DE10328827A1

DE10328827A1 - Sende- und Empfangsisolation für ein Ultraschallabtasten und Verfahren der Verwendung

Info

Publication number: DE10328827A1
Application number: DE10328827A
Authority: DE
Inventors: David A. Fall City Petersen; John C. Fall City Lazenby; Robert P. Sammamish Hunt; Robert N. Sammamish Phelps
Original assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2023-06-27
Also published as: JP2010000374A; CN100450442C; US6806623B2; CN100557460C; JP4395332B2; US20040002435A1; CN101051084A; DE10328827B4; CN1478440A; JP2004089694A; JP5692976B2

Abstract

Ein System zum Isolieren eines Sendeweges und eines Empfangsweges in einem Ultraschalltransducerelement, mit separaten Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten des Transducerelements, die mit dem Sendeweg und dem Empfangsweg jeweils separat verbunden sind. Anstelle eines Hochspannungsschaltens isoliert das Transducerelement den Sendekanal vom Empfangskanal, wobei der Sendekanal eine Schaltung aufweist, um die Spannung an einer Elektrode während des Empfangs zu begrenzen, und der Empfangskanal eine Schaltung aufweist, um die Spannung an einer Elektrode während des Sendens zu begrenzen.

Description

Die Erfindung betrifft Empfangsschaltungen für Ultraschallaufnahmen (Ultraschall-Imaging). Insbesondere werden Empfangsschaltungen zur Verwendung mit unterschiedlichen Transducern (Messwertwandler) geschaffen.

Ultraschallaufnahmen für Echokardiogrammanwendungen erfordern Transducer mit hohen Volumen-pro-Zeit Abtastraten. Für das Abbilden von bewegten Strukturen in Echtzeit werden pro Sekunde 20 oder mehr, beispielsweise 35 zwei- oder dreidimensionale Darstellungen erzeugt. Eine große Informationsmenge wird von einer Ultraschallsonde an eine Ultraschallsystembasiseinheit übertragen.

Verschiedene Transducer und in Zusammenhang stehende Strahlenformer sind für dreidimensionale Ultraschallaufnahmen geschaffen worden. Gegenwärtig werden in erster Linie mechanische Transducer verwendet. Die damit erzeugten Aufnahmen werden jedoch nicht in Echtzeit geliefert, und erfordern typischerweise ein EKG-Gating. Ebenso sind zweidimensionale Transduceranordnungen für ein schnelleres elektronisches Steuern und Volumenerfassen geschaffen worden. Beispielsweise werden verstreute (dünn abgetastete bzw. besetzte) zweidimensionale Anordnungen oder voll abgetastete bzw. besetzte zweidimensionale Anordnungen verwendet. Die verstreuten Anordnungen (Sparse-Arrays) liefern eine schlechte Kontrastauflösung.

Voll abgetastete zweidimensionale Anordnungen verwenden eine teure zusätzliche Strahlenformungs-Hardware. Zweidimensionale Anordnungen erzeugen wiederholt Sendestrahlen und Antwortempfangsstrahlen. Die Strahlen werden innerhalb des dreidimensionalen Volumens gesteuert. Eine elektronische Steuerung erfordert einen Systemkanal für jedes der verwendeten Elemente. Da die Anzahl von Elementen in einer zweidimensionalen Anordnung groß ist, ist die Anzahl an erforderlichen Kanälen groß. Mehr Kanäle benötigen eine größere Anzahl an Kabeln. Das Bereitstellen eines Strahlenformens oder eines teilweisen Strahlenformens innerhalb der Sonde der Transduceranordnung kann de Anzahl an erforderlichen Kabeln reduzieren, jedoch bleibt die erforderliche Anzahl an Kanälen und an Hardware für das Abtasten der zweidimensionalen Anordnung groß. Darüber hinaus sind analoge Verzögerungsglieder, die zum Strahlenformen in der Sonde verwendet werden, teuer und groß, und der Strahlenformer in der Sonde kann eine begrenzte Programmierbarkeit aufweisen.

Die Transduceranordnungen weisen Elemente mit einer Masseelektrode und einer Signalelektrode auf, die schaltbar mit separaten Sende- und Empfangssystemkanälen verbunden werden. Wenn das Strahlenformen in der Sonde erfolgt, sind innerhalb der Sonde ebenfalls Hochspannungstransistoren oder Dioden enthalten, die als Schalter arbeiten, um die Sendekanäle von den Empfangskanälen zu isolieren. Diese Hochspannungsvorrichtungen sind nicht leicht in Strahlenformschaltkreisen zu integrieren, so dass zusätzlicher Platz benötigt wird.

In einem System, das in der US 5,622,177 offenbart ist, ist die Anzahl von Systemkanälen und Kabeln reduziert, indem ein Zeitmultiplexverfahren (TDM) verwendet wird. Daten von einer Mehrzahl von Elementen werden auf eine einzelne Leitung gemultiplext. Die zeitgemultiplexten Daten (TDM-Daten) haben jedoch andere Eigenschaften als herkömmliche Daten, die das Signal von einem einzelnen Transducerelement repräsentieren. Eine Empfangsschaltungstechnik, die für die Verwendung mit herkömmlichen Daten ausgelegt ist, kann daher ein Rauschen oder einen Fehler in die zeitgemultiplexten Daten einbringen bzw. erzeugen.

Einleitend sei gesagt, dass die im folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung Verfahren und Systeme einschließen, um Sende- und Empfangsschaltkreise eines Ultraschall-Transducerelements zu isolieren. Separate Elektroden oder Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten eines Transducerelements sind mit separaten Sende- und Empfangswegen oder Kanälen verbunden. Anstelle eines Sende- und Empfangsschaltens bei hoher Spannung isoliert das Transducerelement den Sendekanal vom Empfangskanal. Der Sendekanal weist Schaltkreise auf, um die Spannung. an einer Elektrode während der Empfangsverarbeitung zu begrenzen, beispielsweise einen Schalter, der betreibbar ist, um die Elektrode mit Masse zu verbinden. Der Empfangskanal weist Schaltkreise auf, um die Spannung an einer Elektrode während der Sendeverarbeitung zu begrenzen, beispielsweise eine Diodenklemme (Klemmdiode), die Spannungsschwingen größer als die Diodenspannung an der Elektrode verhindert. Das Begrenzen der Spannung liefert ein faktisches Erden oder einen Gleichstrom für entweder die Sendeoperation oder die Empfangsoperation.

Durch die Verwendung eines oben diskutierten Sendekanals oder anderer Sendekanäle kann einen einpoligen Impuls erzeugt werden, der bei einer Spannung beginnt und bei einer anderen Spannung endet. Ein einpoliger Impuls wird beispielsweise erzeugt, der bei einem Nullspannungswert beginnt und bei einem positiven Spannungswert endet. Ein nachfolgender einpoliger Impuls wird gesendet, der bei dem positiven Spannungswert beginnt und bei dem Nullspannungswert endet. Diese gespiegelten einpoligen Sendewellenformen können verwendet werden für Phaseninversions-Imaging (Phase Inversion Imaging), wie etwa das Hinzuaddieren von in Antwort empfangenen Signalen für das Isolieren nicht-linearer Antwortinformation.

Die Erfindung ist durch die folgenden Ansprüche definiert, und nichts in diesem Abschnitt soll eine Beschränkung dieser Ansprüche darstellen. Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen im folgenden diskutiert.

Die Komponenten und die Figuren sind nicht maßstabsgetreu, statt dessen sollen die Prinzipien der Erfindung hervorgehoben werden. Darüber hinaus kennzeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in verschiedenen Ansichten.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Ultraschallsystems zum Empfangen unterschiedlicher Signaltypen von unterschiedlichen Transducersonden.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Empfangen von Daten, die mit einer Mehrzahl von Transducerelementen in Zusammenhang stehen, auf einem einzelnen Kabel.
3 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Transducers mit isolierten Sende- und Empfangskanälen.
4 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Senders.
5 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Senders.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels, das die Verwendung von isolierten Sende- und Empfangskanälen gemäß 5 darstellt, um akustische Information zu senden und zu empfangen.
7 zeigt eine graphische Darstellung von einpoligen Impulsen mit entgegengesetzten Phasen.
8 zeigt eine graphische Darstellung einer mehrdimensionalen Transduceranordnung. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des Inneren einer Sonde, die eine mehrdimensionale Transduceranordnung aufweist, die mit Schaltplatten (Leiterplatten) verbunden ist.
10 zeigt eine Teilquerschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer mehrdimensionalen Anordnung, die aus Modulen aufgebaut ist.
11A und 11B zeigen graphische Darstellungen von Schritten, die bei der Herstellung einer mehrdimensionalen Anordnung, die vorgeschnittenen (pre-diced) Module verwendet, durchgeführt werden.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Schnellere oder komplexere zweidimensionale und dreidimensionale Ultraschallaufnahmen werden gebildet, indem ein Multiplexing verwendet wird. Ein Multiplexer erfolgt in einer Sonde, so dass Information von mehreren Transducerelementen auf einen Signalka na1 gemultiplext werden, zur Übertragung an eine Basiseinheit oder an ein Ultraschallsystem für eine Weiterverarbeitung. Zur Vermeidung unterschiedlicher Systeme für unterschiedliche Transducertypen kann die Empfangsschaltung eines Ultraschallsystems in verschiedenen Modi arbeiten, basierend auf dem Format der Signale, die von dem Transducer geliefert werden. Um die Anzahl der Kanäle weiter zu minimieren, die eine Sonde mit einem Ultraschallsystem verbinden, ohne die Größe der Sonde nachteilig zu beeinflussen, wird ein Sendekanal von dem Empfangkanal durch ein Transducerelement getrennt. Diese Separation isoliert den Sendekanal, während die Integration von Hochspannungsvorrichtungen in der Sonde minimiert wird. Damit das Element den Sende- und Empfangskanal isolieren kann, wird die Transduceranordnung aus Modulen hergestellt, die separat geschnitten (einem Dicen unterzogen) wurden, wobei jedes Modul einen Signalverlauf zu gegenüberliegenden Seiten jedes Elements aufweist.
Die im Vorangegangenen diskutierten Entwicklungen für ein Multiplexen können unabhängig von dem Multiplexen oder anderen Merkmalen verwendet werden. Diese unabhängigen Entwicklungen oder Merkmale werden später in drei allgemeinen Abschnitten beschrieben. Der Empfangsschaltkreis zum Empfangen von Information, die mit unterschiedlichen Signalformaten in Zusammenhang steht, oder zum Empfangen eines gemultiplexten Formats wird zuerst beschrieben. Die Isolation des Sendewegs vom Empfangsweg unter Verwendung eines Transducerelements und die in Zusammenhang stehenden Verfahren der Verwendung werden als zweites beschrieben. Abschließend werden Transduceranordnungen und Verfahren der Herstellung beschrieben.
EMPFANGSSCHALTKREIS:
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Ultraschallsystems 10. Das System 10 weist eine Basiseinheit 12 mit einer Empfangsschaltung 14 und einem Bildprozessor 16 auf. Die Empfangsschaltung 14 kann mit unterschiedlichen Typen von Transducersonden 18, 20 über ein Kabel 22 verbunden werden. Eine Mehrzahl von Empfangsschaltungen 14 ist mit den Sonden 18, 20 zur Verarbeitung der Signale von einer Anordnung von Elementen 24 elektrisch verbindbar. Darüber hinaus können verschiedene oder weniger Komponenten in dem System 10 angeordnet sein, beispielsweise nur ein Typ von Transducersonde 18, 20.
Eine Transducersonde 20 enthält eine Anordnung von piezoelektrischen oder mikroelektromechanischen Elementen 24 zur Umwandlung zwischen akustischer und elektrischer Energie. Die Sonde 20 weist ein einzelnes Element, eine lineare Anordnung von Elementen oder eine mehrdimensionale Anordnung von Elementen auf. Die Sonde 20 weist auch ein Gehäuse auf, welches die Anordnung aufnimmt. Das Gehäuse ist als Handgerät ausgebildet, oder kann für eine Einführung in Hohlräume oder ein Herz-Kreislauf-System eines Patienten geformt sein. Die Sonde 20 ist mit der Empfangsschaltung 14 durch ein Kabel 22 für jedes Element 24 der Anordnung verbunden. Jedes Kabel 22 liefert ein analoges Signal, welches die akustische Energie repräsentiert, die an einem einzelnen Element 24 empfangen worden ist. Die auf dem Kabel 22 von der Sonde 20 gelieferte Signalisierung weist herkömmliche Signale auf, welche nicht multigeplext sind, oder andere Zwischenschaltungen zwischen dem Element 24 und dem Verbinderanschluss 32. Die Sonde 20 liefert Signale oder andere Informationen, die anders formatiert sein können, als die Signale von der Sonde 18.
Die Sonde 18 enthält eine lineare oder mehrdimensionale Anordnung von Elementen 24, die mit einem Multiplexer 26 verbunden sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind 1536 Elemente 24 als eine zweidimensionale oder mehrdimensionale Anordnung konfiguriert. Die Sonde 18 weist auch ein Gehäuse auf, welches die Anordnung aufnimmt. Das Gehäuse ist als ein Handgerät ausgebildet, und kann zur Einführung in Hohlräume oder in ein Herz-Kreislauf-System eines Patienten geformt sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält die Transducersonde 18 eine mehrdimensionale Transducersonde, die hergestellt wird, indem Module verwendet werden, wie im folgenden beschrieben wird. Jedoch können auch andere lineare oder mehrdimensionale Anordnungen verwendet werden, die eine Grundebene verwenden, oder mit einer separaten Signalgebung von einer PZT-Komponente (Piezoelektrische Komponente), oder Module können verwendet werden.
Die Sonde 18 enthält Vorverstärker 35 und Zeitgewinnsteuerungen 37 als einen Empfangskanal 64 vor dem Multiplexen. Der Empfangskanal 64 ist mit dem Element 24 verbunden. Die vorverstärkte und zeitgewinngesteuerte Information wird an Abtast- und Halteschaltungen 60 geliefert. Die Abtast- und Halteschaltung 60 enthält analoge Verzögerungsglieder, um analoge Information von mehreren Elementen 24 auf ein Ausgangssignal zu multiplexen. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel existiert keine Abtast- und Haltefunktion. Analoge Wellenformen werden im Takt mit keiner "Halte"-Operation und keiner "Analogverzögerungs"-Operation verschachtelt. Die Verwendung eines Abtastens und Haltens ist kein Erfordernis, sondern eine mögliche Alternative.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel verbrauchen die Empfangsschaltungen in der Sonde 18 weniger als 5 Watt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Multiplexer 26 für jeweils acht Elemente 24 angeordnet, jedoch kann ein einzelner Multiplexer für alle Elemente oder für eine andere Anzahl von Elementen angeordnet sein. Der Multiplexer 26 weist ein analoges oder digitales Netz an Schaltern auf, die auf eine Sondensteuerung 28 antworten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kombiniert der Multiplexer 26 Signale von einer Mehrzahl von Elementen 24, indem ein Zeitmultiplexverfahren verwendet wird. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann ein Frequenzmultiplexverfahren oder ein anderes bereits bekanntes oder zukünftiges Multiplexverfahren verwendet werden. Die Sondensteuerung 28 steuert den Multiplexer 26 in Antwort auf ein Taktsignal, so dass analoge Signale von jedem der Elemente einem bestimmten Zeitschlitz zugewiesen werden, innerhalb eines Rahmens der Zeitmultiplexinformation. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Sonde 18 und der in Zusammenhang stehende Multiplexer 26 eine zeitgemultiplexte Sonde auf, wie in der US 5,622,177 diskutiert, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme Bestandteil dieser Anmeldung wird. Darüber hinaus können andere oder weniger Komponenten in der Sonde 18 gebildet sein, beispielsweise zusätzliche Verstärker oder Filter in der Sonde 18, oder es kann eine Sonde gebildet werden, ohne Vorverstärker oder Zeitgewinnsteuerung.
Der Multiplexer 26 gibt zeitgemultiplexte oder anders formatierte Daten an einen Leitungstreiber 30. Der Leitungstreiber 30 enthält einen Verstärker oder andere Vorrichtungen, die integriert mit oder separat von dem Multiplexer 26 ausgebildet sind, zur Übertragung der gemultiplexten Information über das Kabel 22. Separate Kabel 22 können für zusätzliche Multiplexer 26 angeordnet werden, beispielsweise 192 oder 256 Kabel 22.
Die Basiseinheit 12 enthält ein Ultraschallabbildungssystem, beispielsweise ein Handgerät, ein wagenbasiertes oder anderes System zur Erzeugung einer zweidimensionalen oder dreidimensionalen Darstellung eines Patienten. Der Empfangsschaltkreis 14 empfängt Information von einer oder von mehreren Transducersonden 18, 20 für eine Strahlenformation, eine Detektion und andere Ultraschallbildverarbeitungen durch den Bildprozessor 16.
Die Empfangsschaltung 14 weist einen Verbinderanschluss 32 auf, einen Modussteuerprozessor 34, einen Vorverstärker 36, eine Zeitgewinnsteuerschaltung 38, ein Tiefpassfilter 40, ein Puffer 42, einen Analog/Digital-Wandler 44, einen digitalen Entzerrer (Equalizer) 46, einen digitalen Demultiplexer 48, einen Analyseprozessor 50 und eine auswählbare Verzögerung 52. Darüber hinaus können andere oder weniger Komponenten verwendet werden. Die Empfangsschaltung 14 enthält eine oder verschiedene Kombinationen von zwei oder mehreren Komponenten, die oben beschrieben worden sind. Beispielsweise weist die Empfangsschaltung nur den Vorverstärker 36 oder das Tiefpassfilter 40 auf. Die Empfangsschaltung 14 ist mit der Transducersonde 20 betreibbar, wobei die Signale von den Elementen 24 verstärkt und/oder vor der Übertragung an die Basiseinheit 12 verarbeitet werden können, oder auch nicht. Ein zweiter Betriebsmodus erlaubt die Übertragung von zeitgemultiplexten oder anders gemultiplexten Signalen, die eine Gruppe von Elementen repräsentieren, über eine Signalleitung oder ein Kabel 22. Die Empfangsschaltung 14 weist einen einzelnen Empfangskanal innerhalb der Basiseinheit 12 auf. Es sind mehrere Empfangskanäle in Verbindung mit unterschiedlichen Kabeln 22 und unterschiedlichen Elementen 24 gebildet.
Der Anschluss 32 weist eine Steckbuchse oder einen Stecker mit elektrischen Kontakten zur Verbindung mit einem Bündel von Kabeln 22 auf. Der Anschluss 32 kann mit verschiedenen Transducersonden 18, 20 verbunden werden. Beispielsweise ist eine Sonde mit Zeitmultiplexfähigkeiten mit dem Anschluss 32 verbunden. Gemäß einem anderen Beispiel ist die Sonde 18 von dem Anschluss 32 getrennt, und eine andere Sonde 20 ist mit dem Anschluss 32 verbunden. Der Anschluss 32 hält lösbar physikalischen und elektrischen Kontakt mit dem Bündel von Kabeln 22. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ist ein separater Anschluss 32 für verschiedene Sonden 18, 20 bereitgestellt. Die gleiche Basiseinheit 12 und Empfangsschaltung 14 kann verwendet werden, um Information von verschiedenen Typen von Transducersonden 18, 20 zu empfangen und zu verarbeiten. Beispielsweise ist der Anschluss 32 mit der Sonde 18 für ein Imaging verbunden, indem ein vollbesetzte zweidimensionale oder 1,5-dimensionale Anordnung verwendet wird. Das Zeitmultiplexverfahren erlaubt die Steuerung in zwei Raumrichtungen für zweidimensionale oder dreidimensionale Abbildungen, während die Anzahl an Kabeln 22 zur Übertragung der Signale an die Basiseinheit 12 minimiert wird. Der gleiche Anschluss 32 verbindet die andere Transducersonde 20 für eine Ultraschallaufnahme (Ultraschall-Imaging), indem Signale verwendet werden, die nicht gemultiplext sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind mehrere Anschlüsse 32 mit Relais oder Festkörperschaltern in der gemeinsamen Empfangsschaltung 14 gebildet, um einen schnellen Zugriff zur Auswahl eines Transducers bereitzustellen. Jeder individuelle Anschluss 32 kann entweder gemultiplexte Transducer 18 oder herkömmliche Transducer 20 akzeptieren.
Der Modussteuerprozessor 34 enthält einen Steuerprozessor, einen allgemeinen Prozessor, einen ASIC (Application Specific Integrated Circuit) oder andere analoge oder digitale Vorrichtungen zur Steuerung von Komponenten der Empfangsschaltung 14, beispielsweise des Vorverstärkers 36 und des Tiefpassfilters 40. In Antwort auf eine durch den Benutzer eingegebene Konfiguration, in Antwort auf Steuersignale, die von der Probensteuerung 28 geliefert werden, in Antwort auf eine Detektion durch den Anschluss 32 eines Typs der Sonde, oder in Antwort auf die Analyse von Signalen, die von der Ultraschallsonde 18, 20 empfangen worden sind, konfiguriert der Modussteuerprozessor 34 eine oder mehrere Komponenten der Empfangsschaltung 14 zur Verarbeitung gemäß dem Datentyp oder des Datenformats, das von der Sonde 18, 20 geliefert wird. Eigenschaften der Empfangsschaltung sind als Funktion des Datenformats konfiguriert.
Der Vorverstärker 36 weist Transistoren oder andere analoge oder digitale Vorrichtungen auf, um einen Breitbandempfänger mit wenig Rauschen zu bilden. Der Vorverstärker 36 ist programmierbar oder kann auf einen Modussteuerprozessor 34 reagieren, zur Programmierung von Eigenschaften des Vorverstärkers. Für den Betrieb mit der Transducersonde 20 oder für den Betrieb mit Signalen, die ein einzelnes Transducerelement 24 darstellen, ist der Vorverstärker 36 derart programmiert, dass eine Impedanzeigenschaft ähnlich der oder gleich der Impedanz des Elements 24 und des Kabels 22 ist, beispielsweise 1 kOhm. Die Impedanz gleicht eine Generalisierung ab, die auf erwarteten Änderungen von Kabelimpedanzen für unterschiedliche Typen von Sonden 20 basiert. Der Vorverstärker 36 kann alternativ programmierbar sein, um spezifische Typen von Sonden 20 mit unterschiedlichen Kabeln 22, Kabellängen oder Elementen 22 abzugleichen. Die Vorverstärkereingangsimpedanz, der Gewinn und die Frequenzantwort können entweder durch auswählbar geschaltete Komponenten oder durch Änderung des Vorverstärkervorspannstroms gesteuert werden. In der Praxis können beide Verfahren gleichzeitig innerhalb einer integrierten Schaltungsrealisierung verwendet werden. Für den Betrieb mit gemultiplexten Signalen ist der Vorverstärker 36 für einen Impedanzabgleich mit dem Leitungstreiber 30 oder anderen Ausgangsschaltkreisen der Sonde 18 programmiert. Beispielsweise ist der Vorverstärker 36 programmiert, um ungefähr einen 50 Ohm Impedanzabgleich zu liefern. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werden verschiedene Vorverstärker 36 durch den Modussteuerprozessor ausgewählt.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Gewinncharakteristik des Vorverstärkers 36 als eine Funktion des Formats der Signale oder des Typs der Sonde 18, 20 ausgewählt. Gemultiplexte Transducer 18 können einen geringeren Vorverstärkergewinn erfordern, als herkömmliche Transducer 20, da Signale bereits innerhalb des Transducers vor dem Multiplexen verstärkt worden sind. Ebenso ist die Rauschleistung des System vorverstärkers 36 für gemultiplexte Transducer 18 mit integralen Vorverstärkern 36 nicht so streng, so dass ein schlechterer Rauschvorverstärker erwünscht sein kann, um Leistung zu sparen oder die Eingangsimpedanz, den Gewinn und die Frequenzantwort in anderer Weise zu optimieren.
Eine andere programmierbare Eigenschaft betrifft die Bandbreite des Vorverstärkers 36. Für gemultiplexte Information ist der Vorverstärker 36 nicht bandbegrenzt, oder arbeitet über ein breites Band, so dass Frequenzen mit einer Symbolrate von mehr als dem Doppelten der Mittenfrequenz der Transduceranordnung für ein zeitgemultiplextes Verfahren passieren (beispielsweise mehr als 5 MHz, 30 MHz oder 100 MHz oder mehr). Für multiplexfreie Information kann die Bandbreite 2–15 MHz betragen, beispielsweise in Zusammenhang mit Ultraschallfrequenzen oder dem Frequenzband des Transducers. Andere Eigenschaften des Vorverstärkers 36 können als Funktion des Datenformats, das von der Transducersonde 18, 20 geliefert wird, angepasst oder geändert werden.
Signalangleichblöcke können in dem Multiplexer 26 oder mit dem Vorverstärker 36 vorhanden sein, um für frequenzabhängige Verluste in den Kabeln 22 ein Vorausgleichen und ein Nachausgleichen bereitzustellen. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen stellt der digitale Equalizer 46 ein Nachausgleichen bereit. Das Ausgleichen kann eine Zwischensymbol-Interferenz minimieren. Beispielsweise kann eine Vorbetonung oder Hochfrequenzverstärkung verwendet werden, bevor das Kabel angesteuert wird, um frequenzabhängige Kabelverluste zu kompensieren. Ein Allpaßkorrekturfilter kann ebenfalls in dem Systemempfänger 14 implementiert sein, um Zwischensymbol-Interferenzen vor der A/D-Wandlung weiter zu reduzieren.
Die Zeitgewinnsteuerung 38 („depth gain control") weist einen einstellbaren Gewinnverstärker zur variablen Verstärkung von analogen Signalen auf. Für Signale, die ein einzelnes Element 24 darstellen, liegt der variable Gewinn beispielsweise zwischen 40 und 80 dB, doch können andere Gewinne verwendet werden, um der Dämpfung von Ultraschallsignalen von ungefähr einem dB pro MHz pro Zentimeter Rechnung zu tragen. Die Zeit gewinnsteuerung 38 arbeitet für gemultiplexte Signale genauso oder anders. Wenn eine Zeitgewinnsteuerung 38 in der Sonde 18 bereitgestellt ist, liefert die Zeitgewinnsteuerung 38 der Empfangsschaltung 14 weniger oder keinen variablen Gewinn für gemultiplexte Signale. Wenn die Zeitgewinnsteuerung 38 einen variablen Gewinn verwendet, trägt der Gewinn dem Zeitmultiplexverfahren Rechnung, indem innerhalb jedes Signalrahmens von den Mehrfachelementen 24 ein gleicher Gewinn verwendet wird.
Das Tiefpassfilter 40 weist ein Antialiasing-Filter auf, das als ein endliches Impulsantwort- oder unendliches Impulsantwortfilter implementiert ist. Das Tiefpassfilter 40 führt eine Bandbegrenzung für Signale durch, so dass Signale größer als die Hälfte der digitalen Abtastrate nicht in das Signalspektrum einfließen. Zur Verringerung der Bandbreite des Tiefpassfilters wird ein größeres Signalrauschverhältnis gebildet, so lange wie Signale, die von Interesse sind, nicht entfernt oder reduziert sind. Signale von Interesse, die von der Sonde 20 geliefert werden, oder ein einzelnes Element 24 repräsentieren, sind in einem Frequenzband von 2-15 MHz bereitgestellt. Das Tiefpassfilter 40 ist mit 6 dB nach unten oder einer anderen Sperrfrequenz von 30 MHz programmiert, 15 MHz weniger oder einer anderen Frequenz. Die Bandbreite kann als Funktion des Typs der Aufnahme (Imaging) oder des Typs der verwendeten Sonde 20 programmiert werden. Für gemultiplexte Signale, beispielsweise zeitgemultiplexte Information, ist die Bandbreite größer, um gemultiplexte Signale durchzulassen, während die Zwischensignal-Interferenz minimiert wird. Beispielsweise beträgt die Bandbreite 30 MHz oder mehr, beispielsweise 50 oder 100 MHz, um eine Nyquist-Kanalform zu bilden oder ein Linearphasentiefpassfilter mit folgender Betragsantwortsymmetrie: |H(f)| =1 – |H(Fsample-f)|, für 0 < f < Fsample, wobei Fsample die gemultiplexte Abtastrate ist (beispielsweise 96 MHz). In der Praxis ist H(F) eine Näherung für einen Nyquistkanal, und Fehler werden über den digitalen Equalizer 46 korrigiert.
Das Puffer 42 enthält einen Verstärker oder andere analoge Komponenten zur Pufferung von Signalen, die in den Analog/Digital-Wandler 44 eingegeben werden. Das Puffer 42 liefert die gleichen Eigenschaften, unabhängig von dem Typ der Daten oder des Daten formats, das verwendet wird, kann jedoch programmierbare Eigenschaften aufweisen, die als Funktion des Datenformats variieren. Beispielsweise können von dem Puffer 42 für gemultiplexte Daten schnellere Anstiegsraten erforderlich sein. Eine programmierbare Anstiegsratenbegrenzung kann verwendet werden, um Energie im nicht-gemultiplexten Modus zu sparen.
Der Analog/Digital-Wandler 44 tastet die analogen Signale ab und gibt digitale Darstellungen in irgendeinem von verschiedenen bereits bekannten Codes oder zukünftig entwickelten Codes aus. Für Daten, die ein einzelnes Element 24 repräsentieren, tastet der Analog/Digital-Wandler 44 die Daten in Antwort auf einen eingegebenen Takt ab, ohne sich jedoch auf andere Zeitgebungsinformation zu beziehen. Für zeitgemultiplexte Daten wird der A/D-Wandlertakteingang mit dem Multiplexer 26 synchronisiert. Die Synchronisation erlaubt eine saubere Trennung der Signale von den unterschiedlichen Elementen 24, mit minimierter Kreuzsignalschnittstelle (Cross-Signal-Interface).
Die digitalisierten Abtastwerte werden an einen adaptiven Digitalequalizer 46 geliefert. Der digitale Equalizer 46 weist ein programmierbares endliches Impulsantwortfilter auf, beispielsweise implementiert durch die Verwendung eines Schieberegisters 54, von Mul-tiplizieren 56 und eines Summierers 58. In alternativen Ausführungsbeispielen wird ein Prozessor oder eine andere Vorrichtung verwendet, um den Ausgleicher 46 zu implementieren. Der digitale Equalizer 46 filtert zeitgemultiplexte Information, um Zwischensymbolinterferenz zu entfernen. Die Filterkoeffizienten, die für die Multiplizierer 56 verwendet werden, basieren auf einer Transferfunktion oder einer Erzeugung von Zwischensymbolinterferenz von dem Element 24 über verschiedene Stufen oder Komponenten der Empfangsschaltung 14, die mit dem analogen Signal arbeitet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Filterkoeffizienten programmierbar, um Adaptionen oder Änderungen der Übertragungsfunktion zu erlauben. Die Koeffizienten werden in Antwort auf ein Testsignal ausgewählt, oder einer anderen Datenverarbeitung, die detektierte Differenzen in der Übertragungsfunktion berücksichtigt, beispielsweise erzeugt durch unterschiedliche Sonden 18, unterschiedliche Verarbeitungscharakteristiken der analogen Komponenten der Empfangsschaltung 14 oder Änderungen aufgrund der Zeit und Temperatur. Für Signale, die ein einzelnes Element 24 repräsentieren, oder multiplexfreie Signale lässt der digitale Equalizer 46 die Signale durch, so dass keine Verzögerung in einer einzelnen Stufe gebildet wird, mit einem Multipliziererkoeffizienten von Eins.
Der Demultiplexer 48 weist einen digitalen Demultiplexer auf, beispielsweise ein Netzwerk von Schaltern, um Signale von verschiedenen Zeitschlitzen in einem Rahmen einer Zeitmultiplexinformation zu trennen. Der Demultiplexer 48 arbeitet als konditionaler Demultiplexer. Die empfangenen Signale sind digital de-gemultiplext. Der Demultiplexer gibt beispielsweise Signale von unterschiedlichen Elementen 24 auf unterschiedlichen Ausgängen zur Strahlformation und anderer Bildverarbeitung durch den Bildprozessor 16 aus. Für herkömmliche Signale oder multiplexfreie Signale liefert der Demultiplexer 48 die Information an den Bildprozessor 16 zur Strahlformation.
Der optionale Analyseprozessor 50 weist einen digitalen Signalprozessor auf, einen all-gemeinen Prozessor, einen ASIC, analoge Komponenten, digitale Komponenten und Kombinationen davon, um den A/D-Wandler 44 mit dem Multiplexer 26 zu synchronisieren, oder Koeffizienten für den digitalen Equalizer 46 auszuwählen. Der Analyseprozessor 50 arbeitet auf ein Testsignal. Die Sondensteuerung 28 veranlasst den Multiplexer 26, ein bekanntes oder vorbestimmtes digitales oder analoges Testsignal über das Kabel 22 und die Empfangsschaltung 14 an den Analyseprozessor 50 zu übertragen.
Das Testsignal wird als Teil einer Kalibrierfunktion übertragen, beispielsweise in Antwort auf eine Benutzereingabe oder einer Verbindung der Sonde 18 mit dem Anschluss 32. Die Basiseinheit 12 befiehlt oder die Sondensteuerung 28 erzeugt automatisch die Testsignale. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werden die Testsignale periodisch gesendet. Ein Testsignal wird beispielsweise in einer Präambel oder einem Header jedes Rahmens der zeitgemultiplexten Information gesendet. Die Synchronisation und/oder die adaptive Ausgleichung (Entzerrung) werden in Antwort auf das periodische Senden der Testsignale geliefert. Für eine Stabilität minimieren sich einige phasensensitive Erfassungssequenzen, beispielsweise die Erfassung für Dopplerverarbeitung, oder liefern keine Adaption oder Änderungen der Phasenlage durch Synchronisation oder Entzerrung.
Das Multiplexen und/oder das Verarbeiten der Empfangssignale wird in Antwort auf die Analyse des Testsignals ausgelegt. Beispielsweise ist der Betrieb des Multiplexers 26 für die Operation des A/D-Wandlers 44 ausgelegt, indem Taktsignale synchronisiert werden. Der Analyseprozessor 50 wählt eine auswählbare Verzögerung 52 für die Phasenlage des Taktsignals, das dem Multiplexer 26 bereitgestellt wird, in Hinblick auf den A/D-Wandler 44. Feste Verzögerungen in Taktgeberschaltkreisen, variable Verzögerungen aufgrund von Taktsignalweglängen, Multiplexerschaltungsverzögerungen, Multiplexsignalweglänge, Gruppenverzögerungen und Verstärker- und Digitalisierungsverzögerungen verursachen eine Versetzung, was zur Folge hat, dass Signale von verschiedenen Elementen 24 durch den A/D-Wandler 44 gemischt werden. Diese Versetzungen können als Funktion der Sonde 18, der Empfangsschaltungskonfiguration, der Zeit, der Temperatur und der Verarbeitungen variieren. Der Analyseprozessor 50 bestimmt den Beginn jedes Rahmens, indem ein bekanntes Muster oder das Testsignal detektiert wird. Durch Verwendung der auswählbaren Verzögerung 52 werden die Phase der Taktsignale, die an den A/D-Wandler 44 unter den Multiplexer 26 angelegt werden, synchronisiert. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen wird das A/D-Wandlertaktsignal relativ zu dem Taktsignal, das an den Multiplexer 26 geliefert wird, abgestimmt, oder eine Gruppe oder Untergruppe von Empfangsschaltungen 14 wird verwendet, um die Phase eines Taktsignals, das mehr als einem Multiplexer 26 gemeinsam ist, relativ zu einem anderen Taktsignal, das mehr als einem A/D-Wandler 44 gemeinsam ist, zu bestimmen. Die adaptiven Takteinstellungen vereinfachen die Multiplexsteuerschaltung und Schnittstelle zwischen der Empfangsschaltung 14 und der Sonde 18. Eine Taktleitung oder ein Kabel 22 ist ohne zusätzliche oder separate Phasenlageinformation bereitgestellt. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werden separate Takt- und Phasensignale an die Sondensteuerung 28 geliefert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Verarbeitung durch die Empfangsschaltung 14 geändert oder ist als Funktion des Testsignals durch den Analyseprozessor 52 einstellbar. Der Analyseprozessor 50 wählt beispielsweise Koeffizienten von einer Nachschlagtabelle aus, oder berechnet Koeffizienten zur Verwendung durch den digitalen Equalizer 46. Der digitale Equalizer liefert einen Symbolabgleich oder entfernt Zwischensymbolinterferenzen. Der Analyseprozessor 50 vergleicht ein bekanntes oder gespeichertes Testsignal mit dem empfangenen Testsignal. Differenzen zwischen dem empfangenen Testsignal und dem gespeicherten Testsignal werden zur Auswahl der Koeffizienten verwendet. Die Koeffizienten werden derart ausgewählt, dass die Empfangssignale unverzerrt sind, oder dass Zwischensymbolinterferenz entfernt oder reduziert ist. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werden Ergebnisse von mehr als einem Analyseprozessor 50 verwendet, um Koeffizienten zur Verwendung mit dem digitalen Equalizer 46 auszuwählen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Empfangsschaltung 14 einen Sendeempfangsschalter auf. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen, die im folgenden diskutiert werden, ist kein Sende- und Empfangsschalter bereitgestellt.
2 zeigt ein Flussdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel für den Betrieb des Systems 10 gemäß 1. In Schritt 70 wird eine von verschiedenen möglichen Sonden 18, 20 mit einer Basiseinheit 12 verbunden. Eine der Sonden 18, 20 wird ausgewählt und an den Anschluss 32 angeschlossen. Beispielsweise wünscht ein Benutzer eine dreidimensionale Herzabbildung, so dass eine zweidimensionale Anordnung von Elementen in der Sonde 18, die mit einem Zeitmultiplexen in Zusammenhang stehen, verbunden wird.
Für Sonden, die mit einem Multiplexen in Zusammenhang stehen, wird ein Testsignal in Schritt 72 übertragen. Das Multiplexen oder das Verarbeiten wird in Antwort auf das Testsignal angepasst. Für multiplexfreie Daten ist Schritt 72 optional oder nicht bereitgestellt. Das Testsignal wird in Antwort auf die Verbindung der Sonde 18 gesendet, in Antwort auf Steuersignale von der Empfangsschaltung 14, in Antwort auf eine Benutzereingabe, automatisch oder periodisch. Ein Testsignal wird beispielsweise als Teil eines Anfangskalibrierprozesses oder periodisch in dem Header des ersten Zeitschlitzes oder eines anderen Zeitschlitzes jedes Rahmens in der Zeitmultiplexinformation gesendet. Das empfangene Testsignal wird mit einem erwarteten Testsignal verglichen. In Antwort auf den Vergleich werden Equalizerkoefizienten (Entzerrerkoeffizienten) oder eine andere Verarbeitung der Empfangsschaltung angepasst oder geändert. Zusätzlich oder alternativ wird die Zeitgebung des Testsignals identifiziert und auswählbare Verzögerungen für die Synchronisation des A/D-Wandlers 44 mit dem Multiplexer 26 bestimmt.
In Schritt 74 ist die Empfangsschaltung 14 derart aufgebaut, dass sie unterschiedliche Charakteristiken als Funktion des Typs der Sonde oder des Formats der Daten, die von der Sonde 18, 20 empfangen werden, aufweist, die mit der Empfangsschaltung 14 verbunden ist. Dort, wo das Datenformat mehreren Elementen entspricht, beispielsweise zeitgemultiplexten Daten, wird die Information in Antwort auf eine unterschiedliche Impedanz, Gewinn, Filterung, Entzerrung, A/D-Wandlung oder anderen Verarbeitungen verarbeitet, als für Daten, die mit einem einzelnen Element in Zusammenhang stehen oder frei von Zwischenschaltkreisen in der Sonde 20. Irgendeine oder eine Kombination von zwei oder mehreren verschiedenen Eigenschaften kann als Funktion des Datenformats geändert werden. Zusätzliche oder unterschiedliche Charakteristiken können auch oder alternativ geändert werden. Schritt 74 kann vor oder nach Schritt 72 durchgeführt werden.
Die analoge Information wird dann digitalisiert. Für eine Zeitmultiplexinformation wird der A/D-Wandler 44 mit der gemultiplexten Information synchronisiert. Die gemultiplexte Information wird dann für eine Strahlformation oder für andere Bildverarbeitungen degemultiplext.
SENDE- UND EMPFANGSISOLATION:
Ein Transducerelement 24 kann verwendet werden, um den Sendekanal vom Empfangskanal in jeder der Sonden 18, 20, wie oben diskutiert, oder einer anderen Sonde zur Verwendung mit verschiedenen Empfangsschaltungen, zu isolieren. Obwohl für Einzele lementtransducer von Nutzen, sind lineare Anordnungen, oder Anordnungen mit begrenzten oder keinen Sende- oder Empfangsschaltkreisen innerhalb der Sonde, die ein Transducerelement 24 zur Isolation des Sende- und Empfangskanals verwenden, insbesondere für mehrdimensionale Transduceranordnungen von Nutzen, bei denen mindestens ein Teil der Sende- und/oder Empfangsschaltkreise innerhalb der Sonde gebildet ist, wie oben für die Zeitmultiplexsonde 18 diskutiert. Eine vollbesetzte mehrdimensionale Transduceranordnung erfordert eine große Anzahl von Sende- und Empfangskanälen. Durch das Anordnen von Sende- und Empfangsschaltungen innerhalb der Sonde und durch Bereitstellen eines Multiplexens, wird die Anzahl an Kabeln 22 oder Kanälen von der Sonde 18 zu der Basiseinheit 12 minimiert. Die Sende- und Empfangsschaltung existiert dann jedoch in einem kleinen Raum, wodurch es schwierig wird, die Empfangsschaltungen von den hohen Spannungen der Sendeschaltungen zu isolieren. Hochspannungsschalter, beispielsweise Schalter, die einer 200 Volt Rückwärtsspannung standhalten, sind schwierig mit anderen Empfangsschaltungen zu integrieren, beispielsweise einem Multiplexer. Das Hochspannungsende- und Empfangsschalten wird durch das Transducerelement ersetzt, um den Sendekanal vom Empfangskanal zu isolieren.
3 zeigt ein Transducerelement 24 zur Isolation oder Separation eines Sendewegs 62 und eines Empfangswegs 64. Eine direkte Verbindung zwischen dem Sendeweg 62 und dem Empfangsweg 64 wird vermieden. Das Element 24 isoliert die Wege 62, 64, um eine Hochspannungsübertragung zu ermöglichen, ohne den Empfangsweg 64 der Hochspannung zu unterziehen. In diesem Ausführungsbeispiel sind Hochspannungsvorrichtungen als Teil des Sendewegs 62 gebildet, jedoch nicht als Teil des Empfangsweges 64. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen sind Hochspannungsvorrichtungen auf dem Empfangsweg 64 gebildet.
Das Element 24 weist eines einer Mehrzahl von Elementen in einer mehrdimensionalen oder linearen Anordnung auf. Eine 1,5-dimensionale oder zweidimensionale Anordnung kann als mehrdimensionale Anordnungen eines N × M Gitters von Elementen dargestellt werden, wenn N und M größer als 1 sind. Für mehrdimensionale Anordnungen können die Elemente klein sein und eine hohe Impedanz aufweisen, verglichen mit Elementen 24 einer linearen Anordnung. Parasitäre Lasten, die mit einem Kabel 22 in Zusammenhang stehen, fehlen ebenfalls oder sind zur Verwendung mit einem Multiplexer und der Sonde 18 reduziert. Im Vergleich zu einer geringeren Impedanz können ein kleinerer Sendeimpulsgeber und sehr wenig Energie aufnehmende Vorverstärker für die Hochelementimpedanz verwendet werden.
Das Element 24 weist zwei Elektroden 80 und 82 auf. Die Elektroden 80 und 82 befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten des Elements 24, beispielsweise oben und unten auf dem Element in einer Reichweitenrichtung. Die Elektrode 80 weist keine elektrische Verbindung mit der Elektrode 82 auf. Separate Signalverläufe enthalten die Elektroden 80 und 82, oder sind mit diesen verbunden. Jedes Element 24 ist mit zwei oder mit mehreren separaten Signalverläufe für damit in Zusammenhang stehende separate Elektroden 80, 82 verbunden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen teilen sich zwei oder mehrere Elektroden den gleichen Signalverlauf. Eine Elektrode 80 verbindet den Sendeweg 62, und die andere Elektrode 82 verbindet den Empfangsweg 64. Das Element 24 ist frei von einer elektrischen Verbindung direkt mit Masse, wie beispielsweise durch eine Elektrode gebildet, die direkt mit Masse verbunden ist.
Der Sendeweg 62 ist mit der Elektrode 80 zum Anlegen einer Sendewellenform an das Element 24 verbunden. Der Sendeweg 62 enthält mindestens einen Signalverlauf zu dem Element 24 innerhalb der Sonde 18. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen sind zusätzliche Sendeschaltkreise, beispielsweise ein Wellenformgenerator 84, ein Schaltertreiber 87 und eine Steuerung 88 in dem Sendeweg 62 und innerhalb der Sonde 18 integriert. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen sind die Steuerung 88, der Treiber 87, der Wellenformgenerator 84 oder Kombinationen davon außerhalb der Sonde 18 angeordnet, beispielsweise innerhalb der Basiseinheit 12.
Der Wellenformgenerator 84 enthält einen oder mehrere Hochspannungstransistoren, beispielsweise FET-Transistoren, zur Erzeugung von unipolaren, bipolaren oder sinus förmigen Wellenformen. Ein Ausführungsbeispiel eines Sendewellenformgenerators 84 zur Erzeugung einer unipolaren Wellenform ist in 4 gezeigt. Zwei Hochspannungstransistoren 86, beispielsweise CMOS FET Transistoren, die mindestens 200 Volt standhalten können, sind in Reihe zwischen eine Spannungsquelle und Masse geschaltet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein Transistor einen PFET auf, und der andere Transistor einen NFET. Die Transistoren 86 dienen dazu, eine unipolare Wellenform an die Elektrode 80 auf eine hohe Spannung (HIGH-Pegel) und Masse zu treiben. Da der Sendewellenformgenerator 84 eine Schaltermodusvorrichtung aufweist, ist der Leistungsverlust minimal. Diese Schaltung für jedes Element 24 verwendet ungefähr 0,2 Millimeter² des Die-Bereichs. Für eine zweidimensionale Anordnung von 1536 Elementen werden ungefähr 307 Millimeter² des Die-Bereichs verwendet. Andere Integrationsformate können geliefert werden, beispielsweise das Bilden von Gruppen von Hochspannungs-FET-Transistoren in kleineren ASIC(Application Specific Integrated Circuits)-Bauelementen. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werden andere Vorrichtungen, beispielsweise D/A-Wandler zur Wellenformerzeugung verwendet.
5 zeigt ein Netzwerk von Transistoren 86 zur Erzeugung einer bipolaren Wellenform. Vier Transistoren 86 ermöglichen die Erzeugung einer bipolaren Wellenform, die mit einer positiven Spannung, einer negativen Spannung oder einer Nullspannung endet. Drei Transistoren 86 können verwendet werden, wenn die bipolare Wellenform in der Lage ist, nur bei einer Polarität zu enden, beispielsweise als eine positive Spannung. Von den Transistoren können Q1 und Q2 gemäß 4 und 5 eine integrale Rückwärtsdiode von dem Drain-Anschluss zum Source-Anschluss aufweisen, jedoch verhindern die Transistoren Q3 und Q4 die Rückwärtsdiodenkonfiguration, um eine Verbindung durch die Dioden zu verhindern. Andere Konfigurationen und Netzwerke von Transistoren 86 können verwendet werden.
Jeder der Transistoren 86 ist mit einer Referenzspannung verbunden, beispielsweise einer positiven Spannung, einer negativen Spannung oder Masse. Wie in 4 gezeigt, ist ein Transistor 86 mit Masse verbunden, und der andere Transistor 86 ist mit einer positiven Spannung oder einer negativen Spannung verbunden. Wie in 5 gezeigt, sind zwei Transistoren 86 mit Masse verbunden, ein Transistor ist mit einer positiven Spannung verbunden, und der andere Transistor ist mit einer negativen Spannung verbunden.
Der Treiber 87 weist einen Transistor auf, oder einen FET-Treiber zur Steuerung des Betriebs des Wellenformgenerators 84. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen können andere Treiberbauteile verwendet werden. Der Treiber 87 ist als Teil eines ASIC-Bauelements integriert ausgebildet, kann jedoch separate Vorrichtungen oder einen allgemeinen Prozessor aufweisen. Der Treiber 87 ist betreibbar, um Spannungsänderungen für den Betrieb der Transistoren 86 zu liefern. Beispielsweise wird der Transistor Q2 gemäß 4 durch Anlegen eines 10-Volt- oder 0-Volt-Signals von dem Treiber 87 angesteuert. Der Transistor Q1 wird durch Anlegen eines 200-Volt- oder 190-Volt-Signals von dem Treiber 87 gesteuert.
Die Steuerung 88 weist einen allgemeinen Prozessor, analoge Komponenten, digitale Komponenten, ein ASIC-Bauelement oder Kombinationen davon auf, um einen oder mehrere Treiber 87, die mit einem oder mehreren Elementen 24 in Zusammenhang stehen, zu steuern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerung 88 auf dem gleichen ASIC wie der Treiber 87 integriert, kann jedoch auch eine separate Vorrichtung sein. Die Steuerung 88 gibt binäre Signale aus, um den Betrieb des Treibers 87 und den Wellenformgenerator 84 zu steuern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel extrapoliert die Steuerung 88, oder wählt Sendekonfigurationen oder Wellenformparameter für die Gesamtanordnung oder für eine Nebenanordnung aus, basierend auf einfachen Steuersignalen, die von außerhalb der Sonde 18 geliefert werden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ist die Steuerung 88 außerhalb der Sonde angeordnet.
Der Empfangsweg 64 weist mindestens einen einzelnen Signalverlauf auf, der mit der Elektrode 82 verbunden ist, auf einer vom Sendeweg 62 gegenüberliegenden Seite des Elements 24. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen weist der Empfangsweg 64 eine oder mehrere Dioden 90, 92, einen Vorverstärker 94 und einen Multiplexer 96 auf. Dar über hinaus können andere oder weniger Schaltungen als Teil des Empfangsweges 64 gebildet sein, beispielsweise ein Filter. Die Elektronik braucht kein explizites Filter in der Sonde aufweisen, wenn das Transducerelement selbst ausreichend ist und/oder die natürliche Tiefpassantwort des Verstärkers ausreichend ist, um das Empfangssignal zu filtern. Der Empfangsweg ist innerhalb der Sonde 18 mit dem Element 24 ausgebildet. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ist kein Multiplexer gebildet, und der Vorverstärker 94 ist in einer Basiseinheit 12 von der Sonde 18 getrennt oder in der Sonde 18 ausgebildet. Ein Kabel 22 verbindet den Empfangsweg 64 mit der Basiseinheit 12.
Die Dioden 90 und 92 weisen Schottkydioden oder andere Hochstrom-, Niederspannungsdiodenvorrichtungen auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Dioden 90 und 92 frei von einem Ruheenergieverlust. Jede der Dioden 90 und 92 ist mit einer entgegengesetzten oder unterschiedlichen Polarität mit Masse verbunden. Die Dioden 90 und 92 weisen eine Klemmdiode auf, um Spannungsschwingungen auf dem Empfangsweg 64 an der Elektrode 82 zu begrenzen. Beispielsweise begrenzen die Dioden 90 und 92 Spannungsübergänge auf zwischen plus/minus 0,2 bis 0,7 Volt. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werden Transistoren oder andere Vorrichtungen zur Begrenzung der Spannung an der Elektrode 82 verwendet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Dioden 90 und 92 in einem ASIC-Bauelement mit Vorverstärkern und Multiplexerschaltungen 94 und 96 integriert ausgebildet. Andere Integrationsformate können verwendet werden, beispielsweise diskrete Diodenanordnungen und separate Vorverstärker/Multiplexer-Schaltungen in kleineren ASIC-Bauelementen.
Der Vorverstärker 94 weist einen oder mehrere Transistor auf, um ein Signal von der Elektrode 82 zu verstärken. Ein Differential-BJT-Paar mit Stromausgängen ist beispielsweise gebildet, indem ein 7-Volt-BiCMOS-Prozeß oder ein anderer Transistorprozess verwendet werden. Die Verwendung von 20 μA pro Kanal mit einer 5-Volt-Versorgung erlaubt einen Verbrauch von 0,1 Milliwatt pro Kanal. Andere Vorverstärker mit anderem Leistungsverbrauch und anderen Komponenten und Charakteristiken können verwendet werden. Der Vorverstärker 94 kann alternativ oder zusätzlich einen Zeit- oder Tiefengewinnsteuerungsverstärker (Time- oder Depth Gain Control) oder Filter aufweisen. Für einen Zeitgewinnsteuerverstärker, der in der Sonde 18 integriert ausgebildet ist, kann eine wenig energieverbrauchende Vorrichtung verwendet werden, um einen Teil, jedoch nicht die gesamte Zeitgewinnkompensation vorzunehmen. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen wird ein größerer und mehr Energie verbrauchender variabler Verstärker gebildet.
Der Multiplexer 96 weist ein Netzwerk von Schaltern auf, beispielsweise Transistoren und analoge Abtast- und Halteschaltungen zum Multiplexen der Signale einer Mehrzahl von Sendewegen 64 auf ein Kabel 22. Beispielsweise ist der Multiplexer 96 ein 8-zu-1-Multiplexer, um Signale von 8 unterschiedlichen Elementen 24 in einen Rahmen der analogen Information zu multiplexen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Multiplexer 96 betreibbar, um 12 MSPS für jeden Empfangsweg 64 für insgesamt 96 MSPS für 8 Empfangswege 64 zu liefern. Die Schaltung des Empfangsweges 64 ist frei von Hochspannungsvorrichtungen und kann in ein ASIC-Bauelement oder eine andere allgemeine Schaltung in einem kleinen Raum innerhalb der Sonde 18 integriert ausgebildet werden.
Das Verbinden des Sendeweges 62 und des Empfangsweges 64 mit gegenüberliegenden Dioden 80 und 82 isoliert jeweils die Hochspannungen und Hochspannungsvorrichtungen des Sendeweges 62 von den Niederspannungsvorrichtungen des Empfangsweges 64. 6 zeigt ein Flussdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Senden und Empfangen unter Verwendung des Elements 24 gemäß 3. In Schritt 100 wird eine Hochspannungssendewellenform an das Transducerelement 24 geliefert, und die Spannung im Empfangsweg 64 wird in Schritt 102 begrenzt. Anschließend wird die Spannung auf dem Sendeweg 62 in Schritt 106 begrenzt, und Echosignale werden auf dem Empfangsweg 64 in Schritt 104 empfangen.
Der Sende- und Empfangsbetrieb des Elements 24 ist frei von Schaltern, um zwischen dem Sendeweg 62 und dem Empfangsweg 64 auszuwählen. In Antwort auf Steuersignale von der Steuerung 88 veranlasst die Treiberschaltung 86 den Wellenformgenerator 84 dazu, eine Hochspannung(beispielsweise 200 Volt)-Sendewellenform in Schritt 100 zu erzeugen. Wenn der Wellenformgenerator 84 innerhalb der Sonde 18 positioniert ist, wird die Sendewellenform innerhalb der Sonde 18 erzeugt. Die Sendewellenform wird an eine Elektrode 80 des Elements 24 angelegt. Die Spannung der anderen Elektrode ist begrenzt, und dient in Schritt 102 im Wesentlichen als Masse oder DC-Referenz. Die Dioden 90 und 92 klemmen die Spannung des Empfangsweges 64, der mit der Elektrode 82 verbunden ist, innerhalb eines kleinen Spannungsbereichs, verglichen mit der Hochspannung der Sendewellenform. In Antwort darauf erzeugt das Element 24 ein akustisches Signal aufgrund der Potentialdifferenz über den Elektroden 80 und 82. Das Element 24 isoliert auch den Sendeweg 62 vom Empfangsweg 64, wodurch ohne Hochspannungsschalten eine Beschädigung des Empfangsschaltkreises verhindert wird.
Für einen nachfolgenden Empfangsbetrieb in Schritt 104 wird die Spannung am Sendeweg 62 begrenzt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel verbindet ein Transistor 86 des Wellenformgenerators 84 eine Masse- oder Referenzspannung mit der Elektrode 80. Beispielsweise wird Q2 des Wellenformgenerators 84, wie in 4 gezeigt, "ein"geschaltet, um die Elektrode 80 zu erden. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel wird eine andere Referenzspannung, beispielsweise eine positive Spannung, die an Q 1 angelegt wird, mit der Elektrode 80 verbunden, um die Spannungsschwingung oder Änderung an der Elektrode 80 zu begrenzen. Wenn die Spannung des Sendewegs und der damit in Verbindung stehenden Elektrode in Schritt 106 begrenzt wird, werden elektrische Signale an der Elektrode 82 in Antwort auf akustische Echosignale erzeugt, die von dem Element 24 in Schritt 104 empfangen worden sind. Da die empfangenen elektrischen Signale klein sind, beispielsweise weniger als 0,2 Volt aufweisen, verhindern die Dioden 90 und 92 die Einführung von Rauschen in das Empfangssignal oder das Abschneiden des Empfangssignals. Das Empfangssignal wird verstärkt, gefiltert, gemultiplext oder anderweitig verarbeitet, für eine Übertragung über das Kabel 22 an die Basiseinheit 12. Der Verstärker 94 führt beispielsweise eine Vorverstärkung der Signale durch und stellt den Gewinn der elektrischen Signale als Funktion der Zeit ein. Der Multiplexer 96 multiplext die elektrischen Signale mit anderen elektrischen Signalen in Antwort auf unterschiedliche Transducerelemente 24. Die gleiche Verarbeitung wird für Empfangskanäle 64, die mit anderen Elementen 24 in Verbindung stehen, wiederholt. Die Sende- und Empfangsoperationen werden durchgeführt, ohne Auswahl zwischen dem Sende- und Empfangsweg, zur Verbindung mit einer Elektrode. Jeder der Sende- und Empfangswege 62 und 64 dient dazu, eine Elektrode 80, 82 mit Masse zu verbinden, oder jeweils auf einer Referenzspannung während des Empfangens und des Sendens zu halten.
Durch Verwendung des Wellenformgenerators 84, wie in 4 gezeigt, können unipolare Wellenformen erzeugt werden, die entweder bei der Nullspannung oder einer positiven Spannung enden. Der Unipolarwellenformgenerator 84 kann bei einer positiven oder bei einem Nullspannungszustand enden, ohne die Schaltung zu zerstören. Ein alternatives Ausführungsbeispiel kann eine Unipolarwellenformerzeugung zwischen Null und einer negativen Spannung erlauben, indem die NMOS- und PMOS-Vorrichtungen vertauscht werden, und eine negative Energieversorgung verwendet wird. In jedem Fall wird eine Niederimpedanzbedingung gebildet, wenn die unipolare Sendewellenform bei 0 Volt oder einer anderen Spannung endet.
7 zeigt zwei spiegelsymmetrische unipolare Wellenformen 108 und 110. Die erste unipolare Wellenform 108 beginnt bei einem Niederzustand (Low) oder Null Spannungspegel, weist einen positiven Spannungsimpuls auf, kehrt zu einem Nullspannungspegel zurück, und endet dann bei einem "High"-Zustand oder positiven Spannungspegel. Die nachfolgende unipolare Wellenform 110 beginnt bei einem "High"-Zustand oder bei einer positiven Spannung, und endet bei einem "Low"-Zustand oder einer Nullspannung. Da eine Wellenform bei einer höheren Spannung beginnt und bei einer geringeren Spannung endet, und die andere Wellenform 108 bei der niedrigeren Spannung beginnt und bei der höheren Spannung endet, mit der gleichen Anzahl an Zyklen, summieren sich die zwei Wellenformen im wesentlichen auf einen Nullwert. Im wesentlichen deshalb aufgrund von Differenzen in der Anstiegs- und Abfallzeit der Transistoren 86, und aufgrund anderer Differenzen in Eigenschaften, die Sendewellenformen verwenden, beginnend bei unter schiedlichen Spannungen. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ist der "High"-Zustand eine Nullspannung, und der "Low"-Zustand ist eine negative Spannung.
Die Spiegelsymmetriefähigkeit des Unipolarwellenformgenerators 84 erlaubt ein Abbilden der Gewebe-Harmonischen oder anderen Harmonischen unter Verwendung der Phaseninversion mit Unipolarsendewellenformen. Da sich akustische Energie, die auf Sendewellen reagiert, innerhalb des Gewebes ausbreitet und streut, wird eine Energie bei der zweiten Harmonischen oder bei anderen Harmonischen der Grundsendefrequenz erzeugt. Die Empfangssignale, die auf jede der Unipolarwellenformen antworten, enthalten Information bei den Grundfrequenzen sowie bei den harmonischen Frequenzen. Wenn die Empfangssignale, die auf die phaseninvertierten Sendeunipolarwellenformen reagieren, kombiniert oder addiert werden, wird Information bei den Grundfrequenzen gelöscht, wodurch Information bei den harmonischen Frequenzen verbleibt.
Harmonisches Abbilden in Antwort auf eine Phaseninversion der Sendewellenformen wird bereitgestellt, indem einfache Unipolarwellenformen verwendet werden. Die Transistoren 86, die zur Erzeugung der Unipolarwellenform verwendet werden, sind ausgelegt, um Fehlabstimmungen der Anstiegszeit und der Abstiegszeit zu vermeiden, wodurch die Summe an harmonischer Information, die durch den Wellenformgenerator 84 eingebracht wird, minimiert wird. Das Material des Elements 24 hat eine hochpolige Spannung gemäß einem Ausführungsbeispiel, um Operationsdifferenzen oder Empfangsfehlabgleichungen aufgrund der Anfangserzeugung bei zwei unterschiedlichen DC-Vorspannpunkten (beispielsweise 0 und +V) zu minimieren. Das Senden eines phaseninvertierten unipolaren Impulses kann mit Systemen verwendet werden, die einen Übertragungskanal innerhalb der Basiseinheit oder innerhalb der Sonde aufweisen, und mit Systemen, die Sende- und Empfangsschalten verwenden.
MEHRDIMENSIONALE TRANSDUCER:
Verschiedene Transducer können mit irgendeinen der Sende- und Empfangswege, Sonden und Empfangsschaltungen, wie oben diskutiert, verwendet werden. Einige derartige mehrdimensionale Transduceranordnungen für eine vollabgetastete Verwendung mit Zeitmultiplexen und einer elementenbasierten Isolation für den Sende- und Empfangsweg, sind in den 8 bis 11 gezeigt. Das Zeitmultiplexen reduziert die Kanalanzahl oder die Anzahl von Kabeln 22, ohne die Strahlformung, die von der Basiseinheit 12 durchgeführt wird, zu begrenzen. Separate Signalverläufe oder die Verbindung von gegenüberliegenden Dioden 80 und 82 mit dem Sendeweg und dem Empfangsweg erlauben die Integration der Sendeschaltung und der Empfangsschaltung in die Sonde 18 ohne leistungsverbrauchendes Sende- und Empfangsschalten. Verschiedene Gesichtspunkte der mehrdimensionalen Transducer können unabhängig von anderen Aspekten der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet werden, beispielsweise die Verwendung eines bestimmten Elementeabstandes ohne Zeitmultiplexen oder eine andere Integration der Schaltkreise in die Sonde 18.
8 zeigt eine zweidimensionale Anordnung 200 von Elementen 24. Die Elemente 24 sind in einem Gitter entlang der Elevationsrichtung und der Azimutrichtung beabstandet. Eine andere oder die gleiche Anzahl von Elementen 24 kann entlang der Elevationsrichtung gebildet sein, als entlang der Azimutrichtung. Eine Mehrzahl von Elementen 24 ist in Spalten 204 entlang der Azimutrichtung angeordnet. Die Elemente 24 haben einen Abstand entlang der Azimutrichtung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein halber Wellenlängenabstand verwendet. Vom Zentrum eines Elements bis zum Zentrum eines benachbarten Elements 24 entlang der Azimutrichtung ist ein Abstand von der Hälfte einer Wellenlänge gebildet. In einer Anordnung, die für den Betrieb bei 2,5 MHz ausgelegt ist, beträgt der Abstand 300 Mikrometer. Andere Abstände können verwendet werden.
Die Elemente 24 sind in Reihen 202 entlang der Elevationsrichtung angeordnet. Der Abstand entlang der Elevationsrichtung ist größer als der Abstand entlang der Azimutrichtung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Abstand entlang der Azimutrichtung 2/3 oder weniger, beispielsweise die Hälfte des Abstandes entlang der Elevationsrichtung.
Für eine 2,5 MHz Mittenfrequenz der Anordnung gemäß dem oben genannten Beispiel, beträgt der Abstand in Elevationsrichtung 600 Mikrometer oder eine Wellenlänge. Für große Abstände kann jedes individuelle Element unterteilt (sub-diced) sein, für eine korrekte Operation oder um ein gewünschtes Verhältnis der Breite zur Dicke des Elements 24 aufrecht zu halten. In dem oben genannten Beispiel sind die Elemente 24 entlang der Elevationsrichtung unterteilt, beispielsweise indem ein "Dicing"-Schnitt gebildet wird, der sich über ungefähr 90 Prozent des PZT-Materials erstreckt, im Zentrum jeder Anordnung, jedoch nicht entlang der Azimutrichtung unterteilt ist. Andere Unterteilungstiefen können verwendet werden.
8 zeigt zweiunddreißig Elemente 24. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen können andere Anzahlen an Elementen verwendet werden, beispielsweise 1536 Elemente in 64 in Azimutrichtung beabstandete Reihen 202 und 24 in Elevationsrichtung beabstandete Spalten 204, oder 2048 Elemente in 64 in Azimutrichtung beabstandete Reihen 202 und 32 in Elevationsrichtung beabstandete Spalten 204.
9 zeigt eine Sonde 18, die die Anordnung 200 integriert. Die Sonde 18 enthält die Anordnung 200, flexible Schaltungsmaterialien oder Signalverläufe 206, 208, eine Mehrzahl von Schaltungsplatinen 210, einen Kondensator 212 und ein Bündel von Kabeln 22. Diese Komponenten sind innerhalb einer Plastik- oder anderen ergonomisch geformten Sondenabdeckung oder einem Gehäuse untergebracht. Unterschiedliche, weniger oder mehr Komponenten können in der Sonde 18 enthalten sein.
Die flexiblen Schaltungen 206, 208 enthalten Kapton oder andere flexible, dünne, elektrisch isolierende Materialien mit aufgebrachten Signalverläufe, auf einer oder auf zwei Seiten. Die flexible Schaltung wird hier verwendet, um jedes beliebige flexible oder nicht-starre Material mit einem oder mit mehreren elektrischen Anschlüssen zu beschreiben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das flexible Schaltungsmaterial 50 μm dick. Separate flexible Schaltungsmaterialien 206 und 208 sind für separate Sende- und Empfangswege gebildet. Beispielsweise liefert die flexible Schaltung 206 Elektroden und Ver läufe von einer Seite der Elemente 24 der Anordnung 200, und die andere flexible Schaltung 208 enthält Elektroden und Wege von einer gegenüberliegenden oder anderen Seite der Elemente 204 der Anordnung 200.
10 zeigt einen Elevationsquerschnitt der Anordnung 200 und die Anschlüsse der zwei flexiblen Schaltungen 206 und 208. Die Anordnung 200 ist entlang der Elevationsrichtung in vier Module 222 unterteilt. Darüber hinaus kann die Anordnung 200 entlang der Elevationsrichtung in verschiedene oder weniger Module 222 unterteilt werden. Beispielsweise können nur ein, zwei, drei oder mehrere Module verwendet werden. Jedes Modul hat ein mit diesem in Verbindung stehendes Paar von flexiblen Schaltungen 206 und 208. Jedes Modul 222 weist eine Mehrzahl von Schichten entlang der Bereichsrichtung auf, beispielsweise eine erste Abgleichschicht 218, eine erste Elektrodenschicht oben auf dem Element 24, das aus der ersten flexiblen Schaltung 208 gebildet ist, eine zweite Abgleichschicht 216, eine Elementenschicht oder piezoelektrische (PZT)-Schicht 214, eine zweite Elektrode auf einer Bodenseite der piezoelektrischen Schicht 214, die durch die zweite flexible Schaltung 208 und ein Verstärkungsmaterial 220 gebildet ist. Zusätzlich können andere oder weniger Schichten in einem oder mehreren oder in allen Modulen 222 gebildet werden. Beispielsweise können nur eine oder drei oder mehrere Abgleichschichten 216, 218 verwendet werden, oder beide Abgleichschichten 216 und 218 sind auf einer oberen Seite der oberen Elektrode und der flexiblen Schaltung 208 angeordnet.
Die zwei unterschiedlichen flexiblen Schaltungen 208 und 206 sind entlang einer oder entlang zwei Seiten der Module von dem PZT-Material oder der Schicht 214 in Richtung und entlang des Verstärkungsmaterials 220 gefaltet. Separate Signalverläufe sind für jedes der Elemente 24 auf beiden Seiten oder oben und unten auf den Elementen 24 gebildet. Separate Signalverläufe sind auf der flexiblen Schaltung 206 für jedes der Elemente 24 gebildet, und separate Signalverläufe sind auf der flexiblen Schaltung 208 für jedes der Elemente 24 gebildet. Jedes der Elemente 24 ist unabhängig mit den separaten Signalverläufen oben und unten entlang der Bereichsrichtung des Elements 24 verbunden. Separate Signalverläufe erlauben eine elementbasierte Isolation der Sende- und Empfangswege. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ist eine gemeinsame Masse mit einer Mehrzahl von Elementen 24 verbunden.
Das Verstärkungsmaterial 220 jedes Moduls 222 ist von dem anderen Verstärkungsmaterial 220 des anderen Moduls 222 durch zwei oder vier Schichten von flexibler Schaltung 206, 208 getrennt. Die PZT-Schicht 214 von einem Modul 222 ist durch eine oder zwei flexible Schaltungsschichten 208 von der PZT-Schicht 214 des anderen Moduls 222 getrennt. Die Breite der PZT-Schicht 214 ist größer als die Breite des Verstärkungsmaterials 220, um unterschiedliche Dicken aufgrund der unterschiedlichen Anzahl von flexiblen Schaltung 206, 208 zu berücksichtigen. Durch die Verwendung eines dünnen flexiblen Schaltungsmaterials, werden nachteilige akustische Effekte verhindert, indem die Separation zwischen den Elementen 24 der unterschiedlichen Module 222 minimiert wird.
Erneut bezugnehmend auf 9 sind die flexiblen Schaltungen 208 und 206 derart gezeigt, dass sie eine zunehmende Breite von der Anordnung der Elemente 200 weg aufweisen. Eine Vergrößerung der Breite erlaubt eine größere Separation der Signalverläufe von individuellen Elementen 24. Die größere Separation liefert eine geringere kapazitive Kopplung zwischen den Signalverläufen.
9 zeigt eine Mehrzahl von gedruckten Leiterplatten 210, beispielsweise sieben gedruckte Leiterplatten 210. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann eine einzelne Leiterplatte 210, eine andere Anzahl an Leiterplatten 210 oder gar keine Leiterplatte in der Sonde 18 verwendet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen sechs Leiterplatten 210 Sende- und Empfangsschaltkreise auf, beispielsweise in die Sonde integrierte Schaltkreise, wie oben diskutiert. Jede Sende- und Empfangsleiterplatte 210 ist mit einem von sechs in Elevationsrichtung beabstandeten Modulen 222 verbunden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ist eine Leiterplatte 210 mit Elementen 24 in verschiedenen Modulen 222 verbunden, oder Elemente 24 in einem gleichen Modul 222 sind mit verschiedenen Leiterplatten 210 verbunden. Eine siebente Leiterplatte enthält eine Steuerlo gikleiterplatte. Die Steuerlogikleiterplatte stellt eine Schnittstelle dar mit der Basiseinheit 12, um die Sende- und Empfangsschaltkreise zu betreiben. Die gedruckten Leiterplatten 210 und andere Komponenten der Sonde 18 haben eine Größe, so dass sie in den Griff der Sonde 18 passen. Die Sonde 18 ist ausgelegt, um von einem Benutzer ergonomisch gehandhabt werden zu können, beispielsweise kleiner als vier Inches im Durchmesser, oder hat einen Handgriff.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Leiterplatten einen oder mehrere Multiplexer auf. Beispielsweise ist eine Mehrzahl von acht zu eins Multiplexern zum Multiplexen von Signalen von den Elementen 24 auf 192 Systemkanäle oder Kabel 22 gebildet. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können weniger oder mehr Multiplexer zur Verwendung mit weniger oder mit mehreren Kabeln 22 oder Systemkanälen gebildet sein. Beispielsweise ist eine Anordnung 200 mit 64 Reihen 202 und 32 Spalten 204 mit Multiplexern versehen, zur Übertragung von zeitgemultiplexter Information auf 256 Kabeln 22. Durch das Bilden des Multiplexers in der Sonde 18 mit der Anordnung 200 werden weniger Kabel 22 und in Zusammenhang stehende Systemkanäle oder Signalleitungen gebildet, als Elemente 24 der Anordnung 200 vorhanden sind. Beispielsweise ist das Produkt der Anzahl an Elementen entlang der Elevationsrichtung und der Anzahl der Elemente entlang der Azimutrichtung größer als die Anzahl an Kabeln 22.
Die Leiterplatten 210 sind mit den flexiblen Schaltungen 206 und 208 verbunden, indem bereits bekannte oder später entwickelte Anschlüsse oder Verbindungen verwendet werden. Die Verwendung von zwei oder von mehreren separaten Signalverläufen für jedes Element 24 liefert elektrische Verbindungen für doppelt so viele Elemente 24. Die Anschlüsse sind an den flexiblen Schaltungen 206, 208 angebracht, vor der Herstellung der Anordnung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Ballgitteranordnung (BGA) (Ball Grid Array) oder eine andere Matrix aus Beulen oder anderen Strukturen zur Verlötung mit den Verläufen auf den flexiblen Schaltungen 206 und 208 bereitgestellt. BGA-Anschlüsse vom Small Pitch Matrix Typ können verwendet werden. Beispielsweise verbindet der BGA die Empfangswegsignalverläufe mit dem Multiplexer, und der Multiple xer wird dann mit den gedruckten Leiterplatten verbunden, wodurch die Anzahl an Verbindungen mit den gedruckten Leiterplatten reduziert wird. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Sende- oder Empfangsschaltungen abgesetzt oder anderweitig auf der flexiblen Schaltung gebildet, wodurch weniger Verbindungen von den flexiblen Schaltungen 206, 208 zu den gedruckten Leiterplatten 210 erforderlich sind. Gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel ist ein direktes Anbringen, beispielsweise eine wire bond jumping Verbindung oder andere Zwischenverbindungen, zwischen der flexiblen Schaltung und den gedruckten Leiterplatten, geschaffen.
Die 11A und B zeigen Schritte eines Herstellungsprozesses der Anordnung 200. 11A zeigt drei Module der Elemente 24. Jedes Modul 222 hat mindestens zwei Reihen und zwei Spalten von Elementen 24 in einer N × M Anordnung. Die PZT-Schicht 214 jedes Moduls 222 und die in Zusammenhang stehenden flexiblen Schaltungen 208, 206 sind unabhängig für jedes Modul 222 gediced (beispielsweise in Würfel zerschnitten). Das Zerschneiden umfasst ein Schneiden (Dicen) entlang der Azimut- oder Elevationsrichtung, um die Elemente 24 zu bilden. Durch das Dicen der Elektroden oder der flexiblen Schaltungen 208, 206 separat für jedes Modul 222, kann jedes Modul 222 separat getestet werden. Ein separates Testen erlaubt das Entfernen eines fehlerhaften Moduls 222 vor einem endgültigen Zusammenbauen. Kapazitätstests oder akustische Tests können beispielsweise für jedes Element 24 jedes Moduls 222 durchgeführt werden.
Jedes der separat einem Dicen unterzogenen Module 222 ist gemäß 10 gebildet. Der Herstellungsprozess kann verschiedene Änderungen aufweisen, und eine unterschiedliche Reihenfolge des Zusammenbauens. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden eine erste Abgleichschicht 216, eine Platte aus einer piezoelektrischen Schicht 214 und eine flexible Schaltung 206, die am Boden der piezoelektrischen Schicht 214 gebildet ist, oben auf die Verstärkungsschicht 220 gestapelt. Eine Präzisionsbestückung mit Stiften und damit in Zusammenhang stehende Öffnungen oder Vorlagen können für das Ausrichten dieser Schichten verwendet werden. Die bodenflexible Schaltung 206 hat Signalverläufe auf beiden Seiten zur Verbindung mit unterschiedlichen Elementen 24. Die ausgerichteten Schichten werden dann gebondet oder miteinander verklebt.
Nach dem Bonden wird die Bodenschicht des flexiblen Schaltungsmaterials 206 entlang der Seiten der Verstärkungsschicht 220 unter der Schicht der piezoelektrischen Schicht 214 gefaltet. Die Breite der Verstärkungsschicht 220 ist schmäler als die Breite der piezoelektrischen Schicht 214, und zwar um ungefähr die Breite einer oder zwei Schichten der flexiblen Schaltung 206. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die flexible Schaltung 206 auf zwei Seiten der Verstärkungsschicht 220 gefaltet, kann jedoch auch nur auf einer Seite gefaltet werden. Die bodenflexible Schicht 206 wird eng an das Verstärkungsmaterial gebondet, indem das Teilmodul 222 über einen teflonbeschichteten oder anderen Rahmen mit Bondmaterial oder Kleber angeordnet wird. Alternativ wird die bodenflexible Schaltung 206 an die Seiten des Moduls 222 gebondet, während eines späteren Schrittes des Bondens der oberen flexiblen Schaltung 208.
Die erste Abgleichschicht 216 und die piezoelektrische Schicht 214 werden entlang der Azimutrichtung einem Dicen unterzogen, also geschnitten. Beispielsweise werden sechs Hauptschnittkerben (Hauptdicingkerben) gebildet, die sich in das flexible Schaltungsmaterial 206 erstrecken, jedoch nicht hindurch. Nebendicingkerben können ebenfalls entlang der Azimutrichtung gebildet werden. Die Nebendicingkerben erstrecken sich ungefähr 90% in die piezoelektrische Schicht 214 hinein. Andere Schnitttiefen (Dice-Tiefen) können verwendet werden. Zum Auffüllen der Kerben kann Epoxid, Silikon oder ein anderes Material verwendet werden. Ein Kerbenfüllmaterial mit einer höheren akustischen Impedanz kann verwendet werden, da nur die piezoelektrische Schicht 214 und die erste Abgleichschicht 216 in Azimutrichtung geschnitten sind. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann eine andere Schicht in Azimutrichtung geschnitten sein, und eine geringere akustische Impedanz kann für das Kerbfüllmaterial verwendet werden. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann überhaupt kein Füllmaterial für die Kerbe verwendet werden.
Die Oberfläche der ersten Abgleichschicht 216 wird geebnet oder anderweitig verarbeitet, um überstehendes restliches Kerbenauffüllmaterial zu entfernen, falls dies erforderlich ist. Die obere flexible Schaltung 208 und die zweite Abgleichschicht 218 sind zueinander ausgerichtet und gebondet, indem Stifte und Löcher oder Vorlagen verwendet werden. Die gebondete obere flexible Schaltung 208 wird dann an die Bodenabgleichschicht 216 gebondet. In alternativen Ausführungsbeispielen können die obere flexible Schaltung 208 und die obere Abgleichschicht 218 ausgerichtet und an die Bodenabgleichschicht 216 auf dem Modul 222 gebondet sein, als eine Operation, die mit dem Auffüllen der Kerben in Zusammenhang steht.
Die Position der oberen flexiblen Schaltung 208 und die in Zusammenhang stehenden Signalverläufe relativ zu der unteren flexiblen Schaltung 206 und der in Zusammenhang stehenden Signalverläufe liegt innerhalb einer Toleranz, die ausreichend ist, um separate Signalverläufe für jedes Element 24 zu erlauben. Beispielsweise erlaubt eine Toleranz von plus/minus 50 μm einen Schnittbereich (Dicing-Bereich) von 100 μm zwischen jedem der Elemente 24 entlang der Elevationsrichtung ohne nachteiliges Abschneiden eines Signalverlaufs. Andere Toleranzen und Abstände sind möglich. Das Ausrichten erfolgt unter Verwendung von Präzisionsstiften und Löchern, Vorlagen oder durch eine optische Ausrichtung. Durch das Bereitstellen von Signalverläufen auf flexiblen Schaltungen 206, 208 auf beiden Seiten des Moduls 222 werden weniger dichte Signalverläufe gebildet, wodurch größere Schnittfenster (Dicing-Fenster) erlaubt werden. In alternativen Ausführungsbeispielen wird eine größere Dichte der Signalverläufe bereitgestellt, und die flexiblen Schaltungen 208 und 206 sind auf einer Seite des Moduls 222 gebildet.
Die obere flexible Schaltung 208 ist entlang einer oder zwei Seiten der piezoelektrischen Schicht 214 und der Verstärkungsschicht 220 gefaltet. Die flexible Schaltung 208 erstreckt sich von der piezoelektrischen Schicht 214 in Richtung des Verstärkungsmaterials 220. Wenn Signalverläufe auf einer oberen Seite oder auf einer nach außen weisenden Seite der unteren flexiblen Schaltung 206 und auf einem Boden oder einer nach innen weisenden Seite der oberen flexiblen Schaltung 208 bereitgestellt sind, wird eine Isolationsschicht zwischen den zwei flexiblen Schaltungen 206 und 208 hinzugegeben. Bei spielsweise wird vor oder während des Zusammenbaus eine 25 μm oder eine andere Dicke aufweisende Teflonschicht oder ein anderes elektrisch nicht-leitendes Material für eine oder für beide flexible Schaltungsschichten 206 verwendet. Die obere flexible Schaltung 208 wird dann an die Seiten der Module 222 gebondet, indem sie durch einen Rahmen mit einer Teflonbeschichtung oder einer anderen Beschichtung hindurchverläuft. Beide flexible Schaltungen und die in Zusammenhang stehenden Elektroden werden an das Modul 22 gebondet.
Das Modul 222 wird dann in Elevationsrichtung geschnitten (Dicing), beispielsweise zur Bildung von 64 Spalten 204 von Elementen 24. Das Dicing erstreckt sich durch beide flexible Schaltungen 206 und 208 und die piezoelektrische Schicht 214 in die Verstärkungsschicht 220 hinein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden keine Nebendicingkerben gebildet, jedoch können solche verwendet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die obere flexible Schaltung 208 mit einem Mikroskop in Bezug auf eine optische Ausrichtung der Dicing-Säge überprüft. Die Elevationsschnitte in Kombination mit den früheren Azimutschnitten definieren die Elemente 24. Die Elevationsdices können für jedes der Module 222 gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten gebildet werden. Das Dicing hat eine obere und eine untere separate Elektrode und in Verbindung stehende Signalverläufe für jedes der Elemente 24 zur Folge, ohne eine Grundebene, die allen Elementen gemeinsam ist. In alternativen Ausführungsbeispielen wird eine Grundebene mit nur einem separaten Signalverlauf für jedes Element 24 verwendet.
Die separat geschnittenen Module 222 werden ausgerichtet, wie in 11B gezeigt. Die Module 222 sind benachbart zueinander entlang der Elevationsrichtung oder Azimutrichtung angeordnet, um eine größere Anordnung 200 von Elementen 24 zu bilden. Jedes der Module 222 ist von einem anderen Modul 222 durch eine oder durch mehrere flexible Schaltungen 206, 208 getrennt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel repräsentiert jedes der Module 222 64 in Azimutrichtung beabstandete Reihen 202 und vier oder sechs in Elevationsrichtung beabstandete Spalten 204 von Elementen 24. Durch Ausrichten von vier oder sechs Modulen 222 in Elevationsrichtung und Azimutrichtung, wird ein 64 × 24 Gitter von Elementen 24 gebildet. Eine andere Anzahl an Modulen, eine andere Größe oder eine andere Anzahl von Elementengittern können verwendet werden, mit oder ohne Separation der Module 222 durch flexible Schaltungen 206, 208.
Die obere flexible Schaltung 208 hat Signalverläufe, die auf einer Bodenseite gebildet sind, so dass die flexible Schaltung 208 die Signalverläufe von einem Modul 222 von den Signalverläufen des anderen Moduls 222 elektrisch isoliert. In alternativen Ausführungsbeispielen ist ein Isolatormaterial, beispielsweise zusätzlich Kapton oder ein anderes Material, zwischen den zwei Modulen 200 zur elektrischen Isolation der Signalverläufe angeordnet.
Vor der Ausrichtung wird jedes der Module 222 durch einen teflonbeschichteten Rahmen oder einen anderen Rahmen mit Kleber oder einem anderen Bondmaterial gedrückt/gepresst. Durch das Pressen werden die flexiblen Schaltungen 206 und 208 eng entlang der Seiten der Module 222 angepasst, um jegliche Separation zwischen den Modulen zu minimieren.
Die Module 222 sind innerhalb eines Rahmens 224 angeordnet. Der Rahmen weist ein Graphitmaterial, ein anderes leitfähiges Material, oder ein anderes nicht-leitfähiges Material auf. Die vier Module 222 sind in den Rahmen 224 presseingepasst oder innerhalb des Rahmens 224 positionierbar. Wenn die Module 222 innerhalb des Rahmens 224 positioniert sind, beträgt der Platz zwischen der PZT-Schicht 214 der Module 222 etwa 50-150 Mikrometer, jedoch kann auch eine andere Beabstandung verwendet werden. Der Abstand ist das Ergebnis des flexiblen Schaltungsmaterials zwischen den piezoelektrischen Schichten 214 jedes Moduls 222. Ein 50–150 Mikrometerabstand ist 0–100 Mikrometer größer als eine normale Kerbenbreite. Andere relative Breiten können verwendet werden. Das Minimieren des Abstands zwischen den Modulen 222 minimiert die Strahlbreite in Elevationsrichtung oder die Elevationspunktspreizfunktion. Der Rahmen 224 richtet die Module 222 in beide Richtungen aus, kann jedoch weniger Toleranz in der Azimutrichtung aufweisen. Eine Ausrichtung mit größerer Toleranz kann durch ein manuelles opti sches Ausrichten, durch eine Stift- und Lochausrichtung oder eine Präzisionsherstellung des Rahmens 224 als Vorlage gebildet werden.
Nachdem die Module 222 innerhalb des Rahmens 224 ausgerichtet sind, werden die Kerben von dem getrennten Dicing mit Silicon oder einem anderen Kerbfüllmaterial aufgefüllt. Das Kerbfüllmaterial dient auch zum Bonden der Module 222 aneinander und an den Rahmen 224. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werden die Kerben der Module 222 vor dem Ausrichten gefüllt. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen wird keine Kerbfüllung verwendet. Eine Schutzschicht aus Linsenmaterial oder einem anderen fokussierenden oder nicht-fokussierenden akustischen transparenten Material ist über oder um die Anordnung 200 herum positioniert. Ein bei hoher Temperatur oder bei Raumtemperatur vulkanisiertes Silikon kann beispielsweise über der Anordnung 208 gebildet werden. Wenn die Anordnung 200 vollständig abgetastet (bestückt) ist, liefert die zusätzliche Schutzschicht keinen Fokus oder begrenzten Fokus.
Die flexiblen Schaltungen 206, 208 und die in Zusammenhang stehenden Signalverläufe sind mit gedruckten Leiterplatten oder Multiplexern verbunden. Die Ausgangsignale der Multiplexer sind mit Kabeln 22 verbunden. Die Kabel verbinden die Elemente 24 der Anordnung 200 elektrisch mit der Basiseinheit 12.
Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen sind verschiedene mehrdimensionale Anordnungen gebildet, mit einem Multiplexer, der in der Sonde 18 integriert ausgebildet ist, und/oder einer Isolation für den Sendeweg und den Empfangsweg durch das Transducerelement 24. Das Multiplexen, beispielsweise ein Zeitmultiplexen, erlaubt ein Multiplexen von mehreren Kanälen auf einen einzelnen Kanal. Das Ausmaß des Multiplexens, die gewünschte Bandbreite, die Mittenfrequenz und die Taktrate bestimmen das verwendete Multiplexen. Ein System mit einer 40 MHz Taktrate kann beispielsweise einen Transducer mit bis zu 25 MHz Mittenfrequenz verwenden, unter der Annahme, dass die Nyquistabtastrate (Nyquist-Sampling Rate) das bis zu 1,6-fache der Mittenfrequenz ist. Durch Multiplexen kann die Mittenfrequenz reduziert werden, um die Anzahl von Sys temkanälen oder Kabeln 22 zu reduzieren. In dem oben genannten Beispiel erlaubt ein 2:1 Multiplexer die Verwendung eines Transducers bis zu einer 12,5 MHz Mittenfrequenz mit einer 120% Bandbreite, verdoppelt jedoch die Anzahl der Elemente 24, die ein Kabel 22 verwenden. Ein 3:1 Multiplexer erlaubt die Verwendung eines Transducers bis zu einer 8,3 MHz Mittenfrequenz. 4:1 erlaubt 6,3 MHz, 5:1 erlaubt 5,0 MHz, 6:1 erlaubt 4,2 MHz, 7:1 erlaubt 3,6 MHz und 8:1 erlaubt 2,5 MHz. Höhere Taktraten erlauben entweder mehr Multiplexing oder Transducer mit höherer Mittenfrequenz.
Einige mehrdimensionale Anordnungen liefern eine Mehrzahl von Transducerelementen, die mit N Elementen entlang einer ersten Richtung angeordnet sind, wobei N größer als Eins ist, und mit M-Elementen entlang einer zweiten Richtung, wobei M größer als Eins und ungleich N ist. Beispielsweise haben eine Multi-PZT-Schichtlinearanordnung, eine 1,5D-, I-Strahl-, +-Strahl- oder andere Anordnungen der Elemente 24 unterschiedliche Verteilungen der Elemente 24. Eine Sonde nimmt die Anordnung 200 der Elemente 24 auf. Ein Multiplexer innerhalb der Sonde und mit mindestens zwei der Mehrzahl der Transducerelemente 24 verbunden, erlaubt eine größere Anzahl von Elementen 24 mit einer geringeren Anzahl von Systemkanälen oder Kabeln 22, die mit der Basiseinheit 12 verbunden sind.
Das Multiplexen erlaubt eine höhere Auflösung für 1,5 dimensionale Transduceranordnungen, beispielsweise Anordnungen mit zwei oder mehreren Elevationsreihen von 96 Elementen 24 in Azimutrichtung. Mit 2:1 Zeitdomainmultiplexing verwendet beispielsweise eine 1,5D Anordnung mit drei oder vier Reihen von 96 Elementen 192 Systemkanäle oder Kabel 22 bei bis zu 12,5 MHz. Mit 7:1 Multiplexing von 7 Segmenten oder Reihen von 96 Elementen 24 kann die Anordnung bei bis zu 3,6 MHz mit 192 Systemkanälen oder Kabeln 22 in einem 40 MHz Taktratensystem arbeiten.
Ein plano-konkaver Transducer mit isolierten linken und rechten elevationsöffnungsbeabstandeten Elementen 24 kann ebenfalls von Multiplexing profitieren. Siehe beispielsweise die Anordnungen, die in der US 6,043,589 beschrieben sind, deren Offenbarung durch Bezugnahme hiermit Bestandteil der Anmeldung wird. Zwei oder mehrere segmentierte Anordnungen arbeiten bei einer höheren Mittenfrequenz und/oder mit mehreren Elementen, indem Signale von einem oder mehreren Elementen mit Signalen von anderen Elementen multigeplext werden.
Die Transducer, die als zwei oder mehrere separate oder linear kreuzende oder gekrümmte lineare Anordnungen konfiguriert sind, können ebenfalls von Multiplexen profitieren. Eine erste lineare Anordnung ist entlang einer Richtung positioniert, und eine zweite lineare Anordnung ist entlang der zweiten Richtung oder nicht parallel zu der ersten Anordnung positioniert. Die verschiedenen I-Strahl-, +-Strahl- oder andere Anordnungen, die in der US 6,014,473 offenbart sind, deren Offenbarung durch Bezugnahme hiermit integriert wird, verwenden beispielsweise ein Multiplexen, um eine größere Anzahl von Elementen mit der gleichen Anzahl von oder weniger Kabeln 22 zu verwenden. In diesem Beispiel wird eine lineare Anordnung für das Abbilden verwendet, und eine oder mehrere andere orthogonale Anordnungen liefern eine Trackinginformation. Durch Multiplexen wird die Bildauflösung weniger beeinträchtigt, indem Systemkanäle oder Kabel für Trackinganordnungen (Tracking Arrays) verwendet werden. Beispielsweise verwenden eine Abbildungs- und zwei Trackingarrays jeweils 192 Elemente 24 mit 3:1 Multiplexing für 192 Kabel 22. Andere Verteilungen der Elemente 24 innerhalb der Anordnungen können verwendet werden.
Bi-Schicht- oder Mehrschichttransduceranordnungen können ebenfalls von Multiplexing profitieren. Zwei oder mehrere Schichten von PZT innerhalb einer linearen oder einer anderen Anordnung von Elementen 24 werden für harmonisches Abbilden (Harmonic Imaging) verwendet. Eine oder mehrere eindimensionale Anordnungen von Elementen 24 entlang der Azimutrichtung haben Schichten von Elementen 24 oder PZT entlang der Bereichsrichtung. Beispielsweise verwenden die Anordnungen, die in der US (Seriennummer 10/076,688, eingereicht 14. Februar 2002) oder 5,957,851 mehrere Schichten von Elementen 24, die durch Elektroden getrennt sind. Das Multiplexing erlaubt eine größere Anzahl von separat adressierbaren PZT-Schichten und/oder Elementen 24. Die relative Phasenlage einer Schicht zu einer anderen Schicht berücksichtigt entweder Grund- oder harmonische Operationen (Fundamental oder Harmonic Betrieb).
Ein Quadratgitter von Elementen als eine zweidimensionale Anordnung oder eine einzelne lineare Anordnung können ebenfalls von Multiplexing profitieren. Das Multiplexing erlaubt mehr Elemente mit weniger Systemkanälen oder Kabeln 22. Multiplexing liefert höhere Auflösung und/oder ein schnelleres Abtasten für zwei- oder dreidimensionales Imaging.
Obwohl die Erfindung durch Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Es ist folglich beabsichtigt, dass die oben genannte detaillierte Beschreibung als ein Beispiel eines gegenwärtigen bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung verstanden werden soll, und die Erfindung nicht definiert. Dies geschieht nur in den folgenden Ansprüchen, einschließlich aller Äquivalente, deren Definition im Schutzbereich dieser Erfindung beabsichtigt ist.

Claims

System zur Sende/Empfangs-Isolation für Ultraschall-Imaging, mit: einem Transducerelement (24), welches eine erste und eine zweite Elektrode (80, 82) aufweist; einem Sendeweg (62), der mit der ersten Elektrode (80) verbunden ist; und einem Empfangsweg (64), der mit der zweiten Elektrode (82) verbunden ist, wobei am Transducerelement (24) der Empfangsweg (64) von dem Sendeweg (62) getrennt ist.
System nach Anspruch 1, bei dem der Sendeweg (62) einen Wellenformgenerator (84) und eine Wellenformtreiberschaltung (87) aufweist, die in einer Sonde (18) angeordnet sind, und das Transducerelement (24) ebenfalls in der Sonde (18) angeordnet ist, wobei das System ferner ein Kabel (22) aufweist, das die Sonde (18) und eine Basiseinheit (12) verbinden kann.
System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Empfangsweg (64) mindestens einen Verstärker und mindestens ein Filter aufweist, wobei der mindestens eine Verstärker und das mindestens eine Filter in einer Sonde (18) angeordnet sind, das Transducerelement (24) ebenfalls in der Sonde (18) angeordnet ist, und ein Kabel (22) die Sonde (18) und eine Basiseinheit (12) verbinden kann.
System nach Anspruch 1, bei dem der Sendeweg (62) einen Wellenformgenerator (84) aufweist, und der Empfangsweg (64) eine Zeitgewinnsteuerschaltung (37) aufweist, wobei der Wellenformgenerator (84), die Zeitgewinnsteuerschaltung (37) und das Transducerelement (24) in einer Sonde (18) sind, die von einer Imaging-Basiseinheit (12) getrennt gebildet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Empfangsweg (64) einen Multiplexer (26) aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Empfangsweg (64) mindestens zwei Dioden (90, 92) aufweist, die mit der zweiten Elektrode (82) elektrisch verbunden sind.
System nach Anspruch 6, bei dem die mindestens zwei Dioden (90, 92) elektrisch zwischen die zweite Elektrode (82) und Masse geschaltet sind, und die zwei Dioden (90, 92) eine Klemmdiode aufweisen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner mit einer Mehrzahl von zusätzlichen Transducerelementen (24), wobei das Transducerelement (24) und die zusätzlichen Transducerelemente (24) in einem N × M Gitter angeordnet sind, bei dem N und M beide größer als Eins sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Sendeweg (62) mindestens einen Transistor (86) aufweist, der elektrisch zwischen die erste Elektrode (80) und ein Referenzpotential geschaltet werden kann.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Sendeweg (62) betreibbar ist, um die erste Elektrode (80) während der Empfangsoperation des Transducerelements (24) mit Masse zu verbinden, und der Empfangsweg (64) betreibbar ist, um eine Spannung an der zweiten Elektrode (82) während der Sendeoperation des Transducerelements (24) zu begrenzen.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Sendeweg (62) mindestens eine Hochspannungskomponente aufweist, und der Empfangsweg (64) frei von Hochspannungskomponenten ist.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Sendeweg (62) und der Empfangsweg (64) frei von irgendeinem Schalter sind, der betreibbar ist, um zwischen dem Sendeweg (62) und dem Empfangsweg (64) auszuwählen.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem alle Elektroden (80, 82) des Transducerelements (24) keine direkte Verbindung mit Masse haben.
Verfahren zur Ultraschallisolation von Sende- und Empfangsereignissen, welches Verfahren die Schritte aufweist: (a) Anlegen einer Sendewellenform an eine erste Elektrode (80) eines Transducerelements (24); (b) Begrenzen der Spannung an einer zweiten Elektrode (82) während des Schritts (a); (c) Empfangen elektrischer Signale auf der zweiten Elektrode (82) des Transducerelements (24), wobei die zweite Elektrode (82) eine andere ist als die erste Elektrode (80); und (d) Begrenzen der Spannung an der ersten Elektrode (80) während des Schritts (c).
Verfahren nach Anspruch 14, ferner mit: (e) Erzeugen der Sendewellenform in einer Sonde (18), wobei das Transducerelement (24) ebenfalls in der Sonde (18) ist.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner mit: (e) Filtern der elektrischen Signale mit einem Filter, wobei das Filter in einer Sonde (18) angeordnet ist, und das Transducerelement (24) ebenfalls in der Sonde (18) ist.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Schritt (a) aufweist: Ansteuern des Transducerelements (24) mit Treiberschaltungen in einer Sonde (18), die von einer Basisabbildungseinheit (12) getrennt gebildet ist, wobei die Sonde (18) das Transducerelement (24) aufweist, und ferner mit: (e) Einstellen des Gewinns der elektrischen Signale als Funktion der Zeit mit einer Zeitgewinnsteuerschaltung, die in der Sonde (18) gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner mit: (e) Multiplexen der elektrischen Signale mit Signalen in Antwort auf verschiedene Transducerelemente (24).
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Schritt (d) ein Klemmen der zweiten Elektrode (82) mit mindestens zwei Dioden aufweist, die elektrisch mit der zweiten Elektrode (82) verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Schritt (b) ein elektrisches Verbinden der ersten Elektrode (80) mit einem Referenzpotential aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner mit: (e) Ausführen der Schritte (a) bis (d) für eine Mehrzahl von Transducerelementen (24), die als zweidimensionale Anordnung angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Schritt (a) und der Schritt (d) mit mindestens einer Hochspannungskomponente durchgeführt werden, und der Schritt (b) und der Schritt (c) ohne Hochspannungskomponenten durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Schritte (a) bis (d) durchgeführt werden, ohne dass zwischen einem Sendeweg (62) und einem Empfangsweg (64) ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Schritt (a) ein Anlegen einer unipolaren Wellenform aufweist, wobei ein Beginn der unipolaren Wellenform ein erster Zustand ist, und das Ende der unipolaren Wellenform ein zweiter Zustand ist, der sich von dem ersten Zustand unterscheidet, und der erste und der zweite Zustand einen unterschiedlichen Zustand aufweisen, von einem "High"-Zustand und einem "Low"-Zustand.
Verfahren zur Übertragung akustischer Energie mit Phaseninversion, mit den Schritten: (a) Erzeugen einer ersten unipolaren Sendewellenform, die einen "High"-Zustand und einen "Low"-Zustand aufweist; (b) Erzeugen einer zweiten unipolaren Sendewellenform, die den "High"-Zustand und den "Low"-Zustand aufweist; (c) Beginnen der ersten unipolaren Sendewellenform im "Low"-Zustand; und (d) Beginnen der zweiten unipolaren Sendewellenform im "High"-Zustand.
Verfahren nach Anspruch 25, weiter mit: (e) Beenden der ersten unipolaren Sendewellenform im "High"-Zustand; und (f) Beenden der zweiten unipolaren Sendewellenform im "Low"-Zustand.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Schritte (a) bis (d) das Erzeugen der ersten und zweiten unipolaren Sendewellenformen aufweisen, so dass eine Summe von Sendewellenformen, wie sie an ein Transducerelement (24) angelegt werden, im wesentlichen Null ist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei der Schritt (c) das Beginnen der ersten unipolaren Sendewellenform bei einer Null-Spannung und der Schritt (d) das Beginnen der zweiten unipolaren Sendewellenform bei einer positiven Spannung umfassen.