DE69430490T3 - Verfahren zur Herstellung einer Wandleranordnung zur Bilderzeugung - Google Patents

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Horst F. Kiepen
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einen Messwandlerbaugruppe für eine Bilddarstellungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Das oben angesprochene Verfahren ist aus JP-A-2-271843 bekannt. Dieses Dokument nennt keine Einzelheiten zur Art eines verwendeten Stützmaterials.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Messwandlerbaugruppe bereitzustellen, die ein Stützmaterial enthält, welches das Vorhandensein von Überschwingungen verringert.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 erfüllt.
  • Es soll an dieser Stelle angemerkt sein, dass das Formen einer planaren Messwandlerbaugruppe zu einer zylindrischen Gestalt aus US-A-4,917,097 und US-A-5,109,861 bekannt ist. Jedoch offenbaren diese US-Publikationen kein Verfahren, bei dem das Stützmaterial nach der Herstellung des Zylinders angebracht wird. Durch Anbringen des Stützmaterials nach dem Formen des Zylinders wird gewährleistet, dass die Abstände zwischen den Elementen der Messwandleranordnung an den entgegengesetzten Enden des zylindrisch gewickelten Flachmaterials genauso groß sind wie die der anderen Elemente der Messwandleranordnung. Eine mittels des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellte Kathetersondenbaugruppe umfasst einen aus mehreren Sektionen bestehenden Körper zum Einfügen in einen Hohlraum. Der aus mehreren Sektionen bestehende Körper ist durch separate und eigenständige Träger- bzw. Stützmaterialien für einen Elektronikkörper und eine Messwandlerbaugruppe gekennzeichnet. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst die Fertigung der Sondenbaugruppe für einen Ultraschall katheter allgemein des Typs, der bei Proudian (verstorben) und Mitarbeitern im US-Patent 4,917,097 und bei Eberle und Mitarbeitern im US-Patent 5,167,233 zum Erzeugen von im Wesentlichen Echtzeitbildern kleiner Hohlräume und des sie umgebenden Gewebes beschrieben ist.
  • Die Messwandlerbaugruppe, die eine Anordnung von Messwandlern umfasst, ist auf einer ersten Sektion des aus mehreren Sektionen bestehenden Körpers montiert. Die Messwandleranordnung sendet Ultraschallwellen in den Hohlraum und erzeugt elektrische Signale in Reaktion auf reflektierte Ultraschallwellen, die durch die Messwandler empfangen wurden.
  • Das Stützmaterial für die Messwandlerbaugruppe wird speziell für seine charakteristische geringe Schallimpedanz und hohe Absorption ausgewählt. Das Stützmaterial von geringer Schallimpedanz absorbiert in das Stützmaterial eingekoppelte Signale und verringert das Vorhandensein von Überschwingungen in der Messwandlerbaugruppe. Außerdem ist ein Satz Messwandlerelektroden direkt an das Messwandlermaterial gebondet, wodurch eine kapazitive Leimschicht vermieden wird, die früher Bestandteil der Messwandlerschaltkreise war.
  • Integrierte Schaltkreise sind auf einer zweiten Sektion des aus mehreren Sektionen bestehenden Körpers montiert. Die zweite Sektion, die akustisch von der ersten Sektion isoliert ist, umfasst ein Trägermaterial, das einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Die integrierten Schaltkreise empfangen einen Satz erster elektrischer Signale von der Messwandleranordnung mittels elektrischer Leiter, welche die Elektroden der Messwandlerbaugruppe mit den Bondinseln der integrierten Schaltkreise verbinden. Die elektrischen Leiter werden außerdem dafür verwendet, Erregungssignale von den integrierten Schaltkreisen zu der Messwandlerbaugruppe zu übertragen. Die integrierten Schaltkreise wandeln die empfangenen ersten elektrischen Signale in einen zweiten Satz elektrischer Signale um. Dann senden die integrierten Schaltkreise mittels eines Kabels den zweiten Satz Signale zu einem Signalprozessor, der sich außerhalb der Umgebung des Hohlraums befindet.
  • Die einzigartige, aus mehreren Sektionen bestehende Struktur der Sondenbaugruppe ermöglicht es dem Konstrukteur der Sondenbaugruppe, separat ein Material auszuwählen, das die bevorzugten strukturellen und akustischen Eigenschaften für den Träger der Komponenten des integrierten Schaltkreises und das Stützmaterial für die Messwandlerelemente aufweist.
  • Um Beschädigungen der Komponenten der Messwandlerbaugruppe und des Elektronikkörpers zu verhindern, werden diese beiden Abschnitte der Ultraschall-Kathetersondenbaugruppe separat hergestellt und während der abschließenden Fertigungsstufen des Ultraschallkatheter verbunden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die angehängten Ansprüche beschreiben die Merkmale der vorliegenden Erfindung im Einzelnen. Die Erfindung wird, zusammen mit ihren Aufgaben und Vorteilen, am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden, in denen Folgendes dargestellt ist:
  • 1 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Spitze eines Katheters, die den Elektronikkörper, die Messwandlerbaugruppe und die Ballonsektion eines in der Angioplastik verwendeten Ballon-Ultraschall-Bilderzeugungskatheters, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, veranschaulicht;
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht der Spitze eines teilweise zusammengesetzten Katheters zur diagnostischen Bilddarstellung vor dem Anschließen der Signalwege zwischen dem Elektronikkörper und der Messwandlerbaugruppe, die voneinander getrennt sind;
  • 3 ist eine detaillierte seitliche Querschnittsansicht der Spitze des Bilddarstellungsvorrichtungsabschnitts des Katheters, das die Zusammensetzung der Bilddarstellungsvorrichtung zeigt;
  • 4 ist eine Querschnittsansicht der Messwandlerbaugruppe entlang der Linie 4-4 in 1;
  • 5a und 5b veranschaulichen eine alternative Ausführungsform des Ultraschall-Katheters, wobei die leitenden Elektroden in der Messwandlerbaugruppe über das Stützmaterial und das Messwandlermaterial hinausragen;
  • 6 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Spitze eines Katheters, die den Elektronikkörper, die Messwandlerbaugruppe und die Nasenbaugruppe eines diagnostischen Ultraschall-Bilddarstellungskatheters veranschaulicht, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
  • Obgleich die Erfindung in Verbindung mit einem Katheter beschrieben wird, der in der Angioplastik eingesetzt wird, versteht es sich, dass seine Verwendung nicht darauf beschränkt sein soll. Die Erfindung soll sich im Gegenteil auf alle Anwendungen erstrecken, bei denen eine Bilddarstellung in einem kleinen Hohlraum erforderlich ist. Ein Beispiel einer solchen Alternative wäre die Verwendung der vorliegenden Erfindung in einem Katheter ohne den Ballon. In einem solchen Fall fungiert der Katheter als ein Diagnose- oder Überwachungsgerät. Eine weitere konkrete alternative Verwendung der vorliegenden Erfindung ist zum Messen von Durchblutungsraten mittels Doppler-Schallbild darstellung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung kann auch zum Erzeugen interner Bilder einer Anzahl von Gängen innerhalb eines Körpers verwendet werden, wie zum Beispiel die Überwachung von Gallensteinen in den Gallengängen und für die Untersuchung und Behandlung auf dem Gebiet der Urologie und Gynäkologie. Ein weiteres Beispiel einer Anwendung der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung des Ultraschall-Katheters zum Erzeugen eines Bildes eines Gefäßes oder Ganges während der Durchführung einer Laserbehandlung oder während der Entfernung von Plaque von Gefäßwänden während einer Atherektomie.
  • Des Weiteren kann dieses Erfindung auch auf andere Arten von Messwandleranordnungskonfigurationen Anwendung finden, die dem Durchschnittsfachmann angesichts der Beschreibung der Erfindung und der begleitenden Beschreibungen verschiedener Ausführungsformen dieser Erfindung, die im vorliegenden Text enthalten sind, einfallen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Eine Querschnittsansicht eines Katheters, der die vorliegende Erfindung verkörpert, ist veranschaulichend in 1 gezeigt. Der in 1 gezeigte Katheter, der einen Ballon 1 trägt, ist von der Art, der allgemein für die Angioplastik verwendet wird; jedoch kann die Erfindung in Verbindung mit einer Anzahl von Katheterausführungen verwendet werden, wie zum Beispiel jenen, die in 6 veranschaulichend gezeigt sind, um diagnostische Bilder zu erzeugen und um Behandlungen in kleinen Hohlräumen des Körpers auszuführen. Herkömmliche Führungsdrahtlumen 2 und 3 sind während einer normalen Katheterisierung teleskopisch über ein passendes radiopakes Führungsdrahtlumen 4, das eine mittige Bohrung 6 für einen Katheter-Führungsdraht aufweist, geschoben. Eine Verkapselung 8, die aus einem Epoxidharzmaterial besteht, sichert eine Bilddarstellungsvorrichtung 10, die aus dem Elektronikkörper 12 und der Messwandlerbaugruppe 14 besteht, am Ende eines Katheterschaftes 16. Die Bilddarstellungsvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung enthält einen aus mehreren Sektionen bestehenden Körper, der separate und eigenständige Materialien für einen Träger 20 und ein Messwandler-Stützmaterial 24 umfasst. Die Verkapselung 8 schützt und isoliert einen Satz integrierter Schaltkreise (ICs) 18, die auf dem Träger 20 montiert sind. In der bevorzugten Ausführungsform einer Ballon-Angioplastikvorrichtung, welche die vorliegende Erfindung verkörpert, ist die Bilddarstellungsvorrichtung 10 in einer proximalen Hülse 19 des Ballons 1 positioniert.
  • Die Messwandlerbaugruppe 14, die im Weiteren in Verbindung mit 3 ausführlicher beschrieben wird, umfasst allgemein einen Satz Messwandlerelemente 22. Die Messwandlerelemente 22 werden in einer zylindrischen Gestalt um das Stützmaterial 24 herum gestützt. Jedoch fallen dem Fachmann auf dem Gebiet der Messwandlervorrichtungen in Anbetracht der vorliegenden Beschreibung und in Anbetracht des Standes der Technik noch weitere Messwandlerelement-Konfigurationen ein.
  • Fahren wir mit der Beschreibung von 1 fort. Der Ballon 1 ist neben der Bilddarstellungsvorrichtung 10 positioniert und ist gegen Umgebungsbedingungen isoliert, indem die beiden Enden des Ballons 1 an dem Katheterschaft 16 und dem Lumen 3 in einer herkömmlichen Weise versiegelt sind. Eine Röhre 26 ist in die Verkapselung 8 eingebettet, um ein Fluid zwischen dem Ballon 1 und einer Aufblasquelle zu leiten. In dem aufweitbaren Abschnitt des Ballons 1, und an dem Lumen 3 angebracht, befindet sich ein radiopakes Markierungsband 27, um das Auffinden der Position des Katheters in einem Fluoroskop zu unterstützen.
  • Ein Kabel 28, das einen inneren und einen äußeren Satz Drähte umfasst, transportiert elektronische Daten und Steuersignale zwischen den ICs 18 und einem Kontrollstationscomputer. Jeder innere Draht in dem Kabel 28 besteht aus einem massiven Leiter, der durch einen Isoliermantel geschützt ist. Die äußeren Drähte sind einige Male spiralförmig um das Kabel 28 herum gewunden, um die Signale abzuschirmen, die durch die inneren Drähte des Kabels 28 transportiert werden. Vorzugsweise ist das Kabel mit einem Isoliermaterial beschichtet.
  • Wenden wir uns nun 2 zu, wo eine perspektivische Ansicht der Spitze eines teilweise zusammengesetzten Katheters 10 zur diagnostischen Bilddarstellung vor dem Anschließen der Signalwege zwischen dem Elektronikkörper 12 und der Messwandlerbaugruppe 14, die voneinander getrennt sind, gezeigt ist, um die eigenständigen ersten und zweiten Abschnitte der Bilddarstellungsvorrichtung 10 zu zeigen, welche die Messwandlerbaugruppe 14 und den Elektronikkörper 12 umfasst. Um die Beschreibung der Bilddarstellungsvorrichtung 10 verständlicher zu machen, wurden die proximale Hülse 19 und die Epoxidharzverkapselung 8, welche die Bilddarstellungsvorrichtung 10 bedeckt, weggelassen, um die integrierten Schaltkreis-Chips 18 und die zugehörigen elektronischen Strukturen frei zu legen. Ein Nasenkonus 25 bildet eine abgestumpfte Führungsfläche für den Ultraschallbilddarstellungs-Katheter, um eine Schädigung von Gefäßen zu vermeiden, wenn der Katheter durch das Gefäß hindurchgeführt wird.
  • Das radiopake Führungsdrahtlumen 4, das in einem Patienten mit Hilfe eines Fluoroskops sichtbar gemacht werden kann, unterstützt die Positionierung des Katheters. Das radiopake Führungsdrahtlumen 4 hält auch den Elektronikkörper 12 und die Messwandlerbaugruppe 14. Der Außendurchmesser des radiopaken Führungsdrahtlumens 4 beträgt ungefähr 0,5 Millimeter. Das radiopake Führungsdrahtlumen 4 erfüllt die zusätzliche Funktion einer Führung zum genauen Positionieren des Elektronikkörpers 12 und der Messwandlerbaugruppe 14, um einen Satz aus 64 Leitungen 30 von den ICs 18, die auf dem Elektronikkörper 12 montiert sind, mit einem Satz aus 64 Messwandlerkontakten 32 der Messwandlerbaugruppe 14 in einer in 3 gezeigten Weise zusammenzupassen. Damit das radiopake Führungsdrahtlumen 4 das Zusammenpassen der oben beschriebenen Komponenten der Bilddarstellungsvorrichtung 10 unterstützen kann, muss der Spalt zwischen dem radiopaken Führungsdrahtlumen 4 und dem Träger 20 und dem Stützmaterial 24 sehr klein sein und sollte nicht größer als ungefähr 25 μm sein. Dieser minimierte Spalt gewährleistet eine ordnungsgemäße radiale Ausrichtung der Leitungen 30 und der Messwandlerkontakte 32.
  • Um die ICs 18 physisch auf dem Träger 20 anzuordnen, bestehen die vier ICs 18 aus einem umgekehrten Chip-Design, das dem Fachmann auf dem Gebiet der Halbleiterchipfertigung bekannt ist, und sind an einen Satz leitfähiger Bondinseln 34 gebondet, die auf dem Träger 20 ausgebildet sind. Die leitfähigen Bondinseln 34 verbinden die ICs 18 mit ihren benachbarten Chips und bilden eine Verbindung zwischen den ICs 18 und dem Kabel 28, das die ICs kommunikativ 18 an einen Signalprozessor koppelt, der sich außerhalb des Patienten befindet. Die Bondinseln verbinden auch die ICs 18 mit den Leitungen 30. Die Leitungen 30 verbinden die ICs 18 mit einem Satz von 64 Elektroden, welche die Messwandlerelemente in der Messwandlerbaugruppe 14 definieren.
  • Jeder der ICs 18 hat 16 Kanäle, die 16 Messwandlerelementen zugeordnet sind, die durch 16 Messwandlerelektroden in der Messwandlerbaugruppe 14 definiert werden. Jeder der vier ICs 18 ist dafür zuständig, nacheinander elektrische Signale im Ultraschallfrequenzbereich auf einem oder mehreren seiner 16 Kanäle, die durch Leitungen 30 mit einem zugeordneten Messwandlerelement in der Messwandler baugruppe 14 verbunden sind, zu senden und zu empfangen. Die vier ICs 18 erfüllen eine Multiplexierfunktion, die Erregungsimpulse von einem Signalprozessor zu einem oder mehreren der Messwandlerelemente verteilt. In jedem Augenblick sind einer oder mehrere der 16 Kanäle auf jedem der ICs 18 frei, durch ein Erregungssignal erregt zu werden oder Reflexionen oder Echos mittels Aktivierungssteuersignalen, die in den ICs 18 gespeichert sind, zu empfangen. Die elektrischen Signale, die aus den Reflexionen erzeugt werden, die auf die aktiven Messwandlerelemente auftreffen, werden verstärkt und über die Übertragungskabelleitung 28 zu dem externen Signalprozessor geleitet.
  • Wenden wir uns 3 zu, wo eine detaillierte seitliche Querschnittsansicht des Bilddarstellungsabschnitts des Katheters von 1 veranschaulicht ist, um die Struktur und die Materialien der Bilddarstellungsvorrichtung 10 zu zeigen. In dieser Zeichnung sind der Elektronikkörper 12 und die Messwandlerbaugruppe 14 in ihrem zusammengepassten Zustand gezeigt, wie sie im fertigen Aufbau des Bilddarstellungskatheters vorliegen würden. Obgleich die Schichten der Messwandlerbaugruppe detailliert in 3 gezeigt sind, ist es hilfreich, während der Beschreibung der zu einem Ring gebildeten Schichten der Messwandlerbaugruppe 14 4 zu betrachten, wo eine Querschnittsansicht der Messwandlerbaugruppe entlang der Linie 4-4 von 2 gezeigt ist.
  • Der Träger 20 ist mit Hilfe einer Leimschicht 36, die ein beliebiges handelsübliches Cyanacrylatepoxidharz in medizinischer Güte umfasst, an das radiopake Führungsdrahtlumen 4 gebondet. An die Stelle der Leimschicht 36 kann jedes beliebige Material oder jede beliebige Struktur treten, die den Elektronikkörper 12 in zufriedenstellender Weise unbeweglich macht. Wie zuvor angesprochen, muss der Raum zwischen dem radiopaken Führungsdrahtlumen 4 und dem Träger 20, der mit der Leimschicht 36 ausgefüllt ist, sehr klein sein, damit das radiopake Führungsdrahtlumen 4 das Zusammenpassen der elektrischen Kontakte zwischen dem Elektronikkörper 12 und der Messwandlerbaugruppe 14 unterstützen kann.
  • Der Träger 20 in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht aus einem starren, festen Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Der Träger 20 muss Temperaturen von über 200 Grad Celsius widerstehen können, denen der Elektronikkörper 12 während des Bondens des Satzes von ICs 18 an den Träger 20 ausgesetzt ist. Des Weiteren kann während des Betriebes des Ultraschall-Katheters eine Eigenerwärmung der ICs 18 eine Ausdehnung des Trägers 20 bewirken. Wenn die Wärmeausdehnung des Trägers 20 zu groß ist, so entsteht durch Scherkräfte, die durch den Träger 20 auf die leitfähigen Bondinseln 34 ausgeübt werden, ein erhebliches Risiko des Ausfalls der elektrischen Verbindung zwischen den Kontakten der ICs 18 und den Leitungen 30. Aluminiumoxid (Al2O3) besitzt die oben angesprochenen erwünschten Eigenschaften für den Träger 20; jedoch kennt der Fachmann auf dem Gebiet der Hybridschaltkreise noch weitere geeignete Substitute für dieses Material. Aluminiumoxid ist auch durch eine sehr hohe Schallimpedanz (ungefähr 40 MRayls) und relativ geringe Verluste gekennzeichnet. Wie unten noch erläutert wird, machen diese akustischen Eigenschaften Aluminiumoxid zu einem eher ungeeigneten Kandidaten für die Verwendung als das Messwandler-Stützmaterial für Anwendungen, in denen hochempfindliche Messwandlerelemente zum Einsatz kommen.
  • Eine Verkapselung 8 wird auf die Außenfläche des Elektronikkörpers 12 aufgebracht, um der Katheterbaugruppe eine zylindrischere Gestalt zu verleihen und den elektronischen Schaltungsaufbau zu isolieren. Die Verkapselung 8 umfasst allgemein jedes beliebige handelsübliche UV-härtbare Acryl von medizinischer Güte. Um eine Kontaminierung des Blutes zu verhindern und vor einem möglichen elektri schen Schlag zu schützen, kann die Außenseite des Elektronikkörpers mit einer Schutzschicht überzogen sein. Die Schutzschicht besteht zum Beispiel aus Parylen. Weitere geeignete Materialien für die Schutzschicht sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Ultraschall-Katheter oder anderer medizinischer Instrumente, die in den Körper eingeführt werden, bekannt. Die Schutzschicht besteht aus der proximalen Hülse 19 in dem in 1 gezeigten Angioplastik-Ballonkatheter oder einer Hülle 38 im Fall eines diagnostischen Bilddarstellungskatheters, wie es zum Beispiel in 6 veranschaulicht ist.
  • Wenden wir uns der Messwandlerbaugruppe 14 und ihren zugehörigen Strukturen zu. Das Stützmaterial 24 für die Messwandlerbaugruppe 14 besteht aus einem Material, das durch eine Schallimpedanz von weniger als 107 kgm–2s–1 (10 MRayls) und einen Verlustkoeffizienten in der Größenordnung von 20 bis 40 dB/mm gekennzeichnet ist. Erforderlich wird dies durch die Verwendung von hochempfindlichen Messwandlermaterialien wie zum Beispiel die PZT-Verbundwerkstoffe, die für ein Messwandlermaterial 40 verwendet werden, dessen überragende Signalempfindlichkeit anderenfalls durch den Überschwingungseffekt zunichte gemacht wird, das durch ein Stützmaterial mit einer hohen Schallimpedanz und geringen Verlusten verursacht wird. Aus diesem Grund ist Aluminiumoxid kein bevorzugtes Material für das Stützmaterial 24 für die Messwandlerbaugruppe 14. Statt dessen wird ein separates und anderes Material zum Bilden des Stützmaterials 24 für den Ultraschall-Katheter der vorliegenden Erfindung verwendet. Ein bevorzugtes Material für das Stützmaterial 24 ist ein Epoxidharz, das entweder mit Gummipartikeln oder Glasmikrokugeln gefüllt ist. Ein Beispiel eines solchen Harzes ist ”light-weld” 183-M von der Dymax Corp., Torrington, Connecticut. Dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Ultraschall-Bilddarstellung fallen noch weitere geeignete Materialien mit geringer Schallimpedanz und hohen Verlusten ein. Obgleich Luft ein ideales Stützmaterial ist, sind Messwandlerbaugruppen, die Luft als Stützmaterial verwenden, in der Praxis schwer zu realisieren.
  • Somit ist der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Ultraschall-Katheter durch eine Bilddarstellungsvorrichtung 10 mit separaten und eigenständigen Träger-/Stützmaterialien gekennzeichnet, die hochgradig unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Die beiden eigenständigen Materialien bieten wünschenswerte strukturelle und akustische Eigenschaften zum Erfüllen der ungleichen Anforderungen an den Elektronikkörper 12 und die Messwandlerbaugruppe 14.
  • In dem bevorzugten Verfahren zum Herstellen der Messwandlerbaugruppe 14 werden die äußeren Schichten der Messwandlerbaugruppe 14 separat als ein Flachmaterial hergestellt. Sie umfassen einen ersten Satz von 64 leitenden Elektroden 42, das Messwandlermaterial 40, eine als durchgehende Schicht ausgebildete leitende Elektrode 44 und eine Anpassungsschicht 46. Nach dem Ausbilden der Schichten wird das Flachmaterial der Messwandlerelemente 22 zu einem Zylinder von exaktem Außendurchmesser konzentrisch um das radiopake Lumen 4 herum geformt, und der Spalt zwischen dem Lumen 4 und der Messwandlerbaugruppe 14 wird mit dem Stützmaterial 24 gefüllt. Dies gewährleistet, dass der Abstand zwischen den Elementen der Messwandleranordnung an den entgegengesetzten Enden der zylindrisch gewickelten Flachmaterials der gleiche ist wie bei den anderen Elementen der Messwandleranordnung. Es wird davon ausgegangen, dass der Fehler beim Umfang des Messwandler-Flachmaterials, wenn es um das Lumen 4 gewickelt ist, kleiner als (plus oder minus) 8 μm sein sollte. Des Weiteren muss der Innendurchmesser des Stützmaterials 24 genau zu dem Außendurchmesser des radiopaken Führungsdrahtlumens 4 passen, um das Zusammenpassen der elektrischen Kontakte zwischen dem Elektronikkörper 12 und der Messwandlerbaugruppe 14 zu unterstützen. Die konzentrischen Ringe, aus denen die oben beschriebenen Schichten der Messwandlerbaugruppe 14 bestehen, sind veranschaulichend in 4 gezeigt, wo eine Querschnittsansicht der Messwandlerbaugruppe entlang der Linie 4-4 von 1 zu sehen ist.
  • Ein Vorteil des Herstellungsverfahrens für die Messwandlerelemente aus Flachmaterial gemäß der Erfindung ist das Fehlen kapazitiver Leimschichten, die bisher zwischen dem Messwandlermaterial 40 und jeder der leitenden Elektroden 42 und 44 vorhanden waren. Wenn die kapazitive Leimschicht in dem hier beschriebenen Ultraschall-Katheter beibehalten bliebe, so würde eine erhöhte Kapazitanz, die der höheren Dielektrizitätskonstante des PZT-Messwandlerverbundmaterials 40 zuzuschreiben ist, die verbesserte Signalempfindlichkeit des bevorzugten Messwandlermaterials zunichte machen.
  • Es gibt noch eine Reihe anderer Vorteile der Flachmaterialverarbeitung der vorliegenden Erfindung für die Herstellung der Messwandleranordnung. Die Fertigung auf einer flachen Oberfläche ist einfacher als auf einer gekrümmten, zylindrischen Oberfläche. Dies ist besonders bei Messwandlerbaugruppen von Bedeutung, bei denen das Messwandlermaterial 40 getrennt (oder vereinzelt) werden muss, um das Messwandlermaterial auf der durchgehenden leitenden Elektrode 44 als individuelle Elemente anstatt einer durchgehenden Bahn auszubilden. Die Fähigkeit, das Messwandlermaterial 40 als individuelle Elemente herzustellen, ist ein wichtiger Faktor bei der Auswahl eines bestimmten Herstellungsverfahrens in Anbetracht des wünschenswerten Umstandes eines geringen Übersprechens (weniger als –30 dB), was eine solche Trennung von Elementen erforderlich machen kann. Einige der möglichen Hersteller des Flachmaterials, aus dem die Messwandlerelemente bestehen, sind: Precision Acoustic Devices, Fremont, Kalifornien; Acoustic Imaging, Phoenix, Arizona; Echo Ultrasound, Lewistown, Pennsylvania; Vermon S. A., Tours, Frankreich; und Imasonic, Besancon, Frankreich.
  • Nach der Herstellung der Messwandlerbaugruppe 14 kann es wünschenswert sein, das Messwandlermaterial mittels einer Hochspannung in der Größenordnung von 5.000 Volt, die zwischen dem ersten Satz leitender Elektroden 42 und der durchgehenden leitenden Elektrode 44 angelegt wird, zu polarisieren. Darum ist es wünschenswert, die Polarisierung an einer getrennten Baugruppe vorzunehmen, um die Messwandlerbaugruppe 14 von dem Elektronikkörper 12 zu isolieren, weil die Einwirkung einer solchen Hochspannung auf die ICs 18 die elektronischen Schaltungsaufbauten der ICs 18 zerstören würde.
  • Die Leimschicht 48 klebt das Stützmaterial 24 an den ersten Satz leitender Elektroden 42, die gleichmäßig entlang des Umfangs des Stützmaterials 24 herum beabstandet sind. Der erste Satz leitender Elektroden 42 definiert die individuellen Messwandlerelemente in der Messwandleranordnung. Der erste Satz leitender Elektroden 42 ist an dem Satz von 64 Messwandlerkontakten 32 angebracht. Ein Verbindungsmaterial 50 koppelt jeden der Messwandlerkontakte 32, der einem einzelnen Messwandlerelement entspricht, elektrisch mit einer entsprechenden der Leitungen 30, wodurch ein elektronischer Signalweg zwischen den Messwandlerelementen 22 und den ICs 18 gebildet wird. Das Verbindungsmaterial umfasst beliebige von verschiedenen geeigneten Leitern, wie zum Beispiel mit Silber oder Gold versetzte Epoxidharztröpfchen, Lot- oder Goldhöcker oder Lotband.
  • Es gibt noch andere Verbindungsarten zum Verbinden der leitenden Elektroden 42 mit den Leitungen 30. Die 5A und 5B zeigen veranschaulichend eine alternative Ausführungsform des Ultraschall-Katheters, wobei sich leitende Kupferelektroden 42 der Messwandlerbaugruppe 14 über das Stützmaterial 24 und das Messwandlermaterial 40 hinaus erstrecken. Der Abschnitt der leitenden Elektroden 42, der sich über das Stützmaterial 24 hinaus erstreckt und die Leitungen 30 überlappt, wenn die Messwandlerbaugruppe 14 mit dem Elektronikkörper 12 zusammengefügt wird, ermöglicht die Verwendung eines bekannten Spaltschweißgerätes zum Verschmelzen der individuellen Leitungen 30 mit den entsprechenden leitenden Elektroden 42.
  • 5A zeigt eine Querschnittsansicht eines teilweise zusammengesetzten Ultraschall-Katheters, um die oben beschriebene Verbindungsweise darzustellen. Durch die Verwendung eines Spaltschweißgerätes entfällt die Notwendigkeit, individuelle Tropfen von Lotmaterial 50 abzulagern, wie in 3 gezeigt. Das Wegfallen von Lottröpfchen vereinfacht potenziell die Gestaltung des Elektronikträgers 20, was anderenfalls die Bildung bogenförmiger Aushöhlungen an dem Träger an dem Ende nahe der Messwandlerbaugruppe 14 erfordern kann, um das ordnungsgemäße Ablagern der Tröpfchen zu ermöglichen, um die Leitungen 30 und die Messwandlerkontakte 32 zu verschmelzen. Zu weiteren Vorteilen dieser Verbindungsweise gehören ein besseres Verbonden der Leiter, einfachere Montagetechniken und eine verbesserte mechanische Stabilität.
  • Ein weiterer Vorteil der in den 5A und 5B veranschaulichten Verbindungsweise ist die Möglichkeit der Automatisierung des Verbondens der leitenden Elektroden 42 mit den Leitungen 30. Wie in der Querschnittsansicht einer teilweise zusammengesetzten Ultraschall-Katheterbaugruppe in 5B gezeigt, werden die Leitungen 30 an die leitenden Elektroden 42 angepasst. Als nächstes wird eine Spitze 70 eines Spaltschweißgerätes über einer der aneinander angepassten Leitungen positioniert. Die Spitze 70 drückt eine leitende Elektrode 42a an eine entsprechende Leitung 30a. Ein hoher elektrischer Strom von niedriger Spannung fließt zwischen den Elektroden der Spitze 70. Der elektrische Strom verschmilzt die leitende Elektrode 42a mit der Leitung 30a. Als nächstes wird die Katheterbaugruppe so gedreht, dass sich ein nächster aneinander angepasster Satz Leitungen (42b und 30b) unter der Spitze 70 befindet, und der Schweißprozess wird wiederholt. Der Schweißvorgang wird fortgesetzt, bis alle Leitungen verschmolzen wurden.
  • Kehren wir nun zu der Ultraschall-Bilddarstellungsvorrichtung in 3 zurück. Es gibt eine Reihe geeigneter Messwandlermaterialien, die dafür verwendet werden können, elektrische Energie in Schallenergie und umgekehrt im Megahertz-Frequenzbereich umzuwandeln. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Nennwirkungsgrad des Messwandlermaterials, anhand des Kopplungskoeffizienten kt ausgedrückt, hoch (größer als 50%); die Bandbreite sollte hoch sein (höher als 50% der Mittenfrequenz); es sollte eine gute Abstimmung der Messwandlerelemente untereinander gegeben sein; die Einfügungsverluste sollten gering sein (weniger als –40 dB); und die Mittenfrequenz sollte um 20 MHz herum liegen. Darum ist in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Messwandlermaterial 24 ein beliebiges unter vielen bekannten geeigneten PZT-Verbundwerkstoffen. Eine Zusammenfassung der Eigenschaften der PZT-Verbundwerkstoffe findet sich in Acoustic Waves: Devices. Imaging and Analog Signal Processing, von Professor Gordon S. Kino, Prentice-Hall, Inc., 1987, auf den Seiten 554 und 555. Diese Verbundwerkstoffe können im Allgemeinen durch Temperaturen oberhalb 75° Celsius beschädigt werden und könnten nicht vorhanden sein, wenn das Bonden der ICs 18 mit dem Träger 20 stattfindet.
  • Die radiale Dicke der Messwandlerschicht 40 ist vorzugsweise die Dicke einer halben Wellenlänge oder ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge der vorge sehenen Mittenbetriebsfrequenz des Ultraschall-Katheters. Wie in Biomedical Ultrasonics auf Seite 53 erläutert, ermöglicht dies dem Messwandler eine Resonanz mit der Mittenbetriebsfrequenz des Ultraschall-Katheters. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die radiale Dicke des Messwandlermaterials 24 ungefähr 0,1 Millimeter.
  • Um die überragende Signalempfindlichkeit der aus PZT-Verbundwerkstoffen hergestellten Messwandler zu nutzen, muss das Stützmaterial 24 eine geringe Schallimpedanz aufweisen. Darum sollte der Aluminiumoxid-Träger 20 mit einer hohen Schallimpedanz nicht als das Stützmaterial 24 verwendet werden. Statt dessen wird der ehemalige monolithische Träger für Elektronikkörper 12 und Messwandlerbaugruppe 14 durch die getrennten Träger-/Stützmaterialsektionen 20 und 24 ersetzt.
  • Die durchgehende leitende Elektrode 44, welche die Außenfläche des Messwandlermaterials 40 bedeckt, ist die Grundschicht für die Messwandlerelemente 22. Es handelt sich vorzugsweise um eine Schicht aus Goldmetall, die auf die Oberfläche der Anpassungsschicht 46 aufgesputtert wird. Jedoch kennt der Fachmann auf dem Gebiet der Messwandlerfertigung noch andere geeignete Leiter und Verfahren zum Abscheiden von Leitern. Obgleich es für den ordnungsgemäßen Betrieb des Ultraschall-Katheters nicht ausschlaggebend ist, ist es bevorzugt, die durchgehende leitende Elektrode 44 mit einer Erdungsleitung, die durch das Kabel 28 gebildet wird, in einer bekannten Weise zu verbinden. Die Erdungsleitung verläuft entlang des Elektronik-Trägers 20 und wird an die durchgehende leitende Elektrode angeschlossen, nachdem der Elektronikkörper 12 und die Messwandlerbaugruppe 14 zusammengefügt wurden. Eine mögliche Form des Verbindens des Erdungsdrahtes ist in 2 von Proudian (verstorben) und Mitarbeiter, US-Patent 4,917,097 , gezeigt.
  • Die Messwandlerelemente 22 sind von einer Anpassungsschicht 46 umschlossen. Wie in Biomedical Ultrasonics von P. N. T. Wells, Academic Press 1977, auf Seite 54 erläutert, kann die Effizienz der Übertragung in die Last hinein durch eine Impedanzanpassungsschicht mit einer Dicke von einem Viertel der Wellenlänge verbessert werden. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anpassungsschicht 46 ein beladenes Epoxidharz und ist ungefähr 0,06 mm dick. Alternative zweckmäßige Anpassungsschichtmaterialien und ihre Dicken sind für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Ultraschall-Bilddarstellung offensichtlich.
  • Nach einer unabhängigen Montage werden der Elektronikkörper 12 und die Messwandlerbaugruppe 14 durch eine Leimschicht 52 miteinander verbondet, und die elektrischen Verbindungen zwischen dem Elektronikkörper 12 und der Messwandlerbaugruppe 14 werden in einer zuvor beschriebenen Weise hergestellt. Das Kabel 28, das die Zuleitungen von dem Signalprozessor für den Ultraschall-Katheter enthält (zuvor bei Proudian und Mitarbeitern im Patent '097 beschrieben), ist in einer bekannten Weise an die leitfähigen Bondinseln 34 auf dem Träger 20 gebondet.
  • 6 zeigt eine alternative Ausführungsform, wobei die Bilddarstellungsvorrichtung 10 in einem diagnostischen Bilddarstellungskatheter enthalten ist, der keinen Ballon 1 enthält. Abschnitte des diagnostischen Bilddarstellungskatheters sind weggelassen worden, um das Kabel 28 und das Lumen 2 sichtbar zu machen. Da es in dem in 6 gezeigten Bilddarstellungskatheter keinen Ballon 1 gibt, gibt es natürlich auch keine Röhre 26 zum Einfüllen und Ablassen eines Fluids in den bzw. aus dem Ballon. Statt dessen ist der Katheter mit einem Nasenkonus 25 ausgestattet. Der Nasenkonus 25 bildet eine abgestumpfte Führungsfläche für den Ultraschall-Bilddarstellungskatheter, um eine Schädigung der Wände eines Hohlraums zu vermeiden, wenn der Katheter eingeführt wird. Eine Hülle 38 bedeckt das Epoxidharz 8, um so eine Kontaminierung des Blutes des Patienten zu verhindern und vor einem möglichen elektrischen Schlag zu schützen. Die Hülle 38 besteht vorzugsweise aus Parylen, obgleich dem Fachmann auf dem Gebiet der medizinischen Instrumente, die in einen Körper eingeführt werden, geeignete Substitute bekannt sind. Die Struktur des in 6 gezeigten Bilddarstellungskatheters ist im Übrigen die gleiche wie die Struktur des in der Angioplastik verwendeten Ballonkatheters zur Ultraschall-Bilddarstellung, der in 1 veranschaulicht ist.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Messwandlerbaugruppe (14) für eine Bilddarstellungsvorrichtung (10) zum Einführen in einen Hohlraum und Aussenden von Ultraschallwellen und Erzeugen eines brauchbaren Bildes entsprechend detektierten reflektierten Ultraschallwellen, mit den Schritten des Herstellens einer ebenen Bahn aus Messwandlerelementen (22) und des anschließenden Wickelns der ebenen Bahn zu einer anderen Gestalt, wobei die ebene Bahn aus Messwandlerelementen (22) zu einer zylindrischen Gestalt geformt wird, woraufhin der Zylinder mindestens teilweise mit einem Stützmaterial (24) gefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützmaterial (24) eine Schallimpedanz von weniger als 107 KgM–2s–1 (10 MRayls) und einen Verlustkoeffizienten in der Größenordnung von 20 bis 40 dB/mm aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Stützmaterial (24) ein Epoxidharz umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ebene Bahn aus Messwandlerelementen (22) eine Schichtstruktur aus einem ersten Satz leitender Elektroden (42), einem Messwandlermaterial (40), einer aus einer durchgehenden Schicht gebildeten leitenden Elektrode (44) und einer Anpassungsschicht (46) umfasst und die ebene Bahn so gewickelt ist, dass die Anpassungsschicht (46) sich auf der Außenseite der Messwandlerelemente (22) befindet.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messwandlerelemente (22) physisch voneinan der isoliert sind und das Messwandlermaterial (40) getrennt oder vereinzelt ist, um das Messwandlermaterial (40) auf der durchgehenden leitenden Elektrode (44) als individuelle Elemente anstelle einer durchgehenden Bahn auszubilden.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Messwandlermaterial (40) PZT umfasst.
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