DE68920721T2

DE68920721T2 - Mechanisch steuerbare Miniatur-Ultraschallsonde.

Info

Publication number: DE68920721T2
Application number: DE68920721T
Authority: DE
Inventors: Bjorn A J Angelsen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-12-22
Filing date: 1989-11-07
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2009-11-08
Also published as: EP0375132A1; EP0375132B1; US4972839A; ATE117189T1; JPH02195949A; DE68920721D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Ultraschallsonden und insbesondere miniaturisierte steuerbare Ultraschallsonden zum Gebrauch bei medizinischen Anwendungen wie zum Beispiel Anwendungen in Hohlräumen und chirurgischen Anwendungen.
Ultraschallabbildung ermöglicht es vorteilhaft, Strukturen innerhalb eines menschlichen oder eines Tierkörpers wie zum Beispiel biologisches Gewebe in Echtzeit sichtbar zu machen sowie Blut- und andere Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeiten in internen Körperstrukturen wie Blutgefäßen und Herzhöhlen zu messen und abzubilden. Wie bisher praktiziert, wird ein Wandler typischerweise nichtinvasiv auf die Haut oder innerhalb eines auf natürlichem Wege zugängigen inneren Hohlraums wie der Speiseröhre, der Vagina und des Rectums plaziert. Den Ultraschallstrahl lädt man dann durch die äußere oder innere Wand oder Haut oder Gewebeoberflache abtasten, um Puls-Echo-Reflektionsabbildung von Gewebestrukturen in der Haut oder Hohlraumwand und der dem Hohlraum benachbarten Strukturen -- zum Beispiel dem Herzen, Milz, Prostata und Uterus -- durchzuführen.
Für intrakavitäre Anwendungen sind verschiedene Arten von Anordnungen -- wie geschaltete lineare oder krummlinige Anordnungen und phasenlineare Anordnungsarten -- verwendet worden. Der Gebrauch von ringförmigen Anordnungen ist bei solchen Anwendungen besonders vorteilhaft, da dieselben einen rundsymmetrischen dynamischen Brennpunkt bilden und da es relativ einfach ist, Dauerbetrieb(CW)-Dopplermessungen von Blutgeschwindigkeiten durch Verwendung eines steuerbaren, wenn auch mechanisch steuerbaren, Ultraschallstrahls durchzuführen. Darüberhinaus ist es, da die individuellen Bauelemente dieser Wandler breiter sind, einfacher solche Wandler zum Gebrauch bei höheren Ultraschallfrequenzen als mit phasenlinearen Anordnungen herzustellen. Weiter weisen ringförmige Anordnungen erhöhtes Ansprechvermögen für Dopplermessungen und für Abbildung von Blutgeschwindigkeiten auf.
Phasenanordnungen und lineare Anordnungen bereiten auf der anderen Seite Probleme beim Betrieb bei relativ hohen Frequenzen, zum Beispiel in dem Bereich von 7 bis 10 MHz. Darüberhinaus ermöglichen dieselben elektronisch gesteuerte Scharfstellung nur in der Abtastfläche, wobei der Brennpunkt senkrecht zu dieser Fläche fixiert wird, wohingegen ringförmige Anordnungen verbesserte laterale Auflösung senkrecht zu der Abtastfläche ermöglichen.
Ringförmige Anordnungen sind jedoch nachteilhaft bei Anwendungen wie den, die für die vorliegende Erfindung vorgesehen sind, da es für dieselben notwendig ist, dar Strahlabtasten durch mechanische oder andere physikalische Bewegung des Wandlers, wie durch eine vorbestimmte Taumel- oder Drehbewegung, ausgeführt wird. Dieses stellte sich als besonders problematisch bei Anwendungen heraus, die geeignet sind für oder für die intrakavitäre Einführung der Sonde notwendig ist, da für die stark miniaturisierten Konstruktionen, die notwendig sind, um die Einführung derselben in den Körper zu ermöglichen, Ultraschallsonden nach dem Stand der Technik nicht in der Lage waren, ausreichend genaue Kontrolle über die mechanische Bewegung des Strahls für diese Anwendungen zu erreichen -- insbesondere wenn eine Taumelbewegung des Strahls wünschenswert ist oder benötigt wird. Dieser Mangel hat den völlig effektiven Gebrauch von Ultraschallsonden während Operationen -- wie beispielsweise bei in situ Beobachtungen von unsezierten Strukturen wie Tumoren und Atheromen in Gefäßen, und bei der Messung und Abbildung von Blutgeschwindigkeiten in Gefäßen und Herzhöhlen, um sowohl Anleitung vor Behandlungsweisen als auch laufende Kontrolle chirurgischer Eingriffe und wissenschaftlicher Auswertungen zu ermöglichen, ernsthaft behindert.
Es ist daher das Anliegen der Erfindung eine miniaturisierte Ultraschallsonde zu schaffen, die höchst akurate Steuerbarkeit und Kontrolle des abtastbaren Ultraschallstrahls derselben ermöglicht. Eine besondere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer miniaturisierten Sonde, in der der Ultraschallstrahl zur Ermöglichung effektiver intrakavitärer Verwendung mechanisch steuerbar ist.
Ein Beispiel des Standes der Technik einer solchen Sonde wird in DE 3813298 beschrieben.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht weiter in der Schaffung einer Sonde, die in der Lage ist, einen Ultraschallstrahl sowohl bei hohen Frequenzen für hohe Auflösungsabbildung, als auch bei relativ niedrigen Frequenzen für verbesserte Durchdringung und Abbildung größerer physischer Strukturen zu projizieren. Ein Beispiel des Standes der Technik für eine solche Sondenart wird in DE 3727213 beschrieben.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer solchen Sonde, in der die Strahlenabtastanordnung strukturell und betriebsmäßig optimiert ist, um extrem schnelle Beschleunigungen des Strahls und folglich der Richtungsänderung der Strahlbewegung zu ermöglichen, so daß zeitgestaffelte zweidimensionale Abbildung und Dopplermessung von beispielsweise Blutgeschwindigkeiten bei einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um sich effektiver Gleichzeitigkeit derselben anzunähern, ermöglicht werden.
Folglich wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eine miniaturisierte Ultraschallsonde für medizinische Anwendungen, wie zum Beispiel Anwendungen in Hohlräumen oder chirurgischen Anwendungen geschaffen, welche Sonde aufgeweist:
ein Ultraschallwandlermittel zum Aussenden eines Ultraschallstrahls;
einen elektrischen Motor mit einer Welle, der zum Drehen der Welle betreibbar ist, wobei das Wandlermittel mit der Welle für selektive Drehung des Wandlermittels mit der Welle verbunden ist, um den durch das Wandlermittel ausgesendeten Ultraschallstrahl selektiv zu orientieren;
ein Sensormittel, das mit der Motorwelle verbunden ist, um ein Signal abzugeben, das die Winkelstellung der Welle und des Wandlermittels anzeigt, um so ein kontrolliertes Steuern des Wandlermittels zum selektiven Verändern der Strahlrichtung zu ermöglichen;
ein im wesentlichen abgedichtetes Gehäuse, das das Wandlermittel, den Motor und das Sensormittel umgibt, wobei das Gehäuse eine Kappe aus ultraschalldurchlässigem Material aufweist, die um das Wandlermittel angeordnet ist und innerhalb derer das Wandlermittel mit der betrieblichen Drehung der Welle ungehindert bewegbar ist; und
ein ultraschalldurchlässiges Fluid, das das im wesentlichen abgedichtete Gehäuse ausfüllt;
wobei der durch das Wandlermittel ausgesendete Ultraschallstrahl nach außen von der Sonde durch das Fluid und die Gehäusekappe abgestrahlt wird;
dadurch gekennzeichnet, daß:
der Motor einen Rotor aufweist, der mit der Welle verbunden ist und welcher Rotor aus einer selbsttragenden, kein Eisen enthaltenden Wicklung gebildet ist,
das Sensormittel ein Glied aus magnetischem Material und eine Spule aufweist, die beide eine mit der Drehachse der Motorwelle koaxiale gekrümmte Form haben, wobei eines der Elemente fest ist und das andere mit der Motorwelle für Drehung mit derselben verbunden ist, so dar das Glied in die Spule in einem Ausmaß eintritt, das von der Winkelstellung der Motorwelle abhängt, um eine Spuleninduktanz zu bilden, die eine Funktion der Stellung der Motorwelle ist;
wobei der Motor und das Sensormittel bei der Benutzung zusammenarbeiten, um selektiv die Strahlrichtung innerhalb eines Abtastsektors zu positionieren und schnelle Beschleunigung und Änderung der Strahlrichtung ermöglichen.
In den Zeichnungen bezeichnen in den verschiedenen Ansichten ähnliche Bezugsnummern ähnliche Elemente:
Fig. 1a ist ein vereinfachter Längsschnitt einer ersten Ausführungsform einer miniaturisierten Ultraschallsondenspitze, die einen mechanisch steuerbaren Ultraschallstrahl und einen erfindungsgemäßen Aufbau aufweist;
Fig. 1b stellt den sandwich-ähnlichen Aufbau eines in die in Fig. 1a gezeigte Ultraschallspitze eingebauten Wandlers dar;
Figs. 2a und 2b zeigen kurvenmäßig und graphisch anhand eines Beispiels eine periodische Abfolge von winkelförmigen Ablenkungen eines Ultraschallwandlers mit schnellen Sprüngen in Strahlrichtung, wodurch kombinierte Gewebeabbildung, Strömungsabbildung und Messungen von Blutgeschwindigkeit ermöglicht werden;
Fig. 3 ist eine ausgeschnittene Draufsicht eines Winkelstellungssensors, der in die in Fig. 1a gezeigte Sondenspitze eingebaut ist;
Fig. 4 stellt eine miniaturisierte Ultraschallspitze nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung kurvenmäßig dar, in die die in Fig. 1a gezeigte Sondenspitze eingebaut ist;
Fig. 5 stellt eine Modifizierung der in Fig. 1a gezeigten Sondenspitze in Längsschnitt dar;
Fig. 6 ist ein Elevationsschaubild der Hand eines Benutzers, die eine miniaturisierte Ultraschallsonde nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hält;
Fig. 7a und 7b stellen die in Fig. 6 gezeigte miniaturisierte Ultraschallspitze in vereinfachtem Längs schnitt dar; und
Fig. 8 ist ein Elevationsschaubild einer modifizierten Anordnung zum Halten der in Figs. 6 und 7 gezeigten Sonde auf der Hand eines Benutzers.
Unter Bezugnahme zunächst auf Fig. 4 ist eine erste Ausführungsform einer miniaturisierten Ultraschallsonde dargestellt, die der vorliegenden Erfindung gemäß ausgeführt ist. Die Sonde umfaßt eine miniaturisierte Sondenspitze 401, die, wie im folgenden zusätzlich detailiert beschrieben wird, einen Motor, einen Winkelstellungssensor und einen schwenkbaren Wandler 402, der im wesentlichen von einer schalldurchlässigen Kappe 403 umgeben wird, aufweist. Das Innere der Kappe 403 ist vorzugsweise mit einem schalldurchlässigen Fluid gefüllt. Die Sondenspitze 401 wird unselbstständig auf einem Arm oder Träger 404 und einem daran angebrachten Handgriff 405 getragen, der entsprechend zum leichten Ergreifen durch die Hand eines Benutzers ausgeführt sein kann, um die Einführung und Handhabung mindestens der Sondenspitze 401 im Inneren eines Hohlraums eines menschlichen oder Tierkörpers oder in einem Operationsgebiet zu vereinfachen.
Arm 404 kann aus einem relativ steifen oder unbiegsamen Material für solche Anwendungen wie Abbildung durch die Vagina und durch das Rectum gebildet werden, oder derselbe kann biegbar oder in anderer Weise flexibel sein, wie in einem Gastroskop zur Abbildung des Herzens und der Aorta oder des Magen-Darm-Traktes durch die Speiseröhre. Wenn der Arm 404 flexibel ausgeführt ist, kann ferngesteuerte dynamische Biegung oder Umgestaltung des Arms zur angemessenen Steuerung oder Lenkung der Sondenspitze 401 in oder durch den Körper durch die Bereitstellung von Leitungen oder Drähten ermöglicht werden, wie bereits in Verbindung mit Endo-/Gastroskopen bekannt ist.
Eine solche selektiv ferngesteuerte Steuerung kann beispielsweise durch Bedienung von Steuerrädern oder -griffen 406, 407 durch den Benutzer ausgeführt werden, um zweiflächige dynamische Umgestaltung des flexiblen Arms 404 zu ermöglichen. Wie dem Fachmann bekannt sein dürfte, ist der Schallwandler 402 für eine Drehbewegung um die Sondenachse ausgelegt, um funktionsmäßig eine Abtastfläche oder einen Abtastsektor 408 des Ultraschallstrahls zu bilden.
Eine besonders bevorzugte, aber nicht erforderliche Wandlerausführung zur Verwendung in der erfindungsgemäßen miniaturisierten Ultraschallsonde ist in Fig. 1b abgebildet. Wie dort gezeigt wird, weist der Wandler die Form eines sandwichähnlichen Zweifrequenzaufbaus, der aus einer Vielzahl von scheibenförmigen Bauelementen zusammensetzt ist, auf. Spezifischer ausgedrückt besteht die Wandleranordnung aus einem ersten scheibenförmigen Wandler 108, einem zweiten scheibenförmigen Wandler 109 und einem scheibenförmigen akustisch isolierenden Material 110, das zwischen denselben eingefügt ist und die gegenüberliegend entgegengesetzten Stirnseiten der Wandler 108 und 109 verbindet. Der erste Wandler 108 ist zur betriebsmäßigen Strahlung aus der Stirnseite oder Oberfläche desselben entgegengesetzt dem akustisch isolierenden Material 110 bei einer Ultraschallfrequenz A ausgelegt, und der zweite Wandler 109 strahlt in ähnlicher Weise betriebsmäßig aus seiner Stirnseite entgegengesetzt Material 110 bei einer anderen Ultraschallfrequenz B. Auf diese Weise ist die Wandleranordnung in der Lage, verschiedene Ultraschallfrequenzen aus den entgegengesetzten Stirnseiten betriebmäßig auszusenden, wobei, wie gegenwärtig betrachtet wird, einer der Wandler zu jeder bestimmten Zeit ausgewählt wird, wie beispielsweise durch Verwendung von Relais oder anderen geeigneten Steuerschaltungen, und dadurch mit einem angeschlossenen Ultraschallscanner (nicht gezeigt) oder ähnlichem verbunden wird. Umschalten von dem ersten zu dem zweiten, oder von dem zweiten zu dem ersten Wandler -- wie beispielsweise durch ein Bedienungsfeld des Scanners ausgewählt -- erfordert daher, daß die Zweifrequenzsonde um 180 Grad um ihre Längsachse gedreht wird, um dasselbe (dieselben) Ziel(e) innerhalb des Abtastsektors abzutasten.
Die primären Bauelemente der in Fig. 4 gezeigten Sondenspitze 401 sind in Fig. 1a dargestellt. Ein elektrischer Motor 101, der innerhalb einer Motorumkleidung oder -gehäuses 102 angebracht ist, ist zum Drehen der Motorwelle 103, die entlang der Haupt- oder Längsachse der Sonde angeordnet ist, betreibbar. Der Motor 101 kann wahlweise so konstruiert werden, daß die Welle 103 desselben nur in einem vorbestimmt begrenzten Winkelbewegungsbereich drehbar ist; alternativ können geeignete Anschlagsglieder (nicht gezeigt) oder ähnliches in jeglicher geeigneter Form mit dem Motor oder der Motorwelle oder (einem) anderen betriebsmäßig beweglichen Sondenelement(en) verbunden werden, um den Bereich der Winkelrotation des Wandlers zu begrenzen. In der dargestellten und bevorzugten Form der Erfindung ist die akustische Wandleranordnung 104 -- wie beispielsweise die in Fig. 1b abgebildete -- direkt an die Welle 103 angebracht oder in anderer Weise befestigt, so dar der Wandler 104 durch dieselbe Winkeldrehung wie der Rotor oder die Welle des Motors 101 getragen wird. Ebenfalls an die Motorwelle angebracht oder befestigt ist ein Winkelstellungssensor 105, der zur Befolgung oder Bestimmung der Winkelstellung oder -drehung des Rotors und des Ultraschallwandlers 104 betreibbar ist. Die elektrischen Anschlüsse an den Sensor 105 und den Motor 101 sind vorzugsweise, wie dem Stand der Technik bekannt, in einer Regelkreissteueranordnung verbunden, um genau kontrollierte Steuerung der Winkelstellung des Wandlers zu ermöglichen. Durch diese Anordnung kann der Ultraschallstrahl betriebsmäßig in und entlang einer gewünschten Richtung innerhalb des Abtastsektors gesteuert oder gelenkt werden, oder kann unter der Kontrolle des Benutzers veranlaßt werden, einer besonderen vorbestimmten Ablenkung einer oder einer Vielfalt von Richtungen zu folgen.
Es sollte weiter offensichtlich sein, dar die direkte Anbringung der Wandleranordnung 104 an die Motorenwelle 103 durch die Bereitstellung einer zwischen dem Wandler und Welle eingefügten angemessenen Kupplungsanordnung oder ähnlichem modifiziert werden kann, wobei der Aufbau des Sensors 105 entsprechend modifiziert wird, um den Sensor zu befähigen ein direkt von der Winkelausrichtung des Wandlers 104 abhängiges Signal auszusenden. Dennoch wird die direkte Anbringung der Wandleranordnung 104 an die Motorwelle bevorzugt, weil dieselbe die Anzahl der beweglichen Teile in der Sondenspitze erheblich verringert und auf diese Weise das Erlangen ungewöhnlich schneller Beschleunigungen und Änderungen der Strahlrichtung ermöglicht, ohne die höchst akurate mechanisch betriebene Steuerung des beweglichen Wandlers zu opfern, welche ein grundlegendes Merkmal und einen grundlegenden Vorteil der erfindungsgemäßen miniaturisierten Ultraschallsonde darstellt.
Die gesamte Sondenspitze wird von einer hermetisch oder auf andere Weise abgedichteten Umkleidung oder Hülle umgeben, die aus der akustischen Kappe 106, die aus einen ultraschalldurchlässigen Material hergestellt wird, und dem Motorgehäuse 102 besteht. Vorzugsweise ist die gesamte Sondenspitze mit einem schalldurchlässigen Fluid 100 gefüllt, so daß die Wandleranordnung 104, der Motor 101 und der Stellungssensor 105 völlig in das Fluid eingetaucht sind. Diese Anordnung vermeidet die Notwendigkeit, dynamische Flüssigkeitsdichtungen um die Motorwelle anzubringen, wodurch das Auftreten von Reibungskräften zwischen der Welle und solchen Flüssigkeitsdichtungen vermieden und die effektive Anzahl von beweglichen Teilen in der Sondenspitze minimiert wird. Weglassung von dynamischen Flüssigkeitsdichtungen um die Motorwelle schließt außerdem Probleme aus, die gewöhnlich als Folge von Flüssigkeitsentweichung durch oder um solche Dichtungen auftreten.
Die Drähte oder Leitungen, die die elektrischen Anschlüsse an den Wandler 104, den Motor 101 und den Stellungssensor 105 darstellen, gehen durch eine hintere Umkleidung 107 zur Verbindung an das Abbildungssystem oder den Abbildungsapparat, an den die erfindungsgemäße miniaturisierte Ultraschallsonde in jeglicher angemessenen Art und Weise betriebsmäßig angeschlossen ist, aus der Sonde heraus. Die elektrischen Anschlüsse an den taumelnden oder auf andere Weise beweglichen Wandler und an den Motor können beispielsweise durch Verwendung sogenannter Leitungen mit freier Zuleitung bequem eingefügt werden. Um Biegen und Knicken und entsprechende Beschädigung und Bruch der Drähte, die an den Wandler 104 und den Motor 101 angeschlossen sind, zu reduzieren, können diese Drähte 112 vorteilhaft durch das hohle Innere 111 der Motorwelle hindurchgeführt werden, aus der Welle an dem nach hinten angeordneten Ende 113 derselben herausgehen und anschließend durch die hintere Umkleidung 107 der Sondenspitze hindurchgeführt werden. Diese Anordnung lädt beide strahlaussendenden Stirnseiten der Wandlerscheibenanordnung zur unbehinderten Schallaussendung frei, und die Anschlußstelle an dem Ende 113 der hohlen Welle erlaubt nur ein minimales Biegen der Drähte durch Taumeln oder andere Drehbewegungen der Motorwelle und der Wandleranordnung.
Fig. 2a stellt einen typischen Sektor 10 eines Feldes dar, innerhalb welchem ein Ultraschallwandlerstrahl, der aus der erfindungsgemäßen miniaturisierten Sonde ausgesendet wird, betriebsmäßig abgelenkt wird. Die schattierte Linie 12 zeigt die zu jenem Zeitpunkt gegenwärtige Strahlrichtung; die Winkelstellung des Strahls wird von der mittleren Sektorenlinie 14 zu der gegenwärtigen Strahlrichtung 12 gemessen, wie durch den Pfeil 16 angezeigt wird. Fig. 2b zeichnet die veränderte Winkelstellung eines Ultraschallstrahls über eine bestimmte Zeitspanne auf, während der der Strahl innerhalb des Sektors 10 durch eine periodische oder wiederholbare beispielsweise Abfolge von gerichteten Ablenkungen, die lediglich zu Beschreibungszwecken dargestellt sind, abgelenkt wird. So beginnen die in Fig. 2b dargestellten Ablenkungssegmente mit einer ersten, ziemlich schnellen Sektorenablenkung 201 des Strahls zur Durchführung von Gewebeabbildung, gefolgt von einer schnellen Änderung 202 der Strahlrichtung vorbereitend zu einer zweiten, relativ langsameren Ablenkung 203, die an einer verringerten Winkelstellung beginnt, zur Durchführung von Strömungsabbildung. Dieser folgt dann eine weitere schnelle Veränderung 204 der Strahlrichtung zu einer festen Strahlwinkelstellung 205 zur Durchführung von entweder Impuls- oder Dauerbetrieb-Dopplermessungen, und eine dritte schnelle Veränderung 206 der Strahlrichtung zu einer vorbestimmten Winkelstellung zum Beginn einer neuen Abfolge oder Sequenz beispielsweise einer ähnlichen Gruppe von winkelmäßigen Ablenkungen, beginnend mit einer ersten schnellen Sektorenablenkung 207 zur Durchführung von Gewebeabbildung.
Bei den gegenwärtig betrachteten medizinischen Anwendungen der erfindungsgemäßen miniaturisierten Ultraschallsonde ist es wichtig, daß die Änderungen 202, 204, 206 der Strahlrichtung mit ausreichender Schnelligkeit ausgeführt werden, so daß verschiedene Messungen, -- wie beispielsweise Gewebeabbildung, Abbildung von Strömungsgeschwindigkeiten und Dopplermessungen von Blutgeschwindigkeiten -- zeitlich so dicht zusammen ausgeführt werden, daß sie einem Benutzer im wesentlichen simultan oder gleichzeitig erscheinen, wie beispielsweise gemäß dem zeitgestaffelten Verfahren, das in US-Patent 4,559,952 unter dem Titel "Method of Ultrasonically Measuring Blood Velocity" - Verfahren zur Ultraschallmessung von Blutgeschwindigkeit - offenbart wird. Folglich ist die Ausführung der erfindungsgemäßen miniaturisierten Ultraschallsonde optimiert, um ungewöhnlich schnelle Beschleunigung der Strahlrichtung zu ermöglichen und auf diese Weise die Schaltzeit zwischen den vorgesehenen Betriebsarten derselben zu minimieren. Wie hier offenbart weist die Ausführung der erfindungsgemäßen Sonde dementsprechend eine Minimierung der beweglichen Teile, der Anzahl beweglicher Teile sowie der Kräfte, die zur Bewegung dieser Teile überwunden werden müssen, auf. Diese Absichten wurden beispielsweise durch direkte Anbringung des Wandlers an die Motorwelle erfüllt. Es ist in dieser Hinsicht weiter bevorzugt, daß der Motor einen Rotor verwendet, der auf einer selbsttragenden, kein Eisen enthaltenden Wicklung gebildet wird und darüberhinaus, dar die Sonde einen Stellungssensor geringer Masse wie beispielsweise den in Fig. 3 dargestellten und im folgenden beschriebenen aufweist. Die vorliegende Ausführung realisiert weiter ungewöhnlich schnelle Beschleunigungen der Strahlrichtung durch Vermeidung des Gebrauchs von dynamischen Flüssigkeitsdichtungen auf der oder um die Motorwelle -- aufgrund der Anordnung des Motors, des Stellungssensors und des Wandlers in einer flüssigkeitsgefüllten Kammer -- wodurch die Reibung durch solche Dichtungen eliminiert wird, welche ansonsten die Betriebsbewegung und Beschleunigung des Ultraschallstrahls behindern würde.
Eine gegenwärtig bevorzugte Form eines Winkelstellungssensors 105 ist in Fig. 3 abgebildet. Ein Ferritglied 301 in Form eines gekrümmten oder allgemein runden Toroids ist mit der Motorwelle 302 durch einen radial orientierten Arm 303 verbunden. Folglich trägt die Motorwelle, wenn dieselbe betriebsmäßig gedreht wird, das Ferritglied 301 entsprechend und zunehmend in das oder aus dem Inneren einer zirkulär gewickelten Spule 304. Die Induktanz der Spule 304 hängt folglich davon ab, wie weit das Ferritglied in das Innere der Spule eintritt, wodurch die Induktanz die relative Winkelstellung und Änderungen dieser Winkelstellung der Motorwelle 302 und der direkt verbundenen Wandleranordnung anzeigt.
Zusätzlich zu seiner strukturellen Einfachheit und der resultierenden Betriebsverläßlichkeit weist der in Fig. 3 dargestellte Stellungssensor den Vorteil auf, daß nur zwei elektrische Leitungs- oder Drahtanschlüsse 305 benötigt werden, um die Winkelstellung oder Änderungen der Winkelstellung der Motorspule und folglich der Ultraschallstrahlrichtung wahrzunehmen. Fachmänner werden selbstverständlich erkennen, daß der in Fig. 3 dargestellte Stellungssensor leicht modifiziert werden kann, als eine Frage der Ausführungswahl, beispielsweise durch Anbringung der Spule 304 an den wellenabhängigen Arm 303 und durch Festhalten des Ferritglieds 301, während sich die Spule betriebsmäßig über dem und um das unbewegliche Ferritglied bewegt.
Da die Umkleidung der Sondenspitze hermetisch oder in anderer Weise abgedichtet ist, ist es vorteilhaft und bevorzugt Mittel zur Anpassung an relative Änderungen -- die beispielsweise eine Folge temperaturbedingter Ausdehnung oder Zusammenziehung sein können -- des Volumens des schalldurchlässigen Fluids, welches das abgedichtete Innere der Sondenspitze ausfüllt, zu ermöglichen. Solche volumenmäßigen Änderungen können durch Einbringung eines flexiblen Bereichs in die Umkleidungswand der Sondenspitze, oder wie in Fig. 5 dargestellt durch Erweiterung des hinteren Endes der Sondenspitzenumkleidung durch eine flexible oder elastische Röhre 501, angepaßt werden. Die flexible Röhre kann beispielsweise in der Spitze eines Gastroskops oder ähnlichem angebracht werden und wird aufgrund ihrer Flexibilität weder den unflexiblen vorderen Teil der Sonde verlängern, noch jegliche praktische Auswirkungen auf die Flexibilität der Gastroskopspitze haben. In der in Fig. 5 gezeigten Modifikation füllt das akustische Fluid 500 die Gesamtheit der dargestellten Sondenstruktur aus.
Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ultraschallsonde, die zum besonders vorteilhaften Gebrauch bei chirurgischen Anwendungen ausgeführt ist, ist in den Figuren 6 bis 8 dargestellt. In dieser zweiten Ausführungsform können die Bewegungs- oder Betriebselemente der Sonde und sind bevorzugt im wesentlichen wie vorhergehend bezüglich der ersten Ausführungsform ausgeführt sein. In diesem Fall sind der Wandler, Antriebsmotor und Winkelstellungssensor jedoch von einem kombinierten Umkleidungs- und Greifsystem 601 (Fig.6) umgeben, das besonders zum leichten Festhalten zwischen zwei benachbarten Fingern oder Fingerspitzen der Hand eines Benutzers ausgeführt ist. Diese Anordnung ermöglicht leicht und bequem gesteuerte Bewegung der Sonde über ein chirurgisches Gebiet unter Fingerspitzenkontrolle des Benutzers, ohne daß die Sicht des Chirurgen oder Operateurs auf das Gebiet beeinträchtigt wird. Das Elektrokabel 602, das die miniaturisierte Sonde mit dem angeschlossenen Antriebs- und/oder Abbildungsgerät (nicht gezeigt) verbindet, kann wie geeignet mit Klebeband auf oder auf andere Weise an der Hand und/oder dem Handgelenk des Benutzers entlangführt werden, wodurch eine Störung des typischen Sektorenabtastbereichs 603 des von der Sonde ausgesendeten Strahls vermieden wird.
Ein bevorzugter Aufbau des kombinierten Umkleidungs- und Greifsystems 601 zum Festhalten der miniaturisierten Sonde zwischen zwei benachbarten Fingerspitzen wird in den Figuren 7a und 7b detailierter gezeigt. Im wesentlichen konkave oder in anderer Weise geeignet gekrümmte Fingergreifoberflächen 701 sind in der äußeren Umkleidung der Sondenhülle definiert; die Wandleranordnung, der Motor und der Winkelstellungssensor sind wie zuvor in Zusammenhang mit der in den Figuren 1a, 1b und 3 gezeigten ersten Ausführungsform beschrieben ausgelegt. Eine Hülle 702 bildet eine stromlinienförmige flexible Verbindung zwischen dem Wandlergehäuse und dem nach hinten gestreckten Elektrokabel 602. Die Wandlerumkleidung oder das Wandlergehäuse kann weiter vorteilhaft einen flexiblen oder elastischen Teil aufweisen, so wie die nach hinten angeordnete und gestreckte Röhre 501 (Fig 5) der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, um volumenmäßige Änderungen des akustischen Fluids, das das abgedichtet Innere der Sondenspitze ausfüllt, anzupassen.
Ein modifiziertes Greifsystem, das ebenfalls Fingerspitzensteuerung der Position und der Stellung der Sonde ermöglicht, ist in Fig. 8 abgebildet. Dieses modifizierte Greifsystem umfaßt eine bandähnliche Aufnahmehülse 801, die beispielsweise aus einem elastischen Material hergestellt wird und abhängig oder lösbar eingreifbar an die äußere Umkleidung der Sonde 802 befestigt wird. Diese Anordnung ermöglicht akurate und bequeme Stellungskontrolle und -bewegung der Sonde in und um das chirurgische Gebiet durch Handhabung eines einzigen Fingers oder Fingerspitze des Benutzers.

Claims

1. Miniaturisierte Ultraschallsonde für medizinische Anwendungen wie zum Beispiel Anwendungen in Hohlräumen oder chirurgischen Anwendungen, welche Sonde aufweist:

ein Ultraschallwandlermittel (104) zum Aussenden eines Ultraschallstrahls (12);

einen elektrischen Motor (101) mit einer Welle (103), der zum Drehen der Welle betreibbar ist, wobei das Wandlermittel mit der Welle für selektive Drehung des Wandlermittels mit der Welle verbunden sind, um den durch das Wandlermittel ausgesendeten Ultraschallstrahl selektiv zu orientieren;

ein Sensormittel (105), das mit der Motorwelle (103) verbunden ist, um ein Signal abzugeben, das die Winkelstellung der Welle und des Wandlermittels (104) anzeigt, um so ein kontrolliertes Steuern des Wandlermittels zum selektiven Verändern der Strahlrichtung zu ermöglichen;

ein im wesentlichen abgedichtetes Gehäuse (102), das das Wandlermittel, den Motor und das Sensormittel umgibt, wobei das Gehäuse eine Kappe (106) aus ultraschalldurchlässigem Material aufweist, die um das Wandlermittel angeordnet ist und innerhalb derer das Wandlermittel mit der betrieblichen Drehung der Welle ungehindert bewegbar ist; und

ein ultraschalldurchlässiges Fluid (100), das das im wesentlichen abgedichtete Gehäuse (102, 106) ausfüllt;

wobei der durch das Wandlermittel ausgesendete Ultraschallstrahl nach außen von der Sonde durch das Fluid und die Gehäusekappe (106) abgestrahlt wird;

dadurch gekennzeichnet, daß:

der Motor (101) einen Rotor aufweist, der mit der Welle (103) verbunden ist und welcher Rotor aus einer selbsttragenden, kein Eisen enthaltenden Wicklung gebildet ist,

das Sensormittel (105) ein Glied (301) aus magnetischem Material und eine Spule (304) aufweist, die beide eine mit der Drehachse der Motorwelle (103) koaxiale gekrümmte Form haben, wobei eines der Elemente fest ist und das andere mit der Motorwelle (103) für Drehung mit derselben verbunden ist, so daß das Glied (301) in die Spule (304) in einem Ausmaß eintritt, das von der Winkelstellung der Motorwelle (103) abhängt, um eine Spuleninduktanz zu bilden, die eine Funktion der Stellung der Motorwelle (103) ist;

wobei der Motor (101) und das Sensormittel (105) bei der Benutzung zusammenarbeiten, um selektiv die Strahlrichtung innerhalb eines Abtastsektors zu Positionieren und schnelle Beschleunigung und Änderung der Strahlrichtung ermöglichen.

2. Miniaturisierte Ultraschallsonde nach Anspruch 1, bei der das Wandlermittel (104) direkt auf der Motorwelle (103) angebracht ist.

3. Miniaturisierte Ultraschallsonde nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Wandlermittel wenigstens zwei Wandler aufweist: einen ersten Wandler (108) zum Aussenden eines Ultraschallstrahls in einer ersten Richtung und einen zweiten Wandler (109) zum Aussenden eines Ultraschallstrahls in einer zweiten Richtung, und wobei die Wandler individuell betreibbar sind und jeder Wandler betriebsmäßig einen Ultraschallstrahl mit einer unterschiedlichen Frequenz abgibt, so daß Multifrequenzbetrieb der Probe ermöglicht wird.

4. Miniaturisierte Ultraschallsonde nach Anspruch 3, die zwei Wandler (108, 109) aufweist, wobei das Wandlermittel weiter eine sandwichähnliche Struktur aufweist, in der die ersten und zweiten Wandler Rücken an Rücken angebracht sind, um die Ultraschallstrahlen in gegenüberliegenden Richtungen auszusenden, und wobei der erste (108) und der zweite (109) Wandler durch ein akustisch isolierendes Zwischenmaterial (110) verbunden sind.

5. Miniaturisierte Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die weiter elektrische Leitungen (112) aufweist, die mit dem Wandlermittel (104) verbunden sind, und wobei die Motorwelle (103) ein hohles Inneres (111) aufweist, um durch dieselbe die elektrischen Leitungen (112) aufzunehmen, wodurch Beschädigung der Leitungen bei Drehbewegung der Motorwelle und des Wandlermittels vermieden werden.

6. Miniaturisierte Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Gehäuse weiter einen flexiblen Bereich (501) zum Aufnehmen von volumenmäßigen Änderungen des Fluids aufweist.

7. Miniaturisierte Ultraschallsonde nach Anspruch 6, bei der der flexible Bereich einen flexiblen röhrenförmigen Teil (501) aufweist, der von der Gehäusekappe entfernt angeordnet ist.

8. Miniaturisierte Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die weiter einen flexiblen Arm (404) aufweist,

und wobei das Gehäuse an dem flexiblen Arm angebracht ist und dessen Spitze bildet.

9. Miniaturisierte Ultraschallsonde nach Anspruch 8, bei der der flexible Arm (404) das ultraschalldurchlässige Fluid enthält.

10. Miniaturisierte Ultraschallsonde nach Anspruch 8, bei der der flexible Arm (404) eine ursprüngliche Form hat, wobei weiter Steuerungsmittel (406, 402) vorgesehen sind, die zum selektiven Verändern der ursprünglichen Form des Arms betätigbar sind.

11. Miniaturisierte Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der das Gehäuse äußere Mittel (601, 701, 801) zum lösbaren In-Eingriff-Bringen der Sonde mit einem Finger eines Benutzers aufweisen, so dar eine leichte Handhabung der Sonde durch den Benutzer möglich ist.

12. Miniaturisierte Ultraschallsonde nach Anspruch 11, wobei die äußeren Mittel ein Paar von gegenüberliegend angeordneten Ausnehmungen (701) aufweisen, von denen jede zum Aufnehmen eines Fingers des Benutzers ausgebildet ist.

13. Miniaturisierte Ultraschallsonde nach Anspruch 11, wobei die äußeren Mittel Bandmittel (801) zum lösbaren Aufnehmen eines Fingers eines Benutzers aufweisen.

14. Miniaturisierte Ultraschallsonde nach Anspruch 11, wobei die äußeren Mittel Mittel (601, 701) zum lösbaren Festhalten der Sonde zwischen zwei benachbart angeordneten Fingern eines Benutzers aufweist.