DE68915712T2

DE68915712T2 - Ultraschallsonde.

Info

Publication number: DE68915712T2
Application number: DE68915712T
Authority: DE
Inventors: Maasmi Kawabuchi; Koetsu Saito; Ikuo Sakai; Hideyuki Tanaka
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1988-12-09
Filing date: 1989-12-11
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2009-12-12
Also published as: EP0372589A3; JPH02156936A; US4961176A; EP0372589B1; DE68915712D1; JPH0722578B2; EP0372589A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Ultraschallsonde für ein Ultraschallsystem, und insbesondere auf eine mechanisch bewegte Ultraschallsonde zum Erzeugen eines "B-Modus"-Abbilds von einem untersuchten Gegenstand.
In manchen Ultraschallsystemen wird eine Ultraschallsonde zum Erzeugen eines "B-Modus"-Abbilds eines untersuchten Gegenstands mechanisch bewegt.
Das "Journal of the Acoustical Society of Japan" Band 32, Nr. 6, Jun. 1976, Seite 355-361, offenbart eine derartige Ultraschallsonde. Wie später erklärt wird, bestehen bei der herkömmlichen Ultraschallsonde in dieser Zeitschrift Probleme.
Dieser Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine ausgezeichnete Ultraschallsonde zu schaffen.
Erfindungsgemäß ist eine Ultraschallsonde durch die Patentansprüche 1 bis 3 definiert.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht einer Piezoelementanordnung einer Ultraschallsonde gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
Fig. 2 ein Diagramm mit Ergebnissen einer Computersimulation für dynamisches Fokussieren der Ultraschallsonde gemäß Fig. 1.
Fig. 3(a) eine Draufsicht einer Piezoelementanordnung einer herkömmlichen Ultraschallsonde.
Fig. 3(b) eine Schnittansicht der Piezoelementanordnung gemäß Fig. 3(a).
Fig. 4 eine Draufsicht einer Piezoelementanordnung einer anderen herkömmlichen Ultraschallsonde.
Fig. 5 ein Diagramm mit Ergebnissen einer Computersimulation für dynamisches Fokussieren der Ultraschallsonde gemäß Fig. 4.
Vor einer genauen Beschreibung dieser Erfindung wird die herkömmliche Ultraschallsonde zum besseren Verständnis dieser Erfindung erklärt.
Wie in den Figuren 3(a) und 3(b) gezeigt, enthält ein erstes Beispiel der herkömmlichen Ultraschallsonde eine Piezoelementanordnung (eine Meßwertumformerelementanordnung) 51 mit einem Mittelscheiben-Piezoelement (einem Mittelscheiben-Meßwertumformerelement) 52A und Ring-Piezoelementen (Ring-Meßwertumformerelementen) 52B, 52C, 52D und 52E, die sich konzentrisch um das mittlere Piezoelement 52A herum erstrecken. Ein Impulsstrahl einer Ultraschallwelle wird von der Piezoelementanordnung 51 gesendet und empfangen. Die Piezoelemente 52A bis 52E bilden eine Frontoberfläche 54, über die der Ultraschallwellenstrahl gesendet und empfangen wird. Die Sende-/Empfangsoberfläche 54 ist konkav geformt, um die gesendeten und empfangenen Ultraschallwellenstrahlen konstruktiv zu fokussieren. Der Krümmungsradius der Sende-/Empfangsoberfläche 54 ist gleich einem vorbestimmten Wert "r". Darüberhinaus sind die Flächen der jeweiligen Piezoelemente 52A bis 52E, die sich über die Sende-/Empfangsoberfläche 54 erstrecken, ungefähr gleich groß gemacht. Im allgemeinen wird der Ultraschallwellenstrahl auch durch Signalverarbeitung, elektronisches Fokussieren genannt, fokussiert. Das elektronische Fokussieren bietet geeignete Verzögerungen an, um Signale von den jeweiligen Piezoelementen auszugeben und kombiniert dann die verzögerten Signale.
Fig. 4 zeigt ein zweites Beispiel der herkömmlichen Ultraschallsonde, die der herkömmlichen Ultraschallsonde gemäß den Figuren 3(a) und 3(b) im wesentlichen ähnlich ist. Die herkömmliche Ultraschallsonde gemäß Fig. 4 enthält eine Achtsegment-Piezoelementanordnung 51. Die Piezoelementanordnung 51 besitzt insbesondere ein Mittelscheiben-Piezoelement 52A und Ring-Piezoelemente 52B, 52C, 52D, 52E, 52F, 52G und 52H, die sich konzentrisch um das mittlere Piezoelement 52A herum erstrecken. Die Piezoelemente 52A bis 52H sind durch ringförmige Zwischenräume 53 getrennt. Die Piezoelemente 52A bis 52H bilden eine konkave Sende- /Empfangsoberfläche. Die Flächen der jeweiligen Piezoelemente 52A bis 52H auf der Sende-/Empfangsoberfläche sind ungefähr gleich groß gemacht. Die Abmessungen der Piezoelemente 52A bis 52H sind wie folgt gewählt:
Der Außendurchmeser des Elements 52A: 8,14 mm
Der Innendurchmesser des Elements 52B: 8,54 mm
Der Außendurchmesser des Elements 52B: 11,82 mm
Der Innendurchmesser des Elements 52C: 12,22 mm
Der Außendurchmesser des Elements 52C: 14,68 mm
Der Innendurchmesser des Elements 52D: 15,08 mm
Der Außendurchmesser des Elements 52D: 17,14 mm
Der Innendurchmesser des Elements 52E: 17,54 mm
Der Außendurchmesser des Elements 52E: 19,34 mm
Der Innendurchmesser des Elements 52F: 19,74 mm
Der Außendurchmesser des Elements 52F: 21,36 mm
Der Innendurchmesser des Elements 52G: 21,76 mm
Der Außendurchmesser des Elements 52G: 23,24 mm
Der Innendurchmesser des Elements 52H: 23,64 mm
Der Außendurchmesser des Elements 52H: 25,00 mm
Die Breite der jeweiligen Zwischenräume 53: 0,20 mm
Fig. 5 zeigt Ergebnisse einer Computersimulation, um Bedingungen von dynamischem Fokussieren zu berechnen, die während eines Empfangs von Echosignalen durch die herkömmliche Ultraschallsonde aus Fig. 4 auftreten. Das dynamische Fokussieren ist in verschiedenen veröffentlichten Schriften, wie z.B. im "Journal of the Acoustical Society of Japan", Band 32, Nr. 6, Jun. 1976, Seite 355 bis 361, erklärt. In der Computersimulation gilt bezüglich Fig. 5: die Sende-/Empfangsoberfläche der Piezoelementanordnung 51 war als flach definiert, sodaß der bauliche Brennpunkt ins Unendliche gelegt wurde; die Hauptfrequenz der Echosignale war auf 3,5 MHz gesetzt; die Impulslänge des Ultraschallwellenstrahls betrug das Dreifache der Wellenlänge der Hauptfrequenz-Ultraschallwelle; und die Einhüllende der Impulse des Ultraschallwellenstrahls besaß die Halbsinusform oder die halbsinusförmige Form. Zudem wurde bei dieser Computersimulation eine nichtlineare Wirkung bei der Impulsausbreitung in einem Ultraschallwellen-Übertragungsmedium nicht berücksichtigt.
Aus Fig. 5 wird deutlich, daß eine durch -20dB-Linien bestimmte Strahlweite relativ groß und der Fokussiergrad in einem Prüf-Bereich von 0-50 mm ungenügend ist, obwohl der Ultraschallwellenstrahl in einer Prüf-Entfernung von 50 mm durch Verwendung der drei inneren Piezoelemente 52A bis 52C fokussiert sein sollte. Das ungenügende Fokussieren wird im allgemeinen durch eine Eigenüberlagerungswirkung bei jedem Piezoelement verursacht.
Wenn ein durch die Reflexion eines gesendeten Ultraschallwellenstrahls an einem festen Punkt ausgelöstes Ultraschallwellen- Echosignal einer angemessenen Fokussierung durch dynamisches Fokussieren bedarf, sind in einer derartigen herkömmlichen, in den Figuren 3(a) und 3(b) oder Fig. 4 gezeigten, Ultraschallsonde kleinere Piezoelementflächen und eine größere Anzahl von den Piezoelementen notwendig. In diesem Fall wird eine mit der Ultraschallsonde verbundene elektronische Schaltung komplizierter. Weiterhin wird die Herstellung der Ultraschallsonde schwierig, da die Breite des äußersten Ring-Piezoelements sehr klein ist.
Diese Erfindung wird nun genau erklärt. Fig. 1 zeigt einen Teil einer Ultraschallsonde gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel richtet sich auf eine Ultraschallsonde mit einer Achtsegment-Piezoelementanordnung.
Die Ultraschallsonde gemäß Fig. 1 enthält eine Achtsegment- Piezoelementanordnung (eine Meßwertumformer-Elementanordnung) 1. Die Piezoelementanordnung 1 besitzt insbesondere ein Mittelscheiben-Piezoelement (ein Mittelscheiben-Meßwertumformerelement) 2A und Ring-Piezoelemente (Ring-Meßwertumformerelemente) 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G und 2H, die sich konzentrisch um das mittlere Piezoelement 2A erstrecken. Während eines Abtastverfahrens wird die Piezoelementanordnung 1 innerhalb einer Flüssigkeit in einer Richtung senkrecht zu ihrer Achse durch einen bekannten Treibermechanismus (nicht gezeigt) mechanisch bewegt. Die Piezoelemente 2A bis 2H sind durch ringförmige Zwischenräume 3 getrennt. Die Piezoelemente 2A bis 2H bilden eine Sende-/Empfangsfrontoberfläche, die konkav mit einer vorbestimmten Krümmung geformt ist, um gesendete und empfangene Ultraschallwellenstrahlen konstruktiv zu fokussieren. Die Flächen der äußeren Piezoelemente 2E bis 2H auf der Sende- /Empfangsfrontoberfläche sind ungefähr gleich groß gemacht, mit einer Genauigkeit entsprechend den Flächen der ringförmigen Zwischenräume 3. Die Flächen der inneren Piezoelemente 2A bis 2D auf der Sende-/Empfangsoberfläche sind ungefähr gleich einer Hälfte der Fläche eines typischen der äußeren Piezoelemente 2E bis 2H gemacht, mit einer Genauigkeit entsprechend den Flächen der ringförmigen Zwischenräume 3. Im Speziellen sind die Abmessungen der Piezoelemente 2A bis 2H wie folgt gewählt:
Der Außendurchmesser des Elements 2A: 6,54 mm
Der Innendurchmesser des Elements 2B: 6,94 mm
Der Außendurchmesser des Elements 2B: 9,56 mm
Der Innendurchmesser des Elements 2C: 9,92 mm
Der Außendurchmesser des Elements 2C: 11,88 mm
Der Innendurchmesser des Elements 2D: 12,28 mm
Der Außendurchmesser des Elements 2D: 13,92 mm
Der Innendurchmesser des Elements 2E: 14,32 mm
Der Außendurchmesser des Elements 2E: 17,26 mm
Der Innendurchmesser des Elements 2F: 17,66 mm
Der Außendurchmesser des Elements 2F: 20,12 mm
Der Innendurchmesser des Elements 2G: 20,52 mm
Der Außendurchmesser des Elements 2G: 22,66 mm
Der Innendurchmesser des Elements 2H: 23,06 mm
Der Außendurchmesser des Elements 2H: 25,00 mm
Die Breite des jeweiligen Zwischenraums 3: 0,20 mm
Fig. 2 zeigt Ergebnisse einer Computersimulation, um Bedingungen von dynamischem Fokussieren 2u berechnen, die während eines Empfangs von Echosignalen durch die Ultraschallsonde aus Fig. 1 auftreten. Für diese Computersimulation gilt: Die Sende-/Empfangsoberfläche der Piezoelementanordnung 1 war als flach definiert, sodaß der bauliche Brennpunkt ins Unendliche gelegt wurde; die Hauptfreguenz der Echosignale war auf 3,5 MHz gesetzt; die Impulslänge des Ultraschallwellenstrahls betrug das Dreifache der Wellenlänge der Hauptfrequenz-Ultraschallwelle; und die Einhüllende der Impulse des Ultraschallwellenstrahls besaß die Halbsinusform oder die halbsinusförmige Form. Zudem wurde bei dieser Computersimulation eine nichtlineare Wirkung bei der Impulsausbreitung in einem Ultraschallwellen-Übertragungsmedium nicht berücksichtigt.
Der Ultraschallwellenstrahl soll in einer Prüf-Entfernung von 50 mm durch Verwendung der drei inneren Piezoelemente 2A bis 2C fokussiert sein. Aus Figur 2 wird deutlich, daß eine durch -20dB- Linien bestimmte Strahlweite relativ klein und der Fokussiergrad in einem Prüf-Bereich von 0 bis 50 mm ausreichend ist. Da zudem die Durchmesser der drei fokussierenden Piezoelemente 2A bis 2C kleiner sind als die Durchmesser der drei fokussierenden Piezoelemente 52A bis 52C der herkömmlichen Ultraschallsonde 51 gemäß Fig. 4, ist eine durch -20dB-Linien bestimmte Strahlweite größer als die der herkömmlichen Ultraschallsonde 51 gemäß Fig. 4, sodaß eine Gleichmäßigkeit des Ultraschallwellenstrahls in Bezug auf die der herkömmlichen Ultraschallsonde 51 gemäß Fig. 4 verbessert ist.
Die vorstehend genannten Vorteile dieser, in Fig. 2 gezeigten, Erfindung bedeuten unerwartete Ergebnisse oder Nicht-Offensichtlichkeit dieser Erfindung gegenüber dem Stand der Technik.
Eine Ultraschallsonde enthält eine erste Gruppe von einem oder mehreren sich konzentrisch erstreckenden Piezoelementen, und eine zweite Gruppe von einem oder mehreren sich konzentrisch erstreckenden Piezoelementen, die sich außerhalb der Elemente der ersten Gruppe erstrecken. Die Elemente der ersten und zweiten Gruppen bilden eine Frontoberfläche über die eine Ultraschallwelle gesendet und empfangen wird. Die Elemente der ersten und zweiten Gruppen sind durch vorbestimmte Zwischenräume getrennt. Flächen der jeweiligen Elemente der zweiten Gruppe auf der Frontoberfläche sind im wesentlich gleich groß, mit einer Genauigkeit entsprechend den Flächen der Zwischenräume auf der Frontoberfläche. Flächen der jeweiligen Elemente der ersten Gruppe auf der Frontoberfläche betragen im wesentlichen die Hälfte der Flächen der jeweiligen Elemente der zweiten Gruppe, mit einer Genauigkeit entsprechend den Flächen der Zwischenräume.

Claims

1. Ultraschallsonde mit einer Anordnung konzentrischer Piezoelemente (2A bis 2H),

gekennzeichnet durch

eine erste Gruppe (2A bis 2D) von einem oder mehreren Piezoelementen;

eine zweite Gruppe (2E bis 2H) von einem oder mehreren Piezoelementen, die sich außerhalb der ersten Gruppe erstrecken;

wobei die Elemente eine Frontoberfläche bilden, über die eine Ultraschallwelle gesendet und empfangen wird; die Elemente durch vorbestimmte, ringförmige Zwischenräume (3) getrennt sind; die Fläche eines Elements der zweiten Gruppe auf der Frontoberfläche im wesentlichen gleich der Fläche jedes anderen Elements der zweiten Gruppe ist, mit einer Genauigkeit entsprechend der Fläche eines ringförmigen Zwischenraums auf der Frontoberfläche; und die Fläche eines Elements der ersten Gruppe auf der Frontoberfläche im wesentlichen gleich einer Hälfte der Fläche eines Elements der zweiten Gruppe ist, mit einer Genauigkeit entsprechend der Fläche eines ringförmigen Zwischenraums.

2. Ultraschallsonde mit einer Anordnung konzentrischer Meßwertumformerelemente (2A bis 2H),

gekennzeichnet durch

eine erste Gruppe von Meßwertumformerelementen;

eine zweite Gruppe von Meßwertumformerelementen, die sich außerhalb der ersten Gruppe erstrecken;

wobei die Elemente eine Frontoberfläche bilden, über die eine Ultraschallwelle gesendet und empfangen wird; wobei die Fläche eines Elementes der zweiten Gruppe auf der Frontoberfläche im wesentlichen gleich der Fläche jedes anderen Elements der zweiten Gruppe ist; und die Fläche eines Elements der ersten Gruppe auf der Frontoberfläche im wesentlichen gleich einer Hälfte der Fläche eines Elements der zweiten Gruppe ist.

3. Ultraschallsonde mit einer Anordnung konzentrischer Meßwertumformerelemente (2A bis 2H),

gekennzeichnet durch

eine erste Gruppe mit zumindest einem Meßwertumformerelement;

eine zweite Gruppe mit zumindest einem Meßwertumformerelement, das sich außerhalb der Elemente der ersten Gruppe erstreckt;

wobei die Elemente eine Frontoberfläche bilden, über die eine Ultraschallwelle gesendet und empfangen wird; und die Fläche des Elements der ersten Gruppe auf der Frontoberfläche im wesentlichen gleich einer Hälfte der Fläche des Elements der zweiten Gruppe auf der Frontoberfläche ist.