DE3588128T2

DE3588128T2 - Ultrasonic transducers for medical diagnostics

Info

Publication number: DE3588128T2
Application number: DE19853588128
Authority: DE
Inventors: Masami Kawachui; Fumio Muramatsu
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1984-08-30
Filing date: 1985-08-30
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2005-08-31
Also published as: EP0174167A2; EP0174167A3; EP0455273A2; EP0455273A3; DE3588128D1; EP0455273B1

Description

Diese Erfindung betrifft Ultraschallsonden zur Verwendung in Ultraschalldiagnosesystemen, und insbesondere betrifft sie Ultraschallsonden zum Erzeugen von mechanischen Sektorabtastungen an einem abzutastenden Objekt.This invention relates to ultrasonic probes for use in ultrasound diagnostic systems, and more particularly, it relates to ultrasonic probes for producing mechanical sector scans on an object to be scanned.

Auf dem Gebiet der Medizin sind Ultraschalldiagnosesysteme in den letzten Jahren in großem Umfang verwendet worden. Die Ultraschalldiagnosesysteme verwenden eine Vielfalt von Ultraschallwandlern. Ein Beispiel dafür ist die Sonde eines mechanischen Sektorabtasttyps (im folgenden als "MSP" bezeichnet; Mechanical Sector Probe), deren piezoelektrische Wandleranordnung gedreht oder geschwenkt wird, um ein Ultraschallbild in einer Sektorabtastart zu erhalten, was wohlbekannt ist.In the medical field, ultrasonic diagnostic systems have been widely used in recent years. The ultrasonic diagnostic systems use a variety of ultrasonic transducers. One example is a mechanical sector scan type probe (hereinafter referred to as "MSP") whose piezoelectric transducer array is rotated or swung to obtain an ultrasonic image in a sector scan type, which is well known.

Andererseits ist es bekannt, daß die von dem Ultraschalldiagnosesystem erhaltene Diagnoseinformation in einen 2D-Modus, einen M-Modus und einen Dopplermodus gemäß dem Anzeigeverfahren oder den erhaltenen Signalen eingeteilt wird.On the other hand, it is known that the diagnostic information obtained by the ultrasound diagnostic system is classified into a 2D mode, an M mode and a Doppler mode according to the display method or the obtained signals.

In dem 2D-Modus werden durch die Ultraschallwandler empfangene Ultraschallpulssignale auf eine Anzeigevorrichtung als eine Abtastlinie mit einer Helligkeitsmodulation angezeigt. Die Abtastlinie wird Schritt für Schritt gemäß den empfangenen Ultraschallpulssignalen verschoben, um ein Querschnittsbild des Objekts zu erhalten. Wenn die Verschiebung der Abtastlinie bei hoher Geschwindigkeit ausgeführt wird, wird ein Echtzeitquerschnittsbild des Objekts, wie eines menschlichen Körpers, beobachtet.In the 2D mode, ultrasonic pulse signals received by the ultrasonic transducers are displayed on a display device as a scanning line with brightness modulation. The scanning line is shifted step by step according to the received ultrasonic pulse signals to obtain a cross-sectional image of the object. When the shift of the scanning line is carried out at high speed, a real-time cross-sectional image of the object such as a human body is observed.

In dem M-Modus wird eine Ultraschallwelle übertragen und an einer vorbestimmten Position empfangen, und das empfangene Signal wird als ein Helligkeitsmodulationssignal in Beziehung zu einer Zeitveränderung angezeigt.In the M mode, an ultrasonic wave is transmitted and received at a predetermined position, and the received signal is displayed as a brightness modulation signal in relation to a time change.

Der Doppiermodus ist ein Modus, der dazu verwendet wird, das Freguenzspektrum und/oder die Geschwindigkeit von sich in dem Raum des Objekts fortbewegendem Material durch Empfang eines Ultraschallsignals, das durch die Geschwindigkeit des sich bewegenden Materials doppierverschoben oder frequenzmoduliert ist, zu erhalten. Ein Dauerbetriebdoppler (im folgenden "CW- Doppler" genannt), der ein Dauerbetriebultraschallsignal verwendet, weist den Vorteil auf, daß ein Nachweis von sich mit hoher Geschwindigkeit bewegendem Material möglich ist, jedoch auch den Nachteil, daß Information eines bestimmten Gebiets nicht aufnehmbar ist. Andererseits weist der Pulsdopplermodus, bei dem gepulste Ultraschallsignale verwendet werden, den Vorteil auf, daß ein Informationsnachweis für einen bestimmten Bereich möglich ist. Dieser weist jedoch eine geringe Nachweisfähigkeit für sich bei hoher Geschwindigkeit bewegendes Material auf. Deshalb werden der CW-Doppler und der Puls- Doppler für die entsprechende Anwendung ausgewählt.The Doppler mode is a mode used to obtain the frequency spectrum and/or the speed of material moving in the space of the object by receiving an ultrasonic signal that is Doppler shifted or frequency modulated by the speed of the moving material. A continuous-mode Doppler (hereinafter referred to as "CW Doppler") using a continuous-mode ultrasonic signal has the advantage that detection of material moving at high speed is possible, but also has the disadvantage that information of a specific area cannot be recorded. On the other hand, the pulse Doppler mode using pulsed ultrasonic signals has the advantage that information detection of a specific area is possible. However, it has a low detection ability for material moving at high speed. Therefore, the CW Doppler and the pulse Doppler are selected for the corresponding application.

Bei herkömmlichen mechanischen Sektorsonden (MSP) werden ein 2D-Modus, ein M-Modus und ein Puls-Dopplermodus mit einer mechanischen Sektorsonde erhalten unter Verwendung einer Übertragungs- und Empfangsschaltung, die sowohl für den 2D-Modus als auch den M-Modus und den Pulsdopplermodus geeignet ist. Andererseits kann Information mit dem CW-Dopplermodus nicht mit einer mechanischen Sektorsonde erhalten werden, und es eine ausschließlich für den CW-Doppler geeignete Sonde notwendig. In diesem Fall ist ein umständlicher Betrieb unvermeidbar, da zwei Sonden für die mechanische Sektorsonde und den CW-Doppler verwendet werden müssen. Auch wenn die beiden Sonden aneinander angebracht sind, wird die Größe der Sonde sehr groß, und die Kontaktoberfläche mit dem Objekt (dies wird Abdruck (foot print) genannt) wird breit. Die breite Kontaktoberf läche führt oft zu Schwierigkeiten beim Erhalt notwendiger Information zur genauen Diagnose eines bestimmten betroffenen Teils des menschlichen Körpers.In conventional mechanical sector probes (MSP), a 2D mode, an M mode and a pulse Doppler mode are obtained with a mechanical sector probe using a transmission and reception circuit suitable for both the 2D mode, the M mode and the pulse Doppler mode. On the other hand, information with the CW Doppler mode cannot be obtained with a mechanical sector probe, and a probe suitable exclusively for the CW Doppler is necessary. In this case, cumbersome operation is unavoidable because two probes must be used for the mechanical sector probe and the CW Doppler. Even if the two probes are attached to each other, the size of the probe becomes very large and the contact surface with the object (this is called a foot print) becomes wide. The wide contact surface often leads to difficulty in obtaining necessary information for accurate diagnosis of a specific affected part of the human body.

Mittlerweile verwendet eine herkömmliche mechanische Sektorsonde im allgemeinen eine Vielzahl von piezoelektrischen Vibratoren mit einer gewissen Krümmung und einem Öffnungsbereich zur Übertragung und zum Empfang konvergierter Ultraschallstrahlen. Dabei ist die Konvergenz der Ultraschallstrahlen unterschiedlich entlang der Tiefe des Objekts. Deshalb ist die Auflösung an einem Punkt in der Nähe der Oberfläche des Objekts und an einem weit von der Oberfläche des Objekts entfernten Punkt verringert, wenn ein dicker Ultraschallstrahl verwendet wird. Insbesondere die Verschlechterung der Auflösung in dem von der Oberfläche des Objekts entfernten Gebiet ist ein ernsthaftes, in den herkömmlichen, mechanischen Sektorsonden zu lösendes Problem.Meanwhile, a conventional mechanical sector probe generally uses a plurality of piezoelectric vibrators having a certain curvature and an aperture area to transmit and receive converged ultrasonic beams. The convergence of the ultrasonic beams is different along the depth of the object. Therefore, the resolution at a point near the surface of the object and at a point far from the surface of the object is reduced when a thick ultrasonic beam is used. In particular, the deterioration of the resolution in the area far from the surface of the object is a serious problem to be solved in the conventional mechanical sector probes.

Die Japanische Patentveröffentlichung Nr. 57-34442 offenbart eine Ultraschallsonde mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, bei der das Halterungsteil gedreht wird. Die DE- A-3045623 offenbart ebenfalls eine Ultraschallsonde mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, bei der das Halterungsteil geschwenkt wird. Die Japanischen Patentzusammenfassungen, Band 7, Nr. 245, vom 29.10.83, offenbaren Schallwellenkonverter, die konzentrisch angeordnet sind und unterschiedliche Öffnungsgebiete aufweisen. Gemäß der Zunahme des Öffnungsgebiets wird auch die Brennweite erhöht.Japanese Patent Publication No. 57-34442 discloses an ultrasonic probe having the features of the preamble of claim 1, in which the support member is rotated. DE-A-3045623 also discloses an ultrasonic probe having the features of the preamble of claim 1, in which the support member is pivoted. Japanese Patent Abstracts, Volume 7, No. 245, dated October 29, 1983, discloses sound wave converters which are arranged concentrically and have different aperture areas. According to the increase in the aperture area, the focal length is also increased.

DISCLOSURE OF THE INVENTION

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mechanische Sektorabtastsonde zu schaffen, die mit allen Betriebsweisen des 2D-Modus, des M-Modus, des CW-Dopplers und Puls-Dopplermodus mit einer mechanischen Sektorabtastsonde zurechtkommen kann.It is therefore an object of the present invention to provide a mechanical sector scan probe that can cope with all of the 2D mode, M mode, CW Doppler and pulse Doppler mode operations with a mechanical sector scan probe.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Auf lösungskraft in einem nahen und fernen Bereich von der Oberfläche des Objekts zu verbessern.It is a further object of the present invention to improve the resolving power in a near and far range from the surface of the object.

Erfindungsgemäß wird eine Ultraschallsonde geschaffen mit: einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementen, die auf einem Halterungsteil angebracht sind,According to the invention, an ultrasonic probe is provided with: a plurality of piezoelectric elements mounted on a support member,

einer Vorrichtung zum Drehen oder Schwingen des Halterungsteils,a device for rotating or swinging the supporting part,

einem Behälter zum Aufnehmen des Halterungsteils mit Ultraschallwellenübertragungsmaterial, unda container for holding the holding part with ultrasonic wave transmission material, and

einem in dem Behälter vorgesehenen akustischen Fenster,an acoustic window provided in the container,

wobei die Vielzahl von piezoelektrischen Elementen unterschiedliche fokale Längen zueinander aufweisen;wherein the plurality of piezoelectric elements have different focal lengths from each other;

dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente unterschiedliche Aperturen zueinander derart aufweisen, daß die Apertur umso kleiner ist, je kürzer die fokale Länge ist;characterized in that the piezoelectric elements have different apertures from one another such that the aperture is smaller the shorter the focal length is;

und daß die Sonde weiter die gleiche Anzahl von Drehwandlern wie piezoelektrische Elemente aufweist, wobei jeder der Drehwandler mit einem der piezoelektrischen Elemente gekoppelt ist und eine Drehspule umfaßt, die an der Oberfläche des Halterungsteils vorgesehen ist, und eine feste Spule, die gegenüberliegend zu der Drehspule vorgesehen ist, sowie Mittel zum Anpassen der Lage des Halterungsteils in seiner axialen Richtung.and that the probe further comprises the same number of rotary transducers as piezoelectric elements, each of the rotary transducers being coupled to one of the piezoelectric elements and comprising a rotary coil provided on the surface of the support member and a fixed coil provided opposite to the rotary coil, and means for adjusting the position of the support member in its axial direction.

Die unterteilten piezoelektrischen Vibratoren sind elektrisch verbunden oder getrennt gemäß dem 2D-Modus, dem M-Modus, dem CW-Dopplermodus und dem Puls-Modus.The divided piezoelectric vibrators are electrically connected or separated according to 2D mode, M mode, CW Doppler mode and pulse mode.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Die vorliegende Erfindung wird nun in bezug auf die begleitenden Zeichnungen im einzelnen erläutert und beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:The present invention will now be explained and described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings:

Fig. 1 eine schematische Innenseitenansicht einer für die vorliegende Erfindung geeigneten mechanischen Sektorabtastsonde (MSP);Fig. 1 is a schematic inside view of a mechanical sector scanning probe (MSP) suitable for the present invention;

Fig. 2 eine Querschnittsseitenansicht eines Drehwandlerabschnitts der MSP der Figur 1;Fig. 2 is a cross-sectional side view of a rotary converter portion of the MSP of Fig. 1;

Fig. 3 einen Äquivalentschaltkreis der MSP der Figur 1;Fig. 3 shows an equivalent circuit of the MSP of Figure 1;

Fig. 4 eine schematische Innenseitenansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen MSP;Fig. 4 is a schematic inside view of a first embodiment of the MSP according to the invention;

Fig. 5a und 5b Vorderseitenansichten von erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern;Fig. 5a and 5b front views of ultrasonic transducers according to the invention;

Fig. 6 eine schematische Innenseitenansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen MSP;Fig. 6 is a schematic inside view of a second embodiment of the MSP according to the invention;

Fig. 7a und 7b Seitenansichten eines für die MSP der Figur 6 geeigneten Rotors;Fig. 7a and 7b side views of a rotor suitable for the MSP of Figure 6;

Fig. 8 eine schematische Innenseitenansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen MSP;Fig. 8 is a schematic inside view of a third embodiment of the MSP according to the invention;

Fig. 9a und 9b Seitenansichten von durch die MSP der Figur 8 erhaltenen Ultraschallstrahlen;Fig. 9a and 9b are side views of ultrasonic beams obtained by the MSP of Fig. 8;

Fig. 10a und 10b Seitenansichten von Ultraschallstrahlen der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen MSP; undFig. 10a and 10b side views of ultrasonic beams of the fourth embodiment of the MSP according to the invention; and

Fig. 11 und 12 Querschnittsseitenansichten von für die erfindungsgemäße MSP geeigneten Drehwandlern.Fig. 11 and 12 cross-sectional side views of rotary converters suitable for the MSP according to the invention.

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Es wird nun auf die Figuren 1 und 2 Bezug genommen. Es sind piezoelektrische Vibratoren 20a, 20b und 20c an einem Halterungsteil 14 angebracht, das um eine Achse 4 drehbar ist, die durch ein Lager 40 gehaltert ist. An einem Ende der Achse 40 ist eine Riemenscheibe 60 vorgesehen zum Übertragen einer Drehung eines Motor 5 an das Halterungsteil 14 über eine weitere Riemenscheibe 80 und einen Riemen 6. An beiden Seiten des Halterungsteils 14 sind Drehspulen 30b und 31b eingebettet oder angebracht. Eine fixierte Spule 30a ist an einer inneren Seitenwand eines Behälters 2 in gegenüberliegender Beziehung zu der Drehspule 30b eingebettet oder angebracht. Auf die gleiche Weise ist eine fixierte Spule 31a an einer inneren Oberfläche eines Gehäuses 55 in gegenüberliegender Beziehung zu der Drehspule 30b vorgesehen. An einer Seitenwand der Riemenscheibe 60 ist eine dritte Drehspule 32b vorgesehen, die einer fixierten Spule 32a, die an einer weiteren Oberfläche des Gehäuses 55 angebracht ist, gegenüberliegend ist. Die fixierten Spulen 30a, 31a, 32a und die Drehspulen 30b, 31b, 32b sind spiralförmig ausgebildet. Das Bezugszeichen 33 bezeichnet einen Magnetkern. Ein Satz mit der fixierten Spule 30a, der Drehspule 30b und dem Magnetkern 33 bildet einen ersten Drehwandler eines flachen Typs. Auf die gleiche Weise bildet ein Satz mit der fixierten Spule 31a, der Drehspule 31b und dem Magnetkern 33 und ein Satz mit der fixierten Spule 32a, der Drehspule 32b und dem Magnetkern 33 einen zweiten und dritten Drehwandler eines flachen Typs. Jeder Drehwandler ist mit den sich drehenden piezoelektrischen Vibratoren 20a, 20b und 20c in kontaktfreier Beziehung elektrisch gekoppelt. Die Magnetkerne 33 sind aus magnetischem Material wie Ferrit hergestellt, um die Effizienz des Drehwandlers zu verbessern und um elektromagnetische Interferenz zwischen jedem der Drehwandler zu unterdrücken.Referring now to Figures 1 and 2, piezoelectric vibrators 20a, 20b and 20c are mounted on a support member 14 which is rotatable about an axis 4 supported by a bearing 40. At one end of the axis 40, a pulley 60 is provided for transmitting rotation of a motor 5 to the support member 14 via another pulley 80 and a belt 6. On both sides of the support member 14, rotary coils 30b and 31b are embedded or mounted. A fixed coil 30a is embedded or mounted on an inner side wall of a container 2 in opposing relation to the rotary coil 30b. In the same way, a fixed coil 31a is provided on an inner surface of a casing 55 in opposing relation to the rotary coil 30b. On a side wall of the pulley 60, a third rotating coil 32b is provided, which is opposed to a fixed coil 32a attached to another surface of the housing 55. The fixed coils 30a, 31a, 32a and the rotating coils 30b, 31b, 32b are formed in a spiral shape. Reference numeral 33 denotes a magnetic core. A set including the fixed coil 30a, the rotating coil 30b, and the magnetic core 33 constitutes a first flat-type rotary converter. In the same way, a set including the fixed coil 31a, the rotating coil 31b, and the magnetic core 33 and a set including the fixed coil 32a, the rotating coil 32b, and the magnetic core 33 constitute second and third flat-type rotary converters. Each rotary transducer is electrically coupled to the rotating piezoelectric vibrators 20a, 20b and 20c in a non-contact relationship. The magnetic cores 33 are made of magnetic material such as ferrite to improve the efficiency of the rotary transducer and to suppress electromagnetic interference between each of the rotary transducers.

Die elektromagnetische Interferenz zwischen den Drehwandlern wird weiter durch Vorsehen von Abschirmplatten 34 aus magnetischem Material wie permalloy zwischen den Drehwandlern unterdrückt. Wenn die fixierten Spulen 30a, 31a, 32a und die Drehspulen 30b, 31b, 32b auf solche Weise vorgesehen sind, daß sie an den Oberflächen der entsprechenden Teile eingebettet sind, beeinflußt die Dicke der Drehwandler nicht die Größe des Behälters 2 und des Gehäuses 55.The electromagnetic interference between the rotary transducers is further suppressed by providing shield plates 34 made of magnetic material such as permalloy between the rotary transducers. When the fixed coils 30a, 31a, 32a and the rotary coils 30b, 31b, 32b are provided in such a manner that they are embedded on the surfaces of the respective parts, the thickness of the rotary transducers does not affect the size of the container 2 and the casing 55.

Das Halterungsteil 14 wird durch den Motor 5 über die Riemenscheibe 80, den Riemen 6 und die Riemenscheibe 60 gedreht. Der Motor 5 wird durch eine Drehsteuerung 7 so gesteuert, daß eine konstante Drehung aufrechterhalten wird. Die piezoelektrischen Vibratoren 20a, 20b und 20c sind an einer Außenseitenfläche des Halterungsteils 14 unter gleichwinkliger Beziehung von 120º vorgesehen, und jeder piezoelektrische Vibrator tastet jeweils einen Sektorbereich von 90º ab. Jeder piezoelektrische Vibrator weist ein- oder mehrschichtige akustisch angepaßte Schichten zur Anpassung an eine akustische Impedanz zu dem Objekt auf gemäß den fallspezifischen Erfordernissen. Die Induktivität der Drehwandler ist ebenfalls an die Impedanz der piezoelektrischen Vibratoren 20a, 20b und 20c angepaßt zum Anheben der Effizienz der Übertragung und des Empfangs von Ultraschallwellen.The support member 14 is rotated by the motor 5 via the pulley 80, the belt 6 and the pulley 60. The motor 5 is controlled by a rotation controller 7 so as to maintain a constant rotation. The piezoelectric vibrators 20a, 20b and 20c are provided on an outer side surface of the support member 14 in an equiangular relationship of 120°, and each piezoelectric vibrator scans a sector area of 90°, respectively. Each piezoelectric vibrator has single or multi-layer acoustically matched layers for matching an acoustic impedance to the object according to the specific requirements of the case. The inductance of the rotary transducers is also matched to the impedance of the piezoelectric vibrators 20a, 20b and 20c to increase the efficiency of transmission and reception of ultrasonic waves.

Es wird nun auf die Figur 3 Bezug genommen. Wenn der piezoelektrische Vibrator 20a zu einer vorbestimmten Position entsprechend dem Objekt gedreht wird, wird ein Pulssignal an die fixierte Spule 30a geliefert, um den piezoelektrischen Vibrator 20a anzuregen. Das Pulssignal wird sofort in der Drehspule 30b durch elektromagnetische Induktion induziert und regt den piezoelektrischen Vibrator 20a an. Als Folge erzeugt der piezoelektrische Vibrator 20a einen gepulsten Ultraschallstrahl. Der gepulste Ultraschallstrahl wird zu dem Objekt durch den Behälter 2 hindurch emittiert, der mit einem Ultraschallwellenausbreitungsmaterial 3 gefüllt ist. Ein reflektierter Strahl, der durch den Unterschied der akustischen Impedanz des Objekts erhalten wird, wird von dem piezoelektrischen Vibrator 20a entlang eines umgekehrten Wegs empfangen. Das empfangene Signal wird an die fixierte Spule 30a über die Drehspule 30b durch elektromagnetische Induktion übertragen und einem Signalprozessor über ein Kabel 110 bereitgestellt. In dem Signalprozessor wird das empfangene Signal bearbeitet und als ein Helligkeitssignal einer Abtastlinie einer Kathodenstrahlröhre angezeigt. Auf die gleiche Weise führen die piezoelektrischen Vibratoren 20b und 20c einen Sektorabtastbetrieb in einem 90º Sektor aus.Referring now to Figure 3, when the piezoelectric vibrator 20a is rotated to a predetermined position corresponding to the object, a pulse signal is supplied to the fixed coil 30a to excite the piezoelectric vibrator 20a. The pulse signal is immediately induced in the rotating coil 30b by electromagnetic induction and excites the piezoelectric vibrator 20a. As a result, the piezoelectric vibrator 20a generates a pulsed ultrasonic beam. The pulsed ultrasonic beam is emitted to the object through the container 2 filled with an ultrasonic wave propagation material 3. A reflected beam obtained by the difference in acoustic impedance of the object is received by the piezoelectric vibrator 20a along a reverse path. The received signal is transmitted to the fixed coil 30a through the rotating coil 30b by electromagnetic induction and provided to a signal processor through a cable 110. In the signal processor, the received signal is processed and displayed as a brightness signal of a scanning line of a cathode ray tube. In the same way, the piezoelectric vibrators 20b and 20c perform a sector scanning operation in a 90° sector.

Das Halterungsteil 14 dreht sich unter einer Drehgeschwindigkeit von 10 Umdrehungen pro Sekunde und die piezoelektrischen Vibratoren 20a, 20b und 20c werden sequentiell zur Anregung ausgewählt durch Schalten der fixierten Spulen 30a, 31a und 32a mit einer Halbleiterschaltvorrichtung 90, die in dem Signalprozessor vorgesehen ist, gemäß der relativen Position des piezoelektrischen Vibrators 20a, 20b und 20c zu dem Objekt. Als Folge davon werden 30 Einzelbilder eines Schnittbilds eines Sektorabtasttyps pro Sekunde erhalten.The support member 14 rotates at a rotational speed of 10 revolutions per second, and the piezoelectric vibrators 20a, 20b and 20c are sequentially selected for excitation by switching the fixed coils 30a, 31a and 32a with a semiconductor switching device 90 provided in the signal processor according to the relative position of the piezoelectric vibrators 20a, 20b and 20c to the object. As a result, 30 frames of a sector scan type sectional image are obtained per second.

Es wird nun auf die Figur 4 Bezug genommen. Ein Ultraschallwellenübertragungs- und -empfangteil 1 umfaßt einen piezoelektrischen Vibrator, eine akustische Impedanzanpassungsschicht und ein zurückgehendes Lastglied, die in einem einstückigen Schichtstapel ausgebildet sind. Der piezoelektrische Vibrator oder sowohl der piezoelektrische Vibrator als auch die akustische Impedanzanpassungsschicht sind mechanisch oder elektrisch, wie in den Figuren 5a und 5b gezeigt, in zwei Bereiche durch ein Schallwellenpufferteil 11 unterteilt, das beispielsweise aus Silikongummi hergestellt ist, um eine akustische Kopplung zwischen den beiden abgetrennten Bereichen zu verringern. Der Ultraschallwellenübertragungs- und -empfangsteil 1 der Figur 4 verwendet die in der Figur 5a gezeigte Anordnung. Wenn kein akustisches Übersprechen auftritt, ist es möglich, daß nur die Elektrode des piezoelektrischen Vibrators unterteilt ist, wie in den Figuren 5a und 5b dargestellt ist. Das somit erhaltene Ultraschallwellenübertragungs- und empfangsteil 1 ist in dem Behälter 2 gelegen, der ein akustisches Fenster aus Harz wie Polymethylpenten mit einer zu dem menschlichen Körper angepaßten akustischen Impedanz aufweist. Der Behälter 2 ist mit dem Ultraschallwellenausbreitungsmaterial 3 wie entgastem Wasser oder Butandiol gefüllt. Das Ultraschallübertragungs- und -empfangsteil 1 wird um die Achse 4 durch einen Riemen oder eine Antriebskette 6 geschwenkt, die durch einen Motor 5 angetrieben wird. Der Motor 5 steht mit einer Steuerung 7 mit einem Riemen oder einem Getriebe 8 in Verbindung, um die Drehgeschwindigkeit des Motors 5 auf einen vorbestimmten Wert anzupassen. Die Steuerung 7 ist eine Vorrichtung wie ein Drehencoder oder ein Potentiometer. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet ein Gehäuse für die MSP. In dieser Ausführungsform ist ein Leitungsdraht 10a mit einer gemeinsamen Elektrode des piezoelektrischen Vibrators verbunden, ein Leitungsdraht 10b mit einer Elektrode des piezoelektrischen Vibrators I, und ein Leitungsdraht 10c mit einer Elektrode des piezoelektrischen Vibrators O. Die Leitungsdrähte 10a, 10b und 10c werden durch eine Halbleiterschaltvorrichtung in einer Signalverarbeitungs- und Anzeigevorrichtung gemäß der anzuzeigenden Betriebsweise geschaltet. Wenn der 2D-Modus, der M-Modus oder der Puls-Dopplermodus angezeigt wird, werden die Leitungsdrähte 10b und 10c gemeinsam verbunden. Wenn andererseits der CW- Dopplermodus angezeigt wird, wird einer der Leitungsdrähte 10b und 10c ausschließlich zur Ultraschallwellenübertragung verwendet und der andere ausschließlich zum Ultraschallwellenempfang. Wenn die Leitungsdrähte 10b und 10c gemeinsam verbunden verwendet werden, beeinflußt der Pufferbereich 11 das Schallfeld nicht, da der Pufferbereich 11 ein sehr kleines Gebiet aufweist, das 30 bis 100mal kleiner ist als das des unterteilten Ultraschallübertragungs- und -empfangsteils.Referring now to Figure 4, an ultrasonic wave transmitting and receiving part 1 comprises a piezoelectric vibrator, an acoustic impedance matching layer and a returning load member formed in an integral layer stack. The piezoelectric vibrator or both the piezoelectric vibrator and the acoustic impedance matching layer are mechanically or electrically divided into two regions by an acoustic wave buffer member 11 made of, for example, silicone rubber, as shown in Figures 5a and 5b, to reduce acoustic coupling between the two separated regions. The ultrasonic wave transmitting and receiving part 1 of Figure 4 uses the arrangement shown in Figure 5a. If no acoustic crosstalk occurs, it is possible that only the electrode of the piezoelectric vibrator is divided as shown in Figures 5a and 5b. The The ultrasonic wave transmitting and receiving part 1 thus obtained is located in the container 2 having an acoustic window made of resin such as polymethylpentene having an acoustic impedance matched to the human body. The container 2 is filled with the ultrasonic wave propagation material 3 such as degassed water or butanediol. The ultrasonic transmitting and receiving part 1 is pivoted about the axis 4 by a belt or a drive chain 6 driven by a motor 5. The motor 5 is connected to a controller 7 having a belt or a gear 8 to adjust the rotation speed of the motor 5 to a predetermined value. The controller 7 is a device such as a rotary encoder or a potentiometer. Reference numeral 9 denotes a housing for the MSP. In this embodiment, a lead wire 10a is connected to a common electrode of the piezoelectric vibrator, a lead wire 10b to an electrode of the piezoelectric vibrator I, and a lead wire 10c to an electrode of the piezoelectric vibrator O. The lead wires 10a, 10b, and 10c are switched by a semiconductor switching device in a signal processing and display device according to the mode to be displayed. When the 2D mode, the M mode, or the pulse Doppler mode is displayed, the lead wires 10b and 10c are connected in common. On the other hand, when the CW Doppler mode is displayed, one of the lead wires 10b and 10c is used exclusively for ultrasonic wave transmission and the other is used exclusively for ultrasonic wave reception. When the lead wires 10b and 10c are used connected together, the buffer portion 11 does not affect the sound field because the buffer portion 11 has a very small area which is 30 to 100 times smaller than that of the divided ultrasonic transmission and reception part.

Die Figur 6 stellt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. In der Figur 6 sind ein Ultraschallwellenübertragungs und -empfangsteil 1, ein Behälter 2 mit einem akustischen Fenster, ein Ultraschallwellenausbreitungsmaterial 3, eine Drehachse 4, ein Motor 5, ein Rieinen oder eine Antriebskette 6, eine Steuerung 7 und ein Gehäuse 9 gleich zu den entsprechenden Teilen nach der Figur 4. Die Bezugszeichen 12, 13 und 14 bezeichnen jeweils eine Signalübertragungsvorrichtung, ein Verbindungskabel und ein Halterungsteil. Die MSP nach der Figur 6 ist im wesentlichen zu der nach der Figur 1 gleich, mit der Ausnahme des unterteilten Ultraschallwellenübertragungs und -empfangsteils 1. Das Ultraschallwellenübertragungs- und -empfangsteil 1 basiert auf dem in den Figuren 5a und 5b gezeigten Aufbau, wobei jedoch andere verschiedene Abwandlungen verwendet werden können.Figure 6 shows a second embodiment of the present invention. In Figure 6, an ultrasonic wave transmitting and receiving part 1, a container 2 with an acoustic window, an ultrasonic wave propagation material 3, a rotary shaft 4, a motor 5, a belt or drive chain 6, a controller 7 and a housing 9 are the same as the corresponding parts in Fig. 4. Reference numerals 12, 13 and 14 denote a signal transmission device, a connecting cable and a support member, respectively. The MSP of Fig. 6 is substantially the same as that of Fig. 1, except for the divided ultrasonic wave transmission and reception part 1. The ultrasonic wave transmission and reception part 1 is based on the structure shown in Figs. 5a and 5b, but other various modifications may be used.

Die Figur 7a stellt ein Beispiel des Ultraschallwellenübertragungs- und -empfangsteils der Figur 6 dar. Das Halterungsteil 14 weist einen gleichsam dreieckigen Querschnitt auf jeder der ebenen Oberflächen auf, an denen einer der drei Ultraschallwellenübertragungs- und -empfangsteile 1, die jeweils den in den Figuren 5a gezeigten Aufbau haben, angeordnet ist. In diesem Fall sind sechs Signalübertragungsleitungen und eine Erdungsleitung mit der Signalprozessor- und Anzeigevorrichtung durch die Signalübertragungsvorrichtung 12 verbunden. Die Signalübertragungsvorrichtung 12 wird mit einem Drehwandler ausgebildet, der zu den zuvor beschriebenen gleich ist, oder bei dem es sich um einen Schleifring handelt.Figure 7a shows an example of the ultrasonic wave transmitting and receiving part of Figure 6. The support part 14 has a quasi-triangular cross section on each of the flat surfaces on which one of the three ultrasonic wave transmitting and receiving parts 1 each having the structure shown in Figures 5a is arranged. In this case, six signal transmission lines and one ground line are connected to the signal processing and display device through the signal transmission device 12. The signal transmission device 12 is formed with a rotary converter which is the same as those described above or which is a slip ring.

Die Figur 7b ist ein weiteres Beispiel eines Ultraschallwellenübertragungs- und -empfangsteils. Auf einer Oberfläche des Halterungsteils 14 ist das unterteilte Ultraschallwellenübertragungs- und -empfangsteil 1 vorgesehen. Auf einer weiteren Oberfläche des Halterungsteils 14 ist ein nicht unterteiltes Ultraschallwellenübertragungs- und -empfangsteil 15 vorgesehen. Wenn der 2D-Modus, der M-Modus oder der Puls-Dopplermodus angezeigt ist, wird das Ultraschallwellenübertragungs- und empfangsteil 15 verwendet. Wenn der CW-Dopplermodus angezeigt ist, wird das Ultraschallwellenübertragungs- und -empfangsteil 1 auf die gleiche Art und Weise wie vorher beschrieben verwendet.Figure 7b is another example of an ultrasonic wave transmission and reception part. On one surface of the support part 14, the divided ultrasonic wave transmission and reception part 1 is provided. On another surface of the support part 14, a non-divided ultrasonic wave transmission and reception part 15 is provided. When the 2D mode, the M mode or the pulse Doppler mode is indicated, the ultrasonic wave transmission and reception part 15 is used. When the CW Doppler mode is indicated, the ultrasonic wave transmission and reception part 1 is used in the same manner as previously described.

Es wird nun auf die Figur 8 Bezug genommen. Es sind piezoelektrische Vibratoren 20a, 20b und 20c, die jeweils eine gleiche öffnung und jeweils unterschiedliche Brennweiten f&sub1;, f&sub2; und f&sub3; aufweisen, an den Oberflächen des Halterungsteils 14 in gleichwinkliger Beziehung vorgesehen. Das Halterungsteil 14 wird durch einen Gleichspannungsmotor 23 über ein Getriebe oder einen Riemen 24 gedreht. Das Halterungsteil 14 ist in einem Behälter 2 mit einem aus Polymethylpentenharz hergestellten akustischen Fenster gelegen. Der Behälter 2 ist mit Ultraschallwellenausbreitungsmaterial 3 wie entgastem Wasser gefüllt. Die piezoelektrischen Vibratoren 20a, 20b und 20c sind elektrisch mit einer Signalverarbeitungs- und Anzeigevorrichtung 17 über eine Signalübertragungsvorrichtung 16 wie einen Drehwandler oder einen Schleifring elektrisch verbunden. Ein Encoder 18, der durch den Gleichstrommotor 23 über ein Getriebe oder einen Riemen 19 angetrieben wird, ist zum Steuern der Drehung des Halterungsteus 14 vorgesehen. Die Signalübertragungsvorrichtung 16, der Gleichstrommotor 23 und der Encoder 18 sind mit der Signalverarbeitungs- und Anzeigevorrichtung 17 über Verbindungsdrähte 10 verbunden. Das Bezugszeichen 55 bezeichnet ein Gehäuse der MSP. Die Signalverarbeitungs- und Anzeigevorrichtung 17 erzeugt Übertragungssignale, bearbeitet die empfangenen Signale durch Verstärkung, Nachweis, Speicherung und Abtastumwandlungssignale, erzeugt Steuersignale für verschiedene Subsysteme und zeigt das Schnittbild auf einer Kathodenstrahlröhre an. Im allgemeinen wird diese Signalverarbeitung nicht in der MSP durchgeführt.Referring now to Figure 8, piezoelectric vibrators 20a, 20b and 20c each having an equal aperture and different focal lengths f1, f2 and f3, respectively, are provided on the surfaces of the support member 14 in equiangular relation. The support member 14 is rotated by a DC motor 23 via a gear or belt 24. The support member 14 is located in a container 2 having an acoustic window made of polymethylpentene resin. The container 2 is filled with ultrasonic wave propagation material 3 such as degassed water. The piezoelectric vibrators 20a, 20b and 20c are electrically connected to a signal processing and display device 17 via a signal transmission device 16 such as a rotary transducer or a slip ring. An encoder 18 driven by the DC motor 23 through a gear or belt 19 is provided for controlling the rotation of the support member 14. The signal transmission device 16, the DC motor 23 and the encoder 18 are connected to the signal processing and display device 17 through connecting wires 10. Reference numeral 55 denotes a casing of the MSP. The signal processing and display device 17 generates transmission signals, processes the received signals by amplifying, detecting, storing and scanning conversion signals, generates control signals for various subsystems and displays the cross-sectional image on a CRT. Generally, this signal processing is not performed in the MSP.

Es wird nun auf die Figur 9a Bezug genommen. Ein Ultraschallstrahl aus dem piezoelektrischen Vibrator 20a mit einer Brennpunktsweite f&sub1; ist durch die strichlierte Linie gezeigt. Auf die gleiche Weise ist ein Ultraschallstrahl von dem piezoelektrischen Vibrator 20b mit einer Brennpunktsweite von f&sub2; und ein Strahl von dem piezoelektrischen Vibrator 20c mit einer Brennpunktsweite f&sub3; durch unterschiedlich gepunktete Linien gezeigt. Unter Berücksichtigung dieser Darstellung werden die piezoelektrischen Vibratoren 20a, 20b und 20c selektiv derart verwendet, daß der jeweils dünnste Strahl ausgewählt wird. Somit wird der piezoelektrische Vibrator 20a in dem Gebiet Z&sub1;, der piezoelektrische Vibrator 20b in dem Gebiet Z&sub2; und der piezoelektrische Vibrator 20c in dem Gebiet Z&sub3; verwendet. Die Figur 9b zeigt den somit erhaltenen Ultraschallstrahl. Wie man aus der Figur 9b erkennt, wird ein konvergierter, schlanker Strahl gemäß der Ausführungsform nach der Figur 8 erhalten.Referring now to Figure 9a, an ultrasonic beam from the piezoelectric vibrator 20a having a focal distance f₁ is shown by the dashed line. In the same way, an ultrasonic beam from the piezoelectric vibrator 20b having a focal distance f₂ and a beam from the piezoelectric vibrator 20c having a focal distance f₃ are shown by different dotted lines. With this illustration in mind, the piezoelectric vibrators 20a, 20b and 20c are selectively used such that the thinnest beam is selected. Thus, the piezoelectric vibrator 20a is used in the region Z₁, the piezoelectric vibrator 20b in the region Z₂ and the piezoelectric vibrator 20c in the region Z₃. Figure 9b shows the ultrasonic beam thus obtained. As can be seen from Figure 9b, a converged, slender beam is obtained according to the embodiment of Figure 8.

Die Auswahl geeigneter Ultraschallstrahlen wird durch die Signalverarbeitungs- und Anzeigevorrichtung 17 durchgeführt. In einem ersten Abtastbetrieb wird der piezoelektrische Vibrator 20a ausgewählt, um Information aus dem Gebiet Z&sub1; zu gewinnen und zu speichern. In einem zweiten Abtastbetrieb wird der piezoelektrische Vibrator 20b ausgewählt, um Information aus dem Gebiet Z&sub2; zu gewinnen und zu speichern. In einem dritten Abtastbetrieb wird der piezoelektrische Vibrator 20c ausgewählt, um Information aus dem Gebiet Z&sub3; zu gewinnen und zu speichern. Als Folge davon wird ein anzuzeigendes Schnittbild durch drei Abtastvorgänge erhalten. Wenn das Halterungsteil 14 bei der Geschwindigkeit von 600 Umdrehungen pro Minute (rpm) gedreht wird, ist eine Zeitdauer von 100 msec notwendig zum Erhalt eines Einzelbilds eines Schnittbilds, und ein Schnittbild eines Sektorabtasttyps mit einer Einzelbudrate von 10Hz wird erhalten.The selection of appropriate ultrasonic beams is carried out by the signal processing and display device 17. In a first scanning operation, the piezoelectric vibrator 20a is selected to obtain and store information from the area Z1. In a second scanning operation, the piezoelectric vibrator 20b is selected to obtain and store information from the area Z2. In a third scanning operation, the piezoelectric vibrator 20c is selected to obtain and store information from the area Z3. As a result, a sectional image to be displayed is obtained by three scanning operations. When the support member 14 is rotated at the speed of 600 revolutions per minute (rpm), a time period of 100 msec is necessary for obtaining a frame of a sectional image, and a sectional image of a sector scanning type with a single frame rate of 10 Hz is obtained.

Es wird nun auf die Figur 10a Bezug genommen. Die piezoelektrischen Vibratoren 22a, 22b und 22c weisen unterschiedliche Brennpunktsweiten f&sub1;, f&sub2;, f&sub3; und unterschiedliche Aperturen auf. In dieser Ausführungsform wird die Auflösung in dem Gebiet Z&sub1; durch Verwendung des piezoelektrischen Vibrators 22a mit einer schmalen Apertur verbessert. Der durch die Ausführungsform nach der Figur 10a erhaltene Ultraschallstrahl ist in der Figur 10b dargestellt.Referring now to Figure 10a, the piezoelectric vibrators 22a, 22b and 22c have different focal widths f1, f2, f3 and different apertures. In this embodiment, the resolution in the region Z1 is improved by using the piezoelectric vibrator 22a with a narrow aperture. The ultrasonic beam obtained by the embodiment of Figure 10a is shown in Figure 10b.

Es wird nun auf die Figur 11 Bezug genommen, in der eine weitere Ausführungsform einer Ultraschallzelle dargestellt ist.Reference is now made to Figure 11, which shows a further embodiment of an ultrasonic cell.

Eine erste Spule 42, die an einer Innenwand einer Zelle 32 angebracht ist, und eine zweite Spule 43, die an einem Halterungsteil 14 angebracht ist, bilden zwei Paare von Drehwandlern, die jeweils Spulenabstände der Größe d&sub1; und d&sub2; aufweisen. Das Halterungsteil 14 ist in der Zelle 32 durch Lagerungen 81 und 82 gehaltert. Die Lagerung 81 ist in einem Lagerungsgehäuse 83 aufgenommen. An der Außenseite des Lagerungsgehäuses 83 und der entsprechenden Oberfläche der Zelle 32 sind Gewindeverzahnungen mit einer sehr kleinen Ganghöhe ausgebildet. Die Gewindeverzahnung macht es möglich, die Lage des Halterungsteils 14 einzustellen, wodurch die Spulenabstände d&sub1; und d&sub2; einstellbar werden. In diesem Fall ist eine weitere Lagerung 82 durch eine Feder 84 unterstützt, die die Veränderung der Vorspannungslast, die beim Einstellen des Halterungsteils 14 auftritt, absorbiert und die Schwingung der Achse des Halterungsteils 14 verhindert. Das Bezugszeichen 85 bezeichnet eine Öldichtung.A first coil 42 mounted on an inner wall of a cell 32 and a second coil 43 mounted on a support member 14 form two pairs of rotary transducers each having coil pitches of size d1 and d2. The support member 14 is supported in the cell 32 by bearings 81 and 82. The bearing 81 is housed in a bearing housing 83. On the outside of the bearing housing 83 and the corresponding surface of the cell 32, threaded gears with a very small pitch are formed. The threaded gears make it possible to adjust the position of the support member 14, thereby making the coil pitches d1 and d2 adjustable. In this case, another bearing 82 is supported by a spring 84, which absorbs the change in the preload load that occurs when adjusting the support member 14 and prevents the vibration of the axis of the support member 14. Reference numeral 85 denotes an oil seal.

Die Summe aus d&sub1; + d&sub2; der Spulenabstände des Drehwandlers wird durch die Rotorlänge LR des Halterungsteils 14 und die innere Größe LS der Zelle 32 bestimmt und kann nicht für sich eingestellt werden. Es ist jedoch möglich, jeden der Spulenabstände d des Drehtransformers auf einen Wert (d&sub1; + d&sub2;)/2 durch Verdrehen des Lagerungsgehäuses 83 einzustellen. In der Praxis wird der Spulenabstand d durch Messen der Impedanz des Drehwandlerblocks festgestellt. Daher können die elektrischen Eigenschaften des Drehwandlerblocks durch Verschrauben des Lagerungsgehäuses 83 eingestellt werden.The sum of d1 + d2 of the coil pitches of the rotary transformer is determined by the rotor length LR of the support member 14 and the inner size LS of the cell 32 and cannot be adjusted by itself. However, it is possible to adjust each of the coil pitches d of the rotary transformer to a value (d1 + d2)/2 by rotating the bearing housing 83. In practice, the coil pitch d is determined by measuring the impedance of the rotary transformer block. Therefore, the electrical characteristics of the rotary transformer block can be adjusted by screwing the bearing housing 83.

Wenn drei Ultraschallvibratoren verwendet werden, ist weiter eine dritte Spule 631 an einer Riemenscheibe 60 und einem Gehäuse 83 in gegenüberliegender Beziehung vorgesehen, wie in der Figur 12 gezeigt ist. Eine Impedanzeinstellung der Spule 631 wird durchgeführt, nachdem die beiden oben beschriebenen Spulenpaare nach der Figur 11 eingestellt wurden.When three ultrasonic vibrators are used, a third coil 631 is further provided on a pulley 60 and a housing 83 in opposing relation as shown in Figure 12. Impedance adjustment of the coil 631 is performed after the two coil pairs described above have been adjusted as shown in Figure 11.

Claims

An ultrasound probe with:

a plurality of piezoelectric elements (20a, 20b, 20c) mounted on a support member (14),

a device (4, 5, 6, 7) for rotating or swinging the holder part (14),

a container (2) for receiving the holding part with ultrasonic wave transmission material, and

an acoustic window provided in the container,

wherein the plurality of piezoelectric elements have different focal lengths from each other;

characterized in that the piezoelectric elements have different apertures from one another such that the aperture is smaller the shorter the focal length is;

and that the probe further comprises the same number of rotary transducers (30, 31, 32) as piezoelectric elements, each of the rotary transducers being coupled to one of the piezoelectric elements and comprising a rotary coil (30b, 31b, 32b) provided on the surface of the support member and a fixed coil (30a, 31a, 32a) provided opposite to the rotary coil, and means (81 - 84) for adjusting the position of the support member in its axial direction.