DE69422867T2

DE69422867T2 - Entwurf eines Breitbandigen phasengesteuerten Gruppenwandlers mit frequenzkontrollierter zwei-dimensionale Fähigkeit und Verfahren zu seiner Produktion

Info

Publication number: DE69422867T2
Application number: DE69422867T
Authority: DE
Inventors: Amin M. Hanafy; Samuel H. Maslak; Jay S. Plugge
Original assignee: Acuson Corp
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 1993-09-07
Filing date: 1994-09-05
Publication date: 2000-12-07
Anticipated expiration: 2014-09-06
Also published as: EP0641606A2; CA2129946C; AU688334B2; ATE189415T1; EP0641606A3; JP3478874B2; CA2129946A1; AU7020994A; JPH07107595A; DE69422867D1; EP0641606B1

Description

Allgemeiner Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft Meßwandler und im besonderen phasengesteuerte Breitband-Gruppenmeßwandler zur Verwendung im Bereich der medizinischen Diagnose.
Ultraschallgeräte werden vielfach für die Untersuchung von Organen im menschlichen Körper eingesetzt. Kennzeichnenderweise umfassen diese Geräte Meßwandlergruppen zum Konvertieren elektrischer Signale in Druckwellen. Allgemein ist die Meßwandlergruppe in Form einer Handsonde vorgesehen, deren Position so eingestellt werden kann, daß sie den Ultraschallstrahl auf den entsprechenden zu untersuchenden Bereich richtet. Meßwandlergruppen können zum Beispiel 128 Meßwandlerelemente für die Erzeugung eines Ultraschallstrahls aufweisen. Eine Elektrode wird an dem vorderen und dem unteren Teilstück der Meßwandlerelemente zur unabhängigen Erregung jedes der Elemente angebracht, wobei Druckwellen erzeugt werden. Die durch die Meßwandlerelemente erzeugten Druckwellen werden in Richtung des zu untersuchenden Objekts geleitet, wie etwa zu dem Herzen eines zu untersuchenden Patienten. Immer wenn die Druckwelle auf Gewebe mit unterschiedlichen akustischen Eigenschaften bzw. Merkmalen trifft, wird eine Welle zurück reflektiert. Die Meßwandlergruppe kann die reflektierten Druckwellen dann in entsprechende elektrische Signale umwandeln. Ein Beispiel für ein früheres phasengesteuertes akustisches Abbildungssystem wird in dem U. S. Patent US-A-4.550.608 beschrieben, das am 5. November 1985 an Maslak et al erteilt worden ist. In diesem Patent wird eine Schaltkreisanordnung zur Verknüpfung von der Meßwandlergruppe empfangener eingehender Signale veranschaulicht, so daß auf einem Bildschirm bzw. auf einem Monitor ein fokussiertes Bild erzeugt wird.
Breitbandige Meßwandler sind Meßwandler, die über eine großen Frequenzbereich betrieben werden können, ohne dabei einen Verlust an Empfindlichkeit zu erleiden. Als Folge der größeren Bandbreite der breitbandigen Meßwandler ist eine verbesserte Auflösung entlang der Bereichsachse möglich, was wiederum zu einer besseren Bildqualität führt.
Ein möglicher Anwendungsbereich für einen breitbandigen Meßwandler ist die Abbildung von Oberschwingungen mittels Kontrastmitteln. Bei der Abbildung von Oberschwingungen mittels Kontrastmitteln werden Kontrastmittel, wie zum Beispiel Mikroballons von Proteinkügelchen, sicher in den Körper injiziert, um darzustellen, welcher Teil eines bestimmten Gewebes, wie etwa des Herzens, aktiv ist. Die Mikroballons weisen kennzeichnenderweise einen Durchmesser von einem bis fünf Mikrometern auf, und sie können nach der Injektion per Ultraschallabbildung untersucht werden, um festzustellen, wie gut das untersuchte Gewebe funktionsfähig ist. Die Abbildung von Oberschwingungen mittels Kontrastmittel ist eine Alternative zu Thallium-Tests, wobei radioaktives Material in den Körper injiziert und per Computertomographie überwacht bzw. untersucht wird. Thallium-Tests sind nicht wünschenswert, da bei ihnen gesundheitsschädliche radioaktive Stoffe zum Einsatz kommen, und da für die Erzeugung eines Computerbilds normalerweise mindestens eine Stunde erforderlich ist. Dies unterscheidet sich von der Abbildung von Oberschwingungen mittels Kontrastmittel dadurch, daß Ultraschalltechniken in Echtzeit eingesetzt werden sowie durch die Verwendung von sicheren Mikroballons.
In "Simulated Capillary Blood Flow Measurement Using a Nonlinear Ultrasonic Contrast Agent" von B. Schrope et al. in Ultrasonic Imaging, Band 14, Seiten 134-58 (1992), offenbart Schrope, daß das Kontrastmittel für den Beobachter bei der zweiten Oberschwingung im Einsatz deutlich sichtbar ist. Bei der Grundoberschwingung sind das Herz- und Muskelgewebe per Ultraschalltechnik deutlich sichtbar. Bei der zweiten Oberschwingung ist für den Betrachter auch das Kontrastmittel selbst deutlich sichtbar, so daß festgestellt werden kann, wie gut das entsprechende Gewebe funktioniert.
Da es für die Abbildung von Oberschwingungen mittels Konstrastmittel erforderlich ist, daß die Meßwandler über ein breites Frequenzband funktionsfähig sind (d. h. sowohl auf der Grund- als auch auf der zweiten Oberschwingung), sind die bestehenden Meßwandler kennzeichnenderweise nicht über einen derartig umfassenden Bereich funktionsfähig. Ein Meßwandler mit einer Mittenfrequenz von 5 Megahertz und einem Verhältnis von 70% zwischen Bandbreite zu Mittenfrequenz weist zum Beispiel eine Bandbreite von 3,25 Megahertz bis 6,75 Megahertz auf. Wenn die Grundoberschwingung bei 3,5 Megahertz liegt, dann beträgt die zweite Oberschwingung 7,0 Megahertz. Somit wäre ein Meßwandler mit einer Mittenfrequenz von 5 Megahertz sowohl bei der Grundoberschwingung als auch bei der zweiten Oberschwingung nicht zweckmäßig funktionsfähig.
Zusätzlich zu einem Meßwandler, der über einen umfassenden Frequenzbereich funktionsfähig ist, sind zweidimensionale Meßwandlergruppen wünschenswert, um die Auflösung der erzeugten Bilder zu verbessern. Ein Beispiel für eine zweidimensionale Meßwandlergruppe wird in dem U. S. Patent US- A-3.833.825 an Haan veranschaulicht, das am 3. September 1974 erteilt worden ist. Zweidimensionale Gruppen ermöglichen eine bessere Kontrolle bzw. Regelung der Erregung der Ultraschallstrahlen entlang der Elevationsachse, die bei herkömmlichen eindimensionalen Gruppen nicht vorhanden ist.
Die Herstellung von zweidimensionalen Gruppen ist jedoch schwierig, da es dabei kennzeichnenderweise erforderlich ist, daß jedes Element entlang der Elevationsachse in verschiedene Teilstücke geschnitten wird, wobei Verbindungen mit Zuleitungen für die Erregung jedes einzelnen Teilstücks erforderlich sind. Für eine zweidimensionale Gruppe mit 128 Elementen entlang der Azimutalachse sind zum Beispiel mindestens 256 Segmente bzw. Teilstücke erforderlich, zwei Segmente in der Elevationsrichtung sowie verbindende Zuleitungen für die Segmente. Ferner ist eine ziemlich komplexe Software erforderlich, um jedes einzelne Segment zum richtigen Zeitpunkt während der Ultraschallabtastung zu erregen, wobei im Vergleich zu einer eindimensionalen Gruppe mindestens die doppelte Anzahl an Segmenten einzeln erregt werden muß.
Ferner neigen dem Stand der Technik entsprechende Meßwandler mit im Verhältnis zu dem zu untersuchenden Objekt parallelen Seiten dazu, an der Grenzfläche zwischen dem Meßwandler und dem zu untersuchenden Objekt unerwünschte Reflexionen zu erzeugen, wobei ein sogenanntes "Geisterecho" erzeugt wird. Diese unerwünschten Reflexionen können dazu führen, daß ein weniger klares Bild erzeugt wird.
Ein bekannter Ultraschallwellen-Meßwandler wird in dem U. S. Patent US-A-4.350.917 offenbart, wobei ein Ultraschallwellen- Meßwandler durch einen sphärischen Körper aus einem piezoelektrischen Material gebildet wird, der eine uneinheitliche Dicke aufweist, wobei der Körper an einem Ende des sphärischen Form schmal und an dem entgegengesetzten Ende der sphärischen Form breit ist. Jede Position an dem Meßwandler schwingt gemäß der Dicke an dieser Stelle mit einer anderen Frequenz mit. Durch Veränderung der Frequenz des zugeführten Erregungssignal können der Ursprung und die Richtung der Strahlung verändert werden.
In US-A-3.666.979 wird ein Meßwandlerelement offenbart, das eine nicht planare vordere Oberfläche aufweist, die in die Bereichsrichtung zeigt, d. h. den zu untersuchenden Bereich, wenn sich die Meßwandlergruppe im Einsatz befindet, und wobei diese eine einheitliche Dicke aufweist.
In EP-A-0 397 361 wird ein Meßwandlerelement mit einer minimalen Dicke nahe seines Zentrums und mit einer maximalen Dicke nahe jedes der Enden offenbart, wobei der Übergang zwischen den minimalen und maximalen Dicken stufenartig erfolgt.

Zusammenfassung der Erfindung

Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Meßwandlergruppe gemäß dem gegenständlichen Anspruch 1.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Gruppe in Verbindung mit einem Ultraschallsystem gemäß dem gegenständlichen Anspruch 16 vorgesehen.
Andre bevorzugte Merkmale sind in den einzelnen unabhängigen Ansprüchen definiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Ultraschallsystems zur Erzeugung eines Bildes;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Meßwandlerelements gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Meßwandlerelements gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine Perspektivansicht einer Breitband- Meßwandlergruppe, wobei die Sonde aus Fig. 1 gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel näher veranschaulicht wird;
Fig. 5 eine Perspektivansicht einer Breitband- Meßwandlergruppe, wobei die Sonde aus Fig. 1 näher veranschaulicht wird sowie die Strahlenbreiten, die für niedrige und hohe Frequenzen gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel erzeugt werden;
Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht eines einzelnen Breitband- Meßwandlerelements der gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierten Meßwandlergruppe;
Fig. 7 eine Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Breitband-Meßwandlergruppe, wobei die Sonde aus Fig. 1 näher veranschaulicht wird, und mit einer gekrümmten Anpaßschicht an einem vorderen Teilstück der Meßwandlerelemente;
Fig. 8 eine Querschnittsansicht eines einzelnen Breitband- Meßwandlerelements gemäß der vorliegenden Erfindung, mit einer gekrümmten Anpaßschicht und ferner mit einem daran vorgesehenen Kopplungselement;
Fig. 9 eine Ansicht der austretenden Strahlenbreite, die durch die Breitband-Meßwandlerelemente von niedrigen bis hohen Frequenzen erzeugt wird, und zwar im Vergleich zu der Breite des Meßwandlerelements gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 10 ein Beispiel für eine kennzeichnende akustische Impedanzfrequenzgangdarstellung als Folge des Betriebs des gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel konstruierten Meßwandlers;
Fig. 11 ein Beispiel für eine kennzeichnende akustische Impedanzfrequenzgangdarstellung als Folge des Betriebs eines dem Stand der Technik entsprechenden Meßwandlers;
Fig. 12 eine Querschnittsansicht einer Doppelkristallkonstruktion mit verbindenden Schaltkreisen zwischen den beiden Kristallelementen gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 13 eine Querschnittsansicht einer alternativen Doppelkristallkonstruktion;
Fig. 14 eine Querschnittsansicht eines zusammengesetzten Meßwandlerelements gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 15 eine Querschnittsansicht des zusammengesetzten Meßwandlerelements aus Fig. 14, das verformt wird;
Fig. 16 eine Querschnittsansicht einer piezoelektrischen Schicht und einer Oberflächenschleifscheibe, wobei ein bevorzugtes Verfahren zur Bearbeitung der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht dargestellt ist;
Fig. 17 eine Querschnittsansicht einer piezoelektrischen Schicht und einer Oberflächenschleifscheibe, wobei ein weiteres bevorzugtes Verfahren für die Bearbeitung der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht dargestellt ist;
Fig. 18 eine teilweise Perspektivansicht einer linearen Meßwandlergruppe gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 19 eine teilweise Perspektivansicht einer krummlinigen Meßwandlergruppe gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ein Teilstück der gebogenen Schaltung an einem Ende zur besseren Veranschaulichung entfernt worden ist; und
Fig. 20 einen Impulsgang sowie das entsprechende Frequenzspektrum für das Meßwandlerelement aus Fig. 6.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Nachstehend wird Bezug auf die Abbildung aus Fig. 1 der Zeichnungen genommen, die eine Prinzipskizze eines Ultraschallsystems 1 zur Erzeugung eines Bilds eines Objektes oder eines Körpers 5 zeigt, der untersucht werden soll. Das Ultraschallsystem 1 weist einen Übermittlungs- bzw. Sendeschaltkreis 2 zur Übermittlung elektrischer Signale an die Meßwandlersonde 4 auf; einen Empfangsschaltkreis 6 für die Verarbeitung der von der Meßwandlersonde empfangenen Signale und eine Anzeige 8, die das Bild des zu untersuchenden Objekts 5 vorsieht.
In Bezug auf die Abbildung aus Fig. 4 weist die Sonde 4 ferner eine Gruppe 10 von Meßwandlerelementen 11 auf. Kennzeichnenderweise sind in der Y-Azimutalachse einhundertundachtundzwanzig Elemente 11 vorgesehen, welche die Breitband-Meßwandlergruppe 10 bilden. Die Gruppe kann jedoch jede beliebige Anzahl von Meßwandlerelementen 11 umfassen, die jeweils in einer gewünschten geometrischen Konfiguration angeordnet sind. Die Meßwandlergruppe 10 wird durch den Stützblock 13 getragen bzw. gestützt.
Die Sonde 4 kann eine Handsonde darstellen, und ihre Position kann so angepaßt werden, daß der Ultraschallstrahl auf den entsprechenden Bereich gerichtet wird. Die Meßwandlerelemente 11 wandeln die durch den Übermittlungsschaltkreis 2 vorgesehenen elektrischen Signale in Druckwellen um. Die Meßwandlerelemente 11 wandeln die von dem zu untersuchenden Objekt 5 reflektierten Druckwellen ferner in entsprechende elektrische Signale um, die danach in dem Empfangsschaltkreis 6 verarbeitet und schließlich angezeigt 8 werden.
In Bezug auf die Abbildungen aus den Fig. 2, 4 und 6 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Das Meßwandlerelement 11 weist ein vorderes Teilstück 12, ein hinteres Teilstück 14, ein zentrales Teilstück 19 und zwei seitliche Teilstücke 16 und 18 auf. Bei dem vorderen Teilstück 12 handelt es sich um die Oberfläche, die in Richtung des Untersuchungsbereichs positioniert ist. Das hintere Teilstück 14 kann eine wunschgemäße Form aufweisen, wobei es sich allgemein jedoch um eine planare Oberfläche handelt. Bei dem vorderen Teilstück 12 handelt es sich allgemein um eine nicht planare Oberfläche, wobei die Dicke entlang der Z-Achse des Elements 11 an jedem der Seitenteilstücke 16 und 18 größer und zwischen den seitlichen Teilstücken kleiner ist. Der Betriff seitliches Teilstück bzw. Seitenteilstück 16, 18 betrifft nicht nur die Seiten 15 des entsprechenden Elements 11, vielmehr umfaßt er auch einen inneren Bereich des Elements 11, an dem die Dicke des Elements größer ist als die Dicke in Richtung des Inneren des Elements (z. B. Stellen, an denen die Dicke jeder der Seiten des Elements abgeschrägt verlaufen).
Das vordere Teilstück 12 weist eine kontinuierlich gekrümmte Oberfläche auf, wobei die Dicke des Elements 11 an jedem der Seitenteilstücke 16, 18 größer ist und an dem zentralen Teilstück 19 entsprechend kleiner ausfällt, was zu einem negativ "gekrümmten" vorderen Teilstück 12 führt. Das hintere Teilstück 14, bei dem es sich allgemein vorzugsweise um eine planare Oberfläche handelt, kann ebenfalls zum Beispiel eine konkave oder konvexe Oberfläche darstellen.
Das Element 11 weist eine maximale Dicke LMAX und eine minimale bzw. geringste Dicke LMIN auf, und zwar bei einer Messung entlang der Bereichsachse. Vorzugsweise entsprechen die seitlichen Teilstücke 16 und 18 beide der Dicke LMAX, und wobei die Mitte des Elements 11 oder im wesentlichen der Bereich nahe der Mitte des Elements 11 die Dicke LMIN aufweist. Für die Ausführung der Erfindung müssen die seitlichen Teilstücke 16, 18 jedoch nicht die gleiche Dicke aufweisen, und LMTN muß nicht genau in der Mitte des Meßwandlerelements liegen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Wert von LMAX kleiner oder gleich 140 Prozent des Wertes von LMIN. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Bandbreitenaktivierungsenergie, und zwar allgemein ohne eine erforderliche Neuprogrammierung des Ultraschallgerätes für die Erzeugung des Ultraschallstrahls. Wenn der Wert von LMAX ferner kleiner oder gleich 140 Prozent des Wertes für LMIN ist, so ist die Austrittsstrahlenbreite für verschiedene Erregungsfrequenzen allgemein identisch.
Der Anstieg der Bandbreitenaktivierungsenergie für die erfindungsgemäße Meßwandlerkonfiguration wird durch LMAX/LMIN näherungsweise wiedergegeben, wobei es sich bei dem Meßwandler um einen freien Resonator handelt (d. h. ohne Anpaßschicht) oder um einen optimal angepaßten bzw. abgeglichenen Meßwandler (d. h. einen Meßwandler mit mindestens zwei Anpaßschichten), wobei dies später im Text näher beschrieben wird. In dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in den Abbildungen aus den Fig. 2, 4 und 6 dargestellt ist, kann die Bandbreite um 40 Prozent erhöht werden, und zwar durch Vergrößerung der Dicke von LMAX im Verhältnis zu LMIN um entsprechende 40 Prozent (z. B. LMAX beträgt 140 Prozent des Wertes von LMIN).
Wenn ein Meßwandler zum Beispiel einen Wert für LMAX von 0,3048 mm und für LMIN von 0,254 mm aufweist, so erhöht sich die Bandbreite im Vergleich zu einem Meßwandler mit einheitlicher Dicke von 0,254 mm um 20 Prozent. Wenn ein Meßwandler für LMAX einen Wert von 0,3556 mm und für LMIN von 0,254 mm aufweist, erhöht sich die Bandbreite im Vergleich zu einem Meßwandler mit einheitlicher Dicke von 0,254 mm um 40 Prozent. Unterschiedliche Dicken des Elements entlang der Bereichsachse von bis zu 20 bis 40 Prozent werden in diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt, was zu einer höheren Bandbreite und einer kürzeren Impulsbreite führt (d. h. die maximale Dicke ist größer oder gleich 120 Prozent der minimalen Dicke oder kleiner oder gleich 140 Prozent der minimalen Dicke). Dies führt zu einer entsprechenden Erhöhung der maximalen Bandbreite von ungefähr 20 bis 40 Prozent. Dies sorgt ferner für eine verbesserte Auflösung entlang der Bereichsachse.
Der geringe Unterschied in der Dicke des Elements, das heißt, der Abstand des vorderen Teilstücks 12 im Verhältnis zu dem hinteren Teilstück 14 des ersten Ausführungsbeispiels ermöglicht eine bessere Leistungsfähigkeit des Meßwandlers, wenn der Meßwandler zum Beispiel auf drei unterschiedlichen Frequenzen aktiviert wird, wie zum Beispiel bei 2 MHz, 2,5 MHz und 3 MHz, wobei dies als Dreifrequenz-Betriebsmodus bekannt ist. Ein derartiger Dreifrequenz-Betriebsmodus kann bei Anwendungen, die das Herz betreffen, eingesetzt werden. Ferner kann der geringe Unterschied in der Dicke des Meßwandlers auch die Leistungsfähigkeit eines Meßwandlers für andere Dreifrequenz-Betriebsmodi verbessern, wie etwa für einen Betrieb auf den Frequenzen von 2,5 MHz, 3,5 MHz und 5 MHz. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Element 11 um eine plankonkave Struktur, die sich aus einem piezoelektrischen Material, Blei(II)-titanatzirkonat, zusammensetzt. Das Element kann aber auch aus einem Verbundwerkstoff gebildet werden, wie dies später im Text näher beschrieben wird, oder aus Polyvinylidenfluorid oder einem anderen geeigneten Werkstoff. In Bezug auf die Abbildung aus Fig. 8 können die Elektroden 23 und 25 zweckmäßig an den vorderen 12 und unteren 14 Teilstücken des Elements 11 platziert werden, um das Element 11 zu erregen, so daß der gewünschte Strahl erzeugt wird, wie dies im Fach allgemein bekannt ist. Die Elektrode 25 ist in der Abbildung zwar direkt an dem piezoelektrischen Element 11 angeordnet, jedoch kann sie sich alternativ auch auf der Anpaßschicht 24 befinden. Als Folge daraus kann die Anpaßschicht 24 direkt an dem piezoelektrischen Element 11 angeordnet sein. Die Elektroden 23 und 25 erzeugen ein elektrisches Feld durch das Element 11, um den gewünschten Ultraschallstrahl zu erzeugen.
Ein Beispiel für die Platzierung der Elektroden im Verhältnis zu dem piezoelektrischen Material wird in dem am 9. September 1986 erteilten U. S. Patent US-A-4.611.141 an Hamada et al veranschaulicht. Eine erste Elektrode 23 sieht das Signal für die Erregung des entsprechenden Meßwandlerelements vor, wobei die zweite Elektrode geerdet sein kann. Die Zuleitungen 17 können für die Erregung jeder der ersten Elektroden 23 an den entsprechenden Meßwandlerelementen 11 verwendet werden, und die zweiten Elektroden 25 können alle mit einer elektrischen Erdung verbunden werden. Wie dies im Fach allgemein bekannt ist, können die Elektroden durch Sputter-Techniken auf der piezoelektrischen Schicht angeordnet werden. Alternativ kann ein Verbindungsschaltkreis verwendet werden, um die elektrische Erregung der entsprechenden Meßwandlerelemente vorzusehen, wobei dieser Schaltkreis später im Text näher beschrieben wird.
In Bezug auf die Abbildungen aus den Fig. 3 und 5 ist ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, in dem die gleichen Bestandteile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Die Abbildungen aus den Fig. 6 und 8 wurden zwar in Bezug auf das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei sie in Anbetracht der Ähnlichkeit der beiden Ausführungsbeispiele aber auch für die Veranschaulichung des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels verwendet werden.
In dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Wert von LMAX größer als 140 Prozent des Wertes für LMIN. Wenn der Wert von LMAX größer ist als 140 Prozent des Wertes von LMIN, so ändert sich die Breite des Austrittsstrahls kennzeichnenderweise mit der Frequenz. Zusätzlich gilt, je niedriger die Frequenz, desto größer die Breite des austretenden Strahls.
Die Abbildung aus Fig. 9 veranschaulicht eine kennzeichnende Variation der Breite bzw. des Bündeldurchschnitts des austretenden Strahls entlang der Elevationsrichtung, erzeugt durch den Breitband-Meßwandler von hohen bis niedrigen Frequenzen gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Bei hohen Frequenzen, wie etwa von 7 Megahertz, weist der Strahl einen schmalen Bündeldurchmesser auf. Wenn die Frequenz verringert wird, weist der Strahl einen breiteren Bündeldurchmesser auf. Bei ausreichend niedrigen Frequenzen, wie zum Beispiel von 2 Megahertz, wird der Strahl wirksam aus dem vollen Bündeldurchmesser des Meßwandlerelements 11 erzeugt. Wie dies in der Abbildung aus Fig. 9 dargestellt ist weist die austretende Druckwelle zwei Spitzen auf, welche die Erregung einer zweidimensionalen Meßwandlergruppe mit breitem Durchmesser bei niedrigen Frequenzen entspricht.
Die Abbildung aus Fig. 5 veranschaulicht die Abweichung der Strahlenbreite der ganzen Meßwandlergruppe als eine Funktion der Frequenz für das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel. Bei hohen Erregungsfrequenzen weist die Breite des austretenden Strahls einen schmalen Durchmesser auf und wird aus der Mitte der Elemente 11 erzeugt. Im Gegensatz dazu weist die Breite des austretenden Strahls bei niedrigen Erregungsfrequenzen einen breiteren Durchmesser auf und wird aus der vollen Öffnung der Elemente 11 erzeugt.
Durch die Regelung der Erregungsfrequenz kann die Bedienungsperson steuern, welcher Abschnitt des Meßwandlerelements 11 den Ultraschallstrahl erzeugt. Das heißt, der Strahl wird bei höheren Frequenzen hauptsächlich von der Mitte des Meßwandlerelements 11 erzeugt, während der Strahl bei niedrigeren Erregungsfrequenzen hauptsächlich aus der vollen Öffnung des Meßwandlerelements 11 erzeugt wird.
Ferner gilt, je größer die Krümmung des vorderen Abschnitts 12, desto mehr simuliert das Element 11 eine zweidimensionale Meßwandlergruppe mit breitem Durchmesser.
Für die Umsetzung des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels, das heißt, für eine Steigerung der Bandbreite um mehr als 40 Prozent, kann eine Neuprogrammierung des Ultraschallgerätes erforderlich werden, um den Meßwandler über einen derart umfassenden Frequenzbereich zu erregen. Wie dies aus der Gleichung LMAX/LMIN deutlich wird, nimmt die Bandbreite um so mehr zu, je mehr die Dicke variiert. Gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung können für eine bestimmte Konstruktion Bandbreitenzunahmen von 300 Prozent oder mehr erreicht werden. Somit wäre die Dicke LMAX ungefähr dreimal größer als die Dicke LMIN. Die Bandbreite eines einzelnen Meßwandlerelements kann zum Beispiel im Bereich von 2 Megahertz bis 11 Megahertz liegen, wobei gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung auch größere Bandbreiten erreicht werden können. Da die gemäß der vorliegenden Erfindung gestaltete Meßwandlergruppe über einen derart umfassenden Bandbreitenbereich betriebsfähig ist, kann die Abbildung von Oberschwingungen mittels Kontrastmitteln mit einer einzigen erfindungsgemäßen Meßwandlergruppe für die Überwachung sowohl der Grundoberschwingung als auch der zweiten Oberschwingung erreicht werden (d. h. der Meßwandler ist auf einer dominanten Grundoberschwingungsfrequenz und einer dominanten zweiten Oberschwingungsfrequenz funktionsfähig).
Die Dickenabweichung des Meßwandlerelements 11 erhöht die Bandbreite deutlich, wie dies in den Abbildungen aus den Fig. 10 und 11 dargestellt ist. Die Abbildungen aus den Fig. 10 und 11 zeigen ein Beispiel für die Wirkung des Einsatzes eines plankonkaven Meßwandlerelements 11 für die Bandbreitenleistung, und wobei die Ergebnisse abhängig von der jeweiligen verwendeten Konfiguration abweichen kann. Die Abbildung aus Fig. 10 veranschaulicht eine Impedanzdarstellung für ein gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestelltes Meßwandlerelement 11, mit einer äußeren Kantendicke LMAX von 0,381 mm (0,015 Inch) und einer Mittendicke LMIN von 0,109 mm (0,00428 Inch). Es ist ersichtlich, daß das Element eine Bandbreite von ungefähr 3,5 Megahertz bis 10,7 Megahertz aufweist. Im Gegensatz dazu weist ein herkömmliches Element mit einer einheitlichen Dicke von 0,381 mm kennzeichnenderweise eine Bandbreite von ungefähr 4, 5 Megahertz bis ungefähr 6, 6 Megahertz auf, wie dies in der Abbildung aus Fig. 11 dargestellt ist. Somit wird durch einen Vergleich von Δf, der Differenz zwischen fA, der Antiresonanzfrequenz (d. h. der maximalen Impedanz) und fr, der Resonanzfrequenz (d. h. der minimalen Impedanz), wird ein Bruchteil der Bandbreite von 100% durch das gemäß der vorliegenden Erfindung gestaltete Meßwandlerelement vorgesehen, gegenüber einem Bruchteil der Bandbreite von ungefähr 38% für eine dem Stand der Technik entsprechende Konstruktion.
Durch die Regelung der Krümmungsform des Meßwandlerelements (d. h. zylindrisch, parabelförmig, in Gaußscher Form, gestuft oder dreiecksförmig) kann der Frequenzanteil der abgestrahlten Energie wirksam geregelt werden. Der Einsatz jeder dieser Formen sowie anderer Formen ist gemäß dem Umfang der vorliegenden Erfindung möglich.
In der Folge wird Bezug auf die Abbildungen aus den Fig. 7 und 8 genommen, in denen die gleichen Bestandteile mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind, wobei die erfindungsgemäße Meßwandlerkonstruktion in diesen Abbildungen eine gekrümmte Anpaßschicht 24 aufweist, die sich an dem vorderen Teilstück 12 des Meßwandlerelements 11 befindet. Die Anpaßschicht 24 wird vorzugsweise aus einem gefüllten Polymer hergestellt. Ferner ist die Dicke der Anpaßschicht 24 vorzugsweise durch die folgende Gleichung gegeben:
LML (1/2) (LE) (CML/CE)
wobei LML für einen bestimmten Punkt auf der Meßwandleroberfläche die Dicke der Anpaßschicht darstellt, wobei LE für die Dicke des Meßwandlerelements steht, wobei CML die Schallgeschwindigkeit der Anpaßschicht bezeichnet, und wobei CE die Schallgeschwindigkeit des Elements angibt. Die Krümmung des vorderen Abschnitts 12 kann sich von der Krümmung des oberen Abschnitts 26 der Anpaßschicht 24 unterscheiden, da die Dicke der Anpaßschicht von der Dicke des Elements an einem bestimmten Punkt auf der Meßwandleroberfläche abhängig ist. Vorzugsweise werden unter Verwendung obiger Gleichung eine oder mehrere Anpaßschichten gebildet, wobei die Anpaßschichten zur einfacheren Herstellung eine konstante Dicke aufweisen können.
Durch die Hinzufügung der Anpaßschicht 24 kann die partielle Bandbreite verbessert werden. Ferner ist der Meßwandler mit verbesserter Empfindlichkeit funktionsfähig. Allerdings regelt der Dickenunterschied zwischen dem Rand und der Mitte der zusammengesetzten Substrate den gewünschten Anstieg der Bandbreite, und die Form der Krümmung regelt die Modulationsbandform in dem Frequenzbereich. Da das Meßwandlerelement 11 und die Anpaßschicht 24 ferner eine negative Krümmung aufweisen, existiert in dem Untersuchungsbereich eine additive Fokussierung.
Dem vorderen Abschnitt 12 können mehr als eine Anpaßschicht hinzugefügt werden, um eine Fokussierung in dem Untersuchungsbereich zu bewirken und um die Empfindlichkeit des Meßwandlers zu verbessern. Vorzugsweise werden zwei Anpaßschichten auf dem piezoelektrischen Element 11 platziert, was zu einem optimal abgestimmten Meßwandler führt. Diese werden jeweils durch die Gleichung LML = (1/2) (LE) (CML/CE) berechnet. Für die Berechnung der Dicke LML für die erste Anpaßschicht wird im Besonderen der Wert für die Schallgeschwindigkeit CML für das erste Material verwendet. Bei der Berechnung der Dicke LML für die zweite Anpaßschicht wird der Wert für die Schallgeschwindigkeit CML für das zweite Material verwendet. Vorzugsweise beträgt der Wert für die akustische Impedanz für die erste Anpaßschicht (d. h. die am dichtesten an dem piezoelektrischen Element angeordnete Anpaßschicht) ungefähr 10 · 10&sup6; kg/m·sek (10 Mega Rayl), und wobei der Wert für die akustische Impedanz für die zweite Anpaßschicht (d. h. die Anpaßschicht, die am dichtesten an dem zu untersuchenden Objekt angeordnet ist) ungefähr 3 · 10&sup6; kg/m·sek (3 Mega Rayl).
Ein Kopplungselement 27 mit den akustischen Eigenschaften des zu untersuchenden Objekts kann an der Anpaßschicht angeordnet werden oder direkt an der zweiten Elektrode 25, wenn die Anpaßschicht zum Beispiel nicht verwendet wird. Das Kopplungselement 27 kann das Wohlbehagen des Patienten erhöhen, da es die schärferen Oberflächen in der Meßwandlerkonstruktion abschwächen kann, die sich in Kontakt mit dem zu untersuchenden Körper befinden. Das Kopplungselement 27 kann zum Beispiel bei Anwendungen eingesetzt werden, bei denen die Krümmung des vorderen Abschnitts 12 oder des oberen Abschnitts 26 groß sind. Das Kopplungselement 27 kann aus einem füllstofffreiem Polyurethan hergestellt werden. Das Kopplungselement kann eine Oberfläche 29 aufweisen, die allgemein flach, leicht konkav oder leicht konvex ist. Vorzugsweise ist die Krümmung der Oberfläche 29 leicht konkav, so daß auf ihr ein Ultraschallgel 28 Halt findet, wie etwa das Gel Aquasonic®, nicht abgebildet, das von Parker Labs aus Orange, New Jersey, hergestellt wird, und zwar zwischen der Sonde 4 und dem zu untersuchenden Objekt. Dies sieht einen festen akustischen Kontakt zwischen der Sonde 4 und dem untersuchten Objekt vor. Die Anpaßschicht und das beschriebene Kopplungselement können in allen offenbarten Ausführungsbeispielen eingesetzt werden.
Maschinen, wie etwa eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, die üblicherweise auf dem Gebiet der Ultraschalltechnik eingesetzt werden, können verwendet werden, um die Dickenvariation des Meßwandlerelements vorzusehen. Die Werkzeugmaschine kann eine erste piezoelektrische Schicht bearbeiten, so daß diese die gewünschte Dickenabweichung von LMAX und LMIN aufweist.
Die Abbildung aus Fig. 16 zeigt ein erstes Verfahren für die Bearbeitung der piezoelektrischen Schicht 80, wenn es wünschenswert ist, an dem vorderen Abschnitt eine Krümmung 82 vorzusehen. In die numerisch gesteuerte Maschine werden zuerst die Koordinaten für die Definition des Krümmungsradius R eingegeben, der durch die Gleichung h/2 + (w²/8h) näherungsweise gegeben ist, wobei h die Dickendifferenz zwischen LMAX und LMIN bezeichnet, und wobei w für die Breite des Meßwandlerelements entlang der Elevationsachse steht. Danach bearbeitet eine Oberflächenschleifscheibe 84 an der numerisch gesteuerten Maschine mit einer Breite, die der Größe der piezoelektrischen Schicht 80 entspricht, die piezoelektrische Schicht. Die Oberflächenschleifscheibe dreht sich um eine Achse 86, die parallel zu der Elevationsachse verläuft. Die Oberflächenschleifscheibe weist ein Schleifmittel auf, wie etwa Aluminiumoxid. Die Oberflächenschleifscheibe beginnt mit der Bearbeitung vorzugsweise an einem Ende der piezoelektrischen Schicht 80 entlang der azimutalen Richtung, bis sie das andere Ende der piezoelektrischen Schicht erreicht.
Die Abbildung aus Fig. 17 zeigt ein alternatives Verfahren für die Bearbeitung der piezoelektrischen Schicht 80. Bei diesem Verfahren wird die Oberflächenschleifscheibe 84 geneigt, so daß eine Ecke 88 der Oberflächenschleifscheibe eine Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 80 berührt. Bei einem bestimmten azimutalen Bereich beginnt die Oberflächenschleifscheibe 84 an einer Seite der piezoelektrischen Schicht 80 entlang der Elevationsachse, bis sie die andere Seite der piezoelektrischen Schicht entlang der Elevationsachse erreicht (z. B. erzeugt die Oberflächeschleifscheibe den gewünschten Schnitt entlang der Elevationsachse für einen bestimmten Index in der Azimutalachse). Die Oberflächenschleifscheibe 84 wird entlang der Azimutalachse zu einem anderen Bereich oder Index bewegt und wiederholt die Bearbeitung von einer Seite zu der anderen Seite der piezoelektrischen Schicht entlang der Elevationsachse. Dieser Prozeß wird solange wiederholt, bis die ganze piezoelektrische Schicht 80 so bearbeitet worden ist, daß sie die gewünschte Krümmung 82 aufweist.
Die bearbeitete Oberfläche kann ferner geschliffen oder poliert werden, so daß eine glatte Oberfläche vorgesehen wird.
Dies ist besonders dann wünschenswert, wenn der Meßwandler bei sehr hohen Frequenzen verwendet wird, wie etwa bei 20 MHz.
In Bezug auf die Abbildungen aus den Fig. 7 und 18 können danach ferner eine Reihe elektrisch unabhängiger piezoelektrischer Elemente 11 durch würfelartiges Zerteilen in Kerben des piezoelektrischen Elements gestaltet werden, wie dies im Fach allgemein der Fall ist. Die Kerben 94 ergeben eine Mehrzahl von Anpaßschichten 24, piezoelektrischen Elementen 11 und Elektroden 23. Die Kerbe kann sich auch geringfügig in den Stützblock 13 erstrecken, um eine elektrische Isolierung zwischen den Meßwandlerelementen sicher zu stellen.
In Bezug auf die Abbildung aus Fig. 8 kann vor der würfelartigen Unterteilung zur Bildung der zweiten Elektroden 25 eine Metallisierungsschicht direkt auf der Oberseite der piezoelektrischen Schicht aufgetragen werden. Wenn ferner eine Anpaßschicht 24 eingesetzt wird, wird die zweite Elektrode 25 vorzugsweise auf dem oberen Abschnitt 26 der Anpaßschicht 24 vorgesehen. Der obere Abschnitt 26 der Anpaßschicht 24 wird durch Metallisierung über die Ränder bzw. Kanten der Anpaßschicht oder durch den Einsatz eines elektrisch leitfähigen Materials, wie zum Beispiel Magnesium oder einem leitfähigen Epoxidharz, mit der zweiten Elektrode 25 kurzgeschlossen. Wenn eine Anpaßschicht verwendet wird, kann die würfelartige Unterteilung auch nach der Anordnung der Anpaßschicht auf der piezoelektrischen Schicht erfolgen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die zweite Elektrode 25 auf Erdungspotential gehalten. Wenn ein nachstehend im Text näher beschriebener Flexschaltkreis 96 verwendet wird, kann die würfelartige Unterteilung sich durch den Flexschaltkreis erstrecken, wobei einzelne Elektroden 23 erzeugt werden.
Wenn der Meßwandler für einen Betrieb im Sektorformat entwickelt worden ist, wird die Länge S. die den Elementabstand in der Azimutalrichtung darstellt, vorzugsweise durch die Hälfte einer Wellenlänge des untersuchten Objekts auf der höchsten Betriebsfrequenz des Meßwandlers näherungsweise dargestellt. Wenn der Meßwandler für einen linearen Betrieb entwickelt worden ist, oder wenn die Meßwandlergruppe eine krummlinige Form aufweist, so kann der Wert S zwischen einer und zwei Wellenlängen des untersuchten Objekts auf der höchsten Betriebsfrequenz des Meßwandlers variieren.
Die Abbildung aus Fig. 19 zeigt eine gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung konstruierte krummlinige Meßwandlergruppe. Die krummlinige Gruppe ist im Besonderen ähnlich wie die lineare Meßwandlergruppe aus der Abbildung aus Fig. 18 gestaltet. Die piezoelektrischen Elemente 11 und der Flexschaltkreis 96 mit entsprechenden Elektroden ruhen allerdings nicht direkt auf dem großen Stützblock 13 aus Fig. 18, sondern sie werden direkt über einem ersten Stützblock 13' mit einer Dicke von ungefähr 1 mm platziert. Dies ermöglicht ein einfaches Biegen der Gruppe in dem gewünschten Ausmaß, um das Sichtfeld zu vergrößern.
Kennzeichnenderweise beträgt der Krümmungsradius des ersten Stützblocks 13' ungefähr 44 mm, wobei der Radius allerdings nach Wunsch variieren kann. Der erste Stützblock kann unter Verwendung eines Epoxidklebstoffes an einem zweiten Stützblock 13" angebracht werden, der in die Bereichsrichtung eine Dicke von ungefähr 2 cm aufweist. Vorzugsweise weist die Oberfläche des zweiten Stützblocks 13" angrenzend an den ersten Stützblock 13' einen ähnlichen Krümmungsradius auf. Wie dies allgemein im Fach bekannt ist, funktioniert eine krummlinige Gruppe ähnlich wie eine lineare Gruppe, bei der eine mechanische Linse vor der linearen Gruppe angeordnet ist.
Da das Signal an dem mittleren Abschnitt 19 des Meßwandlerelements 11 stärker ist als an den End- oder Seitenabschnitten 16 und 18, kommt es zu einer korrekten Apodisation (d. h. die Erzeugung von seitlichen Strahlungskeulen wird verringert oder ganz unterdrückt). Dies ist durch die Tatsache begründet, daß das elektrische Feld zwischen den beiden Elektroden an dem mittleren Teilstück 19 und dem unteren Teilstück 14 an dem mittleren Teilstück 19 am größten ist, wodurch die Erzeugung seitlicher Strahlungskeulen verringert wird. Da es sich bei den vorderen und unteren Abschnitten ferner nicht um flache, parallele Oberflächen handelt, wird die Erzeugung unerwünschter Reflexionen (d. h. Geisterechos) an der Grenzfläche zwischen dem Meßwandler und dem zu untersuchenden Objekt besser unterdrückt. Da die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierte Meßwandlergruppe ferner über einen umfassenden Frequenzbereich betrieben werden kann, kann der Meßwandler Signale auf anderen Mittenfrequenzen als der übermittelten Mittenfrequenz empfangen.
In Bezug auf die Konstruktion des Abstands zwischen den Elementen 11 und der Konstruktion der Meßwandleröffnung mit der Breite w, weist die obere Betriebsfrequenz eines Meßwandlers die größte Wirkung auf die Gitterkeule auf. Das Bildartefakt einer Gitterkeule (d. h. die Erzeugung einer Mehrzahl unerwünschter Spiegelbilder des zu untersuchenden Objekts) kann verhindert werden, wenn der Elementabstand so gestaltet wird, daß dabei die höchste Betriebsfrequenz des Meßwandlers berücksichtigt wird. Im Besonderen ist die Beziehung zwischen dem Gitterkeulenwinkel θg, dem elektronischen Lenkwinkel in dem Sektorformat θs, der Wellenlänge des untersuchten Objekts bei der höchsten Betriebsfrequenz des Meßwandlers λ und dem Abstand zwischen den Elementen S durch die folgende Gleichung gegeben.
S ≤ λ /(sinθs - sinθg).
Für einen bestimmten Gitterkeulenwinkel ist die Konstruktion der Meßwandleröffnung durch die obere Betriebsfrequenz des Meßwandlers begrenzt.
Wie dies durch die Gleichung dargestellt ist, ist es für eine Abtastung bei höheren Frequenzen erforderlich, die Öffnung in Relation zu der Frequenz zu verringern. Bei einer Betriebsfrequenz von 3,5 MHz beträgt der gewünschte Abstand zwischen den Elementen S vorzugsweise 220 um, während der Abstand S bei 7,0 Megahertz 110 um beträgt. Da bei höheren Frequenzen eine Verringerung der Öffnung des Meßwandlers gemäß der vorstehend vorgesehenen Gleichung wünschenswert ist, führt der Einsatz des Meßwandlerelements bei niedrigeren Frequenzen zu einem gewissen Verlust der Auflösung. Dies ist dadurch begründet, daß für den Betrieb auf niedrigeren Frequenzen kennzeichnenderweise eine größere Elementöffnung erforderlich ist. Dies wird jedoch dadurch ausgeglichen, daß der Meßwandler auf niedrigen Frequenzen eine zweidimensionale Gruppe simuliert, wobei der Wert von LMAX mehr als 140 Prozent des Wertes von LMIN beträgt, wodurch die Auflösung der bei niedrigeren Frequenzen erzeugten Bilder durch die breitere Öffnung erhöht wird.
Eine Konstruktion eines Doppelkristall-Meßwandlerelements kann unter Verwendung der Grundsätze der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. In Bezug auf die Abbildung aus Fig. 12 ist ein Doppelkristall-Meßwandlerelement 40 dargestellt, das einen ersten piezoelektrischen Abschnitt 42 und einen zweiten piezoelektrischen Abschnitt 44 aufweist. Diese piezoelektrischen Abschnitte können als zwei getrennte Teile bearbeitet werden. Vorzugsweise werden beide Oberflächen 46 und 48 durch die Gleichung h/2 + (w²/8 h) erzeugt, wobei h die Dickendifferenz zwischen LMAX und LMIN angibt und w die Breite des Meßwandlerelements entlang der Elevationsachse bezeichnet. Die piezoelektrischen Abschnitte 42 und 44 sind mit einer plankonkaven Struktur dargestellt. Die Dicke jedes der Abschnitte 42 und 44 ist an jedem der Seitenabschnitte 43, 45, 47, 49 größer, und die Dicke nimmt an den entsprechenden zentralen Abschnitten der piezoelektrischen Teilstücke 42 und 44 ab. Bei den hinteren Abschnitten 51 und 53 der entsprechenden piezoelektrischen Teilstücke 42 und 44 handelt es sich vorzugsweise um allgemein planare Oberflächen. Diese Oberflächen können aber auch nicht planar sein.
Ein Verbindungsschaltkreis 50 ist zwischen dem ersten piezoelektrischen Abschnitt 42 und dem zweiten piezoelektrischen Abschnitt 44 angeordnet. Der Verbindungsschaltkreis 50 kann jede auf dem Gebiet akustischer oder integrierter Schaltkreise verwendete Konstruktion für die Verbindung aufweisen. Der Verbindungsschaltkreis 50 wird kennzeichnenderweise aus einer Kupferschicht gebildet, die eine Zuleitung für die Erregung des Meßwandlerelements 40 aufweist. Die Kupferschicht kann mit einem Stück aus einem Polyamid verbunden werden, und zwar kennzeichnenderweise mit Kapton. Vorzugsweise erstreckt sich die Kupferschicht über die gleiche Größe wie jeder der piezoelektrischen Abschnitte 42 und 44. Der Verbindungsschaltkreis kann ferner vergoldet werden, um die Leistungsfähigkeit der Kontakte zu verbessern. Bei diesem Verbindungsschaltkreis kann es sich um einen Flexschaltkreis handeln, der von Sheldahl aus Northfield, Minnesota, hergestellt wird.
Zur weiteren Steigerung der Leistungsfähigkeit kann eine Anpaßschicht 52 über dem piezoelektrischen Abschnitt 42 angeordnet werden. Wenn der erste und der zweite piezoelektrische Abschnitt aus dem gleichen Material hergestellt werden, weist die Anpaßschicht 52 eine Dicke der Anpaßschicht LML auf, die näherungsweise durch (1/2) (LE) (CML/CE) gegeben ist, wobei LML für einen bestimmten Punkt auf der Meßwandleroberfläche die Dicke der Anpaßschicht darstellt, wobei LE die Dicke der ersten und zweiten piezoelektrischen Abschnitt bezeichnet, wobei CML die Schallgeschwindigkeit der Anpaßschicht und CE die Schallgeschwindigkeit der piezoelektrischen Abschnitte bezeichnen. Die Erdungsschichten 58 und 59 können direkt auf der Anpaßschicht 52 und auf der Oberfläche 48 angeordnet werden, wobei sie die beiden piezoelektrischen Abschnitte parallel verbinden.
Die Anpaßschicht kann mit einem elektrisch leitfähigen Material überzogen werden, wie etwa mit Nickel oder Gold. Wenn die Anpaßschicht 52 hingegen nicht verwendet wird, dann sind die Erdungsschichten direkt auf den piezoelektrischen Abschnitten 42 und 44 angeordnet. Die Anpaßschicht 52 kann zu dem zu untersuchenden Bereich ausgerichtet sein. Der Meßwandler 40 kann auf einem Stützblock 54 platziert werden, wie dies auf dem Gebiet der Ultraschalltechnik normalerweise der Fall ist. Ferner kann auch ein Kopplungselement gemäß der vorstehenden Beschreibung verwendet werden.
Die Abbildung aus Fig. 13 veranschaulicht eine weitere Doppelkristallkonstruktion 55, welche die Grundsätze der vorliegenden Erfindung verwendet. Vorgesehen sind ein erster piezoelektrischer Abschnitt 56 und ein zweiter piezoelektrischer Abschnitt 57. Der piezoelektrische Abschnitt 56 weist vorzugsweise eine plankonkave Form auf. Ferner weist der zweite piezoelektrische Abschnitt 57 ebenso eine Dickenabweichung entlang der Elevationsrichtung auf. Zwischen den beiden piezoelektrischen Abschnitten kann ein Verbindungsschaltkreis 50 verwendet werden, um den Doppelkristallmeßwandler 55 zu erregen. Eine Anpaßschicht sowie ein Kopplungselement gemäß der vorstehenden Beschreibung können ebenfalls vorgesehen werden, um die Leistungsfähigkeit sowie das Wohlbehagen des Patienten zu steigern. Ferner können die Elektroden 58 und 59 verwendet werden, um die beiden piezoelektrischen Abschnitte parallel zu verbinden.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem hinteren Abschnitt 61 des ersten piezoelektrischen Teilstücks 56 um eine flache Oberfläche. Der Krümmungsradius R des vorderen Abschnitts 63 und des unteren Abschnitts 65 der ersten und zweiten piezoelektrischen Teilstücke 56 bzw. 57 ist näherungsweise durch die Gleichung h/2 + (w²/8 h) gegeben, wobei h der Dickendifferenz zwischen LMAX und LMIN des piezoelektrischen Abschnitts 56 entspricht, und wobei w die Breite des Meßwandlerelements entlang der Elevationsachse bezeichnet. Vorzugsweise sind die Werte von LMAX und LMIN für den ersten und zweiten piezoelektrischen Abschnitt 56 und 57 identisch. Der Krümmungsradius R für den vorderen Abschnitt 67 des zweiten piezoelektrischen Teilstücks 57 ist näherungsweise durch die Gleichung h'/2 + (w²/8h') gegeben, wobei h' der Dickendifferenz zwischen der kombinierten maximalen Dicke für beide piezoelektrische Teilstücke und der kombinierten minimalen Dicke für die beiden piezoelektrischen Teilstücke entspricht, und wobei w die Breite des Meßwandlerelements entlang der Elevationsachse bezeichnet. Für die Realisierung der gewünschten Krümmungsradien können die piezoelektrischen Teilstücke 56 und 57 gemäß der vorstehenden Beschreibung durch eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine bearbeitet werden.
An Stelle des Einsatzes einer einheitlichen Schicht eines piezoelektrischen Materials kann eine Verbundkonstruktion 60 gemäß der Abbildung aus Fig. 14 verwendet werden, die aus einem Verbundwerkstoff hergestellt wird. Die Verbundkonstruktion 60 weist eine Mehrzahl von Pfosten oder Platten aus einem piezoelektrischen Material 62 mit unterschiedlichen Dicken auf. Zwischen den Pfosten 62 befinden sich Polymerschichten 64, die zum Beispiel aus einem Epoxidharz hergestellt werden können. Bei dem Verbundwerkstoff kann es sich zum Beispiel um den Verbundwerkstoff handeln, der von R. E. Newnham et al. in "Connectivity and Piezoelectric- Pyroelectric Composites", Materials Research Bulletin, Band 13, Seiten 525-536 (1978) und R. E. Newnham in "Flexible Composite Transducers", Materials Research Bulletin, Band 13, Seiten 599-607 (1978), beschrieben worden ist. Die Verbundkonstruktion 60 ist vorzugsweise plankonkav. Eine akustische Anpaßschicht, nicht abgebildet, kann zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit an dem vorderen Abschnitt 66 angeordnet werden.
Der Verbundwerkstoff kann in eine Polymerschicht eingebettet werden. Danach kann. der Verbundwerkstoff in die gewünschte Form geschliffen, bearbeitet oder geformt werden. Ferner können die einzelnen Meßwandlerelemente durch Sägen der Verbundkonstruktion gebildet werden, wie dies auf dem Gebiet der Ultraschalltechnik normalerweise der Fall ist. Die Lücken zwischen den entsprechenden Meßwandlerelementen können ferner mit einem Polymerstoff gefüllt werden, um die elektrische Isolierung zwischen den Elementen zu gewährleisten.
Der vordere Abschnitt 66 stellt eine gekrümmte Oberfläche dar, wobei die Dicke der Konstruktion 60 an jedem der Seitenteilstücke 70, 72 größer ist und zu der Mitte hin abnimmt. Der hintere Abschnitt 68 ist als flache Oberfläche dargestellt, jedoch kann es sich dabei auch um eine allgemein planare, konkave oder konvexe Oberfläche handeln. Die Elektroden 74 und 76, die den vorstehend beschriebenen Elektroden entsprechen, können an den vorderen und hinteren Abschnitten der Verbundkonstruktion platziert werden.
Die Verbundkonstruktion 60 aus Fig. 14 kann gemäß der Abbildung aus Fig. 15 verformt werden, was einen konkaven Abschnitt 66' und einen konkaven Abschnitt 68' zur Folge hat. Die verformte Struktur aus der Abbildung aus Fig. 15 kann eine Folge einer mechanischen Verformung der Struktur aus Fig. 14 sein. Bei bestimmten Anwendungen kann die Struktur aus der Abbildung aus Fig. 14 vor dem Verformen erhitzt werden. Wenn der Füllstoff zwischen den vertikalen Pfosten 62 nicht aus einem Epoxidharz sondern aus Silikon besteht, so kann die Konstruktion aus der Abbildung aus Fig. 14 ohne die Anwendung von Hitze leichter verformt werden. Bei der Verwendung von Epoxidharz muß die Konstruktion aus der Abbildung aus Fig. 14 vor dem Verformen der Konstruktion einer Wärme von etwa 50ºC ausgesetzt werden.
Die Verbundkonstruktion kann ferner in die entgegengesetzte Richtung verformt werden, nicht abgebildet, was zu einem konkaven Teilstück 66' und einem konvexen Teilstück 68' führt. Hiermit wird festgestellt, daß die Formung der Meßwandlerkonstruktion aus Fig. 14 nicht nur einen Breitbandmeßwandler ermöglicht, sondern allgemein auch die Fokussierung des Ultraschallstrahls in dem Untersuchungsbereich ermöglicht. Durch die Verformung der Konstruktion gemäß der Abbildung aus Fig. 15 ist eine "Feinabstimmung" der Fokussierung des Ultraschallstrahls möglich.
Im Einsatz kann die Meßwandlergruppe 10 zuerst auf eine höheren Frequenz entlang einer bestimmten Abtastrichtung erregt werden, um den Ultraschallstrahl an einem Punkt in dem nahen Feld zu fokussieren. Der Meßwandler kann entlang einer Reihe von Punkten entlang einer Abtastlinie allmählich fokussiert werden, wobei die Erregungsfrequenz zurückgeht, wenn der Strahl allmählich in dem weiten Feld fokussiert wird. Wenn der Wert für LMAX mehr als 140 Prozent des Wertes von LMIN beträgt, kann sich die Breite des austretenden Strahls, der bei hohen Frequenzen einen geringen Durchmessern aufweist, in der Öffnung vergrößern, wenn die Erregungsfrequenz verringert wird, wie dies in der Abbildung aus Fig. 9 dargestellt ist. Bei einer ausreichend niedrigen Frequenz, wie etwa von zwei Megahertz, simuliert der Meßwandler 10 schließlich eine zweidimensionale Gruppe, wobei unter Verwendung der ganzen Öffnung des Meßwandlerelements 11 ein Strahl wirksam erzeugt wird. Je größer ferner die Krümmung des vorderen Abschnitts 12 ist, desto mehr simuliert der Meßwandler 10 eine zweidimensionale Gruppe. Eine Anpaßschicht 24 kann ferner an dem vorderen Abschnitt 12 des Elements 11 angeordnet werden, um die Bandbreite und die Leistungsfähigkeit der Empfindlichkeit weiter zu erhöhen.
Bei einer die Abbildung von Oberschwingungen mittels Kontrastmittel können die Meßwandlergruppenelemente 11 zuerst auf einer dominanten Grundoberschwindungsfrequenz erregt werden, wie etwa von 3,5 Megahertz, um das Herz oder ein anderes zu untersuchendes Gewebe zu untersuchen. Danach können die Meßwandlergruppenelemente 11 auf den Empfangsmodus auf einer dominanten zweiten Oberschwingungsfrequenz, wie etwa von 7,0 Megahertz, eingestellt werden, um das Kontrastmittel im Verhältnis zu dem Gewebe besser sichtbar zu machen. Dadurch kann der Betrachter feststellen, wie gut das Gewebe funktioniert. Bei der Betrachtung der Grundoberschwingung können Filter (z. B. elektrische Filter) eingesetzt werden, die um die Grundfrequenz zentriert sind. Bei der Betrachtung der zweiten Oberschwingungsfrequenz können um die zweite Oberschwingungsfrequenz zentrierte Filter verwendet werden. Die Meßwandlergruppe kann zwar gemäß der vorstehenden Beschreibung auf der zweiten Oberschwingung auf den Empfangsmodus eingestellt werden, allerdings kann die Meßwandlergruppe auf der zweiten Oberschwingungsfrequenz auch senden und empfangen.
Die Anwendung von Impulsen zur Realisierung der gewünschten Erregungsfrequenz ist im Fach allgemein bekannt. In der Abbildung aus Fig. 20 ist zu Veranschaulichungszwecken ein Impulsgang 100 dargestellt, der eine Breite von ungefähr 0,25 uSek. aufweist. Der Impulsgang 100 entspricht dem Ansprechverhalten des Meßwandlers auf eine Impulserregung, mit LMIN gleich 0,109 mm, LMAX gleich 0,381 mm und mit einem Krümmungsradius des vorderen Abschnitts 12 von 103,54 mm. Der Impulsgang 100 ergibt ein Frequenzspektrum 102 von ungefähr 1 MHz bis 9 MHz. Die Erregung des Meßwandlerelements 11 ist unter Verwendung einer Impulserregung bei der Betrachtung des weiten Felds wünschenswert oder bei Anwendungen, wo keine Einschränkung auf die Auswahl einer bestimmten Öffnung des Meßwandlerelements 11 für die Erzeugung eines Ultraschallstrahls existiert. Die Erregung der ganzen Öffnung des Meßwandlerelements 11 unterstützt ferner die Erzeugung einer feineren Auflösung entlang der Bereichsachse.
Für die Auswahl der Öffnung des zentralen Abschnitts 19 des Meßwandlerelements bei der Betrachtung des nahen Felds kann eine Reihe von Impulsen, wie etwa von 2 bis 5 Impulsen, für die Erregung des Meßwandlerelements 11 verwendet werden. Kennzeichnenderweise beträgt die Impulsfrequenz ungefähr 7 MHz, und wobei die Breite der Impulse ungefähr 0,14 uSek. beträgt.
Zur Simulation einer zweidimensionalen Gruppe bei niedrigeren Frequenzen kann eine Reihe von Impulsen, wie etwa von 2 bis 5 Impulsen, für die Erregung des Meßwandlerelements 11 verwendet werden, wie dies bereits vorstehend beschrieben worden ist. Die Impulse weisen eine Frequenz auf, die der Resonanzfrequenz entspricht, die in Relation zu den dicksten bzw. den seitlichen Abschnitten 16, 18 des Meßwandlerelements steht. Kennzeichnenderweise beträgt die Impulsfrequenz ungefähr 2,5 MHz, und die Impulsbreite liegt bei ungefähr 0,40 uSek. Dies unterstützt die Erzeugung eines klareren Bilds bei einer Betrachtung des weiten Felds.
Die Elemente 11 für die Einkristallkonstruktion aus den Abbildungen der Fig. 3, 5 und 15 weisen jeweils eine Abmessung von 15 mm in die Elevationsrichtung und von 0,0836 mm in die Azimutalrichtung auf. Der Elementabstand S beträgt 0,109 mm, und die Länge der Kerbe entspricht 25,4 um. Die Dicke LMIN beträgt 0,109 mm und die Dicke LMAX entspricht 0,381 mm. Der Krümmungsradius des vorderen Abschnitts 12 beträgt 103,54 mm.
Der Stützblock wird aus einem gefüllten Epoxidharz gebildet, das die Teilenummer DER 332 von Dow Corning umfaßt, behandelt mit dem Härtemittel DEH 24 von Dow Corning und mit einem Aluminiumoxid-Füllstoff. Der Stützblock für eine Meßwandlergruppe aus 128 Elementen weist folgende Abmessungen auf: 20 mm in die Azimutalrichtung, 16 mm in die Elevationsrichtung und 20 mm in die Bereichsrichtung.
Die Form und die Abmessungen der Anpaßschicht 24 sind näherungsweise durch die Gleichung LML = (1/2) (LE) (CML/CE) gegeben, wobei die Dicke LML für einen bestimmten Punkt auf der Meßwandleroberfläche die Dicke der Anpaßschicht bezeichnet, wobei LE für die Dicke des Meßwandlerelements steht, wobei CML die Schallgeschwindigkeit der Anpaßschicht und CE die Schallgeschwindigkeit des Elements bezeichnet. Die Meßwandler können in Verbindung mit handelsüblichen Einheiten verwendet werden, wie etwa mit dem 128 XP System der Acusa Corporation mit akustischer Ansprechtechnologie (ART).
Bei der Doppelkristallkonstruktion aus der Abbildung aus Fig. 12 weisen die ersten und zweiten piezoelektrischen Abschnitte 42 und 44 eine minimale Dicke von 0,127 mm und eine maximale Dicke von 0,2794 mm auf, gemessen entlang der Bereichsrichtung. Der Krümmungsradius der Oberflächen 46 und 48 der piezoelektrischen Abschnitte 42 und 44 beträgt 184,62 mm. Der Elementabstand S entspricht 0,254 mm, und die Länge der Kerbe beträgt 25,4 um.
Bei der Doppelkristallkonstruktion aus der Abbildung aus Fig. 13 weisen die piezoelektrischen Abschnitte 56 und 57 eine minimale Dicke von 0,127 mm und eine maximale Dicke von 0,2794 mm auf. Der Krümmungsradius des vorderen Abschnitts 63 des ersten piezoelektrischen Teilstücks 56 und des hinteren Abschnitts 65 des zweiten piezoelektrischen Teilstücks entspricht 184,62 mm. Der Krümmungsradius des vorderen Abschnitts 67 des piezoelektrischen Teilstücks beträgt 92,426 mm.
Schließlich weist die Verbundkonstruktion aus der Abbildung aus Fig. 14 vorzugsweise ähnliche Abmessungen auf wie dies in den Abbildungen aus den Fig. 4 und 5 der Fall ist, wobei eine Gruppe von 128 Meßwandlerelementen gebildet wird. Die Konstruktion aus Fig. 11 umfaßt ferner einen allgemein planaren hinteren Abschnitt 68, der bei einer Fokussierung in dem weiten Feld besonders wünschenswert ist. Die Konstruktion aus der Abbildung aus Fig. 15 kann durch Verformung der Enden der Konstruktion aus der Abbildung aus Fig. 14 in die Bereichsrichtung gebildet werden. Bei einer Fokussierung in dem nahen Feld bei ungefähr 2 cm in dem zu untersuchenden Körper sollten die Seitenabschnitte der Konstruktion aus Fig. 14 im Verhältnis zu dem mittleren Abschnitt um ungefähr 0,25 mm verformt werden.
Der Stützblock, der Flexschaltkreis, die piezoelektrische Schicht, die Anpaßschicht und das Kopplungselement können unter Verwendung eines beliebigen Epoxidharzes aneinander geklebt werden. Für das Zusammenkleben der verschiedenen Materialien kann ein Trägermaterial Hysol® mit der Nummer 2039 in Verbindung mit einem Härtemittel Hysol® mit der Nummer HD3561 verwendet werden, die von der Dexter Corp., Hysol Division of Industry, Kalifornien, hergestellt werden. Kennzeichnenderweise beträgt die Dicke des Epoxidharzes ungefähr 2 um.
Die Dicke des Flexschaltkreises zur Bildung der ersten Elektrode beträgt ungefähr 25 um für einen von Sheldahl hergestellten Flexschaltkreis für eine geeignete elektrische Erregung. Die Dicke der zweiten Elektrode beträgt kennzeichnenderweise 2 · 10&supmin;&sup7; m bis 3 · 10&supmin;&sup7; m (2000-3000 Angstrom), und wobei diese durch Sputtertechniken auf der Meßwandlerkonstruktion aufgetragen werden kann.
Hiermit wird festgestellt, daß die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierte Meßwandlergruppe auf der dritten Oberschwingung betrieben werden kann, wie etwa auf 10,5 Megahertz in diesem Beispiel. Dadurch können dem Betrachter zusätzliche Informationen geliefert werden. Ferner ermöglicht die Hinzufügung der Anpaßschicht 24 der Meßwandlergruppe den Betrieb über einen noch umfassenderen Frequenzbereich. Folglich ist der erfindungsgemäße Meßwandler besser in der Lage, auf einer bestimmten dominanten Grundfrequenz und einer zweiten Oberschwingungsfrequenz zu arbeiten.

Claims

1. Meßwandlergruppe zur Erzeugung eines Ultraschallstrahls bei Erregung, wobei der Meßwandler folgendes umfaßt:

eine Mehrzahl von Meßwandlerelementen (11), die aufeinanderfolgend entlang einer Azimutalachse (Y) angeordnet sind, wobei jedes der genannten Meßwandlerelemente eine nicht ebene vordere Oberfläche (12) aufweist, die in eine Bereichsrichtung in Richtung eines Untersuchungsbereichs zeigt, wenn sich die Meßwandlergruppe im Einsatz befindet, mit einer hinteren Oberfläche (14) und zwei seitlichen Oberflächen (16, 18), die im wesentlichen parallel zueinander sind, welche die vordere und die hintere Oberfläche an jedem Ende des Elements verbinden, so daß jedes der Meßwandlerelemente (11) eine Dicke (L) aufweist, die in der Bereichsrichtung zwischen der vorderen und der hinteren Oberfläche (12, 14) gemessen wird, wobei sich die kleinste Abmessung der Dicke ungefähr in der Mitte zwischen den genannten Enden befindet, und wobei sich die größte Abmessung an jedem Ende befindet, wobei die genannte Dicke von der geringsten Dickenabmessung zu der größten Dickenabmessung stetig zunimmt.

2. Meßwandler nach Anspruch 1, wobei die vordere Oberfläche konkav ist.

3. Meßwandler nach Anspruch 1, wobei die vordere Oberfläche einen Krümmungsradius entlang einer Elevationsachse (X) aufweist, der sich von einem Krümmungsradius entlang der Azimutalachse (Y) unterscheidet.

4. Meßwandler nach Anspruch 1, wobei die hintere Oberfläche (14) allgemein planar ist.

5. Meßwandler nach Anspruch 1, wobei die hintere Oberfläche (14) eine konkave Form aufweist.

6. Meßwandler nach Anspruch 1, wobei die hintere Oberfläche (14) eine konvexe Form aufweist.

7. Meßwandler nach Anspruch 1, wobei jedes der genannten Elemente (11) plankonkav ist.

8. Meßwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Meßwandler ferner mindestens eine akustische Anpaßschicht (24) umfaßt, die sich an der vorderen Oberfläche (12) jedes Meßwandlerelements befindet.

9. Meßwandler nach Anspruch 8, wobei die Dicke LML der genannten Anpaßschicht näherungsweise durch (1/2)(LE)(CML/CE) gegeben ist, wobei LML für einen gegebenen Punkt auf der vorderen Oberfläche jedes Elements die Dicke der Anpaßschicht bezeichnet, wobei LE die Dicke des Meßwandlerelements darstellt, wobei CML die Schallgeschwindigkeit der Anpaßschicht bezeichnet, und wobei CE für die Schallgeschwindigkeit des Elements steht.

10. Meßwandler nach Anspruch 8 oder 9, wobei an der genannten Anpaßschicht (24) ein Kopplungselement (27) angeordnet ist.

11. Meßwandler nach Anspruch 10, wobei eine Oberfläche des genannten Kopplungselements (27), die in die Bereichsrichtung ausgerichtet ist, eine konkave Form aufweist.

12. Meßwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das genannte Element (11) aus einem der folgenden Stoffe hergestellt wird, die Blei(II)-tinatatzirkonat, Verbundwerkstoffe und Polyvinylidenfluorid umfassen.

13. Meßwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die genannte vordere Oberfläche (12) einen Krümmungsradius aufweist, der näherungsweise durch die Gleichung h/2+(w²/8 h) gegeben ist, wobei h die Differenz zwischen der minimalen und der maximalen Dicke des genannten Meßwandlerelements bezeichnet, und wobei w für die Breite des genannten Meßwandlerelements steht, die zwischen den genannten seitlichen Oberflächen (16, 18) gemessen wird.

14. Meßwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die genannte maximale Dicke kleiner oder gleich 140% der genannten minimalen Dicke ist.

15. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die genannte maximale Dicke kleiner oder gleich 140% der genannten minimalen Dicke und größer oder gleich 120% der genannten minimalen Dicke ist.

16. Meßwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche in Kombination mit einem Ultraschallsystem zur Erzeugung eines Bildes, wobei das System einen Übermittlungsschaltkreis (2) zur Übermittlung elektrischer Signale an die Meßwandlergruppe (4, 10) aufweist, wobei die Meßwandlergruppe im Einsatz einen Ultraschallstrahl übermittelt, der durch eine bestimmte Frequenzerregung erzeugt wird, und Druckwellen empfängt, die von einem zu untersuchenden Körper zurückgestrahlt werden, wobei ein Empfangsschaltkreis (6) zur Verarbeitung der von der genannten Meßwandlergruppe empfangenen Signale vorgesehen ist, und mit einer Anzeige (8), die dazu dient, ein Bild eines überwachten Objekts vorzusehen.

17. Meßwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Meßwandler ferner folgendes umfaßt:

eine Mehrzahl erster Elektroden (74), wobei sich jede der genannten ersten Elektroden auf einem hinteren Teilstück eines entsprechenden der genannten Elemente befindet; und

eine Mehrzahl zweiter Elektroden (76), wobei sich jede der genannten zweiten Elektroden auf einer vorderen Oberfläche eines entsprechenden der genannten Elemente befindet;

wobei ein elektrisches Feld zwischen den genannten ersten und zweiten Elektroden an dem genannten mittleren Teilstück größer ist als an den genannten seitlichen Teilstücken.