NL8000299A - Ultrasonoor aftastkop. - Google Patents

Description

V

+.

HdB/MLD/80.0149 * MEDISCAN, Inc. te South Windsor, Connecticut, Verenigde Staten van Amerika

Ultrasonoor aftastkop

De uitvinding heeft betrekking op een non-destructief onderzoek en meer in het bijzonder het non-invasief onderzoek van zacht weefsel en 1ichaamsorganen. Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op medisch ultrasonore appa-5 ratuur en in het bijzonder op puls-echo lichaam aftastappa-ratuur waarbij gebruik wordt gemaakt van bewegende spiegels.

Apparatuur en technieken voor het non-invasief onderzoek van het lichaam onder gebruikmaking van ultrasonore energie zijn op zichzelf al bekend. Een voortdurend probleem bij de be-kende ultrasonore onderzoekapparatuur is dat parasitaire signalen valse, onnauwkeurige of onduidelijke aflezingen kunnen veroorzaken.

Een bron voor parasitaire of "valse" energie bij een ultrasonore zender-ontvanger van de soort zoals die voor medi-^S sche diagnostische doeleinden wordt gebruikt is straalver-plaatsing (E: displacement), zoals dit kan optreden wanneer de geconcentreerde ultrasonore energie die via een vloeistof wordt overgebracht, het vlak treft tussen de vloeistof en de vaste stof bij de spiegel die gebruikt wordt om de 20 straal te dóen bewegen over een te onderzoeken oppervlak.

Het principe van deze "verplaatsing" van een ultrasonore bundel wanneer hij op een vloeistof-vaste stof grensvlak wordt gereflecteerd, wordt beschreven door 3reazeal, Adler en Flax, "Reflection of a Gaussian ultrasonic beam from a 2 5 liquid-solid interface", J. Acous, Soc. Am., 'Vol. 56, No. 3, September 74. Zoals in het artikel is beschreven treedt de straal-"verplaatsing" op wanneer de hoek van inval van de bundel dezelfde is of nagenoeg dezelfde als de hoek van excitatie van oppervlaktegolven op het grensvlak. Experi-30 mentele proefresultaten die in het artikel zijn beschreven tonen aan dat de energie van de weerkaatste bundel kan wor- 8 C ** 0 2 S 3 - ' - 2 - ΐ den herverdeeld over twee of meer afzonderlijke bundels die ten opzichte van elkaar verplaatst of verschoven zijn. Het is voor een vakman duidelijk dat een dergelijke herverdeling van de energie die op de aftastspiegel valt over twee of meer 5 ten opzichte van elkaar verplaatste bundels ongewenst is. De op deze wijze "verplaatste bundels" zullen door het te onderzoeken lichaam worden gereflecteerd en na wijziging van de richting door middel van de spiegel zullen zij op het trans-ducerkristal vallen. Daar de originele en de "verplaats"-10 energie verschillende afstanden zullen afleggen zal het door het ontvangende kristal opgewekte signaal vermoedelijk duidelijkheid missen. Het is dan ook het hoofddoel van de onderhavige uitvinding om te verminderen en zo mogelijk geheel te verhinderen dat parasitaire uitrasonore energie door de 15 ontvangsttransducer van een uitrasonoor-onderzoekapparatuur wordt ontvangen.

Volgens de uitvinding wordt daartoe voorgesteld bij een ultrasonoor aftastkop voor het genereren en ontvangen van een aftastenergiebundel voor non-destructief en non-invasief 20 onderzoek welke een huis bevat gevuld met een vloeibaar ultrasonoor transmissiemedium, transducerorganen welke in het huis zijn geplaatst voor het genereren van ultrasonore energie in de vorm van een bundel of straal gericht volgens een hartlijn, waarbij deze energie wordt uitgestraald in het 25 transmissiemedium en waarbij reflectororganen in het huis zijn aangebracht in de baan van de bundel ultrasonore energie die door de transducerorganen worden uitgestraald waarbij de energie op het oppervlak van de reflector zal vallen onder een transmissiehoek van inval met het kenmerk, dat de re-30 flector berillium bevat terwijl voorzien is in middelen voor het bewegen van de reflector voor het variëren van de hoek van inval van de bundel waarbij deze aandrijfmiddelen de minimum transmissie-invalhoek beperken zodanig dat deze steeds groter is dan de hoek waarbij oppervlaktegolven worden ge-35 exciteerd op het grensvlak van berillium en het vloeibare 8000299 < - 3 - Λ transmissiemedium.

De aftastkop omvat een huis waardoor een transducerdoorgang volgens een eerste hartlijn wordt bepaald. Het huis bevat ook een transmissie-ontvangstdoorgang volgens een tweede 5 hartlijn. De transducerdoorgang staat in verbinding met de transmissieontvangstdoorgang en bij voorkeur snijden de eerste en de tweede hartlijn zich in dat punt. De doorgangen zijn gevuld met een vloeistof teneinde de demping van de ultrasonore energie zoveel mogelijk te voorkomen. De hart-10 lijnen van de beide doorgangen verlopen ten opzichte van elkaar onder een hoek van minder dan 90° en de lengte van elke doorgang is voldoende om te voorkomen dat de uitraso-nore energie direkt van het doel naar de transducer kan -bewegen.

15 Het transducerkristal genereert een gebundelde straal ultrasonore energie dankzij de fysische configuratie en/of de wijze van excitatie. Een voor het aftasten te gebruiken spiegel is op het kruispunt van de beide voorgenoemde doorgangen geplaatst en de hartlijnen van de doorgangen snijden 20 elkaar in een punt op het oppervlak van de spiegel. Volgens een voorkeurs uitvoeringsvorm is dit ook het punt rond welke de spiegel kan zwenken tijdens het tasten. Bovendien valt de hartlijn van de straal zoals die door de transducer wordt opgewekt bij de voorkeurs uitvoeringsvorm samen met de hart-25 lijn van de doorgang van de transducer.

Een puls ultrasonore energie die naar de spiegel toe is gericht zal deze spiegel raken onder een hoek die verder zal worden aangeduid als "transmissiehoek van inval". Een deel van de puls ultrasonore energie.die door de spiegel op het 30 doel is gericht wordt naar de spiegel terugweerkaatst en treft de spiegel onder een hoek die zal worden aangeduid met "de ontvangsthoek van inval". Bij het inwerking zijn van de ultrasonore aftastkop wordt de spiegel gezwenkt rond het snijpunt van de hartlijnen van de doorgangen en de trans- 8000239 - 4 - missiehoek van inval en de ontvangsthoek van inval variëren.

Overeenkomstig de uitvinding is de spiegel vervaardigd van materiaal met een excitatiehoek voor oppervlaktegolven op het grensvlak dat ligt buiten de zone van de transmissiehoek 5 van inval en de ontvangsthoek van inval zoals deze optreden bij het bewegen van de spiegel.

Teneinde te voorkomen dat gewerkt wordt in een zone van invalshoeken waarbinnen de excitatiehoek voor oppervlaktegolven aan het grensvlak valt wordt berillium gekozen als ma-10 teriaal voor de spiegel in de voorkeurs uitvoeringsvorm. De excitatiehoek voor oppervlaktegolven op het grensvlak van •berillium/water is ongeveer 11°. Derhalve is de ultrasonore aftastkop zodanig uitgevoerd dat het bereik voor de invalshoeken zowel voor de transmissie als voor de ontvangst buiten 15 het bereik van 11° valt.

Ter verduidelijking van de uitvinding zal onder verwijzing naar de tekening een uitvoeringsvoorbeeld worden beschreven.

In de enkele figuur van de tekening is in dwarsdoorsnede een ultrasonore aftastkop overeenkomstig een voorkeursuitvoerings-20 vorm van de uitvinding weergegeven.

Een ultrasonore aftastkop is in het algemeen met 10 aangeduid. Deze omvat een huis 11. De belangrijkste elementen van de aftastkop zijn de transducer in het algemeen aangeduid met 12 en de spiegel aangeduid met 13 welke in het huis 11 zijn 25 geplaatst. Het huis omvat een deel 14 voor de transducer waardoor een doorgang 15 wordt bepaald. De doorgang 15 heeft een langshartlijn 16. Het huis 11 bevat voorts een transmissie en ontvangstdeel 17 waardoor een transmissie en ontvangstdoorgang 18 met een langshartlijn 19 wordt gevormd. De doorgangen 30 15 en 18 staan met elkaar in verbinding en de hartlijnen van deze doorgangen snijden elkaar in het punt P. Het huisdeel 14 is afgesloten met een sluitkap 20 en de doorgang 18 eindigt 0000289 Ί.

- 5 - in een flexibele blaas 21. De blaas kan in contact worden gebracht met het onregelmatige oppervlak van een af te tasten voorwerp. De spiegel 13 is zodanig geplaatst dat een punt op het oppervlak van de spiegel samenvalt met het punt P.

5 De doorgangen - d.w.z. de ruimte tussen de transducer 12 en » de blaas 21 - zijn gevuld met een vloeistof zoals ontlucht

WctciJT

water. Het oppervlak van de spiegel 13 tegen de ultrasonore energie wordt weerkaatst is in de vloeistof ondergedompeld.

Transducer 12 be\atbij voorkeur een piezoelectrisch kristal 12' met een natuurlijke brandpuntsafstand welke bekrachtigd wordt door een gefaseerd . coaxiale rij electroden 12''. De middelen voor het geven van bekrachtingssignalen aan electroden 12'' .zijn in de tekening achterwege gelaten, doch in het algemeen wordt daarbij gebruik gemaakt van geleiders die door de af-10sluitkap 20 lopen. Bij het electrisch stimuleren van de transducer 12 word emultrasonore energiebundel opgewekt waarvan de hartlijn samenvalt met de hartlijn 16 van doorgang 15.

De hartlijn \an de ultrasonore energiestraal wordt gericht op punt P en de straal wordt gereflecteerd via doorgang 18 2onaar het te onderzoeken voorwerp. De spiegel wordt rond het punt P door een aandrijfsysteem 25 gezwenkt waardoor/de spiegel gereflecteerde straal het gewenste gebied van het te onderzoeken voorwerp! aftast. Een beschrijving van aandrijfmiddelen voor de spiegel 13 kan worden gevonden in de Nederlandse 25octrooiaanvrage 7 8.07355 ten name van aanvraagster, /de door

De naar het te onderzoeken lichaam gerichte ultrasonore energie wordt door interne delen van het lichaam weerkaatst en weer naar de spiegel 13 toegericht. De ultrasonore energie wordt door de spiegel weerkaatst en treft transducerkristal 3012' die de geretourneerde energie in electrisch signalen omzet.

Opgemerkt wordt dat tijdens de beweging van de bundel of straal van de spiegel naar het te onderzoeken voorwerp - en de beweging van de gereflecteerde energie vanuit het te tes-35ten voorwerp terug naar de spiegel parasitaire ultrasonore «000299 9 - 6 - energie kan worden opgewekt wanneer de straal grensvlakken met verschillende acous-tische impedantie raakt. Het is gewenst om parasitaire ultrasonore energie, die naar de transducer terug zou keren anders dan langs een directe 5baan via de spiegel 13 te verminderen of geheel te elimineren. Teneinde de transducer 12 af te schermen ten opzichte van tenminste een deel van de parasitaire ultrasonore energie verloopt de hartlijn 16 van de transducerdoorgang 15 onder een hoek O, kleiner dan 90° ten opzichte van de hartlijn 19 10 van de transmissie en ontvangstdoorgang 18. In een praktische toepassing is de hoek -ö 75°. Daardoor zal parasitaire ultrasonore energie die aan het oppervlak van blaas 21 of door/te onderzoeken oppervlak wordt gereflecteerd, worden/het geabsorbeerd door de onregelmatig gevormde inwendige vlakken 15 van het huis 11 van de aftastkop. Het huis 11 van de aftast-kop is bij voorkeur van kunststofmateriaal vervaardigd met een betrekkelijk hoge absorptie voor de ultrasonore energie bij de gebruikte golflengte.

De hoek tussen de hartlijn van de door de transducer 12 uit-20 gezonden straal en het oppervlak van de niet verplaatste spiegel is aangeduid met p ; deze is afgebeeld als de hoek tussen een lijn 22 door punt P en haaks op het niet verplaatste spiegelvlak en de hartlijn van de door de transducer 12

II

opgewekte straal. De hoek/3 is gedefinieerd als de transmissie-25hoek van inval." De hoek (p is gedefinieerd als de hoek van inval van een straal of bundel die door het te onderzoeken voorwerp is gereflecteerd en teruggericht naar punt P op de spiegel, dit is de "ontvangsthoek van inval." Bij het kantelen van de spiegel zullen de hoeken ct en β wijzigen. Over-°ueenkomstig de onderhavige uitvinding is spiegel 30 vervaardigd van een materiaal met een hoek voor de excitatie van oppervlaktegolven op het grensvlak tussen spiegel en de vloeistof in de doorgangen 15 en 18 welke ligt buiten het bereik waarover de transmissiehoek van inval en de ontvangst-35hoek van inval d.w.z. β en cC kunnen variëren.

00^0290 * - 7 -

Het is gebleken dat berillium een hoek voor de excitatie van oppervlaktegolven op een grensvlak met water heeft die ongeveer 11° bedraagt. Daardoor kan bij het eebruik van een spiegel met berillium en water als het transmissiemedium de 5 transmissiehoek van inval en ontvangsthoek van inval variëren in een gebied dat ligt buiten de eigen hoek voor de excitatie van oppervlaktegolven' op het grensvlak met berillium terwijl toch nog voldoende aftastmogelijkheiden aanwezig blijven.

Spiegel 13 omvat een basis 23 van berillium. Het berillium-10 deel of basis 23 van spiegel 13 moet een dikte hebben welke afhankelijk is van de golflengte van de bundel ultrasonore energie die door de transducerontvanger 12 wordt uitgezonden. In het algemeen moet de dikte van het berilliumdeel 23 van spiegel 13 tenminste gelijk zijn aan een golflengte bij de 15 laagste transducer-excitatiefrequentie. Derhalve zal voor medische diagnostische doeleinden met een ultrasonore frequentie van 2,5 mHz, het berilliumdeel 23 een dikte hebben van ongeveer 3,175 mm. Het beri liumbasisdeel 23 is bekleed met een nikkellaag 24 dat een glad spiegeloppervlak geeft 20 en dat tevens corrosie van het berillium vermindert of voorkomt. De nikkelbekleding wordt vervaardigd met behulp van "electroless" bekleden van het nikkel op het berillium.

De nikkelbekledingsplaat moet een dikte hebben van tenminste 1/10 van de golflengte van de door de transducer opgewekte 25 energie.

Samenvattend wordt opgemerkt dat de aftastkop overeenkomstig de onderhavige uitvinding de vorming van parasitaire energie-bundels vermindert door gebruik te maken van een spiegel met berillium en door het verplaatsen of bewegen van de trans-30 missiehoek van inval en de ontvangsthoek van inval cC

in een bereik dat ligt buiten de eigen hoek voor de excitatie van oppervlaktegolven op het grensvlak van berillium. Bovendien is de onderlinge hoekstand van de transducerdoorgang 15 en transmissie en ontvangstdoorgang 18 zodanig dat de hoe-35 veelheid parasitaire energie die op de transducer 12 valt 8000238 ~ 8 - verder is verminderd.

8003233

Claims (6)

1. Ultrasonore aftastkop voor het opwekken en ontvangen van een aftastenergiebundel of straal voor non-destructief en non-invasief onderzoek voorzien van een huis dat gevuld 5 is met een vloeibaar ultrasonoor transmissiemedium, trans-ducerorganen die in het huis zijn geplaatst voor het opwekken van ultrasonore energie in de vorm van een bundel of straal die volgens een hartlijn is gericht, waarbij de energie wordt uitgestraald in het transmissiemedium, 10 een reflector die in het huis is geplaatst in de baan van de bundel ultrasonore energie, door de transducer uitgestraald zodanig dat de energie op een oppervlak van de reflector valt onder een transmissiehoek van inval, met het kenmerk, dat de reflector berillium bevat terwijl voorzien is in 15 een aandrijving voor de reflector zodanig dat de trans-missiehoek van inval van de straal kan worden gevarieerd' waarbij de aandrijforganen de minimumtransmissiehoek van inval zodanig begrenzen dat deze groter is dan de hoek waarbij oppervlaktegolven worden opgewekt aan h.e . grens-20 vlak tussen berillium en het vloeibare transmissiemedium.

2. Ultrasonore aftastkop voor het opwekken van een aftastenergiebundel voor non-destructief en non-invasief onderzoek voorzien van een huis welk huis een transducerdoor-gang vormt met een eerstehartlijn alsmede een transmissie- 25 en ontvangstdoorgang met een tweede hartlijn, waarbij deze beide doorgangen via vloeistof met elkaar in verbinding staan en waarbij de betreffende hartlijnen elkaar snijden in een bepaald punt waarbij een vloeibaar ultrasonoor-transmissiemedium in de doorgangen van het huis is aange-30 bracht, alsmede transducermiddelen welke geplaatst zijn in de transducerdoorgang en ingericht voor het opwekken van ultrasonore energie in de vorm van een bundel waarvan de hartlijn samenvalt met de hartlijn van de transducerdoorgang., voorts voorzien van een reflector welke in de baan 35 van de ultrasonore energiebundel welke van de transducer 80 0 0 2 9.9 - 10- wordt uitgestraald is geplaatst, zodanig dat deze bundel het oppervlak van de reflector valt welk oppervlak is ondergedompeld in het vloeibaar medium waarbij de bundel onder een transmissiehoek van inval op dat spiegelopper- 0 vlak valt en waarbij een punt op het reflectoropper- met vlak samenvalt het snijpunt van de beide hartlijnen, met het .kenmerk, dat de reflector berillium bevat en voorzien is van middelen voor het variëren van de transmissiehoek van inval van genoemde bundel waarbij deze hoek variatie-10 middelen de reflector in tenminste ëën richting bewegen rond het snijpunt van genoemde hartlijnen waarbij de variatie-middelen de minimumtransmissiehoek van inval begrenzen zodanig dat deze groter is dan de hoek waarbij oppervlaktegolven op het grensvlak tussen berillium en 15 het vloeibare transmissiemedium worden opgewekt.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de transducermiddelen een kristal bevatten met een natuurlijk brandpunt. Inrichting volgens conclusie 1 of 2 , met het kenmerk, dat 20 de reflector is ingericht o.m te zwenken rond het snijpunt van de genoemde hartlijnen.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de reflector een dikte heeft die tenminste gelijk is aan ëën golflengte in berillium van de minimum ultrasonore 25 frequentie die door de transducermiddelen wordt opgewekt.

6. Inrichting volgens ëën der conclusies 1-5 met het kenmerk, dat de reflector voorts voorzien is van een nikkel bekledingslaag op het oppervlak van het berillium waarbij deze bekledingslaag een dikte heeft die tenminste gelijk 30 is aan 1/10 van de golflengte in nikkel van de minimum ultrasonore frequntie die door de transducermiddelen wordt opgewekt.

7. Inrichting volgens ëënder conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de beide hartlijnen elkaar onder een hoek van 35 minder dan 90° snijden. 8000299