RU2026009C1

RU2026009C1 - Ultrasonic scanning converter

Info

Publication number: RU2026009C1
Authority: RU
Inventors: В.М. Лозицкий; Ю.Б. Горбаткин; А.А. Свицын
Original assignee: Научно-исследовательский институт измерительной техники
Priority date: 1990-11-01
Filing date: 1990-11-01
Publication date: 1995-01-09

Abstract

FIELD: medicine. SUBSTANCE: transformer is formed by movable semi-annular cores disposed inside rotor. Windings of the cores are connected to corresponding piezoelectric converters. Motionless semi-annular core of the transformer has intermediate magnetic circuits disposed onto its edges in form of arcs of circle. Exciting signals enter from generator the primary winding located onto motionless core and then they enter the secondary winding of only this movably core which has magnetic flux to be closed through intermediate magnetic circuits. The other piezoelectric converters are switched off at that time as magnetic flux is absent in their cores because of large air gaps. Exclusion of commutator permits to reduce sizes of working part of scanning device and to widen diagnostic capabilities. EFFECT: improved efficiency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для исследования внутренних органов человека, в том числе и сердечных структур. The invention relates to medical equipment and is intended for the study of human internal organs, including cardiac structures.

В настоящее время для исследования работы сердца и других внутренних органов человека широко используются диагностические устройства ультразвуковой импульсной эхоскопии, действие которых основано на сканировании исследуемого органа узким ультразвуковым лучом и на непосредственном преобразовании ультразвуковых эхосигналов в электрические для дальнейшего отображения на видеоконтрольных устройствах. Диагностические устройства двумерной визуализации анатомических сечений внутренних органов человека представляют собой весьма сложные системы, первичными преобразователями которых являются многоканальные электроакустические устройства, обеспечивающие преобразование электрических импульсов в ультразвуковые, их излучение в тело человека, прием отраженных импульсов и их преобразование в электрические и передачу для дальнейшей обработки и визуализации. Currently, diagnostic devices for pulsed ultrasound echoscopy are widely used to study the work of the heart and other internal organs of a person, the action of which is based on scanning the organ under investigation with a narrow ultrasound beam and directly converting the ultrasonic echo signals to electrical ones for further display on video monitoring devices. Diagnostic devices for two-dimensional visualization of the anatomical sections of the internal organs of a person are very complex systems, the primary converters of which are multichannel electro-acoustic devices that convert electric pulses to ultrasonic, emit radiation into the human body, receive reflected pulses and convert them to electrical and transmit for further processing and renderings.

В настоящее время находят применение сканирующие устройства как с электронным управлением ультразвуковым лучом, так и механические сканирующие устройства. Механическое сканирование обеспечивается за счет возвратно-поступательного качания пьезопреобразователей, их вращения, а также за счет подвижных отражателей, изменяющих направление ультразвукового луча. Scanning devices with electronically controlled ultrasonic beam and mechanical scanning devices are currently being used. Mechanical scanning is provided due to the reciprocating swing of the piezoelectric transducers, their rotation, as well as due to movable reflectors that change the direction of the ultrasound beam.

Наиболее оптимальным является сканирование при помощи вращения пьезопреобразователей. Такое конструктивное решение обеспечивает наименьшие энергетические затраты, равномерную скорость сканирования, устойчивое движение жидкости, через которую обеспечивается акустический контакт между пьезопреобразователем и телом человека. The most optimal is scanning by rotation of the piezoelectric transducers. Such a constructive solution provides the lowest energy costs, uniform scanning speed, stable fluid movement through which acoustic contact between the piezoelectric transducer and the human body is ensured.

Для обеспечения нормального функционирования сканирующее устройство должно содержать привод для вращения ультразвуковой головки (ротора) с расположенными в ней пьезопреобразователями, узел передачи зондирующих сигналов на пьезопреобразователи и приема отраженных сигналов, датчик углового положения ультразвуковой головки, обеспечивающий совмещение изображений от каждого из пьезопреобразователей, а также коммутатор, обеспечивающий поочередное подключение пьезопреобразователей в процессе сканирования с целью исключения взаимовлияния пьезопреобразователей и воздействия помех. To ensure normal functioning, the scanning device must include a drive for rotating the ultrasonic head (rotor) with piezoelectric transducers located in it, a node for transmitting sounding signals to the piezoelectric transducers and receiving reflected signals, an angular position sensor for the ultrasonic head, which ensures the combination of images from each of the piezoelectric transducers, and also a switch providing alternating connection of piezoelectric transducers during scanning in order to exclude mutual interference ence piezoelectric transducers and interference.

Известно сканирующее устройство (см. патент ФРГ N 2851004), содержащее вращающийся ротор с пьезопреобразователями и приводом, датчик углового положения ротора, выполненный в виде диска с кодирующими метками и расположенными против них с обеих сторон диска светоизлучателем и фотоприемником, передающий трансформатор, выполненный в виде коаксиально расположенных подвижной (вращающейся) и неподвижной обмоток, а также коммутатор, выполненный в виде диска с расположенными на нем дросселями насыщения, вращающимися между полюсами постоянного магнита. A scanning device is known (see German Patent No. 2851004), comprising a rotating rotor with piezoelectric transducers and a drive, a rotor angular position sensor made in the form of a disk with coding marks and a light emitter and a photodetector located opposite them on both sides of the disk, a transformer made in the form coaxially located movable (rotating) and fixed windings, as well as a switch made in the form of a disk with saturation chokes located on it, rotating between the poles of a permanent magnet ita.

Существенным недостатком указанного устройства являются значительные габариты рабочей части, обусловленные тем, что ротор с приводом, диск датчика углового положения, диск коммутатора и вторичная обмотка передающего трансформатора расположены на одном валу. Это ограничивает диагностические возможности устройства, например сканирование сердечных структур через межреберные промежутки практически невозможно. A significant drawback of this device is the significant dimensions of the working part, due to the fact that the rotor with the drive, the disk of the angle sensor, the switch disk and the secondary winding of the transmitting transformer are located on one shaft. This limits the diagnostic capabilities of the device, for example, scanning of cardiac structures through intercostal spaces is practically impossible.

Наиболее близким по технической сущности и диагностическому результату является сканирующее устройство, содержащее герметичный корпус, в котором установлены барабан (ротор) с пьезопреобразователями, светодиодами, резисторами и диодами, фотодиод, магнитный коммутатор, включающий диск с дросселями насыщения и магнит с полюсными наконечниками, переходный трансформатор, состоящий из первичной и вторичной обмоток. При этом ротор, диск магнитного коммутатора и вторичная обмотка передающего трансформатора расположены на валу, установленном в подшипниках, и приводящимся во вращение от электрического двигателя через гибкий вал. The closest in technical essence and diagnostic result is a scanning device containing a sealed enclosure in which a drum (rotor) with piezoelectric transducers, light-emitting diodes, resistors and diodes, a photodiode, a magnetic switch, including a disk with saturation chokes and a magnet with pole tips, a transition transformer are installed consisting of primary and secondary windings. In this case, the rotor, the disk of the magnetic switch and the secondary winding of the transmitting transformer are located on a shaft mounted in bearings, and driven into rotation by an electric motor through a flexible shaft.

Преимущество такого устройства по сравнению с известным заключается в том, что элементы датчика углового положения размещены в роторе и корпусе, что позволяет уменьшить габариты рабочей части устройства за счет того, что на рабочем валу отсутствует диск датчика угла положения ротора с установленными с обеих его сторон свето и фотодиодами. Однако наличие на одном валу рядом с ротором диска магнитного коммутатора с дросселями насыщения и вторичной обмотки передающего трансформатора не позволяет уменьшить габариты рабочей части до оптимальных значений. The advantage of such a device compared to the known one is that the elements of the angular position sensor are located in the rotor and the housing, which allows to reduce the dimensions of the working part of the device due to the fact that there is no rotor angle sensor disk on the working shaft with light installed on both sides and photodiodes. However, the presence on one shaft near the rotor of the disk of the magnetic switch with saturation chokes and the secondary winding of the transmitting transformer does not allow reducing the dimensions of the working part to optimal values.

Кроме того, недостатком известных технических решений является то, что все пьезопреобразователи одновременно подключены ко вторичной обмотке трансформатора через дроссели насыщения, имеющие конечные значения электрического сопротивления в состояниях "включено-выключено", что не обеспечивает полного отключения и включения пьезопреобразователей в процессе функционирования. In addition, the disadvantage of the known technical solutions is that all piezoelectric transducers are simultaneously connected to the secondary winding of the transformer through saturation reactors having finite values of electrical resistance in on-off states, which does not provide complete disconnection and inclusion of the piezoelectric transducers during operation.

Целью изобретения является расширение диагностических возможностей за счет уменьшения габаритов рабочей части корпуса, контактирующей с телом человека. The aim of the invention is the expansion of diagnostic capabilities by reducing the size of the working part of the housing in contact with the human body.

Поставленная цель достигается тем, что в известное ультразвуковое сканирующее устройство, содержащее ротор с пьезопреобразователями, трансмиссию с электродвигателем и оптоэлектронный датчик угла поворота ротора, размещенные в корпусе, введен коммутирующий трансформатор, состоящий из подвижных, размещенных в роторе, полукольцевых сердечников с вторичными обмотками, подключенными каждая к соответствующему пьезопреобразователю, и неподвижного полукольца с первичной обмоткой и прикрепленными к его торцам промежуточными магнитопроводами в виде дуг окружности длиной 2π /n (где n - число пьезопреобразователей в роторе), размещенными в корпусе устройства. This goal is achieved by the fact that in the known ultrasonic scanning device containing a rotor with piezoelectric transducers, a transmission with an electric motor and an optoelectronic sensor of the angle of rotation of the rotor, placed in the housing, a switching transformer is introduced, consisting of movable, placed in the rotor, half-ring cores with secondary windings connected each to the corresponding piezoelectric transducer, and a fixed semicircle with a primary winding and intermediate magnetic circuits attached to its ends s in the form of circular arcs 2π / n in length (where n - the number of the transducers in the rotor) placed in the device.

В предлагаемом устройстве функции передающего трансформатора и магнитного коммутатора совмещены в одном узле - коммутирующем трансформаторе, элементы которого размещены в роторе и корпусе устройства, что позволяет сократить длину вала и тем самым уменьшить размеры рабочей части корпуса, контактирующей с телом человека. In the proposed device, the functions of the transmitting transformer and the magnetic switch are combined in one node - a switching transformer, the elements of which are located in the rotor and the housing of the device, which reduces the length of the shaft and thereby reduce the size of the working part of the housing in contact with the human body.

На фиг. 1 изображен сканирующий преобразователь; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - электрическая схема устройства. In FIG. 1 shows a scanning transducer; in FIG. 2 is a section AA in FIG. 1; in FIG. 3 - electrical diagram of the device.

Преобразователь состоит из корпуса 1, закрытого через уплотнительную прокладку 2 кожухами 3, 4 образующим герметичную рабочую зону, в которой расположен электродвигатель и другие элементы устройства. В корпусе на валу 5, вращающемся в подшипниках 6, закреплен ротор 7 с размещенными в нем пьезопреобразователями 8 и подвижными полукольцевыми сердечниками 9 коммутирующего трансформатора. Сердечники выполнены в виде половины кольцевого сердечника из высокочастотного феррита и размещены в роторе таким образом, что их торцы совмещены с его боковой поверхностью. На сердечниках размещены вторичные обмотки, каждая из которых подсоединена к соответствующему пьезопреобразователю В1-В3. На плате 10 расположен неподвижный полукольцевой сердечник 11 с первичной обмоткой, опирающийся торцами на промежуточные магнитопроводы 12, 13. Промежуточные магнитопроводы выполнены в виде дуг окружности шириной не менее радиального размера сечения подвижных сердечников и расположены таким образом, что их средние линии совпадают с окружностями вращения центров сечений подвижных сердечников при вращении ротора. The Converter consists of a housing 1, closed through a gasket 2 by covers 3, 4 forming a sealed working area in which the electric motor and other elements of the device are located. In the housing, on the shaft 5, rotating in bearings 6, a rotor 7 is mounted with the piezoelectric transducers 8 and the movable semi-ring cores 9 of the switching transformer placed therein. The cores are made in the form of a half of an annular core of high-frequency ferrite and are placed in the rotor so that their ends are aligned with its side surface. Secondary windings are placed on the cores, each of which is connected to the corresponding piezoelectric transducer B1-B3. On the circuit board 10 there is a fixed semicircular core 11 with a primary winding, supported by the ends on the intermediate magnetic circuits 12, 13. The intermediate magnetic circuits are made in the form of circular arcs with a width not less than the radial cross-sectional dimension of the moving cores and arranged so that their middle lines coincide with the centers of rotation of the centers sections of movable cores during rotation of the rotor.

Торцы неподвижного сердечника опираются на плоскости промежуточных магнитопроводов без зазора. Зазор между торцами подвижных сердечников и плоскостями промежуточных магнитопроводов выбирается минимальным так, чтобы не ограничивалось свободное вращение ротора. Вращение на ротор передается от электрического двигателя 14, закрепленного на корпусе с помощью хомута 15, через трансмиссию, состоящую из двух цилиндрических шестерен 16, 17 и червячной передачи. The ends of the fixed core rest on the plane of the intermediate magnetic circuits without a gap. The gap between the ends of the movable cores and the planes of the intermediate magnetic circuits is selected to be minimal so that the free rotation of the rotor is not limited. Rotation to the rotor is transmitted from the electric motor 14, mounted on the housing with a clamp 15, through a transmission consisting of two cylindrical gears 16, 17 and a worm gear.

Вал 18 червячной передачи вращается в подшипниках 19, закрепленных в обойме 20, крепящейся к корпусу, а червячное колесо 21 закреплено на одном валу с ротором. The worm gear shaft 18 rotates in bearings 19 mounted in a cage 20 attached to the housing, and the worm gear 21 is mounted on one shaft with a rotor.

Возбуждающие импульсы генератора (на чертежах не показан) подаются на первичную обмотку и с нее - на вторичную обмотку только того подвижного сердечника, магнитный поток которого через промежуточные магнитопроводы замыкается с неподвижным сердечником. В это время сигналы на другие вторичные обмотки не поступают, так как магнитный поток в их сердечниках отсутствует благодаря большим воздушным зазорам. Таким образом, при вращении ротора в каждый момент времени к возбуждающему генератору и усилителю отраженных импульсов (на чертеже не показан) подключен только один пьезопреобразователь. The exciting pulses of the generator (not shown in the drawings) are fed to the primary winding and from it to the secondary winding of only that movable core, whose magnetic flux through intermediate magnetic circuits is closed with a fixed core. At this time, signals to other secondary windings do not arrive, since there is no magnetic flux in their cores due to the large air gaps. Thus, when the rotor rotates at each moment of time, only one piezoelectric transducer is connected to the exciting generator and the reflected pulse amplifier (not shown in the drawing).

Такое конструктивное исполнение имеет высокий коэффициент передачи и обеспечивает устойчивую работу сканирующего преобразователя. This design has a high transmission coefficient and ensures stable operation of the scanning transducer.

При этом габариты рабочей зоны минимальны, определяются практически только размерами ротора с пьезопреобразователями и не ограничивают диагностические возможности сканирующего устройства. Одновременно повышается помехозащищенность за счет полной коммутации пьезопреобразователей в процессе функционирования. Это обусловлено тем, что в каждый момент времени включен только один пьезопреобразователь, подключенный к обмотке подвижного сердечника, магнитный поток которого замкнут через промежуточные магнитопроводы и неподвижный сердечник. At the same time, the dimensions of the working area are minimal; they are determined practically only by the size of the rotor with piezoelectric transducers and do not limit the diagnostic capabilities of the scanning device. At the same time, noise immunity increases due to the complete switching of piezoelectric transducers during operation. This is due to the fact that at each moment of time only one piezoelectric transducer is connected, connected to the winding of the movable core, the magnetic flux of which is closed through intermediate magnetic circuits and a fixed core.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый сканирующий преобразователь отличается тем, что в нем используется трансформатор с сердечниками в виде полуколец, неподвижного и подвижных, магнитный поток которых в процессе функционирования поочередно замыкается с неподвижным через промежуточные магнитопроводы в виде дуг, длина которых определяется количеством подвижных сердечников. Такое конструктивное решение позволяет осуществить одновременно передачу и прием сигналов, а также коммутацию пьезопреобразователей. Comparative analysis with the prototype shows that the proposed scanning transducer is different in that it uses a transformer with cores in the form of half rings, fixed and movable, the magnetic flux of which during operation is alternately closed with stationary through intermediate magnetic circuits in the form of arcs, the length of which is determined by the number of movable cores. Such a constructive solution allows the simultaneous transmission and reception of signals, as well as the switching of piezoelectric transducers.

Таким образом, предлагаемое сканирующее устройство соответствует критерию "Новизна". Thus, the proposed scanning device meets the criterion of "Novelty."

Claims

An ULTRASONIC SCAN TRANSDUCER containing a rotor with piezoelectric transducers, an electric transmission and an optoelectronic rotor angle sensor located in the housing, characterized in that, in order to expand the diagnostic capabilities of the converter by reducing the size of the working part of the housing, a switching transformer is introduced into the converter, consisting of semicircular cores mounted on the rotor, with secondary windings, each connected to the corresponding piezoelectric transducer, and an onion ring core with a primary winding mounted on the housing, and at the ends of the core there are intermediate magnetic circuits in the form of circular arcs of length 2πn, where n is the number of piezoelectric transducers.