Ultraschallgenerator. Die Erfindung betrifft einen Ultraschall generator für medizinische Zwecke.
In der Ultraschalltherapie ist. die Frage der Dosierung der Ultraschallenergie näher untersucht worden. Dabei hat sich heraus gestellt, dass infolge der Wellennadir der Ultraschallstrahlung Interferenzerscheinun- gen auftreten, deren 1Viehtbeaehtung unter Umständen zu Schädigungen des Patienten führen kann. Es bilden sieh nämlich beson ders im Nahfeld des Strahlers durch Inter ferenz Schwingungsmaxima und -miiiima aus, das heisst. Stellen, innerhalb derer die Energie ungleichmässig verteilt ist. Diese Erscheinung ist besonders dann zu beobachten, wenn das Verhältnis von Strahlerdurehmesser zur Wellenlänge gross ist.
Die ungleichmässige Verteilung der Ener gie erstreckt sieh nicht. nur auf die Tiefen ausdehnung des Ultraschallfeldes, so dass z. B. tiefer liegende Gewebefelder eine stärkere Intensität erhalten, als weiter an der Ober fläche liegende Teile, sondern auch die Quer- verteilunb der Strahlungsintensität kann starken Schwankungen unterworfen sein. Die Extremwerte der Intensität können dabei wesentlich höher liegen als der bei der Dosie rung erfasste Mittelwert.
Da für die thera peutische Wirkung in vielen Fällen die bei der Schallbehandlung anfallende Wärme ver antwortlich ist, hat man v ersuelit, eine örtlich zu hohe Belastung dadurch unschädlich zu machen, dass durch eine Hin- und Herbewe- gung des Behandlungskopfes die örtlichen Schwankungen der Intensitätsverteilung aus geglichen werden.
Man ist auch dazu über gegangen, durch ein leichtes hydromechani sches Triebwerk im Innern des Behandhuigs- kopfes einen Magnetostriktionsschwinger hin und her zu bewegen, um bei der Handhabung des Behandlungskopfes diese Hin- und Her bewegung zu erübrigen.
Die Erfindung geht davon aus, dass die Lage der Interferenzmaxima und -minima von der Wellenlänge des Ultraschallstrahlers abhängig ist, das heisst., die Intensitäts verteilung ändert. sieh bei Änderung der Fre quenz des Ultraschallstrahlers. Gemäss der Erfindung wird der Ultraschallgenerator daher mit einer Einrichtung versehen, durch die die Frequenz der ausgestrahlten Ultra schallschwingung rhythmisch verändert, das heisst moduliert oder gewobbelt wird.
Durch die Frequenzänderung werden die Stellen grösster Intensität im Rhvthiniis der yVobbel- frequenz verlagert oder verschoben, so da i') eine Verwischung oder vollständige Beseiti gung der Intensitätsmaxima eintritt und eine gleichmässige Bestrahlung innerhalb des vom Strahler erfassten Bereiches erzielt wird.
Zu einem andern Zweck ist die Wobbelung der Ultraschallfrequenz bereits bei Material untersuchungen angewendet worden, nämlich um stehende Wellen in dem untersuchten Körper durch Mehrfachreflexionen zwischen Grenzfläelien zu verhindern, die den Sehat- tenwurf einer Störstelle im Ultraschallfeld verwaschen.
Da die Ultraschallgeneratoren meistens eine ausgeprägte Resonanzfrequenz auf-wei- sen, ist. es zweckmässig, die mittlere Frequenz des bei der Wobbelung überstrichenen Fre quenzbereiches so zu wählen, dass sie gleieli der Resonanzfrequenz des Ultraschallstrahlers ist. Bei der 'Vobbelung tritt. dann auch eine Intensitätsschwankung ein. Diese kann, falls erwünscht, durch entsprechende Wall des Wobbelhubes so weit geführt werden, dass die Energie der Ultraschallstrahlung jeweils bis praktisch auf Null abnimmt. Der Schall umsetzer liefert. dann kurze Wellenzüge von Ultraschallenergie.
Auf diese Weise lä.sst sieh durch Änderung des Wobbelhubes auch die Intensität der Gesamtbestrahlung, das heisst der -Mittelwert der abgestrahlten Energie bei gleicher Spitzenleistung dosieren.
Zur Modulierung der Ultraschallstrahlung können sinusförmig verlaufende Sehwirig-Lin- gen oder aueli Wellenzüge anderer Kurven- forin. verwendet werden. So kann es z. P#. zweckmässig sein, die Wobbelung so durch zuführen, dass die Frequenzänderung linear mit der Zeit erfolgt. Dies lässt sich z.
B. durch eine Modulation mit sägezahnartig verlau fenden Sehwingtingen herbeiführen. In an- clern Fällen kann es erwünscht sein, die Am plituden durch die Wobbelung linear mit der Zeit zu ändern. In diesem Fall wird man die Kurvenform in Abhängigkeit von dein Ver lauf der Resonanzkurve wählen.
Die Erfindung ist insbesondere bei ma- gnetostriktiven und piezoelektrischen Sehwin- gern anwendbar.
Die Frequenzwobbelung wird zweckmässig in dem elektrischen Schwingungsgenerator durchgeführt, der die den eigentlichen Ultra schallerzeuger erregende elektrische Sehwin- gung liefert.
Das in Fig. 1 dargestellte Aiusführungs- beispiel ist ein Ultraschallgenerator üblicher Art, dessen Frequenz nach Art einer Fre- quenzmodulation durch die Wobbelfrequenz geändert wird. In einer Generatorröhre 1 wird eine hochfrequente Schwingung in einer üblichen Rüekkopplungssehaltnng erzeugt. Dein Schwingkreis von z.
B.<B>800</B> kHz Eigen frequenz ist. eine Reaktanzröhre parallel geschaltet, deren Blindwiderstand durch eine 'N\Tabbelfrequenz, die bei 3 erzeugt wird, ge- ändert wird. Zur Wobbelun- kann z. B. eine sägezahnartig verlaufende @Sehwingung be nutzt werden. Die in der Frequenz modulierte Schwingung wird dann dein Sehallumsetzer, in diesem Falle einem Quarz 4 zugeleitet.
Die Frequenz des Generators wird je naeb dem Behandlungszweck gewählt, sie kann bis zu einigen Megahertz betragen. Die Wobbe- lung kann auch in Abänderung der oben be schriebenen Schaltung mechanisch dureli die Kapazitätsändeiaing eines von einem Motor 6 angetriebenen Drehkondensators 5 erfolgen. Eine derartige Anordnung ist in Fig. \? dar gestellt.
Hierbei lässt siele durch nieelianische Mittel der Kurvenverlauf in gewünschter Weise beeinflussen. Zur Änderung der Fre quenz kann auch das nia;gnetisehe Feld der Seliwingkreisspule dureli rhythmische Be einflussung mittels elektrisch leitfähier Ma terialien hervorgerufen werden.
Eine' Induk- tivitätsänderung ist aueli, durch entspre chende Bewegungen magnetisch leitfähiger Materialien möglich. Sehliesslieh kann die Vormagnetisierung einer Spule mit Hoch frequenzeisenkern im Takte der Wobbel- frequenz geändert und so die Frequenzmodu- lation herbeigeführt werden..
Die Wobbelfrequenz wird zweckmässig wesentlich niedriger als die Frequenz des Ultraschallstrahlers gewählt, z. B. in der Grössenordnung von eini;-en Hertz; je naeb den Abstrahlverhältnissen des Seha.llunisetzers können auch höhere Wobbelfrequenzen zweek- mässig sein.
Die Anwendung ist nicht auf medizinische Zwecke beschränkt, auch für allgemein biolo- gIsehe Behandlungen und Untersuchungen sowie bei der Bestrahlung von leblosen Steh stanzen kann die Wobbelung zweckmässig sein, wenn es darauf ankommt, die Energie- verteilung im Nahfeld möglichst gleichmässig zu gestalten.
Wird die Frequenz eines Ultraschall g>,enerators, der mit 800 kHz schwingt, z. B. in den (grenzen von 700 bis 900 kIlz gewob- belt, dann würde die Amplitude der Schwin- ran,#- bei den Extremwerten des Frequen,_- hubes wesentlich kleiner sein als bei der Mit telfrequenz. Uni eine gleichmässige Str:
?h- lungsintensität über den ganzen Frequer!z- bereieh zu erhalten, ist es zweckmässig, die Amplitude ebenfalls zii modulieren, und z;vai, vorzugsweise Berat, dass sieh bei allen Fre quenzen dieselbe Maximalamplitude bzw. der Bleiehe Durchschnittsweit. ergibt.
Die Amili- tude wird also ebenfalls im Takt der Wobbel- frequenz bzw. mit der doppelten Frequ ni geändert.
Ultrasonic generator. The invention relates to an ultrasonic generator for medical purposes.
In ultrasound therapy is. the question of the dosage of the ultrasonic energy has been investigated. It turned out that as a result of the wave direction of the ultrasound radiation, interference phenomena occur, which, under certain circumstances, can lead to damage to the patient. Specifically, it forms vibration maxima and minima in the near field of the radiator due to interference, that is to say. Places within which the energy is unevenly distributed. This phenomenon can be observed especially when the ratio of the radiator diameter to the wavelength is large.
The uneven distribution of energy does not extend. only to the deep expansion of the ultrasonic field, so that z. For example, deeper-lying tissue fields receive a greater intensity than parts lying further on the surface, but the transverse distribution of the radiation intensity can also be subject to strong fluctuations. The extreme values of the intensity can be significantly higher than the mean value recorded during the dosing.
Since the heat generated during sound treatment is responsible for the therapeutic effect in many cases, it is v ersuelit to render a locally excessive load harmless by moving the treatment head back and forth, causing local fluctuations in the intensity distribution be balanced out.
One has also gone over to moving a magnetostriction oscillator back and forth by means of a light hydromechanical drive mechanism inside the treatment head in order to make this back and forth movement superfluous when handling the treatment head.
The invention assumes that the position of the interference maxima and minima is dependent on the wavelength of the ultrasonic emitter, that is, the intensity distribution changes. see when changing the frequency of the ultrasonic emitter. According to the invention, the ultrasonic generator is therefore provided with a device by means of which the frequency of the emitted ultrasonic vibration is rhythmically changed, that is to say is modulated or wobbled.
As a result of the change in frequency, the points of greatest intensity in the rhythm of the yVobbel frequency are shifted or displaced so that i ') the intensity maxima are blurred or completely eliminated and uniform irradiation is achieved within the area covered by the radiator.
For another purpose, the wobbling of the ultrasonic frequency has already been used in material examinations, namely to prevent standing waves in the examined body due to multiple reflections between boundary surfaces which wash out the shadow cast of an interference point in the ultrasonic field.
Since the ultrasonic generators mostly have a pronounced resonance frequency, is. It is expedient to select the mean frequency of the frequency range swept over during the wobble so that it is the same as the resonance frequency of the ultrasonic emitter. When 'Vobbelung occurs. then also a fluctuation in intensity. If desired, this can be guided through a corresponding wall of the wobble stroke so far that the energy of the ultrasonic radiation decreases in each case to practically zero. The sound converter delivers. then short wave trains of ultrasonic energy.
In this way, by changing the wobble stroke, you can also adjust the intensity of the total irradiation, i.e. the mean value of the emitted energy with the same peak power.
To modulate the ultrasonic radiation, sinusoidally running Sehwirig lines or wave trains of other curve shapes can be used. be used. So it can be P #. It may be expedient to carry out the sweep in such a way that the frequency change occurs linearly with time. This can be done e.g.
B. bring about a modulation with sawtooth-like verlau fenden Sehwingtingen. In other cases it may be desirable to change the amplitudes linearly over time using the wobble. In this case, you will choose the curve shape depending on your course of the resonance curve.
The invention can be used in particular in magnetostrictive and piezoelectric sight glasses.
The frequency sweeping is expediently carried out in the electrical oscillation generator which supplies the electrical visual oscillation which excites the actual ultrasound generator.
The example shown in FIG. 1 is an ultrasonic generator of the usual type, the frequency of which is changed in the manner of frequency modulation by the wobble frequency. In a generator tube 1, a high-frequency oscillation is generated in a conventional feedback loop. Your oscillating circuit of z.
B. <B> 800 </B> kHz natural frequency. a reactance tube connected in parallel, the reactance of which is changed by a 'N \ tabbel frequency which is generated at 3. For Wobbelun- z. B. be used a sawtooth-like @seye oscillation. The frequency-modulated oscillation is then fed to the Sehall converter, in this case a quartz 4.
The frequency of the generator is chosen depending on the purpose of the treatment; it can be up to a few megahertz. In a modification of the circuit described above, the wobble can also take place mechanically by changing the capacitance of a variable capacitor 5 driven by a motor 6. Such an arrangement is shown in Fig. represented.
In doing so, she allows the course of the curve to be influenced in the desired manner by means of nieelian means. In order to change the frequency, the normal field of the self-aligning circuit coil can also be produced by rhythmic influence by means of electrically conductive materials.
A change in inductivity is only possible through appropriate movements of magnetically conductive materials. Finally, the premagnetization of a coil with a high-frequency iron core can be changed in the cycle of the wobble frequency and thus the frequency modulation can be brought about.
The wobble frequency is expediently chosen to be much lower than the frequency of the ultrasonic emitter, e.g. B. in the order of magnitude of a few Hertz; Depending on the radiation conditions of the Seha.llunisetzers, higher wobble frequencies can also be two-dimensional.
The application is not restricted to medical purposes, also for general biological treatments and examinations as well as for the irradiation of lifeless standing punches, the wobble can be useful if it is important to make the energy distribution in the near field as even as possible.
If the frequency of an ultrasound generator, which oscillates at 800 kHz, z. B. wobbled in the (limits of 700 to 900 kIlz, then the amplitude of the Schwin- ran, # - with the extreme values of the frequency, _- stroke would be significantly smaller than with the middle frequency. Uni a uniform Str:
To obtain the cooling intensity over the entire frequency range, it is useful to modulate the amplitude as well, and z; vai, preferably Berat, that you see the same maximum amplitude or the lead average width for all frequencies. results.
The amilitude is thus also changed in time with the wobble frequency or with twice the frequency.