DE19613242A1 - Mechanischer Sektor-Scanner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Sektor-Scanner für ein Ultraschall-Diagnostikgerät, aufweisend einen Rotor, an dem wenigstens ein Ultraschall-Transducer angebracht ist, und einen zum Antrieb des Rotors vorgesehenen Motor.

Bei herkömmlichen mechanischen Sektor-Scannern ist zum An­ trieb des Rotors ein Elektromotor vorgesehen, der den Rotor unter Zwischenschaltung eines geeigneten Getriebes antreibt. Diese Sektor-Scanner sind für bestimmte Anwendungsfälle nicht oder nur bedingt brauchbar. Dies gilt z. B. für den Einsatz unter beengten Platzverhältnissen, da infolge dieses Aufbaus eine Miniaturisierung nur bedingt möglich ist. Es wurden zwar mechanische Sektor-Scanner für den endovaginalen und endorek­ talen Einsatz entwickelt, jedoch muß hier ein erheblicher Aufwand getrieben werden.

Ein weiterer Anwendungsfall, bei dem die Verwendung eines mechanischen Sektor-Scanners u. a. aus Platzgründen mit Pro­ blemen verbunden ist, ist der Einbau in fokussierten Ultra­ schall abstrahlende Therapiesonden, die zum Einsatz in Kör­ perhöhlen vorgesehen sind, so wie dies beispielsweise bei der Behandlung der benignen Prostata-Hyperplasie (BPH) der Fall ist, wo die Applikation einer eine therapeutische Ultra­ schall-Quelle und einen Sektor-Scanner enthaltenden Therapie­ sonde endorektal erfolgt.

Übrigens wurde für Endoskope ein mechanischer Ultraschall-Scanner entwickelt, der einen am distalen Ende einer biegsa­ men Welle angebrachten Ultraschall-Transducer enthält. Es be­ steht dann die Möglichkeit, Schnittbilder von großen Gefäßen zu erzeugen. Es können jedoch nur transversale Schnittbilder erzeugt werden. Dabei schränkt der nur relativ große Biege­ radius der biegsamen Welle die Einsatzmöglichkeiten weiter ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mechanischen Sektor-Scanner der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er für den Einsatz unter beengten Platzverhältnissen geeignet ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen mechanischen Sektor-Scanner für ein Ultraschall-Diagnostikge­ rät, aufweisend einen drehbar gelagerten Rotor, an dem wenig­ stens ein Ultraschall-Transducer angebracht ist, und einen zum Antrieb des Rotors vorgesehenen Motor, der den Rotor ohne Zwischenschaltung eines Getriebes antreibt.

Im Gegensatz zu bekannten mechanischen Sektor-Scannern treibt im Falle des erfindungsgemäßen Sektor-Scanners also der Motor den Rotor direkt an, so daß gute Voraussetzungen für die Miniaturisierung und somit für den Einsatz unter beengten Platzverhältnissen gegeben sind.

Im Zusammenhang mit der Miniaturisierung ist es außerdem von Vorteil, wenn der Motor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nach Art einer Turbine aufgebaut ist, deren Turbinenrad direkt an dem Rotor angebracht ist. Eine derarti­ ger Aufbau des Motors erleichtert auch den direkten Antrieb des Rotors. Als Druckmittel kommen übrigens prinzipiell so­ wohl Flüssigkeiten als auch Gase in Frage. In der Regel dürf­ ten jedoch Flüssigkeiten zu bevorzugen sein, da diese die Ultraschallbildgebung nicht bzw. in geringerem Maße als Gase beeinträchtigen. Vorzugsweise wird als Druckmittel ein leich­ tes Mineralöl verwendet, da dies materialverträglich und aus­ reichend niederviskos ist.

Gute Voraussetzungen zur Miniaturisierung sind auch gegeben, wenn als Motor ein piezoelektrischer oder elektromagnetischer Außenläufermotor vorgesehen ist.

Um sicherzustellen, daß der Rotor sich in der für die Ultra­ schall-Bilderzeugung erforderlichen Weise mit konstanter Win­ kelgeschwindigkeit und Phasenlage dreht, ist gemäß einer Va­ riante der Erfindung dem Motor-eine Drehzahlregeleinrichtung zugeordnet. Es wird so Synchronisation der Rotordrehung zu dem Ultraschall-Bilderzeugungssystem erreicht, mit dem der Sektor-Scanner zusammenwirkt.

Da insbesondere im Falle des Antriebs des Rotors mit einem druckmittelbetriebenen Motor die Drehzahl von nur schwer be­ schreibbaren, teilweise temperatur- und/oder lageabhängigen Einflußgrößen abhängt (z. B. Strömungsverhältnisse, Lagerrei­ bung, Viskosität des Druckmittels), da weiter die zur Dreh­ zahlregelung zur Verfügung stehenden Steuergrößen, nämlich Druck und Durchflußmenge des Druckmittels, abhängig vom. Meß­ ort sind, und da außerdem, insbesondere bei längeren Druck­ mittelleitungen Änderungen des Drucks und der Durchflußmenge des Druckmittels nur mit erheblichen Verzögerungszeiten wirk­ sam werden, sieht eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, daß die Drehzahlregeleinrichtung fuzzy logic (unscharfe Logik) enthält. Eine Drehzahlregeleinrich­ tung, die fuzzy logic enthält, kann aber auch in Verbindung mit anderen Motoren Verwendung finden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen am Beispiel eines diagnostischen Ultraschall-Applikators schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch einen einen er­ findungsgemäßen Sektor-Scanner enthaltenden diagno­ stischen Ultraschall-Applikator und in blockschalt­ bildartiger, schematischer Darstellung eine mit dem Ultraschall-Applikator zusammenwirkende Ultraschall-Diagnostikeinrichtung,

Fig. 2 und 3 Schnitte gemäß den Linien II-II und III-III in Fig. 1,

Fig. 4 in perspektivischer Darstellung den Rotor des in dem Ultraschall-Applikator gemäß den Fig. 1 bis 3 enthal­ tenen erfindungsgemäßen Sektor-Scanners,

Fig. 5 den Rotor eines weiteren erfindungsgemäßen Sektor-Scanners im Schnitt, und

Fig. 6 in zu der Fig. 5 analoger Darstellung den Rotor eines weiteren erfindungsgemäßen Sektor-Scanners.

Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, weist der diagno­ stische Ultraschall-Applikator ein rohrförmigen Gehäuse 1 auf, das beispielsweise aus Kunststoff gebildet ist. An "sei­ nem Applikationsende ist das Gehäuse 1 durch ein aus einem für Ultraschallwellen gut durchlässigen Material, beispiels­ weise Polymethylpenten (TPX®), gebildetes kuppelförmiges Ultraschall-Austrittsfenster 2 verschlossen. Der Innenraum des Ultraschall-Applikators ist mit einer als Ausbreitungs­ medium für Ultraschall geeigneten Flüssigkeit, beispielsweise leichtem Mineralöl, gefüllt.

In den dem Ultraschall-Austrittsfenster 2 benachbarten Be­ reich des Gehäuses 1 ist ein erfindungsgemäßer Sektor-Scan­ ner, der insgesamt mit 3 bezeichnet ist, eingesetzt.

Wie aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlich ist, weist der Sektor-Scanner 3 einen in seiner Gestalt der Innenkontur des Gehäu­ ses 1 im Bereich des Ultraschall-Austrittsfensters 2 ange­ paßten und in einer entsprechenden Ausnehmung des Gehäuses 1 fixierten Grundkörper 4 auf, der mit einer schlitzförmigen Ausnehmung versehen ist, in der ein Rotor 5 aufgenommen ist, an dem ein Ultraschall-Transducer 6 angebracht ist.

Der Rotor 5 ist auf einer in eine Bohrung des Grundkörpers 4 eingepreßten Achse 7 mittel eines Gleitlagers 8 drehbar gela­ gert.

Der Rotor 5 ist mittels eines druckmittelbetriebenen Motors angetrieben, und zwar unter Verwendung des in dem Ultra­ schall-Applikator enthaltenen Mineralöls als Druckmittel.

Dieser Motor ist nach Art einer Turbine aufgebaut und weist ein fest an dem Rotor 5 angebrachtes, mit einer Beschaufelung 9 versehenes Turbinenrad 10 auf, das in einer der die Achse 7 aufnehmenden Bohrung gegenüberliegenden Öffnung 11 des Grund­ körpers 4 aufgenommen ist, die nur wenig größer als der Außendurchmesser des Turbinenrades 10 ist. Der Antrieb des Rotors 6 erfolgt also ohne Zwischenschaltung eines Getriebes.

In dem Grundkörper 4 erstreckt sich ein Kanal 12, der so an­ geordnet ist, daß er durch die Öffnung 11 in zwei Abschnitte (nämlich einen Zulaufabschnitt 12a und einen Rücklaufab­ schnitt 12b) unterteilt ist, wobei der Zulaufabschnitt so an­ geordnet ist, daß als Druckmittel durch den Kanal 12 geleite­ tes Mineralöl unter einer geeigneten Strömungsrichtung, im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels tangential, auf die Beschaufelung 9 des Turbinenrades 10 trifft und dieses samt des Ultraschall-Transducers 6 in Rotation versetzt.

Dem Zulaufabschnitt 12a ist das Mineralöl über eine Leitung 13 zugeführt. Von dem Rücklaufabschnitt 12b gelangt das Mine­ ralöl über die in dem Grundkörper 4 vorgesehene schlitzför­ mige Ausnehmung zu einer Leitung 15. Die Leitungen 13 und 15 bilden einen Kreislauf, in den eine Pumpe 16 mit regelbarer Förderleistung (Förderdruck und/oder Durchflußmenge) einge­ fügt ist.

Der Ultraschall-Transducer 6 wirkt mit einer herkömmlich auf­ gebauten, einen Monitor 14 enthaltenden Ultraschall-Bilder­ zeugungseinrichtung 17 zusammen. Der hierzu erforderliche Austausch von elektrischen Signalen erfolgt über Schleifringe 18 und 19 sowie Schleifkontakte 20 und 21, wobei über den Schleifring 18 und den Schleifkontakt 20 die eigentlichen Signale laufen und der Schleifring 19 mit dem Schleifkontakt 21 die Masseverbindung herstellt.

Für die ordnungsgemäße Erzeugung von Ultraschall-Bildern be­ nötigt die Ultraschall-Bilderzeugungseinheit 17 auch ein Signal bezüglich der Winkelstellung des Rotors 5. Dieses wird dadurch erzeugt, daß der Schleifring 19 in in gleichen Win­ kelabständen voneinander angeordnete axial gerichtete Fort­ sätze 19₁ bis 19 _n (n= 1 bis 400) aufweist, die mittels eines weiteren Schleifkontaktes 22 abgetastet werden, der über einen Widerstand 23 mit einer positiven Spannung U+ verbunden ist.

Das an dem Schleifkontakt 22 zur Verfügung stehende Rechteck­ signal ist nicht nur der Ultraschall-Bilderzeugungseinheit 17, sondern außerdem auch einer unter Verwendung von fuzzy logic aufgebauten Drehzahlregeleinrichtung 24 zugeführt, die die Förderleistung der Pumpe 16 im Sinne einer definierten, konstanten Winkelgeschwindigkeit des Rotors 5, also einer konstanten Frequenz des Rechtecksignals, regelt.

Der im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene Aufbau des druckmittelbetriebenen Motors als Turbine ist nur beispielhaft zu verstehen; der druckmittelbetriebene Motor kann auch andersartig, z. B. als Drehkolbenmotor, aufgebaut sein.

Anstelle eines druckmittelbetriebenen Motors kann gemäß Fig. 5 auch ein piezoelektrischer Außenläufermotor vorgesehen sein. Wie aus der Fig. 5 ersichtlich ist, enthält dieser einen auf der Achse 7 fest angebrachten tubusförmigen piezo­ keramischen Schwinger 25 als Stator. Dieser ist an seiner inneren Wandfläche mit in gleichen Winkelabständen voneinan­ der angeordneten Elektroden 26₁ bis 26 _m versehen. Bei den Elektroden 26₁ bis 26 _m handelt es sich um Signalelektroden. An seiner äußeren Wandfläche ist der tubusförmige Schwinger 25 mit einer einzigen ringförmigen, vorzugsweise die gesamte äußeren Wandfläche bedeckenden Masseelektrode versehen, die in Fig. 5 nicht dargestellt ist. Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels sind sechs Signalelektroden vorgesehen (m=6). Als praktikabler Bereich für die Anzahl der Signal­ elektroden ist m=3 bis 100 zu nennen. Der Stator wird durch Anlegen von phasengesteuerten Spannungssignalen an die Si­ gnalelektroden 26₁ bis 26 _m zu rotierenden Oberflächenwellen, sog. Rayleigh-Wellen, angeregt. Die Generatoreinrichtung zur Erzeugung der phasengesteuerten Spannungssignale sowie die Leitungen, über die Generatoreinrichtung mit den Signalelek­ troden 26₁ bis 26 _m und der Masseelektrode verbunden ist, sind in Fig. 5 nicht dargestellt.

Am äußeren Umfang des piezokeramischen Schwingers 25 befindet sich eine verschleißfeste Reibschicht 27, deren Oberflächen­ teilchen durch die Rayleigh-Wellen in Kreisbewegungen ver­ setzt werden. Der Rotor 5 weist eine die Reibschicht 27 um­ gebende Reibfläche 28 auf. Am Scheitelpunkt der Kreisbewegung berühren sich jeweils die Oberflächen der Reibschicht 27 und der Reibfläche 28. Dadurch erfährt der Rotor 5 eine stetige Impulsfolge in eine Drehrichtung und wird dadurch in Rotation versetzt.

Bezüglich der Lagerung des Rotors 5, der Ausbildung der Schleifringe und Schleifkontakte für die Verbindung des Ultraschall-Transducers 6 mit der Ultraschall-Bilderzeugungs­ einheit 17 und für die Positionsüberwachung des Rotors 5 gel­ ten die einschlägigen Ausführungen zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 4 sinngemäß.

Weiter kann gemäß Fig. 6 ein elektromagnetischer Außenläufer­ motor an die Stelle des druckmittelbetriebenen Motors treten. Wie Fig. 6 zeigt, enthält dessen auf der Achse 7 fest ange­ brachter Stator 29 Polschuhe 30₁ bis 30 _p sowie die zugehöri­ gen Statorwicklungen 31₁ bis 31 _p. Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels sind p=3 Polschuhe und Statorwicklungen vorgesehen. Als praktikabler Bereich für die Anzahl der Pol­ schuhe und Statorwicklungen ist p=3 bis 100 zu nennen. Durch phasengesteuerte Stromsignale durch die Statorwicklungen 31₁ bis 31 _p wird ein magnetisches Drehfeld erzeugt, das auf die Polschuhe 32₁ bis 32 _r (p = 2 bis 12) des an dem Rotor 5 ange­ brachten permanentmagnetischen Rotors 33 ein Drehmoment aus­ übt, wodurch die Rotoren 5 und 33 gemeinsam in Rotation ver­ setzt werden. Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels weist der Rotor 33 r=2 Polschuhe auf. Als praktikabler Be­ reich für die Anzahl der Polschuhe des Rotors 33 ist r=2 bis 12 zu nennen.

Die Generatoreinrichtung zur Erzeugung der phasengesteuerten Stromsignale sowie die Leitungen, über die diese den Stator­ wicklungen 31₁ bis 31 _p zugeführt sind, sind in Fig. 6 nicht dargestellt.

Auch im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 6 gelten bezüglich der Lagerung des Rotors 5, der Ausbildung der Schleifringe und Schleifkontakte für die Verbindung des Ultraschall-Transducers 6 mit der Ultraschall-Bilderzeugungs­ einheit 17 und für die Positionsüberwachung des Rotors 5 die einschlägigen Ausführungen zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 4 sinngemäß.

Claims (7)

1. Mechanischer Sektor-Scanner für ein Ultraschall-Diagno­ stikgerät, aufweisend einen drehbar gelagerten Rotor (5), an dem wenigstens ein Ultraschall-Transducer (6) angebracht ist, und einen zum Antrieb des Rotors (5) vorgesehenen Motor, der den Rotor (5) ohne Zwischenschaltung eines Getriebes an­ treibt.

2. Sektor-Scanner nach Anspruch 1, der einen druckmittelbe­ triebenen Motor aufweist.

3. Sektor-Scanner nach Anspruch 2, dessen Motor nach Art ei­ ner Turbine aufgebaut ist, deren Turbinenrad (10) direkt an dem Rotor (5) angebracht ist.

4. Sektor-Scanner nach Anspruch 1, dessen Motor als piezo­ elektrischer Außenläufermotor ausgebildet ist.

5. Sektor-Scanner nach Anspruch 1, dessen Motor als elektro­ magnetischer Außenläufermotor ausgebildet ist.

6. Sektor-Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dessen Rotor-Antrieb eine Drehzahlregeleinrichtung (24) enthält.

7. Sektor-Scanner nach Anspruch 6, dessen Drehzahlregelein­ richtung (24) fuzzy logic enthält.