CN1938755A - 带有多个流体腔的超声探测头 - Google Patents

带有多个流体腔的超声探测头 Download PDF

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Abstract

超声探测头包括机械振荡以使来自换能器的波束掠过目标图像区域的换能器(46)。该换能器位于流体填充腔的第一隔间中，该第一隔间通过气泡收集管耦连于该流体填充腔的第二隔间。被耦连以振荡换能器的驱动主轴(50)在终止于主腔中的换能器振荡机构之前进入并穿过辅助腔。这定位了在流体填充腔和外部空气之间连接的驱动主轴的动态密封件，从而该密封件的任何气体泄漏将漏入辅助隔间而非漏入换能器所在的隔间。

Description

带有多个流体腔的超声探测头
本发明涉及医学诊断成像系统，尤其涉及超声成像系统的探测头，其中换能器被机械地掠过病人来扫描超声波束。
换能器元件或多个元件为了图像而用一系列超声波束扫掠以扫描病人的机械超声探测头在现有技术中公知。例如，美国专利4426886(Finsterwald等)描述了一种探测头，其中电机旋转一根主轴，该主轴通过锥齿轮传动来振荡一个安装在枢转轴上的超声换能器。当换能器被振荡时，换能器所面对的发送和接收超声波的方向不断变化从而发射波束掠过病人体内的平面。用于相同目的的机械探测头的另一种实现被显示在美国专利4515017(McConaghy)中。在此专利中电机连接于转子，换能器安装在该转子上。当电机振荡，它驱动转子相应地使换能器的波束掠过图像区域。当换能器被移动至探测头内部以扫描病人，很重要的一点是换能器与超声波所经过的探测头声学窗口之间持续地存在良好的耦合媒体。由于在成像频率下超声波会被空气迅速衰减并且由于人体具有近似于水的声学阻抗，这种机械探测头的换能器位于持续地在换能器和声学窗口之间提供流体路径的流体槽中。在上述1886专利中流体是水而在1017专利中流体是矿物油。为了防止会通过动态密封件而发生的泄漏问题，换能器机构和驱动电机二者均位于流体腔中并由流体围绕。这样，所有的可动部件都包含在流体腔中，只有例如连接于电机和换能器的导体的静态连接必须穿过流体腔的壁。
当被振荡的换能器是单个元件的换能器或环形阵列时，扫描病人图像平面的单个波束产生。振荡线性或相控阵列以扫描病人的立体区域也是已知的。这样的阵列将通过电子束引导来静态扫描一个平面，并且当阵列沿竖直方向移动时该平面将掠过一个体积，从而实现病人的三维成像。美国专利5159931(Pini)显示了一种探测头，其中阵列换能器不断地绕其中心旋转，从而使波束平面掠过圆柱形的体积。美国专利5152179(Okunuki等)和5152294(Mochizuki等)显示了这样的探测头，其中弯曲阵列换能器来回振荡以使波束的扇形平面掠过金字塔形的体积。与平面成像探测头类似，这些探测头的机械扫掠换能器阵列采用流体路径以有效地在换能器阵列和探测头的声学窗口之间传导超声波。
流体填充探测头还已知会在流体中产生气泡。当这些气泡移动到换能器与声学窗口之间的区域时，它们将干扰超声波穿过流体的通道，从而降低探测头的性能。这种气泡会由流体腔外部周围温度和压力的变化以及由腔室的密封件和接头的少量泄漏而产生。也可能在腔室充满流体之后尚有少量残余气体留在腔室或腔室内部的部件周围。为了阐明此问题，探测头流体腔已经发展为将气泡收集在远离换能器声学路径的流体隔间中。美国专利4474184(Harui)显示了一种具有主隔间的探测头流体腔，振荡换能器位于其中。换能器的后部是辅助隔间，该辅助隔间通过延伸至辅助隔间中的管子而连接于主隔间。当换能器朝下面向斜躺病人保持在其正常方位时，主隔间中的气泡将上浮并穿过该管子进入辅助隔间。如该专利中所示，延伸到辅助隔间中的管子延伸部将防止探测头方位变化时例如当探测头倒置时气泡流回主隔间。因此，气泡被收集在辅助隔间内部，它们可在流体容器下一次进行保养时被排出。
在大部分这些机械探测头中，可以看到电机位于流体腔内部，要求密封良好的电机并且还使得电机的保养和更换困难。在’179和’294专利中，电机位于流体隔间的外部并且一个膜片将流体隔间与换能器和电机密封隔开。但是由于当换能器阵列振荡时膜片必须不断移动，膜片材料的疲劳问题会导致采用这种方式的问题。因此，期望提供一种机械探测头，其中电机可位于流体腔外部并且减少气泡干扰换能器声学路径的可能性。
根据本发明的原理提供一种机械超声探测头，其中该换能器振荡或移动以使超声波束扫描经过图像区域。换能器位于流体填充腔的主隔间中。辅助隔间位于主腔的后面并且通过气泡收集器连接于主腔。用于移动换能器的动力由驱动主轴提供，该主轴延伸穿过辅助腔进入主腔，并在那里连接于换能器。该驱动主轴由位于流体腔外部的电机驱动。这种配置使得电机能够容易地保养或更换而不会干扰流体腔。该驱动主轴穿过辅助腔壁中的初级和次级动态密封件。连接于周围环境并且对泄漏最为敏感的次级密封件将泄漏到该生成气泡仅在此被收集的辅助腔中，并且连接于主腔的初级密封件由流体围绕并因此不受气体泄漏的影响。在图示实施例中换能器是电子引导阵列换能器，其动作将会使波束掠过病人的立体区域。
附图中：
图1是描述本发明之构思的超声探测头流体腔的第一实施例的横截面图。
图2描述了现有技术的典型腔内超声探测头。
图3描述了根据本发明之原理构造的用于三维成像的腔内探测头的局部切除侧视图。
图4是根据本发明之原理构造的3D腔内探测头的横截面侧视图。
图5是根据本发明之原理构造的3D腔内探测头的流体腔的局部横截及透视图。
参见图1，本发明的探测头流体腔70的第一实施例被横截显示。流体腔70具有主隔间72，可动换能器(本实施例中未示出)位于其中。换能器通过位于主隔间端部78的声学窗口发送和接收超声波。该换能器借助于由驱动主轴80提供的驱动力依照其扫描动作移动，该驱动主轴被位于流体腔外部的电机振荡或旋转。主隔间72的后面是辅助隔间74。主隔间通过气泡收集管76与辅助隔间连接。辅助隔间的目的是收集任何在主隔间72中绕换能器产生的气泡，否则这些气泡会在换能器和声学窗口之间流动从而干扰穿过换能器前方流体的超声波的传送和接收。这是通过提供气泡收集管76而将气泡导向辅助隔间来实现的。由于该气泡收集管相对较小并且远离分隔两个隔间的壁12延伸至辅助隔间中，气泡将趋向于保留在辅助隔间中而且即使探测头及其流体腔倒置也不可能浮回主隔间。当探测头处于其正常操作方位即如图1所示辅助隔间位于主隔间之上时，上浮进入辅助隔间的气泡将保持抵靠辅助隔间的上壁94。当探测头倒置时，气泡将上浮至辅助隔间的相对壁96，此时或者在探测头倒置过程中或许会有气泡位于气泡收集管76正上方的例外情况。
图1的实施例还包括在主隔间中快速将气泡导向辅助隔间并将其收集在那里的措施。可以看到，主隔间的上表面92朝着气泡收集管所在的隔间中心向上倾斜。这样，主隔间72中产生的气泡将趋向于浮向该隔间的上表面92，然后沿着上表面向上一直到达并上浮穿过该气泡收集管。注意到辅助隔间的上表面94从气泡收集管上方的隔间中心向隔间的外围向上倾斜。这样，上浮穿过气泡收集管并到达辅助隔间上表面94的气泡将继续沿着上表面94移动一直到达隔间74的外围91。然后气泡将趋向于呆在辅助隔间的角落91处，即它们能够到达的最高点处。如果此后探测头倒置，气泡将趋向于上浮并到达辅助隔间的表面96的外围95，当探测头从图1所示的方位倒置时表面96就是辅助隔间的上表面。可以看出，当探测头处于倒置位置时，该表面96也从隔间中心向外围向上倾斜，这进一步有助于将气泡导向间隔74的外围95。隔间内壁的这种倾斜将气泡导向辅助隔间74中那些从那儿不太可能使它们移回主隔间72的位置。
看得出，供给动力以振荡或转动换能器的驱动主轴80先穿过辅助隔间74再进入主隔间72。由于驱动主轴80是运动部件，它必须穿过壁中的那些穿过它们仍允许其动作的动态密封件82、84。密封该腔的外部与辅助隔间74之间的驱动主轴界面的次级密封件84在该密封件的一侧(外侧)有空气，而在该密封件的另一侧(腔的内部)有流体。位于从辅助隔间到主隔间的驱动主轴通道中的初级密封件82在该密封件两侧均有流体。因此，如果两个密封件都开始泄漏，次级密封件84比初级密封件更可能使空气流入腔室70。由于穿过次级密封件84的气体泄漏仅将气体漏入辅助隔间74，由这种泄漏产生的气泡将包含并收集在辅助隔间中而不太可能进入主隔间。因此，驱动主轴穿过辅助隔间的通道降低了泄漏的主轴密封件允许气泡进入换能器所在主隔间的可能性。
此外，在本实施例中可以看出初级密封件82并非简单位于隔间之间的壁102中，而是位于从该壁向上的圆柱形凸出部97内。当探测头倒置时，任何收集在辅助隔间的角落91中的气泡将自然上浮至辅助隔间的角落95，并且在倒置时还没处于角落91中并浮动至表面96′的任何气泡将在气泡向上和向外移动至倒置探测头的角落95时绕凸出部97移动而不会进入密封件82。
在构造的实施例中，根据本发明的双腔气泡收集器可用于扫描人体内立体区域的腔内超声探测头。现在参见图2，现有技术中的典型腔内超声探测头10被示出。这种探测头包括长度约为6.6英寸(16.7厘米)且直径约为一英寸(2.54厘米)的在使用期间插入体腔中的轴部12。超声换能器位于该轴的末端14中。在这种探测头中，换能器是静态弯曲阵列换能器，它能够扫描环绕探测头顶端的平面扇形。该探测头在使用中通过手柄16被握持和操作。该手柄的端部是用于电缆20的电缆冒口18，该电缆延伸大约3-7英尺并终止于连接器22，该连接器将探测头耦连于超声系统。例如图1所示那种典型的二维成像IVT探测头可具有长12英寸且包括电缆20和连接器22在内约重48盎司(150克)的轴与手柄。
现在参见图3，根据本发明之原理构造的用于三维成像的腔内超声探测头30被示出。探测头30包括手柄部36，借助于该手柄部使用者在使用过程中握持探测头进行操作。手柄的后部是用于探测头电缆(未示出)的电缆冒口18。从手柄36的前端延伸的是探测头的轴32，该轴终止于末端的圆顶状声学窗口34，成像期间超声波穿过该窗口被传送或接收。包含在轴的末端中的是换能器座组件40，该组件还显示在图4和5中的顶端组件的无盖视图中。凸面弯曲的阵列换能器46附接于组件40末端的换能器支架48。该换能器支架48通过其枢转轴线49枢转安装以在探测头的末端来回摇摆，从而使图像平面掠过探测头前方的立体区域。换能器支架48由振荡驱动主轴50进行摇摆，该主轴从电机以及手柄36中的位置传感器60延伸至换能器安装组件40。该驱动主轴50延伸穿过轴中的隔离管52，后者用于使可动驱动主轴与电导体以及位于该轴中最接近换能器座组件40处的体积补偿囊形件44相隔离。驱动主轴50通过联轴器56连接于换能器座组件40的小齿轮轴80。小齿轮轴80借助于两个啮合的锥齿轮54来摇摆该支架48，一个齿轮位于小齿轮轴80的端部而另一个位于换能器支架48上。电机交替地在一个旋转方向内而后在另一方向内驱动小齿轮轴80，该小齿轮轴交替地在一个方向内而后在另一方向内摇摆该换能器支架48，该支架使换能器阵列46的图像平面来回掠过探测头末端前方的立体区域。换能器阵列46获得的回波信号是柱状的，由超声系统检测和还原形成由探测头进行扫描的立体区域的三维图像。
由于超声波能量不能有效地穿过空气，该阵列换能器46由流体围绕，该流体能够传送超声波并接近地匹配于与水近似的人体声学阻抗。流体包含在换能器座组件40内部的流体腔42中，该组件还包含阵列换能器46。水基、油基和合成聚合物流体均可采用。在构造的实施例中硅油被用作换能器流体腔中的声学耦合流体。参见图5，显示了换能器座组件40的部分横截和切除的视图。组件40的流体腔42具有主隔间72，换能器支架48和阵列换能器46(见图4)位于其中。小齿轮轴80可以看出延伸至主隔间72内并终止于锥齿轮54。小齿轮轴80可以看出由初级和次级密封件82和84支承。主隔间72通过气泡收集管76连接于流体腔的上隔间74。次级密封件84在小齿轮轴从流体腔外部进入该腔室的辅助隔间时密封该小齿轮轴。初级密封件82在小齿轮轴从次级隔间进入该流体腔的主隔间时密封该小齿轮轴80。在本实施例中位于上隔间74顶端的是流体腔的加注口108，它由填充销110密封。本实施例中在气泡收集管76之上连接于组件40的是流体腔的体积补偿囊形件44，它在其近端由螺纹塞112(见图4)密封。当流体通过加注口108注入流体腔中时，它直接滴入主隔间72，首先充满该主隔间。接下来该辅助隔间74充满，最终体积补偿囊形件充满。当流体腔和囊形件充满时，加注口用填充销110密封并且体积补偿囊形件端部的螺纹塞112密封该囊形件的近端，如同时递交的美国专利申请60/559379中所述，其发明名称为“超声探测头的体积补偿系统”，其内容在此结合作为参考。主流体隔间72中残存或产生的任何气泡将趋向于上浮穿过气泡收集管76到达辅助隔间74，(之后在图3-5的实施例中可能进入囊形件44)它们保留在那里直到以后排出。小齿轮轴80的两个密封件中，流体腔和外部环境之间的次级密封件84将泄漏空气而非两个隔间之间的初级密封件82。这样，由绕轴80的气体泄漏所产生的气泡将进入辅助隔间74，它们将保留并收集在那里而不太可能进入换能器阵列46所在的主隔间。
本发明的其它实施例和变化对于本领域技术人员而言很容易想到。例如，取代被摇摆，阵列换能器可以通过延伸到主腔中的旋转主轴绕其中心轴线自旋。自旋阵列换能器可使波束掠过圆柱形体积或圆锥形体积而非由摇摆阵列换能器所掠过的楔形体积。气泡收集管可位于两个隔间的一个侧面，主隔间中的一个表面促使气泡向着该腔室中气泡管所在的侧面移动并且辅助隔间中的一个表面促使气泡在腔室中向着远离该管的另一侧移动。

Claims (20)

1.一种用由可动换能器传送的超声波束扫描目标的超声探测头，包括：
具有换能器可动地安装其中的主隔间的流体填充腔；
该流体填充腔的辅助隔间；
连接该主隔间和辅助隔间的流体填充通道；以及
延伸进入该流体填充腔并为换能器供给动力的驱动机构，该驱动机构穿过辅助隔间并终止于流体填充腔的主隔间。
2.如权利要求1所述的超声探测头，其中该驱动机构还包括驱动主轴。
3.如权利要求2所述的超声探测头，还包括位于流体填充腔外部并耦连于驱动主轴以振荡或转动该驱动主轴的电机。
4.如权利要求2所述的超声探测头，还包括初级密封件和次级密封件，该驱动主轴借助于次级密封件从流体填充腔外部进入辅助隔间，以及该驱动主轴借助于初级密封件从辅助隔间进入主隔间。
5.如权利要求4所述的超声探测头，其中该密封件包括允许驱动主轴动作的动态密封件。
6.如权利要求5所述的超声探测头，还包括位于初级密封件两侧的流体和仅位于次级密封件一侧的流体，其中次级密封件的泄漏会使得空气进入辅助隔间。
7.如权利要求1所述的超声探测头，其中该流体填充通道还包括气泡收集管。
8.如权利要求7所述的超声探测头，其中该气泡收集管还包括从分隔主隔间和辅助隔间的壁延伸到辅助隔间中的管子。
9.如权利要求1所述的超声探测头，其中该换能器包括可受控以电子引导波束穿过平面区域的阵列换能器，其中该阵列换能器的动作使得波束掠过立体区域。
10.如权利要求9所述的超声探测头，其中该换能器可动地安装在使得阵列换能器沿竖直方向来回振荡的枢转机构上，其中该枢转机构的振荡由驱动机构致动。
11.如权利要求10所述的超声探测头，其中该驱动机构还包括通过齿轮机构连接于该枢转机构的驱动主轴。
12.如权利要求9所述的超声探测头，其中该流体填充腔由声学窗口封装，当阵列换能器移动时超声波束穿过该窗口传送。
13.如权利要求12所述的超声探测头，还包括阵列换能器移动时位于阵列换能器的传送表面与声学窗口之间的流体填充空间。
14.一种用由可动换能器传送的超声波束扫描目标的超声探测头，包括：
具有换能器可动地安装其中的主隔间的流体填充腔；
该流体填充腔的辅助隔间；
连接该主隔间和辅助隔间的流体填充通道；以及
终止于主隔间中并为换能器供给动力的驱动机构，
其中该主隔间具有促使气泡在主隔间中朝着流体填充通道移动的内表面，并且其中该辅助隔间具有促使气泡在辅助隔间中远离该流体填充通道移动的内表面。
15.如权利要求14所述的超声探测头，其中该流体填充通道位于流体填充腔的中心处或其附近。
16.如权利要求14所述的超声探测头，其中该流体填充通道还包括气泡收集管。
17.如权利要求14所述的超声探测头，其中该换能器包括可受控以电子引导波束穿过平面区域的阵列换能器，其中该阵列换能器的动作使得波束掠过立体区域。
18.如权利要求14所述的超声探测头，其中该驱动机构耦连于位于流体填充腔外部的电机。
19.如权利要求18所述的超声探测头，其中该驱动机构包括驱动主轴。
20.如权利要求19所述的超声探测头，其中该驱动机构还包括齿轮机构。
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