DE4207577A1 - Eine ultraschallsonde mit einer wandleranordnung, die in der lage ist, ihre aperturachse zu drehen, und mit einer ein viskoses harz enthaltenden konvexen linse - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschalldiagnosesonde mit einer Wandleranordnung, die in der Lage ist, ihre Aperturachse zu drehen, und mit einer konvexen Linse mit einem viskosen Harz auf der Apertur.

Um ein inneres Objekt, wie ein inneres Organ eines menschlichen Körpers, zu diagnostizieren, ist eine Ultraschalltomografie unter Verwendung einer Ultraschallsonde untersucht worden, die mit einer Ultraschallwandleranordnung zum Senden eines Ultraschalltons zu dem zu untersuchenden inneren Organ und dann zum Empfangen eines durch das innere Organ reflektierten Ultraschalltons versehen ist. Ein tomografisches Bild wird entlang der Ausrichtung der Wandleranordnung erhalten. Einige Ultraschallsonden werden in Kontakt mit der Oberfläche des menschlichen Körpers verwendet. Einige Sonden werden jedoch als Endoskop in die menschliche Körperhöhle eingeführt, wo der Ultraschallwandler, d. h. die Anordnung, um seine scheinbare Achse gedreht werden muß, um ein Bild mehrerer Objekte zu erzielen. Weiterhin ist auf der Oberfläche der Wandleranordnung eine aus einem festen Harz gebildete konvexe Linse vorgesehen, so daß der Ultraschallstrahl in einem vorher festgelegten, geeigneten Abstand vom Wandler fokussiert wird. Die als Endoskop verwendete Ultraschallsonde muß natürlich von kleiner Größe sein, um leicht in die Körperhöhle eingeführt werden zu können. Eine typische Sonde des Standes der Technik solch einer Struktur, die in Fig. 1 abgebildet ist, ist von Ito in der japanischen Patentveröffentlichung Hei 2-2 06 450 beschrieben worden. Der Ultraschallwandler 15 mit einer konvexen Linse ist auf einer zylindrischen Stütze 14, 14a befestigt und ist durch selektives Ziehen eines an den Seiten des Stützzylinders 14a befestigten Seils 22 drehbar.

Das Problem der Sondenstruktur von Fig. 1 besteht darin, daß ein O-Ring 20 zum Abdichten zwischen dem Ultraschallwandler 12 und der Sondenkapsel 16 erforderlich ist, während der Ultraschallwandler am O-Ring 20 entlang weiterhin drehbar bleibt. Der O-Ring ist keine perfekte Lösung, um die Abdichtung gegenüber der Umgebung im menschlichen Körper zu schützen. Das Drehen von Wandler 15 unter direktem Kontakt mit dem menschlichen Körper kann die Wand des menschlichen inneren Organs verletzen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer in einen menschlichen Körper einzusetzenden Ultraschallsonde.

Aufgabe der Erfindung ist ferner die Schaffung einer Ultraschallsonde mit einer drehbaren phasengesteuerten Wandleranordnung, bei der der drehbare Wandler der Sonde dem inneren Organ des menschlichen Körpers nicht direkt ausgesetzt ist.

Eine Ultraschallsonde der vorliegenden Erfindung umfaßt:
eine im wesentlichen zylinderförmige Kapsel mit einer ersten Achse entlang deren Längsrichtung, welche Kapsel in der Nähe eines geschlossenen Endes der Kapsel eine konvexe Wand hat, die für ein Ultraschallsignal akustisch transparent ist, damit es sich von/zu der Ultraschallsonde ausbreiten kann; einen Stützzylinder, mit einer zweiten Achse, der in der Kapsel drehbar befestigt ist, wobei der Stützzylinder und die konvexe Wand zu der zweiten Achse koaxial sind; einen auf einem Sockel des Stützzylinders befestigten Ultraschallwandler; und ein in einen Zwischenraum zwischen der konvexen Wand und dem Ultraschallwandler (5) gefülltes viskoses Harz. Eine zu der zweiten Achse koaxiale konvexe Linse wird mit der konvexen Wand und dem viskosen Harz gebildet. Die Achse der konvexen Wand kann zwischen null Grad bis etwa 90 Grad zu der ersten Achse gewählt werden.

Die obengenannten Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, zusammen mit anderen Erfindungsgegenständen und Vorteilen, die offensichtlich werden, werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Bezugzeichnungen, die einen Teil hiervon bilden, näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen durchgängig auf gleiche Teile verweisen.

Fig. 1 illustriert schematisch eine Querschnittsansicht einer Ultraschallsonde des Standes der Technik;

Fig. 2 illustriert schematisch eine Querschnittsansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer Ultraschallsonde der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 illustriert schematisch Einzelheiten der Befestigung eines Ultraschallwandlers auf einem Stützzylinder;

Fig. 4 illustriert schematisch tomografische Ebenen an mehreren Winkelpositionen des Ultraschallwandlers;

Fig. 5 illustriert schematisch eine Querschnittsansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.

Tabelle 1 zeigt einen Vergleich von akustischen Kennwerten von in Frage kommendem Material für die konvexe Linse; und

Tabelle 2 zeigt die Eignung von verfügbaren Materialien, die aus dem Vergleich der Tabelle 1 resultieren.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend detailliert mit Bezug auf die Fig. 2 bis 4 beschrieben. Ein Ultraschallwandler 5 wird aus piezoelektrischem Material, typischerweise aus Bleizirkonat- Titanat- Pb(Ti,Zr)O₃ (im allgemeinen als PZT bezeichnet) Keramik gebildet und hat, zum Beispiel, einen Durchmesser von 10 mm und eine Dicke von 0,5 mm. Diese Keramikscheibe ist ferner in die Substratscheibe eingesägt, zum Beispiel 0,3 mm tief, um so eine Gruppe von 0,18 mm breiten streifenförmigen, parallel angeordneten Wandlern zu bilden, parallel angeordneten Wandlern zu bilden, entsprechend einem weithin bekannten Verfahren.

Elektroden, typischerweise von einer Metallfilmabscheidung, sind auf jeder der Oberflächen der Streifen und der gegenüberliegenden Oberfläche der Scheibe gebildet, um so Treiberspannungen daran anzulegen. Bei einem praktischen Herstellungsprozeß werden die Metallfilme auf beiden Oberflächen der Scheibe abgeschieden; als nächstes wird eine der Oberflächen 5C, die den Metallfilm darauf hat, mit einer Stanzsäge eingeschnitten, um so Streifenwandler jeweils mit einer Signalelektrode darauf herzustellen. Die Durchmesser der Umrißlinie der Metallsignalelektroden sind kleiner als der Durchmesser der Wandlerscheibe, so daß die Signalelektroden vom Stützzylinder sicher isoliert sind. Eine andere Oberfläche 5A, die den Metallfilm darauf hat, ist eine Erdungselektrode, die allen Streifenwandlern gemeinsam ist. Die Erdungselektrode 5A erstreckt sich bis an die Randseite 5B der Wandlerscheibe. In Fig. 3(a) sind Streifenwandler an der äußeren Oberfläche des Wandlers nur zur Erklärung eingezeichnet, aber die echte Wandleranordnung hat die ununterbrochene Erdungselektrode an der Außenseite, und die Streifenelektroden zeigen nach der Innenseite des Stützzylinders 6. Die äußere Randseite 5B der Wandlerscheibe 5 ist in einer inneren Stufe 6B befestigt, die auf einem inneren Sockelende eines Stützzylinders 6, der typischerweise aus einem Metallmaterial mit einer elektrisch leitenden Paste 13 besteht, vorgesehen ist, wobei die Verlängerung 5B der Erdungselektrode einen sicheren Kontakt mit dem Stützzylinder 6 ermöglicht. Die Erdungselektrode zeigt nach außen. Jede der Signalelektroden zeigt nach innen, um so mit einer Verdrahtung, die typischerweise auf einer flexiblen gedruckten Schaltung 12 gebildet ist, im Stützzylinder 6 verbunden zu sein.

Die Kapsel 1 ist aus einem Harzmaterial, wie PPO (Polyphenylenoxid), gebildet, welches für eine Ultraschallwelle transparent ist, damit sie sich dadurch ausbreiten kann, und besteht aus einer oberen Hälfte 1A und einer unteren Hälfte 1B, die entlang der Achse der Zylinderform von Kapsel 1 getrennt sind. In der Nähe der Oberseite der oberen Hälfte 1A ist die Wand der Kapsel 0,5 mm dünn und kugelförmig nach außen gewölbt, um so eine konvexe Wand, bezeichnet mit 1C, zu bilden. Wenn die oberen und unteren Hälften 1A und 1B zusammengesetzt, d. h. verklebt werden, ist das Vorderende 1D der Kapsel 1 geschlossen und rundgeformt, so daß die Kapsel leicht in eine Höhlung des menschlichen Körpers eingeführt werden kann.

Bevor die oberen und unteren Hälften verklebt werden, und bevor der Stützzylinder 6 in das zylindrische Loch 1E eingesetzt wird, wird ein viskoses Harz, zum Beispiel ein Silikonfett 3, in die Innenseite der konvexen Wand 1C gegossen.

Als nächstes wird das Sockelende des Stützzylinders 6 mit dem Wandler in ein zylindrisches Loch 1E, das in die obere Hälfte 1A der Kapsel geschnitten ist, eingesetzt. Auf diese Weise füllt das Silikonfett den Zwischenraum zwischen der konvexen Wand 1C und der Wandlerscheibe 5, so daß das Silikonfett zusammen mit der konvexen Wand 1C eine konvexe Linse bildet. Das zylindrische Loch 1E und die konvexe Wand 1C sind zueinander koaxial. Somit sind die konvexe Linse und die Wandlerscheibe zueinander koaxial. Das das Volumen des zu füllenden Zwischenraumes etwas überschüssige Silikonfett dringt in die Lücke 14 zwischen dem Stützzylinder 6 und dem zylindrischen Loch 1E, wodurch der Stützzylinder 6 leicht um die Achse des Zylinders gedreht werden kann. Die Menge des Silikonfetts ist so gewählt worden, daß das Fett dank seiner ihm eigenen hohen Viskosität nicht übermäßig aus der Lücke 14 herausfließt. Ein anderes Ende des Stützzylinders 6 wird durch ein Kugellager 9 gestützt, das auf der unteren Hälfte 1B vorgesehen ist, um ein glattes und zuverlässiges Drehen des Stützzylinders zu sichern. Ein Teil der Randfläche des Stützzylinders ist mit einer Laufrolle versehen, auf welcher Seil 8 eingreift, so daß der Stützzylinder durch Ziehen eines geeigneten Endes von Seil 8 von dem anderen offenen Ende der zylindrischen Kapsel 1 aus gesteuert wird, um sich zu drehen.

Die typischerweise von einer flexiblen gedruckten Leiterplatte gebildeten Signalleitungen 12 sind mit jeder der Signalelektroden elektrisch verbunden. Eine Erdungsleitung 11 ist an einem Teil der Innenwand 6A des Stützzylinders 6 angeschlossen. Die Innenseite der Wandlerscheibe 5 ist mit einem Verstärkungsmaterial versehen, das typischerweise aus einem Harz gebildet ist (in den Figuren nicht dargestellt), welches auch die Signalleitungen 12 und die Erdungsleitung 11 mechanisch fixiert. Die Signalleitungen 12 und die Erdungsleitung 11 sind entsprechend flexibel angeordnet, um gegen die häufige Drehung des Stützzylinders abnutzungsfest zu sein.

Ein Vergleich von akustischen Kennwerten von in Frage kommendem viskosem Material und dem Objekt des menschlichen Körpers ist in Tabelle 1 dargestellt. Um gute Linsenkennwerte zu erzielen, muß sich die Schallgeschwindigkeit des Linsenmaterials, welches zur Bildung der konvexen Linse verwendet werden kann, sehr von der des menschlichen Körpers unterscheiden. Um eine gute akustische Anpassung des Wandlers an den menschlichen Körper zu erzielen, muß die akustische Impedanz des Materials der des menschlichen Körpers nahe kommen. Um einen leichten Zusammenbau der Sonde zu realisieren, ist das viskosere Material vorzuziehen. Das heißt, die flüssigen Materialien, wie Paraffinöl, Rizinusöl und Silikonöl, lassen sich beim Zusammenbau schwer handhaben. In Anbetracht all der erforderlichen Kennwerte ist die Eignung der verfügbaren viskosen Materialien zum Bilden der konvexen Linse in Tabelle 2 dargestellt. Als Ergebnis wird festgestellt, daß das Silikonfett das zweckmäßigste ist. Unter den vielen verfügbaren Silikonfetten wurde von dem Erfinder für diesen Zweck Toray-Silikon SH111 benutzt.

Obwohl in Fig. 2 die Achse der Wandlerapertur, d. h. die Wandlerdrehachse, etwa orthogonal zur Längsachse der Kapsel gezeichnet ist, kann die Richtung der Apertur des Wandlers willkürlich gewählt werden. Mit anderen Worten, der Winkel der Aperturachse zu der Achse von Kapsel 1 kann je nach Designerfordernis von null bis zu jedem beliebigen Winkel, der gleich oder größer als 90 Grad ist, gewählt werden.

Auf Grund der kürzeren Länge des streifenförmigen Wandlers an den Randseiten der ausgerichteten Streifen wird die Ultraschallstrahlung von jeder Streifenelektrode gut gewichtet, um so unerwünschte Seitenzipfel zu eliminieren. Zusammen mit der Fokussierfunktion der konvexen Linse bietet diese zweckmäßige Eigenschaft der Streifenwandler eine gute Auflösung der Sonde bei einem Abstand der Objekte von dem Wandler.

Die tomografischen Ebenen A und B, die der Wandler bei zwei um 90° voneinander verschiedenen Winkeln untersuchen kann, sind in Fig. 4 repräsentativ dargestellt, wo die Achse der Wandlerapertur mit C bezeichnet ist. Jede andere Winkelposition der tomografischen Ebene kann durch Drehen des Ultraschallwandlers gewählt werden, so daß das Objekt im menschlichen Körper genau untersucht werden kann.

Somit wird entsprechend der vorliegenden Erfindung eine entsprechend kleine sowie vor dem menschlichen Organ, zu dem die Sonde eingeführt wird, zuverlässig abgedichtete Ultraschallsonde realisiert. Das menschliche Organ ist vor dem direkten Kontakt des Drehwandlers vollkommen geschützt. Darüber hinaus kann der Prozeß des Zusammenbauens der Sonde ziemlich leicht erfolgen.

Mit Bezug auf Fig. 5 wird nachstehend eine zweite zweckmäßige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Unterschied der zweiten zweckmäßigen Ausführungsform besteht darin, daß die konvexe Wand 1C, die bei der ersten zweckmäßigen Ausführungsform gleichmäßig dünn ist, modifiziert ist, um so einen konvexen Querschnitt 1C′ zu erhalten, der in der Mitte dicker ist. Somit bilden die konvexe Wand 1C′ und das zwischen die konvexe Wand 1C′ gefüllte Silikonfett 3′ eine konvexe Linse für den Wandler 5. Das Silikonfett 3′ dient auch als Gleitmittel zwischen der konvexen Wand und dem Wandler 5. Die Sonde der zweiten zweckmäßigen Ausführungsform kann die gleichen vorteilhaften Effekte der ersten zweckmäßigen Ausführungsform aufweisen.

Die vielen Eigenschaften und Vorteile der Erfindung sind aus der detaillierten Spezifikation ersichtlich, und somit wird durch die beigefügten Ansprüche beabsichtigt, alle derartigen Eigenschaften und Vorteile der Verfahren, die dem wahren Geist und dem Umfang der Erfindung entsprechen, abzudecken. Da Fachleute ohne weiteres zu zahlreichen technischen Modifizierungen und Veränderungen kommen, sollen die Details nicht beschränkt sein, vielmehr können alle entsprechenden Modifizierungen, die äquivalent sind, geschützt werden, da sie in den Umfang der Erfindung fallen.

Tabelle 1

Tabelle 2

Claims (8)

1. Eine Ultraschallsonde mit:
einer im wesentlichen zylinderförmigen Kapsel (1) mit einer ersten Achse entlang deren Längsrichtung, welche Kapsel in der Nähe eines geschlossenen Endes der genannten Kapsel eine dünne konvexe Wand (1C, 1C′) hat, die für ein Ultraschallsignal akustisch transparent ist, damit es von der Ultraschallsonde ausstrahlen kann;
einem Stützzylinder (6), mit einer zweiten Achse, der in der genannten Kapsel drehbar befestigt ist, wobei der genannte Stützzylinder und die genannte konvexe Wand zu der genannten zweiten Achse koaxial sind;
einem auf einem Sockel des genannten Stützzylinders (6) befestigten Ultraschallwandler (5); und
einem in den Zwischenraum zwischen der genannten konvexen Wand (1C) und dem genannten Ultraschallwandler (5) gefüllten viskosen Harz (3, 3′),
wodurch mit der genannten konvexen Wand und dem genannten viskosen Harz eine zu der genannten zweiten Achse koaxiale konvexe Linse gebildet wird.

2. Eine Ultraschallsonde nach Anspruch 1, bei der die genannte konvexe Wand (1C) von gleichmäßiger, sich nach außen wölbender Dicke ist.

3. Eine Ultraschallsonde nach Anspruch 1, bei der die genannte konvexe Wand (1C′) die Form einer konvexen Linse hat.

4. Eine Ultraschallsonde nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der sich die genannte konvexe Wand (1C, 1C′) an einer Seite der genannten Kapsel (1) befindet, wobei die zweite Achse etwa orthogonal zu der genannten ersten Achse ist.

5. Eine Ultraschallsonde nach Anspruch 1, bei der der genannte Ultraschallwandler (5) aus einer Vielzahl von Streifenwandlern gebildet ist, die zueinander parallel und orthogonal zu der zweiten Achse ausgerichtet sind, wobei jeder der Streifenwandler elektrisch getrieben wird, um eine phasengesteuerte Anordnung zu bilden, wobei Objekte in einer Ebene, die die genannte zweite Achse und die genannte Streifenwandlerausrichtung enthält, tomografisch untersucht werden.

6. Eine Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Umrißlinie der genannten mehreren Ultraschallstreifenwandler ein Kreis ist und in den Sockel des genannten Stützzylinders (6) paßt.

7. Eine Ultraschallsonde nach Anspruch 1, bei der die Brennweite der genannten konvexen Linse auf einem Abstand des zu untersuchenden Objekts gewählt wird.

8. Eine Ultraschallsonde nach Anspruch 1, bei der das genannte viskose Harz (3, 3′) ein Silikonfett ist.