DE68924057T2

DE68924057T2 - Anordnung von Ultraschallwandlern.

Info

Publication number: DE68924057T2
Application number: DE68924057T
Authority: DE
Inventors: William Ernest Engeler; Matthew O'donnell; Lowell Scott Smith
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1988-12-27
Filing date: 1989-12-18
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2009-12-19
Also published as: JP3010054B2; DE3941943A1; EP0376567A2; JPH02237397A; DE68924057D1; US4890268A; EP0376567A3; EP0376567B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Ultraschall-Bildgebung und insbesondere eine neuartige zweidimensionale, phasengesteuerte Array eines Ultraschallwandlers.
Bei vielen Ultraschall-Bildgebungssystemen zur Verwendung in der medizinischen Diagnostik und dergleichen ist eine Array aus mehreren unabhängigen Wandlern gebildet und erstreckt sich in einer einzigen Dimension (etwa der X-Richtung eines cartesischen Koordinatensystems) über die Länge einer Apertur. Die an jeden der Wandler unabhängig angelegte Energie wird moduliert (hinsichtlich der Amplitude, der Zeit, der Phase, der Frequenz und ähnlicher Parameter), um einen Energiestrahl bzw. ein Energiebündel zu bilden und diesen Strahl in einer Ebene sowohl zu lenken wie zu fokussieren, welche durch die längliche Array-Dimension hindurchgeht (beispielsweise einer X-Z-Ebene, wobei die Z- Richtung senkrecht zur Array-Oberfläche verläuft). In einer querverlaufenden Y-Z-Ebene wird der Strahl jedoch tatsächlich an lediglich an einem Abstand fokussiert, weil eine feststehende mechanische Linse vorhanden ist, die verwendet wird, um den Fokus in der senkrecht zur länglichen Dimension der Array verlaufenden Richtung zu erhalten. Es ist äußerst nützlich, dazu in der Lage zu sein, den Strahl sowohl in der X-Z- wie in der Y-Z-Ebene elektronisch variabel zu fokussieren, d.h. in den X- und Y-Richtungen senkrecht zur Strahlziel-(üblicherweise die Z-)Richtung. Es ist erwünscht, die Array mit einer elektronisch gesteuerten zweidimensionalen Apertur zu versehen, in welcher jede der phasengesteuerten Array-Dimensionen eine unterschiedliche Rolle hat. Demnach dient für einen in einer gegebenen Richtung, beispielsweise der Z-Achsen-Richtung gerichteten Strahl die Strahlsteuerung in einer orthogonalen ersten oder X-Richtung dazu, die Strahlung sowohl zu steuern wie zu fokussieren, während die Strahlsteuerung in der orthogonahen zweiten oder Y-Richtung dazu verwendet wird, den Strahl an sämtlichen Stellen auf einen Punkt zu fokussieren, zu denen der Strahl gelenkt werden kann (was durch eine eindimensionale Array nicht erreicht werden kann). Deshalb emittiert eine gewünschte Wandler-Array ein Strahlungsmuster, das in den (X- oder Y-) Richtungen orthogonal zur Strahl(Z)-Richtung deutlich unterschiedliche Eigenschaften hat. Es ist deshalb stark erwünscht, eine zweidimensionale phasengesteuerte Ultraschall-Array zu schaffen, die aus einer Mehrzahl von Wandlern gebildet ist und eine Lenk- und Fokussierfähigkeit in einer ersten Richtung sowie eine Fokussierfähigkeit in der orthogonalen zweiten Richtung hat.
Die US-A-2 601 300 offenbart eine zweidimensionale, phasengesteuerte Ultraschall-Array, die eine Vielzahl von Ultraschall-Wandlern (36) aufweist, die in einer geradlinigen Annäherung von einer zweidimensionalen ovalen Apertur mit einer vorgewählten Exzentrizität angeordnet sind, wobei die Wandler im wesentlichen symmezrisch zu wenigstens der ersten Achse (X) der Array angeordnet und auch in einer Anzahl 2N von Unterarrays (32-1a/32-1b, 32-2a/32-2b, 32- 3a/32-3b, 32-4a/32-4b) angeordnet sind, die jeweils einen Wandler enthalten, wobei die Unterarrays um die erste Achse angeordnet sind, wenigstens zwei Unterarrays gegenüberliegend auf jeder Seite der ersten Achse angeordnet sind und wenigstens eine der Unterarrays auf jeder Seite der ersten Achse eine Länge, in einer Richtung im wesentlichen parallel zur ersten Achse, aufweist, die größer ist als eine Länge von allen anderen Unterarrays an einem durchschnittlichen Abstand von der ersten Achse, der größer als der durchschnittliche Abstand von demjenigen der wenigstens einen Unterarray ist; wobei jeder der Wandler getrennt aktivierbar ist für wenigstens eine Sendung und Empfang von Energie, um sowohl das dynamische Abtasten als auch das Fokussieren in der ersten Richtung und wenigstens eines der dynamischen Fokussierung und dynamischen Apodization in einer zweiten Richtung, orthogonal zu der ersten Richtung, von einem resultierenden Energiebündel zu erleichtern.
Es sind jedoch weitere Verbesserungen hinsichtlich des Kontrasts, der Bildauflösung und/oder der Einfachheit der Herstellung erwünscht.
Mit diesem Ziel schafft die Erfindung eine zweidimensionale phasengesteuerte Ultraschall-Array wie oben angegeben, wobei wenigstens eines von einer Länge Ly, wobei 1≤y≤N; einer Breite Ay in der zweiten Richtung und einer Anzahl My von Wandlern in jeder Unterarray verkleinert wird, wenn diese Unterarray weiter entfernt von der Mittellinie der Array angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine zweidimensionale, phasengesteuerte Ultraschall-Array eine geradlinige Annäherung an eine elliptische, beispielsweise ovale oder kreisförmige, Apertur, die durch eine Mehrzahl von Wandlern gebildet ist, wobei jeder zur Wandlung der elektrischen Energie in eine mechanische Bewegung während eines Sendezeitintervalls sowie zur reziproken Wandlung der mechanischen Bewegung in elektrische Energie während eines Empfangszeitintervalls dient. Die Wandler sind in einer zweidimensionalen Array im wesentlichen symmetrisch sowohl um die erste (X)-Achse wie die zweite (Y)-Achse angeordnet. Die Wandler sind in einer Mehrzahl von 2N Unterarrays regelmäßig angeordnet, von denen jede in einer ersten Richtung (d.h. parallel zur Abtastachse X) verläuft und sich in eine zweite orthogonale (die außer der Abtast-Ebene liegende oder Y-) Richtung erstreckt, die gewählt ist, um das dynamische Fokussieren zu erleichtern. Jede der Unterarrays hat eine unterschiedliche Länge in der Abtast(X)richtung und eine unterschiedliche Anzahl von Wandlern. Die Gesamtheit der unterschiedlich geformten Unterarrays approximiert eine elliptische oder ovale Apertur bzw. nähert sich dieser mit einer vorgewählten Exzentrizität an; bei einer Ausfühungsform beträgt die Exzentrizität 1, um eine kreisförmige Apertur festzulegen.
Bevorzugt ist jeder Unterarray-Wandler aus einer Mehrzahl von parallelen piezoelektrischen Blättern in einer 2-2 Keramikzusammensetzung gebildet, wobei die Blätter einen konstanten Abstand (von etwa 0,6 der akustischen Welenlänge haben), so daß die Anzahl der Blätter in einem Wandler variiert in Abhängigkeit von der Unterarray, in welcher der Wandler angeordnet ist. Die Blätter sind sämtliche durch eine Wandlerelektrode elektrisch parallel verbunden, die an gegenüberliegende erste Enden sämtlicher der Blätter in jedem Wandler angelegt ist, während eine gemeinsame Elektrode die verbliebenen Enden sämtlicher Elemente in allen Wandlern entlang jedem Wert der Abtast(X)richtung der Array verbindet.
Bei einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform arbeitet eine zweidimensionale Wandlerarray zur Kardiologie von Erwachsenen bei 5 MHz mit einer Apertur von etwa 1,5 cm Eine Mehrzahl von N=4-getrennten Unterarrays sind unabhängig auf jeder Seite der Y=0-Arraymittenlinie vorgesehen. Die Wandlerlängen und die Wandleranzahl nimmt für Y > 0 ab, um unterschiedliche geradlinige Unterarrays zu schaffen, die elne kreisförmige Apertur schrittweise annähern.
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus dem Studium der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den belliegenden Zeichnungen; es zeigen:
Fig. 1a eine perspektivische Ansicht eines Blocks einer 2-2 Verbindung zur Verwendung bei der Bildung der Wandler der Array gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1b eine perspektivische Ansicht eines Blocks einer 1-3 Verbindung, wie sie bei den Wandlern nach dem Stand der Technik verwendet wird,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer 2-2 Keramikverbindung unter Darstellung eines Verfahrens, durch welches die Verbindung hergestellt werden kann,
Fig. 3 eine Kurvendarstellung der Art und Weise, wie die verschiedenen X-Achsen-Dimensionen einer zweidimensionalen Fresnel-Plattenarray erhalten werden;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer zweidimensionalen, phasengesteuerten Fresnel-Mehrfachwandler-Array gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4a eine perspektivische Ansicht eines vergrößerten Abschnitts der Array von Fig. 4; und
Fig. 4b eine perspektivische Ansicht eines noch weiteren vergrößerten Abschnitts des Array-Abschnitts von Fig. 4a.
Zunächst wird auf Fig. 1a Bezug genommen. Wir bevorzugen zur Zeit, unsere neue zweidimensionale Wandler-Array aus einem einzigen quadratischen (oder oktagonalen) Block 10 elner 2-2 piezoelektrischen Keramikzusammensetzung zu bilden. Der Block wird mit einer Mehrzahl von Blättern 11 aus einer piezoelektrischen Keramik gebildet, wie beispielsweise einem Blei-Zirkon-Titanat-Material (PZT-5) und dergleichen, von denen jedes eine Dicke von t1 von z.B. etwa 75 u (3 Millizoll oder Mils) hat, was halb so groß ist wie eine Hälfte der akustischen Wellenlänge bei der angestrebten Ultraschallbetriebsfrequenz (z.B. 5 MHz). Die Blätter 11 sind voneinander durch Zwischenlagenschichten 12 eines akustisch inerten Polymermaterials getrennt, wie beispielsweise Epoxid und dergleichen, mit einer Dicke t2 von z.B. etwa 25 u (1 Mil), so daß die piezoelektrischen Keramikblätter 11 einen gewünschten Mitte-Mitte-Abstand S haben. Der Block 10 weist dadurch jeweils die piezoelektrischen Blätter 1 und die Polymermaterialschichten 12 auf, die in einer zweidimensionalen Ebene (hier die X-Z-Ebene) verbunden sind, mit einer ausgewählten Abmessung bzw. Dimension in zumindest einer dieser Richtungen, hier die Höhe H in der Z-Richtung (z.B. H von etwa 20 Mils). Idealerweise erstrecken sich die Blätter und Schichten sämtliche in der anderen (X)Richtung über eine Länge gleich der Länge einer Seite eines quadratischen Blocks, aus dem die Array hergestellt werden soll (obwohl ein oktogonaler, rechteckiger oder anderweitig geformter Ausgangsblock verwendet werden kann). Die Anzahl an Blättern 11 und Zwischenlagenschichten 12 wird derart gewählt, daß die Blockdicke in der verbleibenden (Y)Richtung im wesentlichen dieselbe ist wie die Blocklänge in der X-Richtung. Es ergibt sich, daß jedes der piezoelektrischen Keramikblätter 11 im wesentlichen parallel zu den benachbarten Schichten verläuft, jedoch isoliert von diesen durch zumindest eine im wesentlichen koplanare Polymerschicht 12 ist; jede der Polymerschichten 12 verläuft selbst koplanar zu, jedoch im wesentlichen isoliert von jeder anderen Polymerschicht. Dadurch hat jede aktive (piezoelektrische) Materialschicht eine Abmessung, die größer ist als eine akustische Wellenlänge in zwei Richtungen (X und Z), wie dies für jede inaktive Verbindungspolymerschicht der Fall ist. Jede der piezoelektrischen Schichten 11 erstreckt sich über eine Strecke, die kürzer ist als die akustische Wellenlänge in lediglich einer einzigen Richtung (hier der Y-Richtung); dies ist beim Vermindern der effektiven Kopplung der einzelnen Blätter in dieser Dimension besonders nützlich, um die Anisotropie der elastischen und piezoelektrischen Konstanten zu vergrößern (wir definieren ein gewünschtes anisotropes piezoelektrisches Material als ein Material mit einem piezoelektrischen Verhältnis d33/d31≥5). Durch derartiges Bilden einer 2-2 Verbindung aus einer isotropen piezoelektrischen Keramik, wobei zumindest eine Abmessung klein ist im Vergleich zu einer akustischen Wellenlänge, kann die Streuung von akustischen Nebenwellen von den Bestandteilmaterialien verhindert werden, insbesondere wenn eine Mehrzahl von "gestapelten" Blattelementen der Verbindung in Wandlern unserer neuartigen phasengesteuerten Array verwendet wird. Etwas anders ausgedrückt, haben wir die Struktur des piezoelektrischen Abschnitts eines Wandlers verandert, um ein anisotropes piezoelektrisches Element (das aus den Zwischenlagenschichten 12 und den Blättern 1 gebildet ist) synthetisch herzustellen, das eine Anisotropie hat, die größer ist, als der relative Isotropiewert (d.h. d33/d31≤3) einer homogenen Platte aus piezoelektrischer Keramik, wie beispielsweise PZT oder dergleichen haben würde, wenn sämtliche Abmessungen viel größer waren als die akustische Wellenlänge.
Im Gegensatz dazu ist ein Verbindungsmaterialblock 14 gemäß dem Stand der Technik (Fig. 1b) eine 1-3 Verbindung mit einer Mehrzahl von einzelnen piezoelektrischen Keramikstäben 16, die lediglich in einer Richtung länglich sind (vorliegend im wesentlichen lediglich in der Z-Richtung, da jeder Stab einen Radius r mit einer Abmessung hat, die kleiner ist als die zu verwendende Wellenlänge), und wobei die Stäbe 16 voneinander durch eine Polymermatrix 18 isoliert sind, die in samtichen drei Richtungen bzw. Dimensionen des cartesischen Koordinatensystems verbunden ist und sich in Mehrfachwellenlängendimensionen in den X-, Y- und Z-Richtungen erstrecken.
Fig. 2 zeigt die Art und Weise, in welcher wir zur Zeit bevorzugen, den Block 10 der 2-2 Keramikverbindung herzustellen. Ein Block 20, der ausschließlich aus der piezoelektrischen Keramik gebildet ist, wird zunächst bereitgestellt. Eine Mehrzahl von Sägeinschnitten 23 werden in den Block 20 geschnitten, um eine Mehrzahl von länglichen massiven "Fingern" 22a, 22b ..., 22i..., 22n zu bilden. Jeder Finger 22 hat in sämtlichen drei Ebenen, den X-Y, Y-Z und Z-X-Ebenen, im wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt, wobei jeder Finger ein erstes Ende hat, wie beispielsweise das Ende 22a-1 oder das Ende 22i-1, das an einem durchgehenden Band 24 an einem Ende des Blocks angebracht ist, und ein gegenüberliegendes freies Ende, wie beispielsweise das Ende 22a-2 oder das Ende 22i-2. Dadurch wird der ursprünglich massive piezoelektrische Keramikblock 20 so geschnitten, daß jeder der mehreren Finger 22i mit einer gewünschten Dickefunktion t&sub1; (y) gebildet ist, vorliegend ist diese Funktion im wesentlichen eine konstante Dicke t&sub1; von etwa 75 u (3 Mils), die durch Einschnitte 23 mit einer Tiefe H von etwa 409u (16 Mils) festgelegt ist, und mit einer gewünschten Breite t&sub2; von etwa 25u (1 Nil) und mit einem Band 24 einer gewünschten Dicke W von etwa 100u (4 Mils), welches sämtliche der gegenüberliegenden ersten Fingerenden 22i-1 hält. Jeder der Sägeinschnitte 23 wird nun mit einem gewünschten Epoxidpolymer 26 wiederaufgefüllt. Wenn das Polymer sich mit einem ausreichenden Grad gesetzt hat, wird das Ende des Blocks 20, der am nächsten zu der Schicht 22i- 1 liegt, geschliffen, bis das gesamte Band 24 entfernt ist, und die X-Achsen-Abmessung des geschliffenen Blocks wird auf den gewünschten Abstand H von der durch die ersten Schichtenden 22i-1 gebildeten Oberfläche bis zu der durch die anderen Schichtenden 22i-2 gebildeten Oberfläche reduziert.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 bildet die Wandler-Array eine geradlinige Annäherung an eine kreisförmige Fresnel-Linse und hat deshalb eine Abtast/Fokussier-Richtung (die X- Achse) und eine Nur-Fokussier-Richtung. Die Array hat in der Nur-Fokussier-Richtung (vorliegend die Y-Richtung) eine Abmessung, die diktiert, daß die Anzahl von Kanälen, d.h. die unabhängigen Wandler, die in jeder der zwei orthogonalen Dimensionen der Array erforderlich sind, nicht gleich ist Die Anzahl und der Abstand der Kanäle in der X-Richtung, in welcher sowohl das Lenken bzw. Steuern wie das Fokussieren durchgeführt werden, müssen zunächst primär durch die gewünschte Aperturabmessung L und einen vorbestimmten Satz an Abtasterfordernissen ermittelt werden. Daraufhin werden die Anzahl und der Abstand der Kanalelemente in der Y-Dimension durch die vorausfestgelegte Aperturabmessung und die Fokussiererfordernisse ermittelt. Die Anzahl von Kanälen, die für eine adäquate Fokussierung in der Y-Richtung für eine gegebene Gesamt-Aperturgröße L erforderlich ist kann durch Berechnen der Anzahl N unabhängiger Fokussierzonen erhalten werden, die eine Apertur aufweisen wird, wenn das Abbildungssystem auf ein minimales f/Stopp und eine maximale Bildntfernung Rmax beschränkt wird. Eine parabolische Annäherung für die Phasen- und Zeitverzögerungskorrekturen wird verwendet, so daß die Anzahl unabhängiger Fokussierzonen durch die Anzahl N von π- Phasenverschiebungen zwischen einer maximalen Phasenverschiebung, die für eine minimale f/Stopp-Bedingung erreicht wird, und eine maximale Phasenverschiebung gegeben ist, die bei einer maximalen Entfernung Rmax erreicht wird. Dadurch ist die Anzahl N unabhängiger Fokussierzonen gegeben durch
N=(L/4λ) ((1/(f/Stopp)-L/Rmax)
wobei f/Stopp das minimale f/Stopp (d.h. Rmin/L) für das Abbildungssystem, L die Aperturlänge und Rmax die maximale Bildfokussierentfernung ist. Es wird sich zeigen, daß dann, wenn die Aperturabmessung L vergrößert und die Abbildungswellenlänge λ verkleinert wird, die Anzahl unabhängiger Fokussierzonen über die Anzahl unabhängiger Fokussierzonen hinaus ansteigt (üblicherweise N> 1), die durch eine einzige Festfokuslinse geeignet angenähert werden kann, so daß die Y-Richtungsfokussierung beginnt, ein signifikantes Problem zu werden und das Gesamtauflösungsvermögen eines jeglichen Abbildungssystems beschränkt, das einen Festfokuswandler verwendet. Um diesen Auflösungsverlust zu überwinden, kann die Apertur entlang der Y-Achse segmentiert werden, um ein dyanamisches Fokussieren und/oder eine dynamische Apodization in der Y-Richtung zu ermöglichen. Üblicherweise kann die benötigte Segmentanzahl über den Daumen gepeilt als gleich der Anzahl unabhängiger Fokussierzonen angenähert werden. Dann liegt eine ausreichende Anzahl von Kanälen in der Y-Richtung derart vor, daß jeder Wandler weniger als eine ein-halb-Wellenlängenänderung der Weglänge von einer Punktquelle erfährt, die in jedem interessierenden Abstand angeordnet ist. Ein Beispiel einer Fresnel- Zonenplatte für eine zweidimensionale Apertur, die mit vier unabhängigen Zonen fokussiert, ist in Fig. 3 gezeigt. Die Breite bzw. Weite jeder der vier Zonen von der Y= 0-Mittenlinie der Array wird durch die Ay-Abmessung bzw. -Dimension gegeben, wobei 1≤y≤4. Dadurch reicht eine erste Zone von der Y=0-Mittenlinie über eine Strecke A1, während die zweite Zone eine Erstreckung A2 darüberhinaus aufweist usw. Für jedes geradzahlige Mehrfache einer Weglängendifferenz 1 ergibt sich, daß
cosφy=1-(ylF), so daß, sobald ein durchschittlicher Fokussierabstand F (eines Bereichs davon) und eine Weglängendifferenz 1 gewählt werden, der Satz von Winkeln φy berechenbar ist, wenn die vorzusehende Zonenanzahl N gegeben ist. Jede Zone ist eine unterschiedliche Unterarray der Nater-Gesamtarray. Die Erstreckung in der Y-Richtung von jedem Unterarray kann summiert werden, um eine Y-Dimension- Halbbreite By für jede Unterarrayzone zu erhalten. Der maximale halbe Durchmesser B4 für eine kreisförmige Vierzonenlinsenannäherung, wie dargestellt, kann ferner gleich ein-halb der Aperturabmessung (L) in der Lenk(X)richtung gemacht werden. Zur Veranschaulichung ist für eine zweidimensionale Array der N=4-Zone mit einer 1,5 cm-Apertur (L) der Array-Hauptachsen(X-Dimension)durchmesser etwa 1,5 cm (0,600 Inch) und der Nebendimension-Y-maximal Abstand B4 ist etwa 0,75 cm (0,3 Inch). Für eine bei einer Frequenz von etwa 5 MHz arbeitende Array übersetzt sich dies in Zonendimensionen Ay wie folgt: A1 etwa 3750u (150 Mils), A2 etwa 1500u (260 Mils), A3 etwa 1200 u (48 Mils) und A4 etwa 1000 u (40 Mils).
Wie in den Fig. 4, 4a und 4b gezeigt, ist eine zur Zeit bevorzugte Ausführungsform unserer neuartigen zweidimensionalen piezoelektrischen Wandler-Array 30 mit einer Anzahl N (vorliegend 4) von getrennten Zonen (vorliegend Zonen 32-1, 32-2, 32-3 und 32-4) versehen, von denen jede ein Paar von Unterarrays 32-1a/32-1b, 32-2a/32-2b, 32-3a/32-3b und 32- 4a/32-4b hat, jedes mit einer Mehrzahl My von Wandlern in der Haupt(X)dimension in jeder Zone 32-ya oder 32-yb auf jeder Seite der Y=0-Array-Mittenlinie; die Anzahl My kann jeder Zone unterschiedlich sein, obwohl eine Mehrzahl von, jedoch weniger als sämtliche Zonen dieselbe Anzahl von Wandlern haben kann (und deshalb im wesentlichen dieselbe Länge Ly), falls erwünscht. Wir haben die Wahl getroffen, die Mittenzone 32-1 in zwei getrennte Unterarrays 32-1a und 32-1b zu trennen, um durch räumliches Zusammensetzen eine Fleckenverminderung zu ermöglichen. Wir haben die Wandler in Unterarrays (z.B. die zweiten Unterarrays 32-2a und 32- 2b) gleicher Anzahl in derselben Zone nicht verbunden, sondern auf gegenüberliegenden Seiten der Y=0-Mittenlinie, weil wir die Verwendung adaptiver Strahlbildungstechniken zulassen wollen, um ermittelte Schallgeschwindigkeitsinhomogenitäten im Abbildungsvolumen und das vorstehend genannte räumliche Zusammensetzen zu kompensieren. Bei der gewählten geradlinigen Annäherung, die für die 5 MHz- Array mit 1,5 cm Apertur veranschaulicht ist- beträgt die Anzahl M1 von Wandlern in der ersten Unterarrayzone 84. Die anderen Unterarrayzonen haben Längen Ly und Anzahlen My von Wandlern wie folgt: L2 ist etwa 1,35 cm (0,540") und M2=74, L&sub2; ist etwa 1,1 cm (0,4401") und M3=60, während M4 etwa 0,79 cm (0,314") ist und M4=42. Die My-Wandler von jedem Unterarray sind symmetrisch um die x=0 Aperturlängenmitte angeordnet. Insgesamt 520 Wandler werden verwendet. Es versteht sich, daß lediglich aktivierbare Wandler in der geradlinigen Annäherung von Fig. 4 gezeigt sind, und daß die nichtaktivierbaren Elemente keine Wandler sind (so wie der Begriff "Wandler" vorliegend verwendet wird) selbst dann, wenn diese nicht-aktivierbaren Elemente außerhalb der Array vorhanden sind (jedoch innerhalb des rechteckigen, quadratischen, oktogonalen oder eine andere Form aufweisenden Arrayblocks). Die Unterarrays 32 sind lediglich teilweise voneinander durch "vertikal"-angeordnete (d.h. X-Achsenparallele) Sägeinschnitte 34x voneinander getrennt, die in die Oberseite des Blocks mit einer Höhe H' geschnitten sind, bei der es sich um 1/2 bis 3/4 der Höhe H handelt, weshalb sie den Block nicht vollständig durchschneiden. Die einzelnen Wandler in jedem Unterarray sind durch "horizontal"-angeordnete (d.h. parallel zur Y-Achse) Sägeinschnitte 34y vollständig voneinander getrennt. Das bedeutet, die Array ist in eine Mehrzahl von Wandlerreihen geschnitten, wobei sämtliche Wandler in jeder "horizontalen" (Y-Achsen-parallelen) Reihe zumindest teilweise mechanisch verbunden sind (aufgrund der Teileinschnitte 34x), jedoch vollständig mechanisch von den benachbarten Reihen (aufgrund der vollständigen Einschnitte 34y) mechanisch getrennt sind. Sämtliche der Sägeinschnitte 34 sind akustisch inerte Spalte, die typischerweise mit Luft gefüllt sind. Die einzelnen Wandler 36 in jeder Y-Achsen-Zeile bzw. -Linie sind dadurch miteinander über Telleinschnitte 34x halbverbunden und haben eine gemeinsame Bodenelektrode 38w über die Arraybreite bzw. -weite (wobei w=...,I,J,K,...H; siehe Fig. 4a), jedoch individuelle Wandleroberseitenelektroden 40. Ein Arrayelement 39 liegt unter der gesamten Array und stabilisiert diese. Jeder Wandler 36 hat eine vollständige Bezugszifferzuordnung, die vorliegend als 36-Z(a oder b)-1 bis My festgelegt ist, wobei Z die Unterarrayzone 1-4 bezeichnet; a oder b eine Zone mit y-negativ bzw. y-positiv bezeichnet; und My ist die maximale Anzahl von Wandlern in dieser Unterarrayzone. Dadurch umfaßt eine am weitesten links gelegene Unterarray 32-4a Wandler 36-4a-1 bis 36-4a-42, sämtliche mit der Breite A4 und durch einen ersten Teileinschnitt 34x mit dem Unterarray 32-3a verbunden. Die Unterarray 32-3a hat eine Länge L3 und besteht aus Wandlern 36-3a-1 bis 36-3a-60, sämtliche mit der Breite A3. Ein weiterer Teileinschnitt 34x geht dem dritten Unterarray 32-2a mit einer Länge L2 voraus, das aus Wandlern 36-2a-1 bis 36-2a-74, sämtliche mit der Breite A2, besteht. Nach einem dritten Teileinschnitt 34x besteht die links der Mitte liegende Wandlerunterarray 32-1a der Länge L1 aus Wandlern 36-1a-1 bis 36-1a-84, während die rechts von der Mitte liegende Unerarray 32-1b aus Wandlern 36-1b-1 bis 36-1b-84 besteht und vom links von der Mitte liegenden Unterarray durch einen Teilsägeinschnitt 34x getrennt ist. Die Unterarray 32-1b ist von der nachsten Unterarray 32-2b durch einen fünften Teilsägeinschnitt 34x getrennt. Die Unterarray 32- 2b umfaßt Wandler 36-2b-1 bis 36-2b-74 entlang ihrer Länge L2 und ist durch einen weiteren (sechsten) Teilsägeinschnitt von der siebten Unterarray 32-3b der Länge L3 getrennt, die aus den Wandlern 36-3b-1 bis 36-3b-60 besteht. Nach einem siebten und letzten X-Richtungs-Teilsägeinschnitt 34x (der Höhe H' von etwa 12 Mils) hat die achte Unterarray 32-4b der Länge L4 Wandler 36-4b-1 bis 36-4b-42. Sämtliche der Unterarrays sind symmetrisch um die X=0-Achse angeordnet.
Unter speziellem Bezug auf die Fig. 4a ergibt sich, daß jeder der einzelnen Wandler, wie beispielsweise der Wandler 36-1a-J (der J-te Wandler in der links von der Mitte liegenden Unterarrayzone), die aus Epoxid-isolierten Keramikblätter hergestellt, mit einer Wandlerlänge P von etwa 130u (5,1 Mils), so daß der horizontal gerichtete Gesamtluftspalt 34y (z.B. zwischen dem Wandler 36-1a-I und den "vertikal" benachbarten Wandlern 36-1a-I und 36-1a-K) eine Spaltabmessung von G von etwa 2 Mils hat. Eine ähnliche Spaltabmessung G für die vertikal angeordneten Teileinschnitte 34x kann, muß jedoch nicht, verwendet werden. Der X-Richtungs-Wandler-Wandler-Trennabstand E beträgt deshalb etwa 7,1 Mil entsprechend etwa 0,6 akustischen Wellenlängen im Abbildungsmedium, z.B. dem menschlichen Körper. Es versteht sich, daß der X-Achsen-Wandler-Wandler-Abstand E auf etwa einer halben Wellenlänge gehalten wird, um Gitter- Strahlungskeulen zu begrenzen, während das Verhältnis Blattlänge P zur Blatthöhe H klein genug gehalten wird, um die Dicken-Moden-Resonanz von der Seiten-Moden-Resonanz zu trennen.
Insbesondere in Bezug auf Fig. 4b ist ein Abschnitt eines einzelnen Wandlers 36-1a-I zu erkennen, wobei die Mehrzahl von piezoelektrischen Keramikblättern 11, die jeweils voneinander durch akustisch inerte Epoxid-Zwischenlageschichten 12 mit Blattabständen S und mit einer Wandlerobenseiten-Elektrode 40-1aI getrennt sind, die dazu dient, sämtliche der Mehrzahl von Blättern 11 parallel zu verbinden, wobei die am weitesten von diesen Enden entfernten Enden durch die gemeinsame Reihenelektrode 38 verbunden sind ergibt sich, daß ein erster Unterarraywandler (etwa der Wandler 36-1a-I) aus einer Mehrzahl von Blatt 11-Elementen besteht, so daß obwohl die unterschiedlichen Unterarraywandler unterschiedliche Y-Achsen-Breiten (z.B. Al=3750u [150 Mils] und A2=1500u [62 Mils]) haben, kein wirksamer Unterschied bezüglich der mechanischen Resonanz vorhanden ist, da sämtliche Wandlerblattelemente dieselbe körperliche Abmessung haben; lediglich die Anzahl von Blättern, die wirksam elektrisch miteinander parallel verbunden sind, ändert sich. Die gesamte Array ist auf einem gemeinsamen Element 39 angeordnet und durch dieses stabilisiert. Jede der einzelnen Wandleroberseiten-Elektroden 40 und jede der X-Zeilen-Reihenelektroden 38 ist getrennt elektrisch an einen getrennten Wandleranschluß (nicht gezeigt) angeschlossen, der an einer beliebigen Stelle am Umfang der Array angeordnet ist, unter Verwendung einer beliebigen akzeptablen Form von Verbindungstechniken hoher Dichte (HDI- Techniken).
Während vorliegend eine zur Zeit bevorzugte Ausführungsform unsere neuartigen zweidimensionalen, phasengesteuerten Ultraschallarray-Wandler im einzelnen ausführlich erläutert wurde, erschließen sich dem Fachmann viele Modifikationen und Abwandlungen. Beispielsweise kann eine rechteckige Annäherung an eine ovale Arrayapertur mit B4=L/2 verwendet werden; in der Tat kann die Rechteckannäherung (B4=L/2) an die kreisförmige Arrayapertur als ein Spezialfall (Exzentrizität=1) einer allgemeineren ovalen (Exzentrizität größer als oder gleich 1 Apertur betrachtet werden.

Claims

1. Zweidimensionale, phasengesteuerte Ultraschall- Array, die eine Vielzahl von Ultraschall-Wandlern (36) aufweist, die in einer geradlinigen Annäherung von einer zweidimensionalen ovalen Apertur mit einer vorgewählten Exzentrizität angeordnet sind, wobei die Wandler im wesentlichen symmetrisch zu wenigstens der ersten Achse (X) der Array angeordnet und auch in einer Anzahl 2N von Unterarrays (32-1a/32-1b, 32-2a/32-2b, 32-3a/32-3b, 32- 4a/32-4b) angeordnet sind, die jeweils einen Wandler enthalten, wobei die Unterarrays um die erste Achse angeordnet sind, wenigstens zwei Unterarrays gegenüberliegend auf jeder Seite der ersten Achse angeordnet sind und wenigstens eine der Unterarrays auf jeder Seite der ersten Achse eine Länge, in einer Richtung im wesentlichen parallel zur ersten Achse, aufweist, die größer ist als eine Länge von allen anderen Unterarrays an einem durchschnittlichen Abstand von der ersten Achse, der größer als der durchschnittliche Abstand von demjenigen der wenigstens einen Unterarray ist; wobei jeder der Wandler getrennt aktivierbar ist für wenigstens eine Sendung und Empfang von Energie, um sowohl das dynamische Abtasten als auch das Fokussieren in der ersten Richtung und wenigstens eines der dynamischen Fokussierung und dynamischen Apodization in einer zweiten Richtung, orthogonal zu der ersten Richtung, von einem resultierenden Energiebündel zu erleichtern, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines von einer Länge Ly, wobei 1≤y≤N; einer Breite Ay in der zweiten Richtung und einer Anzahl My von Wandlern in jeder Unterarray verkleinert wird, wenn diese Unterarray weiter entfernt von der Mittellinie der Array angeordnet ist.

2. Array nach Anspruch 1, wobei die Anzahl 2N von Unterarrays in der zweiten Richtung so gewählt ist, daß weniger als eine vor gewählte Anzahl von π Phasenverschiebungen über der Apertur in der zweiten Richtung an Irgendeiner Weite in einem gewählten Satz von Einstellweiten auftreten.

3. Array nach Anspruch 2, wobei die Array eine maximale Aperturlänge L in der ersten Richtung und eine akustische Wellenlänge λ in den Wandlern aufweist, und die Anzahl N von Unterarrays auf jeder Seite der ersten Achse und in der zweiten Richtung beträgt:

N= (L/4λ) ((L/Rmin)-(L/Rmax))

wobei Rmin bzw. Rmax minimale und maximale Bildfokussierungsweiten der Array sind.

4. Array nach Anspruch 1, wobei die Exzentrizität im wesentlichen gleich 1 ist und die Array eine geradlinige Annäherung von einem Kreis ist.

5. Array nach Anspruch 1, wobei die gleiche Anzahl N von Unterarrays auf jeder Seite von einer Array- Mittellinie in der ersten Richtung angeordnet ist.

6. Array nach Anspruch 5, wobei jede der resultierenden 2N Unterarrays rechtwinklige Unterarrays sind.

7. Array nach Anspruch 1, wobei die Unterarray- Länge, Breite und Wandlerzahl alle abnehmen, wenn die Unterarray weiter entfernt von der Array-Mittellinie ist.

8. Array nach Anspruch 7, wobei N=4.

9. Array nach Anspruch 8, für eine Anregungsfrequenz von etwa 5 MHz und einer Apertur L=1,52 cm, enthaltend: Ly (Zentimeter) Ay (Zentimeter) My (Wandler)

und die Exzentrizität im wesentlichen gleich 1 ist.

10. Array nach Anspruch 1, wobei jeder Wandler aus einer Anzahl von im wesentlichen parallelen, aber im Abstand angeordneten Blättern aus piezoelektrischem Material (11) gebildet sind, wobei alle Blätter elektrisch parallel geschaltet sind.

11. Array nach Anspruch 10, wobei jedes Blatt von den benachbarten Blättern durch wenigstens eine Schicht aus einem im wesentlichen akustisch inerten Material (12) in einer 2-2 Keramikzusammensetzung getrennt ist.

12. Array nach Anspruch 11, wobei jedes Paar von benachbarten Wandlern, die entlang einer bestimmten Reihe der Array, parallel zur zweiten Richtung, angeordnet sind, einen Teileinschnitt (34x), der dazwischen eingeschnitten ist, aufweist und wenigstens teilweise mechanisch miteinander verbunden sind.

13. Array nach Anspruch 12, wobei die Teileinschnitte bis zu einer Höhe H' bis zu etwa ein-halb und etwa drei-viertel der Gesamthöhe H der piezoelektrischen Keramik des Wandlers eingeschnitten sind.

14. Array nach Anspruch 13, wobei alle Wandler von jeder Array-Reihe eine gemeinsame Elektrode (38W) haben, die auf einer unteren Oberfläche davon ausgebildet ist, die sich in der zweiten Richtung erstreckt, und elektrisch von den gemeinsamen Elektroden von allen anderen Wandlerreihen isoliert sind.

15. Array nach Anspruch 14, wobei jeder Wandler eine individuelle Elektrode 40 auf einer Deckfläche entgegengesetzt zur Bodenfläche aufweist.