DE4207577C2 - Ultraschallsonde mit drehbarer Aperturachse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsonde mit einer im wesentlichen zylinderförmigen Kapsel, die eine erste Achse in ihrer Längsrichtung und in der Nähe ihres geschlossenen Endes eine dünne konvexe Wand hat, die für ein Ultraschallsignal akustisch transparent ist, einem Stützzylinder, der eine zweite Achse aufweist und in einer zylindrischen Bohrung in der Kapsel um die zweite Achse drehbar gelagert ist, wobei die zweite Achse zentrisch zum Stützzylinder und zur konvexen Wand liegt; einem auf einem Sockel des Stützzylinders befestigten Ultraschallwand­ ler, der aus einer Vielzahl von Streifenwandlern gebildet ist, die zueinander parallel und orthogonal zur zweiten Achse ausge­ richtet sind, um bei entsprechender elektrischer Ansteuerung eine phasengesteuerte Anordnung zu bilden.

Eine solche Ultraschallsonde ist aus der US 4 543 960 bekannt. Bei dieser bekannten Ultraschallsonde befindet sich ein nach außerhalb der Ultraschallsonde gewölbter, akustisch trans­ parenter Wandabschnitt derselben unmittelbar oberhalb der Wandleranordnung, die ihrerseits auf dem Stützzylinder angeord­ net ist. Der Stützzylinder selbst ist drehbar innerhalb einer die Peripherie des Stützzylinders mit einem relativ großen Zwischenraum umgebenden zylindrischen Ausnehmung oder Bohrung angeordnet, wobei die elektrischen Anschlußleitungen zu den einzelnen Streifenwandlern spiralig um die Peripherie des Stützzylinders innerhalb der zylindrischen Ausnehmung zu liegen kommen. Da deshalb der Stützzylinder keine seitliche Führung durch die Innenwand der zylindrischen Ausnehmung im Sondenkörper erfährt, muß das an der Unterseite des Stützzylinders vorgesehe­ ne Drehlager relativ massiv ausgebildet sein. Dadurch ist der Zusammenbau der Ultraschallsonde erschwert. Der relativ große Zwischenraum zwischen der Innenwand der zylindrischen Ausnehmung im Sondenkörper und der Peripherie des Stützzylinders steht mit der Lücke zwischen der Innenseite des akustisch transparenten Wandabschnitts und der Oberfläche der Wandleranordnung in unmittelbarer Verbindung. Das Einfüllen eines viskosen Harzes, wie z. B. Silikonfett, in den Zwischenraum und die Lücke verbie­ tet sich, weil dieses die leichte Drehbarkeit des Stützzylinders und damit der Wandleranordnung verhindern würde, weil es in Kontakt mit den spiralig um die Peripherie des Stützzylinders liegenden elektrischen Leitungen stehen und deshalb eine un­ erwünscht hohe Reibungskraft bei Drehung des Stützzylinders ausüben würde. Bei der gewählten Konstruktion der bekannten Ultraschallsonde ist es nur schwer vorstellbar, daß der Sonden­ kopf mit einem wesentlichen anderen Winkel der Richtung der Aperturachse relativ zur Sondenlängsachse ausgebildet sein könnte.

Aus der US 4 340 944 ist eine Ultraschallsonde bekannt, bei der eine deformierbare akustische Linse mittels einer dünnen, flexiblen Membran und einer zwischen dieser und einer Wandler­ anordnung befindlichen Flüssigkeit ausgebildet ist. Der Druck dieser Flüssigkeit wird durch eine von einem Steuersignal angesteuerten Pumpe verändert. Für die Flüssigkeit und die Membran ist angegeben, daß deren Schallausbreitungsgeschwindig­ keit kleiner als die des zu untersuchenden Mediums sein muß.

In der US 4 858 613 wird ein Ultraschalluntersuchungs- und Therapiesystem beschrieben, das zur Untersuchung und Behandlung des menschlichen Gehirns eine an die Kopfform angepaßte konkave äußere, als akustische Linse wirkende Platte und eine als Ultraschallsender dienende, der akustischen Linse gegenüberlie­ gende Quarzplatte aufweist. Ein Zwischenraum zwischen der akustischen Linse und der Quarzplatte ist mit Silikonöl ausge­ füllt, das die Aufgabe hat, eine Lambda-Viertel-Anpassung der akustischen Linse an den Ultraschallwandler, nämlich die Quarz­ platte, zu gewährleisten. Ferner isoliert das Silikonöl elek­ trisch die auf der Quarzplatte befindlichen elektrischen Elek­ troden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ul­ traschallsonde der oben erwähnten Art so auszubilden, daß eine kleine und leicht zusammenbaubare Sonde ermöglicht wird, bei der eine leichte Drehbarkeit der Wandleranordnung auch bei nahezu beliebigem Winkel der Aperturachse bezüglich der Längsachse der Ultraschallsonde sichergestellt ist.

Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist die gattungsgemäße Ultraschallsonde gekennzeichnet durch ein in den Zwischenraum zwischen der konvexen Wand und dem Ultraschallwand­ ler so eingefülltes viskoses Fett, daß dieses auch in eine Lücke zwischen dem Stützzylinder und der zylindrischen Bohrung dringt, wobei die konvexe Wand und das viskose Harz eine konvexe Linse bilden, zu der die zweite Achse zen­ trisch liegt.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen davon sind durch die abhängigen Ansprüche gekennzeichnet.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungsfiguren näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen verweisen durchgängig auf die gleichen Teile.

Fig. 1 illustriert schematisch eine Querschnittsansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer Ultraschallsonde der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 illustriert schematisch Einzelheiten der Befestigung eines Ultraschallwandlers auf einem Stützzylinder;

Fig. 3 illustriert schematisch tomografische Ebenen an mehreren Winkelpositionen des Ultraschallwandlers;

Fig. 4 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. 1 bis 3 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 trägt, 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 trägt, ist eine Erdungselektrode, die allen Streifenwandlern gemeinsam ist. Die Erdungselektrode 5A erstreckt sich bis an die Randseite 5B der Wandlerscheibe. In Fig. 2(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 Fett, zum Beispiel 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 liegen die konvexe Linse und die Wandlerscheibe zentrisch zueinander, und die Aperturachse C (Fig. 3) geht zentrisch durch die konvexe Linse. Das das Volumen des zu füllenden Zwischenraumes etwas überschüssige Silikonfett dringt in die Lücke 11 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 11 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 12′ 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 12′ mechanisch fixiert. Die Signalleitungen 12 und die Erdungsleitung 12′ sind entsprechend flexibel angeordnet, um gegen die häufige Drehung des Stützzylinders 6 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 dem 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. 1 die Achse der Wandlerapertur, d. h. die Wandlerdrehachse, etwa orthogonal zur Längsachse der Kapsel liegt, 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. 3 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. 4 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.

Tabelle 1

Tabelle 2

Claims (7)

1. Ultraschallsonde mit:
einer im wesentlichen zylinderförmigen Kapsel (1), die eine erste Achse in ihrer Längsrichtung und in der Nähe ihres ge­ schlossenen Endes eine dünne konvexe Wand (1C, 1C′) hat, die für ein Ultraschallsignal akustisch transparent ist,
einem Stützzylinder (6), der eine zweite Achse (C) aufweist und in einer zylindrischen Bohrung (1E) in der Kapsel (1) um die zweite Achse C) drehbar gelagert ist, wobei die zweite Achse (C) zentrisch zum Stützzylinder (6) und zur konvexen Wand liegt;
einem auf einem Sockel des Stützzylinders (6) befestigten Ultraschallwandler (5), der aus einer Vielzahl von Streifenwand­ lern gebildet ist, die zueinander parallel und orthogonal zur zweiten Achse (C) ausgerichtet sind, um bei entsprechender elektrischer Ansteuerung eine phasengesteuerte Anordnung zu bilden,
gekennzeichnet durch:
ein in den Zwischenraum zwischen der konvexen Wand (1C) und dem Ultraschallwandler (5) so eingefülltes viskoses Fett, daß dieses auch in eine Lücke (11) zwischen dem Stützzylinder (6) und der zylindrischen Bohrung (1E) dringt, wobei die konvexe Wand und das viskose Harz eine konvexe Linse bilden, zu der die zweite Achse (C) zentrisch liegt.

2. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die konvexe Wand (1C) gleichmäßig dick ist und sich nach außen wölbt.

3. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die konvexe Wand (1C′) die Form einer konvexen Linse hat.

4. Ultraschallsonde nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die konvexe Wand (1C, 1C′) an einer Seite der Kapsel (1) befindet, wobei die zweite Achse (C) etwa orthogonal zu der ersten Achse steht.

5. Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Peripherie der Anordnung aus Ultraschallstreifenwandlern kreisförmig ist und in den Sockel des Stützzylinders (6) paßt.

6. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Brennweite der konvexen Linse entsprechend einem Abstand der Sonde vom zu untersuchenden Objekt gewählt ist.

7. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das viskose Harz (3, 3′) Silikonfett ist.