt, die Gegenform 38 mit daran haftender Verbundfolie 24/34 bei laufender Vakuumpumpe P auf einen mit piezoelektrischen Wandlerelementen 2 bestückten elek­ troakustischen Wandler aufgesetzt und mit diesem z. B. ver­ schraubt.

Schließlich wird gemäß Fig. 7B der Raum zwischen der Wandlerka­ lotte 18 und der Verbundfolie 24/34 mit Epoxidharz aus einem Vorratsbehälter 33 mittels einer Schlauchpumpe 32 luftfrei auf­ gefüllt. Dazu sind am Träger 18 ein Vergußmasseneinlaß 26 und ein Vergußmassenauslaß 27 vorgesehen. Die Vakuumpumpe P wird zweckmäßigerweise erst nach dem Härtungsprozeß abgeschaltet.

Claims (10)

1. Elektroakustischer Wandler zur Erzeugung von fokussierten Schallwellen für die Beschallung körperinnerer Objekte, bei dem die Schallwellen mittels piezoelektrischer Wandlerelemente (2) erzeugt und über ein Fluid als Koppelmedium (20) auf den Kör­ per des Patienten übertragen werden und bei dem die auf einem Träger (18) befestigten Wandlerelemente (2) an ihren aktiv ab­ strahlenden Seiten mit einer Schicht (3) aus elektrisch isolieren­ der Vergußmasse versehen sind, die auch die Räume zwischen den jeweils benachbarten Wandlerelementen (2) ausfüllt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) mit einem folienartigen Belag (4) aus Metall als zwischen dem Koppelmedium (20) und der Schicht (3) wirksame Fluidsperre versehen ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (4) eine in der Größenordnung von 30 bis 300 µm liegende Dicke hat.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (4) eine Dicke von 100 µ ± 10% hat.

4. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (4) auf seiner dem Kop­ pelmedium zugekehrten Seite mit einem Korrosionsschutzmittel (5) überzogen ist.

5. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (4) eine Metallfolie ist.

6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie (4) auf ihrer der Schicht (3) zugekehrten Seite aufge­ rauht ist.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Metallfolie (4) mit der Schicht (3) verklebt ist.

8. Wandler nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Metallfolie (4) ein tiefgezogenes Bauteil ist.

9. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der folienartige Belag (4) durch metallisches Bedampfen der Schicht (3) hergestellt ist.

10. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der folienartige Belag (4) aus einer galvanischen Metallisierung der Schicht (3) besteht.