CN104921754B - 三维超声波探头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维(3D)超声波探头，所述三维超声波(3D)探头可通过使驱动单元的旋转轴直接连接到超声波换能器而诊断将被诊断的对象的所有区域而不受旋转角度的限制。

Description

三维超声波探头
本申请要求于2014年3月19日提交到韩国知识产权局的第10-2014-0032166号韩国专利申请的权益，该申请的公开内容通过引用被全部包含于此。
技术领域
本发明的一个或更多个实施例涉及一种三维(3D)超声波探头。
背景技术
代表性的医学超声波装置的示例可包括主要用于对比人体内的器官或胎儿的超声波诊断成像装置。超声波诊断成像装置的优点在于：与其它用于对比内部身体结构的医学装置(例如，X射线装置、计算机断层扫描(CT)装置或磁共振成像(MRI)装置)不同，通过使医生能够任意地调节超声波的辐射角，超声波诊断成像装置可对做诊断的医生所期望看见的人体内的特定点进行对比，并且超声波诊断成像装置没有辐射危险，并且与其它医学装置获得图像的时间相比可在较短时间内获得图像。
为了获得图像，超声波诊断成像装置需要超声波探头或超声波换能器，所述超声波探头或超声波换能器是用于将超声波信号转换为电信号或将电信号转换为超声波信号的单元和/或装置。超声波探头通常包括超声波模块，所述超声波模块包括：压电层，在压电材料振动时将电信号转换为声音信号或将声音信号转换为电信号；匹配层，减小压电层和人体之间的声阻抗差异，以将压电层中产生的超声波尽可能多的发送到人体的目标点；透镜层，将传播到压电层的前方的超声波聚焦到特定点；吸声层，通过防止超声波传播到压电层的后方而防止图像失真。虽然超声波探头在用于特定目的时可包括单个超声波换能器，但是超声波探头在用于医学目的时通常包括多个超声波换能器。
用于医学目的的超声波探头可根据超声波换能器的数量、超声波换能器的布置方法、超声波换能器的阵列轴的形状或应用领域来分类。当根据超声波换能器的数量分类时，用于医学目的的超声波探头可分为单换能器型超声波探头和多换能器型超声波探头。在这种情况下，多换能器型超声波探头可根据超声波换能器的排列方法分为：一维(1D)阵列超声波探头，其中，超声波换能器被布置在单个轴上；二维(2D)阵列超声波探头，其中，超声波换能器被布置在彼此交叉的多个轴上。1D阵列超声波探头可根据超声波换能器的阵列轴的形状分为直线阵列超声波探头和曲线阵列超声波探头。
由于超声波的线性，最常用的1D阵列超声波探头可仅获得超声波探头的前部的点的2D图像。因此，现有的1D阵列超声波探头存在的问题在于：难以做出准确的诊断，并且不可能对比胎儿的3D形状或对比作为运动图像的胎儿的运动。最近，已经需求可获得人体的3D图像(更详细地说，3D动态图像)的超声波探头。可通过使用现有的1D阵列超声波探头和/或2D阵列超声波探头来获得3D图像。
2D阵列超声波探头存在的问题在于：由于2D阵列超声波探头与1D阵列超声波探头相比包括极大数量的超声波换能器，因此制造工艺复杂，并且由于通过使用2D阵列超声波探头获得的图像具有低的信噪(S/N)比，因此图像的质量低。因此，通过使用1D阵列超声波探头获得3D图像的方法近来被不断地研究。
为了通过使用1D阵列超声波探头获得3D图像，做诊断的医生手动地或机械地移动1D阵列超声波探头。通过做诊断的医生手动操纵来获得3D图像的1D阵列超声波探头存在的问题在于：根据做诊断的医生，由于不规则的对比间隔导致图像的质量很低以及3D图像的错误增多。因此，近来，通过机械地移动1D阵列超声波探头来获得3D图像的方法被积极地研究。
通过机械地移动1D阵列超声波探头来获得3D图像的方法的示例可包括使超声波换能器的阵列轴平行移动的方法和使超声波换能器的阵列轴旋转预定角度的方法。前一个方法(通过使用电机使超声波换能器的阵列轴平行地移动到将被进行对比的人体的区域)具有的优点在于：均匀地保持3D图像的对比间隔并减少了3D图像的错误的发生，而其存在的缺点在于：由于包括动力产生单元(例如，电机)的超声波探头的整体尺寸非常大，因此难以制造和使用超声波探头。
相反，后一个方法(通过使用动力产生单元(例如，电机)使超声波换能器的阵列轴沿着弧形路径在人体的将被对比的区域的上方旋转预定角度)具有的优点在于：由于超声波探头的整体尺寸小于前一个方法的超声波探头的整体尺寸，因此超声波探头的适用性良好。
通过使超声波换能器的阵列轴旋转而获得3D图像的超声波探头可分为：单元件超声波探头，其中，包括超声波换能器的模块和动力产生单元(例如，电机)设置在单个壳体中；双元件超声波探头，其中，模块与动力产生单元不是位于单个壳体中而是分开设置。双元件超声波探头(没有位于同一壳体中的模块与动力产生单元通过单独的元件彼此结合)具有的优点在于：可通过使用现有的1D阵列超声波探头获得2D截面图像，而存在的缺点在于：由于动力产生单元与模块独立设置，因此双元件超声波探头的整体尺寸比单元件超声波探头的整体尺寸相对较大，因此双元件超声波探头的适用性低。
相反，单元件超声波探头(模块与动力产生单元位于同一壳体中)具有的优点在于：由于单元件超声波探头的整体尺寸小于双元件超声波探头的整体尺寸，因此超声波探头可被制造为具有小尺寸。
然而，由于用于使超声波换能器的阵列轴旋转预定角度的机械驱动关系复杂，因此现有的单元件超声波探头具有低的可制造性和低的耐用性。此外，单元件超声波探头存在的问题在于：虽然超声波换能器的阵列轴必须旋转尽可能宽的旋转角度以获得具有更好质量的图像，但是由于线结构使得旋转角度受到限制，因此降低了在诊断期间的利用率，并且由于内部结构复杂且气泡被卡在每个拐角处，因此难以去油。此外，单元件超声波探头存在的问题在于：由于设置在探头中的电机和动力传递单元占据大的空间，因此难以使探头小型化，并且由于在设置电机和动力传递单元的位置中存在额外的油，因此难以使探头轻量化。此外，单元件超声波探头存在的问题在于：在用于传递来自电机的动力的动力传递单元中会出现噪声和振动。
发明内容
本发明的一个或更多个实施例包括一种三维(3D)超声波探头，所述三维超声波探头可通过将三维(3D)超声波探头驱动设备设置在超声波换能器的两端并直接驱动超声波换能器来提高驱动性能并减小重量、噪声、制造时间和制造成本。
其他方面将在下面的描述中进行部分地阐述，部分将通过描述而明显，或者可通过本实施例的实践而了解。
根据本发明的一个或更多个实施例，一种三维(3D)超声波探头包括：超声波换能器，超声波发送/接收元件布置在超声波换能器中；第一驱动单元，被设置为使得第一驱动单元的旋转轴固定到超声波换能器的一个端部并将动力直接传递至超声波换能器。
所述三维超声波探头还可包括第二驱动单元，第二驱动单元被设置为使得第二驱动单元的旋转轴固定到超声波换能器的另一端部并将动力直接传递至超声波换能器。
所述超声波发送/接收元件可排列在超声波换能器的顶表面上。
第一驱动单元和第二驱动单元可以是电机，所述电机包括设置在所述电机的中部的转子和围绕电机的中部的多个定子，其中，当作为第一驱动单元和第二驱动单元的电机分别设置在超声波换能器的两个端部时，所述电机的彼此面对地设置在所述两个端部的定子彼此对称。
第一驱动单元和第二驱动单元可以是电机，所述电机包括设置在所述电机的中部的转子和围绕电机的中部的多个定子，其中，当作为第一驱动单元和第二驱动单元的电机分别设置在超声波换能器的两个端部时，所述电机的彼此面对地设置在两个端部的定子彼此不对称。
所述电机可以是伺服电机或步进电机。
所述超声波换能器的旋转角度可大于等于120°并且小于等于360°。
三维超声波探头可以是腔内探头和凸探头中的任意一个。
根据本发明的实施例，由于驱动单元的旋转轴直接连接到超声波换能器的两个端部，因此3D超声波探头不需要增加复杂精密的机械部。因此，由于3D超声波探头中无需用于设置电机和动力传递单元的额外的空间以及需要存在于所述额外的空间中的油，因此3D超声波探头可被小型化和轻量化。此外，由于简化了制造工艺，因此可降低制造时间和制造成本。此外，由于省略了连接驱动单元(例如，齿轮和线)，因此可去除噪声，可避免旋转回转，并且可降低由于复杂精密的机械部对驱动速度和速度角度的限制。此外，由于简化了内部结构，因此可容易去除气泡，可降低故障率，并可根据使用步进电机或伺服电机的方法而调节模块的角度。
附图说明
通过下面结合附图对实施例进行的描述，这些和/或其它方面将变得明显，并且会被更易于理解，其中：
图1是示出三维(3D)超声波探头的基本元件的框图；
图2是示出根据本发明的实施例的三维(3D)超声波探头的分解透视图；
图3是示出图2的超声波换能器的透视图；
图4A和图4B是示出根据本发明的实施例的第一步进电机和第二步进电机的截面图；
图5是示出根据本发明的实施例的腔内3D超声波探头的透视图；
图6A是示出根据本发明的另一实施例的3D超声波探头的透视图；
图6B是示出图6A的3D超声波探头的截面图。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述本发明，以使本领域的普通技术人员能够毫无困难地实施本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为局限于在此阐述的实施例；更确切地说，提供这些实施例是为了使本公开将是彻底的和完整的，并将本发明的构思充分地传达给本领域的普通技术人员。此外，为了确保本发明清楚，可省略与具体实施方式无关的附图中的部件，并且为方便起见，可夸大附图中的元件的宽度、长度和厚度。附图中的相同的标号指示相同的元件，并因此将不再重复对其的描述。
还将理解的是，当部件“包括”或“包含”元件时，除非另有限定，否则所述部件还可包括其他元件而不排除所述其它元件。
如在此使用的，术语“和/或”包括相关列举的项目中的一个或更多个的任何和全部组合。在一系列的元件之前的诸如“……中的至少一个”的表述，修饰整列的元件，而不是修饰一系列元件中的单个元件。
图1是示出三维(3D)超声波探头10的基本元件的框图。
参照图1，3D超声波探头10在3D超声波探头的前表面紧密地接触对象2的表面的状态下在沿着对象2的表面运动的同时通过利用超声波发送/接收元件100将超声波信号发送至对象2并接收从对象2反射的超声波回波信号。
主体5包括输入单元6、控制单元3和显示单元4，以从超声波发送/接收元件100接收响应信号并将控制信号发送至超声波发送/接收元件100。输入单元6可接收使用3D超声波探头10的诊断指令，例如，可将3D超声波探头10的开/关信号输入至输入单元6。用于输入多种操作指令的按钮和旋钮(未示出)可设置在输入单元6中。控制单元3可通过经由使用从3D超声波探头10接收的响应信号来检测对象2的内部组织的特征值而获得对象2的内部组织的图像。显示单元4(用于可视地显示通过控制单元3获得的内部组织的图像的单元)可包括诸如液晶显示(LCD)装置、阴极射线管(CRT)或使用发光显示器(LED)的电子公告板的图像显示装置。
图2是示出根据本发明的实施例的包括第一驱动单元200a和第二驱动单元200b的3D超声波探头10的分解透视图。图3是示出图2的超声波换能器24的透视图。
参照图2，3D超声波探头10包括：手柄壳体21；盖22，设置在手柄壳体21的前端并接触将被诊断的对象2；超声波换能器24，包括产生旋转力的第一驱动单元200a和第二驱动单元200b，并且超声波换能器24包括多个超声波发送/接收元件100并通过从第一驱动单元200a和第二驱动单元200b接收旋转力而旋转。
盖22形成为使得盖22的与超声波换能器24相对应的部分具有弧状的截面形状，以使得即使当设置在盖22中的超声波换能器24旋转时也能保持盖22的内表面与超声波换能器24的外表面之间的恒定间隔。
超声波发送/接收元件100(每个超声波发送/接收元件100是用于将超声波发送至对象2中并接收从对象2的各个组织反射的响应信号的单元)通过利用压电效应或磁弹性效应将声音信号转换为电信号并将电信号发送至控制单元(未示出)。超声波发送/接收元件100的示例可包括微压电超声波换能器(pMUTs)、微电容超声波换能器(cMUTs)和微磁超声波换能器(Mmuts)。
包括超声波发送/接收元件100的超声波换能器24可以可旋转地设置在如上所述的盖22中，以读取将被诊断的对象2的3D图像。图2的超声波换能器24是超声波发送/接收元件100排列在其中的一维(1D)阵列超声波换能器。为了通过使用超声波换能器24(一维(1D)阵列超声波换能器)获得3D图像，超声波换能器24必须在预定角度范围内旋转。
在传统的超声波探头中，设置有用于传递动力以使超声波换能器24旋转的单独的驱动单元。通过在连接到驱动单元的旋转轴的滑轮和连接到超声波换能器24的旋转轴的滑轮之间设置线将通过驱动单元产生的动力传递到超声波换能器24的旋转轴。传统的超声波探头存在的问题在于：由于滑轮和线使得超声波换能器24的旋转角度局限于预定范围。
参照图3，在3D超声波探头10中，第一驱动单元200a和第二驱动单元200b设置在超声波换能器24的两个端部上，使得可通过使超声波换能器24(超声波发送/接收元件100排列在其中)枢转预定角度而获得3D图像。
为了使超声波换能器24旋转，第一驱动单元200a和/或第二驱动单元200b可设置在超声波换能器24的一个端部上或两个端部上。在这种情况下，第一驱动单元200a的旋转轴340和第二驱动单元200b的旋转轴341可固定到超声波换能器的两个端部，以通过第一驱动单元200a和第二驱动单元200b直接驱动超声波换能器24。例如，在图3中，用于使超声波换能器24旋转的第一驱动单元200a和第二驱动单元200b中的任意一个的主体可形成为具有环形的形状，并且第一驱动单元200a的旋转轴340和第二驱动单元200b的旋转轴341可固定到超声波换能器24的两个端部，以传递动力并作为铰链单元。因此，用于使超声波换能器24旋转的旋转力可从第一驱动单元200a和第二驱动单元200b直接传递而无需额外地设置连接构件(例如，线或滑轮)，因此，整体结构可被小型化和轻量化。此外，由于简化了制造工艺，因此可减少制造时间并降低制造成本。此外，由于第一驱动单元200a和第二驱动单元200b设置在超声波换能器24的两个端部上，因此，可额外地确保超声波换能器24的内部空间。因此，由于可容易地构造连接到多个超声波发送/接收元件100的连接线路，因此可省略模拟驱动单元(例如，线和滑轮)并可消除噪声和旋转回转(rotation backrush)，并且由于简化了内部结构，因此可容易地去除气泡，并因此可减少故障率。
在图2和图3中，包括围绕定子旋转的转子的步进电机或伺服电机可用作第一驱动单元200a和第二驱动单元200b中的每个。通过第一驱动单元200a和第二驱动单元200b产生的旋转力可通过设置在超声波换能器24的两个端部的第一驱动单元200a的旋转轴340和第二驱动单元200b的旋转轴341直接传递到超声波换能器24。然而，本实施例不限于步进电机或伺服电机，而是任何类型的单元都可用作第一驱动单元200a和第二驱动单元200b，只要该单元可将由第一驱动单元200a和第二驱动单元200b产生的旋转力直接传递到超声波换能器24即可。
当在必须保证充足的旋转力或必须精确地调节超声波换能器24的旋转时，虽然第一驱动单元200a可形成在超声波换能器24的一个端部上，但是，第一驱动单元200a和第二驱动单元200b可设置在超声波换能器24的两个端部上(如图2和图3所示)。
图4A和图4B是示出根据本发明的实施例的用作第一驱动单元200a和第二驱动单元200b的第一步进电机201和第二步进电机202的截面图。
参照图4A和图4B，用作第一驱动单元200a的第一步进电机201可包括转子351，转子351包括旋转轴340以及每个围绕转子351的定子203(图4A)和定子205(图4B)。用作第二驱动单元200b的第二步进电机202可包括转子352，转子352包括旋转轴341以及每个围绕转子352的定子204(图4A)和206(图4B)。定子203和205分别被设置为关于转子351彼此对称，定子204和206分别被设置为关于转子352彼此对称。第一步进电机201的驱动步(drivingstep)由定子203和205的布置决定，第二步进电机202的驱动步由定子204和206的布置决定。当必须保证较大的驱动力或需要更精确的控制时，可改变第一步进电机201和第二步进电机202的布置。
参照图4A，第一步进电机201和第二步进电机202设置在超声波换能器24的两个端部，使得位于超声波换能器24的两个端部的定子203和204彼此对称。由于设置在超声波换能器24的两个端部的第一步进电机201和第二步进电机202的定子203和204设置为彼此对称，因此第一步进电机201和第二步进电机202的驱动力可同时地施加到超声波换能器24，因此，可保证每步的较大的驱动力。当第一步进电机201和第二步进电机202中的每个电机的每步被细分(sub-divided)时，可更精确地控制第一步进电机201和第二步进电机202。为此，与设置在超声波换能器24的两个端部的第一步进电机201和第二步进电机202对应的步必须在不同的时间出现。
参照图4B，由于第二步进电机202的定子206未被设置为与第一步进电机201的定子205对称，因此会交替地出现第一步进电机201和第二步进电机202的驱动步，因此步之间的间隔可被更精细地细分。当更精细地细分步之间的间隔时，也可细分将驱动力传递至超声波换能器24的操作。因此，由于控制超声波换能器24的旋转的操作被更精细地细分，因此可更精确地控制整个系统。
在包括超声波换能器24(超声波发送/接收元件100排列在其中)的3D超声波探头10中，可根据超声波换能器24可以枢转的旋转角度确定对象2的将被诊断的区域。具体地讲，在图5的腔内探头30中，由于在腔内探头30插入到女性患者的阴道或肛门的状态下进行诊断，因此超声波换能器24的旋转角度是决定对象2的诊断范围的基本因素。利用通过使用齿轮、滑轮和线将旋转力传递到驱动单元的方法的传统的超声波探头由于线的结构而具有最大旋转角度为120°，因此不可能具有充足的诊断范围。
相反，参照图3，由于第一驱动单元200a的旋转轴340和第二驱动单元200b的旋转轴341固定到超声波换能器24的两个端部，因此超声波换能器24的旋转角度不受用于传递由第一驱动单元200a和第二驱动单元200b产生的旋转力的连接结构的限制。图6A和图6B是示出根据本发明的另一实施例的3D超声波探头10的视图。参照图6A和6B，驱动单元200的旋转轴350沿超声波探头10的纵向形成，由于设置在支撑旋转轴350的轴承353上的滑动单元361使得固定到轴承353的超声波换能器24围绕旋转轴350旋转。在图6A和图6B中，由于驱动单元220被设置为直接驱动旋转轴350，因此由于驱动单元200的动力传动装置使得超声波换能器24可旋转到360°而没有旋转角度θ的限制，因此3D超声波探头10在被插入之后可诊断对象2中的所有区域。
虽然已参照附图描述了本发明的一个或更多个实施例，但是本领域的普通技术人员将理解的是，在不脱离由权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可在形式上和细节上做出各种改变。因此，本发明的真正的技术范围由权利要求的技术精神所限定。
在描述本发明的上下文中(尤其是在权利要求的上下文中)使用的术语“一个”和“所述”以及类似的指示应被解释为覆盖单数和复数两方面。此外，除非在此另有说明，否则在此陈述的数值的范围仅旨在用作单独提及的每个单独的值落入所述范围内的简写方法，并且如同其在此单独的陈述的，每个单独的值为说明书的一部分。最后，除非在此另有说明或另有与上下文明显矛盾，否则在此描述的所有方法的步骤能够按照任何适当的顺序执行。除非另有声明，否则在此提供的任何示例和全部示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地阐述本发明而不构成对本发明的范围的限制。在不脱离本发明的精神和的范围的情况下，许多修改和调整对本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。

Claims (7)

1.一种三维超声波探头，包括：
超声波换能器，超声波发送/接收元件在超声波换能器中一维排列；
第一驱动单元，被设置为使得第一驱动单元的旋转轴固定到超声波换能器的一个端部并将旋转力直接传递至超声波换能器；
第二驱动单元，被设置为使得第二驱动单元的旋转轴固定到超声波换能器的另一端部并将旋转力直接传递至超声波换能器。
2.如权利要求1所述的三维超声波探头，其中，超声波发送/接收元件排列在超声波换能器的顶表面上。
3.如权利要求1所述的三维超声波探头，其中，第一驱动单元和第二驱动单元是电机，所述电机包括设置在所述电机的中部的转子和围绕电机的中部的多个定子，
其中，当第一驱动单元和第二驱动单元的电机分别设置在超声波换能器的两个端部时，所述电机的彼此面对地设置在两个端部的定子彼此对称。
4.如权利要求1所述的三维超声波探头，其中，第一驱动单元和第二驱动单元是电机，所述电机包括设置在所述电机的中部的转子和围绕电机的中部的多个定子，
其中，当第一驱动单元和第二驱动单元的所述电机分别设置在超声波换能器的两个端部时，所述电机的彼此面对地设置在两个端部的定子彼此不对称。
5.如权利要求3所述的三维超声波探头，其中，所述电机是伺服电机或步进电机。
6.如权利要求1所述的三维超声波探头，其中，所述超声波换能器的旋转角度大于等于120°并且小于等于360°。
7.如权利要求1所述的三维超声波探头，其中，所述三维超声波探头是腔内探头和凸探头中的任意一个。
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