JP2651498B2 - 両面フエーズドアレイトランスデユーサ - Google Patents

両面フエーズドアレイトランスデユーサ

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JP2651498B2
JP2651498B2 JP61243278A JP24327886A JP2651498B2 JP 2651498 B2 JP2651498 B2 JP 2651498B2 JP 61243278 A JP61243278 A JP 61243278A JP 24327886 A JP24327886 A JP 24327886A JP 2651498 B2 JP2651498 B2 JP 2651498B2
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    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
    • B06B1/0629—Square array

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧電材料のプレートと、該プレートの主面
の各々に積層され電極面を形成する導電性電極材料とを
具え、各電極面はこれに刻み目形成処理を施してトラン
スデューサ素子のマトリックスを形成し、一方の電極面
の刻み目を他方の電極面の刻み目に対し所定の角度とな
るようにした医療超音波イメージング用両面フェーズド
アレイトランスデューサに関するものである。
現在の超音波スキャナは、フェーズドアレイトランス
デューサを用いてプレーナセクタで音響ビームを電子的
にステアリングすると共に集束し得るようにする。これ
らのフェーズドアレイは、通常１枚の圧電セラミックの
プレートから、これを幅狭の厚板形状の素子を切り出す
ことによって形成するようにしている。格子状ローブが
広角応答をしないようにするためには、中心−中心素子
のスペースを中心周波数で組織内で音のほぼ1/2波長と
なるようにする。
２個の直交セクタの実時間イメージングに対する２つ
の直交フェーズドアレイを具える新規な装置は特願昭61
−148316号明細書から既知である。この特願昭61−1483
16号明細書には、複合圧電材料のスライス片の各主面に
電極面を形成し、次いで電極面に刻み目を設けて一方の
主面の刻み目が他方の主面の刻み目に対して或る角度を
成し、この刻み目が複合圧電材料内まで延在しないよう
にして形成した両面フェーズドアレイが記載されてい
る。この場合電極に適当な電気接続を行って、一方の電
極面の全部の電極素子を接地すると共に残りの未結線電
極に対し整相処理を施してフェーズドアレイの原理に基
づいて１方向の結像を行い、且つ他方の電極面の電極全
部を交互に接地して一方の電極面の未結線電極に対し整
相処理を施して他方向の結像を行い得るようにする。ト
ランズデューサのアレイは機械式レンズにより片側で覆
うようにする。
かかる両面フェーズドアレイは特に心臓の走査に有利
である。心臓の同一箇所の水平断面及び垂直断面によっ
て心臓の機能を一層有効に評価することができる。複合
圧電アレイの漏話を低くすることは複合圧電材料を両面
フェーズドアレイに適用するうえで有利である。電気的
なプレートの同一片の対向主面の双方にトランスデュー
サ素子のフェーズドアレイを形成するためにはトランス
デューサアレイ素子を構成する新たな方法を必要とす
る。その理由は従来のフェーズドアレイの素子を従来行
われたように完全に切り出すのが不可能であるからであ
る。前述した特願昭61−148316号明細書ではアレイ素子
は、電極面に刻み目形成処理を施して形成し、一方の電
極面の刻み目が他方の電極面の刻み目に対し或る角度を
成すようにしている。この場合複合圧電材料を用いてト
ランスデューサ素子間の漏話を減少するようにしてい
る。
本発明の目的は、均質な圧電材料を用いる場合でもト
ランスデューサ素子間の漏話をさらに減少し得るように
した上述した種類の両面フェーズドアレイトランスデュ
ーサを提供せんとするにある。
本発明は、圧電材料のプレートと、該プレートの２つ
の主面に各々に積層され電極面を形成する導電性電極材
料とを具え、各電極面はこれに刻み目形成処理を施して
トランスデューサ素子のマトリックスを形成し、一方の
電極面の刻み目を他方の電極面の刻み目に対し所定の角
度となるようにし、他にトランスデューサの一方の主面
の電極面全部をフェーズドアレイ電子回路に順次交互に
接続し、トランスデューサの他方の主面の電極面を接地
しながら前記２つの面の各々でセクタ走査を順次交互に
行って１方向の像を他の方向の像の直後に追従せしめて
身体機能のダイナミック像を生ぜしめる手段とを具える
医療超音波イメージ用両面フェーズドアレイトランスデ
ューサにおいて、前記圧電材料は圧電セラミック材料の
素子が埋設された複合材料とし、これら圧電セラミック
ス素子の各々を前記圧電材料のプレートの一方の主面か
ら他方の主面に向かって両主面に対し垂直に延在させ、
前記圧電セラミック素子の各々を電気絶縁兼減衰材料に
より完全に囲むようにし、該圧電材料のプレートの各主
面に、その電極面を貫通し部分的に圧電材料内まで刻み
目処理を施し、各主面の刻み目を、圧電材料のプレート
の深さの25〜95％まで延在させるようにして音響的に分
離されたトランスデューサ素子のマトリックスを形成
し、この際一方の主面の部分的刻み目は他方の主面の部
分的刻み目に対し或る角度を成すものとするようにした
ことを特徴とする。
図面につき本発明を説明する。
第1a図には従来のフェーズドアレイの単一トランスデ
ューサ素子１を斜視図で示す。このフェーズドアレイト
ランスデューサはプレーナセクタ内で音響ビームを電子
的にステアリング及び集束するために通常のように用い
る。フェーズドアレイは、通常圧電セラミックのプレー
トから、これを幅狭厚板状の素子に切出すことにより製
造する。格子ローブが広角度応答を行わないようにする
ためには、中心−中心素子のスペースを中心周波数で組
織内で音のほぼ1/2波長となるようにする。
２個の直交セクタの実時間イメージングに対する２つ
の直交フェーズドアレイを具える新規な装置は特願昭61
−148316号明細書に記載されている。この場合の両面フ
ェーズドアレイでは両主面に導電性電極面を設けた複合
圧電材料を用いることが記載されている。この電極面に
は刻み目形成処理を施して個別のトランスデューサアレ
イ素子を構成するようにしている。
本発明による複合両面フェーズドアレイの構成を第1
b,2及び３図に示す。第２図から明らかなように本発明
複合両面フェーズドアレイ10は２つの導電性電極14,16
を有する複合圧電材料をプレート12を以て構成し、各電
極をプレート12の両主面の各々に設ける。複合圧電材料
は電気的に不活性な結合材料内に配分された圧電セラミ
ック材料の平衡ロッドのマトリックスから形成して各ロ
ッドが絶縁兼減衰材料により完全に囲まれ且つプレート
12の一方の主面から他方の主面に向かって両主面に垂直
に延在し得るようにする。この種の材料は米国特許第4,
514,247号及び第4,518,889号公報に記載され且つ“1984
年アイ・イー・イー・イー ウルトラソニック シンポ
ジウム プロシーディングス1884年12月19日にも記載さ
れている。複合圧電構体の横方向空間周期性は関連する
音響波長の全体よりも小さい。従ってこの複合圧電構体
は上述した文献で記載したように有効な材料パラメータ
を有する均質な圧電体として作用する。説明の便宜上電
極面14を前面とし、電極面16を背面として示す。医療イ
メージング用の超音波トランスデューサとして用いる場
合にはこの前面14を、患者の身体に対向する面とする。
第２図は複合圧電セラミック材料のプレート12と、前
側電極面14と、後側電極面16とを有する両面フェーズド
アレイトランスデューサ10を斜視図で示す。第２及び３
図に示すように両面フェーズドアレイトランスデューサ
10は複合圧電プレート12に部分的に交差状に刻み目形成
処理を施して形成する。この場合チャンネル18は、前側
に１方向に前面電極14を貫通し、部分的にプレート12の
圧電材料内にこれを貫通しない程度に切込んで形成す
る。又、チャンネル20は、チャンネル18に直角に背面電
極16を貫通し、部分的にプレート12の圧電材料内にこれ
を貫通しない程度に切込んで形成する。従って前面電極
トランスデューサ素子22a,22b,22c,…は導電性電極表面
を貫通し、部分的に圧電材料内まで延在する部分的な刻
み目により形成する。又、背面電極トランスデューサ素
子24a,24,24c,…は、背面電極16を貫通し、部分的に圧
電材料内まで延在する部分的な刻み目により形成する。
これがため、この両面フェーズドアレイに対してはトラ
ンスデューサ素子を複合圧電材料の部分交差刻み目によ
り形成するが、従来の技術ではこの刻み目は圧電材料を
貫通し従来のフェーズドアレイの構成に用いられる裏張
り材料内まで延在する。図面に示す交差刻み目の角度は
90゜とするが、他の角度の刻み目を用いることもでき
る。特に、単一面のビームステアリングでは他の組の刻
み目を他の種々の角度で設けることができる。
第3a及び3b図は両面フェーズドアレイに必要な電子回
路の基本的な構成を線図的に示す。第3a及び3b図におい
て、トランスデューサ素子の励起に応答し得るフェーズ
ドアレイ回路を符号26で示し、接地接続線を符号28で示
す。本発明による両面フェーズドアレイでは前面電極ト
ランスデューサ素子22a,22b,22c,…及び背面電極トラン
スデューサ素子24a,24b,24c,…をフェーズドアレイ回路
26に順次交互に接続する。フェーズドアレイ用の電子回
路は既知であり、更に詳細には説明しない。その理由は
これら回路は本発明の要部を構成しないからである。こ
れらフェーズドアレイ回路は一般にブロック26で示すと
共にこれら回路によって、他方の電極面の電極を接地し
ながら、一方の電極面のトランスデューサ素子の全部に
順次交互にパルスを供給して２面内でセクタ走査を行う
手段を設ける。作動に当り、前面電極又は背面電極の何
れかの電極の全部を接地し、残りの未結線電極に対し整
相処理を施す。電極の組14及び16に対しては互いに逆の
関係とする。これがため一方の方向の像に次いで他の方
向の像が迅速に得られ、これにより身体機能のダイナミ
ック像を形成することがでる。かかる回路は既知であ
り、更に詳細には説明しない。各主面にｎ個の電極の設
ける場合には本発明による両面フェーズドアレイを作動
させるために全部で2n個の電極及び2n個の電気接続部を
必要とする。従って圧電プレートの両主面を用いる両面
フェーズドアレイによって２つのセクタ面のほぼ実時間
イメージングを行うことができる。通常の用途では球面
又は少なくとも凸面の機械式レンズによってトランスデ
ューサアレイの方向以外の方向の集束を確実にする。機
械式レンズは比較的低い伝搬速度の材料から造られたほ
ぼ標準のレンズとすることができる。音響インピーダン
スは残響の抑圧する表皮音響インピーダンスとは左程相
違させてはならない。
第２及び３図に示す構体を有し、即ち各アレイの各素
子からの放射プロフィールが好適に広くなるように複合
直交圧電プレートの両面に直交アレイを設けた本発明に
よる数個の実験アレイを試験した。この実験結果から明
らかなように本発明の目的は、圧電材料のプレートの両
面に直交方向に部分的に刻み目を設けることにより形成
したトランスデューサ素子によって達成することかでき
る。
実験結果 このセクションには数個の実験アレイで行った指向性
の測定結果を示す。これら結果の解釈を次のセクション
で別個に説明する。
実験装置は、スタイカストエポキシ（商品名）によっ
てプレート面に垂直に配向されたジルコン・チタン酸鉛
（PZT）のセラミック（ハネウエル＃278）のロッドを共
に保持するロッド状複合圧電材料のプレートから形成す
る。このPZTロッドは、その横方向寸法を54−65μと
し、ロッド間のスペースを60μとする。アレイ素子（長
さ12−18mm）は電極をスクライブするか又はロッド間の
エポキシに刻み目処理を施して各素子に２列のPZTロッ
ドが含まれるようにして形成する。指向性の測定は、単
一共振パルス励起装置を用いて水タンク内で送信及び受
信モードで行う。
刻み目を設けないアレイ 第１の刻み目を設けない複合アレイ（3.3MHz,ピッチ
0.23mm）にマラー（商品名）及びエアセル裏張りの刻み
目を設けない整合層を設ける。単一サイクルの正弦波励
振を用いて漏話を電気的に測定した所、４つの最も近い
隣接漏話に対する交差係数は低く、夫々−26.5,−26,−
29.7及び−32dBであった。しかし、第1a図に示すアレイ
の単一素子１に対する指向性を測定した所、かかる幅狭
放射器に対する回析原理による期待値に対しディップが
約36度、ピークが約48度であった。
これらの現象の起源を調査するために、整合層を被着
せず、しかも裏張り層を被着しない上述した所と同様の
アレイを造った。このアレイの単一素子の指向性を測定
した所、同様のパターンを示し、そのディップ及びピー
クも第４図に夫々示すようにほぼ38度及び48度であっ
た。第４図において放出放射線の相対振幅Ａを、法線に
対する角度α（度）の関数としてプロットする。上述し
た測定結果から明らかなように指向性パターンの変則は
複合材料自体に関連する。
又、軟質エポキシ（スパーエポキシ（商品名））で造
った他の複合材料を用いた刻み目を設けないアレイ素子
に対する他の実験を行った。本例ではスパー/PZT複合デ
ィスクの片側面に電極をスクライブして2MHzのアレイ
（ピッチ0.45mm）を形成した。このアレイの単一素子の
指向性を測定した所、サイドローブの無い広いパターン
を得ることができた。しかし、測定した角度ビーム幅は
同一寸法の分離素子に対し期待された幅よりも著しく狭
いものであった。
刻み目を設けたアレイ スタイカスト/PZT複合材料を用いてアレイ素子に部分
的に刻み目を設けることにより、放射パターンを広くす
ることを試みた。即ち1.2MHzの複合プレートに対して第
１の実験を行った。ピッチ0.65mmのアレイは素子に対し
プレートの厚さの30％まで刻み目を設けることにより形
成することができた。このアレイの単一素子から得られ
た放射パターンは刻み目を設けない素子から得られた放
射パターンと同一であった。しかし第２図に示すように
複合プレートの他面に追加の直交切込み組を設ける場合
には充分に広いピームパターンを得ることができること
を他の実験により確かめた。これらの交差刻み目形成処
理による実験は3.2MHzの複合プレートにより行った。本
例では複合プレートの両面にその厚さの30％まで刻み目
を設けることによりピッチが0.25mmの２つの直交アレイ
を形成した。この場合12μのカプトン箔をフェースプレ
ートとして用いて素子が水になじむのを保持し得るよう
にする。第５図に示すように単一素子による放射プロフ
ィールではビーム幅は−6dBで70度となり、これは刻み
目を設けない素子により得られたビーム幅よりも50％大
であった。
素子に対しプレートの厚さの60％まで刻み目形成処理
を施した他の例では、複合プレートの両面に直交アレイ
に属する素子に対して指向性の測定を行った。この際、
前側アレイ（水と対向）の１個の素子を励起しながら前
面の電極の全部を接地する。第６図に示す○印及び＋印
の曲線は、前面アレイ及び背面アレイの単一素子から得
られた放射パターンを夫々示す。両アレイ素子は広い放
射パターンを呈し、この際の角度幅は−6dBで96度であ
った。この値は、軟質バッフルにおける分離素子に対し
て期待される約100度の理論的なビーム幅に最も近いも
のである。
実験結果の検討 刻み目を設けないアレイ 実験結果から明らかなように刻み目を設けない状態の
アレイ素子から得た放射パターンの変則部は、複合材料
自体の音響特性に関連する。複合溝体におけるセラミッ
クロッド及びエポキシの組合せによって、比較的低い音
響速度で高い異方性材料を形成することができる。しか
し本例のスタイカスト/PZT複合材料の音響速度は水中の
音速に比較して高い。従ってこの速度の不整合によっ
て、伝搬ビームの角度幅を制限する複合材料−水の境界
において屈折効果を発生する。
刻み目を設けたアレイ 複合材料のプレートの両面の素子の部分的に交差する
刻み目を設けることによって第1b図に示すように１波長
よりも著しく短い横方向寸法の多数のメカニカルサブ素
子に分割された電気素子３を有する。２つの直交アレイ
を形成することができる。これらの小さなサブ素子によ
って広い角度で音響エネルギーを放射及び受波すること
ができる。その理由はその横方向寸法が屈折を生ずる波
動現象に対し不充分であるからである。
又、交差する刻み目によっても素子間の漏話によるビ
ームの幅狭化を防止することができる。これらの交差刻
み目（切込み）によって素子間の音響路を、導波路とし
て作用する１組の極めて幅狭の細条に対して画成するこ
とができる。これら導波路の横方向小寸法によってサポ
ートし得る伝搬モードの数を充分に制限することができ
る。
交差刻み目を形成することにより各アレイの感度が増
大する。その理由は各アレイ素子の振幅モードが厚板の
幅伸張モード（即ち“ビームモード”）の振動モードか
ら１組のバーの長さ伸張モードの振動モードに変化する
からである。スタイカスト/PZT複合材料ではアレイ素子
の結合係数は直交方向に60％の刻み目を設けた後0.59か
ら0.65に増大した。
結 論 複合材料のプレートの両面に直交方向に素子を部分的
な刻み目形成処理により形成した3MHzアレイで測定した
広い単一素子の指向性によって両面フェーズドアレイの
実現可能性を示す。
電極パターン化のみによって複合材料に画成したフェ
ーズドアレイ素子の狭い放射プロフィールを、本発明複
合材料の高音響速度に基因するものとして示す。
複合両面フェーズドアレイの斯かる構体の利点を以下
に示す。
1.感 度：交差刻み目を形成することにより各アレイ素
子の振動モードが厚板の幅伸張モード（即ちビームモー
ド）から１組のバーの長さ伸張モードの振動モードに変
化する。１組のバーに関連する電気機械結合係数k33は
厚板に関連する電気機械結合係数ｋ′33よりも大きい。
例えばPZT−５においてはk33＝0.75であり、ｋ′33＝0.
66である。
2.角度応答：交差する切込み（刻み目）によって素子間
の音響路を、導波路として作用する１組の極めて幅狭の
細条に対して画成することができる。これらの導波路の
横方向小寸法によってサポートし得る伝盤モードの数を
充分に制限することができる。又、この交差刻み目によ
っても屈折効果により生ずる角度応答の幅狭化を防止す
ることができる。交差刻み目により形成した小さなサブ
素子によって広い角度で音響エネルギーを放射及び受波
することができる。その理由は、その横方向寸法が屈折
を生ずる波動現象に対し不充分であるからである。
3.剛 性：部分的な交差刻み目形成により得られた構体
は、剛固であり、、裏張り層によって支持する必要はな
い。裏張り層を除去することにより感度を向上し、交差
結合を減少する。
4.融通性：かかる部分的な交差刻み目形成技術は通常の
フェーズドアレイ、両面フェーズドアレイ及び２次元ア
レイの製造に適用することができる。
交差刻み目形成技術は、複合圧電材料を実験的に用い
て試験した。電極パターンのみによって画成した素子を
有するフェーズドアレイ（3MHz,半波長のピッチ）は第
４図に示すように単一素子の指向性パターンに変則を呈
する。複合材料のプレートの厚さの30％までアレイ素子
の交差刻み目を形成することによって第５図に示す改善
された結果を得ることができる。又、プレートの厚さの
60％まで刻み目形成を行うことにより第６図に示す結果
を得ることができた。この結果は、軟質バッフルの個別
の素子の指向性に対する論理的期待値に一致する。
【図面の簡単な説明】
第1a図は従来のフェーズドアレイに用いられるトランス
デューサ素子を示す拡大斜視図、 第1b図は本発明フェーズドアレイのトランスデューサ素
子を示す拡大斜視図、 第２図は圧電プレートの刻み目形成により構成された両
面フェーズドアレイトランスデューサの構成を示す一部
切欠斜視図、 第3a図及び第3b図は両面フェーズドアレイの直交素子の
励起に必要な電子回路構成を示す斜視図、 第４図は電極パターンのみにより画成された複合フェー
ズドアレイの単一素子からの放射パターンを示す特性
図、 第５図は複合材料のプレートにその厚さの30％まで交差
刻み目形成処理を施して形成したフェーズドアレイの単
一素子からの放射パターンを示す特性図、 第６図は複合材料のプレートにその厚さの60％まで交差
刻み目形成処理を施して形成した両面フェーズドアレイ
の個別の素子からの放射パターンを示す特性図である。 １……単一トランスデューサ素子 ３……メカニカルサブ素子 10……両面フェーズドアレイ 12……複合圧電材料のプレート 14,16……導電性電極 18,20……チャンネル 22a,22b,22c……前側電極トランスデューサ素子 24a,24b,24c……後側電極トランスデューサ素子 26……フェーズドアレイ回路 28……接地接続

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】圧電材料のプレートと、該プレートの２つ
    の主面の各々に積層され電極面を形成する導電性電極材
    料とを具え、各電極面はこれに刻み目形成処理を施して
    トランスデューサ素子のマトリックスを形成し、一方の
    電極面の刻み目を他方の電極面の刻み目に対し所定の角
    度となるようにし、他にトランスデューサの一方の主面
    の電極面全部をフェーズドアレイ電子回路に順次交互に
    接続し、トランスデューサの他方の主面の電極面を接地
    しながら前記２つの面の各々でセクタ走査を順次交互に
    行って１方向の像を他の方向の像の直後に追従せしめて
    身体機能のダイナミック像を生ぜしめる手段とを具える
    医療超音波イメージング用両面フェーズドアレイトラン
    スデューサにおいて、前記圧電材料は圧電セラミック材
    料の素子が埋設された複合材料とし、これら圧電セラミ
    ック素子の各々を前記圧電材料のプレートの一方の主面
    から他方の主面に向かって両主面に対し垂直に延在さ
    せ、前記圧電セラミック素子の各々を電気絶縁兼減衰材
    料により完全に囲むようにし、該圧電材料のプレートの
    各主面に、その電極面を貫通し部分的に圧電材料内まで
    刻み目処理を施し、各主面の刻み目を、圧電材料のプレ
    ートの深さの25〜95％まで延在させるようにして音響的
    に分離されたトランスデューサ素子のマトリックスを形
    成し、この際一方の主面の部分的刻み目は他方の主面の
    部分的刻み目に対し或る角度を成すものとすることを特
    徴とする両面フェーズドアレイトランスデューサ。
  2. 【請求項２】各主面の刻み目を、圧電材料のプレートの
    深さの30％まで延在させるようにしたことを特徴とする
    特許請求の範囲第１項または第２項に記載の両面フェー
    ズドアレイトランスデューサ。
  3. 【請求項３】各主面の刻み目を、圧電材料のプレートの
    深さの60％まで延在させるようにしたことを特徴とする
    特許請求の範囲第１項または第２項に記載の両面フェー
    ズドアレイトランスデューサ。
JP61243278A 1985-10-15 1986-10-15 両面フエーズドアレイトランスデユーサ Expired - Lifetime JP2651498B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US787409 1985-10-15
US06/787,409 US4671293A (en) 1985-10-15 1985-10-15 Biplane phased array for ultrasonic medical imaging

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