DE3014878A1

DE3014878A1 - Ultraschallwandleranordnung

Info

Publication number: DE3014878A1
Application number: DE19803014878
Authority: DE
Inventors: Ingmar Dipl.-Phys. Feigt; Bertram 8520 Erlangen Sachs
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-04-17
Filing date: 1980-04-17
Publication date: 1981-10-22

Description

Ultraschallwandleranordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallwandleranordnung mit als Wandlerkamm dicht nebeneinander angeordneten Ultraschallschwingern, die zwischen einem Anpassungskörper und einem Dämpfungskörper angeordnet sind und jeweils an eine Steuerleitung angeschlossen und mit einer gemeinsamen Rückleitung versehen sind.
In der medizinischen Diagnostik sowie in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung werden Bilder aus dem Inneren eines zu untersuchenden Körpers mit Hilfe von Ultraschallimpulsen hergestellt, die von an der Oberfläche des Körpers angeordneten Ultraschallwandlern ausgestrahlt werden. Ein elektrischer Generator erzeugt regelbare Hochfrequenzenergie und speist im Behandlungsteil den elektromechanischen Wandler, auch Ultraschallkopf genannt, der üblicherweise auf piezoelektrischer (Quarz) oder auch auf ferroelektrischer Grundlage (Bleititanatzirkonat) arbeitet. Er wandelt die zugeführte elektrische Hochfrequenzenergie in mechanische Ultraschallenergie um. Der Ultraschallkopf wird mit seiner schwingenden Fläche unter Zwischenschalten eines geeigneten Ankopplungsmittels auf die Oberfläche des zu untersuchenden Körpers aufgesetzt. Die vom Ultraschallkopf erzeugte Ultraschallenergie in Form von Longitudinal- bzw. Dichtewellen wird in den Körper eingestrahlt und führt zu periodischen Verdichtungen und VerdUnnungen der Materie in der Ausbreitungsrichtung. Der Ultraschallimpuls löst an den Grenzflächen zwischen den verschiedenen Körperteilen in verschiedenen Tiefen Echos aus, die aufgrund ihrer Laufzeit nacheinander von einem Empfänger aufgenommen werden, der zugleich als Sender verwendet werden kann, und anschließend einer Elektronik zugeführt werden. Durch Verlagerung des Ultraschallkopfes mit der einen Wandlerkamm bildenden linearen Kette von nebeneinander angeordneten Ultraschall-Schwingern kann ein vorbestimmter Bereich des zu untersuchenden Körpers abgetastet werden t"Ultrasonics", Juli 1968, Seiten 153 bis 159).
In einemWandlerkamm für ein Ultraschall-Array oder auch einem Compound-Scanner können die als lineare Kette nebeneinander angeordneten Ultraschallschwinger durch Feinunterteilung in akustisch getrennte Wandlerelemente aufgeteilt werden, von denen jeweils mehrere durch Parallel schaltung und gemeinsame Steuerung eine Gruppe bilden können (DE-PS 28 29 570).
Die Eindringtiefe des Ultraschalls in das zu untersuchende Medium, beispielsweise den menschlichen Körper, nimmt mit wachsender Frequenz exponentiell ab. Zur Untersuchung von Organen in größerer Tiefe verwendet man deshalb zweckmäßig eine andere Wandleranordnung mit niedrigerer Frequenz. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Wandlersystem anzugeben, in dem Wandlerkämme für verschiedene Frequenzen kombiniert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Gestaltungsmerkmale nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1.
In dieser Ultraschallwandleranordnung bilden somit mehrere Arrays von Ultraschallschwingern für verschiedene Frequenzen ein gemeinsames System, das in einem Schallkopf vereinigt ist. Der Anwender kann dann je nach Bedarf durch Umschaltung den Wandlerkamm mit der gewünschten Frequenz auswählen. Für das gemeinsame System mit mehreren Frequenzen kann die gleiche Antennen-Elektronik verwendet werden.
Ferner können in der Anordnung Wandlerkämme mit unterschiedlicher mechanischer Fokussierung der Wandlerelemente vorgesehen sein. In dieser Ausführungsforin wird mit der Auswahl der verschiedenen Frequenzen auch der Fokuspunkt der Einschallung in verschiedene Tiefen gelegt. Die Flachseiten der Wandlerelemente der verschiedenen Wandlerkämme können auch in einem vorbestimmten Winkel zueinander angeordnet sein.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Ultraschallwandleranordnung nach der Erfindung in perspektivischer Darstellung schematisch veranschaulicht ist. Die Figuren2 und 3 zeigen jeweils eine Ausfuhrungsform schematisch als Seitenansicht.
In der Ausführungsform einer Ultraschallwandleranordnung nach Figur 1 sind zwei Arrays 2 und 4 zu einem gemeinsamen System vereinigt, deren Steuerleitungen mit Hilfe eines Umschalters 6 umschaltbar sind. Das Array 2 besteht aus Wandlerelementen 8, die als lineare Kette in Richtung ihrer Breite hintereinanderangeordnet sind, und von denen jeweils beispielsweise 8 eine Gruppe bilden, die in der Figur mit 10 bzw. 12 bezeichnet sind. Die Wandlerelemente 8 sind an ihren oberen und unteren Schmalseiten jeweils mit einer Metallisie rung 14 bzw. 16 versehen. An ihren oberen Schmalseiten sind die Wandlerelemente 8 mit Hilfe eines Leitklebers 18 oder einer geeigneten Lotschicht mit einem Metallband 20 verbunden, das beispielsweise aus Silber besteht hen kann und als gemeinsamer elektrischer Verbindungsleiter fUr die Wandlerelemente 8 dient. Mit Hilfe einer Zwischenschicht 22, die beispielsweise aus einem Kleber bestehen kann und die den Verbindungsleiter 20 einschließt, sind die oberen Schmalseiten der Wandlerelemente 8 mit einem Anpassungskörper 24 verbunden. Die unteren Schmalseiten der Wandlerelemente 8 sind über eine weitere Zwischenschicht 26 mit einer Kontaktfolie 28 verbunden, die wenigstens teilweise aus Metall besteht und mit Hilfe einer weiteren Zwischenschicht -30 an einem Dämpfungskörper 32 befestigt ist. Die Gruppen 10 bzw. 12 der Wandlerelemente sind jeweils mit einem gemeinsamen Anschlußleiter 34 bzw. 36 versehen, die jeweils mit einer Steuerleitung verbunden sind, von denen in der Figur nur eine einzige dargestellt und mit 38 bezeichnet ist. Die Steuerleitung 38 kann beispielsweise in eine Leiterplatte 40 aus elektrisch isolierendem Material eingelegt sein, die auch einen Steueranschluß 42 enthält, der über einen Verbindungsleiter 44 mit dem gemeinsamen Anschlußleiter 20 für die Wandlerelemente 8 verbunden ist.
Die Leiterplatte 42 ist in eine Halterung 46 eingesetzt, die mit einer Klemmleiste 48 verbunden ist.
Diese Klemmleistung enthält auf ihrer linken Innenseite in der Figur nicht sichtbar Anschlußfahnen für einen Kontakt.
Das Array 2 soll beispielsweise für eine Frequenz von 2,5 MHz ausgelegt sein und Wandlerelemente 8 aus piezoelektrischem Material mit einer Höhe von beispielsweise 0,63 mm enthalten. Die Dicke des Anpassungskörpers 24 beträgt etwa ein Viertel der Wellenlänge und kann beispielsweise 0,24 mm betragen. Der Dämpfungskörper 32 kann beispielsweise aus Araldit mit eingelagertem Breioxid bestehen und vorzugsweise noch Streuzentren enthalten und etwa 12 bis 15 mm hoch sein. Die Streuzentren des Dämpfungskörpers 32 können beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen.
Das benachbarte Array 4 ist in gleicher Weise wie das Array 2 aufgebaut und soll beispielsweise für eine Frequenz von 5 M)lz ausgelegt sein. Die Höhe der Wandlerelemente, die in der Figur mit 52 bezeichnet sind, beträgt dann beispielsweise etwa 0,27 mm und die Dicke des mit 54 bezeichneten Anpassungskörpers ist dann ebenfalls etwas geringer und soll beispielsweise 0,15 mm betragen. Diese geringen Höhenunterschiede werden dann durch einen etwas höheren Dämpfungskörper ausgeglichen, der in der Figur mit 56 bezeichnet ist.
Ein gemeinsamer Rückleiter 58 für die Wandlerelemente 52 ist über einen Verbindungsleiter 62, der gegen elektrisch leitende Teile des Arrays 4 isoliert ist, an eine Leiterplatte 64 geführt, die in einer Halterung 66 eingesetzt ist. Die in der Figur nicht dargestellten elektrischen Anschlußleiter für die Steuerleitungen der Wandlerelemente 52 sind an die rechte Seitenwand einer Klemmleiste 68 geführt. Durch Bewegung einer Kontaktleiste 76 des Umschalters 6 in der durch einen Doppelpfeil 78 angedeuteten Richtung können wahlweise die Kontakte 74 des Umschalters 6, von denen in der Figur lediglich drei angedeutet sind, mit den entsprechenden Anschlußkontakten der Klemmleisten 48 oder 68 in Kontakt gebracht und dadurch die Wandlerelemente 8 des Arrays 2 bzw. die Wandlerelemente 52 des Arrays 4 mit ihrer in der Figur nicht dargestellten Elektronik verbunden und dadurch wahlweise das eine oder andere Array eingeschaltet werden. Zur Rückbewegung des Umschalters 6 sollen beispielsweise Federn vorgesehen sein, von denen in der Figur lediglich eine angedeutet und mit 82 bezeichnet ist, die dann als gemeinsamer elektrischer Anschlußleiter für die Wandlerelemente aller Schwinger dienen kann.
Der Zwischenraum 84 zwischen den beiden Wandlerkämmen 2 und 4 kann zweckmäßig ausgefüllt sein, beispielsweise mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff. Ferner können die beiden Wandlerkämme 2 und 4 mit einer in der Figur nicht dargestellten Abdeckung versehen sein, die zugleich eine seitliche Umhüllung für die beiden Kämme bilden kann.
In der Ausführungsform nach Figur 2 sind die-Wandlerkämme 2 und 4 mit einem vorbestimmten Neigungswinkel gegeneinander auf einem gemeinsamen Dämpfungskörper 86 angeordnet. In dieser Ausführungsform wird das gesamte System durch die Neigung der Wandlerkämme 2 und 4 entsprechend schmaler.
In der Ausführungsform einer Ultraschallwandleranordnung nach Figur 3 sind zwei Wandlerkämme 2 und 4 mit verschiedener mechanischer Fokussierung auf jeweils einem getrennten Dämpfungskörper angeordnet, die in der Figur mit 88 bzw. 90 bezeichnet sind. In dieser Ausführungsform erhält man durch verschiedene Fokussierung entsprechend abweichende Tiefen des Fokussierungspunktes in dem zu untersuchenden Körper.
5 Patentansprüche 3 Figuren

Claims

PatentansprUche 1. Ultraschallwandleranordnung mit als Wandlerkamm dicht nebeneinander angeordneten Wandlerelementen, die zwischen einem Anpassungskörper und einem Dämpfungskörper angeordnet sind und Jeweils an eine Steuerleitung angeschlossen und mit einer gemeinsamen RUckleitung versehen sind, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß mindestens zwei Wandlerkämme (2, 4) von Wandlerelementen (8 bzw. 52) für unterschiedliche Frequenzen parallel nebeneinander angeordnet sind und daß die Steuerleitungen (38, 44, 62) der Wandlerelemente (8, 52) Jeder der beiden Wandlerkämme (2, 4) mit einer Umschaltung (6) versehen sind.
2. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, bei der die Steuerleitungen der Wandlerelemente der Wandlerkämme jeweils von einer gemeinsamen Leiterplatte zugeführt und mit einer Schmalseite der Wandlerelemente verbunden sind, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die gegentiberliegende Schmalseite der Wandlerelemente (8, 52) jedes der Wandlerkämme (2 bzw. 4) an den gemeinsamen Rückleiter (44 bzw.

62) angeschlossen sind, der mit einer zusätzlichen Leiterbahn der Leiterplatte (42 bzw. 64) verbunden ist.
3. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine bewegliche Kontaktleiste (76) vorgesehen ist, die zwischen den zusätzlichen Leiterbahnen (48, 68) der beiden Leiterplatten (42 bzw. 64) umschaltbar ist.
4. Ultraschallwandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die gemeinsamen Ebenen der Schmalseiten der Wandler- elemente (8, 52) der beiden Wandlerkämme (2 bzw. 4) in einem vorbestimmten Winkel zueinander angeordnet sind (Fig. 2).
5. Ultraschallwandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g e k e n n z e i c h n e t durch eine unterschiedliche Xechanische Fokussierung der Wandlerelemente (8, 52) der beiden Wandlerkämme (2 bzw. 4) (Fig. 3).