Ultrasound transmit pulser system for echocardiography application, has one transistor connected with transducer element and an amplifier input, and another transistor connected with transducer element and power source

[0001] Die Erfindung betrifft Sendeimpulsgeber zur Ultraschallabbildung. Insbesondere werdenSendeimpulsgeber geschaffen, die Verbindungen zu Empfangsschaltungen aufweisen.
[0002] Ultraschallaufnahmen für Echokardiogrammanwendungen erfordern Transducer mit hohen Volumen-Pro-ZeitAbtastraten. Für das Abbilden von bewegten Strukturen in Echtzeit werden pro Sekunde 20 odermehr, beispielsweise 35 zwei- oder dreidimensionale Darstellungen erzeugt. Eine große Informationsmengewird also von einer Ultraschallsonde an eine Ultraschallsystembasiseinheit übertragen.
[0003] Verschiedene Transducer und in Zusammenhang stehende Strahlenformer sind für dreidimensionaleUltraschallaufnahmen geschaffen worden. Gegenwärtig werden in erster Linie mechanische Transducerverwendet. Die damit erzeugten Aufnahmen werden jedoch nicht in Echtzeit geliefert, und erforderntypischerweise ein EKG-Gating. Ebenso sind zweidimensionale Transduceranordnungen für ein schnelleres elektronischesSteuern und Volumenerfassen geschaffen worden. Beispielsweise werden verstreute (dünnabgetastete bzw.besetzte) zweidimensionale Anordnungen oder vollabgetastete bzw. besetzte zweidimensionale Anordnungenverwendet. Die verstreuten Anordnungen (Sparse-Arrays) liefern eine schlechte Kontrastauflösung.
[0004] Vollbesetzte zweidimensionale Anordnungen verwenden eine teure zusätzliche Strahlenformungs-Hardware.Zweidimensionale Anordnungen erzeugen wiederholt Sendestrahlen und Antwortempfangsstrahlen.Die Strahlen werden innerhalb des dreidimensionalen Rauminhalts gesteuert. Eine elektronische Steuerungerfordert einen Systemkanal für jedes der verwendeten Elemente. Da die Anzahl von Elementenin einer zweidimensionalen Anordnung groß ist, ist die Anzahl an erforderlichen Kanälen groß.Mehr Kanäle benötigen eine größere Anzahl von Kabeln. Das Bereitstellen eines Strahlenformensoder eines teilweisen Strahlenformens innerhalb der Sonde der Transduceranordnung kann die Anzahlan erforderlichen Kabeln reduzieren, jedoch bleibt die erforderliche Anzahl an Kanälen und anHardware für das Abtasten der zweidimensionalen Anordnung groß. Darüber hinaus sind analogeVerzögerungsglieder, die zum Strahlenformen in der Sonde verwendet werden, teuer und groß, undder Strahlenformer in der Sonde kann eine begrenzte Programmierbarkeit aufweisen.
[0005] Die Transduceranordnungen weisen Elemente mit einer Masseelektrode und einer Signalelektrodeauf, die schaltbar mit separaten Sende- und Empfangssystemkanälen verbunden werden. Wenn dasStrahlenformen in der Sonde erfolgt, sind in der Sonde ebenfalls Hochspannungstransistoren oderDioden enthalten, die als Schalter arbeiten, um die Sendekanäle von den Empfangskanälen zu isolieren(trennen). Diese Hochspannungsvorrichtungen sind schwer in Strahlenformschaltkreise zu integrieren,so dass zusätzlicher Platz benötigt wird.
[0006] In einem System, das in der US 5,622,177 offenbart ist, ist die Anzahl von Systemkanälen undKabeln reduziert, indem ein Zeitmultiplexverfahren (TDM) verwendet wird. Daten von einer Mehrzahlvon Elementen werden auf eine einzelne Leitung gemultiplext. Die zeitgemultiplexten Daten (TDM-Daten)haben jedoch andere Eigenschaften als herkömmliche Daten, die das Signal von einem einzelnenTransducerelement repräsentieren. Eine Empfangsschaltungstechnik, die zur Verwendung mit herkömmlichen Datenausgelegt ist, kann daher Rauschen oder Fehler in die zeitgemultiplexten Daten einbringen bzw.erzeugen.
[0007] Einleitend sei gesagt, dass die im Folgenden beschriebenen bevorzugten AusführungsbeispieleUltraschallsendeimpulsgeber mit Empfangskopplung aufweisen, und in Zusammenhang stehende Verfahren verwenden.Ein erster Schalter ist zwischen das Transducerelement und einen Empfangsverstärker geschaltet. Einzweiter Schalter ist zwischen das Transducerelement und eine Energiequelle geschaltet. BeideSchalter werden verwendet, um Sendewellenformen zu erzeugen. Der zweite Schalter, der mit derEnergiequelle verbunden ist, wird geöffnet, und der erste Schalter, der mit dem Empfangsverstärkerverbunden ist, wird dann während der Empfangsoperation geschlossen. Eine Klemmdiode, die mitdem Empfangsverstärker verbunden ist, und der erste Schalter klemmen die Spannung am Empfangsverstärker,und dienen während der Hochspannungssendeoperation als eine virtuelle Masse, erlauben jedoch,dass die Empfangssignale mit sehr viel kleinerer Amplitude zum Empfangsverstärker während derNiederspannungsempfangsoperation gelangen.
[0008] Gemäß einem Aspekt weist eine H-Brücke von Transistoren vier Transistoren auf. Ein ersterund ein zweiter Transistor der H-Brücke sind mit einer ersten Elektrode eines Transducerelementsverbunden, und ein dritter und vierter Transistor der H-Brücke sind mit einer zweiten Elektrodedes Transducerelements verbunden. Ein Differenzempfangsverstärker ist mit dem ersten und drittenTransistor verbunden. Eine erste und zweite Klemmdiode sind jeweils mit dem ersten und drittenTransistor und mit den Eingängen des Differenzempfangsverstärkers verbunden. Der zweite undvierte Transistor sind mit einer gleichen Energie- oder Spannungsquelle verbunden, die die gleicheSpannung sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung liefert. Durch Verwendung eines abgestimmtenTransistorpaares (beispielsweise ein erstes und drittes abgestimmtes Paar und ein zweites undviertes abgestimmtes Paar), werden symmetrische Sendewellenformen erzeugt. Die symmetrischenSendewellenformen erlauben die Verwendung einer Phaseninversion oder von Phasendifferenzen zwischenSendewellenformen, beispielsweise für eine harmonische Abbildung (Harronic-Imaging) von Gewebe.Der Spektralinhalt von symmetrischen Sendewellenformen beinhaltet weniger gleiche harmonische Information.

Aufgabenstellung


[0009] Die Erfindung ist durch die folgenden Ansprüche definiert, und nichts in diesem Abschnittsoll eine Einschränkung dieser Ansprüche darstellen. Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindungwerden durch die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele unterBezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich.
[0010] Die Komponenten und die Figuren sind nicht maßstabsgetreu, statt dessen sollen die Prinzipiender Erfindung hervorgehoben werden. Darüber hinaus kennzeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichenentsprechende Teile in verschiedenen Ansichten.

Ausführungsbeispiel


[0011] Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Ultraschallsystems zumEmpfangen unterschiedlicher Signaltypen von unterschiedlichen Transducersonden.
[0012] Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Empfangenvon Daten, die mit einer Mehrzahl von Transducerelementen in Zusammenhang stehen, auf eineneinzelnen Kabel.
[0013] Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Transducers mit isoliertenSende- und Empfangskanälen.
[0014] Fig. 4 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Senders.
[0015] Fig. 5 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Senders.
[0016] Fig. 6 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels, das die Verwendung von isoliertenSende- und Empfangskanälen gemäß Fig. 5 darstellt, um akustische Informationen zu senden undzu empfangen.
[0017] Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung von unipolaren Impulsen mit entgegengesetzten Phasen.
[0018] Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung einer mehrdimensionalen Transduceranordnung.
[0019] Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des Inneren einerSonde, die eine mehrdimensionale Transduceranordnung aufweist, die mit Leiterplatten verbundenist.
[0020] Fig. 10 zeigt eine Teilquerschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer mehrdimensionalenAnordnung, die aus Modulen aufgebaut ist.
[0021] Fig. 11A und 11B zeigen graphische Darstellungen von Schritten, die bei der Herstellungeiner mehrdimensionalen Anordnung, die vorgeschnittene (pre-diced) Module verwendet, durchgeführtwerden.
[0022] Fig. 12 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Sendeimpulsgebers mitEmpfangskopplung.
[0023] Fig. 13 zeigt eine graphische Darstellung einer bipolaren Sendewellenform gemäß einem Ausführungsbeispiel.
[0024] Ein Sendeimpulsgeber mit einer Verbindung zu einem Empfangsvorverstärker, wie in Fig. 12gezeigt, liefert im Wesentlichen symmetrische Sendewellenformen. Eine H-Brücke von Transistorenist mit einem Transducerelement verbunden, zwischen einer Energiequelle und einem DifferenzEmpfangsvorverstärker. Klemmdioden sind mit Eingängen des Differenzempfangsvorverstärkers verbunden.Durch Verwendung eines abgestimmten Transistorpaares werden symmetrische Sendewellenformen erzeugt.Der Sendeimpulsgeber kann in einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit)-Bauelement innerhalbeiner Sonde ausgebildet sein. Durch Implementieren des Sendeimpulsgebers in der Sonde kann einegroße Anzahl an Transducerelementen verwendet werden, ohne dass zusätzliche Kabel benötigt werden, diedas Sondengehäuse mit einer Basisabbildungseinheit verbinden.
[0025] Ein schnelleres oder komplexeres zweidimensionales oder dreidimensionales Ultraschallabbildes(Ultraschall-Imaging) wird durch Verwendung eines Multiplexverfahrens von einer Sonde geschaffen.Ein Multiplexer ist innerhalb einer Sonde angeordnet, so dass Information von mehreren Transducerelementenauf einen Signalkanal gemultiplext wird, zur Übertragung an eine Basiseinheit oder an ein Ultraschallsystemzur weiteren Verarbeitung. Um zu vermeiden, dass man unterschiedliche Systeme für unterschiedliche Typenvon Transducern hat, kann die Empfangsschaltung eines Ultraschallsystems in verschiedenen Modibetrieben werden, basierend auf dem Format der Signale, die durch den Transducer geliefert werden.Unterschiedliche Sendeimpulsgeber können verwendet werden, beispielsweise der in Fig. 12 gezeigteImpulsgeber. Alternativ kann eine Sende- und Empfangsweg Separation, wie in den Fig. 3 bis 5gezeigt, verwendet werden. Um die Anzahl an Kanälen, die eine Sonde mit einem Ultraschallsystemverbinden, weiter zu minimieren, ohne die Größe der Sonde nachteilig zu beeinflussen, wird einSendekanal von dem Empfangskanal durch ein Transducerelement getrennt. Diese Separation isoliert denSendekanal während die Integration von Hochspannungsvorrichtungen in der Sonde minimiert wird.Um dem Element die Isolation des Sende- und Empfangskanals zu erlauben, wird die Transduceranordnungaus separat geschnittenen (einem Dicen unterzogen) Modulen hergestellt, wobei jedes Modul Signalverläufezu gegenüberliegenden Seiten jedes Elements aufweist.
[0026] Die im vorangegangenen diskutierten Sendeimpulsgeberentwicklungen für ein Multiplexverfahrenkönnen unabhängig von dem Multiplexen oder von anderen Merkmalen verwendet werden. Diese unabhängigen Entwicklungenoder Merkmale werden in den folgenden vier allgemeinen Abschnitten beschrieben. Empfangsschaltkreisezum Emp-fang von Information, die mit unterschiedlichen Signalformaten in Zusammenhang steht, oder zumEmpfang von lediglich gemultiplexten Formaten, werden zuerst beschrieben. Die Isolation desSendewegs von dem Empfangsweg unter Verwendung eines Transducerelements und damit in Zusammenhangstehende Verfahren zur Verwendung werden als zweites beschrieben. Als drittes wird ein alternativerSendeimpulsgeber beschrieben, der mit einem Empfangsverstärker in Verbindung steht, ohne einenbestimmten Sende/Empfangs-Routingschalter aufzuweisen. Abschließend werden Transduceranordnungenund Verfahren zu deren Herstellung beschrieben.

EMPFANGSSCHALTKREIS


[0027] Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Ultraschallsystems 10.Das System 10 weist eine Basiseinheit 12 mit einer Empfangsschaltung 14 und einem Bildprozessor16 auf. Die Empfangsschaltung 14 kann mit unterschiedlichen Typen von Transducersonden 18, 20über ein Kabel 22 verbunden werden. Eine Mehrzahl von Empfangsschaltungen 14 ist mit den Sonden18, 20 zur Verarbeitung der Signale von einer Anordnung von Elementen 24 elektrisch verbindbar. Darüber hinauskönnen verschiedene oder weniger Komponenten in dem System 10 angeordnet sein, beispielsweisenur ein Typ von Transducersonde 18, 20.
[0028] Eine Transducersonde 20 weist eine Anordnung von piezoelektrischen oder mikroelektromechanischen Elementen24 auf zur Umwandlung zwischen akustischer und elektrischer Energie. Die Sonde 20 weist eineinzelnes Element, eine lineare Anordnung von Elementen oder eine mehrdimensionale Anordnung vonElementen auf. Die Sonde 20 weist auch ein Gehäuse auf, welches die Anordnung aufnimmt. DasGehäuse ist als Handgerät ausgebildet, oder kann für eine Einführung in Hohlräume oder für ein Herz-Kreislauf-Systemeines Patienten geformt sein. Die Sonde 20 ist mit der Empfangsschaltung 14 durch ein Kabel22 für jedes Element 24 der Anordnung verbunden. Jedes Kabel 22 liefert ein analoges Signal,welches die akustische Energie repräsentiert, die an einem einzelnen Element 24 empfangen wordenist. Die auf dem Kabel 22 von der Sonde 20 gelieferte Signalisierung weist herkömmliche Signaleauf, welche nicht multigeplext sind, oder andere Zwischenschaltungen zwischen dem Element 24und dem Verbindungsanschluß 32. Die Sonde 20 liefert Signale oder andere Informationen, dieanderes formatiert sein können als die Signale von der Sonde 18.
[0029] Die Sonde 18 enthält eine lineare oder mehrdimensionale Anordnung von Elementen 24, diemit einem Multiplexer 26 verbunden sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind 1536 Elemente24 als eine zweidimensionale oder mehrdimensionale Anordnung konfiguriert. Die Sonde 18 weistauch ein Gehäuse auf, welches die Anordnung aufnimmt. Das Gehäuse ist als ein Handgerät ausgebildet oderkann zur Einführung in Hohlräume oder für ein Herz-Kreislauf-System eines Patienten geformtsein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält die Transducersonde 18 eine mehrdimensionale Transducersonde, diehergestellt wird, indem Module verwendet werden, die im folgenden beschrieben werden. Jedochkönnen auch andere lineare oder mehrdimensionale Anordnungen verwendet werden, die eine Grundebeneverwenden oder mit einer separaten Signalgebung von einer PZT-Komponente (piezoelektrische Komponente)oder Module können verwendet werden.
[0030] Die Sonde 18 enthält Vorverstärker 35 und Zeitgewinnsteuerungen 37 als einen Empfangskanal64 vor dem Multiplexen. Der Empfangskanal 64 ist mit dem Element 24 verbunden. Die vorverstärkteund zeitgewinngesteuerte Information wird an Abtast- und Halteschaltungen 60 geliefert. DieAbtast- und Halteschaltung 60 enthält analoge Verzögerungsglieder, um analoge Information vonmehreren Elementen 24 auf ein Ausgangssignal zu Multiplexen. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispielexistiert keine Abtast-Haltefunktion. Analoge Wellenformen werden im Takt mit keiner "Halte"-Operationund keiner "Analog-Verzögerungs"-Operation verschachtelt. Die Verwendung eines Abtastens undHaltens ist kein Erfordernis, sondern eine mögliche Alternative.
[0031] Gemäß einem Ausführungsbeispiel verbrauchen die Empfangsschaltungen in der Sonde wenigerals 5 Watt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Multiplexer 26 für jeweils acht Elemente24 angeordnet, jedoch kann ein einzelner Multiplexer für alle Elemente oder für eine andere Anzahlvon Elementen angeordnet sein. Der Multiplexer 26 weist ein analoges oder digitales Schalternetzauf, welche Schalter auf eine Sondensteuerung 28 antworten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kombiniertder Multiplexer 26 von einer Mehrzahl von Elementen 24, indem ein Zeitmultiplexverfahren verwendetwird. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann ein Frequenzmultiplexverfahren oder einanderes bereits bekanntes oder zukünftiges Multiplexverfahren verwendet werden. Die Sondensteuerung28 steuert den Multiplexer 26 in Antwort auf ein Taktsignal, so dass analoge Signale von jedemder Elemente innerhalb eines Rahmens der Zeitmultiplexinformation einem bestimmten Zeitschlitzzugewiesen werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Sonde 18 und der in Zusammenhangstehende Multiplexer 26 eine zeitgemultiplexte Sonde auf, wie in der US 5,622,177 diskutiert,deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme Bestandteil dieser Anmeldung wird. Darüber hinaus können andereoder weniger Komponenten in der Sonde 18 gebildet sein, beispielsweise zusätzliche Verstärker oderFilter in der Sonde 18, oder es kann eine Sonde ohne Vorverstärker oder Zeitgewinnsteuerunggebildet werden.
[0032] Der Multiplexer 26 gibt zeitmultigeplexte oder anders formatierte Daten an einen Leitungstreiber 30. Der Leitungstreiber 30 enthält einenVerstärker oder andere Vorrichtungen, die integriert mit oder separat von dem Multiplexer 26ausgebildet sind, zur Übertragung von gemultiplexter Information über das Kabel 22. SeparateKabel 22 können für zusätzliche Multiplexer 26 angeordnet werden, beispielsweise 192 oder 256Kabel 22.
[0033] Die Basiseinheit 12 enthält ein Ultraschallabbildungssystem, beispielsweise ein Handgerät, einwagenbasiertes oder anderes System zur Erzeugung einer zweidimensionalen oder dreidimensionalenDarstellung eines Patienten. Der Empfangsschaltkreis 14 empfängt Information von einer odervon mehreren Transducersonden 18, 20 für eine Strahlenformation, Detektion und andere Ultraschallbildverarbeitungendurch den Bildprozessor 16.
[0034] Die Empfangsschaltung 14 weist einen Verbinderanschluß 32 auf, einen Modussteuerprozessor34, einen Vorverstärker 36, eine Zeitgewinnsteuerschaltung 38, ein Tiefpaßfilter 40, ein Puffer42, einen Analog/Digital-Wandler 44, einen digitalen Entzerrer (Equalizer) 46, einen digitalen Demultiplexer48, eine Analyseprozessor 50 und eine auswählbare Verzögerung 52. Darüber hinaus können andereoder weniger Komponenten verwendet werden. Die Empfangsschaltung 14 enthält eine oder verschiedeneKombinationen von zwei oder mehreren Komponenten, die oben beschrieben worden sind. Beispielsweiseweist die Empfangsschaltung nur den Vorverstärker 36 oder das Tiefpaßfilter 40 auf. Die Empfangsschaltung14 ist mit der Transducersonde 20 betreibbar, wobei die Signale von den Elementen 24 verstärktund/oder vor der Übertragung an die Basiseinheit 12 verarbeitet werden können oder nicht. Einzweiter Betriebsmodus erlaubt die Übertragung von zeitgemultiplexten oder anders gemultiplextenSignalen, die eine Gruppe von Elementen repräsentieren, über eine Signalleitung oder ein Kabel22. Die Empfangsschaltung 14 weist einen einzelnen Empfangskanal innerhalb der Basiseinheit12 auf. Es sind mehrere Empfangskanäle in Verbindung mit unterschiedlichen Kabeln 22 und unterschiedlichen Elementen24 gebildet.
[0035] Der Anschluß 32 weist eine Steckbuchse oder einen Stecker mit elektrischen Kontaktenzur Verbindung mit einem Bündel von Kabeln 22 auf. Der Anschluß 32 ist mit verschiedenen Transducersonden18, 22 verbindbar. Gemäß einem anderen Beispiel ist die Sonde 18 von dem Anschluß 32 getrennt,und die andere Sonde 20 ist mit dem Anschluß 32 verbunden. Der Anschluß 32 hält lösbar physikalischen undelektrischen Kontakt mit dem Bündel von Kabeln 22. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen istein separater Anschluß 32 für verschiedene Sonden 18, 20 bereitgestellt. Die gleiche Basiseinheit12 und Empfangsschaltung 14 können verwendet werden, um Information von verschiedenen Typenvon Transducersonden 18, 20 zu empfangen und zu verarbeiten. Beispielsweise ist der Anschluß32 mit der Sonde 18 für ein Imaging verbunden, indem eine vollbesetzte zweidimensionale oder1,5-dimensionale Anordnung verwendet wird. Das Zeitmultiplexverfahren erlaubt die Steuerungin zwei Raumrichtungen für zweidimensionale oder dreidimensionale Abbildungen, während die Anzahlan Kabeln 22 zur Übertragung der Signale an die Basiseinheit 12 minimiert wird. Der gleicheAnschluß 32 verbindet die andere Transducersonde 20 für eine Ultraschallaufnahme (Ultraschall-Imaging), indemSignale verwendet werden, die nicht gemultiplext sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sindmehrere Anschlüsse 32 mit Relais oder Festkörperschaltern in der gemeinsamen Empfangsschaltung14 gebildet, um einen schnellen Zugriff zur Auswahl eines Transducers bereitzustellen. Jederindividuelle Anschluß 32 kann entweder gemultiplexte Transducer 18 oder herkömmliche Transducer20 akzeptieren.
[0036] Der Modussteuerprozessor 34 enthält einen Steuerprozessor, einen allgemeinen Prozessor,einen ASIC (Application Specific Integrated Circuit) oder andere analoge oder digitale Vorrichtungenzur Steuerung von Komponenten der Empfangsschaltung 14, beispielsweise des Vorverstärkers 36und des Tiefpaßfilters 40. In Antwort auf eine durch den Benutzer eingegebene Konfiguration, inAntwort auf Steuersignale, die von der Sondensteuerung 28 geliefert werden, in Antwort auf eineDetektion durch den Anschluß 32 eines Typs der Sonde, oder in Antwort auf die Analyse von Signalen,die von der Ultraschallsonde 18, 20 empfangen worden sind, konfiguriert der Modussteuerprozessor34 eine oder mehrere Komponenten der Empfangsschaltung 14 zur Verarbeitung gemäß dem Datentyp oderdes Datenformats, das von der Sonde 18, 20 geliefert wird. Eigenschaften der Empfangsschaltungsind als Funktion des Datenformats konfigurierbar.
[0037] Der Vorverstärker 36 weist Transistoren und andere analoge oder digitale Vorrichtungenauf, um einen breitbandabgestimmten Empfänger mit wenig Rauschen zu bilden. Der Vorverstärker36 ist programmierbar oder kann auf einen Modussteuerprozessor 34 reagieren, zur Programmierungvon Eigenschaften des Vorverstärkers. Für den Betrieb mit der Transducersonde 20 oder für denBetrieb mit Signalen, die ein einzelnes Transducerelement 24 repräsentieren, ist der Vorverstärker36 derart programmiert, dass eine Impedanzeigenschaft ähnlich der oder gleich der Impedanz desElements 24 und des Kabels 22 ist, beispielsweise 1 kOhm. Die Impedanz gleicht eine Generalisierung ab,die auf erwarteten Änderungen von Kabelimpedanzen für unterschiedliche Typen von Sonden 20 basiert.Der Vorverstärker 36 kann alternativ programmierbar sein, um spezifische Typen von Sonden 20mit unterschiedlichen Kabeln 22, Kabellängen oder Elementen 22 abzugleichen. Die Vorverstärkereingangsimpedanz, derGewinn oder die Frequenzantwort können entweder durch auswählbar geschaltete Komponenten oderdurch Änderung des Vorverstärkervorspannstroms gesteuert werden. In der Praxis können beide Verfahren gleichzeitig innerhalb einer integriertenSchaltungsrealisierung verwendet werden. Für den Betrieb mit gemultiplexten Signalen ist derVorverstärker 36 für einen Impedanzabgleich mit dem Leitungstreiber 30 oder anderen Ausgangsschaltkreisender Sonde 18 programmierbar. Beispielsweise ist der Vorverstärker 36 programmiert, um ungefähr einen50 Ohm Impedanzabgleich zu liefern. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werden verschiedeneVorverstärker 36 durch den Modussteuerprozessor ausgewählt.
[0038] Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Gewinncharakteristik des Vorverstärkers36 als eine Funktion des Formats der Signale oder des Typs der Sonde 18, 20 ausgewählt. GemultiplexteTransducer 18 können einen geringeren Vorverstärkergewinn erfordern als herkömmliche Transducer20, da Signale bereits innerhalb des Transducers vor dem Multiplexen verstärkt worden sind.Ebenso ist die Rauschleistung des Systemvorverstärkers 36 für gemultiplexte Transducer 18 mitintegralen Vorverstärkern 36 nicht so strikt, so dass ein schlechterer Rauschvorverstärker erwünschtsein kann, um Leistung zu sparen oder die Eingangsimpedanz, den Gewinn und die Frequenzantwort inanderer Weise zu optimieren.
[0039] Eine andere programmierbare Eigenschaft betrifft die Bandbreite des Vorverstärkers 36. Fürgemultiplexte Information ist der Vorverstärker 36 nicht bandbegrenzt oder arbeitet über einbreites Band, so dass Frequenzen mit einer Symbolrate von mehr als dem Doppelten der Mittenfrequenzder Transduceranordnung für ein zeitgemultiplextes Verfahren passieren (beispielsweise mehrals 5 MHz, 30 MHz oder 100 MHz oder mehr). Für multiplexfreie Information kann die Bandbreite2-15 MHz betragen, beispielsweise in Zusammenhang mit Ultraschallfrequenzen oder dem Frequenzband desTransducers. Andere Eigenschaften des Vorverstärkers 36 können als Funktion des Datenformats,das von der Transducersonde 18, 20 geliefert wird, angepaßt oder geändert werden.
[0040] Signalangleichblöcke können in dem Multiplexer 26 oder mit dem Vorverstärker 36 vorhandensein, um für frequenzabhängige Verluste in den Kabeln 22 ein Vorausgleichen und ein Nachausgleichenbereitzustellen. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen stellt der digitale Equalizer 46 einNachausgleichen bereit. Das Ausgleichen kann eine Inter-Symbol-Interference (ISI), also Zwischensymbol-Interferenz minimieren.Beispielsweise kann eine Vorbetonung oder Hochfrequenzverstärkung verwendet werden, bevor dasKabel angesteuert wird, um frequenzabhängige Kabelverluste zu kompensieren. Ein Allpaßkorrekturfilter kannebenfalls in dem Systemempfänger 14 implementiert sein, um Zwischensymbolinterferenzen vor derA/D-Wandlung weiter zu reduzieren.
[0041] Die Zeitgewinnsteuerung 38 ("Depth Gain Control") weist einen einstellbaren Gewinnverstärkerzur variablen Verstärkung von analogen Signalen auf. Für Signale, die ein einzelnes Element24 darstellen, liegt der variable Gewinn beispielsweise zwischen 40 und 80 dB, doch können andere Gewinneverwendet werden, um der Dämpfung von Ultraschallsignalen von ungefähr einem dB pro MHz proZentimeter Rechnung zu tragen. Die Zeitgewinnsteuerung 38 arbeitet für gemultiplexte Signalegenauso oder anders. Wenn eine Zeitgewinnsteuerung 38 in der Sonde 18 bereitgestellt ist, liefertdie Zeitgewinnsteuerung 38 der Empfangsschaltung 14 weniger oder keinen variablen Gewinn fürgemultiplexte Signale. Wenn die Zeitgewinnsteuerung 38 einen variablen Gewinn verwendet, trägt derGewinn dem Zeitmultiplexverfahren Rechnung, indem innerhalb jedes Signalrahmens von den mehrerenElementen 24 der gleiche Gewinn (Verstärkung) verwendet wird.
[0042] Das Tiefpaßfilter 40 weist ein Anti-Aliasing-Filter auf, das als ein endliches Impulsantwort-oder unendliches Impulsantwortfilter implementiert ist. Das Tiefpaßfilter 40 führt eine Bandbegrenzungfür Signale durch, so dass Signale größer als die Hälfte der digitalen Abtastrate nicht in dasSignalspektrum einfließen. Zur Verringerung der Bandbreite des Tiefpaßfilters wird ein größeresSignalrauschverhältnis gebildet, so lange wie Signale, die von Interesse sind, nicht entferntoder reduziert sind. Signale von Interesse, die von der Sonde 20 geliefert werfen, oder eineinzelnes Element 24 repräsentieren, sind in einem Frequenzband von 2-15 MHz bereitgestellt.Das Tiefpaßfilter 40 ist mit 6 dB nach unten oder einer anderen Sperrfrequenz von 30 MHz programmiert,15 MHz weniger oder einer anderen Frequenz. Die Bandbreite kann als Funktion des Typs der Aufnahme(Imaging) oder des Typs der verwendeten Sonde 20 programmiert werden. Für gemultiplexte Signale,beispielsweise zeitgemultiplexte Information, ist die Bandbreite größer, um gemultiplexte Signaledurchzulassen, während die Inter-Symbol-Interferenz minimiert wird. Beispielsweise beträgt dieBandbreite 30 MHz oder mehr, beispielsweise 50 oder 100 MHz, um eine Nyquist-Kanalform zu bildenoder ein Linearphasentiefpaßfilter mit folgender Betragsantwortsymmetrie: |H(f)| = 1-|H(F(sample-f)| für0 < f < Fsample, wobei Fsample die gemultiplexte Abtastrate ist (beispielsweise 96 MHz). Inder Praxis ist H(F) eine Näherung an einen Nyquist-Kanal, und Fehler werden über den digitalenEqualizer 46 korrigiert.
[0043] Das Puffer 42 enthält einen Verstärker und andere analoge Komponenten zur Pufferung vonSignalen, die in den Analog/Digital-Wandler 44 eingegeben werden. Das Puffer 42 liefert unabhängig vondem Typ der Daten oder des Datenformats, das verwendet wird, gleiche Eigenschaften, kann jedochprogrammierbare Eigenschaften aufweisen, die als Funktion des Datenformats variieren. Beispielsweisekönnen von dem Puffer 42 für gemultiplexte Daten schnellere Anstiegsraten (slew-rate) erforderlichsein. Eine programmierbare Anstiegsratenbegrenzung kann verwendet werden, um Energie im nichtgemultiplexten Modus zu sparen.
[0044] Der Analog/Digital-Wandler 44 tastet die analogen Signale ab und gibt digitale Darstellungenin irgendeinem von verschiedenen bereits bekannten Codes oder zukünftig entwickelten Codes aus.Für Daten, die ein einzelnes Element 24 repräsentieren, tastet der Analog/Digital-Wandler 44die Daten in Antwort auf einen eingegebenen Takt ab, ohne sich jedoch auf andere Zeitgebungsinformationzu beziehen. Für zeitgemultiplexte Daten wird der A/D-Wandlertakteingang mit dem Multiplexer26 synchronisiert. Die Synchronisation erlaubt eine saubere Trennung der Signale von den unterschiedlichen Elementen24, mit minimierter Kreuzsignalschnittstelle (Cross-Signal-Interface).
[0045] Die digitalisierten Abtastwerte werden an einen adaptiven digital Equalizer 46 geliefert.Der digitale Equalizer 46 weist ein programmierbares endliches Impulsantwortfilter auf, beispielsweisedurch die Verwendung eines Schieberegisters 54, von Multiplizierern 56 und eines Summierers58 implementiert. In alternativen Ausführungsbeispielen wird ein Prozessor oder eine andereVorrichtung verwendet, um den Equalizer 46 zu implementieren. Der digitale Equalizer 46 filtert zeitgemultiplexteInformation, um Inter-Symbol-Interferenz (auch Zwischensymbolinterferenz genannt) zu entfernen.Die Filterkoeffizienten, die für die Multiplizierer 56 verwendet werden, basieren auf einer Transferfunktionoder einer Erzeugung von Zwischensymbolinterferenz von dem Element 24 über verschiedene Stufenoder Komponenten der Empfangsschaltung 14, die mit dem analogen Signal arbeitet. Gemäß einemAusführungsbeispiel sind die Filterkoeffizienten programmierbar, um Adaptionen oder Änderungen derÜbertragungsfunktion zu erlauben. Die Koeffizienten werden in Antwort auf ein Testsignal ausgewählt odereiner anderer Datenverarbeitung, die detektierte Differenzen in der Übertragungsfunktion berücksichtigt, beispielsweiseerzeugt durch unterschiedliche Sonden 18, unterschiedliche Verarbeitungscharakteristiken deranalogen Komponenten der Empfangsschaltung 14 oder Änderungen aufgrund der Zeit und Temperatur.Für Signale, die ein einzelnes Element 24 repräsentieren oder multiplex freie Signale läßt derdigitale Equalizer 46 die Signale durch, so dass keine Verzögerung in einer einzelnen Stufegebildet wird, mit einem Multipliziererkoeffizienten von eins.
[0046] Der Demultiplexer 48 weist einen digitalen Demultiplexer auf, beispielsweise ein Netzwerkvon Schaltern, um Signale von verschiedenen Zeitschlitzen in einem Rahmen einer Zeitmultiplexinformationzu trennen. Der Demultiplexer 48 arbeitet als konditionaler Demultiplexer. Die empfangenen Signalewerden digital degemultiplext. Der Demultiplexer gibt beispielsweise Signale von unterschiedlichenElementen 24 auf unterschiedlichen Ausgängen zur Strahlformation und anderer Bildverarbeitungdurch den Bildprozessor 16 aus. Für herkömmliche Signale oder multiplex freie Signale liefertder Demultiplexer 48 die Information an den Bildprozessor 16 zur Strahlformation.
[0047] Der optionale Analyseprozessor 50 weist einen digitalen Signalprozessor auf, einen allgemeinenProzessor, einen ASIC, analoge Komponenten, digitale Komponenten und Kombinationen davon, umden A/D-Wandler 44 mit dem Multiplexer 26 zu synchronisieren, oder Koeffizienten für den digitalenEqualizer 46 auszuwählen. Der Analyseprozessor 50 arbeitet auf ein Testsignal. Die Sondensteuerung28 veranlaßt den Multiplexer 26, ein bekanntes oder vorbestimmtes digitales oder analoges Testsignalüber das Kabel 22 und die Empfangsschaltung 14 an den Analyseprozessor 50 zu übertragen.
[0048] Das Testsignal wird als Teil einer Kalibrierfunktion übertragen, beispielsweise in Antwortauf eine Benutzereingabe oder einer Verbindung der Sonde 18 mit dem Anschluß 32. Die Basiseinheit12b befiehlt oder die Sondensteuerung 28 erzeugt automatisch die Testsignale. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werdendie Testsignale periodisch gesendet. Ein Testsignal wird beispielsweise in einer Präambel odereinem Header jedes Rahmens der zeitgemultiplexten Information gesendet. Die Synchronisationund/oder die adaptive Ausgleichung (Entzerrung) werden in Antwort auf das periodische Sendender Testsignale geliefert. Für eine Stabilität minimieren sich einige phasensensitive Erfassungssequenzen,beispielsweise die Erfassung für Dopplerverarbeitung oder liefern Adaption oder Änderungen derPhasenlage durch Synchronisation oder Entzerrung.
[0049] Das Multiplexen und/oder das Verarbeiten der Empfangssignale wird in Antwort auf dieAnalyse des Testsignals ausgelegt. Beispielsweise ist der Betrieb des Multiplexers 26 für dieOperation des A/D-Wandlers 44 ausgelegt, indem Taktsignale synchronisiert werden. Der Analyseprozessor50 wählt eine auswählbare Verzögerung 52 für die Phasenlage des Taktsignals, das dem Multiplexer26 bereitgestellt wird, in Hinblick auf den A/D-Wandler 44. Feste Verzögerungen in Taktgeberschaltkreisen,variable Verzögerungen aufgrund von Taktsignalweglängen, Multiplexerschaltungsverzögerungen, Multiplexsignalweglänge, Gruppenverzögerungen undVerstärker- und Digitalisierungsverzögerungen verursachen eine Versetzung, was zur Folge hat,dass Signale von verschiedenen Elementen 24 durch den A/D-Wandler 44 gemischt werden. Die Versetzungenkönnen als Funktion der Sonde 18, der Empfangsschaltungskonfiguration, der Zeit, der Temperaturund der Verarbeitungen variieren. Der Analyseprozessor 50 bestimmt den Beginn jedes Rahmens,indem ein bekanntes Muster oder das Testsignal detektiert wird. Durch Verwendung der auswählbarenVerzögerung 52 werden die Phasen der Taktsignale, die an den A/D-Wandler 44 und den Multiplexer26 angelegt werden, synchronisiert. Gemäß alternativen Ausfüh-rungsbeispielen wird das A/D-Wandlertaktsignal relativ zu dem Taktsignal, das an den Multiplexer26 geliefert wird, abgestimmt, oder eine Gruppe oder Untergruppen von Empfangsschaltungen 14werden verwendet, um die Phase eines Taktsignals, das mehr als einen Multiplexer 26 gemeinsam ist,relativ zu einem anderen Taktsignal, das mehr als einem A/D-Wandler 44 gemeinsam ist, zu bestimmen.Die adaptive Takteinstellungen vereinfachen die Multiplexsteuerschaltung und Schnittstelle zwischender Empfangsschaltung 14 und der Sonde 18. Eine Taktleitung oder ein Kabel 22 ist ohne zusätzliche oderseparate Phasenlageinformation bereitgestellt. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werdenseparate Takt- und Phasensignale an die Sondensteuerung 28 geliefert.
[0050] Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Verarbeitung durch die Empfangsschaltung 14geändert oder ist als Funktion des Testsignals durch den Analyseprozessor 52 einstellbar. DerAnalyseprozessor 50 wählt beispielsweise Koeffizienten von einer Nachschlagtabelle aus, oderberechnet Koeffizienten zur Verwendung durch den digitalen Equalizer 46. Der digitale Equalizerliefert einen Symbolabgleich oder entfernt Zwischensymbolinterferenzen. Der Analyseprozessor50 vergleicht ein bekanntes oder gespeichertes Testsignal mit dem empfangenen Testsignal. Differenzenzwischen dem empfangenen Testsignal und dem gespeicherten Testsignal werden zur Auswahl derKoeffizienten verwendet. Die Koeffizienten werden derart ausgewählt, dass die Empfangssignaleunverzerrt sind, oder dass Zwischensymbolinterferenzen entfernt oder reduziert sind. Gemäß alternativenAusführungsbeispielen werden Ergebnisse von mehr als einem Analyseprozessor 50 verwendet, umKoeffizienten zur Verwendung mit dem digitalen Equalizer 46 auszuwählen.
[0051] Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Empfangsschaltung 14 einen Sendeempfangsschalter auf.Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen, die im folgenden diskutiert werden, ist kein Sende-und Empfangsschalter bereitgestellt.
[0052] Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel für den Betrieb des Systems10 gemäß Fig. 1. In Schritt 70 wird eine von verschiedenen möglichen Sonden 18, 20 mit einerBasiseinheit 12 verbunden. Eine der Sonden 18, 20 wird ausgewählt und an den Anschluß 32 angeschlossen.Beispielsweise wünscht ein Benutzer eine dreidimensionale Herzabbildung, so dass eine zweidimensionale Anordnungvon Elementen in der Sonde 18, die mit einem Zeitmultiplexen in Zusammenhang steht, verbundenwird.
[0053] Für Sonden, die mit einem Multiplexen in Zusammenhang stehen, wird ein Testsignal inSchritt 72 übertragen. Das Multiplexen oder das Verarbeiten wird in Antwort auf das Testsignalangepaßt. Für multiplex freie Daten ist Schritt 72 optional oder nicht bereitgestellt. Das Testsignalwird in Antwort auf die Verbindung der Sonde 18 gesendet, in Antwort auf Steuersignale von derEmpfangsschaltung 14, in Antwort auf eine Benutzereingabe, automatisch oder periodisch. EinTestsignal wird beispielsweise als Teil eines Anfangskalibrierprozesses oder periodisch in demHeader des ersten Zeitschlitzes oder eines anderen Zeitschlitzes jedes Rahmens in der Zeitmultiplexinformation gesendet.Das empfangene Testsignal wird mit einem erwarteten Testsignal verglichen. In Antwort auf denVergleich werden Equalizerkoeffizienten (Entzerrerkoeffizienten) oder eine andere Verarbeitungder Empfangsschaltung angepaßt oder geändert. Zusätzlich oder alternativ wird die Zeitgebungdes Testsignals identifiziert und auswählbare Verzögerungen für die Synchronisation des A/D-Wandlers44 mit dem Multiplexer 26 bestimmt.
[0054] In Schritt 74 ist die Empfangsschaltung 14 konfiguriert, um unterschiedliche Charakteristikenals eine Funktion des Typs der Sonde oder des Formats der von der Sonde 18, 20 empfangenen Daten,die mit der Empfangsschaltung 14 verbunden ist, aufzuweisen. Wenn das Datenformat den mehrerenElementen entspricht, beispielsweise zeitmultigeplexte Daten, wird die Information in Antwortauf eine verschiedene Impedanz, Gewinn, Filterung, Entzerrung, A/D- Wandlung oder anderen Prozessenverarbeitet als Daten, als für Daten, die mit einem einzelnen Element in Zusammenhang stehenoder frei von Zwischenschaltkreisen in der Sonde 20 sind. Irgendeine oder eine Kombination vonzwei oder mehreren verschiedenen Eigenschaften kann als Funktion des Datenformats geändert werden.Zusätzliche oder unterschiedliche Charakteristiken können auch oder alternativ geändert werden. Schritt74 kann vor oder nach Schritt 72 durchgeführt werden.
[0055] Die analoge Information wird dann digitalisiert. Für eine Zeitmultiplexinformation wirdder A/D-Wandler 44 mit der gemultiplexten Information synchronisiert. Die gemultiplexte Information wirddann für eine Strahlformation oder für andere Bildverarbeitungen degemultiplext.

SENDE- UND EMPFANGSISOLATION


[0056] Ein Transducerelement 24 kann verwendet werden, um den Sendekanal vom Empfangskanal injeder der Sonden 18, 20, wie oben diskutiert, oder einer anderen Sonde zur Verwendung mit verschiedenenEmpfangsschaltungen, zu isolieren. Obwohl für Einzelelemententransducer von Nutzen, sind lineareAnordnungen, oder andere Anordnungen mit begrenzten oder keinen Sende- oder Empfangsschaltkreiseninnerhalb der Sonde, die ein Transducerelement 24 zur Isolation des Sende- und Empfangskanalsverwenden, insbesondere für mehrdimensionale Transduceranordnungen von Nutzen, bei denen mindestensein Teil der Sende- und/oder Empfangsschaltkreise innerhalb der Sonde gebildet ist, wie obenfür die Zeitmultiplexsonde 18 diskutiert. Eine vollbesetzte mehrdimensionale Transduceranordnungerfordert eine große Anzahl von Sende- und Empfangskanälen. Durch das Anordnen von Sende- und Empfangsschaltungen innerhalb der Sonde unddurch Bereitstellen eines Multiplexers, wird die Anzahl an Kabeln 22 oder Kanälen von der Sonde18 zu der Basiseinheit 12 minimiert. Die Sende- und Empfangsschaltung existiert dann jedochauf kleinem Raum, wodurch es schwierig wird, die Empfangsschaltungen von den hohen Spannungender Sendeschaltungen zu isolieren. Hochspannungsschalter, beispielsweise Schalter, die einer200 Volt Rückwärtsspannung standhalten, sind schwierig mit anderen Empfangsschaltungen zu integrieren, beispielsweiseeinem Multiplexer. Das Hochspannungssende-/Empfang-Schalten wird durch das Transducerelementersetzt, um den Sendekanal vom Empfangskanal zu isolieren.
[0057] Fig. 3 zeigt ein Transducerelement 24 zur Isolation oder Separation eines Sendewegs 62und eines Empfangswegs 64. Eine direkte Verbindung zwischen dem Sendeweg 62 und dem Empfangsweg64 wird vermieden. Das Element 24 isoliert die Wege 62, 64, um eine Hochspannungsübertragung zuermöglichen, ohne den Empfangsweg 64 der Hochspannung zu unterziehen. In diesem Ausführungsbeispiel sindHochspannungsvorrichtungen als Teil des Sendewegs 62 gebildet, jedoch nicht als Teil des Empfangswegs64. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen sind Hochspannungsvorrichtungen auf dem Empfangsweg64 gebildet.
[0058] Das Element 24 weist eines von einer Mehrzahl von Elementen in einer mehrdimensionalenoder linearen Anordnung auf. Eine 1,5-dimensionale oder 2-dimensionale Anordnung kann als mehrdimensionaleAnordnungen eines N x M Gitters von Elementen dargestellt werden, wenn N und M größer als 1sind. Für mehrdimensionale Anordnungen können die Elemente klein sein oder eine hohe Impedanzaufweisen, verglichen mit Elementen 24 einer linearen Anordnung. Parasitäre Lasten, die miteinem Kabel 22 in Zusammenhang stehen, fehlen ebenfalls oder sind zur Verwendung mit einem Multiplexerund der Sonde 18 reduziert. Im Vergleich zu einer geringeren Impedanz können ein kleinerer Sendeimpulsgeber undsehr wenig Energie aufnehmende Vorverstärker für die hohe Elementenimpedanz verwendet werden.
[0059] Das Element 24 weist zwei Elektroden 80 und 82 auf. Die Elektroden 80 und 82 befinden sichauf gegenüberliegenden Seiten des Elements 24, beispielsweise oben und unten auf dem Elementin einer Reichweitenrichtung. Die Elektrode 80 weist keine elektrische Verbindung mit der Elektrode82 auf. Separate Signalverläufe enthalten die Elektroden 80 und 82 oder sind mit diesen verbunden.Jedes Element 24 ist mit zwei oder mehreren separaten Signalverläufen für damit in Zusammenhangstehende separate Elektroden 80, 82 verbunden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen teilensich zwei oder mehrere Elektroden den gleichen Signalverlauf. Eine Elektrode 80 verbindet denSendeweg 62 und die andere Elektrode 82 verbindet den Empfangsweg 64. Das Element 24 ist freivon einer elektrischen Verbindung direkt mit Masse, wie beispielsweise durch eine Elektrodegebildet, die direkt mit Masse verbunden ist.
[0060] Der Sendeweg 82 ist mit der Elektrode 80 zum Anlegen einer Sendewellenform an das Element24 verbunden. Der Sendeweg 62 enthält mindestens einen Signalverlauf zu dem Element 24 innerhalbder Sonde 18. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen sind zusätzliche Sendeschaltkreise, beispielsweiseein Wellenformgenerator 84, ein Schaltertreiber 87 und eine Steuerung 88 in dem Sendeweg 62und innerhalb der Sonde 18 integriert. Gemäß alternativem Ausführungsbeispielen sind die Steuerung88, der Treiber 87, der Wellenformgenerator 84 oder Kombinationen davon außerhalb der Sonde18 angeordnet, beispielsweise innerhalb der Basiseinheit 12.
[0061] Der Wellenformgenerator 84 enthält einen oder mehrere Hochspannungstransistoren, beispielsweiseFET-Transistoren, zur Erzeugung von unipolaren, bipolaren oder sinusförmigen Wellenformen. EinAusführungsbeispiel eines Sendewellenformgenerators 84 zur Erzeugung einer unipolaren Wellenformist in Fig. 4 gezeigt. Zwei Hochspannungstransistoren 86, beispielsweise CMOS FET Transistoren,die mindestens 200 Volt standhalten können, sind in Reihe zwischen eine Spannungsquelle undMasse geschaltet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein Transistor einen PFET auf und derandere Transistor einen NFET. Die Transistoren 86 dienen dazu, eine unipolare Wellenform andie Elektrode 80 auf eine hohe Spannung (High-Pegel) und Masse zu steuern. Da der Sendewellenformgenerator84 eine Schaltermodusvorrichtung aufweist, ist der Leistungsverlust minimal. Diese Schaltungfür jedes Element 24 verwendet ungefähr 0,2 mm² des DIE-Bereichs. Für eine zweidimensionaleAnordnung von 1536 Elementen werden ungefähr 307 mm² des DIE-Bereichs verwendet.Andere Integrationsformate können geliefert werden, beispielsweise das Bilden von Gruppen vonHochspannungs-FET-Transistoren in kleineren ASIC (Application Specific Integrated Circuits)-Bauelementen. Gemäßalternativen Ausführungsbeispielen werden andere Vorrichtungen, beispielsweise D/A-Wandler zurWellenformerzeugung verwendet.
[0062] Fig. 5 zeigt ein Netzwerk von Transistoren 86 zur Erzeugung einer bipolaren Wellenform.Vier Transistoren 86 erlauben die Erzeugung einer bipolaren Wellenform, die mit einer positivenSpannung, einer negativen Spannung oder einer Nullspannung endet. Drei Transistoren 86 könnenverwendet werden, wenn die bipolare Wellenform in der Lage ist, nur bei einer Polarität zu enden,beispielsweise als positive Spannung. Von den Transistoren können Q1 und Q2 gemäß den Fig. 4und 5 eine integrale Rückwärtsdiode von dem Drain-Anschluß zum Source-Anschluß aufweisen, jedochverhindern die Transistoren Q3 und Q4 die Rückwärtsdiodenkonfigurati-on, um eine Verbindung durch die Dioden zu verhindern. Andere Konfiguration und Netzwerke vonTransistoren 86 können verwendet werden.
[0063] Jeder der Transistoren 86 ist mit einer Referenzspannung verbunden, beispielsweise einerpositiven Spannung, einer negativen Spannung oder Masse. Wie in Fig. 4 gezeigt, ist ein Transistor86 mit Masse verbunden und der andere Transistor 86 ist mit einer positiven Spannung oder einernegativen Spannung verbunden. Wie in Fig. 5 gezeigt, sind zwei Transistoren 86 mit Masse verbunden,ein Transistor ist mit einer positiven Spannung verbunden und der andere Transistor ist miteiner negativen Spannung verbunden.
[0064] Der Treiber 87 weist einen Transistor auf oder einen FET-Treiber zur Steuerung des Betriebsdes Wellenformgenerators 84. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen können andere Treiberbauteileverwendet werden. Der Treiber 87 ist als Teil eines ASIC-Bauelements integriert ausgebildet,kann jedoch separate Vorrichtungen oder einen allgemeinen Prozessor aufweisen. Der Treiber 87ist betreibbar, um Spannungsänderungen für den Betrieb der Transistoren 86 zu liefern. Beispielsweise wirdder Transistor Q2 gemäß Fig. 4 durch Anlegen eines 10 Volt oder 0 Volt Signals von dem Treiber87 angesteuert. Der Transistor Q1 wird durch Anlegen eines 200 Volt oder 190 Volt Signals vondem Treiber 87 gesteuert.
[0065] Die Steuerung 83 weist einen allgemeinen Prozessor, analoge Komponenten, digitale Komponenten, einASIC-Bauelement oder Kombinationen davon auf, um einen oder mehrere Treiber 87, die mit einemoder mehreren Elementen 24 in Zusammenhang stehen, zu steuern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel istdie Steuerung 88 auf dem gleichen ASIC wie der Treiber 87 integriert gebildet, kann jedoch eineseparate Vorrichtung sein. Die Steuerung 88 gibt binäre Signale aus, um den Betrieb des Treibers87 und den Wellenformgenerator 84 zu steuern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel extrapoliert dieSteuerung 88 Sendekonfigurationen oder Wellenformparameter oder wählt diese aus, für die Gesamtanordnungoder für eine Nebenanordnung, basierend auf einfachen Steuersignalen, die von außerhalb derSonde 18 geliefert werden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ist die Steuerung 88 außerhalbder Sonde angeordnet.
[0066] Der Empfangsweg 64 weist zumindestens einen einzelnen Signalverlauf auf, der mit derElektrode 82 verbunden ist, auf einer dem Sendeweg 62 gegenüberliegenden Seite des Elements24. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen weist der Empfangsweg 64 eine oder mehrere Dioden 90,92, einen Vorverstärker 94 und einen Multiplexer 96 auf. Darüber hinaus können andere oder wenigerSchaltungen als Teil des Empfangsweges 64 gebildet sein, beispielsweise ein Filter. Die Elektronikbraucht kein explizites Filter in der Sonde aufweisen, wenn das Transducerelement selbst ausreichend istund/oder die natürliche Tiefpaßantwort des Verstärkers ausreichend ist, um das Empfangssignalzu filtern. Der Empfangsweg ist innerhalb der Sonde 18 mit dem Element 24 gebildet. Gemäß alternativenAusführungsbeispielen ist kein Multiplexer gebildet und der Vorverstärker 94 ist in der Basiseinheit12 von der Sonde 18 getrennt oder in der Sonde 18 ausgebildet. Ein Kabel 22 verbindet den Empfangsweg64 mit der Basiseinheit 12.
[0067] Die Dioden 90 und 92 weisen Schottky-Dioden und andere Hochstrom-Niederspannungsdiodenvorrichtungenauf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Dioden 90 und 92 frei von einem Ruheenergieverlust. Jededer Dioden 90 und 92 ist mit einer entgegengesetzten oder unterschiedlichen Polarität mit Masseverbunden. Die Dioden 90 und 92 weisen eine Klemmdiode auf, um Spannungsschwingungen auf demEmpfangsweg 64 an der Elektrode 82 zu begrenzen. Beispielsweise begrenzen die Dioden 90 und92 Spannungsübergänge auf zwischen plus/minus 0,2 bis 0,7 Volt. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werdenTransistoren oder andere Vorrichtungen zur Begrenzung der Spannung an der Elektrode 82 verwendet.
[0068] Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Dioden 90 und 92 in einem ASIC-Bauelement mitVorverstärkern und Multiplexerschaltungen 94 und 96 integriert ausgebildet. Andere Integrationsformatekönnen verwendet werden, beispielsweise diskrete Diodenanordnungen und separate Vorverstärker/Multiplexer-Schaltungen inkleineren ASIC-Bauelementen.
[0069] Der Vorverstärker 94 weist einen oder mehrere Transistoren auf, um ein Signal von derElektrode 82 zu verstärken. Ein Differenzial-BJT-Paar mit Stromausgängen wird beispielsweisegebildet, indem ein 7-Volt-BiCMOS-Prozeß oder ein anderer Transistorprozeß verwendet werden.Die Verwendung von 20 µA pro Kanal mit einer 5-Volt-Versorgung erlaubt einen Verbrauch von 0,1Milliwatt pro Kanal. Andere Vorverstärker mit anderem Leistungsverbrauch und anderen Komponentenund Charakteristiken können verwendet werden. Der Vorverstärker 94 kann alternativ oder zusätzlich einenZeit- oder Tiefengewinnsteuerungsverstärker (time- oder depth gain control) oder ein Filteraufweisen. Für einen Zeitgewinnsteuerverstärker, der in der Sonde 18 integriert ausgebildetist, kann eine wenig energieverbrauchende Vorrichtung verwendet werden, um einen Teil, jedochnicht die gesamte Zeitgewinnkompensation vorzunehmen. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielenwird ein größerer oder mehr Energie verbrauchender variabler Verstärker gebildet.
[0070] Der Multiplexer 95 weist ein Netzwerk von Schaltern auf, beispielsweise Transistorenund analoge Abtast- und Halteschaltungen zum Multiplexen der Signale einer Mehrzahl von Sendewegen64 auf ein Kabel 22. Beispielsweise ist der Multiplexer 96 ein 8:1 Multiplexer, um Signale vonacht unterschiedlichen Elementen 24 in einen Rahmen von analoger Information zu multiplexen.Gemäß einem Ausfüh-rungsbeispiel ist der Multiplexer 96 betreibbar, um 12 MSPS für jeden Empfangsweg 64 für insgesamt96 MSPS für acht Empfangswege 64 zu liefern. Die Schaltung des Empfangsweges 64 ist frei vonHochspannungsvorrichtungen und kann in ein ASIC-Bauelement oder eine andere allgemeine Schaltungin einem kleinen Raum innerhalb der Sonde 18 integriert ausgebildet werden.
[0071] Das Verbinden des Sendeweges 62 und des Empfangsweges 64 mit gegenüberliegenden Elektroden80 und 82 isoliert jeweils die Hochspannungen und Hochspannungsvorrichtungen des Sendeweges62 von den Niederspannungsvorrichtungen des Empfangsweges 64. Fig. 6 zeigt ein Flussdiagrammgemäß einem Ausführungsbeispiel zum Senden und Empfangen unter Verwendung des Elements 24 gemäßFig. 3. In Schritt 100 wird eine Hochspannungssendewellenform an das Transducerelement 24 geliefert unddie Spannung im Empfangsweg 64 wird in Schritt 102 begrenzt. Anschließend wird die Spannungauf dem Sendeweg 62 in 106 begrenzt und Echosignale werden auf dem Empfangsweg 64 in Schritt104 empfangen.
[0072] Der Sende- und Empfangsbetrieb des Elements 24 ist frei von Schaltern, um zwischen demSendeweg 62 und dem Empfangsweg 64 auszuwählen. In Antwort auf Steuersignale von der Steuerung88 veranlaßt die Treiberschaltung 86, den Wellenformgenerator 84 dazu, eine Hochspannung (beispielsweise 200Volt) Sendewellenform in Schritt 100 zu erzeugen. Wenn der Wellenformgenerator 84 innerhalbdes Sonde 18 positioniert ist, wird die Sendewellenform innerhalb der Sonde 18 erzeugt. DieSendewellenform wird an eine Elektrode 80 des Elements 24 angelegt. Die Spannung der anderenElektrode ist begrenzt und dient in Schritt 102 im wesentlichen als Masse oder DC Referenz.Die Dioden 90 und 92 klemmen die Spannung des Empfangswegs 64, der mit der Elektrode 82 verbunden ist,innerhalb eines kleinen Spannungsbereichs, verglichen mit der Hochspannung der Sendewellenform.In Antwort darauf erzeugt das Element 24 ein akustisches Signal aufgrund der Potentialdifferenzüber den Elektroden 80 und 82. Das Element 24 isoliert auch den Sendeweg 62 vom Empfangsweg64, wodurch ohne Hochspannungsschalten eine Beschädigung des Empfangsschaltkreises verhindertwird.
[0073] Für einen nachfolgenden Empfangsbetrieb im Schritt 104 wird die Spannung am Sendeweg62 begrenzt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel verbindet ein Transistor 86 des Wellenformgenerators84 eine Masse- oder Referenzspannung mit der Elektrode 80. Beispielsweise wird Q2 des Wellenformgenerators84, wie in Fig. 4 gezeigt, "ein"-geschaltet, um die Elektrode 80 zu erden. Gemäß einem alternativenAusführungsbeispiel wird eine andere Referenzspannung, beispielsweise eine positive Spannung,die an Q1 angelegt wird, mit der Elektrode 80 verbunden, um die Spannungsschwingung oder -änderung ander Elektrode 80 zu begrenzen. Wenn die Spannung des Sendeweges und der damit in Verbindungstehenden Elektrode in Schritt 106 begrenzt wird, werden elektrische Signale an der Elektrode82 in Antwort auf akustische Echosignale erzeugt, die von dem Element 24 in Schritt 104 empfangenworden sind. Da die empfangenen elektrischen Signale klein sind, beispielsweise kleiner als0,2 Volt, verhindern die Dioden 90 und 92 die Einführung von Rauschen in das Empfangssignal oderdas Abschneiden des Empfangssignal. Das Empfangssignal wird verstärkt, gefiltert, gemultiplextoder anderweitig verarbeitet, für eine Übertragung über das Kabel 22 an die Basiseinheit 12.Der Verstärker 94 führt beispielsweise eine Vorverstärkung der Signale durch und stellt denGewinn der elektrischen Signale als Funktion der Zeit ein. Der Multiplexer 96 multiplext dieelektrischen Signale mit anderen elektrischen Signalen in Antwort auf unterschiedliche Transducerelemente24. Die gleiche Verarbeitung wird für Empfangskanäle 64, die mit anderen Elementen 24 in Verbindungstehen, wiederholt. Die Sende- und Empfangsoperationen werden durchgeführt, ohne Auswahl zwischendem Sende- und Empfangsweg, zur Verbindung mit einer Elektrode. Jede der Sende- und Empfangswege62 und 64 dient dazu, eine Elektrode 80, 82 mit Masse zu verbinden, oder jeweils auf einer Referenzspannungwährend des Empfangens und des Sendens zu halten.
[0074] Durch Verwendung des Wellenformgenerators 84, wie in Fig. 4 gezeigt, können unipolare Wellenformenerzeugt werden, die entweder bei der Nullspannung oder einer positiven Spannung enden. Der Unipolarwellenformgenerator84 kann bei einem positiven oder bei einem Null Spannungszustand enden, ohne die Schaltung zuzerstören. Ein alternatives Ausführungsbeispiel kann eine Unipolarwellenformerzeugung zwischenNull und einer negativen Spannung erlauben, indem die NMOS- und PMOS-Vorrichtungen vertauschtwerden und eine negative Energieversorgung verwendet wird. In jedem Fall wird eine Niederimpedanzbedingunggebildet, wenn die unipolare Sendewellenform bei 0 Volt oder einer anderen Spannung endet.
[0075] Fig. 7 zeigt zwei spiegelsymmetrische unipolare Wellenformen 108 und 110. Die erste unipolareWellenform 108 beginnt bei einem Niederzustand (Low) oder Nullspannungspegel, weist einen positivenSpannungsimpuls auf, kehrt zu einem Nullspannungspegel zurück und endet dann bei einem High-Zustand oderpositiven Spannungspegel. Die nachfolgende unipolare Wellenform 110 beginnt bei einem High-Zustandoder bei einer positiven Spannung und endet bei einem Low-Zustand oder einer Nullspannung. Daeine Wellenform bei einer höheren Spannung beginnt und bei einer geringeren Spannung endet,und die andere Wellenform 108 bei der niedrigeren Spannung beginnt und bei der höheren Spannung endet,mit der gleichen Anzahl an Zyklen, summieren sich die zwei Wellenformen im wesentlichen aufeinen Nullwert. Im wesentlichen deshalb, aufgrund von Differenzen in der Anstiegs- und Abfallzeit der Transistoren 86 und aufgrund andererDifferenzen in Eigenschaften, die Sendewellenformen verwenden, beginnend bei unterschiedlichen Spannungen.Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ist der High-Zustand eine Nullspannung und der Low-Zustandist eine negative Spannung.
[0076] Die Spiegelsymmetriefähigkeit des Unipolarwellenformgenerators 84 erlaubt ein Abbilden derGewebe-Harmonischen oder anderen Harmonischen unter Verwendung der Phaseninversion mit Unipolarsendewellenformen.Da sich akustische Energie, die auf Sendewellen reagiert, innerhalb des Gewebes ausbreitet undstreut, wird eine Energie bei zweiten Harmonischen oder bei anderen Harmonischen der Grundsendefrequenzerzeugt. Die Empfangssignale, die auf jede der Unipolarwellenformen antworten, enthalten Information beiden Grundfrequenzen sowie bei den harmonischen Frequenzen. Wenn die Empfangssignale, die aufdie phaseninvertierten Sendeunipolarwellenformen reagieren, kombiniert oder addiert werden,wird Information bei den Grundfrequenzen gelöscht, wodurch Information bei den harmonischenFrequenzen verbleibt.
[0077] Harmonisches Abbilden in Antwort auf eine Phaseninversion der Sendewellenformen wirdbereitgestellt, indem einfache Unipolarwellenformen verwendet werden. Die Transistoren 86, die zurErzeugung der Unipolarwellenform verwendet werden, sind ausgelegt, um Fehlabstimmungen der Anstiegszeitund der Abstiegszeit zu vermeiden, wodurch die Summe an harmonischer Information, die durchden Wellenformgenerator 84 eingebracht wird, minimiert wird. Das Material des Elements 24 hat einehochpolige Spannung gemäß einem Ausführungsbeispiel, um Operationsdifferenzen oder Empfangsfehlabgleichungenaufgrund der Anfangserzeugung bei zwei unterschiedlichen DC-Vorspannungspunkten (beispielsweise0 und +V) zu minimieren. Das Senden eines phaseninvertierten unipolaren Impulses kann mit Systemenverwendet werden, die einen Übertragungskanal innerhalb der Basiseinheit oder innerhalb derSonde aufweisen, und mit Systemen, die Sende- und Empfangsschalten verwenden.

SENDEIMPULSGEBER MIT EMPFANGSVERSTÄRKERKOPPLUNG


[0078] Ein Sendeimpulsgeber, der mit einem Empfangsvorverstärker ohne einem bestimmten Sende-und Empfangs-Routingschalten verbunden ist, kann in jeder der Sonden 18, 20, wie oben diskutiert,oder in einer anderen Sonde zur Verwendung mit unterschiedlichen Empfangsschaltungen verwendetwerden. Obwohl nützlich für einzelne Transducerelemente, lineare Anordnungen oder Anordnungenmit begrenztem oder keinem Sende- oder Empfangsschaltkreis innerhalb der Sonde, ist die Verwendungdes Sendeimpulsgebers, der direkt mit dem Empfangsschaltkreis verbunden ist, insbesondere nützlich fürmehrdimensionale Transduceranordnungen mit mindestens einem Teil der Sende- und/oder Empfangsschaltung,die innerhalb der Sonde angeordnet ist, wie beispielsweise im vorangegangenen für die Zeitmultiplexsonde18 diskutiert worden ist. Eine vollständig besetzte mehrdimensionale Transduceranordnung erforderteine große Anzahl von Sende- und Empfangskanälen. Durch Plazieren der Sende- oder Empfangsschaltunginnerhalb der Sonde und durch Bereitstellen eines Multiplexverfahrens kann die Anzahl an Kabeln22 oder Kanälen von der Sonde 18 zur Basiseinheit 12 minimiert werden. Die Sende- und Empfangsschaltungbefindet sich dann jedoch in einem kleinen Raum, der eine Isolation der Empfangsschaltungen vonden Hochspannungen der Sendeschaltungen erschwert. Hochspannungsschalter, beispielsweise Schalter,die einer Rückwärtsspannung von 200 Volt standhalten können, sind schwierig mit anderen Empfangsschaltungenzu integrieren, beispielsweise mit einem Multiplexer. Hochspannungssende- und -empfangsschalten wirdersetzt durch den Sendeimpulsgeber, der direkt mit der Empfangsschaltung verbunden ist, um dieHochspannungssendevorrichtungen von den Niederspannungsempfangsvorrichtungen zu isolieren.
[0079] Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sendeimpulsgebers 300 mit einer verbundenenEmpfangsschaltung. Das Hochspannungssenden erfolgt derart, dass die Empfangsschaltung keinerHochspannung unterzogen wird, aufgrund des Diodenklemmens der Empfangsvorverstärkereingänge.Der Sendeimpulsgeber 300 weist einen Quadraplexor oder eine H-Brücke von Schaltern oder Transistoren86 um ein Transducerelement 24 herum auf. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werden unterschiedlicheTransistoren oder andere Typen von Schaltern für einen oder mehrere oder alle Transistoren 86verwendet. Zwei der Transistoren 86 (beispielsweise Q2 und Q4) sind von verschiedenen Elektroden80, 82 des Transducerelements 24 mit der Energiequelle 302 verbunden. Zwei andere Transistoren86 (beispielsweise Q1 und Q3) sind von unterschiedlichen Elektroden 80, 82 mit unterschiedlichenEingängen des Differenzempfangsvorverstärkers 94 verbunden. Die Transistoren 86, die beide eineVerbindung mit der Energiequelle 302 oder verschiedenen Energiequellen aufweisen, sind gemäßeinem Ausführungsbeispiel abgestimmte Transistoren 86. Die Transistoren 86, die beide in Verbindungmit dem Empfangsvorverstärker 94 sind, sind ebenfalls abgestimmte Transistoren 86. Die TransistorenQ2 und Q4 sind beispielsweise P-Kanal Hochspannungs-FET, PNP-Hochspannungsbipolar- oder andereTransistoren oder Schalter mit einer Spannungsfestigkeit von mindestens 100 Volt, und die TransistorenQ1 und Q3 sind N-Kanal Hochspannungs-FET, NPN-Hochspannungsbipolar- oder andere Transistoren oderSchalter mit einer Spannungsfestigkeit von mindestens 100 Volt. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werdenkeine abgestimmten Paare von Transistoren 86 verwendet, beispielsweise die Verwendung von PFET- und NFET-Transistoren.Für eine gegebene Peak-to-Peak Ansteuerungsspannung, verwendet die H-Brückenkonfiguration (Quadraplexor)Transistoren mit der halben Durchbruchspannung. Dies hat einen erheblichen Vorteil dahingehend,dass die Transistoren billiger oder einfacher herzustellen sind, oder mit der gleichen Durchbruchspannungeine doppelte Peak-to-Peak Ansteuerung liefern kann.
[0080] Das Transducerelement 24 ist eines der Elemente 24, die hier beschrieben worden sind. Inähnlicher Weise sind die oben beschriebenen zwei Elektroden 80 und 82 elektrisch getrennt. DieElektroden 80 und 82 verbinden die Transistoren 86 des Sendeimpulsgebers 300, wie gezeigt. DasElement 24 hat keinerlei direkte elektrische Verbindung mit Masse, wie beispielsweise durcheine Elektrode, die direkt mit Masse verbunden ist.
[0081] Zwei Klemmdioden, die jeweils ein Paar von Dioden 90, 92 aufweisen (beispielsweise Schottky-Diodenoder andere Hochstrom, Niederspannungs-Diodenvorrichtungen), sind ebenfalls zwischen die Differenzeingängedes Empfangsverstärkers 94 und Masse geschaltet. Jede der Dioden 90 und 92 ist mit einer entgegengesetztenoder verschiedenen Polaritäten mit Masse verbunden. Die Dioden 90 und 92 weisen eine Diodenklemmeauf, um Spannungsschwingungen an jedem der Eingänge des Empfangsverstärkers 94 zu begrenzen.Die Dioden 90 und 92 begrenzen beispielsweise Spannungsübergänge auf zwischen plus/minus 0,2bis 0,7 Volt, jedoch können höhere Grenzen, beispielsweise 1 oder 2 Volt aufgrund unterschiedlicherDiodentypen oder des Ansteuerstroms bereitgestellt werden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werdenTransistoren oder andere Vorrichtungen verwendet, um die Spannung an der Elektrode 82 zu begrenzen.
[0082] Der Vorverstärker 94 weist einen Niederspannungsvorverstärker auf, beispielsweise einenoder mehrere Transistoren zum Verstärken eines Signals von der Elektrode 82, die durch einenNiederspannungs-IC-Prozeß hergestellt worden ist. Eine Differenzial-BJT-Paar mit Stromausgängenwird beispielsweise bereitgestellt, indem ein 7 Volt BiCMOS-Prozeß oder ein anderer Transistorprozeßverwendet wird. Die Verwendung von 20 µA pro Kanal mit einer 5 Volt-Versorgung erlaubt einenVerbrauch 0,1 Milliwatt pro Kanal. Differenzverstärker können durch relativ niedrige Spannungsversorgungenvorgespannt und ohne große Kondensatoren sein, wodurch der Vorverstärker 94 gemäß diesem Ausführungsbeispiel leichterzu integrieren ist. Andere Vorverstärker können unterschiedlichen Leistungsverbrauch aufweisenund in Zusammenhang stehende Komponenten und Charakteristiken können verwendet werden. Der Vorverstärker94 kann alternativ oder zusätzlich einen "time- oder depth-gain control amplifier" oder einenFilter aufweisen. Für einen Zeitgewinnsteuerverstärker, der in der Sonde 18 integriert ausgebildetist, kann eine Niederleistungsvorrichtung zur Lieferung eines Teils der Zeitgewinnkompensation verwendetwerden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ist ein größerer und mehr Leistung verbrauchendervariabler Verstärker gebildet.
[0083] Die Treiber 87 weisen einen Transistor oder FET-Treiber auf, jedoch können andere Treiberverwendet werden zur Steuerung des Betriebs der Transistoren 86. Die Treiber 87 sind betreibbar,um Spannungsänderungen zum Betrieb der Transistoren 86 zu liefern. Beispielsweise werden dieTransistoren 86 Q1 und Q3 durch Anlegen eines 10 Volt oder 0 Volt Signals von den in Zusammenhangstehenden Treibern 87 gesteuert. Die Transistoren 86 Q2 und Q4 werden durch Anlagen eines 200Volt oder 190 Volt Signals von den in Zusammenhang stehenden Treibern 87 gesteuert. Eine Steuerung88, wie oben beschrieben, steuert den Betrieb der Treiber 87.
[0084] Während das Element 24 die Sendeschaltungen nicht von den Empfangsschaltungen isolierenkann, erlaubt die Anordnung des Sendeimpulsgeber 300 eine separate Integration der Hochspannungssendevorrichtungenund der Niederspannungsempfangsvorrichtungen, beispielsweise durch die Transistoren 86, dieTreiber 87 und/oder die Steuerung 88 für ein oder für mehrere Elemente 24 in einem ASIC-Bauelementund Dioden 90, 92, Empfangsverstärker 94 und/oder Multiplexer 26 für ein oder mehrere Elemente24 in dem gleichen oder in einem unterschiedlichen ASIC-Bauelement. Andere Integrationsformatekönnen gebildet sein, beispielsweise diskrete Diodenanordnungen oder Gruppen von Hochspannungs-FET-Transistorenin kleineren ASIC-Bauelementen.
[0085] Die Energiequelle 302 enthält eine positive Gleichstromspannungsquelle. Gemäß alternativenAusführungsbeispielen weist die Energiequelle 302 unterschiedliche Quellen mit gleichen oderunterschiedlichen Eigenschaften für die verbundenen Transistoren 86 auf (beispielsweise Q2 undQ4). Gemäß einem noch anderen alternativen Ausführungsbeispiel ist die Energiequelle 302 einenegative Spannungsquelle und/oder ein amplitudenmoduliertes oder alternierendes Leistungssignal wirdvon der Energiequelle 302 geliefert.
[0086] Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Ausgang des Empfangsverstärkers 94 mit einemMultiplexer verbunden. Der Empfangsverstärker 94 und der Multiplexer sind in einer Sonde positioniertund mit einem Kabel verbunden. Die Sonde ist von einer Basiseinheit getrennt gebildet. Gemäßalternativen Ausführungsbeispielen ist der Empfangsverstärker 94 innerhalb der Basiseinheitund innerhalb der Sonde mit einer Verbindung mit dem Kabel, frei von einem Multiplexen.
[0087] Durch Bilden einer H-Brücke von Transistoren 86, die mit beiden Elektroden 80 und 82verbunden sind, kann ein gleicher Sendeimpulsgeber 300 betreibbar sein, um entweder bipolareoder unipolare Sendewellenformen zu bilden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen sind zwei Transistoren86, beispielsweise Q1 und Q2 ohne die anderen zwei Transistoren 86 gebildet, um nur unipolare Sendewellenformenzu bilden. Eine der Elektroden 80, 82 ist geerdet. Gemäß noch anderen alternativen Ausführungsbeispielen sindzusätzliche, unterschiedliche oder weniger Komponenten und Verbindungen gebildet. Verbundenheißt in diesem Fall sowohl direkte Verbindungen als auch Verbindungen mit Zwischenkomponenten.
[0088] Wenn einige oder alle Komponenten gemäß Fig. 12 in der Sonde gebildet sind, weist dieSonde ein Erdung oder elektrostatisches Schild auf. Das elektrostatische Schild liefert einengeringen Blattwiderstand, um den Patienten vor jeglicher elektrischer Ladung, die an die Elektroden geliefertwird, zu schützen. Eine Abgleichschicht, die zwischen jeder Elektrode 80, 82 und dem Patientenangeordnet ist, isoliert die Elektroden 80, 82 elektrisch von dem Patienten.
[0089] Der Sendeimpulsgeber 300, der gemäß Fig. 12 verbunden ist, erzeugt bipolare Sendewellenformen,wie beispielsweise in Fig. 13 gezeigt. Während des Sendebetriebs verbindet das Transducerelement24 in schaltbarer Weise die Eingänge des Empfangsverstärkers 94 an die Energiequelle 302. DieVerbindungen werden abwechselnd gebildet. Alle Transistoren 86 alternieren zwischen leitfähigemund nicht leitfähigem Zustand während der Sendeoperation. Beispielsweise wird ein erster Nullspannungszustand durchVerbinden der Elektroden 80 und 82 mit den Eingängen des Empfangsverstärkers 94 gebildet, unddurch Trennen der Elektroden 80 und 82 von der Energiequelle 302 (beispielsweise Q1 und Q3 sindein und Q2 und Q4 sind aus). Eine positive Spannung wird durch Verbinden der Energiequelle 302mit einer positiven Elektrode 82 gebildet und durch Trennen der positiven Elektrode 82 von demin Zusammenhang stehenden Eingang des Empfangsverstärkers 94 (beispielsweise Q1 und Q4 sindein, und Q2 und Q3 sind aus). Die Diodenklemme, die mit dem Transistor 86 Q1 verbunden ist,begrenzt die Spannung der negativen Elektrode 80 zur Erzeugung der Sendewellenform durch eineSpannungsdifferenz über dem Element 24. Eine negative Spannung wird gebildet, indem die Verbindungenfür die positive Spannung umgekehrt werden (beispielsweise Q1 und Q4 sind aus, und Q2 und Q3sind ein). Die Diodenklemme, die mit dem Transistor 86 Q3 verbunden ist, begrenzt die Spannungder positiven Elektrode 82 zur Erzeugung der Sendewellenform durch eine Spannungsdifferenz überdem Element 24. Die Diodenklemmen begrenzen die Spannung, die durch den Empfangsverstärker 94gebildet wird, wodurch die Verwendung von Niederspannungskomponenten in dem Empfangsverstärker94 erlaubt wird.
[0090] Wenn die Transistoren 86 abgestimmte Paare von Transistoren aufweisen, wird eine im wesentlichensymmetrische Sendewellenform erzeugt. Das Treiben der Sendewellenform auf eine Nullspannung,eine positive oder negative Spannung erfolgt im wesentlichen durch identische Paare von Transistoren.Da beide Elektroden 80 und 82 verwendet werden, um die Sendewellenform zu erzeugen, kann eineNiederspannungsleistungsquelle 302 verwendet werden, um nur eine Elektrode 80, 82 anzusteuern.Die Transistordurchschlagspannungen werden ebenfalls um einen Faktor zwei reduziert.
[0091] Eine symmetrische Sendewellenform minimiert die Bandbreite der gesendeten Wellenform.Weniger Energie wird bei der zweiten oder bei anderen harmonischen Frequenzen durch eine symmetrischeWellenform übertragen, als bei einer nichtsymmetrischen Wellenform. Für das Abbilden (Imaging)bei den Harmonischen der Sendefrequenz, wird die Übertragung der Energie der Harmonischen reduziertoder verhindert. Die Ausbreitung und die Reflexion der Energie, um die harmonische Informationvon Gewebe oder von Kontrastmitteln zu erzeugen, wird besser isoliert, indem die Übertragung derEnergie bei gleichen oder ähnlichen Frequenzen minimiert wird. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel folgtdie harmonische Abbildung (Harmonic-Imaging) durch Verwendung von Phasendifferenzen zwischenden Sendewellenformen. Durch Bilden einer exakten Zeitgebung werden unterschiedliche Sendeimpulsemit verschiedenen Phasen erzeugt. Die empfangene Energie wird summiert, um Information bei denGrundsendefrequenzen zu beseitigen und Information bei den geraden harmonischen Frequenzen (beispielsweiseder zweiten) aufrecht zu erhalten. Andere Kombinationen der Sendephase und Empfangskombination können verwendetwerden, um Information bei einer oder bei mehreren Grund- und/oder harmonischen Frequenzbändern zuisolieren.
[0092] Da die Spannung die an die Elektroden 80 und 82 angelegt ist, durch die Diodenklemmenauf einer niedrigen Spannung gehalten werden kann, kann der Sendeimpulsgeber 300 auf eine imwesentlichen Nullsendespannung fahren. Bipolare Wellenformen mit mindestens einem Teil der Wellenform, dieim wesentlichen eine Nullspannung ist, können verwendet werden, beispielsweise für Pulsbreitenmodulation,wie in der US 5,833,614 beschrieben, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme Bestandteilwird.
[0093] Für den Empfangsbetrieb wird die Energiequelle 302 von den Elektroden 80 und 82 getrennt.Aufgrund der Diodenklemmen sind die Eingangssignale des Empfangsverstärkers 94 auf die Vorwärtsspannungen derDioden 90, 92 begrenzt. Die Empfangssignale sind normalerweise kleiner als die Vorwärtsspannungender Dioden 90, 92, so dass Differenzempfangssignale in den Empfangsverstärker 94 eingegeben werden,indem die Elektroden 80, 82 mit den Eingängen des Empfangsverstärker 94 verbunden werden. DasEmpfangssignal wird verstärkt, gefiltert, gemultiplext oder anderweitig verarbeitet, für eine Übertragung über das Kabel 22 an die Basiseinheit 12. Der Sendebetrieb und der Empfangsbetriebdes Elements 24 ist frei von Schaltern zur Auswahl zwischen getrennten Sende- und Empfangswegen.

MEHRDIMENSIONALE TRANSDUCER


[0094] Verschiedene Transistoren können mit irgendeinem dem Sende- und Empfangswege, Sondenund Empfangsschaltungen, wie oben diskutiert, verwendet werden. Einige derartige mehrdimensionale Transduceranordnungenfür ein voll abgetastete Verwendung mit Zeitmultiplexen und einer elementenbasierten Isolationfür den Sende- und Empfangsweg, sind in den Fig. 8 bis 11 gezeigt. Das Zeitmultiplexen reduziertdie Kanalanzahl oder die Anzahl von Kabeln 22, ohne die Strahlformung, die von der Basiseinheit12 durchgeführt wird, zu begrenzen. Separate Signalverläufe oder die Verbindung von gegenüberliegenden Dioden80 und 82 mit dem Sendeweg und dem Empfangsweg erlauben die Integration der Sendeschaltung undder Empfangsschaltung in die Sonde 18 ohne leistungsverbrauchendes Sende- und Empfangsschalten.Verschiedene Gesichtspunkte der mehrdimensionalen Transducer können unabhängig von anderen Aspektender hier beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet werden, beispielsweise die Verwendungeines bestimmten Elementabstandes ohne Zeitmultiplexen oder eine andere Integration der Schaltkreise indie Sonde 18.
[0095] Fig. 8 zeigt eine zweidimensionale Anordnung 200 von Elementen 24. Die Elemente 24 sindin einem Gitter entlang der Elevationsrichtung und der Azimutrichtung beabstandet. Eine andereoder die gleiche Anzahl von Elementen 24 kann entlang der Elevationsrichtung gebildet sein,als entlang der Azimutrichtung. Eine Mehrzahl von Elementen 24 ist in Spalten 204 entlang derAzimutrichtung angeordnet. Die Elemente 24 haben einen Abstand entlang der Azimutrichtung. Gemäßeinem Ausführungsbeispiel wird ein halber Wellenlängen- abstand verwendet. Vom Zentrum einesElements bis zum Zentrum eines benachbarten Elements 24 entlang der Azimutrichtung ist ein Abstand vonder Hälfte einer Wellenlänge gebildet. In einer Anordnung, die für den Betrieb bei 2,5 MHz ausgelegtist, beträgt der Abstand 300 Mikrometer. Andere Abstände können verwendet werden.
[0096] Die Elemente 24 sind in Reihen 202 entlang der Elevationsrichtung angeordnet. Der Abstandentlang der Elevationsrichtung ist größer als der Abstand entlang der Azimutrichtung. Gemäßeinem Ausführungsbeispiel ist der Abstand entlang der Azimutrichtung 2/3 oder weniger, beispielsweise dieHälfte des Abstandes entlang der Elevationsrichtung. Für eine 2,5 MHz Mittenfrequenz der Anordnunggemäß dem oben genannten Beispiel, beträgt der Abstand in Elevationsrichtung 600 Mikrometeroder eine Wellenlänge. Für große Abstände kann jedes individuelle Element unterteilt (sub-diced)sein, für eine korrekte Operation oder um ein gewünschtes Verhältnis der Breite zur Dicke desElements 24 aufrecht zu erhalten. In dem oben genannten Beispiel sind die Elemente 24 entlang derElevationsrichtung unterteilt, beispielsweise indem ein "dicing"-Schnitt gebildet wird, dersich ungefähr 90 Prozent in das PZT-Material erstreckt, im Zentrum jeder Anordnung, jedoch nichtentlang der Azimutrichtung unterteilt ist. Andere Unterteilungstiefen können verwendet werden.
[0097] Fig. 8 zeigt 32 Elemente 24. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen können andere Anzahlenan Elemente verwendet werden, beispielsweise 1.536 Elemente in 64 in Azimutrichtung beabstandetenReihen 202 und 24 in Elevationsrichtung beabstandeten Spalten 204, oder 2.048 Elemente in 64in Azimutrichtung beabstandeten Reihen 202 und 32 in Elevationsrichtung beabstandeten Spalten204.
[0098] Fig. 9 zeigt eine Sonde 18, die die Anordnung 200 integriert. Die Sonde 18 enthält dieAnordnung 200, flexible Schaltungsmaterialien oder Signalverläufe 206, 208, eine Mehrzahl vonSchaltungsplatinen 210, einen Kondensator 212 und ein Bündel von Kabeln 22. Diese Komponentensind innerhalb einer Plastikabdeckung oder anderen ergonomisch geformten Sondenabdeckung odereinem Gehäuse untergebracht. Unterschiedliche, weniger oder mehr Komponenten können in der Sonde18 enthalten sein.
[0099] Die flexiblen Schaltungen 206, 208 enthalten Kapton oder andere flexible, dünne, elektrischisolierende Materialien mit aufgebrachten Signalverläufen, auf einer oder auf zwei Seiten. Dieflexible Schaltung wird hier verwendet, um jedes beliebige flexible oder nicht-starre Materialmit einem oder mit mehreren elektrischen Anschlüssen zu beschreiben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel istdas flexible Schaltungsmaterial 50 µm dick. Separate flexible Schaltungsmaterialien 206 und208 sind für separate Sende- und Empfangswege gebildet. Beispielsweise liefert die flexible Schaltung206 Elektroden und Verläufe von einer Seite der Elemente 24 der Einordnung 200, und die andereflexible Schaltung 208 enthält Elektroden und Wege von einer gegenüberliegenden oder anderenSeite der Elemente 204 der Anordnung 200.
[0100] Fig. 10 zeigt einen Elevationsquerschnitt der Anordnung 200 und die in Zusammenhang stehendenAnschlüsse der zwei flexiblen Schaltungen 206 und 208. Die Anordnung 200 ist entlang der Elevationsrichtungin vier Module 222 unterteilt. Darüber hinaus kann die Anordnung 200 entlang der Elevationsrichtungin verschiedengroße oder weniger Module 222 unterteilt werden. Beispielsweise können nur ein,zwei, drei oder mehrere Module verwendet werden. Jedes Modul weist ein Paar von flexiblen Schaltungen206 und 208 auf. Jedes Modul 222 weist eine Mehrzahl von Schichten entlang der Bereichsrichtungauf, beispielsweise eine erste Abgleichschicht 218, eine erste Elektrodenschicht oben auf dem Element 24, das aus der ersten flexiblen Schaltung 208 gebildet ist, eine zweite Abgleichschicht216, eine Elementenschicht oder piezoelektrische (PZT) Schicht 214, eine zweite Elektrode aufeiner Bodenseite der piezoelektrischen Schicht 214, die durch die zweite flexible Schaltung208 und ein Verstärkungsmaterial 220 gebildet ist. Zusätzlich können verschiedene oder wenigerSchichten in einem oder mehreren oder in allen Modulen 222 gebildet werden. Beispielsweise können nureine oder drei oder mehrere Abgleichschichten 216, 218 verwendet werden, oder beide Abgleichschichten216 und 218 sind auf einer oberen Seite der oberen Elektrode und der flexiblen Schaltung 208angeordnet.
[0101] Die zwei unterschiedlichen flexiblen Schaltungen 208 und 206 sind entlang einer oder entlangzwei Seiten der Module von dem PZT-Material oder der Schicht 214 in Richtung und entlang desVerstärkungsmaterials 220 gefaltet. Separate Signalverläufe sind für jedes der Elemente 24 aufbeiden Seiten oder oben und unten auf den Elementen 24 gebildet. Separate Signalverläufe sind aufder flexiblen Schaltung 206 für jedes der Elemente 24 gebildet, und separate Signalverläufe sindauf der flexiblen Schaltung 208 für jedes der Elemente 24 gebildet. Jedes der Elemente 24 istunabhängig mit den separaten Signalverläufen oben und unten entlang der Bereichsrichtung desElements 24 verbunden. Separate Signalverläufe erlauben eine elementbasierte Isolation der Sende-und Empfangswege. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ist eine gemeinsame Masse mit einerMehrzahl von Elementen 24 verbunden.
[0102] Das Verstärkungsmaterial 220 jedes Moduls 222 ist von dem anderen Verstärkungsmaterial220 des anderen Moduls 222 durch zwei oder vier Schichten von flexibler Schaltung 206, 208 getrennt.Die PZT-Schicht 214 von dem Modul 222 ist durch eine oder durch zwei flexible Schaltungsschichten208 von der PZT-Schicht 214 des anderen Moduls 222 getrennt. Die Breite der PZT-Schicht 214ist größer als die Breite des Verstärkungsmaterials 220, um unterschiedliche Dicken aufgrundder unterschiedlichen Anzahl von flexiblen Schaltungen 206, 208 zu berücksichtigen. Durch Verwendungeines dünnen flexiblen Schaltungsmaterials werden nachteilige akustische Effekte verhindert, indemdie Separation zwischen den Elementen 24 der unterschiedlichen Module 222 minimiert wird.
[0103] Erneut bezugnehmend auf Fig. 9 sind die flexiblen Schaltungen 208 und 206 derart gezeigt,dass sie eine zunehmende Breite von der Anordnung der Elemente 200 weg aufweisen. Eine Vergrößerungder Breite erlaubt eine größere Separation der Signalverläufe von individuellen Elementen 24.Die größere Separation liefert eine geringere kapazitive Kopplung zwischen den Signalverläufen.
[0104] Fig. 9 zeigt eine Mehrzahl von gedruckten Leiterplatten 210, beispielsweise sieben gedruckteLeiter-Platten 210. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann eine einzelne Leiterplatte210, eine andere Anzahl von Leiterplatten 210 oder gar keine Leiterplatte in der Sonde 18 verwendetwerden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen sechs Leiterplatten 210 Sende- und Empfangsschaltkreise auf,beispielsweise in der Sonde integriert ausgebildete Schaltkreise, wie oben diskutiert. JedeSende- und Empfangsleiterplatte 210 ist mit einem von sechs in Elevationsrichtung beabstandetenModulen 222 verbunden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ist eine Leiterplatte 210 mitElementen 24 in verschiedenen Modulen 222 verbunden, oder Elemente 24 in einem gleichen Module222 sind mit verschiedenen Leiterplatten 210 verbunden. Eine siebte Leiterplatte enthält eineSteuerlogikleiterplatte. Die Steuerlogikleiterplatte stellt eine Schnittstelle mit der Basiseinheit12 dar, um die Sende- und Empfangsschaltkreise zu betreiben. Die gedruckten Leiterplatten 210und andere Komponenten der Sonde 18 haben eine Größe, so dass sie in den Griff der Sonde 18passen. Die Sonde 18 ist ausgelegt, um von einem Benutzer ergonomisch gehandhabt werden zu können,beispielsweise kleiner als 4 Inch im Durchmesser, oder zur Bereitstellung eines Handgriffs.
[0105] Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Leiterplatten einen oder mehrere Multiplexerauf. Beispielsweise ist eine Mehrzahl von acht zu eins Multiplexern zum Multiplexen von Signalenvon den Elementen 24 auf 192 Systemkanäle oder Kabel 22 gebildet. Gemäß anderen Ausführungsbeispielenkönnen wenige oder mehr Multiplexer zur Verwendung mit weniger oder mehreren Kabeln 22 oder Systemkanälen gebildetsein. Beispielsweise ist eine Anordnung 200 mit 64 Reihen 202 und 32 Spalten 204 mit Multiplexern versehen,zur Übertragung von zeitgemultiplexter Information auf 256 Kabeln 22. Durch das Bilden des Multiplexersin der Sonde 18 mit der Anordnung 200 werden weniger Kabel 22 und entsprechende Systemkanäleoder Signalleitungen gebildet, als Elemente 24 der Anordnung 200 vorhanden sind. Beispielsweiseist das Produkt aus der Anzahl an Elementen entlang der Elevationsrichtung und der Anzahl derElemente entlang der Azimutrichtung größer als die Anzahl an Kabeln 22.
[0106] Die Leiterplatten 210 sind mit den flexiblen Schaltungen 206 und 208 verbunden, indembereits bekannte oder später entwickelte Anschlüsse oder Verbindungen verwendet werden. DieVerwendung von zwei oder von mehreren separaten Signalverläufen für jedes Element 24 liefert elektrischeVerbindungen für doppelt so viele Elemente 24. Die Anschlüsse sind an den flexiblen Schaltungen206, 208 angebracht, vor der Herstellung der Anordnung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wirdeine Ballgitteranordnung (BGA) (Ball Grid Array) oder eine andere Matrix aus Beulen oder anderenStrukturen zur Verlötung mit den Verläufen auf den flexiblen Schaltungen 206 und 208 bereitgestellt. BGA-Anschlüsse vomSmall Pitch Matrix Typ können verwendet werden. Beispielsweise verbindet die BGA die Empfangswegsignalverläufemit dem Multiplexer und der Multiplexer wird dann mit den gedruckten Leiterplatten verbunden, wodurch die Anzahl an Verbindungen mit dengedruckten Leiterplatten reduziert wird. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Sende-oder Empfangsschaltungen abgesetzt oder anderweitig auf der flexiblen Schaltung gebildet, wodurchweniger Verbindungen von den flexiblen Schaltungen 206, 208 zu den gedruckten Leiterplatten210 erforderlich sind. Gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel ist ein direktes Anbringen,beispielsweise eine Wire Bond Jumping-Verbindung oder andere Zwischenverbindungen, zwischender flexiblen Schaltung und den gedruckten Leiterplatten, geschaffen.
[0107] Die Fig. 11A und B zeigen Schritte eines Herstellungsprozesses der Anordnung 200. Fig. 11Azeigt drei Module der Elemente 24. Jedes Modul 222 hat mindestens zwei Reihen und zwei Spaltenvon Elementen 24 in einer N x M-Anordnung. Die PZT-Schicht 214 jedes Moduls 222 und die in Zusammenhangstehenden flexiblen Schaltungen 208, 206 sind unabhängig für jedes Modul 222 gediced (beispielsweisein Würfel geschnitten). Das Zerschneiden umfaßt ein Schneiden (Dicen) entlang der Azimuth- oderElevationsrichtung, um die Elemente 24 zu bilden. Durch das Dicen der Elektroden oder der flexiblenSchaltungen 208, 206 separat für jedes Modul 222 kann jedes Modul 222 separat getestet werden.Ein separates Testen erlaubt das Entfernen eines fehlerhaften Moduls 222 vor einem endgültigenZusammenbauen. Kapazitätstests oder akustische Tests können beispielsweise für jedes Element24 jedes Moduls 222 durchgeführt werden.
[0108] Jedes der separat einem Dicen unterzogen Module 222 ist gemäß Fig. 10 ausgebildet. DerHerstellungsprozeß kann verschiedene Abweichungen und eine unterschiedliche Reihenfolge fürdas Zusammenbauen aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden eine erste Abgleichschicht216, eine Platte aus einer piezoelektrischen Schicht 214 und eine flexible Schaltung 206, dieam Boden der piezoelektrischen Schicht 214 gebildet ist, oben auf die Verstärkungsschicht 220gestapelt. Eine Präzisionsbestückung mit Stiften und damit in Zusammenhang stehende Öffnungenoder Vorlagen können für das Ausrichten dieser Schichten verwendet werden. Die bodenflexibleSchaltung 206 hat Signalverläufe auf beiden Seiten zur Verbindung mit unterschiedlichen Elementen24. Die ausgerichteten Schichten werden dann gebcnded oder miteinander verklebt.
[0109] Nach dem Bonden wird die Bodenschicht des flexiblen Schaltungsmaterials 206 entlang derSeiten der Verstärkungsschicht 220 unter der Schicht der piezoelektrischen Schicht 214 gefaltet. DieBreite der Verstärkungsschicht 220 ist schmäler als die Breite der piezoelektrischen Schicht214, und zwar um ungefähr die Breite einer oder zweier Schichten der flexiblen Schaltung 206. Gemäßeinem Ausführungsbeispiel wird die flexible Schaltung 206 auf zwei Seiten der Verstärkungsschicht220 gefaltet, kann jedoch auch nur auf eine Seite gefaltet werden. Die bodenflexible Schicht206 wird eng an das Verstärkungsmaterial gebonded, indem das Teilmodul 222 durch einen teflonbeschichtetenoder anderen Rahmen mit Bondmaterial oder Kleber platziert wird. Alternativ wird die bodenflexibleSchaltung 206 an die Seiten des Moduls 222 gebonded, während eines späteren Schritts des Bondensder oberen flexiblen Schaltung 208.
[0110] Die erste Abgleichschicht 216 und die piezoelektrische Schicht 214 werden entlang derAzimutrichtung einem Dicen unterzogen, also geschnitten. Beispielsweise werden sechs Hauptschnittkerben(Hauptdicing-Kerben) gebildet, die sich in das flexible Schaltungsmaterial 206 erstrecken, jedochnicht hindurch. Nebenschnittkerben (Nebendicing-Kerben) können ebenfalls entlang der Azimutrichtunggebildet werden. Die Nebendicing-Kerben erstrecken sich ungefähr 90 % in die piezoelektrischeSchicht 214 hinein. Andere Schnittiefen (Dicing-Tiefen) können verwendet werden. Zum Auffüllen derKerben kann Epoxid, Silikon oder ein anderes Material verwendet werden. Ein Kerbenfüllmaterialmit einer höheren akustischen Impedanz kann dann verwendet werden, da nur die piezoelektrischeSchicht 214 und die erste Abgleichschicht 216 in Azimutrichtung geschnitten sind. Gemäß alternativenAusführungsbeispielen kann eine andere Schicht in Azimutrichtung geschnitten sein, und einegeringere akustische Impedanz kann für das Kerbenfüllmaterial verwendet werden. Gemäß einem alternativenAusführungsbeispiel kann überhaupt kein Füllmaterial für die Kerbe verwendet werden.
[0111] Die Oberfläche der ersten Abgleichschicht 216 ist geebnet oder anderweitig verarbeitet,um überstehendes restliches Kerbenauffüllmaterial zu entfernen, falls dies erforderlich ist.Die obere flexible Schaltung 208 und die zweite Abgleichschicht 218 sind zueinander ausgerichtet undgebonded, indem Stifte und Löcher oder Vorlagen verwendet werden. Die gebondete obere flexibleSchaltung 208 wird dann an die Bodenabgleichschicht 216 gebonded. In alternativen Ausführungsbeispielen können dieobere flexible Schaltung 208 und die obere Abgleichschicht 218 ausgerichtet und an die Bodenabgleichschicht216 auf dem Modul 222 gebonded sein, als eine Operation, die mit dem Auffüllen der Kerben inZusammenhang steht.
[0112] Die Position der oberen flexiblen Schaltung 208 und die entsprechenden Signalverläuferelativ zu der unteren flexiblen Schaltung 206, und die entsprechenden Signalverläufe liegeninnerhalb einer Toleranz, die ausreichend ist, um separate Signalverläufe für jedes Element24 zu erlauben. Beispielsweise erlaubt eine Toleranz von plus oder minus 50 µm einen Schnittbereich(Dicing-Bereich) von 100 µm zwischen jeden der Elemente 24 entlang der Elevationsrichtung ohnenachteiliges Abschneiden eines Signalverlaufs. Andere Toleranzen und Abstände sind möglich. DasAusrichten erfolgt unter Verwendung von Präzisionsstiften und Löchern, Vorlagen oder durch eine optische Ausrichtung. Durch dasBereitstellen von Signalverläufen auf flexiblen Schaltungen 206, 208 auf beiden Seiten des Moduls222 werden weniger dichte Signalverläufe gebildet, wodurch größere Schnittfenster (Dicing-Fenster)erlaubt werden. In alternativen Ausführungsbeispielen wird eine größere Dichte der Signalverläufe bereitgestellt,und die flexiblen Schaltungen 208 und 206 sind auf einer Seite des Moduls 222 gebildet.
[0113] Die obere flexible Schaltung 208 ist entlang einer oder zwei Seiten der piezoelektrischenSchicht 214 und der Verstärkungsschicht 220 gefaltet. Die flexible Schaltung 208 erstreckt sichvon der piezoelektrischen Schicht 214 in Richtung des Verstärkungsmaterials 220. Wenn Signalverläufe aufeiner oberen Seite oder auf einer nach außen weisenden Seite der unteren flexiblen Schaltung206 und auf einem Boden oder einer nach innen weisenden Seite der oberen flexiblen Schaltung208 bereitgestellt sind, wird eine Isolationsschicht zwischen den zwei flexiblen Schaltungen206 und 208 hinzugegeben. Beispielsweise wird vor oder während des Zusammenbauens eine 25 µm odereine andere Dicke aufweisende Teflonschicht oder ein anderes elektrisch nicht leitendes Materialfür eine oder für beide flexible Schaltungsschichten 206 verwendet. Die obere flexible Schaltung208 wird dann an die Seiten der Module 222 gebonded, indem sie durch einen Rahmen mit einerTeflonbeschichtung oder einer anderen Beschichtung hindurch verläuft. Beide flexible Schaltungen unddie entsprechenden Elektroden werden an das Modul 222 gebonded.
[0114] Das Modul 222 wird dann in Elevationsrichtung geschnitten (Dicen), beispielsweise zurBildung von 64 Spalten 204 von Elementen 24. Das Dicen erstreckt sich durch beide flexiblenSchaltungen 206 und 208 und die piezoelektrische Schicht 214 in die Verstärkungsschicht 220hinein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden keine Nebendicingkerben gebildet, jedoch könnensolche verwendet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die obere flexible Schaltung 208mit einem Mikroskop in Bezug auf eine optische Ausrichtung der Dicing-Säge überprüft. Die Elevationsschnitte(Dices) in Kombination mit den früheren Azimuthschnitten definieren die Elemente 24. Die Elevationsschnittekönnen für jedes der Module 222 gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten gebildetwerden. Das Dicing resultiert in einer oberen und unteren separaten Elektrode und in entsprechendeSignalverläufe für jedes der Elemente 24, ohne eine Grundebene, die allen Elementen gemeinsamist. In alternativen Ausführungsbeispielen wird eine Grundebene mit nur einem separaten Signalverlauffür jedes Element 24 verwendet.
[0115] Die separat geschnittenen Module 222 werden ausgerichtet, wie in Fig. 11B gezeigt. DieModule 222 sind benachbart zueinander entlang der Elevationsrichtung oder Azimutrichtung angeordnet,um eine größere Anordnung 200 von Elementen 24 zu bilden. Jedes der Module 222 ist von einemanderen Modul 222 durch eine oder durch mehrere flexible Schaltungen 206, 208 getrennt Gemäßeinem Ausführungsbeispiel repräsentiert jedes der Module 222 64 in Azimutrichtung beabstandete Reihen202 und vier oder sechs in Elevationsrichtung beabstandete Spalten 204 von Elementen 24. DurchAusrichten von vier oder sechs Modulen 222 in Elevationsrichtung und Azimutrichtung wird ein64 x 24 Gitter von Elementen 24 gebildet. Eine andere Anzahl von Modulen, eine andere Größeoder eine andere Anzahl von Elementengittern können verwendet werden, mit oder ohne Separationder Module 222 durch flexible Schaltungen 206, 208.
[0116] Die obere flexible Schaltung 208 hat Signalverläufe, die auf einer Bodenseite gebildetsind, so dass die flexible Schaltung 208 die Signalverläufe von einem Modul 222 von den Signalverläufendes anderen Moduls 222 elektrisch isoliert. In alternativen Ausführungsbeispielen ist ein Isolatormaterial,beispielsweise zusätzlich Kapton oder ein anderes Material, zwischen den zwei Modulen 200 zurelektrischen Isolation der Signalverläufe angeordnet.
[0117] Vor der Ausrichtung wird jedes der Module 222 durch einen teflonbeschichteten Rahmenoder einen anderen Rahmen mit Kleber oder einem anderen Bondmaterial gedrückt/gepreßt. Durch dasPressen werden die flexiblen Schaltungen 206 und 108 eng entlang der Seiten der Module 222 angepresst,um jegliche Separation zwischen den Modulen zu minimieren.
[0118] Die Module 222 sind innerhalb eines Rahmens 224 angeordnet. Der Rahmen weist ein Graphitmaterial, einanderes leitfähiges Material oder ein anderes nicht leitfähiges Material auf. Die vier Module222 sind in den Rahmen 224 presseingepasst oder innerhalb des Rahmens 224 positionierbar. Wenndie Module 222 innerhalb des Rahmens 224 positioniert sind, beträgt der Platz zwischen der PZT-Schicht214 der Module 222 etwa 50-150 Mikrometer, jedoch kann auch eine andere Beabstandung verwendetwerden. Der Abstand ist das Ergebnis des flexiblen Schaltungsmaterials zwischen den piezoelektrischenSchichten 214 jedes Moduls 222. Ein 50-150 Mikrometer Abstand ist 0-100 Mikrometer größer als einenormale Kerbenbreite. Andere relative Breiten können verwendet werden. Das Minimieren des Abstandeszwischen den Modulen 222 minimiert die Strahlbreite in Elevationsrichtung oder die Elevationspunktspreizfunktion. DerRahmen 224 richtet die Module 222 in beide Richtungen aus, kann jedoch weniger Toleranz in derAzimutrichtung aufweisen. Eine Ausrichtung mit größeren Toleranzen kann durch ein manuellesoptisches Ausrichten, durch eine Stift- und Lochausrichtung oder eine Präzisionsherstellung desRahmens 224 als Vorlage gebildet werden.
[0119] Nachdem die Module 222 innerhalb des Rahmens 224 ausgerichtet sind, werden die Kerbenvon dem getrennten Dicing mit Silikon oder einem anderen Kerbenfüllmaterial aufgefüllt. DasKerbenfüllm-aterial dient auch zum Bonden der Module 222 aneinander und an den Rahmen 224. Gemäß alternativenAusführungsbeispielen werden die Kerben der Module 222 vor dem Ausrichten gefüllt. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werdenkeine Kerbfüllungen verwendet. Eine Schutzschicht aus Linsenmaterial oder einem anderen fokussierendenoder nicht fokussierenden akustischen transparenten Material ist über oder um die Anordnung200 herum gebildet. Ein bei hoher Temperatur oder bei Raumtemperatur vulkanisiertes Silikonkann beispielsweise über die Anordnung 208 gebildet werden. Wenn die Anordnung 200 vollständigabgetastet (bestückt) ist, liefert die zusätzliche Schutzschicht keinen Fokus oder begrenztenFokus.
[0120] Die flexiblen Schaltungen 206, 208 und die entsprechenden Signalverläufe sind mit gedrucktenLeiterplatten oder Multiplexern verbunden. Die Ausgangssignale der Multiplexer sind mit Kabeln22 verbunden. Die Kabel verbinden die Elemente 24 der Anordnung 200 elektrisch mit der Basiseinheit12.
[0121] In alternativen Ausführungsbeispielen sind verschiedene mehrdimensionale Anordnungengebildet, mit einem Multiplexer, der in der Sonde 18 integriert ausgebildet ist und/oder einerIsolation für den Sendeweg und dem Empfangsweg durch das Transducerelement 24. Das Multiplexen,beispielsweise ein Zeitmultiplexen, erlaubt ein Multiplexen von mehreren Kanälen auf einen einzelnenKanal. Das Ausmaß des Multiplexens, die gewünschte Bandbreite, die Mittenfrequenz und die Taktratebestimmen das verwendete Multiplexverfahren. Ein System mit einer 40 MHz Taktrate kann beispielsweiseeinen Transducer mit bis zu 25 MHz Mittenfrequenz verwenden, unter der Annahme, dass die Nyquist-Abtastsrate(Nyquist sampling rate) das bis zu 1,6-fache der Mittenfrequenz ist. Durch Multiplexen kanndie Mittenfrequenz reduziert werden, um die Anzahl von Systemkanälen oder Kabeln 22 zu reduzieren.In dem oben genannten Beispiel erlaubt ein 2:1 Multiplexer die Verwendung eines Transducersbis zu einer 12,5 MHz Mittenfrequenz mit einer 120%-Bandbreite, verdoppelt jedoch die Anzahlder Elemente 24, die ein Kabel 22 verwenden. Ein 3:1 Multiplexer erlaubt die Verwendung einesTransducer bis zu einer 8,3 MHz Mittenfrequenz 4:1 erlaubt 6,3 MHz, 5:1 erlaubt 5,0 MHz, 6:1erlaubt 4,2 MHz, 7:1 erlaubt 3,6 MHz und 8:1 erlaubt 2,5 MHz. Höhere Taktraten erlauben entweder mehrMultiplexing oder Transducer mit größerer Mittenfrequenz.
[0122] Einige mehrdimensionale Anordnungen liefern eine Mehrzahl von Transducerelementen, diemit N Elementen entlang einer ersten Richtung angeordnet sind, wobei N größer als Eins ist,und mit M Elementen entlang einer zweiten Richtung, wobei M größer als Eins und ungleich N ist.Beispielsweise haben eine Multi-PZT-Schichtlinearanordnung, eine 1,5D-, I-Strahl, +-Strahl- oderandere Anordnungen der Elemente 24 unterschiedliche Verteilungen der Elemente 24. Eine Sondenimmt die Anordnung 200 der Elemente 24 auf. Ein Multiplexer innerhalb der Sonde und mit mindestenszwei der Mehrzahl der Transducerelemente 24 verbunden, erlaubt eine größere Anzahl von Elementen24 mit einer geringeren Anzahl von Systemkanälen oder Kabeln 22, die mit der Basiseinheit 12verbunden sind.
[0123] Das Multiplexer erlaubt eine höhere Auflösung für 1,5-dimensionale Transduceranordnungen,beispielsweise Anordnungen mit zwei oder mehreren Elevationsreihen von 96 Elementen 24 in Azimutrichtung. Mit2:1 Zeitdomainmultiplexing verwendet beispielsweise eine 1,5D-Anordnung mit drei oder vier Reihenvon 96 Elementen 192 Systemkanäle oder Kabel 22 bei bis zu 12,5 MHz. Mit 7:1 Multiplexing vonsieben Segmenten oder Reihen von 96 Elementen 24 kann die Anordnung bei bis zu 3,6 MHz mit 192Systemkanälen oder Kabeln 22 in einem 40 MHz Taktratensystem arbeiten.
[0124] Eine plano-konkaver Transducer mit isolierten linken und rechten elevationsöffnungsbeabstandetenElementen 24 kann ebenfalls von Multiplexing profitieren. Siehe beispielsweise die Anordnungen,die in der US 6,043,589 beschrieben sind, deren Offenbarung durch Bezugnahme hiermit Bestandteilder Anmeldung wird. Zwei oder mehrere segmentierte Anordnungen arbeiten bei einer höheren Mittenfrequenzund/oder mit mehreren Elementen, indem Signale von einem oder von mehreren Elementen mit Signalenvon anderen Elementen multigeplext werden.
[0125] Die Transducer, die als zwei oder mehrere separate oder linear kreuzende oder gekrümmtelineare Anordnungen konfiguriert sind, können ebenfalls von Multiplexen profitieren. Eine erstelineare Anordnung ist entlang einer Richtung positioniert und eine zweite lineare Anordnungist entlang der zweiten Richtung oder nicht parallel zu der ersten Anordnung positioniert. VerschiedenI-Strahl-, +-Strahl- oder andere Anordnungen, die in der US 6,014,473 offenbart sind, derenOffenbarung durch Bezugnahme hiermit integriert wird, verwenden beispielsweise ein Multiplexen, umeine größere Anzahl von Elementen mit der gleichen Anzahl von oder mit weniger Kabeln 22 zu verbinden.In diesem Beispiel wird eine lineare Anordnung für das Abbilden verwendet, und eine oder mehrereandere orthogonale Anordnungen liefern eine Trackinginformation. Durch Multiplexen wird dieBildauflösung weniger beeinträchtigt, indem Systemkanäle oder Kabel für Trackinganordnungen(tracking arrays) verwendet werden. Beispielsweise verwenden ein Abbildungsarray (Imaging-Array)und zwei Tracking Arrays jeweils 192 Elemente 24 mit 3:1 Multiplexing für 192 Kabel 22. AndereVerteilungen der Elemente 24 innerhalb der Anordnungen können verwendet werden.
[0126] Bi-Schicht- oder Mehrschichttransduceranordnungen können ebenfalls von Multiplexing profitieren.Zwei oder mehrere Schichten von PZT innerhalb einer linearen oder einer anderen Anordnung von Elementen24 werden für harmonisches Abbilden (Harmonic-Imaging). Eine oder mehrere eindi-mensionale Anordnungen von Elementen 24 entlang der Azimutrichtung haben Schichten von Elementen24 oder PZT entlang der Bereichsrichtung. Beispielsweise verwenden die Anordnungen, die in derUS 10/076,688 (eingereicht am 14. Februar 2002) oder 5,957,851 offenbart sind mehrere Schichtenvon Elementen 24, die durch Elektroden getrennt sind. Das Multiplexing erlaubt eine größereAnzahl von separat adressierbaren PZT-Schichten und/oder Elementen 24. Die relative Phasenlageeiner Schicht zu einer anderen Schicht berücksichtigt entweder eine Grundoperation oder harmonischeOperation.
[0127] Eine Quadratgitterstruktur von Elementen als eine zweidimensionale Anordnung oder eineeinzelne lineare Anordnung können ebenfalls von Multiplexing profitieren. Das Multiplexing erlaubt mehrElemente mit weniger Systemkanälen oder Kabeln 22. Multiplexing liefert höher Auflösungen und/oderein schnelleres Abtasten für zwei- oder dreidimensionales Imaging.
[0128] Obwohl die Erfindung durch Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsbeispiele beschriebenworden ist, ist es selbstverständlich, dass Änderungen und Modifikationen vorgenommen werdenkönnen, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Es ist folglich beabsichtigt, dassdie oben genannte detaillierte Beschreibung als ein Beispiel eines gegenwärtigen bevorzugten Ausführungsbeispiels derErfindung verstanden werden soll und die Erfindung nicht definiert. Dies geschieht nur in denfolgenden Ansprüchen, einschließlich aller Äquivalente, die den Schutzbereich dieser Erfindungdefinieren sollen.