Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebenen bekannten Koppleranordnungen für Ultraschallgeräte dahingehend zu verbessern, dass auch bei höheren Frequenzen von beispielsweise mehr als 100 kHz befriedigende Ultraschallleistungen in ein Mess- oder Bearbeitungsobjekt eingekoppelt werden können, wobei vorzugsweise verschiedene Schwingungsmoden oder unterschiedliche Arten von Wellen einsetzbar sind.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallverfahren zu schaffen, das auch bei der Untersuchung von Messobjekten mit komplizierten heterogenen inneren Strukturen befriedigende Ergebnisse liefert.

Diese Aufgaben werden durch eine Koppleranordnung gemäß Anspruch 1 und ein Ultraschallverfahren gemäß Anspruch 21 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die kleine Stirnfläche des Wellenleiters bei der herkömmlichen Koppleranordnung in axialer Richtung nur eine geringe akustische Last für den elektro-akustischen Wandler bildet, was zu der ineffektiven Einkopplung der auf die einfachste Schwingungsmode beschränkten Ultraschallwellen führt.

Die Erfindung umfasst deshalb die allgemeine technische Lehre, den elektro-akustischen Wandler seitlich an den Wellenleiter anzukoppeln, wodurch die effektive Kontaktfläche zwischen dem Wandler und dem Wellenleiter im Vergleich zu der Stirnfläche des Wellenleiters wesentlich vergrößert werden kann.

Die seitliche Ankopplung des elektro-akustischen Wandlers ermöglicht nicht nur eine Vergrößerung der effektiven Kontaktfläche, sondern erlaubt auch eine Verbesserung des Kopplungsfaktors, da eine zweidimensionale Ankopplung möglich ist.

In einer Variante der Erfindung sind entlang dem Wellenleiter mehrere elektro-akustische Wandler jeweils seitlich an den Wellenleiter angekoppelt, wodurch die eingekoppelte Ultraschallleistung weiter erhöht werden kann.

In einer Ausführungsform dieser Variante weisen die benachbarten Wandler jeweils die gleiche Polarisationsrichtung auf und sind in Längsrichtung des Wellenleiters äquidistant in einem Abstand angeordnet, der im Wesentlichen gleich der Wellenlänge der Ultraschallwellen in dem Wellenleiter ist. Diese Anordnung der einzelnen Wandler in einem vorgegebenen Abstand ist erforderlich, damit sich die von den einzelnen Wandlern eingekoppelten Ultraschallwellen in dem Wellenleiter positiv überlagern und nicht auslöschen.

Vorzugsweise erzeugen die Wandler in dem Wellenleiter Ultraschallwellen einer ersten Schwingungsmode mit einer ersten Wellenlänge und einer ersten Frequenz sowie Ultraschallwellen einer ersten oder zweiten Schwingungsmode mit einer zweiten Wellenlänge und einer gegenüber der ersten Frequenz größeren zweiten Frequenz, wobei die Anzahl der Wandler kleiner oder gleich dem halben Quotienten aus der zweiten Frequenz und der ersten Frequenz ist. Diese Begrenzung der Anzahl der Wandler ist sinnvoll, da die Gesamtlänge der in einer Reihe entlang dem Wellenleiter angeordneten Wandler eine halbe Wellenlänge der ersten Schwingungsmode im Wellenleiter nicht überschreiten sollte.

Die vorstehend beschriebene Erzeugung von Ultraschallwellen mit unterschiedlichen Schwingungsmoden und Frequenzen ist vorteilhaft, da die verschiedenen Schwingungsmoden und Wellenlängen mit unterschiedlichen physikalisch bedingten Vorteilen verbunden sind, die miteinander kombiniert werden können.

So können die Ultraschallwellen der ersten Schwingungsmode beispielsweise in Form der symmetrischen S₀-Mode der Lambda-Welle (Dehnungswelle) eine Frequenz im Bereich von 200 kHz bis 0,9 MHz aufweisen. Vorteilhaft an Ultraschallwellen mit einer derart niedrigen Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz des Messobjekts ist die Tatsache, dass diese sich in der festen Phase des Messobjektes ausbreiten und aufgrund der relativ großen Wellenlänge eine entsprechend große Eindringtiefe aufweisen. Nachteilig an der relativ großen Wellenlänge derartiger Ultraschallwellen ist demgegenüber, dass die Ortsauflösung entsprechend gering ist, während die Todzone, in der durch Überlagerung des empfangenen und ausgesendeten Ultraschallsignals eine Ermittlung von Grenzflächen unmöglich ist, relativ groß ist.

Demgegenüber können die sich in der flüssigen Phase ausbreitenden Ultraschallwellen der ersten oder zweiten Schwingungsmode beispielsweise eine Frequenz im Bereich von 0,9 MHz bis 3 MHz und eine entsprechend kleinere Wellenlänge aufweisen, so dass sich diese Ultraschallwellen nur in der flüssigen Phase des Messobjekts ausbreiten können und eine geringere Eindringtiefe aufweisen. Dem steht als Vorteil gegenüber, dass die Todzone kleiner und die Ortsauflösung aufgrund der geringeren Wellenlänge entsprechend größer ist.

Hierbei verstehen wir unter der Grenzfrequenz des Messobjekts einen solchen Wert der Frequenz, unterhalb dessen die Ausbreitung der Ultraschallwellen durch die feste Phase ermöglicht wird, und oberhalb dessen die Fortpflanzung der Ultraschallwellen durch die feste Phase gesperrt wird. In diesem Fall werden die Ultraschallwellen durch die Oberfläche der festen Phase in die flüssige Phase abgestrahlt, in der sie sich ausbreiten und weitere werden gestreut.

Durch eine Kombination der sich in der festen Phase ausbreitenden Ultraschallwellen mit den sich in der flüssigen Phase ausbreitenden Ultraschallwellen können somit die Vorteile der großen Eindringtiefe mit den Vorteilen einer kleineren Todzone und einer größeren Ortsauflösung kombiniert werden.

In einer anderen Variante der Erfindung weisen die entlang dem Wellenleiter angeordneten Wandler dagegen jeweils entgegengesetzte Polarisationsrichtungen auf und sind in Längsrichtung des Wellenleiters äquidistant in einem Abstand angeordnet, der im Wesentlichen gleich der halben Wellenlänge der Ultraschallwellen in dem Wellenleiter ist. Auch hierbei ist die Anordnung der Wandler in einem vorgegebenen Abstand wichtig, damit sich die von den einzelnen Wandlern in den Wellenleiter eingekoppelten Ultraschallwellen in dem Wellenleiter positiv überlagern und nicht auslöschen.

Auch in dieser Variante der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Wandler in dem Wellenleiter Ultraschallwellen einer ersten Schwingungsmode mit einer ersten Wellenlänge und einer ersten Frequenz sowie Ultraschallwellen einer der ersten oder zweiten Schwingungsmode mit einer zweiten Wellenlänge und einer gegenüber der ersten Frequenz größeren zweiten Frequenzen zeugen, wobei die Anzahl der Wandler vorzugsweise kleiner oder gleich dem Quotienten aus der zweiten Frequenz und der ersten Frequenz ist.

Die Erzeugung der Ultraschallwellen der ersten Schwingungsmode mit der ersten Frequenz und der ersten oder zweiten Schwingungsmode mit der zweiten Frequenz erfolgt erfindungsgemäß durch einen elektro-akustischen Wandler. Hierzu weist der elektro-akustische Wandler vorzugsweise eine Piezokeramik auf, die zur Erzeugung der Ultraschallwellen mit der ersten Frequenz zu Quer-Dehnungsschwingungen anregbar ist und zur Erzeugung der Ultraschallwellen mit der zweiten Frequenz zu Dicken-Dehnungsschwingungen anregbar ist.

Es ist jedoch alternativ auch möglich, dass der Wandler Ultraschallstrahlung breitbandig in das Mess- oder Bearbeitungsobjekt einkoppelt, wobei sich die Ultraschallwellen erst in dem Mess- bzw. Bearbeitungsobjekt aufgrund der Interaktion zwischen der eingekoppelten breitbandigen Ultraschallstrahlung und dem Mess- bzw. Bearbeitungsobjekt ausbilden.

In diesem Fall breiten sich der unterhalb der Grenzfrequenz niederfrequente Teil des breitbandigen Spektrums (durch) in der festen Phase und der oberhalb der Grenzfrequenz hochfrequente Teil dieses breitbandigen Spektrums in der flüssigen Phase des Messobjekts aus.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Wellenleiter der Koppleranordnung mehrere Fasern auf, wobei die Wandler jeweils seitlich an die einzelnen Fasern oder Gruppen von Fasern angekoppelt sind. Bei einer derartigen mehrfaserigen Ausbildung des Wellenleiters kommt der Vorteil der erfindungsgemäßen seitlichen Ankopplung der Wandler besonders zum Tragen, da die Stirnfläche der einzelnen Fasern des Wellenleiters mit dem Radius quadratisch abnimmt, während die Mantelfläche der einzelnen Fasern mit dem Radius nur linear abnimmt. Auch bei sehr dünnen Fasern reicht die Mantelfläche der Fasern also meist noch aus, um die gewünschte Ultraschallleistung in die Fasern einzukoppeln, wohingegen die Stirnfläche der Fasern aufgrund des geringen Radius hierzu nicht mehr ausreicht.

Bei einer erfindungsgemäßen Koppleranordnung mit einem mehrfaserigen Wellenleiter kann die seitliche Ankopplung von elektroakustischen Wandlern an die einzelnen Fasern des Wellenleiters aus Platzgründen schwierig sein. Vorzugsweise stehen die einzelnen Fasern des Wellenleiters deshalb am proximalen Ende des Wellenleiters bezüglich der Längsrichtung des Wellenleiters sternförmig ab, so dass die proximalen Enden der einzelnen Fasern des Wellenleiters gut zugänglich sind und eine einfache Ankopplung von elektro-akustischen Wandlern ermöglichen.

Darüber hinaus besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass die einzelnen Fasern des Wellenleiters mindestens teilweise unterschiedliche Schallausbreitungsgeschwindigkeiten aufweisen. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die einzelnen Fasern unterschiedliche Längen haben, damit die am distalen Ende des Wellenleiters von den einzelnen Fasern abgegebenen Ultraschallwellen die gewünschte Phasenbeziehung zueinander aufweisen. Darüber hinaus kann der Wellenleiter durch eine geeignete Bemessung der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in einzelnen Fasern des Wellenleiters auch die Funktion einer akustischen Linse übernehmen, so dass die am distalen Ende des Wellenleiters abgegebene Ultraschallstrahlung in einem vorgegebenen Fokuspunkt fokussiert wird.

Bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Koppleranordnung in einem Ultraschallgerät zur Materialbearbeitung kann der Wellenleiter ein distales Ende aufweisen, das bezüglich der Längsrichtung des Wellenleiters rotationssymmetrisch geformt ist, wie es beispielsweise bei der eingangs zitierten Veröffentlichung DE 199 21 279 C1 der Fall ist.

Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass das distale Ende des Wellenleiters sphärisch, konisch oder konkav geformt ist. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Formgebung des distalen Endes des Wellenleiters nicht auf die vorstehend erwähnten Geometrien beschränkt, sondern auch in anderer Weise realisierbar.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass bei der erfindungsgemäßen Koppleranordnung zwischen dem Wandler und dem Wellenleiter bzw. den einzelnen Fasern des Wellenleiters als Koppelmittel vorzugsweise ein Silberleitkleber oder eine Anpassungsschicht angeordnet ist.

Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass der Wandler beispielsweise aus zwei oder mehr Teilen bestehen kann, zwischen denen der Wellenleiter oder eine oder mehrere Fasern des Wellenleiters angeordnet sind, wobei zwischen den Teilen des Wandlers und den Fasern des Wellenleiters bzw. dem Wellenleiter ein Berührungskontakt besteht, so dass Schwingungen von dem Wandler auf den Wellenleiter bzw. dessen Fasern übertragen werden können. Beispielsweise können die Teile des Wandlers planparallele Platten sein, zwischen denen der Wellenleiter bzw. Fasern des Wellenleiters eingepresst sind.

Alternativ ist auch möglich, dass der Wandler den Wellenleiter bzw. einzelne Fasern des Wellenleiters ringförmig umgibt, wobei der Wandler in mehrere Segmente aufgeteilt sein kann, die über den Umfang des Wellenleiters verteilt angeordnet sind.

Ferner ist darauf hinzuweisen, dass der Wellenleiter wahlweise aus einem flexiblen Material oder aus einem starren Material, wie beispielsweise Aluminium, Aluminiumoxid, Titanium, Edelstahl oder anderen Metallen oder Oxiden, bestehen kann.

Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Koppleranordnung als eigenständiges Bauteil beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung auch ein Ultraschallgerät, insbesondere ein medizinisches Diagnose- oder -therapiegerät oder ein Materialbearbeitungs- oder -prüfgerät einer derartigen Koppleranordnung. Diesbezüglich wird beispielhaft auf einen möglichen Einsatz der erfindungsgemäßen Koppleranordnung in einem chirurgischen Werkzeug hingewiesen, wie es in der bereits eingangs zitierten Veröffentlichung DE 199 21 279 C1 beschrieben ist.

Weiterhin umfasst die Erfindung auch ein Ultraschallverfahren, das beispielsweise unter Verwendung der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Koppleranordnung durchgeführt werden kann.

Hierbei werden in einem Messobjekt Ultraschallwellen einer ersten Frequenz, die unterhalb der Grenzfrequenz des Messobjekts ist, und Ultraschallwellen einer zweiten Frequenz, die oberhalb der Grenzfrequenz des Messobjekts ist, erzeugt.

Hierbei weisen die Ultraschallwellen der ersten Frequenz eine entsprechend größere Wellenlänge auf als die Ultraschallwellen der zweiten Frequenz. Durch diese Erzeugung von Ultraschallwellen unterschiedlicher Wellenlängen kann der Vorteil einer größeren Ortsauflösung der Ultraschallwellen mit der geringen Wellenlänge mit dem Vorteil einer größeren Eindringtiefe der Ultraschallwellen mit der größeren Wellenlänge kombiniert werden. In dem Messobjekt werden die Ultraschallwellen dann zurück gestreut und/oder reflektiert, wobei die zurück gestreuten bzw. reflektierten Ultraschallwellen detektiert und ausgewertet werden. Bei der Auswertung der zurück gestreuten bzw. reflektierten Ultraschallwellen können die Intensität und/oder die Laufzeit und/oder das Frequenzspektrum und/oder verknüpfte Informationen (z.B. STFA – Short-Time-Frequency-Analysis oder SSP – Split-Spectrum-Processing) der detektierten Ultraschallwellen ausgewertet werden.

Hierbei kann die erste Frequenz der Ultraschallwellen beispielsweise im Bereich von 200 kHz bis 0,9 MHz liegen, während die zweite Frequenz der Ultraschallwellen beispielsweise im Bereich zwischen 0,9 MHz bis 3 MHz liegen kann. Diese Frequenzen haben sich bei der Untersuchung von Knochensubstanz (Spongiosa und Kortikalis) als vorteilhaft erwiesen. Im Rahmen der Erfindung können jedoch grundsätzlich auch andere von der Grenzfrequenz abhängige Frequenzen eingesetzt werden.

In einer Variante der Erfindung werden die Ultraschallwellen gemeinsam durch eine breitbandige Ultraschallstrahlung in das Messobjekt eingekoppelt, wobei sich die Ultraschallwellen der ersten Frequenz und die Ultraschallwellen der zweiten Frequenz durch die Wechselwirkung der eingekoppelten breitbandigen Ultraschallstrahlung mit dem Messobjekt ausbilden. Vorzugsweise weist die eingekoppelte breitbandige Ultraschallstrahlung hierbei eine Mittenfrequenz auf, die größer ist als die Frequenz der sich in der flüssigen Phase ausbreitenden Ultraschallwellen, also beispielsweise oberhalb von 3 MHz liegt. Die eingekoppelte Ultraschallfrequenz kann jedoch auch oberhalb der oberen Frequenz und/oder zwischen den Arbeitsfrequenzen liegen und beispielsweise 2 MHz betragen. Die Bandbreite sollte die zu unterscheidenden Frequenzen einschließen.

In einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Ultraschallverfahrens werden die sich in der festen Phase ausbreitenden Ultraschallwellen der ersten Frequenz und die sich in der flüssigen Phase ausbreitenden Ultraschallwellen der zweiten Frequenz dagegen getrennt voneinander durch Ultraschallstrahlung mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen in das Messobjekt eingekoppelt.

Darüber hinaus ist vorzugsweise eine dynamische Fokussierung der in das Messobjekt eingekoppelten Ultraschallwellen vorgesehen, damit diese in dem Messobjekt auf einen vorgegebenen Brennpunkt fokussiert werden können. Hierzu wird vorzugsweise eine Vielzahl von Ultraschallwellen räumlich verteilt in das Messobjekt eingekoppelt, wobei die Phasenlage und/oder die Verzögerungszeit der einzelnen Ultraschallwellen getrennt voneinander eingestellt wird, um die räumliche Lage des Fokus der Ultraschallwellen in dem Messobjekt festzulegen. Hierzu kann beispielsweise die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Koppleranordnung mit einem mehrfaserigen Wellenleiter eingesetzt werden, wobei die einzelnen Fasern des Wellenleiters unabhängig voneinander angesteuert werden, um den Brennpunkt entsprechend festzulegen.

Vorzugsweise wird die räumliche Lage des Fokus der Ultraschallwellen in dem Messobjekt hierbei in Abhängigkeit von der Auswertung der Intensität und/oder der Laufzeit und/oder des Frequenzspektrums der detektierten Ultraschallwellen festgelegt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die räumliche Lage des Fokus in Abhängigkeit von Verteilungsfunktion der Verzögerungszeiten der in jedem einzelnen Wellenleiter erzeugten und empfangenen Ultraschallwellen festgelegt wird. Vorzugsweise wird die räumliche Lage des Fokus im Messobjekt in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit ermittelt, die sich aus vorangegangenen Messungen oder der Literatur ergibt.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Ultraschallverfahrens kann durch eine Auswertung der Intensität und/oder der Laufzeit und/oder der Verzögerungszeit und/oder des Frequenzspektrums der detektierten Ultraschallwellen die räumliche Lage einer Grenzfläche in dem Messobjekt ermittelt werden, wobei der Fokus der Ultraschallwellen in dem Messobjekt auf die Grenzfläche eingestellt wird.

Besonders vorteilhaft eignet sich das erfindungsgemäße Ultraschallverfahren zur Untersuchung eines Knochens mit einer Kortikalis und einer Spongiosa. Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Koppleranordnung mit einem mehrfaserigen Wellenleiter für ein Ultraschallgerät,

2 eine Aufsicht auf die Koppleranordnung aus 1,

3a und 3b verschiedene Anordnungen von elektroakustischen Wandlern an dem Wellenleiter der Koppleranordnung,

4a bis 4d verschiedene Geometrien des distalen Endes der Koppleranordnung aus 1,

5a bis 5e verschiedene mögliche Anordnungen eines elektro-akustischen Wandlers an einer Faser des Wellenleiters der Koppleranordnung,

6 eine erfindungsgemäße Koppleranordnung bei der Bearbeitung eines Knochens.