DE3214789A1

DE3214789A1 - Dynamisch fokussierender ultraschallwandler

Info

Publication number: DE3214789A1
Application number: DE19823214789
Authority: DE
Inventors: George K. 95120 San Jose Calif. Lewis
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-04-30
Filing date: 1982-04-21
Publication date: 1982-12-23
Also published as: JPH0143520B2; DE3214789C2; JPS57186166A; US4398116A

Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 81 P 8221 DE

Dynamisch fokussierender Ultraschallwandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen dynamisch fokussierenden Ultraschallwandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Ultraschallwandler dieser Art ist beispielsweise durch den Aufsatz "Annular Array Design and Logarithmic Processing for Ultrasonic Imaging" von H.E. Melton, Jr. und F.L. Thurstone in Ultrasound Med. Biol., VoI.4, Seiten 1 bis 12 vorbekannt. Der vorbekannte Ultraschallwandler umfaßt dabei ein hrr&y aus kreisförmigen piezoelektrischen Elementen. Jeder der piezoelektrischen Ringe ist mit Elektroden versehen, über die im Sendefall die Sendespannung angelegt und im Empfangsfall die EmpfangsSpannung abgegriffen wird. Die einzelnen Ringe des Arrays sind durch Spalten voneinander getrennt, wodurch die benachbarten Ringflächenareale akustisch voneinander entkoppelt werden.

Ein Ringwandler dieser Art kann bei Betrieb im B-mode zur dynamischen Fokussierung verwendet werden. Die verschiedenen Ringe des Wandlers werden dazu nacheinander eingeschaltet, so daß der Wandler in dynamischer Weise auf unterschiedliche Empfangstiefen fokussiert wird.

Arrays mit Ringelementen, die durch ringförmige Spalten voneinander getrennt sind, lassen sich jedoch nur schwierig herstellen. Gewöhnlich muß zum Einschneiden der einzelnen kreisringförmigen Spalten ein spezielles Sägewerkzeug, z.B. ein Kernbohrer, eingesetzt werden. Dieses Werkzeug ist jedoch für unterschiedliche Ausführungsformen des Ultraschallwandlers entsprechend

Kue 5 Kof /19.04.1982

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unterschiedlich. Jede neue Form erfordert also ein eigenes spezielles Werkzeug. Die Zahl der benötigten Werkzeuge ist damit also insgesamt recht hoch. Mit den bekannten, bisher eingesetzten Werkzeugen lassen sich außerdem nur Spalten erzeugen, die relativ breit sind. Die Empfindlichkeit des Wandlers wird dadurch herabgesetzt und es treten außerdem in unerwünschter Weise sowohl im Sende- als auch im Empfangsfa]I Nebenkeulen auf, die die Bildauflösung des Wandlers erheblieh verschlechtern. Zu breite Spalten führen aber auch gleichzeitig zu Verlusten in der aktiven Abstrahl- und Empfangsfläche. Wegen der nur groben Herstellungsart ist eine Feinteilung der Wandlerelemente zu Elementen mit besonders geringer Dicke kaum möglich. Bei der Feinteilung kommt es aufgrund des Anpreßdruckes des Werkzeuges an die zerbrechliche Piezoplatte häufig zu Brüchen.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen dynamisch fokussierenden Ultraschallwandler der eingangs genannten Art aufzubauen, der mit einfachstem Werkzeug herstellbar ist. Die Spalten zwischen den Elementringen sollen besonders schmal sein und sie sollen auch so dicht nebeneinandergelegt werden, daß sich dazwischenliegend feingeteilte'Wandlerelemente ergeben. Die Feinteilung soll den Einsatz des Ultraschallwandlers bei relativ hohen Frequenzen ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung besteht jetzt der Ultraschallwandler aus einer Mehrzahl von Segmenten, in die zueinander parallele gerade Spalten eingeschnitten sind. Erst mit dem Zusammensetzen der einzelnen Segmente schließen sich die Spalten zu einer mehreckigen, aber doch an-

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nähernd kreisringförmigen Form. Dasselbe gilt auch für die Oberflächenareale zwischen den Spalten. Die reine Kreisringform des Standes der Technik wird also durch eine Mehreckform aus Einzelsegmenten, von denen jedes etwa nach Art eines "Kuchenstückes" geformt ist, angenähert. Die einzelnen Segmente können in sehr einfacher Weise und sehr genau mit Hilfe einer feinen Säge hergestellt werden. Mit Hilfe dieser Säge können sowohl die Segmentstücke selbst als auch, die Spalten in die Segmente gesägt werden. Mit sehr feiner Säge können auch sehr dünne Spalten gesägt werden. Ferner können in einem Segment die Spalten sehr dicht aufeinander folgen, so daß also das Segment feingeteilt wird. Insgesamt gesehen ist also aufgrund der Erfindung ein Ultraschallwandler geschaffen, der angenäherte Kreisringstruktur der Wandlerelemente aufweist und der dennoch mit einem einzigen einfachen Werkzeug hergestellt werden kann. Eine Feinteilung der Wandlerelemente mit diesem einzigen Werkzeug bereitet keine Schwierigkeiten, so daß mit zunehmender Feinteilung entsprechend höherfrequente Ultraschallwandler mit dynamischer Fokussierung gebaut werden können. Unter normalen Umständen reicht es aus, wenn der Ultraschallwandler aus insgesamt sechs Segmenten zusammengesetzt ist. Der Ultraschallwandler kann jedoch durchaus aus sehr viel mehr Segmenten bestehen, je nachdem, wie stark die reine Kreisringform angenähert werden soll.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprüchen.

Es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf einen Ultraschallwandler gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform,

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Figur 2 eine Draufsicht auf einen Ultraschallwandler gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform,

Figur 3 ein Einzelsegment eines Wandlers gemäß

der Erfindung in perspektivischer Ansicht,

Figur 4 eine Draufsicht auf einen Ultraschallwandler gemäß der Erfindung, bei dem die unterschiedlichen Wandlerelemente für un

terschiedliche Betriebsfrequenzen ausgelegt sind,

Figur 5 eine Draufsicht auf ein Segment eines Ultraschallwandlers gemäß der Erfindung,

bei dem alle piezoelektrischen Elemente dieselbe Fläche haben,

Figur 6 einen Sägeplan für die Herstellung von Segmenten für einen Ultraschallwandler

gornäß der Erfindung,

Figur 7 eine Draufsicht auf ein Segment mit Feinteilung der Wandlerelemente, wobei die einzelnen Wandlerelemente im Überlappungs-

Modus elektrisch angesteuert werden,

Figur 8 eine Tabelle, die den Überlappungs-Modus einer Feinstruktur gemäß Figur 7 näher erläutert.

Der Ultraschallwandler 2 der Figur 1 umfaßt sechs Drei ecksegmente 4 von identischer Form, die konzentrisch um eine zentrale Achse 6 angeordnet sind. Die geraden Seiten eines jed.en Dreiecksegmentes bilden miteinander einen Winkel von jeweils 60°. Jedes der Segmente 4 ent

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hält vier langgestreckte hervorstehende Oberflächenareale 8, die voneinander durch geradlinige Spalten getrennt sind, die parallel zueinander angeordnet sind. Die geradlinigen Spalten 10 entkoppeln die Areale 8 akustisch voneinander. Die Spalten 10 werden in einfacher Weise mit Hilfe einer Säge (feine Würfelsäge) hergestellt. Einander entsprechende Areale 8 aller einzelnen Segmente 4 bilden mehreckige "Ringe", die mehr oder weniger der reinen runden Kreisringform angenähert sind. Die einzelnen Spalten 10 der einzelnen Segmente 4 schließen sich zu mehreckigen Spalten, die ebenfalls mehr oder weniger der reinen Kreisringform angenähert sind. Die "ringförmigen" Spalten entkoppeln benachbarte Areale 8, die einzelne Wandlerelemente bilden, akustisch voneinander. Benachbarte Elemente 8 sind mittels Kontaktbrücken 12 miteinander verbunden. Alle Segmente 4 haben dieselbe Dicke. Der dargestellte Ultraschallwandler 2 sendet und empfängt.also mit einer einzigen vorgewählten Ultraschallfrequenz.

In jedes der Segmente 4 können Spalten mit einer Genauigkeit bis zu beispielsweise 0,5 mils (1 mil = 0,001 inch = 0,0254 mm) gesägt werden, wobei die Spalten selbst z.B. ca. 1,5 mils breit sein können. Die Breite eines jeden Areals 8, d.h. die Breite der späteren"Elementringe", hängt von den Erfordernissen des Ultraschallbildgerätes ab. Sie kann z.B. im Bereich von 1 mm liegen.

Das Ausführungsbeispiel der Figur 2 erreicht mit insgesamt acht aneinandergesetzten Dreiecksegmenten 4 eine noch stärkere Annäherung an die reine Kreisform. Jedes der Elemente 4 enthält vier geradlinige Spalten 10, die wieder alle parallel zueinander angeordnet sind und die alle dieselbe Breite haben. Auf diese Weise werden also insgesamt fünf angenäherte "Ringe" ge-

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bildet, die nacheinander im Betriebsfall eingeschaltet werden. Auch beim Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist wieder eine symmetrische Anordnung gewählt. Jedes der Segmente hat auch wieder zwei gerade Seiten, mit denen es dicht an den Seiten der jeweils benachbarten Segmente anliegt.

Grundsätzlich kann eine beliebige Zahl von Segmenten zum Aufbau verwendet werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß unter bestimmten Bedingungen eine geradzahlige Anzahl von Segmenten von Vorteil ist.

Die Zahl der Oberflächenareale 8 soll vorzugsweise zwischen vier und zehn liegen. Andere Zahlen sind jedoch auch möglich.

Die Figur 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eines der "Kuchenstück"-förmigen Segmente 4. Das dargestellte Segment 4 umfaßt eine dreieckförmige oder "Kuchenstück"-förmige Platte 14 aus piezoelektrischem Material, insbesondere piezoelektrischer Keramik. Die Dicke c\er Platte 14 beträgt vorzugsweise ^/2, wobei K die Wellenlänge der Ultraschallwellen in diesem speziellen Material bei einer vorgegebenen Frequenz ist. Es soll festgehalten werden, daß in Figur 3 auf der oberen Deckfläche der Platte 14 Elektroden 16a, 16b, 16c, 16d und I6e angeordnet sind. Diese Elektroden 16a bis I6e bestehen aus einer dünnen Metallschicht. Die untere Deckfläche der Platte 14 ist mit einer einzigen Elektrode 18 versehen. Diese Elektrode 18 ist für alle einzelnen Elemente eines Segmentes 4 gemeinsam, d.h. sie verbindet alle diese Einzelelemente elektrisch miteinander.

Das Segment 4 der Figur 3 beinhaltet insgesamt fünf hervorstehende Teile oder Areale 8, die voneinander

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durch insgesamt vier Spalten 10 getrennt sind. Diese Spalten 10 erhält man dadurch, daß mittels einer linearen Würfelsäge die metallbeschichtete Keramikplatte 14 gesägt wird. Aus diesem Grunde können die einzelnen piezoelektrischen Wandlerelemente 8 und die individuellen Elektroden 16a bis I6e sehr leicht hergestellt werden. Die Spalten 10 sind bis wenigstens etwa 3/4 der Gesamtdicke der piezoelektrischen Keramikplatte 14·eingesägt. Hierdurch ergibt sich eine gute akustische Entkopplung."Grundsätzlich können die Spalten.das keramische Material auch völlig zerteilen, wodurch aber die gemeinsame Elektrode 18 ebenfalls geteilt würde, so daß der Vorteil, von vornherein eine gemeinsame Elektrode zu haben, die einfacher kontaktierbar ist, verloren ginge.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist die untere Fläche des Segmentes 4 auch noch mit zwei Anpassungsschichten 20 und 22 beschichtet. Diese Anpassungs- schichten 20 und 22 sorgen für eine gute Ankopplung der Piezokeramikplatte 14 an den Körper eines (nicht dargestellten) Patienten. Vorzugsweise ist jede dieser Anpassungsschichten 20, 22 V/4 dick, wobei X die Wellenlänge der Ultraschallwellen in dem betreffenden Material der Anpassungsschicht ist. Die unterste Anpar.sungsschicht ?2 liegt bei Einsatz des Ultraschallwandlers direkt am Patienten an, der z.B. untersucht werden soll.

In der Figur 3 ist dargestellt, daß jedes Segment 4 des Ultraschallwandlers eine Dreiecksform hat. Mehrere dieser Dreiecksformen, z.B. sechs, acht oder auch noch mehr, können dann so zusammengesetzt werden, daß sich ein Ultraschallwandler mit "Ringen" z.B. entsprechend den Figuren 1 oder.2 ergibt. Die einzelnen "Ringe" werden durch die Aneinanderreihung von jeweils benachbarten piezoelektrischen Stücken 8 gebildet.

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Die Figur 4 zeigt einen Ultraschallwandler 2, der insgesamt drei "Ringe" trägt, die mit Betriebsfrequenzen f1, f2, f3 arbeiten, die voneinander unterschiedlich sind. Entsprechend den unterschiedlichen Frequenzen f1, f2, f3 haben die einzelnen piezoelektrischen "Ringe" eine Dicke von "λΐ/2, X 2/2 und ^3/2, wobei ^1, I^s 2, * 3 die Wellenlängen der Ultraschallwellen im jeweiligen piezoelektrischen Material bei den vorgegebenen Frequenzen f1, f2, f3 sind. Mit anderen Worten, "die verschiedenen Ringe haben unterschiedliche Dicken".

In der Figur 5 ist ein Segment 4 dargestellt, das unterschiedliche Areale A1, A2, A3 ... An aufweist, die alle dieselbe Flächengröße haben (A1 = A2 = ... = An). Es ergibt sich in diesem Falle der Vorteil, daß alle einzelnen "Ringe" dieselbe Empfindlichkeit haben. Es wurde gefunden, daß der Abstand d eines Elementes η von der zentralen Achse 6 nach der Beziehung

gewählt werden sollte, wobei η die Nummer des entsprechenden Elementes und d^ der Abstand der Basislinie des ersten Elementes von der zentralen Achse 6 ist. Anders ausgedrückt, gibt die vorstehende Beziehung eine Anweisung, wie und in welchen Abständen gesägt werden muß, damit man trapezförmige Areale Ap, A^ ... A erhält, die genauso groß sind wie das dreiecksförmige Areal A>..

In der Figur 6 ist ein Sägeplan dargestellt, wie ein "ringförmiger" Ultraschallwandler 2 aus einer rechteckigen Keramikplatte 30 gesägt werden kann. Dazu werden in Längsrichtung der rechteckigen Keramikplatte zuerst z.B. drei Schnitte gelegt, um die drei Spalten 52., 34, 36 zu formen. Die erste Spalte 3? hat dabei, den

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Abstand d.. von der unteren Kante der Keramikplatte 30. Die nächste Spalte 34 liegt im Abstand dp und die dritte Spalte 36 entsprechend im Abstand .d,. Mit einem vierten Schnitt wird die Keramikplatte 30 auf die Breite d^ geschnitten, sofern dies nicht schon zuvor geschehen ist.

Nachdem alle longitudinalen Spalten geschnitten wurden, werden einzelne Dreiecksegmente 40, 42, 44, 46 etc.

ausgeschnitten. Zu diesem Zweck werden mittels einer Linearsäge Schnitte 50, 52, 54, 56 etc. gelegt. Diese Schnitte gehen durch die Platte 30, um so die eine Seite eines jeden dreieckigen Segmentes 40, 42, 44, 46 etc. zu formen. Danach werden weitere Schnitte 60, 62, 64, 66 etc. gelegt, die z.B. in einem Winkel von 60° zu den erstgelegten Schnitten liegen. Auf diese Weise wird die andere Seite der dreieckigen Segmente 40, 42, 44, 46 etc. geformt. Die ausgesägten Segmente 40, 42, 44, 46.etc. werden dann zu einem "ringförmigen" Wandler (z.B. entsprechend Figur 1) zusammengesetzt. Die restlichen Dreiecksegmente werden weggeworfen. Werden jedoch die Längsschnitte so gelegt, daß sich Spalten 32, 34 und 36 mit jeweils gleichem Abstand voneinander ergeben, so können auch die Reststücke 70, 72, 74, 76 etc. zu einem zweiten Ultraschallwandler ähnlich dem ersten zusammengesetzt werden.

Die Figur 7 zeigt eine Draufsicht auf ein Segment 4, das in eine Vielzahl von einzelnen Arealen 8 feingeteilt ist. Das gesamte Dreiecksegment 4 ist also in eine große Anzahl von schmalen langgestreckten Arealen 8 unterteilt. Jede einzelne Elektrode 26a, 26b, 26c jeder dieser Areale 8 ist mit einer Signalleitung verbunden. Wie in der Tabelle 8 näher angegeben ist, können freiselektierte Gruppen von Arealen 8 in einem

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Überlappungs-Mode angesteuert werden. Zu einem bestimmten Zeitpunkt t.. befinden sich z.B. die Elektroden 26a bis 26g im Empfangszustand, so daß sie alle an eine Verzögerungsleitung D^ zur elektronischen Fokussierung angeschlossen sind. Zum folgenden Zeitpunkt t₂ sind die Elektroden 26e bis 26j elektronisch mit einer zweiten Verzögerungsleitung Dp verbunden. Die Elemente 26e, 26f und 26g sind sowohl zum Zeitpunkt t,. als auch zum Zeitpunkt t~ mit den Verzögerungsleitungen D^ und D₂ verbunden. Zum nächsten Zeitpunkt t^ sind die Elemente 26h bis 261 elektronisch mit einer dritten Verzögerungsleitung D, verbunden. Wieder sind drei Elemente 26h, 26i und 26j sowohl zum Zeitpunkt t~ als auch zum Zeitpunkt t^ gemeinsam aktiv. Der Überlappungs-Modus wird so fortgesetzt, bis die letzte der schmalen Elektroden 26 erreicht ist.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele haben lediglich exemplarischen Charakter. Es ist selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf diese speziellen Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr gibt es eine Vielzahl von Modifikationen, die alle mit in den Bereich der Erfindung fallen.

14 Patentansprüche
8 Figuren

AH
Leerseite

Claims

VPA 81 P 8221 DE Patentansprüche

(i) Dynamisch fokussierender Ultraschallwandler mit einer Mehrzahl von konzentrisch zueinander angeordneten ringförmigen Wandlerelementen, dadurch gekennzeichnet , daß eine Mehrzahl von piezoelektrischen Segmenten (4), die mit linearen und zueinander parallelen Spalten (10) versehen sind, in konzentrischer Anordnung so zusammengefaßt ist, daß sich die Spalten (10) in den einzelnen Segmenten (4) zu Ringen schließen, die annähernd kreisförmig sind und die die dazwischenliegenden Areale (8), die sich ebenfalls ringförmig schließen und die die ringförmigen Wandlerelemente bilden, elektrisch voneinander entkoppeln.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jedes der Segmente (4) zwei lineare Seiten hat, mit denen es an die entsprechenden linearen Seiten benachbarter Segmente eng anlegbar ist.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (4) Dreiecksegmente sind, die symmetrisch um eine Zentralachse (6) angeordnet sind.
4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Zahl der Segmente (4) gerade ist.
5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß er aus insgesamt sechs Segmenten (4) zusammengesetzt ist, von denen jedes Segment zwei lineare Seiten hat, die miteinander einen Winkel von 60° einschließen.

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6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Segment (4) zwischen vier bis zehn hervorgehobene piezoelektrische Areale (8) umfaßt.
7. Ultraschallwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Areale, die die Wandlerelemente bilden, durch die Spalten (10) voneinander getrennt sind.
8. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen Spalten (10) etwa 3/4 der Gesamtdicke der Segmente tief in die Segmente hineinreichen.
9. Uütraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle Segmente (4) gleichartig geformt sind.
10. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Segmente (4) eine erste und eine zweite Deckfläche hat, die parallel zueinander sind, wobei die Spalten (10) von der ersten Deckfläche her eingeschnitten sind und wobei die zweite Deckfläche mit einer gemeinsamen Elektrode (18) versehen ist,' die zusammen mit allen anderen elektrisch durchverbundenen gemeinsamen Elektroden der anderen Segmente eine gemeinsame Wandlerelektrode bildet, und wobei die Oberflächenareale (i6a bis I6e) der oberen Deckfläche im Ringverband mit den entsprechend benachbarten Arealen benachbarter Segmente elektrisch verbunden sind.
11. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf die gemeinsame Elektrode wenigstens eine akustische Anpassungsschicht (20, 22) folgt.

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12. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der Wandlerelemente (8) für unterschiedliche Ultraschallfrequenzen ausgelegt sind.
13. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis

12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenareale (8) eines jeden Segmentes (4) dieselbe Fläche (A^ = Ap = . .-. A) haben.
14. Ultraschallwandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand d_n der η-ten Arealfläche von der zentralen Achse (6) sich nach der Gleichung

d_n = -pr Ci₁

bestimmt, wobei d^ der Abstand der äußeren Kante des innersten Elementes von der Zentralachse ist.