DE10341730A1

DE10341730A1 - Mehrfachmuster-Transducerarray und Verfahren zu deren Verwendung

Info

Publication number: DE10341730A1
Application number: DE10341730A
Authority: DE
Inventors: Anming San Jose He Cai; Lewis J. Palo Alto Thomas
Original assignee: Acuson Corp
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 2002-09-09
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: CN100515342C; DE10341730B4; US20040049110A1; US7311667B2; CN1494875A

Abstract

Transducer für verschiedene Arraykonfigurationen und Verfahren zur Verwendung der Transducer werden geschaffen. Eine Elektrodenschicht auf einer Seite der Transducervorrichtung definiert ein eindimensionales Array von Elementen. Eine Elektrodenschicht auf einer gegenüberliegenden Seite der Transducervorrichtung definiert ein mehrdimensionales Array. Beispielsweise kann eine Transducervorrichtung für ein zweidimensionales Imaging und ein dreidimensionales Imaging in Antwort auf die eindimensionale und mehrdimensionale Arrayelektrodenkonfiguration verwendet werden. Ein dreidimensionales Imaging und zweidimensionales Imaging in Echtzeit kann mit einem einzelnen Transducer gebildet werden. Gemäß einem anderen Beispiel haben die Elemente, die durch einen Elektrodenaufbau definiert sind, einen anderen Oberflächenbereich als die Elemente, die durch den anderen Elektrodenaufbau definiert sind. Die verschiedenen Konfigurationen auf gegenüberliegenden Seiten der Transducervorrichtungen können den gleichen Typ aufweisen (beispielsweise beide eindimensionale Arrays oder verschiedene Typen aufweisen).

Description

Die Erfindung betrifft einen Transducer für ein Ultraschall-Imaging. Insbesondere werden vielseitige Transducer-Array Konfigurationen geschaffen.
Für das Ultraschallabtasten (Scanning) einer zweidimensionalen Ebene innerhalb eines Patienten, wird eine eindimensionale Anordnung (auch als eindimensionales Array bezeichnet) von Transducerelementen verwendet. Für eine eindimensionale Anordnung werden eine Mehrzahl von Elementen entlang einer Azimutrichtung beabstandet. Die Elemente sind durch Elektroden definiert. Eine obere Erdungsflächenelektrode bedeckt die gesamte Anordnung, und die Elektroden, die entlang der Azimutrichtung am Boden des Transducermaterials beabstandet wird, definieren die spezifischen Elemente. Jedes Element ist von einem anderen Element mit ungefähr der halben Wellenlänge beabstandet, die für das Abtasten unter Winkeln von der Transduceranordnung verwendet wird. Für das lineare Abtasten oder für ein anderes Abtasten können unterschiedliche Abstände zwischen den Zentren der Elemente verwendet werden, beispielsweise ein Abstand mit voller Wellenlänge. Andere Transducer liefern mehrdimensionale Anordnungen von Elementen. Beispielsweise werden 1,5 dimensionale oder zweidimensionale Arrays von Elementen geschaffen. Wie bei einer eindimensionalen Anordnung definieren die Elektroden auf einer Bodenseite des Transducermaterials die spezifischen Elemente mit der Masseebene (Massefläche) auf einer oberen Seite des Transducermaterials.
Orthogonale Anordnungen (Arrays) können mit einem einzelnen Transducer gebildet werden. Auf einer oberen Seite des Transducermaterials ist beispielsweise eine eindimensionale Anordnung von Elementen, die durch Elektroden definiert sind, entlang einer ersten Richtung gebildet. Auf einer gegenüberliegenden Seite des Transducermaterials ist eine eindimensionale Anordnung von Elektroden entlang einer orthogonalen Richtung beabstandet. Der Transducer ist betreibbar, um zwei unterschiedliche orthogonale Ebenen abzutasten. Eine Schicht der Elektroden ist geerdet, während die andere Schicht der Elektroden zur Erzeugung einer akustischen Energie verwendet wird, als eine erste eindimensionale Anordnung. Die Elektroden, die für das erste eindimensionale Array aktiv sind, sind geerdet, während die zuvor geerdeten Elektroden mit Systemkanälen verbunden sind, für ein Abtasten mit einer zweiten orthogonalen eindimensionalen Anordnung.
Die Erfindung ist durch Folgende Ansprüche definiert, und nichts in diesem Abschnitt soll eine Beschränkung dieser Ansprüche darstellen. Einführend weisen die im folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele Transducer mit unterschiedlichen Arraykonfigurationen auf, und Verfahren zur Verwendung der Transducer. Eine Elektrodenschicht auf einer Seite einer Transducervorrichtung definiert ein eindimensionales Array von Elementen. Eine Elektrodenschicht auf einer gegenüberliegenden Seite der Transducervorrichtung definiert ein mehrdimensionales Array. Eine Transducervorrichtung kann beispielsweise für ein zweidimensionales Imaging und ein dreidimensionales Imaging verwendet werden, in Antwort auf eindimensionale und mehrdimensionale Arrayelektrodenkonfigurationen. Ein dreidimensionales Imaging und ein zweidimensionales Imaging in Echtzeit können mit einem einzelnen Transducer geschaffen werden. Gemäß einem anderen Beispiel haben Elemente, die durch einen Einelektrodenaufbau definiert sind, einen anderen Oberflächenbereich auf, als Elemente, die durch eine andere Elektrodenkonfiguration definiert sind. Die verschiedenen Konfigurationen auf gegenüberliegenden Seiten der Transducervorrichtungen können den gleichen Typ aufweisen (beispielsweise beide eindimensionale Arrays) oder unterschiedliche Typen. Der Zweck von getrennt definierten ein- und zweidimensionalen Arrays liegt im allgemeinen in der Abstimmung der Auflösung in dem 2D-Array auf den Fokus und die Steuerung in Elevationsrichtung.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben.
Die Komponenten und die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen sollen die Prinzipien der Erfindung hervorgehoben werden. Darüber hinaus werden in den Figuren gleiche Bezugsziffern für entsprechende Bestandteile verwendet. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Transducers;
2 und 3 jeweils eine Ansicht von oben und von unten des Ausführungsbeispiels des Transducers gemäß 1;
4 ein Blockdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Systems, das irgendeines der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Transducer verwendet; und
5 ein Ablaufdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Verwendung eines Transducers mit Mehrfachkonfigurationen.
Eine Transduceranordnung mit verschiedenen Elementkonfigurationen liefert ein Abbilden (Imaging) mit unterschiedlichen Eigenschaften. Beispielsweise ist eine Transducerarray aus eindimensionalen Elementen durch eine Elektrodenschicht auf einer Seite der Transducervorrichtung definiert. Eine Elektrodenschicht auf einer gegenüberliegenden Seite der Transducervorrichtung definiert eine andere Konfiguration, beispielsweise ein zweidimensionales oder mehrdimensionales Array von Elementen. In alternativen Ausführungsbeispielen definiert eine Elektrodenschicht auf einer Seite ein Array entlang einer gleichen Anzahl oder einer unterschiedlichen Anzahl von Richtungsarrays, wie die gegenüberliegende Seite, jedoch mit einer unterschiedlichen Beabstandung oder Elementenbereichsform.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Transducers 10. Der Transducer 10 weist eine Transducervorrichtung 12 und zwei Elektrodenschichten 14 und 16 auf. Zusätzliche oder andere Komponenten können gebildet sein, beispielsweise Anpassungsschichten, Verstärkungsschichten, Linsenmaterial oder andere Ultraschalltransducermaterial oder komponenten.
Die Transducervorrichtung 12 weist ein Keramikmaterial auf, ein piezoelektrisches Material, eine flexible Membran, eine elektrostatische Vorrichtung, einen kapazitiven Membranultraschalltransducer (CMUT), oder andere bekannte oder zukünftige Vorrichtungen zur Umwandlung zwischen akustischer und elektrischer Energie. Wenn die Transducervorrichtung 12 ein piezoelektrisches oder keramisches Material ist, trennt eine Mehrzahl von Kerben 18 oder Dicing-Kanäle die Transducervorrichtung in eine Mehrzahl von Subelemente 20. In alternativen Ausführungsbeispielen weist die Transducervorrichtung 12 ein Verbundmaterial aus Epoxydharz oder anderen Materialien und piezoelektrischen Materialien auf. Die Kerben 18 können gebildet werden, jedoch kann Epoxydharz zur Trennung des akustisch aktiven Keramikmaterials verwendet werden. Für eine Membran oder eine CMUT-Transducervorrichtung, können Kerben 18 zur akustischen Isolation der Subelemente 20 gebildet sein. Beispielsweise enthält irgendein gegebenes Element eine Mehrzahl von Membranen, die von den Elementen nicht gemeinsam verwendet werden, so dass das Substrat, das die Membranen trennt, eine akustische Isolation zwischen den Subelementen 20 bildet.
Die Elektrodenschichten 14 und 16 weisen aufgebrachte Anschlüsse auf, beispielsweise abgeschiedene Metallschichten. Ebenso kann geklebtes oder gebondetes leitfähiges Material verwendet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen eine oder beide Elektrodenschichten 14 und 16 flexible Schaltungsmaterialien auf, mit leitfähigen Streifen oder Beschichtungen. In alternativen Ausführungsbeispielen weisen die Elektrodenschichten 14 und 16 Drähte oder andere leitfähige Materialien auf, die allgemein bekannt sind oder zukünftig zur Verwendung mit der Transducervorrichtung 12 entwickelt werden.
Eine Elektrodenschicht 14 ist auf einer anderen (gegenüberliegenden) Seite der Transducervorrichtung 12 angeordnet, als die andere Elektrodenschicht 16. Beispielsweise weist die Elektrodenschicht 14 eine obere Elektrodenschicht auf, die benachbart zur Haut eines Patienten platziert ist, und durch die akustische Energie an den Patienten gesendet oder von diesem empfangen wird. Die andere Elektrodenschicht 16 ist eine untere Elektrodenschicht (Bodenelektrodenschicht), beispielsweise benachbart zu einem Verstärkungsmaterial zur Begrenzung weiterer Übertragung an akustische Energie. In einer Membran oder einem CMUT-Transducer 10 sind die Elektrodenschichten 14 und 16 auf gegenüberliegenden Seiten einer Membranspalte oder einer Spalte zwischen dem Substrat und der flexiblen Membran gebildet. Beispielsweise ist eine oder sind beide Elektrodenschichten 14 und 16 innerhalb oder zwischen der Membran und dem Substrat gebildet. In der hier verwendeten Weise gehören zu den Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten einer Transducervorrichtung Elektroden innerhalb des Spaltes zwischen dem Substrat und der Membran, eine oder mehrere Elektroden auf einer oberen Fläche einer Membran, oder eine Elektrode am Boden des Substrats. Für keramisches oder piezoelektrisches Material kann eine oder es können mehrere der Elektrodenschichten 14, 16 teilweise innerhalb des Keramikmaterials sein. Eine Spannungsdifferenz zwischen den Elektrodenschichten 14 und 16 erzeugt eine Reduzierung oder Erweiterung der Transducervorrichtung, beispielsweise eine Kompression oder Expansion eines Keramiks oder eine Bewegung der Membran zu einem Substrat hin und von diesem weg.
Die Elektrodenschichten 14, 16 sind gemustert, um Arrays (Anordnungen) von unterschiedlichen Konfigurationen zu bilden. Die Muster werden durch Trennschleifen (Dicing), Abscheiden, Maskieren oder durch andere bekannte oder zukünftig entwickelte Verarbeitungen gebildet, um ein Array von Elektroden (Elektrodenanordnung) zu definieren. Die unterschiedlichen Muster von zwei Elektrodenschichten 14, 16 stehen in Zusammenhang mit Anordnungen der gleichen Richtungserstreckung, beispielsweise unterschiedliche eindimensionale Arrays, oder Arrays unterschiedlicher Richtungserstreckung, beispielsweise eindimensionale Arrays und mehrdimensionale Arrays. 2 zeigt eine Draufsicht des Transducers 10 und das in Zusammenhang stehende Muster (durchgezogene Linien) der ersten Elektrodenschicht 14. Die Musterung der Elektrodenschicht 14 liefert eine eindimensionale Anordnung von Elementen 22. Jedes der Elemente 22 steht mit einem oder mit mehreren Subelementen 20 der Transducervorrichtung 12 in Zusammenhang. Beispielsweise enthalten die Elemente 22 an jedem Ende des eindimensionalen Arrays ein einzelnes Subelement 20. Jede Elektrode und das in Zusammenhang stehende Elemente 22 ist durch Kerben 18 getrennt. Gemäß diesem Beispiel weist jedes der Elemente 22 in einem zentralen Bereich der eindimensionalen Anordnung eine Mehrzahl von Subelementen 20 auf, die entlang der Elevationsrichtung beabstandet sind. Beispielsweise weist das mittige Element 24 sechs Subelemente 20 entlang der Elevationsrichtung auf. Darüber hinaus können unterschiedliche oder weniger Subelemente verglichen mit den Elektrodenanordnungen, gebildet sein, beispielsweise eine Mehrzahl von Subelemente für jedes Element oder für unterschiedliche Elemente 22 eines eindimensionalen Arrays. Obwohl neunundzwanzig Elemente 22 für die Elektrodenschicht 14 gezeigt sind, können mehr oder weniger Elemente gebildet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist jedes der Elemente 22 mit ungefähr einer halben Wellenlängenseparation zwischen den Zentren der Elemente gebildet. Die Wellenlänge ist eine Funktion der beabsichtigten Frequenz der Verwendung und der Bandbreite des Transducers 10. Die eindimensionale Anordnung der Elemente 22 definiert eine Abtastebene entlang der Azimutrichtung für das Abtasten entlang Abtastzeilen lotrecht oder unter Winkeln zu der Anordnung. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen wird eine Wellenlänge oder eine andere Beabstandung zwischen den Elementen 22 zum Abtasten mit Abtastzeilen und einem lotrechten Winkel (normalen Winkel) zum Transducers 10 gebildet.
3 zeigt eine Ansicht des Transducers 10 und der Elektrodenschicht 16 von unten. Die Elektrodenschicht 16 ist gemustert (durchgezogene Linien), um eine zweidimensionale Konfiguration oder Array von Elementen 22 zu bilden. Andere mehrdimensionale Anordnungen der Elemente können gebildet werden, beispielsweise 1,25, 1,5, 1,75 oder andere verschiedene Kombinationen von N × M Elementen, wobei N und M größer als 1 sind. Anordnungen können verwendet werden, wobei N und/oder M gleich 1 sind. In alternativen Ausführungsbeispielen weist ein mehrdimensionales Elektrodenmuster irgendein Muster von Elektroden auf, mit mehr als einem Element entlang zweier unterschiedlicher Richtungen für mindestens einen Teil der Erstreckung der Anordnung. Jede im Moment bekannte oder zukünftig entwickelte mehrdimensionale Arraykonfiguration und damit in Zusammenhang stehende Elektrodenmuster können verwendet werden.
Jedes der Elemente 22 weist zwei Subelemente 20 der Transducervorrichtung 12 auf. Die Kerben 18 definieren das Muster und trennen die Subelemente 20. In alternativen Ausführungsbeispielen weisen die unterschiedlichen Elemente 22 eine andere Anzahl von Subelementen 20 auf, als andere Elemente 22. Das eindimensionale Arraymuster ist mit einer gestrichelten Linie gezeigt, und erstreckt sich jenseits der Apertur (Öffnung), die durch das Muster der Elektrodenschicht 16 definiert wird. In alternativen Ausführungsbeispielen weist die Elektrodenschicht 16 die gesamte Transducervorrichtung 12 auf, oder sie erstreckt sich wie die Elektrodenschicht 12. In einem noch anderen alternativen Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Elektrodenschicht 16 jenseits der Erstreckung der Elektrodenschicht 12.
Da die Elemente von mehrdimensionalen Arrays dazu neigen einen kleineren Oberflächenbereich aufzuweisen, als bei eindimensionalen Anordnungen, muss aufgrund der größeren Impedanz eine größere Spannung verwendet werden, um die Elemente anzusteuern. In einem Ausführungsbeispiel ist die Elektrodenschicht 16, die als eine mehrdimensionale Anordnung konfiguriert ist, auf einem Boden der Transducervorrichtung 12 positioniert, vom Patienten abgewandt. Bei einer Positionierung am Boden dient die Transducervorrichtung 16 als ein elektrischer Isolator zwischen dem Patienten und der Elektrodenschicht 16. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ist eine mehrdimensionale Transducerarray-Elektrodenschicht 16 oben auf der Transducervorrichtung 12 gebildet.
Das Elektrodenschichtmuster auf einer Seite kann eine andere Größe der Elektroden aufweisen, als auf der anderen Seite. Ein Oberflächenbereich der Elektroden 22 der ersten Schicht 14 ist beispielsweise anders, als der Oberflächenbereich der Elektroden 22 der gegenüberliegenden Elektrodenschicht 16. In Ausführungsbeispielen gemäß 2 und 3 ist der Oberflächenbereich der Elektrode 22 der eindimensionalen Anordnung der ersten Schicht 14 dreimal so groß wie der Oberflächenbereich der Elektrode 22 der mehrdimensionalen Anordnung der gegenüberliegenden Elektrodenschicht 16. Andere relative Oberflächenbereiche können gebildet werden.
Als eine Beispieldifferenz haben die Elektroden 22 verschiedener Schichten 14, 16 den gleichen oder einen anderen Oberflächenbereich mit einer unterschiedlichen Elevationserstreckung oder Länge jedes Elements 22. Beispielsweise haben die Elemente 22 des eindimensionalen Arrays der ersten Schichtelektroden 14 gemäß 2 eine größere Elevationslänge, als die Elemente eines eindimensionalen oder mehrdimensionalen Arrays, die durch die andere Elektrodenschicht 16 definiert wird. Die Elektrodenschicht 16 kann eine eindimensionale Anordnung entlang der gleichen Azimutrichtung und der Elemente 22 der eindimensionalen Anordnung der Schicht 14 bilden, kann sich jedoch nur über die halbe Distanz oder einen anderen Bruchteil der Elevationsdistanz erstrecken. Zwei oder drei in Elevationsrichtung beabstandete Reihen von Elementen mit kürzerer Elevationslänge, können als eine 1,25, 1,5 oder 1,75 dimensionale Anordnung gebildet werden, die die Elektrodenschicht 16 verwenden. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist eine orthogonale eindimensionale Anordnung durch das Muster der Elektrodenschicht 16 mit einer Nichtquadrat-Transducervorrichtung 12 definiert, oder die Elevationserstreckung der Anordnung (Arrays) erstreckt sich entlang der Azimutrichtung der eindimensionalen Anordnung der Elektrodenschicht 12. Bei einer Erstreckung über die gesamte Fläche der Transducervorrichtung 12 ist die Erstreckung des Elements 22 der oberen Schicht 14 in Elevationsrichtung kleiner als die Elevationserstreckung der eindimensionalen Anordnung, die durch die untere Elektrodenschicht 16 gebildet wird. Verschiedene Kombinationen von mehrdimensionalen, eindimensionalen Elementen mit unterschiedlicher Länge können gebildet werden.
Die Azimutrichtung der Elektroden und die in Zusammenhang stehenden Elemente 22 ist gleich oder verschieden für die unterschiedlichen Elektrodenschichten 14, 16. Beispielsweise wie in den 2 und 3 gezeigt, sind die Elemente 22 der eindimensionalen Array-Elektrodenschicht 14 gleich der halben Länge, bei einer Zentrum-Zentrum Beabstandung oder Abtastung, verglichen mit dem Abstand der Elektroden 22 der mehrdimensionalen Arrayelektrodenschicht 16. Da die Anzahl der Elemente 22 durch die Anzahl von Sende- oder Empfangsstrahlformkanälen oder durch die Anzahl an Kabeln begrenzt sein kann, können Elemente mit größerer Größe oder mit mehr Beabstandung für das mehrdimensionale Abbilden (Imaging) verwendet werden, um die erforderliche Anzahl an Kanälen zu reduzieren. Mehrdimensionales Imaging kann eine begrenzte Strahlsteuerung verwenden, um Gitterkeulen zu verhindern. Für ein zweidimensionales Abbilden mit größerer Auflösung verwendet das eindimensionale Array, das durch die Elektrodenschicht 14 definiert ist, eine halben Längenwellenbeabstandung der Elemente 22. Die Halbe oder andere Wellenlängenbeabstandungen können für jedes der mehrdimensionalen Anordnungen verwendet werden. Gemäß einem anderen Beispiel einer anderen Azimutlänge arbeitet eine mehrdimensionale oder eine eindimensionale Anordnung, die durch eine erste Schicht 14 definiert ist, bei einer anderen Mittenfrequenz, als die eindimensionale oder mehrdimensionale Anordnung der Elemente 22, die durch die andere Elektrodenschicht 16 definiert sind. Die Elemente 22 beider Schichten 14, 16 stehen mit einer Abtastung bei halber Wellenlänge oder einer (vollen) Wellenlänge in Zusammenhang, sind jedoch für die Verwendung mit unterschiedlichen Frequenzen vorgesehen.
Die Elektroden 22 des Musters einer Elektrodenschicht 14 haben die gleichen oder eine andere Form, als die Elektroden 22 der anderen Elektrodenschicht 16. 2 zeigt beispielsweise Elemente und in Zusammenhang stehende Elektroden 22 mit einer rechteckigen Form, und 3 zeigt die Elemente und die in Zusammenhang stehenden Elektroden 22 mit einer im wesentlichen quadratischen Form. Andere Beispiele umfassen Elektroden 22 jeder Elektrodenschicht 14, 16 mit unterschiedlichen Formen umfassend eine rechteckige, quadratische, dreieckige, hexagonale oder unterschiedliche Kombinationen davon. Beispielsweise ist eine mehrdimensionale Anordnung von quadratischen oder rechteckigen Elementen und Elektroden 22 in einer ersten Schicht 14 gebildet, und eine mehrdimensionale Anordnung mit dreieckigen oder hexagonalen Elementen und in Zusammenhang stehende Elektroden 22 sind in der anderen Schicht 16 gebildet. Gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel sind die Elemente und die in Zusammenhang stehenden Elektroden 22, die mit einer zweidimensionalen Anordnung in Zusammenhang stehen, im wesentlichen ein Quadrat auf einer Elektrodenschicht 14, und eine 1,5 dimensionale Konfiguration von im wesentlichen rechteckigen Elementen und in Zusammenhang stehender Elektroden 22 ist durch die andere Elektrodenschicht 16 definiert. Die Form, die Größe, der Oberflächenbereich und andere Eigenschaften der Elektrode 22 und in Zusammenhang stehende Elemente oder Kombinationen der Subelemente 20 werden für eine gewünschte Abbildung (Imaging) optimiert, beispielsweise als zweidimensionales oder dreidimensionales Imaging mit lotrechten oder nicht-lotrechten Abtastzeilen bei irgendeiner von verschiedenen Frequenzen und in Zusammenhang stehenden Bandbreiten.
Die Trennung zwischen den Elektroden 22 jeder Schicht 14 und 16 ist im Zusammenhang mit einer Kerbe 18 in der Transducervorrichtung 12 oder mit einer anderen akustischen Isolation, beispielsweise ein Raum zwischen Membranen auf einem Substrat für ein CMUT. Die Kerben zur anderweitigen akustischen Isolation werden zu einem gleichen Zeitpunkt gebildet, indem das gleiche Verfahren verwendet wird, wie zur Bildung der Elektroden 22 oder sie werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten gebildet, indem die gleichen oder andere Verarbeitungen verwendet werden. Durch Ausrichten der akustischen Isolation innerhalb der Transducervorrichtung 12 und der elektrischen Separation der Elektroden 22 werden akustisch und elektrisch isolierte Elemente für jede der Elektrodenmuster gebildet. Die akustischen Isolationen für ein Elektrodenmuster kann in einer Mehrzahl von Subelementen 20 resultieren, die an einer gleichen Elektrode 22 des anderen Elektrodenmusters angebracht sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Linse benachbart zu der oberen Elektrodenschicht 14 positioniert, beispielsweise benachbart zu einer Anpassungsschicht, die an die Elektrodenschicht 14 gebondet ist. Die Linse liefert einen mechanischen Fokus in eine oder mehrere Richtungen. Beispielsweise liefert die Linse einen Elevationsfokus, der in Zusammenhang steht mit einer eindimensionalen Anordnung, die durch die Elektrodenschicht 14 definiert ist, wie in 2 gezeigt. Zur Abbildung mit dem anderen Array, das durch die andere Elektrodenschicht 16 definiert ist, wie in 3 ist, werden die Verzögerungen, die für die Strahlformkanäle verwendet werde, eingestellt, um den mechanischen Fokus zu berücksichtigen. Die Verzögerungen, die von den Sende- oder Empfangsstrahlformen verwendet werden, berücksichtigen beispielsweise den mechanischen Fokus. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ist die Linse konkav oder konvex, wodurch ein mechanische Fokus in einer Mehrzahl von Richtungen bereitgestellt wird. Der Strahlformer verzögert unter Berücksichtigung des mechanischen Fokus in irgendeiner von verschiedenen Richtungen, als Funktion der Konfiguration oder Musters der Elektroden 22, die für das Senden und Empfangen verwendet werden.
Die Transducer 10 gemäß irgendeinem der oben diskutierten verschiedenen Ausführungsbeispiele werden innerhalb des Ultraschallsystems 30, wie in 4 gezeigt, verwendet. Die Transducer 10 können mit unterschiedlichen Ultraschallsystemen verwendet werden. Das Ultraschallsystem 30 weist den Transducer 10 auf, einen oder mehrere Schalter 32 und optional einen Sende- und Empfangsschalter 32, einen Sendestrahlformer 36 und einen Empfangsstrahlformer 38. Darüber hinaus können verschiedene oder weniger Komponenten gebildet werden.
Die Schalter 32 enthalten analoge oder digitale ein- oder mehrpolige Schalter. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Schalter 32 ein Netzwerk von Schaltern auf, beispielsweise wie ein Multiplexer. Die Schalter 32 sind mit den Elektroden 22 der Elektrodenschichten 14, 16 verbindbar. Die Schalter 32 sind betreibbar, um die Elektroden 22 einer Schicht 14, 16 zu erden und die Elektroden 22 der anderen Schicht 16, 14 mit Systemkanälen zu verbinden, beispielsweise mit Sende- und Empfangsstrahlformerkanälen oder Kabeln. Die Schalter 32 erlauben einer Schicht 14, 16 selektiv mit den Systemkanälen verbunden zu werden, während die andere Schicht 16, 14 geerdet ist. Die Schalter 32 können auch eine Auswahl einer Nebenöffnung (Sub-Apertur) oder von weniger als allen der Elektroden 22 einer Schicht erlauben, um mit den Systemkanälen verbunden zu werden. Beispielsweise ist eine größere Anzahl von Elektroden 22 auf einer Schicht 14, 16 gebildet, als Kabel oder Systemkanäle verfügbar sind. Ein Nebensatz der Elemente wird zur Verbindung mit den Kabeln und den Systemkanälen ausgewählt. Für eine zweidimensionale Anordnung kann ein Ersatz-Array oder eine andere Aperturkonfiguration verwendet werden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werden alle Elemente einer Schicht 14, 16 mit entsprechenden separaten Systemkanälen verbunden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind begrenzte Strahlformkomponenten, beispielsweise analoge Verzögerer und Summierer innerhalb eines Sondengehäuses mit dem Transducer 10 bereitgestellt. Die Strahlformerkomponenten dienen zur teilweisen Strahlformung der Signale von einer Untergruppe der Elemente und der in Zusammenhang stehenden Elektroden 22. Als Ergebnis können weniger Kabel und in Verbindung stehende Systemkanäle verwendet werden, als Elemente und in Zusammenhang stehende Elektroden 22 einer Schicht 14, 16. Derartige Strukturen sind in der US 6,126,602 offenbart, deren Offenbarung durch Bezugnahme Bestandteil der Anmeldung wird. Durch Bereitstellung von einem analogen Strahlformen innerhalb des Sondengehäuses des Transducers 10 kann eine größere Anzahl von Arrayelementen und in Zusammenhang stehende Elektroden 22 für eine mehrdimensionale Anordnung mit einer begrenzten Anzahl von Systemkanälen und Kabeln gebildet werden. Gemäß einem anderen Ansatz erlaubt ein Zeitmultiplex-Verfahren die Verwendung einer größeren Anzahl von Elementen, als Kabel vorhanden sind.
Der Sende/Empfangs-Schalter 34 weist einen analogen oder digitalen Schalter auf zur Auswahl zwischen Verbindungen des Transducers 10 mit dem Sendestrahlformer 36 oder mit dem Empfangsstrahlformer 38. Der Sende/Empfangs-Schalter 34 weist eine Mehrzahl von Schaltern auf, beispielsweise einen Schalter für jeden Kanal oder eine in Zusammenhang stehendes Element und einer Elektrode 22 in einer ausgewählten Öffnung. Der Sende- und Empfangsschalter ist optional. Beispielsweise ist ein Sendestrahlformer 36 mit anderen Elementen 22 verbunden, als mit dem Empfangsstrahlformer 38 oder dem Empfangsstrahlformer, und die Sendestrahlformer 36 und 38 sind als ein Gerät kombiniert.
Der Sendestrahlformer 36 weist einen oder mehrere Transistoren, Wellenformgeneratoren, Speicher, D/A-Wandler oder andere analoge oder digitale Vorrichtungen auf, die allgemein bekannt sind oder zukünftig entwickelt werden, zur Erzeugung einer unipolaren, bipolaren oder komplexeren Sendewellenform. Der Sendestrahlformer 36 kann auch eine Mehrzahl von Verzögerungen, Verstärkern und anderen Komponenten aufweisen, zur Verarbeitung einer Wellenform relativ zu einer anderen Wellenform, um entlang akustischer Abtastzeilen an unterschiedlichen Positionen und mit der gleichen oder mit unterschiedlichen Fokustiefen zu senden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Sendestrahlformer 36 betreibbar, um das verbundene Element auf Masse zu steuern. Beispielsweise verbinden die Schalter 32 den Sendestrahlformer 36 mit den Elementen 22 einer Schicht 14, 16, während der Empfangsstrahlformer 38 durch die Schalter 32 mit der anderen Schicht 16, 14 verbunden ist. Der Sendestrahlformer 36 steuert dann die verbundene Elektrode 22 auf ein Massepotential. Beispielsweise weist der Sendestrahlformer 36 einen oder mehrere Transistoren auf, die die Sendestrahlformerkanäle mit Masse verbinden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Sendestrahlformer 36 fluten ("float"). Die Schalter 32 verbinden die Elektroden 22 mit Masse und isolieren den Sendestrahlformer 36 vor dem Empfangsstrahlformer 38. Gemäß einem anderen alternativen Ausführungsbeispiel isolieren die Sende- und Empfangsschalter 34 den Sendestrahlformer 36 vor dem Empfangsstrahlformer 38. Die Schalter 38 können in dem Sonnengehäuse eines Transducers 10 gebildet sein, oder mit dem Ultraschallsystemgehäuse des Strahlformers 36 und Empfangstrahlsformers 38.
Der Empfangsstrahlformer 38 weist eine Mehrzahl von analogen oder digitalen Verzögerungsgliedern, Verstärkern und anderen Komponenten auf zur dynamischen Fokussierung und Steuerung mit einer Mehrzahl von Empfangsstrahlformerkanälen. Der Empfangsstrahlformer 38 weist auch einen Summierer auf, beispielsweise einen analogen Aufsummierer oder einen digitalen Addierer zum Kombinieren der verzögerten und angepassten Signale von der Mehrzahl der Empfangskanäle. Der Empfangsstrahlformer 38 gibt eine Funkfrequenz, (eine I/Q-Information in Phase und Quadratur-Information) oder eine andere Information zur Ultraschallverarbeitung, Detektion und Imaging aus.
5 zeigt ein Flussdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel zur Verwendung des Transducers 10 mit unterschiedlichen Array-Konfigurationen. In Schritt 50 wird die Array-Konfiguration ausgewählt. Die Elektrodenschicht 14, 16 und die in Zusammenhang stehenden Elektroden 22, die für das Imaging zu verwenden sind, werden ausgewählt. Eine Kombination von nichtüberlappenden Elementen und in Zusammenhang stehenden Elektroden 22 von unterschiedlichen Schichten 14, 16 können ausgewählt werden, jedoch werden vorzugsweise Elektroden 22 von einer Elektrodenschicht 14, 16 ausgewählt, um für ein akustisches Abtasten verwendet zu werden. Die Betriebsfrequenz des Sendestrahlformers 36, des Empfangsstrahlformers 38 und andere Systemparameter werden basierend auf der Auswahl der Schicht 14, 16 konfiguriert.
In Schritt 52 werden die nicht ausgewählten Elektroden 22, die Elektroden 22 der Elektrodenschicht 16, 14, die den Elektroden 22, die zum Imaging ausgewählt sind, gegenüberliegen, oder ein Nebensatz von Elektroden 22 geerdet. Die Schalter 32 verbinden diese Elektroden 22 oder die Elektrodenschicht 14, 16 mit Masse. Alternativ steuert der Sendestrahlformer 36 die Elektroden 22 auf das Massepotential. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen wird eine Nichtmassespannung oder eine Nichtnull DC-Spannung an die nichtausgewählten Elemente 22 angelegt.
Die ausgewählten Elemente 22 oder die Elektrodenschicht 16, 14 sind (ist) mit einem Strahlformer verbunden, wie in Schritt 54 gezeigt. Beispielswiese sind die Elektroden 22 eine Elektrodenschicht 16, 14 mit einem Sendestrahlformer 36, Empfangsstrahlformer 38 oder mit Kombinationen davon über Schalter 32 und den Sende- und Empfangsschalter 34 verbunden. Die Verbindung mit den Systemkanälen erlaubt die Verwendung der ausgewählten Elektroden 22 und die in Zusammenhang stehenden Elemente zur Abtastung des Patienten.
In Schritt 56 werden die ausgewählten Elektroden in Verbindung mit den geerdeten Elektroden 22 der Transducervorrichtung 12 verwendet zur Abtastung eines Patienten in Sendeoperationen, Empfangsoperationen oder Kombinationen davon. Beispielsweise werden den ausgewählten Elektroden 22 Sendewellenformen bereitgestellt. In Antwort auf die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 22, die die Sendewellenformen empfangen, und den geerdeten Elektroden 22 erzeugt die Transducervorrichtung 12 eine akustische Energie, die in den Patienten gesendet wird. Für den Empfang von Information erzeugt die Transducervorrichtung 12 eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den ausgewählten Elektroden 22 und den geerdeten Elektroden 22. Die Potentialdifferenz wird an den Empfangsstrahlformer 38 geliefert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die gleichen ausgewählten Elektroden 22 sowohl für die Sende- als auch die Empfangsoperation verwendet. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werden unterschiedliche Elektroden 22 auf einer gleichen oder auf verschiedenen Elektrodenschichten 14, 16 zur Übertragung verwendet, als für die Empfangsoperationen verwendet werden.
Die ausgewählten Elektroden 22 können verwendet werden, zur Abtastung innerhalb einer zweidimensionalen Ebene oder eines dreidimensionalen Volumens. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werden die unterschiedlichen Elektroden 22 für unterschiedliche Abtastzeilen ausgewählt, oder zur Bereitstellung von verschiedenen Aperturen als Funktion der Abtastzeile, der Fokustiefen, der gewünschten Strahleigenschaften oder anderer Variablen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die ausgewählten Elektroden 22 und die entsprechende Elektrodenschicht 14, 16 für einen Typ des Abtastens verwendet, beispielsweise für ein zweidimensionales Imaging, indem ein eindimensionales Array verwendet wird. Eine andere Elektrodenschicht 14, 16 und in Zusammenhang stehende Elektroden 22 werden ausgewählt und in Schritt 52, 54 und 56 verwendet, für einen anderen Typ des Abtastens, beispielsweise ein Abtasten mit einem mehrdimensionalen Array in einer zweidimensionalen Ebene oder einem dreidimensionalen Volumen.
Obwohl die Erfindung im Vorangegangenen unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen. Beispielsweise können unterschiedliche eindimensionale Arrays (Anordnungen) auf gegenüberliegenden Seiten der Transducervorrichtung 12 gebildet werden, indem unterschiedliche Elektrodenschichten 14, 16 gebildet werden. Gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel können unterschiedliche mehrdimensionale Arrays (Anordnungen) mit Mustern, die sich mindestens in einer der oben genannten Eigenschaften unterscheiden, für die unterschiedlichen Elektrodenschichten 14, 16 verwendet werden.
Es ist folglich beabsichtigt, dass die im Vorangegangenen im einzelnen gegebene Beschreibung nur beispielhaft ein gegenwärtig bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung verdeutlichen soll, und keine Definition der Erfindung darstellt. Dies geschieht nur in den folgenden Ansprüchen, einschließlich aller Äquivalente, die den Schutzbereich dieser Erfindung definieren sollen.

Claims

Ultraschalltransducer für verschiedene Elementmuster, mit einer Transducervorrichtung (12); einer ersten Elektrodenschicht (14) auf einer ersten Seite der Transducervorrichtung (12), wobei ein erstes Muster der ersten Elektrodenschicht ein eindimensionales Array definiert; und einer zweiten Elektrodenschicht (16) auf einer zweiten Seite der Transducervorrichtung (12), wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt, und wobei ein zweites Muster der zweiten Elektrodenschicht ein mehrdimensionales Array definiert.
Transducer nach Anspruch 1, bei dem das erste Muster eine erste Mehrzahl von Elementen definiert, und das zweite Muster eine andere zweite Mehrzahl von Elementen definiert, wobei jedes der ersten Mehrzahl der Elemente einen anderen Oberflächenbereich aufweist, als jedes der zweiten Mehrzahl der Elemente.
Transducer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das zweite Muster ein zweidimensionales Array definiert.
Transducer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das zweite Muster ein 1,25, 1,5 und 1,75 dimensionales Array definiert.
Transducer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Elevationslänge der Elemente des ersten Musters anders ist, als eine Elevationslänge der Elemente des zweiten Musters.
Transducer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das erste Muster einer Beabstandung mit halber Wellenlänge zwischen Elementen entspricht, und das zweite Muster einer Beabstandung zwischen den Elementen mit einer Wellenlänge entspricht.
Transducer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner mit einer Mehrzahl von Schaltern (32), die mit der ersten und der zweiten Elektrodenschicht (14, 16) verbindbar sind, wobei die Mehrzahl der Schalter (32) betreibbar ist, um die erste oder die zweite Elektrodenschicht (14, 16) mit Masse zu verbinden, und um die andere der ersten oder zweiten Elektrodenschicht (14, 16) mit Strahlformerkanälen zu verbinden.
Transducer nach Anspruch 7, bei dem die Mehrzahl der Schalter betreibbar sind, um einen Nebensatz der Elemente der anderen der ersten und zweiten Elektrodenschicht (14, 16) mit den Strahlformerkanälen zu verbinden.
Transducer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die zweite Elektrodenschicht eine Mehrzahl von Elektroden aufweist, ferner mit mindestens einem Summierer, der mit einem Nebensatz der Mehrzahl der Elektroden verbunden ist, wobei der mindestens eine Summierer in einem Sondengehäuse mit der Transducervorrichtung (12) angeordnet ist.
Ultraschalltransducer für unterschiedliche Elementmuster, mit einer Transducervorrichtung (12); einer ersten Elektrodenschicht (14) auf einer ersten Seite der Transducervorrichtung (12), wobei ein erstes Muster der ersten Elektrodenschicht erste Elemente definiert, die jeweils einen ersten Oberflächenbereich aufweisen; und einer zweiten Elektrodenschicht (16) auf einer zweiten Seite der Transducervorrichtung (12), wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt, und ein zweites Muster der zweiten Elektrodenschicht (16) zweite Elemente definiert, die jeweils einen anderen Oberflächenbereich aufweisen, als die ersten Elemente.
Transducer nach Anspruch 10, bei dem das erste Muster ein eindimensionales Array und ein zweites Muster ein mehrdimensionales Array aufweisen.
Transducer nach Anspruch 10, bei dem das erste Muster ein erstes mehrdimensionales Array und das zweite Muster ein zweites mehrdimensionales Array aufweist.
Transducer nach Anspruch 10, bei dem das erste Muster ein erstes eindimensionales Array und das zweite Muster ein zweites eindimensionales Array aufweist.
Transducer nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem ein Elevationslänge von Elementen des ersten Musters sich von einer Elevationslänge der Elemente des zweiten Musters unterscheidet.
Transducer nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem das erste Muster einer halben Wellenlängenbeabstandung zwischen den Elementen entspricht, und das zweite Muster einer Wellenlängenbeabstandung zwischen den Elementen entspricht.
Transducer nach einem der Ansprüche 10 bis 15, ferner mit einer Mehrzahl von Schaltern (32), die mit der ersten und zweiten Elektrodenschicht (14, 16) verbindbar sind, wobei die Mehrzahl der Schalter betreibbar ist, um die erste oder die zweite Elektrodenschicht mit Masse zu verbinden, und um die andere der ersten oder zweiten Elektrodenschicht mit Strahlformerkanälen zu verbinden.
Verfahren zur Verwendung eines Transducerarrays mit unterschiedlichen Elektrodenkonfigurationen, mit den Schritten: (a) Selektives Verbinden der ersten oder der zweiten Elektrode (14, 16) auf ersten oder zweiten sich gegenüberliegenden Seiten einer Transducervorrichtung mit Masse, wobei die ersten Elektroden (14) als ein eindimensionales Array und die zweiten Elektroden als ein mehrdimensionales Array gemustert sind; und (b) Selektives Verbinden der anderen der ersten oder zweiten Elektrode (16) mit Strahlformerkanälen.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Schritt (a) ein Erden der ersten Elektroden des eindimensionalen Arrays und der Schritt (b) das Verbinden der zweiten Elektroden des mehrdimensionalen Arrays mit den Strahlformerkanälen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Schritt (a) ein Erden der zweiten Elektroden des mehrdimensionalen Arrays aufweist, und der Schritt (b) das Verbinden der ersten Elektroden des eindimensionalen Arrays mit den Strahlformerkanälen aufweist.
Ultraschalltransducer für unterschiedliche Elementmuster, mit einer Transducervorrichtung (12); einer ersten Elektrodenschicht (14) auf einer ersten Seite der Transducervorrichtung (12), wobei ein erstes Muster der ersten Elektrodenschicht ein erstes mehrdimensionales Array definiert; und eine zweite Elektrodenschicht (16) auf einer zweiten Seite der Transducervorrichtung (12), wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt, und ein zweites Muster der zweiten Elektrodenschicht ein zweites mehrdimensionales Array definiert, wobei das erste mehrdimensionales Array eine andere Konfiguration von Elektroden aufweist, als die zweite mehrdimensionales Anordnung.