DE2914099A1 - ULTRASONIC PROBE - Google Patents
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Description
fir. In?, WilhßlD Baiohel ig. Wel^mg BcicM fir. In ?, WilhßlD Baiohel ig. Wel ^ mg BcicM
6 tronkiu,* a. M. 1
Pcakfiiraite 13 6 tronkiu, * a. M. 1
Pcakfiiraite 13
_ 2 _ ' 29H099_ 2 _ '29H099
UltraschallsondeUltrasound probe
Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsonde, die dazu dient, in Echtzeit dreidimensionale Informationen über den inneren Aufbau eines zu prüfenden Gegenstandes zu erhalten.The invention relates to an ultrasound probe which is used to obtain three-dimensional information about in real time to preserve the internal structure of an object to be tested.
Ein bekanntes Ausführungsbeispiel einer Sonde, die dazu dient, in Echtzeit Informationen über den Innenaufbau eines Gegenstandes zu erhalten, ist in Fig. 1 dargestellt. Die Sonde enthält eine Anzahl von Schwingelementen 1, die ir* dor- Richtung der Y-Achse eines rechtwinkligen Koordinatensystems angeordnet sind und durch parallel verlaufende Rillen 3 in einem piezoelektrischen Wandler gebildet sind. Dieses Wandlerelement 1 besteht aus einem langgestreckten Bauteil, der sich in der Richtung der X-Achse erstreckt und auf einer Halterung 4 befestigt ist. Die Elektroden an der Oberseite des Wandlerelementes 1 sind mit einem äußeren Prozessor 7 über Anschlußdrähte 6, eine Anschlußleiste 5 und Anschlußleitungen 8 verbunden. Die Anschlußdrähte 6 sind an ihren beiden Enden an die Elektroden einerseits und die Anschlußleiste 5 andererseits angelötet.A known embodiment of a probe that does this is used to obtain information about the internal structure of an object in real time, is shown in FIG. 1. The probe contains a number of oscillating elements 1, the ir * dor direction of the Y axis of a right-angled coordinate system are arranged and by parallel grooves 3 in a piezoelectric transducer are formed. This transducer element 1 consists of an elongated component which extends in the direction of X-axis extends and is mounted on a bracket 4. The electrodes on the top of the transducer element 1 are connected to an external processor 7 via connecting wires 6, a connecting strip 5 and connecting lines 8. The connecting wires 6 are at their two ends to the electrodes on the one hand and the connecting strip 5 on the other hand soldered on.
Bei einer derartigen Sonde werden die Wandlerelemente 1 durch impulsförmige Signale erregt, die von dem Prozessor 7 erzeugt werden, um Ultraschallimpulse in der Richtung Z> 0 zu erzeugen. Indem die den einzelnen Wandlerelementen 1 zugeführten Impulse der Reihe nach zeitverzögert werden, kann die Richtung des Ultraschallimpulses jIn such a probe, the transducer elements 1 are excited by pulse-shaped signals that are generated by the processor 7 to generate ultrasonic pulses in the direction Z> 0. By the individual transducer elements 1 supplied pulses are delayed in sequence, the direction of the ultrasonic pulse j
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der in der Y-Z-Ebene von der Vorderseite der Sonde abgestrahlt wird, d.h. in einer Richtung Z> O, X = O und Y β 0, um einen Winkel θ entsprechend der Zeitverzögerung geschwenkt werden. Es ist daher möglich, mit der Ultraschallwelle einen sektorförmigen Bereich in der Y-Z-Ebene abzutasten, indem die Verzögerungszeit der Reihe nach verändert wird. Die ausgestrahlte Ultraschallwelle wird durch eine Fläche reflektiert, die in einem zu prüfenden Körper liegt und Schichten mit verschiedenen akustischen Widerständen begrenzt. Das reflektierte Echo wird durch das schwingende Element 1 aufgenommen, das auch die Ultraschallwelle au.ssendet. Die Amplitude und Lage des reflektierten Echos werden auf einer Kathodenstrahlröhre sichtbar ge~ macht, so daß man Informationen über den inneren Aufbau des Gegenstandes erhält. Das eben beschriebene Abtastverfahren ist ein elektronisches Sektorabtastverfahren, weil die Verzögerungszeit, die zu einer Sektorabtastung durch Ultraschall führt, durch den Prozessor 7 verändert wird. Da die Abtastung mit Hilfe der Ultraschallschwingungen mit hoher Geschwindigkeit durch elektronische Mittel erfolgt, liefert die Ultraschallsonde in Real- oder Echtzeit Informationen über den dynamischen Zustand, z.B. bei einer Herzuntersuchung oder einer Embryountersuchung, die für die Diagnose wichtig sind.which is emitted in the Y-Z plane from the front of the probe, i.e. in a direction Z> O, X = O and Y β 0, by an angle θ corresponding to the time lag be swiveled. It is therefore possible to use the ultrasonic wave to create a sector-shaped area in the Y-Z plane by changing the delay time in sequence. The emitted ultrasonic wave becomes reflected by a surface that is in a under test Body lies and bounded layers with different acoustic resistances. The reflected echo is caused by the vibrating Element 1 added, which also emits the ultrasonic wave. The amplitude and location of the reflected Echoes are made visible on a cathode ray tube, so that information about the internal structure can be obtained of the item. The scanning method just described is an electronic sector scanning method because the delay time which leads to a sector scan by ultrasound is changed by the processor 7. Because the scanning with the help of ultrasonic vibrations done at high speed by electronic means, the ultrasonic probe delivers in real or real time Information about the dynamic state, e.g. during a heart examination or an embryo examination, which are important for diagnosis.
Da jedoch bei der beschriebenen Ultraschallsonde die Wandlerelemente eindimensional angeordnet sind, kann man zwar ein Tomogramm in der Y-Z-Ebene erhalten, jedoch ist es nicht möglich, in Real- oder Echtzeit dreidimensionale Informationen, nämlich eine Tomogramm in der X-X-Ebene und ein Bild in der X-Y-Ebene zu erhalten.However, since the transducer elements in the ultrasonic probe described are arranged one-dimensionally, a tomogram can be obtained in the Y-Z plane, but it is not possible in real or real time three-dimensional information, namely a tomogram in the X-X plane and get an image in the X-Y plane.
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Obwohl dreidimensionale Informationen durch bidimensionale Anordnung der Wandlerelemente in einem Megahertzband für Diagnosezwecke zu erhalten sind, ist es theoretisch notwendig, die Abmessungen der Anordnung der Wandlerelemente auf weniger als 0,5 mm zu begrenzen, so daß die Elektrodenfläche dieses WandlerelementesAlthough three-dimensional information through two-dimensional Arrangement of the transducer elements in a megahertz band for diagnostic purposes, it is theoretical necessary to limit the dimensions of the arrangement of the transducer elements to less than 0.5 mm, so that the electrode surface of this transducer element
ρ
kleiner als 0,25 mm sein würde. Es ist infolgedessen schwierig, Zuführungsdrähte, z.B. einen isolierten Draht
mit einem Durchmesser von 0,7 mm anzulöten, wie sie bei den langgestreckten Wandlerelementen benutzt werden, die
in der Richtung der X-Achse verlaufen und eine eindimensionale Anordnung bilden. Außerdem stören diese Anschlußdrähte
die Ausstrahlung der Ultraschallschwingungen von den Schwingelementen, so daß sich Schwierigkeiten beim
Betrieb ergeben.ρ
would be less than 0.25mm. As a result, it is difficult to solder lead wires such as an insulated wire with a diameter of 0.7 mm as used in the elongated transducer elements which run in the direction of the X-axis and form a one-dimensional arrangement. In addition, these connecting wires interfere with the emission of the ultrasonic vibrations from the vibrating elements, so that difficulties arise during operation.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallsonde mit zweidimensional angeordneten Wandlerelementen anzugeben, die in der Lage ist, dreidimensionale Informationen, insbesondere für Diagnosezwecke, zu erhalten. Die Anordnung soll dabei so getroffen sein, daß die Verdrahtung die Ausstrahlung der Ultraschallschwingungen nicht stört.The invention is therefore based on the object of a Specify ultrasonic probe with two-dimensionally arranged transducer elements, which is capable of three-dimensional Information, especially for diagnostic purposes, to obtain. The arrangement should be made in such a way that the wiring enables the emission of the ultrasonic vibrations not bother.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches angegebenen Maßnahmen getroffen werden.According to the invention, this object is achieved in that the specified in the characterizing part of the claim Measures are taken.
Die Vorteile sowie weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist.The advantages as well as further features and details of the invention are described below with reference to an exemplary embodiment explained in more detail, which is shown in the drawings.
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. . . - 5 - 2914Ö99. . . - 5 - 2914Ö99
Fig. 1 zeigt eine schaubildliche Ansicht einer Sonde bekannter Ausführung; Fig. 1 shows a perspective view of a probe of known design;
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Ultraschallsonde gemäß der Erfindung und Fig. 2 is a plan view of an embodiment of the ultrasonic probe according to the invention and
Fig. 3 ist eine Vorderansicht der Ultraschallsonde nach Fig. 2. FIG. 3 is a front view of the ultrasonic probe of FIG. 2.
Die bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes nach Fig. 2 und 3 enthält eine Anzahl von Wandlerelementen 11, die dadurch gebildet werden, daß . bei einem plattenförmigen piezoelektrischen Wandler 12 einander senkrecht kreuzende Rillen 13 gebildet werden und eine zweidimensiona-Ie Anordnung bilden, wobei der Abstand der Elemente kleiner als 0,5 mm ist und die Zahl der Spalten und Reihen in der Wandleroberfläche einander gleich ist. Die Schwingellfemente 11 sind an der Halterung 15 befestigt und mit Anschlissen 14 an drei Seiten fest verbunden, wobei die Anschlüsse 14 mit den Elektroden der betreffenden Wandlerelemente 11 durch Anschlußdrähte 16 verbunden sind. Die Elektroden sind untereinander durch Drähte verbunden. Diese Drähte bestehen aus dünnen Verbindungsdrähten mit einem Durchmesser von 25/U und werden z.B. in ähnlicher Weise für die Verdrahtung von integrierten Schaltungschips in der Halbleitertechnik benutzt. Als Verbindungsdrähte 16 werden Golddrähte oder Aluminiumdrähte bevorzugt. Ein Prozessor 17 ist an die Anschlüsse 14 über Zufuhrungsdrähte 18 angeschlossen. Ein Ausführungsbeispiel des Prozessor 17 ist in Fig. 4 auf Seite 274 der Veröffentlichung "Ultrasonic Symposium Proceedings", 1977 beschrieben. Der Prozessor soll für Ozeanmessungen dienen. Für die Diagnose sind jedoch die Unterwasserkabel und Drähte der bekannten Anordnung nicht erforderlich.The preferred embodiment of the subject invention of Figures 2 and 3 includes a number of transducer elements 11, which are formed in that. in the case of a plate-shaped piezoelectric transducer 12, they are perpendicular to each other intersecting grooves 13 are formed and a two-dimensionala-Ie Form an arrangement with the spacing of the elements smaller than 0.5 mm and the number of columns and rows in the transducer surface are equal to each other. The Schwingellfemente 11 are attached to the bracket 15 and with connectors 14 firmly connected on three sides, with the connections 14 with the electrodes of the transducer elements concerned 11 are connected by connecting wires 16. The electrodes are connected to one another by wires. These wires consist of thin connecting wires with a diameter of 25 / U and are e.g. Used for wiring integrated circuit chips in semiconductor technology. Gold wires or aluminum wires are preferred as connecting wires 16. A processor 17 is connected to the ports 14 via Lead wires 18 connected. An embodiment of the processor 17 is shown in Fig. 4 on page 274 of the publication "Ultrasonic Symposium Proceedings", 1977 described. The processor is intended to be used for ocean measurements. For diagnosis, however, the underwater cables and Wires of the known arrangement are not required.
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Bei der oben beschriebenen Ultraschallsonde werden die Wandlerelemente 11 durch impulsförmige Signale erregt, die von dem Prozessor 17 übertragen werden, um die Ultraschallimpulse auszustrahlen. Durch Steuerung der den Wandlerelementen zugeführten Impulse ist es möglich, mit Hilfe des Ultraschalls einen Sektorbereich in der Y-Z- und X-Z-Ebene der rechtwinkligen Koordinaten nach Fig. 2 und 3 abzutasten. Durch Ausnutzung dieser1 zwei Abtaststrahlen ist es möglich, den Gegenstand zweidimensional mit Ultraschall abzutasten. Die ausgestrahlten Ultraschallschwingungen werden an einer Trennfläche von Substanzen innerhalb des zu prüfenden Körpers, diererschiedene akustische Eigenschaften aufweisen, reflektiert und das Ultraschallecho wird von den Wandlerelementen aufgenommen. Die Informationen über die Amplitude und die Lage des Ultraschallechos ergeben dreidimensionale Informationen bezüglich der Struktur des untersuchten Körpers.In the ultrasonic probe described above, the transducer elements 11 are excited by pulse-shaped signals transmitted from the processor 17 to emit the ultrasonic pulses. By controlling the pulses supplied to the transducer elements, it is possible, with the aid of ultrasound, to scan a sector area in the YZ and XZ planes of the right-angled coordinates according to FIGS. 2 and 3. By utilizing this one two scanning beams, it is possible to scan the object in two dimensions with ultrasound. The emitted ultrasonic vibrations are reflected on a separation surface of substances within the body to be tested, which have different acoustic properties, and the ultrasonic echo is picked up by the transducer elements. The information about the amplitude and the position of the ultrasonic echo results in three-dimensional information regarding the structure of the examined body.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Ultraschallsonde sind Schlitze oder Rillen in einem plattenförmigen piezoelektrischen Wandler 12 vorgesehen, so daß eine Vielzahl von Wandlerelementen 11 gebildet wird, die zweidimensional angeordnet sind. Es ist daher möglich, den Ultraschallstrahl zweidimensional ablenkungsmäßig zu steuern, um eine dreidimensionale Information zu erhalten. Wenn die Teilung der Anordnung kleiner als 0,5 mm ist, kann eine zweidimensionale Abtastung mit Hilfe eines Ultraschallstrahls im Megahertzbereich durchgeführt werden, so daß man dreidimensionale Informationen erhält. Aus diesem Grund ist die Ultraschallsonde gemäß der Erfindung besonders gut geeignet.für Diagnosezwecke. Da ferner die zweidimensionale Abtastung mit Hilfe des Ultraschallstrahls mit elektronischen Mitteln durchgeführt wird, ist eine Abtastung mit hoher Geschwindigkeit möglich, um eine dreidimensionale Auswertung der Informationen zu erhalten. Die Diagnose bei einer Herzuntersuchung oder der Unter-In the illustrated embodiment of the ultrasonic probe, slots or grooves are in a plate-shaped manner piezoelectric transducer 12 provided so that a plurality of transducer elements 11 is formed, the two-dimensional are arranged. It is therefore possible to deflect the ultrasonic beam two-dimensionally control to obtain three-dimensional information. If the pitch of the arrangement is less than 0.5 mm, two-dimensional scanning can be carried out using an ultrasonic beam in the megahertz range, so that you get three-dimensional information. It is for this reason that the ultrasonic probe is according to the invention particularly well suited for diagnostic purposes. There is also the two-dimensional scanning with the aid of the ultrasonic beam is carried out by electronic means, scanning at high speed is possible to a three-dimensional one Evaluation of the information received. The diagnosis during a cardiac examination or the under-
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suchung eines Embryos im Uterus liefert genauere Ergebnisse als mit den zweidimensionalen Informationen, die sich mit der bekannten eindimensionalen Sondenanordnung erzielen lassen.Searching for an embryo in the uterus provides more accurate results than with the two-dimensional information, which can be achieved with the known one-dimensional probe arrangement.
Bei der Ultraschallsonde gemäß der Erfindung sind die Verdrahtungen zwischen den Elektroden der Wandlerelemente und die Verdrahtungen mit den Anschlußleitungen zum Prozessor mit Hilfe der "wire-bonding"-Technik ausgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, selbst bei einer zweidimensionalen Anordnung,die Abstände von weniger als 0,5 mm aufweist und daher eine hohe Dichte hat, eine zuverlässige Verdrahtung auszuführen. Da die Anschlußdrähte 16 außerordentlich dünn sind,(z.B. einen Durchmesser von 25 /u haben) stören die Zuleitungsdrähte nicht die Ausstrahlung der Ultraschal!schwingungen von den Wandlerelementen 11, so daß die Vorzüge der hohen Dichte der zweidimensionalen Anordnung ausgenutzt werden können.In the ultrasonic probe according to the invention, the wirings are between the electrodes of the transducer elements and the wiring with the connecting lines to the processor is carried out with the aid of "wire-bonding" technology. In this way it is possible, even with a two-dimensional arrangement, to change the distances from less than 0.5mm and therefore has a high density to perform reliable wiring. Since the Lead wires 16 are extremely thin (e.g. have a diameter of 25 / u) interfere with the lead wires not the emission of the ultrasonic vibrations of the transducer elements 11, so that the merits of the high density of the two-dimensional arrangement are utilized can.
Obwohl bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel - die Zahl der Spalten und Reihen der Wandlerelemente 11 in der zweidimensionalen Anordnung einander gleich sind, ist es nicht notwendig, die Zahl der Reihen gleich der Zahl der Spalten zu wählen. Es ist ferner nicht notwendig, die Wandlerelemente über die ganze Fläche der Sonde hin nur dicht anzuordnen, sondern die Anordnung kann den Verwendungszwecken und dem geforderten Betrieb entsprechend angepaßt werden. Es ist auch möglich, eine Vielzahl von Wandlerelementen, die zweidimensional angeordnet sind, auf mehreren voneinander getrennten piezoelektrischen Wandlern anzuordnen.Although in the illustrated embodiment - the number of columns and rows of the transducer elements 11 in the two-dimensional arrangement are equal to each other, it is not necessary to equal the number of rows Number of columns to choose. It is also not necessary to cover the entire area of the transducer elements The probe should only be arranged tightly, but the arrangement can suit the intended use and the required operation be adjusted accordingly. It is also possible to have a large number of transducer elements arranged two-dimensionally are to be arranged on several separate piezoelectric transducers.
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Die Rillen oder Schlitze 13» welche die zweidimensional Anordnung der Wandlerelemente definieren oder begrenzen, können sich nicht nur durch den piezoelektrischen Wandler 12, sondern auch durch den Träger 15 erstrecken.The grooves or slots 13 »which the two-dimensional The arrangement of the transducer elements can be defined or limited not only by the piezoelectric transducer 12, but also through the carrier 15.
Der Prozessor 17 zum Betrieb der Ultraschallwandler kann in ein Ultraschalldiagnosegerät eingebaut und mit der Sonde direkt verbunden werden.The processor 17 for operating the ultrasonic transducer can be built into an ultrasonic diagnostic device and with the Probe can be connected directly.
Wie oben erwähnt, sind gemäß der Erfindung ein oder mehrere piezoelektrische Wandler an einer Halterung befestigt und Rillen werden in den oder die Wandler und gegebenenfalls auch in die Halterung eingeschnitten, um eine Anzahl von Wandlerelementen in zweidimensionaler Anordnung zu erzeugen, und die Verdrahtungen zwischen den Elektroden der Wandlerelemente und die Verdrahtungen mit den Anschlüssen, die zu einem Prozessor führen, werden nach der "wire-bonding"-Technik angefertigt. Man kann auf diese Weise nicht nur dreidimensionale Informationen erhalten, sondern auch eine Verdrahtung für die zweidimensionale Wandleranordnung, die bei kleiner Ausführung keine Störung der Ultraschallimpulse ergibt.As mentioned above, according to the invention, one or more piezoelectric transducers are attached to a holder and grooves are cut into the transducer or transducers and optionally also into the holder by a number of transducer elements in a two-dimensional arrangement to generate, and the wirings between the electrodes of the transducer elements and the wirings with the connections, that lead to a processor are made using the "wire-bonding" technique. One can access this Way not only get three-dimensional information, but also wiring for the two-dimensional Transducer arrangement that does not interfere with the ultrasonic impulses when it is small.
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