Poröse Anpassungsschicht in einem Ultraschallapplikator

Abstract

 Der Ultraschallwandler (1) ist mit zwei Anpassungsschichten (9, 11) ausgerüstet. Die erste Anpassungsschicht (9) schließt dabei an die piezoelektrischen Wandlerelemente (7) an und ist aus einem porösen, keramischen Material gefertigt. Sie hat eine Impedanz von ca. 12 x 10⁶ kg/m². Die zweite Anpassungsschicht (11) mit einer Impedanz von ca. 4 x 10⁵ kg/m² ist dem zu untersuchenden Gewebe zugewandt. Die Porosität in der ersten Anpassungsschicht (9) läßt sich bei der Herstellung einstellen. Dadurch kann auch die akustische Impedanz um den genannten Wert von 12 x 10⁶ kg/m²s feinstufig variiert werden. Vorteilhafterweise ist die poröse keramische erste Anpassungsschicht (9) aus einem piezo elektrischen Material gefertigt. Dadurch läßt sich ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient gut an den der piezoelektrischen Wandlerelemente (7) anpassen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen Wandler, mit einer ersten Anpassungsschicht, die an den piezoelektrischen Wandler anschließt, und mit einer zweiten Anpassungsschicht, die auf der ersten Anpassungsschicht aufgebracht ist und im Ultraschallbetrieb einem zu untersuchenden Objekt zugewandt ist.

[0002] Ultraschallwandler der genannten Art werden verbreitet in der medizinischen Technik angewendet, um Aufschluß über die inneren Strukturen von Geweben und Organen in einem Patienten zu bekommen. Eine Schwierigkeit besteht dabei in der Einkopplung der Ultraschallwellen in den Patienten.

[0003] Der piezoelektrische Wandler medizinischer Ultraschallantennen umfaßt häufig einen Werkstoff, der eine relativ hohe akustische Impedanz aufweist. Materialien wie Keramiken aus Blei-Zirkonat-Titanat besitzen z.B. eine akustische Impedanz von ca. 30 x 10⁶ kg/m²s. Die Haut und das Gewebe des Patienten dagegen besitzt lediglich einen akustischen Widerstand von ca. 1,5 x 10⁶ kg/m²s. Um eine unerwünschte Reflexion an der Grenzschicht piezoelektrischer Wandler/menschliches Gewebe weitgehend zu vermeiden, wird zwischen Wandler und Gewebe eine Anpassungsschicht angeordnet.

[0004] Bisher wurde zur Transformation oder Anpassung der akustischen Impedanz des Keramik-Wandlers in bzw. an die des zu untersuchenden Objekts (z. B. menschliches Gewebe mit einer Impedanz von etwa 1,5 x 10 kg/m²s) eine einzige Anpassungsschicht aus einem Kunststoff mit einer akustischen Impedanz von ca. 3 x 10⁶ kg/m²s oder wenig mehr eingesetzt. Diese Anpassungsschicht hatte eine Dicke von λ /4. λ ist dabei die Wellenlänge, die entsprechend der Nennfrequenz des Ultraschallwandlers im Material vorliegt. Ein theoretisch günstiger Wert liegt bei 7 x 10⁶ _kg/m²s, wenn man von 30 x 10⁶ kg/m²s (Keramik) auf ₁,₅ x 1₀⁶ kg/m²s heruntertransformiert.

[0005] Diese Art der Anpassung mit einer einzigen Anpassungsschicht hat den Nachteil, daß sie nicht ausreichend breitbandig ist. Man ist deswegen zur Erzielung hoher Eindringtiefen und guter axialer Auflösung über einen großen Frequenzbereich hinweg bereits dazu übergegangen, eine erste und eine zweite Anpassungsschicht mit je λ/4 Dicke vorzusehen (vgl. Biomedizinische Technik, Band 27, Heft 7-8, 1982, S. 182-185). Die akustischen Impedanzen dieser beiden Anpassungsschichten betragen ca. 12 x 10⁶ kg/m's für die dem piezoelektrischen Ultraschallwandler zugewandte erste Anpassungsschicht und ca. ₄,2 x 10⁶ kg/m²s für die dem Gewebe oder Patienten zugewandte Anpassungsschicht. Auf diese Weise läßt sich eine wesentlich bessere Anpassung erzielen.

[0006] Materialien für die zweite Anpassungsschicht mit einer akustischen Impedanz von etwa 4,2 x 10 kg/m's lassen sich leicht finden oder fertigen. Es können dazu gängige Kunststoffe verwendet werden: Da die vorteilhaft einzusetzende akustische Impedanz der zweiten (Kunststoff-) Anpassungsschicht nur wenig von der Impedanz der UltraschallWandler-Keramik abhängt, ist die einmal gewählte Impedanz für alle PZT-Keramiken des Ultraschallwandlers gleichermaßen geeignet.

[0007] Ein Problem hingegen ist es, Materialien für die erste Anpassungsschicht zu finden, die eine mittlere akustische Impedanz besitzen sollte, welche wegen ihrer (theoretisch untermauerten) Abhängigkeit von der Impedanz der gerade verwendeten Piezokeramik des piezoelektrischen Wandlers in gewissen Grenzen frei wählbar sein sollte. Sie sollte unter den genannten Gegebenheiten ca. 12 x 10⁶ kg/m²s betragen. Mit natürlichen Materialien läßt sich eine solche akustische Impedanz nur schwer erreichen. So z.B. liegen Gase und Flüssigkeiten im Bereich von 0 bis ₄ x 10⁶ kg/m²s. Oberhalb des letztgenannten Wertes existiert ein gewisses Loch, d.h. Materialen mit einer solchen Impedanz gibt es praktisch nicht, und die Werte von Mineralien, Metallen usw, liegen erst wieder zwischen 14 und ca. 100 x 10⁶ kg/m's. Der hier angestrebte Bereich um ca. 12 x 10⁶ kg/m²s ist nur sehr schwer mit Hilfe von Glasverbindungen zu erreichen. So wird z.B. in der Regel in diesem Bereich Borosilikatglas eingesetzt. Der Einsatz dieses und anderer Gläser bringt aber eine Reihe von Nachteilen mit sich. Glas läßt sich nur zeit- und geldaufwendig verarbeiten. Manche Gläser sind im interessierenden Impedanzbereich zudem noch giftig; ihre Bearbeitung ist daher kritisch. Für den Hersteller solcher Ultraschallwandler mit zwei Anpassungsschichten kommt noch eine zusätzliche Schwierigkeit bei der Beschaffung hinzu. Sie besteht darin, daß Glashersteller nur an großem Absatz von Glasmengen interessiert sind und wenig Initiative zeigen, Mengen in der Größenordnung von einigen Gramm zu fertigen. Auch die Bereitschaft zur Entwicklung und Herstellung von anderen Gläsern mit den nötigen akustischen und mechanischen Eigenschaften ist gering.

[0008] Es wurde nun erkannt, daß gerade die erste Anpassungsschicht auf die Qualität des Ultraschallbildes entscheidenden Einfluß nimmt.

[0009] Aufgabe der Erfindung ist es daher, für einen UltraschallWandler der eingangs genannten Art eine erste Anpassungsschicht anzugeben, die bei der Fertigung bezÜglich ihrer akustischen Impedanz leicht einstellbar ist und deren mechanische Eigenschaften eine verhältnismäßig leichte Verarbeitung ermöglichen.

[0010] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste Anpassungsschicht aus einem porösen piezokeramischen Material besteht, dessen Porosität so gewählt ist, daß sich bei einer Schichtdicke von λ /4 eine vorgegebene akustische Impedanz mit einem Wert zwischen dem des piezoelektrischen Wandlers und dem der zweiten Anpassungsschicht ergibt, wobei Ä die Wellenlänge des Ultraschalls in der ersten Anpassungsschicht bei Nennfrequenz ist.

[0011] Dadurch, daß die akustische Impedanz des keramischen Materials von seiner Porosität abhängig ist, kann man die akustische Impedanz auf einfache Weise bei der Herstellung beeinflussen. Je nachdem, ob die Porenmenge und/ oder die Porengröße gezielt erhöht oder erniedrigt wird, ergibt sich eine kleinere bzw. größere akustische Impedanz. Ein Wert im kritischen Bereich um ca. 12 x 10⁶ kg/m²s kann durch Variieren der Porosität gut eingestellt werden. Es hat sich als Vorteil erwiesen, eine ganze Reihe von z.B. 10 porösen keramischen Anpassungsschichten herzustellen, die den Bereich um 12 x 10⁶ kg/m²s in Feinabstufungen von z.B. 0,2 x 10⁶ kg/m²s abdecken. All diese Anpassungsschichten erhalten bezüglich ihrer akustischen Impedanz eine Schichtdicke von X /4. Anhand von Versuchen kann dann ermittelt werden, welche dieser gefertigten 10 Anpassungsschichten eine optimale Anpassung für den vorhandenen piezoelektrischen Wandler ergibt.

[0012] Da das Grundmaterial für die erste Anpassungsschicht ein keramischer Werkstoff ist, läßt sich dieser gut verarbeiten. Er läßt sich leicht drehen, fräsen, kleben und schleifen.

[0013] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn die vorgegebene akustische Impedanz der ersten Anpassungsschicht einen Gradienten aufweist, welcher in Richtung auf den piezoelektrischen Wandler eine positive Steigung besitzt. Durch diese Maßnahme läßt sich erreichen, daß die erste Anpassungsschicht einen kontinuierlichen Übergang der akustischen Impedanz von ca. 30 x 10⁶ kg/m²s bis hinunter zu ca. 4 x 10⁶ kg/m¹s, dem Wert der zweiten Anpassungsschicht, gewährleistet. Dadurch wird der Ultraschallwandler in seinem Frequenzverhalten noch breitbandiger, als er ohnehin durch die Verwendung von zwei Anpassungsschichten ist.

[0014] Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 einen piezoelektrischen Wandler mit erster erfindungsgemäßer Anpassungsschicht,

Fig. 2 eine Darstellung des Verlaufs der akustischen Impedanz in Abhängigkeit von der Porenmenge und

Fig. 3 eine Anpassungsschicht mit kontinuierlich veränderter Porosität.

[0015] Figur 1 zeigt einen Ultraschallwandler 1, welcher insgesamt vier Schichten umfaßt: eine Dämpfungsschicht 3, eine Schicht 5, in welche eine Anzahl piezoelektrischer Wandlerelemente 7 eingebettet ist und die nachfolgend als "piezoelektrischer Wandler" bezeichnet wird, eine erste Anpassungsschicht 9 und eine zweite Anpassungsschicht 11. Die piezoelektrischen Wandlerelemente 7 strahlen impulsförmige akustische Wellen 13 im Ultraschallbereich in Richtung der ersten und zweiten Anpassungsschicht 9 bzw. 11 aus. Die akustischen Wellen 13 sollen möglichst ungehindert in ein zu untersuchendes Objekt, in diesem Fall in einen Patienten 15, eingekoppelt werden. Treffen die . akustischen Wellen 13 beim Übergang zum Patienten 15 auf Grenzflächen von Materialien unterschiedlicher akustischer Impedanz, ao werden sie an diesen zum Teil reflektiert, welches einen unerwünschten Nebeneffekt ergibt. Um dieses zu vermeiden, sind die beiden Anpassungsschichten 9, 11 vorgesehen. Die erste Anpassungssohicht 9 hat eine akustische Impedanz von ca. 12 x 10⁶ kg/m's, welches einen Mittelwert darstellt zwischen der Impedanz der piezoelektrischen Wandlerelemente 7 von ca. Z_K = 30 x 10⁶ kg/m's und der Impedanz der zweiten Anpassungsschicht 11 von ca. Z₂ = 4 x 10⁶ kg/m's. Die zweite Anpassungsschicht 11 wiederum liegt mit ihrem Wert Z₂ zwischen der akustischen Impedanz Z_l der ersten Anpassungsschicht 9 und der akustisehen Impedanz Z_g des Patientengewebes, die ungefähr Z_g = 1,5 x 10⁶ kg/m's beträgt. Als piezoelektrisches Wandlermaterial wird hier bevorzugt eine Keramik aus Blei-Zirkonat-Titanat verwendet. Diese hat einen relativ hohen Impedanzwert, nämlich Z_r = 34 x 10⁶ kg/m's.

[0016] Die Werte für die Anpassungsschichten 9, 11 errechnen sich näherungsweise aus den Formeln

und

[0017] wobei Z_l die akustische Impedanz der ersten Anpassungsschicht 9, Z₂ die Impedanz der zweiten Anpassungsschicht 11, Z_K die des piezokelektrischen Wandlers 7 und Z_g die des Gewebes an der Einkoppelstelle ist.

[0018] Die erste Anpassungsschicht 9 liegt mit dem angestrebten Wert Z_l ihrer akustischen Impedanz in einem Bereich, der mit natürlichen Werkstoffen nur schwer zu erreichen ist. Aus diesem Grund umfaßt die erste Anpassungsschicht 9 ein Material vergleichsweise hoher Impedanz, das mit Hohlräumen oder Poren 17 versehen ist, die das akustische Verhalten des gewählten Materials verändern, u.a. die Impedanz herabsetzen. Vorzugsweise wird als Material für die erste Anpassungsschicht 9 eine poröse Keramik gewählt. Sie läßt sich gut und leicht verarbeiten. Die Schichtdicke der Anpassungsschichten 9 und 11 beträgt jeweils λ /4. λ ist dabei die Wellenlänge des Ultraschalls in den Anpassungsschichten 9, 11. Sie entspricht der Frequenz, mit der die piezoelektrischen Wandler 7 angeregt werden.

[0019] Es ist bei der Fertigung des Ultraschallwandlers 1 häufig von vorneherein nicht genau anzugeben, welchen Wert die akustische Impedanz der ersten Anpassungsschicht 9 aufweisen muß. Dieser Wert hängt unter anderem von der akustischen Impedanz Z_K der piezoelektrischen Wandlerelemente 7 selber ab, die eine gewisse Streubreite hat, und auch von der Impedanz der zweiten Anpassungsschicht 11, die bevorzugt aus Kunststoff besteht und in ihrem Wert auch variieren kann. Es ist deswegen wünschenswert, eine Anzahl erster Anpassungsschichten 9 zur Verfugung zu haben, deren akustischen Impedanzen eine Abstufung aufweisen. Es kann dann durch Versuche mit dem Ultraschallwandler 1 ermittelt werden, welche dieser Anpassungsschichten 9 geeignet ist, um in dem betreffenden Ultraschallwandler 1 fest und endgültig eingebaut zu werden. Um diese Einstellung und Abstufung der akustischen Impedanz Z_l zu erreichen, ist die erste Anpassungsschicht 9 mit gleichmäßig verteilten Poren 17 versehen. Die Poren 17 lassen sich bei der Herstellung in ihrer mittleren Dichte und/oder in ihrer Größe variieren, wodurch die akustische Impedanz Z_l gezielt unterschiedliche Werte annimmt. Auf diese Weise kann ein Sortiment fein abgestufter erster Anpassungsschichten 9 gefertigt werden, aus welchen die günstigste dann ausgewählt wird.

[0020] Figur 2 zeigt ein Diagramm, in welchem die akustische Impedanz der ersten Anpassungsschicht 9 aufgetragen ist über dem Porenanteil oder der Porosität (in %) in der ersten Anpassungsschicht 9. Die erste Anpassungsschicht 9 besteht hier bevorzugt aus Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik. Auch ein anderes Material mit Werten im angestrebten Impedanzbereich kann gewählt werden. Diagramm nach Figur 2 wird die angestrebte akustische Impedanz von etwa 12 x 10⁶ kg/m²s bei einer Porosität von ungefähr 36 % erreicht. Durch Variieren dieser Prozentzahl im Bereich + 2 % kann der Bereich der akustischen Impedanz z. B. zwischen 11 und 13 x 10⁶ kg/m²s variiert werden. Durch kleine Änderungen in der Porosität, z.B. in der Größenordnung von 1 _%, läßt sich hier also eine Feinabstufung der akustischen Impedanz Z_l der ersten Anpassungsschicht 9 erreichen. Dies gilt im Prinzip auch für andere Materialien.

[0021] Die Frequenzkonstanten der verschiedenen in Frage kommenden komplexen Keramiksysteme (Mischkristalle) auf der Basis von z.B. PbTi0₃ und PbZr0₃, das mit einem zweiten komplexen Oxid wie z.B. Pb(Mg_1/3 Nb_2/3)0₃ mit eventuell zusätzlichen Dotierstoffen versetzt ist, unterscheiden sich nur wenig voneinander. Über die Einstellung der Porosität beim Herstellen kann daher für jede Wandler Keramikmasse eine erste Anpassungsschicht 9 mit der gewünschten akustischen Impedanz von ca. 12 x 10⁶ kg/m^ls hergestellt werden.

[0022] Die zuvor genannten komplexen Keramiksysteme haben allesamt den weiteren Vorteil, daß sie piezoelektrische Eigenschaften besitzen. Dieses ist von Bedeutung insbesondere bezüglich der thermischen Ausdehnung der ersten Anpassungsschicht 9. Diese muß nämlich angepaßt sein an diejenige der piezoelektrischen Wandlerelemente 7. Bestehen nun sowohl die piezoelektrischen Wandlerelemente 7 als auch die erste Anpassungsschicht 9 aus einem piezokeramischen Material, so liegen ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten so dicht beieinander, daß sich die erste Anpassungsschicht 9 z.B. durch Zusatz von Dotierstoffen in ihrer thermischen Ausdehnung den piezoelektrischen Wandlerelementen 7 anpassen läßt. Dadurch werden mechanische Spannungen mit Rißbildung oder gar Bruch an der Grenzschicht verhindert. Die poröse erste Anpassungsschicht 9, die auf der Basis eines piezoelektrischen Materials gefertigt ist, liegt in ihrem thermischen Ausdehnungskoeffizienten etwa zwischen 1 und 10 ppm/K.

[0023] Figur 3 zeigt eine erste Anpassungsschicht 9, in welcher die Dichte der Poren 17 unterschiedlich verteilt ist. Zur zweiten Anpassungsschicht 11 hin befinden sich mehr Poren 17 als zur oberen Seite hin, die an den piezoelektrischen Wandler 5 anschließt. Diese unterschiedliche Porendichte, d.h. die nach oben abnehmende Porenkonzentration und/oder -größe, bewirkt auch eine unterschiedliche akustische Impedanz, die sich im Verlaufe der ersten Anpassungsschicht 9 von oben nach unten hin verringert (Gradient). Es ist somit möglich, die erste Anpassungsschicht 9 so zu gestalten, daß sie an ihrer oberen Seite, also der Grenzschicht zum piezoelektrischen Wandler 7, eine akustische Impedanz Z_K von ca. 30 x 10 kg/m^ls aufweist und an ihrer unteren Seite, die zur zweiten Anpassungsschicht 11 weist, eine akustische Impedanz von ca. 4 x 10⁶ kg/m's besitzt. Es ist also möglich, die erste Anpassungsschicht 9 so herzustellen, daß sich ihre akustische Impedanz Z₁ in Deckenrichtung kontinuierlich zwischen zwei gewünschten Werten ändert. Eine Anpassungsschicht 9 dieser Art mit einem Impedanzgradienten ergibt eine besonders breitbandige Anpassung.

[0024] Der Porositätsgradient kann z.B. dadurch erreicht werden, daß die Anpassungsschicht in einem Foliengießverfahren hergestellt wird. Dem Gießschlicker wird Perlpolymerisat zugesetzt, welches sich aufgrund der Schwerkraft entmischt. Sowohl durch die Viskosität des Gießschlickers für die Folie der ersten Anpassungsschicht 9 als auch durch den Verlauf der anschließenden Sinterung können unterschiedliche Gradienten eingestellt werden.

[0025] Auch hier ist es wieder vorteilhaft, eine größere Anzahl von in ihrem Impedanzgradienten unterschiedlichen ersten Anpassungsschichten 9 zu fertigen und hinterher durch Versuch und Probieren zu entscheiden, welche von diesen ersten Anpassungsschichten 9 die geeignete zum Einbau in den Ultraschallwandler 1 ist. Dieses experimentelle Auffinden der geeigneten ersten Anpassungsschicht 9 ist deswegen angebracht, weil eine Vielzahl von Kriterien berücksichtigt werden müssen, deren gegenseitige Einflüsse und Wechselwirkungen nur im Versuch ermittelt werden können. So z.B. sollte für jede erste Anpassungsschicht 9 geprüft werden, wie sie sich auf die Empfindlichkeit des Ultraschallsenders oder -empfängers, auf die Pulsform des Sendeimpulses, auf dessen Pulslänge, auf Phasensprünge usw. auswirkt. Neben diesen Kriterien, die die Bildqualität beeinflussen, ist noch der thermische Ausdehnungskoeffizient und die Schichtdicke der ersten Anpassungsschicht 9, die immer nur näherungsweise > /4 entsprechen kann, entscheidend.

Ansprüche

1. Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen Wandler, mit einer ersten Anpassungsschicht, die an den piezoelektrischen Wandler anschließt, und mit einer zweiten Anpassungsschicht, die auf der ersten Anpassungsschicht aufgebracht ist und im Ultraschallbetrieb einem zu untersuchenden Objekt zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Anpassungsschicht (9) aus einem porösen piezokeramischen Material besteht, dessen Porosität so gewählt ist, daß sich bei einer Schichtdicke (dl) von λ /4 eine vorgegebene akustische Impedanz (Z_l) mit einem Wert zwischen dem des piezoelektrischen Wandlers (5) und dem der zweiten Anpassungsschicht (11) ergibt, wobei λ die Wellenlänge des Ultraschalls in der ersten Anpassungsschicht (9) bei Nennfrequenz ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das poröse Material der ersten Anpassungsschicht (9) ein Mischkristall ist, der PbTi0₃ und PbZr0₃ enthält.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Mischkristall ein weiteres komplexes Oxid enthält.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Mischkristall als komplexes Oxid Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃ enthält.

5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Mischkristall einen zusätzlichen Dotierstoff enthält.

6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die akustische Impedanz (Z_l) der ersten Anpassungsschicht (9) zwischen 11 und 13 kg/m²s liegt.

7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die vorgegebene akustische Impedanz (Z_l) der ersten Anpassungsschicht (9) einen Gradienten aufweist, welcher in Richtung auf den piezoelektrischen Wandler (5) eine positive Steigung besitzt.

8. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der ersten Anpassungsschicht (9) annähernd demjenigen des piezoelektrischen Wandlers (5) entspricht.

9. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Anpassungsschicht (11) eine Dicke (d2) von λ/4 besitzt und aus einem Kunststoff besteht.

10. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die erste und die zweite Anpassungsschicht (9, 11) zu einer gemeinsamen porösen Anpassungsschicht zusammengefaßt sind, deren Porenverteilung einen Gradienten aufweist.

Zeichnung