DE19709241A1 - Abtastungsultraschallsonde mit lokal getriebener Wobbelultraschallquelle - Google Patents
Abtastungsultraschallsonde mit lokal getriebener WobbelultraschallquelleInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Innenhohlraum
ultraschallsonden und insbesondere auf Innenhohlraumultra
schallsonden, die Gewebe abtasten, die die Ultraschallsonde
umgeben, und zwar durch mechanisches Bewegen eines Wandlers
in der Ultraschallsonde.
Für viele Krankheiten kann eine genauere Diagnose durchge
führt werden, wenn eine Abbildung des Körpergewebes, das
durch die Krankheit beeinträchtigt ist, beobachtet werden
kann. Viele Körpergewebe sind jedoch nicht ohne weiteres
beobachtbar. In jüngster Zeit wurde die Ultraschallabbildung
sehr stark für das Diagnostizieren von Krankheiten in einem
Körperhohlraum, wie z. B. in dem Gefäßsystem, in dem gastro
intestinalen Trakt und dergleichen, verwendet. Dies betrifft
das Einführen einer Ultraschallsonde in den Zielkörperbe
reich mit einem Katheter. Die Ultraschallsonde sendet einen
Schallimpuls in den Körper und erfaßt die Reflexionen des
Pulses an Gewebegrenzen aufgrund von Differenzen der Schall
impedanz. Die sich unterscheidenden Zeitpunkte, die der
Wandler benötigt, um den reflektierten Puls zu empfangen,
entsprechen Variationen des Abstands der Gewebegrenzen von
der Ultraschallsonde. Durch stufenweises Bewegen oder durch
Wobbeln der Ultraschallsonde über einen ausgewählten Winkel
kann eine zweidimensionale Ultraschallabbildung, die einer
Karte der Schallimpedanzgrenzen entspricht, erhalten werden.
Die Intensität und Position der Reflexionen von diesen Gren
zen werden Informationen bezüglich des Zustands des abgebil
deten Körpergewebes liefern.
Im allgemeinen existieren zwei Typen von Ultraschallsonden
zur diagnostischen Ultraschallabbildung. Der erste verwendet
eine Technik der synthetischen Apertur. Das US Patent Nr.
4,917,097 (Proudian u. a.) und das US Patent Nr.
5,186,177 (O′Donnell u. a.) lehren beispielsweise, wie ein
Ultraschallstrahl elektronisch von einem Wandler unter Ver
wendung des Verfahrens der synthetischen Apertur gelenkt
wird. Im allgemeinen betrifft dies die sequentielle Erregung
ausgewählter Elemente in einem Array von Wandlerelementen.
Die Vorrichtung im zweiten Patent tastet durch mechanische
Drehung einer Einrichtung, um akustische Pulse zu lenken,
ab. Der mechanisch gedrehte Typ umfaßt ein paar Unterklas
sen. In der ersten Unterklasse wird entweder der distale
(von dem Betreiber entfernte) Wandler oder ein Spiegel von
dem proximalen Ende des Katheters durch eine erweiterte
Antriebswelle mit einem proximalen Motor gedreht (US
Patent Nr. 4,794,931 (Yock) und US Patent Nr. 5,000,185
(Yock)). In der zweiten Unterklasse ist die Drehung auf das
distale Ende begrenzt, wobei entweder ein Miniaturmotor
(US Patent Nr. 5,240,003 (Lancee u. a.) und US Patent Nr.
5,176,141 (Bom u. a.)) oder eine Fluid-getriebene Turbine
verwendet wird, um den Wandler oder den Spiegel zu drehen
(US Patent Nr. 5,271,402 (Yeung und Dias)). In einer
dritten Unterklasse wird ein stationärer proximaler Wandler
akustisch mit einem sich drehenden akustischen Wellenleiter
gekoppelt, der den Schall zu dem distalen Ende leitet (z. B.
US Patent Nr. 5,284,148 (Dias und Melton). In einer wei
teren Unterklasse, wie z. B. in dem US Patent Nr.
5,509,418 (Lum u. a.), wird eine Turbine durch ein Schall
signal gedreht, das außerhalb des Gefäßes erzeugt wird, um
ein anderes Ultraschallsignal auf eine sich drehende Art und
Weise zu lenken. In einer weiteren Unterklasse, z. B. US
Patent Nr. 5,507,294 (Lum u. a.), dreht ein externes An
triebsbauglied eine Röhre, um ein reflektierendes Element an
der Spitze der Röhre zu drehen, um einen Ultraschall zu re
flektieren.
Gegenwärtig ist der am weitesten verbreitete Typ einer In
nenhohlraumultraschallsonde das mechanisch gedrehte System
mit einem Wandler mit einem einzigen planaren Element, das
an dem distalen Ende des Katheters plaziert ist. Ein Grund
für diesen Vorzug ist die überlegene Bildqualität im Ver
gleich zu gegenwärtigen Systemen mit synthetischer Apertur.
Die mechanisch gedrehten Ultraschallsonden weisen jedoch be
stimmte Nachteile auf. Bei einer Ultraschallsonde mit einem
Antriebsmotor proximal zum Betreiber, d. h. von dem Wandler
entfernt, wird im allgemeinen ein Antriebskabel, das von
einer Hülle umgeben ist, benötigt, um eine mechanische
Energie zu der Spitze des Katheters, die den Wandler ent
hält, zu übertragen. Ein langes Kabel kann die Energie nicht
gleichmäßig zu der Katheterspitze übertragen, um den Wand
ler oder den Reflektor gleichmäßig zu drehen. Ferner ist die
Sonde für ein Versagen nach einer bestimmten Zeit anfällig,
und zwar aufgrund der schnellen und wiederholten Drehung des
Kabels innerhalb der Hülle. Andererseits muß der Motor, wenn
ein solcher neben der Spitze des Katheters positioniert ist,
klein sein. Solche zerbrechliche Motoren sind elektrisch und
mechanisch komplex, was sie sehr teuer macht. Zusammen mit
mechanischen Teilen, z. B. Kugellagern usw., die einer
strengen Bewegung unterworfen sind, ist der Motor für ein
Versagen anfällig. Es wird eine Ultraschallsonde mit einer
strukturell einfachen Betätigungsvorrichtung an der Spitze
des Katheters zum Bewegen eines Wandlers benötigt, um Gewebe
abzutasten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
robuste Ultraschallsonde zum Abbilden von Gewebe von einem
Hohlraum innerhalb des Körpers eines Patienten aus zu schaf
fen.
Diese Aufgabe wird durch eine Ultraschallsonde gemäß An
spruch 1 und durch ein Verfahren zum Verwenden einer Ultra
schallsonde gemäß Anspruch 10 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Ultraschallsonde zum
Abbilden von Geweben von dem Inneren eines Körperhohlraums
eines Patienten aus. Die Ultraschallsonde ist länglich und
weist ein distales Ende auf, das zum Einführen in den Kör
perhohlraum geeignet ist. Das proximale Ende der Ultra
schallsonde bleibt außerhalb des Körpers.
Die Ultraschallsonde umfaßt ein Gehäuse in der Nähe des di
stalen Endes der Ultraschallsonde, eine Ultraschallstrahl
emittierungsanordnung mit einem drehbaren Teil und mit einem
Treiber zum Erzeugen einer Drehbewegung an dem drehbaren
Teil. Das Gehäuse weist einen Abschnitt auf, der akustisch
transparent ist. Der drehbare Teil ist bewegbar und wirksam
mit dem Gehäuse verbunden, d. h. der drehbare Teil kann in
direkt mit dem Gehäuse beispielsweise über einen Elektroma
gneten verbunden sein. Der drehbare Teil kann entweder auf
sich befestigt einen Wandler zum Emittieren von Ultraschall
oder einen Reflektor zum Reflektieren von Ultraschall von
einer Ultraschallquelle aufweisen. In jedem Fall wobbelt der
drehbare Teil Ultraschallenergie in einem ausgewählten Win
kel, wenn sich derselbe dreht. Der Treiber ist in der Nähe
des Wandlers positioniert, derart, daß alle Antriebsbewe
gungen zum Treiben der Drehbewegung in der Nähe des distalen
Endes der Ultraschallsonde auftreten.
Bei der Ultraschallsonde der vorliegenden Erfindung wird
nicht länger ein Kabel zum Übertragen von Drehenergie von
dem proximalen Ende zu dem distalen Ende der Ultraschallson
de benötigt, wie es dagegen bei Geräten gemäß dem Stand der
Technik der Fall ist. In der Tat muß keine Energie mecha
nisch von dem proximalen Ende zu der Spitze der Ultraschall
sonde übertragen werden. Die Ultraschallsonde der vorliegen
den Erfindung kann auf vorteilhafte Weise zum Abbilden von
Geweben in einem Körperhohlraum, z. B. in einem Blutgefäß,
verwendet werden. Das Abbilden kann durch Abtasten eines
Schallstrahls aus Ultrasschallpulsen über die Gewebe durch
eine Drehbewegung einer Plattform, auf der ein Wandler
befestigt ist, durchgeführt werden. Sobald sich die Platt
form dreht, wobbelt der Wandler, der auf der Plattform be
festigt ist, hin und her, wodurch der Schallstrahl in einem
ausgewählten Winkel gewobbelt wird. Vorzugsweise dreht sich
die Plattform um eine Drehlinie bei etwa der Mitte der
Plattform auf eine schaukelnde (oder wippende) Art und Wei
se. Bei der bevorzugten Vorrichtung ist die Drehlinie ein
Torsionsarm, der verdrehbar ist, um eine Drehung der Platt
form zu ermöglichen. Daher existiert kein mechanisches Glei
ten, Rollen oder eine Reibungsbewegung. Dies reduziert das
Risiko des Versagens der Ultraschallsonde.
Darüber hinaus ist im Gegensatz zu motorisierten Ultra
schallsonden das elektromechanische System, das verwendet
wird, um die Drehbewegung anzutreiben, bei der vorliegenden
Erfindung relativ einfach. Keine komplizierte Stator- und
Rotor-Vorrichtung wird an dem distalen Ende der Ultraschall
sonde benötigt, an dem der Wandler positioniert ist. Daher
kann ein kleiner Treiber, der zum Betätigen der Drehbewegung
benötigt wird, mit gesteigerter Zuverlässigkeit für die Ul
traschallsonde hergestellt werden. Dies wird die Herstellung
einer Ultraschallsonde ermöglichen, die sogar in kleinen
Blutgefäßen oder Körperhohlräumen verwendbar ist. Sowohl
nach vorne ausgerichtete als auch seitlich ausgerichtete
Wandler können in der gleichen Ultraschallsonde implemen
tiert sein. Dies macht den Bedarf nach mehreren Instrument
wechselvorgängen überflüssig, wenn sowohl nach vorne ausge
richtete als auch seitlich ausgerichtete Fähigkeiten erfor
derlich sind, wodurch die Zeit reduziert wird, die für das
Abbildungsverfahren benötigt wird, und wodurch das Trauma
reduziert wird, das aus dem Manövrieren des Katheters inner
halb des Körpers resultiert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich
nungen detaillierter erläutert. Aus Klarheitsgründen sind
die Zeichnungen nicht immer maßstabsgetreu wiedergegegeben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ultraschall
sonde gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Abbildungs
führungsdrahts gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei der Führungsdraht gezeigt ist, wie er in ei
nem Blutgefäß angeordnet ist;
Fig. 3A eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei
spiels eines Abbildungsführungsdrahts gemäß der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 3B eine schematische Darstellung einer axialen Ansicht
eines Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3A, wobei die
Drehrichtung dargestellt ist;
Fig. 3C eine schematische axiale Darstellung in Axialan
sicht des weiteren Ausführungsbeispiels gemäß Fig.
3A, wobei die Drehrichtung dargestellt ist;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Aus
führungsbeispiels einer Ultraschallsonde gemäß der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei
spiels noch einer weiteren Ultraschallsonde gemäß
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine isometrische Darstellung eines Ausführungsbei
spiels einer Ultraschallsonde gemäß der vorliegen
den Erfindung, wobei der Wandler in einer platten
förmigen Stufe gezeigt ist;
Fig. 7 eine Schnittansicht entlang einer Linie 7-7 von
Fig. 6;
Fig. 8 eine Teilexplosionsansicht der Mikrobetätigungsvor
richtung einer Ultraschallsonde gemäß der vorlie
genden Erfindung, die einen Elektromagneten zeigt;
Fig. 9A eine Teilexplosionsansicht der Mikrobetätigungsvor
richtung einer weiteren Ultraschallsonde gemäß der
vorliegenden Erfindung, die einen Elektromagneten
zeigt;
Fig. 9B eine Teilexplosionsansicht der Mikrobetätigungs
vorrichtung einer weiteren Ultraschallsonde gemäß
der vorliegenden Erfindung, die einen Elektroma
gneten mit einem Kern mit einem Finger zeigt;
Fig. 10 eine Schnittansicht von Materialschichten während
des Bildens eines Ausführungsbeispiels einer Stufe
bei der Herstellung der Mikrobetätigungsvorrichtung
einer Ultraschallsonde gemäß der vorliegenden Er
findung;
Fig. 11 eine Schnittansicht von Materialschichten während
der Bildung eines Ausführungsbeispiels einer Stufe
bei der Herstellung der Mikrobetätigungsvorrichtung
einer Ultraschallsonde gemäß der vorliegenden Er
findung, wobei die Herstellung einer Strukturierung
einer Schicht aus magnetischem Material gezeigt
wird;
Fig. 12 eine Schnittansicht von Materialschichten während
der Bildung eines Ausführungsbeispiels einer Stufe
bei der Herstellung der Mikrobetätigungsvorrichtung
einer Ultraschallsonde gemäß der vorliegenden Er
findung, wobei eine gebildete Schicht aus magneti
schem Material gezeigt ist;
Fig. 13 eine Schnittansicht von Materialschichten während
des Bildens eines Ausführungsbeispiels einer Her
stellungsstufe der Mikrobetätigungsvorrichtung ei
ner Ultraschallsonde gemäß der vorliegenden Erfin
dung, wobei die Bildung eines Hohlraums gezeigt
ist, in dem die Wandleranordnung gedreht werden
kann;
Fig. 14 eine Schnittansicht von Materialschichten während
des Bildens eines Ausführungsbeispiels einer Stufe
bei der Herstellung der Mikrobetätigungsvorrichtung
einer Ultraschallsonde gemäß der vorliegenden Er
findung, wobei ein auf der Platte angeordneter
Wandler gezeigt ist;
Fig. 15 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels ei
ner Stufe in der Ultraschallsonde gemäß der vorlie
genden Erfindung, wobei die Platte gedreht gezeigt
ist, um in einer ersten Richtung ausgerichtet zu
sein;
Fig. 16 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels ei
ner Stufe bei der Ultraschallsonde gemäß der vor
liegenden Erfindung, wobei die Platte gedreht ge
zeigt ist, um in einer zweiten Richtung ausgerich
tet zu sein;
Fig. 17 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbei
spiels einer Stufe bei der Ultraschallsonde gemäß
der vorliegenden Erfindung, wobei eine Platte ge
zeigt ist, die an dem Ende der Platte getragen ist;
Fig. 18 eine schematische Darstellung einer Draufsicht ei
ner Stufe gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei
eine kardanische Wandleranordnung gezeigt ist; und
Fig. 19 eine schematische Darstellung einer Stufe und eines
elektrostatischen Betätigungssystems gemäß der vor
liegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Ultraschallsonde, die
eine Betätigungsvorrichtung in der Nähe der Sondenspitze
aufweist, wobei dieselbe in den Körper eines Patienten ein
führbar ist. Da die Betätigungsvorrichtung an der Spitze
ist, wird ein langes System zum Übertragen von mechanischer
Energie zum Übertragen von Energie von einem Motor oder ei
ner ähnlichen mechanischen Betätigungsvorrichtung außerhalb
des Körpers überflüssig. Somit besteht kein Bedarf nach
schwierigen Merkmalen, wie z. B. Kabeln, zum mechanischen
Drehen des Wandlers in Zyklen von 360° in einer Schutzab
deckung oder Hülle.
Eine beispielhafte Ultraschallsonde der vorliegenden Erfin
dung ist in Fig. 1 schematisch gezeigt. Die Sonde 100 weist
einen distalen Endabschnitt 102 zum Einfügen in den Kör
perhohlraum eines Patienten, z. B. in eine Arterie, und ein
proximales Ende 103 für den Mediziner auf, um den Betrieb
der Sonde zu steuern. Zwischen dem distalen Endabschnitt 102
und dem proximalen Ende 103 befindet sich ein länglicher
Hauptkörper 104. Der längliche Körper 104 ist mit einem
"Abbildungskopf" 106 an dem distalen Ende 108 der Ultra
schallsonde verbunden. Bezüglich seiner Verwendung in dieser
Anmeldung bezieht sich der Ausdruck "distales" Ende der
Ultraschallsonde auf das Ende, das in den Körperhohlraum
eines Patienten eingeführt werden kann, z. B. in das Lumen
eines Blutgefäßes. Bezüglich seiner Verwendung in dieser
Anmeldung bezieht sich der Ausdruck "Körperhohlraum" auf
einen hohlen Bereich, der im allgemeinen von Wänden umgeben
ist, obwohl der hohle Bereich nicht notwendigerweise voll
ständig umschlossen sein muß. Ferner ist ein Körperhohlraum
nicht auf ohne weiteres zugreifbare Hohlräume, wie z. B. den
oralen Hohlraum, das Rektum und dergleichen, begrenzt. In
der folgenden Beschreibung wird ein Blutgefäß als Beispiel
für den Körperhohlraum verwendet, in dem die Ultraschallson
de verwendet werden kann. Es ist jedoch offensichtlich, daß
die vorliegende Erfindung zur Verwendung in einer Vielzahl
von Körperhohlräumen, wie z. B. in einer Herzkammer, in der
Speiseröhre, in dem Bauch, in dem Darm, in dem Bauchhohl
raum, in der Blase, in dem Uterus oder dergleichen, angepaßt
werden kann.
Fig. 2 zeigt, wie die Ultraschallsonde 100 in einem Blut
gefäß 112 angeordnet ist. Der Abbildungskopf 106 enthält
eine Ultraschallemittierungsanordnung, welche einen Wandler
und die Betätigungsvorrichtung zum Bewegen des Wandlers auf
weist, um einen Ultraschallstrahl in dem Blutgefäß 112 abta
sten zu lassen. Der Ultraschallstrahl besteht aus Pulsen.
Das proximale Ende 103, welches von dem distalen Ende 108
entfernt ist, ist elektrisch mit einer Ultraschallsteuerung
114 (siehe Fig. 1) verbunden, die die Emission und den Emp
fang von Ultraschall sowie das Lenken der Ultraschallemit
tierungsanordnung steuern. Diese Steuerung 114 kann ferner
die Fähigkeit besitzen, die elektronischen Signale zu analy
sieren, die von der Ultraschallsonde als Ergebnis von Ul
traschallsignalen, die von dem Abbildungskopf 106 empfangen
wurden, übertragen werden. Vorzugsweise kann die Steuerung
114 ferner Daten speichern und anzeigen. In diesem Fall kön
nen Computer, CRT-Monitore (CRT = Cathode Ray Tube = Katho
denstrahlröhre) und dergleichen in der Steuerung 114 vorhan
den sein.
Es wird bevorzugt, daß das proximale Ende 103 von der Steue
rung entfernbar ist, um ein Einführen der Sonde zu einer ge
wünschten Position in dem Körperhohlraum zu erleichtern. Ei
ne längliche Hülle 116 ist derart gezeigt, daß sie einen we
sentlichen Abschnitt des länglichen Körpers 104 der Ultra
schallsonde 100 umgibt. Eine solche Hülle kann beispielswei
se in den Körperhohlraum eingeführt werden, nachdem die Ul
traschallsonde, z. B. in dem Fall, in dem die Ultraschall
sonde ein Führungsdraht (oder "guide wire"= Leitsonde) ist,
an der erwünschten Position plaziert worden ist. Eine solche
Hülle kann zum Einführen verschiedener Objekte, z. B. eines
angiographischen Katheters , von Schrittmacherkathetern, von
Schneidewerkzeugen für die Atherektomie, usw., in den Kör
perhohlraum verwendet werden. Statt einer Hülle kann die
Struktur 116 ebenfalls beispielsweise der Katheter selbst
sein. Es sei ins Auge gefaßt, daß eine abbildende Ultra
schallsonde, die kein Führungsdraht ist, basierend auf der
vorliegenden Offenbarung durch einen Fachmann hergestellt
werden kann. Eine solche Nicht-Führungsdraht-Ultraschall
sonde kann mittels einer Hülle oder eines Führungsdrahtes in
den Körperhohlraum eingeführt werden.
Fig. 3A zeigt weitere Details eines Abschnitts eines Ausfüh
rungsbeispiels einer Ultraschallsonde in der Form eines Ab
bildungsführungsdrahts (als 100A in Fig. 3A bezeichnet) an
dem distalen Ende 108. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist
der längliche Körper 104 des Abbildungsführungsdrahts 100A
eine röhrenförmige Wand 121 auf, die mit dem Abbildungskopf
106 verbunden ist. Der Abbildungskopf 106 weist ein Gehäuse
122 zum Umgeben und Schützen einer Mikrobetätigungsvorrich
tung 120A mit einer drehbaren Wandleranordnung 124A zum
Emittieren und Empfangen von Ultraschallsignalen auf. Das
Gehäuse 122 ist für Ultraschall, der von der Wandleranord
nung 124A emittiert wird, akustisch im wesentlichen transpa
rent (oder sonolucent). Alternativ kann abhängig von der
Anwendung das Gehäuse 122 ein Fenster zum Emittieren und
Empfangen von Ultraschall aufweisen. Ein Träger 126 ist in
der Nähe der Mikrobetätigungsvorrichtung 120A positioniert
und trägt dieselbe in starrer Beziehung zu dem Gehäuse 122
und zu der Wand 121 bis auf das flexible Wesen der Wand.
Der Abbildungsführungsdraht (d. h. die Ultraschallsonde)
weist eine imaginäre Mittellinie auf, die sich longitudinal
entlang des länglichen Körpers 104 erstreckt. Die Mittel
linie des Abbildungsführungsdrahts neben dem Abbildungskopf
106 ist im wesentlichen eine gerade Linie und fällt mit der
longitudinalen Achse 123 des distalen Abschnitts des Abbil
dungsführungsdrahts 100A zusammen. Der Wandler 144 (siehe
Fig. 6) ist seitlich von der Mikrobetätigungseinrichtung
120A positioniert. Bezüglich seiner Verwendung in dieser
Beschreibung verweist der Ausdruck "seitlich" auf eine Po
sitionsbeziehung in einer Richtung radial zu der Achse 123
des Abbildungsführungsdrahts. Eine Flüssigkeit 127 ist in
dem Gehäuse 122 enthalten. Die Flüssigkeit 127 paßt die Ul
traschallimpedanz des Gehäuses 122 an, um Rückschwingungen
zu reduzieren, die die Drehwirkung der Mikrobetätigungsvor
richtung 120A dämpfen. Der Träger 126 kann ebenfalls eine
flüssigkeitsdichte Abdichtung mit dem Gehäuse 122 bilden, um
die Flüssigkeit zu enthalten, obwohl derselbe ebenfalls
nicht-flüssigkeitsdicht sein kann, um eine Infusion von
Fluid von dem proximalen Ende zu der Kammer zu erlauben, die
durch das Gehäuse 122 definiert ist. Die Wandleranordnung
124A ist im allgemeinen planar und ihre Normalpunkte sind im
allgemeinen senkrecht zu der Achse 123 des Abbildungsfüh
rungsdrahts 100A. Sobald die Wandleranordnung 124A einen Ul
traschallstrahl emittiert, schaukelt die Mikrobetätigungs
vorrichtung 120A die Wandleranordnung 124A, um den Ultra
schallstrahl in einer Ebene senkrecht zu der Achse 123 zu
wobbeln, wie es in Fig. 3B gezeigt ist. Die Wobbelbewegung
des Ultraschallstrahls ist durch den zweiköpfigen Pfeil E
gezeigt.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel sind der Wandler
und die Mikrobetätigungsvorrichtung derart angeordnet, daß
der Ultraschallstrahl aus einer Ebene parallel zu der Achse
123 wobbelt. Der Wobbelweg des Ultraschallstrahls ist durch
das Symbol ⚫, durch F markiert, gezeigt, das bezüglich Fig.
3C in die Seite hinein verläuft. Die Drähte zum Erregen des
Wandlers auf der Wandleranordnung 124A und der Mikrobetäti
gungsvorrichtung können entlang eines Kabels 129 innerhalb
der röhrenförmigen Wandler 121 positioniert sein (siehe Fig.
3A). Ein relativ steifer, jedoch flexibler Drahtkern 128 be
rührt den Träger 126 zum Einführen und Drängen des Führungs
drahts in den Körperhohlraum. Vorzugsweise ist der Drahtkern
128 an dem Träger 126 angebracht, um das Einfügen zu er
leichtern. Alternativ können der Kern 128 und das Kabel kom
biniert sein, z. B. der Kern 128 kann der Kern eines Ko
axialkabels sein, während der Außenleiter des Koaxialkabels
mit Masse verbunden ist. Die Führungsdrähte der vorliegenden
Erfindung besitzen die üblichen Strukturen, die es erlauben,
daß ein Führungsdraht korrekt funktioniert. Die röhrenför
mige Wand 121 des Führungsdrahts umfaßt beispielsweise Spu
len, um es zu ermöglichen, daß der Führungsdraht flexibel
ist. Beispielhafte Verfahren zum Herstellen, beispielhafte
Verfahren zum Verwenden und beispielhafte Strukturen von
Führungsdrähten sind beispielsweise in dem US Patent Nr.
5,517,989 (Frisbie u. a.), in dem US Patent Nr. 5,497,782
(Fugoso), in dem US Patent Nr. 5,520,189 (Malinowski u. a.)
und in dem US Patent Nr. 5,548,948 (Hamm u. a.) be
schrieben.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Ultraschallsonde
der vorliegenden Erfindung ist der distale Abschnitt der Ul
traschallsonde in Fig. 4 gezeigt, wobei der Wandler in der
Wandleranordnung 124B distal bezüglich der Mikrobetätigungs
vorrichtung 120B befestigt ist, wodurch eine Art und Weise
geschaffen ist, um axial abzutasten, d. h. der Abtastwinkel
kann einen Zentralwert allgemein entlang der Achse 123 der
Ultraschallsonde aufweisen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Ultraschallson
de, die in Fig. 5 gezeigt ist, wird eine Wandleranordnung
124C in der Nähe des distalen Endes 108 der Ultraschallsonde
100C entlang der Sondenachse 123 getragen. Ein Wandler 124C
emittiert einen Ultraschallstrahl axial zu dem proximalen
Ende hin. Die Mikrobetätigungsvorrichtung 120 und ein dreh
barer Reflektor 130 sind in einem schiefen Winkel zu der
Achse 123 der Ultraschallsonde befestigt, derart, daß der
Reflektor den axial gerichteten Ultraschallstrahl in einer
radialen Richtung reflektiert. Sobald sich der Reflektor 130
dreht, wobbelt derselbe den Ultraschallstrahl zu Positionen
seitlich bezüglich der Ultraschallsonde 100C, wodurch die
Wand des Blutgefäßes 112 seitlich bezüglich der Ultraschall
sonde abgetastet wird.
Fig. 6 zeigt eine Stufe 132 der Ultraschallsonde gemäß der
vorliegenden Erfindung detaillierter. Fig. 7 zeigt eine
Schnittansicht der Stufe 132 entlang der Linie 7-7 in Fig.
6. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Stufe 132 im all
gemeinen plattenförmig. Bezüglich seiner Verwendung in die
ser Anmeldung verweist der Auszug "Stufe" auf die Struktur,
die das Substrat, die Platte, Torsionsarme, Magnetmaterial
und den Wandler enthält, welche nachfolgend beschrieben
werden. Ein Hohlraum 133 in der Stufe 132 ist von Wänden
134A, 134B, 134C, 134D umgeben, auf denen die Leisten 136A,
136B, 136C, 136D sind. Eine im allgemeinen rechteckige Plat
te 138 wird auf zwei gegenüberliegenden Leisten 136A, 136C
durch zwei Torsionsarme 140A, 140C getragen, wobei einer
ungefähr um die Mitte jeder gegenüberliegenden Kante der
Stufe 132 positioniert ist. Eine Platte 138, deren Dicke
viel kleiner als ihre zwei anderen Abmessungen ist, wird auf
den Torsionsarmen 140A, 140C balancemäßig gehalten, wobei
der Schwerpunkt der Platte auf einer imaginären Linie ist,
die die Torsionsarme verbindet. Die Torsionsarme 140A, 140C
sind im allgemeinen senkrecht zu der Dickenabmessung. Auf
diese Art und Weise wird eine minimale Anstrengung benötigt,
um die Platte um die Torsionsarme zu drehen oder zu wenden.
Wenn es erwünscht ist, kann der Schwerpunkt der Platte etwas
außerhalb der Torsionsarme 140A, 140C sein, ohne das Verhal
ten der Ultraschallsonde wesentlich zu beeinträchtigen. Be
züglich seiner Verwendung in dieser Anmeldung verweist der
Ausdruck "Wandleranordnung" auf die Struktur, die die Plat
te, den Wandler und das Magnetmaterial umfaßt, wenn es vor
handen ist. Der Ausdruck "drehen" und "drehbar", wenn er
sich auf das Bewegen der Platte oder der Wandleranordnung
bezieht, beschreibt die Drehbewegung um die Trägerarme, die
sich drehen oder wenden, als ob ein Drehgelenk vorhanden
wäre. Daher wird die Verdrehbewegung an den Torsionsarmen,
solange eine Drehung der Platte oder der Wandleranordnung
oder eine Schwingung derselben beobachtet werden, als ob
dieselbe auf einen Scharnier oder einem Drehgelenk ist, als
"drehend" bezeichnet. Da die Torsionsarme 140A, 140C an den
Wänden der Stufe 132 befestigt sind, bewegt sich die Platte
138 drehend auf eine schwankende Hin- und Her-Weise, wodurch
eine Wobbelabtastung von dem Wandler, der an der Platte be
festigt wird, ermöglicht wird.
Ein ferromagnetisches Material 142, z. B. ein Nickelferrit-("NiFe"-)
Material, ist auf einer Oberfläche der Platte 138
schichtmäßig aufgebracht und bedeckt im allgemeinen diese
Oberfläche. Auf diese Art und Weise wird sich die Platte an
den Torsionsarmen drehen, statt daß sie versucht, sich als
Ganzes nach oben und unten zu bewegen, wenn ein variierendes
Magnetfeld an die Platte angelegt wird. Aufgrund der Ein
fachheit der Herstellung ist das magnetische Material 142
vorzugsweise an der oberen Oberfläche der Platte 138 ge
schichtet. Bezüglich seiner Verwendung in dieser Anmeldung
verweist der Ausdruck "obere" Oberfläche auf die Oberfläche,
die von dem Hohlraum 133 weggerichtet ist. Wenn es bevorzugt
ist, kann das Magnetmaterial an der oberen Oberfläche der
Platte 138 auf einer Seite der Dreharme 140A, 140C geschich
tet sein, wobei es dann nur die Hälfte der Oberfläche be
deckt.
Die Wandleranordnung 124 umfaßt das Magnetmaterial 142 und
einen Wandler 144, der auf der oberen Oberfläche der Platte
138 befestigt ist. Elektrische Drähte 146A, 146C erstrecken
sich von den Wandlerelektroden (in den Figuren nicht ge
zeigt) zu Verbindungsanschlußflächen 148A, 148C. Die Ver
bindungsanschlußflächen 148A, 148C können wiederum mit elek
trischen Drähten 150A, 150C verbunden sein, um elektrische
Energie zu dem Wandler 144 zu liefern. Alternativ kann einer
oder mehrere der Drähte 146A, 146C, 150A, 150C durch geeig
net dotierte Kanäle in den Torsionsarmen und in dem Rahmen
der Stufe, d. h. der Stufe 132, ersetzt werden. Die Elektro
den sind mit den Oberflächen des Wandlers 144 verbunden, um
durch den piezoelektrischen Effekt Ultraschall elektrisch zu
erzeugen und zu empfangen. Sobald der Wandler 144 erregt
wird, und sobald die Platte 138 durch ein Variieren des
Magnetfeld gedreht wird, strahlt der Wandler einen Ultra
schallstrahl ab, um Gewebe in dem Blutgefäß normal bezüglich
der planaren Oberfläche des Wandlers abzutasten.
Fig. 8 ist eine Explosionsansicht, die zeigt, wie die Mikro
betätigungsvorrichtung bezüglich des Wandlers positioniert
ist. Die Mikrobetätigungsvorrichtung 120E kann derart be
trachtet werden, daß sie die Stufe 132 mit der Platte 138
(siehe Fig. 7) und den Torsionsarmen 140A, 140C sowie das
Magnetmaterial 142, das auf der Platte geschichtet ist, auf
weist. Die Wandleranordnung 124 wird durch die Drehbewegung
der Platte 138 und die Torsionsarme 140A, 140C bewegt, die
durch Variationen eines Magnetfeldes bewirkt wird, in dem
das Magnetmaterial positioniert ist. Ein Elektromagnet 154
ist in der Nähe der Stufe 132, um das variierende Magnetfeld
zu liefern. Der Elektromagnet 154 enthält eine Spule 156,
die um einen Magnetkern 152 gewickelt ist. Ein elektrischer
Strom kann durch die Spule 156 geleitet werden, um ein
Variieren des Magnetfelds zu liefern. Der Magnetkern 152 des
Elektromagnets 154 erstreckt sich parallel zu und vorzugs
weise entlang der Achse 123 der Ultraschallsonde. Dies
bedeutet, daß ein langer Magnetkern verwendet werden kann,
um die Anzahl der Windungen der Spule zu erhöhen, da sich
die Länge des Elektromagnets entlang der Achse 123 ausdehnen
kann und bei diesem Ausführungsbeispiel nicht durch den
Durchmesser der Ultraschallsonde begrenzt ist. Eine solche
Betätigungsvorrichtung ist zur Verwendung in einer Ultra
schallsonde, die der in Fig. 4 gezeigten ähnlich ist,
geeignet. Die Spule 156 ist derart gewickelt, daß die Achse
der Spule senkrecht zu der Ebene der Stufe 132 ist, wobei
die Platte 138 im allgemeinen bei etwa der Achse der Spule
positioniert ist, welche parallel zu der Achse 123 der
Ultraschallsonde ist. Auf diese Art und Weise laufen die
Magnetfeldlinien durch die Platte 138 in einer Richtung im
allgemeinen senkrecht zu der Ebene der Stufe 132. Die Stufe
132 kann an dem Elektromagneten 154 durch allgemeine Befe
stigungseinrichtungen, wie z. B. durch einen Klebstoff,
durch Halter, durch Klemmen und dergleichen, befestigt sein.
Optional kann eine Röhre 160 mit einer Endplatte 162 verwen
det werden, um die Stufe 132 und den Elektromagneten 154 zu
halten und zu schützen. Es ist bekannt, daß, wenn ein kurzer
Magnetkern verwendet wird, derart, daß der Elektromagnet und
die Stufe 132 transversal in den Abbildungskopf 106 passen
können, diese Anordnung der Platte 138 mit dem Elektromagnet
154 ebenfalls für eine Ultraschallsonde von Fig. 3A verwend
bar ist.
Fig. 9A zeigt eine Explosionsansicht eines weiteren Ausfüh
rungsbeispiels einer Wandleranordnung und einer Mikrobetä
tigungsvorrichtung, welche speziell zur Verwendung bei einer
Ultraschallsonde von Fig. 3A geeignet sind. Bei diesem Aus
führungsbeispiel ist die Stufe 132 im allgemeinen zu der
Stufe 132 von Fig. 8 ähnlich. Der Elektromagnet 154Y weist
einen U-förmigen Magnetkern 152Y auf. Der Magnetkern 152Y
weist einen länglichen Magnetkernkörper 155A mit einem er
sten Bein 155B und mit einem zweiten Bein 155C auf, die sich
etwa senkrecht von seinen Enden erstrecken. Das erste Bein
155B ist distaler als das zweite Bein 155C in der Ultra
schallsonde. Eine Spule 156Y ist um den Magnetkern 158Y
gewickelt. Die Achse der Spule ist im allgemeinen parallel
zu der Achse 123 der Ultraschallsonde, derart, daß ein
langer Elektromagnet verwendet werden kann. Die Stufe 132
ist in der Nähe von und liegt vorzugsweise auf dem ersten
Bein 155B an dem distalen Ende der Ultraschallsonde. Auf
diese Art und Weise werden die Magnetfeldlinien in dem
Elektromagneten 154Y von dem länglichen Magnetkernkörper
155A kanalisiert und laufen aus dem ersten Bein 155B durch
die Stufe 132 aus. Sobald somit der Strom, der durch die
Spule 156Y läuft, variiert, variiert das Magnetfeld des
Elektromagneten und dreht die Platte an den Torsionsarmen
140AY und 140CY. Wieder in Fig. 8 kann der Elektromagnet
154Y in der Nähe der Stufe 132 positioniert sein, oder an
derselben befestigt sein. Alternativ zu einem U-förmigen
Magnetkern kann ein L-förmiger Magnetkern verwendet werden,
welcher es immer noch ermöglicht, daß die Stufe 132 auf dem
Arm an dem distalen Ende des Magnetkerns plaziert werden
kann. Der Elektromagnet mit einem U-förmigen Magnetkern oder
mit einem L-förmigen Magnetkern kann ebenfalls in einer Ul
traschallsonde von Fig. 5 verwendet werden.
Die Stärke des Elektromagneten kann erhöht werden, indem die
Anzahl von Windungen in der Spule erhöht wird, indem die
Querschnittsfläche des Magnetkerns (und daher die Größe der
Schleifen) erhöht wird, und indem der Strom in der Spule er
höht wird. Da die Platte 138 (siehe Fig. 7 und Fig. 14)
klein ist, und da nur Magnetfeldlinien, die durch das
Magnetmaterial an der Platte laufen, durch die Drehbewegung
beeinträchtigt werden, wie es in Fig. 9B teilweise gezeigt
ist, kann der Elektromagnet 154Z einen Magnetkern 152Z ha
ben, um die effektive Magnetfeldstärke zu erhöhen, der einen
Finger 158A aufweist, der sich von einem größeren Körper
158B erstreckt. Der größere Körper 158B des Magnetkerns er
laubt es, daß die Spule 156 größere Schleifen hat. An dem
Finger 158A sind die Magnetfeldlinien konzentriert, um durch
das Magnetmaterial an der Platte 138 zu laufen. Vorzugsweise
kann ein Abstandshalter 159 mit einem Leerraum 159A zum
Aufnehmen des Fingers 158A zwischen dem größeren Körper 158B
des Magnetkerns und der Stufe 132 angeordnet werden, um
dabei zu helfen, die Stufe an dem Elektromagneten 154C zu
befestigen. Der Abstandhalter 159 kann planare Dimensionen
aufweisen, die im allgemeinen zu denen der Stufe 132 ähnlich
sind.
Bei den oben beschriebenen Anordnungen können die Stufe 132
und der Elektromagnet in dem Abbildungskopf 106 ohne Ver
größern der radialen Abmessung des Abbildungskopfes ent
halten sein. Verfahren zum Herstellen von Spulen und Elek
tromagneten für Mikrobetätigungsvorrichtungen sind in der
Technik bekannt. Bestimmte Verfahren umfassen das Verwenden
einer Metallspule, z. B. durch Aufbringung, und bestimmte
umfassen das Dotieren eines Siliziummaterials, um die leit
fähige Spule für den Elektromagneten zu bilden. Siehe bei
spielsweise in Wagner u. a. "Microactuators with Moving
Magnets for Linear, Torsional or Multiaxial Motion", Sensors
and Actuators, A. 32, 1992, Seiten 598-603; Kamins u. a.,
"Diffusion of Impurities in Polysilicon", J. Appl. Phys., 43
(1), Jan. 1972, Seiten 83-91; Mandurah u. a., "A Model for
Conduction in Polycrystalline Silicon, Part 1: Theory", IEEE
Trans. of Electron. Devices, Band ED-28, Nr. 10, Okt. 1981,
Seiten 1163-1170.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können mehr als ein
Wandler in dem Abbildungskopf 106 vorhanden sein. In der Tat
kann mehr als eine Stufe vorhanden sein, wobei jede derart
positioniert ist, daß der Wandler auf derselben einen Ultra
schallstrahl in einer unterschiedlichen Richtung richtet.
Dies kann beispielsweise durch Kombinieren der Wandleran
ordnungen der Fig. 3A und 4 erreicht werden.
Die Mikrobetätigungsvorrichtung und die Wandleranordnung
können durch Anpassen von Mikrobearbeitungsverfahren für
Halbleiter, welche in der Technik bekannt sind, hergestellt
werden, z. B. Judy und Müller, "Magnetic Microactuation of
Torsional Polysilicon structures", Dig. Int. Conf. Solid-
State Sensors and Actuators, Stockholm, Schweden, Juni
25-29, 1995, Seiten 332-339; Ahn und Allen, "A Fully
Integrated Micromagnetic Actuator with a Multilevel Meander
Magnetic Core", Tech. Dig. IEEE Solid-State-Sensor and
Actuator Workshop, (Hilton Head ′92), Hilton Head Island,
SC, Juni 22-25, 1992, Seiten 14-18; Liu u. a., "Out-of-Plane
Permalloy Magnetic Actuators for Delta-Wing Control", Proc.
IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS ′95), Amsterdam,
Niederlande, Jan. 29 - Feb. 2, 1995, Seiten 7-12; Judy und
Muller "Magnetic Microactuation of Polysilicon Flexure
Structures", J. Microelectromechanical Systems, 4 (4), Dez.
1995, Seiten 162-169; und Pister u. a. "Microfabricated
Hinges", Sensors and Actuators, A. 33, 1992, Seiten 249-256.
Die Fig. 10-14 zeigen, wie eine solche Mikrobearbeitung
unter Verwendung eines Siliziumsubstrats, einer Opfer
schicht, die aus beispielsweise Siliziumdioxid (SiO₂) oder
Glas hergestellt ist, einer Platte und Torsionsarmen, die
beispielsweise aus Polysilizium oder Siliziumnitrid (Si₃N₄)
bestehen, und auf der Platte einer Schicht aus Magnetma
terial, z. B. Nickel-Ferrit- (hierin als NiFe bezeichnet)
Permalloy, das aus 80% Nickel und 20% Eisen besteht,
durchgeführt werden kann. In der Wissenschaftsliteratur wird
dieses Material mit 80% Nickel und 20% Eisen manchmal als
Ni₈₀Fe₂₀ dargestellt. Es sei angemerkt, daß andere Magnet
materialien ebenfalls verwendet werden, solange sie durch
den Elektromagneten angezogen werden können und die Platte
zu drehen. Kurz gesagt wird ein Substrat mit einer Dicke um
etwa die erwünschte Dicke einer Stufe 132 herum bereitge
stellt. Eine Schicht 170 aus Opfermaterial, z. B. Silizium
dioxid, wird auf dem Substrat 166 aufgebracht, gefolgt von
einem Aufwachsfilm 172 aus entweder Polysilizium oder Sili
ziumnitrid. Die Schicht aus Magnetmaterial, z. B. NiFe, wird
auf der Polysilizium- oder der Siliziumnitridschicht aufge
bracht. Dann werden durch geeignete Maskierungs- und Ätz
techniken ausgewählte Abschnitte des Magnetmaterials (z. B.
NiFe 178), der Impfschicht 174, des Plattenmaterial und der
Opferschicht 170 entfernt, um die Platte 138 und die Tor
sionsarme 140A, 140C zu bilden. Verfahren zum Bilden solcher
geeigneter Schichten des Substrats 168, des Opfermaterials
170, des Plattenmaterials 172 und des Magnetmaterials (z. B.
NiFe 178) sind in der Technik bekannt. Ein weiteres selek
tives Ätzen des Siliziumsubstrats 168 wird das Bilden eines
Hohlraums 133 erlauben.
Eine Alternative zu Polysilizium oder Siliziumnitrid ist
Polyimid, z. B. PI-2611 von der DuPont Company (Wilmington,
DE). Eine Polyimidschicht wird typischerweise durch Auf
schleudern gebildet. Eine solche Schicht kann durch Trocken
plasmaätzen geätzt werden. Polyimidmaterialien, die für sol
che Anwendungen geeignet sind, sind kommerziell von chemi
schen Zulieferern, wie z. B. der DuPont Company und der Ciba
Geigy Corp. (Greensboro, NC) erhältlich. Verfahren zum Auf
schleudern und Ätzen einer Polyimidschicht sind in der Tech
nik bekannt. Siehe beispielsweise bei Ahn u. a., "A Planar
Variable Reluctance Magnetic Micromotor with Fully Inte
grated Stator And Wrapped Coils", Proc. IEEE Electro
Mechanical Systems (MEMS ′93), Fort Lauderdale, FI, Febr.
7-10, 1993. Eine Schicht solcher Materialien, z. B. Sili
ziumnitrid, Polysilizium, Polyimid, die verwendet werden
können, um die Trägerarme zu bilden, wird hierin als eine
"Wandler-Trägerschicht" bezeichnet, da die Trägerschicht und
die Bodenschicht der Wandleranordnung an solchen Schichten
gebildet sind.
Um das Verfahren zum Bilden der Stufe 132 der vorliegenden
Erfindung darzustellen, wird nachfolgend ein Ausführungsbei
spiel beschrieben, das eine Siliziumsubstratschicht, eine
SiO₂-Opferschicht, eine Siliziumnitridplatte mit Torsionsar
men und eine Magnetmaterialschicht aus NiFe aufweist. Es ist
im allgemeinen bekannt, daß Glas und SiO₂ mit geeigneten
Chemikalien, z. B. gepufferten hydrofluorischen Säuremi
schungen (HF-Mischungen) geätzt werden können. Silizium kann
mit Kaliumhydroxid (KOH) oder Tetramethylammoniumhydroxid
(TMAH) geätzt werden. Glas, SiO₂, Polysilizium und Silizium
nitrid können durch eine Plasmachemie trockengeätzt werden,
wie es in der Technik bekannt ist. Siliziumnitrid kann
ebenfalls mit Phosphorsäure (H₃PO₄) naßgeätzt werden. Es ist
ebenfalls bekannt, daß diese Ätzverfahren jedes Material (z. B.
Silizium, Siliziumnitrid, Polysilizium, SiO₂, NiFe)
unterschiedlich beeinflussen. Dieser Unterschied ist auf
grund von Material-inhärenten physischen und chemischen
Eigenschaften vorhanden. Die unterschiedlichen Ätzraten für
solche Materialien unter Verwendung einer breiten Vielzahl
von Ätzmitteln wird die Fähigkeit ermöglichen, ein Material
schnell und unterschiedlich dazu ein anderes sehr langsam zu
ätzen.
Als Beispiel können Schichten aus Materialien, die in Fig.
10 gezeigt sind und Siliziumnitrid 172, SiO₂ 170 und Sili
zium 168 jedoch nicht der leitfähige Impffilm 174 umfassen,
betrachtet werden. Die Siliziumnitridschicht 172 kann litho
graphisch maskiert und mit heißer H₃PO₄ bei etwa 50°C struk
turiert werden. Die Säure wird vollständig durch die frei
liegenden Siliziumnitridbereiche relativ schnell ätzen, wo
bei sich die Ätzrate jedoch auf der freigelegten SiO₂-
Schicht 170 beträchtlich verlangsamt, d. h. um Größenord
nungen. Das lithographische Maskierungsmaterial oben auf der
Siliziumnitridschicht kann durch ein Sauerstoffplasma mit
einer minimalen Auswirkung auf die freiliegende SiO₂-Schicht
170 entfernt werden. Genauso wird das Sauerstoffplasma nicht
die freigelegte Siliziumnitridschicht beeinträchtigen. In
dieser Prozeßstufe wurde das lithographische Maskierungs
material auf dem Siliziumnitrid entfernt, und die Öffnung in
der Siliziumnitridschicht legt eine dünne Schicht aus SiO₂
frei. Ein kurzes zeitlich festgelegtes Eintauchen, z. B. von
etwa 10 Sekunden, in einer 10 : 1-Hydrofluorsäure wird die
freigelegte SiO₂-Schicht 170 entfernen. Das Siliziumsubstrat
168 ist nun freigelegt. Eine abschließende Ätzung mit KOH
oder TMAH kann verwendet werden, um das Siliziumsubstrat 168
zu ätzen. Die korrekten Lösungen bei der korrekten Tempera
tur werden die SiO₂-Schicht 170 und die Siliziumnitrid
schicht 172 minimal beeinträchtigen. Eine korrekt zeitlich
festgelegte Aussetzung der Materialien gegenüber TMAH oder
heißer KOH wird in einem Silizium-geätzten Hohlraum resul
tieren, der etwa durch die Öffnung im Siliziumnitrid 172 und
im SiO₂ 170 definiert ist. Diese allgemeine Prozeßmethodolo
gie wird verwendet, um die interessierende Struktur herzu
stellen.
Ätzverfahren für verschiedene Materialien, die bei der Fest
körperhalbleitertechnologie verwendet werden, sind in der
Technik bekannt. Verfahren zum Ätzen von Siliziumdioxid sind
beispielsweise in Steinbruchel u. a., "Mechanismen of dry
etching of silicon dioxide - A case of study of direct
reactive ion etching", J. Electrochem. Soc. Solid-state and
Technology, 132 (1), Seiten 180-186, Jan. 1985; und Tenney
u. a., "Etch Rates of Doped Oxide in Solutions of Buffered
HF", J. Electrochem. Soc. Solid State and Technology, 120
(8), Seiten 1091-1095, Aug. 1973 beschrieben. Das Ätzen von
Polysilizium ist von Bergeron u. a., "Controlled Anisotropic
Etching of Polysilicon", Solid State Technologies, August
1982, Seiten 98-103; und B.L. Sopori, "A New Defect Etch for
Polycrystalline Silicon", J. Electrochem. Soc. Solid State
and Technology, 131 (3), Seiten 667-672, März 1984, be
schrieben. Das Ätzen von Siliziumnitrid ist von van Gelder
u. a., "The etching of Silicon Nitride in Phosphoric Acid
with Silicon Dioxide as a mask", J. Electrochem. Soc. Solid
State and Technology, 114 (8), Aug. 1967, Seiten 869-872,
beschrieben. Das Ätzen von Silizium ist von M.J. Declercq,
"A New CMOS Technology Using Anisotropic Etching of
Silicon", IEEE J. of Solid State Circuits, Band SC-10, Nr.
4, Aug. 1975, Seiten 191-196, K.E. Bean, "Anisotropic
Etching of Silicon", IEEE Trans. Electron. Devices, Band
ED-25, Nr. 10, Okt. 1978, Seiten 1185-1193, Osamu Tabata,
"pH-controlled TMAH etchants for silicon micromachining",
Sensors and Actuators, A 53, 1996, Seiten 335-339, und
Robbins u. a., "Chemical Etching of Silicon II. The System
of HF, HNO₃, H₂O, und HC₂H₃OO₂", J. Of The Electrochemical
Society,107 (2), Febr. 1960, Seiten 108-111 beschrieben. Der
Wandler kann ebenfalls vor dem Ätzen des Siliziumsubstrats
168 auf der Magnetmaterialschicht aufgebracht werden.
Als darstellendes Beispiel, um eine Platte mit einem Wandler
zu bilden, wie es in Fig. 10 gezeigt ist, wird eine SiO₂-Opferschicht
170 mit erwünschter Form, Größe, Dicke und
Struktur auf einem Siliziumsubstrat 168 gebildet. Die Opfer
schicht 170 ist mit einer Wandlerträger- (Si₃N₄-) Schicht
172 bedeckt. Diese Si₃N₄-Schicht 172 wird dann mit einem
Photolack bedeckt, maskiert und geätzt, um die erwünschte
Größe, Gestalt und Struktur zu bilden, welche geeignet sind,
um das Magnetmaterial und den Wandler zu tragen, und um die
Strenge einer wiederholten Torsionsdrehung der Torsionsarme
während des Betriebs auszuhalten. Ein leitfähiger Impffilm
174, der beispielsweise einen Chromfilm und einen Opferfilm
enthält, wird dann auf der ausgewählten Oberfläche der
Si₃N₄-Schicht 172 dampfabgeschieden, um das Aufbringen des
Magnetmaterials zu erleichtern.
In Fig. 11 wird eine Schicht aus Photolack 176 verwendet, um
Bereiche der Si₃N₄-Schicht 172 zu bedecken, auf denen das
Aufbringen von Magnetmaterial nicht erwünscht ist. Eine
NiFe-Schicht 178 der erwünschten Dicke wird dann auf dem
Abschnitt der Si₃N₄-Schicht 172, d. h. auf der leitfähigen
Impfschicht 174, die nicht von dem Photolack 176 bedeckt
ist, elektroplattiert. In Fig. 12 bleibt nach-dem Entfernen
des Photolacks und des leitfähigen Impffilms 174 in ausge
wählten Bereichen eine NiFe-Schicht der erwünschten Größe,
Dicke und Gestalt auf der Si₃N₄-Schicht 172 zurück.
Um das Substrat 168, das den Hohlraum 133 (siehe auch Fig. 6
und Fig. 14) definiert, zu formen, wird in Fig. 13 die
Opferschicht 170 unter dem Abschnitt der Si₃N₄-Schicht 172,
welcher dafür gedacht ist, die Platte 138 und die Torsions
arme zu sein, durch HF geätzt. Nach dem Wegätzen des ausge
wählten Materials der Opferschicht 170 ist der erwünschte
Siliziumsubstratbereich freigelegt. Dieser freigelegte Si
liziumsubstratbereich in dem Siliziumsubstrat 168 kann mit
einer KOH-Ätzlösung oder mit einer TMAH-Lösung geätzt wer
den, um die Tiefe des Hohlraums 133A zu vergrößern. Nach der
Vollendung dieses Ätzens ist der Hohlraum 133, wie er in
Fig. 14 gezeigt ist, gebildet. Ein Wandler 144 kann dann an
der Platte 138 befestigt werden. Die Verbindungsanschlußflä
chen 148A, 148C und die Drähte 146A, 146C können verwendet
werden, um den Wandler über eine Kabelanordnung 150A, 150C
mit der Steuerung 114 schnittstellenmäßig zu verbinden.
Diese Schritte können mit allgemein bekannten Verfahren
durchgeführt werden.
Abhängig von der Anwendung der Ultraschallsonde können die
Größe, die Gestalt, die Dicke und andere Abmessungscharak
teristika der Mikrobetätigungsvorrichtung und des Wandlers
variieren, um an die Anwendung angepaßt zu sein. Eine intra
vaskulare Ultraschallsonde kann beispielsweise Abmessungen
haben, die viel kleiner sind, als die einer Endoskopieultra
schallsonde. Für intravaskulare Ultraschallsonden kann das
Substrat 168 im allgemeinen eine Dicke von etwa 100 bis 700
µm und vorzugsweise etwa 400 bis 500 µm haben. Die Platte
138 ist vorzugsweise rechteckig und weist eine Dicke von
etwa 2000 bis 10 000 Å und vorzugsweise etwa 4000 bis 9000 Å
auf. Die Platte 138 kann eine Breite von etwa 0,2 bis 0,7 mm
und vorzugsweise etwa 0,3 bis 0,4 mm und eine Länge von etwa
0,2 bis 2 mm und vorzugsweise etwa 0,5 bis 1 mm haben, um
eine adäquate Oberfläche zu bilden, um den Wandler zu
tragen. Die Torsionsarme 140A, 140C sind vorzugsweise
relativ kurz im Vergleich zu der Breite der Platte, um in
einer geringeren Belastung aufgrund des Gewichts der Platte
zu resultieren. Die Torsionsarme 140A, 140C sollten jedoch
ausreichend lang sein, um die Drehbewegung der Platte 138,
um in einem erwünschten Winkel zu wobbeln, zu erlauben,
welcher dem Winkel entspricht, der von der Normalen der
Platte abgetastet wird. Dieser Winkel ist kleiner als 1800
und typischerweise etwa 10 bis 90°. Derselbe beträgt
vorzugsweise ± 45° bezüglich der Normalen der Platte.
Typischerweise wird es bevorzugt, daß die Breite der Platte
138 nicht übermäßig ist, derart, daß die Platte nicht die
Basis des Hohlraums 133 trifft. Eine breitere Platte würde
ebenfalls eine größere Kraft erfordern, um die Platte 138 an
den Torsionsarmen 140A, 140C zu drehen, und dieselbe würde
in einem langsameren Wobbelzyklus resultieren. Im allge
meinen kann die Platte 138 von einer Quadratform zu einer
Rechteckform mit einem Verhältnis von Breite (d. h. der
Seite senkrecht zu den Torsionsarmen) zur Länge von etwa 1 : 3
zu 1 : 1 und vorzugsweise etwa 1 : 2 variieren. Vorzugsweise ist
die Länge parallel zu den Torsionsarmen 140A, 140C, um die
Kraft zu verringern, die benötigt wird, um die Platte zu
drehen.
Wie es vorher bemerkt wurde, wird das Magnetmaterial
vorzugsweise auf der oberen Oberfläche der Platte 138 auf
beiden Seiten der Torsionsarme 140A, 140C aufgebracht. Wenn
die Schicht aus Magnetmaterial, z. B. NiFe-Schicht 178,
derart gebildet ist, daß der Nordpol auf einer Seite und der
Südpol auf der anderen Seite der Torsionsarme 140A, 140C auf
der Oberfläche der Platte 138 ist, wobei ein Pol des Elek
tromagneten (siehe beispielsweise Fig. 8, Elektromagnet
154)) unter der Platte ist, wenn ein Magnetfeld von dem
Elektromagneten an die Platte 138 angelegt wird, wird das
selbe eine Anziehungskraft auf das Magnetmaterial auf einer
Hälfte der Platte und eine Abstoßungskraft auf das Magnetma
terial auf der anderen Hälfte ausüben. Auf diese Art und
Weise wird die Platte 138 um die Torsionsarme gedreht. Wenn
der Elektromagnet die Polarität umkehrt, dreht derselbe die
Platte 138 auf die entgegengesetzte Art und Weise.
Um den Oberflächenbereich der Platte effizient zu nützen,
besetzt das Magnetmaterial vorzugsweise im wesentlichen die
gesamte obere Oberfläche der Platte. Seine Dicke beträgt
vorzugsweise weniger als 25% der Dicke der Platte, d. h.
der Si₃N₄-Schicht. Verschiedene Modifikationen der obigen
elektromagnetischen Betätigung können betrachtet werden. Der
Pol des Elektromagneten kann beispielsweise unter einer
Seite der Platte 138 plaziert sein. Eine andere Art und
Weise zur Betätigung besteht darin, das Magnetmaterial auf
der Platte 138 derart zu bilden, daß der eine Pol (z. B. der
Nordpol) oben ist, während der entgegengesetzte Pol unten
ist, und daß zwei Pole eines Elektromagneten derart positio
niert werden, daß jeder unter einer anderen Hälfte der Plat
te ist.
Vorzugsweise bedeckt der Wandler 144 im wesentlichen die
gesamte obere Oberfläche des Magnetmaterials 178 und die der
Platte 138 (die nicht durch das Magnetmaterial bedeckt ist),
um die Oberfläche der Platte effizient zu verwenden. Der
Wandler 144 weist die üblichen Elektroden, Drähte und ein
Wandlerelement auf, wie es in der Technik für Wandler in
Ultraschallsonden bekannt ist. Verfahren zum Herstellen von
kleinen Wandlern für In-Körperhohlraum-Anwendungen, wie z. B.
intravaskulare Anwendungen, sind in der Technik bekannt.
Als Beispiel kann eine intravaskulare Ultraschallsonde eine
Siliziumsubstratschicht mit einer Dicke von etwa 500 µm
haben. Die Si₃N₄-Platte kann etwa 9000 Å dick, 400 µm breit
und etwa 1000 µm lang sein. Die NiFe-Schicht 178 kann etwa
10 µm dick sein und bedeckt im wesentlichen die gesamte
obere Oberfläche der Platte. Der Wandler kann aus einer
Schicht aus piezoelektrischem Material (z. B. PZT Blei-Zir
konium-Titanat) mit einer Dicke von etwa 80 µm hergestellt
sein, und derselbe kann eine Viertelwellenlängenanpassungs
schicht aus Graphit mit einer Dicke von etwa 40 µm und ein
dickes Trägermaterial aus Epoxidharz und Wolfram mit einer
Dicke von etwa 300 µm haben. Dieselbe kann im wesentlichen
die gesamte obere Oberfläche der Platte bedecken, weshalb
sie somit auch das NiFe bedeckt. Der Wandler kann ebenfalls
aus einem Viertelwellenlängenmaterial mit einem geeigneten
Anpassungsschichtmaterial, wie z. B. Graphit, sein. Sowohl
akustische Anpassungs- als auch Träger-Techniken zum Her
stellen von Wandlern sowie die verwendbaren Materialien sind
in der Technik bekannt.
Die kombinierte Dicke des Wandlers, des Magnetmaterials, der
Opferschicht und der Platte ist im Vergleich zur Länge und
Breite derselben dünn. Somit ist die kombinierte Struktur im
allgemeinen plattenförmig. Die Torsionsarme 140A, 140C
können jeweils eine Länge von etwa 5 bis 20 µm aufweisen.
Das Substrat 168 kann eine Dicke von etwa 400 bis 500 µm
haben. Dies wird einen Hohlraum 133 mit einer Tiefe von etwa
300 bis 400 µm aufnehmen. Die Opferschicht 170 ist sehr
dünn, im allgemeinen etwa 150 bis 500 Å. Daher hat die Stufe
132 etwa die gleiche Dicke wie das Substrat 168.
Wie es vorher angemerkt wurde, sind die Betätigungsvorrich
tung und die Stufe 132 mit der Wandleranordnung in dem Ge
häuse 122 positioniert, welches für Ultraschall im wesent
lichen transparent ist. Das Gehäuse ist vorzugsweise auf
gebaut, um mechanisch robust zu sein, und dasselbe weist
eine korrekte Dicke auf, um einer Manipulation beim Ein
führungsverfahren zu widerstehen. Die Sonden der vorliegen
den Erfindung besitzen die üblichen Strukturen, die eine
korrekte Funktion typischer Sonden erlauben, z. B. einen
Führungsdraht, einen Kern, um das Drängen des Führungsdrahts
in den Hohlraum zu erleichtern, eine Niedrigreibungsoberflä
che auf dem Hauptkörper, die dafür geeignet ist, daß eine
Umhüllung gleitet und zu einer erwünschten Position geführt
wird, und dergleichen. Übliche bekannte Techniken können zum
Herstellen solcher Strukturen verwendet werden.
Eine Ultraschallsonde der vorliegenden Erfindung kann in
einen ausgewählten Körperhohlraum mit in der Technik be
kannten Standardverfahren eingeführt werden. Wenn eine
Ultraschallsonde von Fig. 6 oder von Fig. 14 in Betrieb ist,
steuert die Steuerung 114 (siehe Fig. 1) den Stromfluß in
der Spule in dem Elektromagneten. Dies bewirkt, daß der
Elektromagnet (in Fig. 6 oder Fig. 14 nicht gezeigt) sein
Magnetfeld variiert, um die Magnetmaterialschicht 178, die
ferromagnetisch ist, anzuziehen oder abzustoßen. Fig. 15 ist
eine Schnittansicht der Stufe 132 mit einer Ausrichtung
senkrecht zu der von Fig. 14, wobei die Platte 138 derart
gedreht gezeigt ist, daß die Ebene der Platte einen Winkel
mit der Ebene der Stufe bildet. Diese Position kann bei
spielsweise durch Leiten eines elektrischen Stroms durch die
Spule des Elektromagneten erreicht werden, um den Elektro
magneten zu erregen, wodurch eine Hälfte abgestoßen wird,
während die andere Hälfte der Magnetmaterialschicht 178 an
gezogen wird. Wenn das Wandlerelement, z. B. das piezo
elektrische Element, in dem Wandler 144 elektrisch erregt
wird, werden Ultraschallpulse normal zu der Ebene des
Wandlers, d. h. im allgemeinen normal zu der Ebene der
Platte 138, gesendet. Wie es in Fig. 16 gezeigt ist, werden,
wenn ein elektrischer Strom durch die Spule des Elektro
magneten in der entgegengesetzten Richtung geleitet wird,
die jeweiligen Hälften der Magnetmaterialschicht von dem
Elektromagneten angezogen und abgestoßen, um die Platte 138
zu einem anderen Winkel bezüglich der Ebene der Stufe 132 zu
bringen. Während sich die Platte 138 dreht, schwankt die
Wandleranordnung 124 an den Torsionsarmen, derart, daß die
Enden der Wandleranordnung hin- und herschwingen. Durch
wiederholte zyklische Betätigung der Drehbewegung der Platte
138 wird die Wandleranordnung 124 über einen Winkelbereich
gewobbelt, um Gewebe abzutasten, die die Ultraschallsonde
umgeben.
Eine Art und Weise, um die Platte 138 vorzuspannen, derart,
daß die Wandleranordnung 124 an einer erwünschten Position
sein kann, wenn kein Strom durch die Spule des Elektromag
neten läuft, besteht darin, einen Permanentmagneten (nicht
in den Figuren gezeigt) beispielsweise in der Nähe der
Magnetmaterialschicht 178 aufzunehmen. Die Größe und Stärke
des Permanentmagneten ist derart ausgewählt, daß das kon
stante magnetische Feld des Permanentmagneten eine durch
gehende Kraft ausübt, um die Platte 138 zu einer erwünschten
Position vorzuspannen. Um einen großen Bereich abzutasten,
kann die Ultraschallsonde periodisch bewegt werden, um den
Abbildungskopf (als 106 in Fig. 1 bezeichnet) zu unter
schiedlichen Positionen oder Ausrichtungen zu bewegen. Dies
kann beispielsweise durch Vorschieben oder Zurückziehen des
Abbildungskopfs entlang der longitudinalen Achse der Sonde
und durch Drehen der Ultraschallsonde um die longitudinale
Achse erreicht werden.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Ultraschallsonde
gemäß der vorliegenden Erfindung, das in Fig. 17 gezeigt
ist, umfaßt eine Platte 138Z, die an einem Ende mit einem
Trägerarm (mit Trägerarmen) 140Z getragen und mit einer Wand
134Z verbunden ist, die einen Hohlraum 133Z umgibt. Diese
Platte 138Z funktioniert ähnlich zu der Platte 138 von Fig.
16 und trägt eine Magnetmaterialschicht 178Z und einen
Wandler 144Z. Ein solches Gerät kann beispielsweise mit dem
Verfahren, das in Liu, u. a. (1995) siehe oben, oder mit dem
Verfahren, das von Judy und Muller (1995), siehe oben, zum
Herstellen von Mikrobetätigungsvorrichtungen mit Trägerbal
ken oder Auslegern beschrieben ist, hergestellt werden.
Wieder kann ein Permanentmagnet verwendet werden, um die
Wandleranordnung in eine erwünschte Position vorzuspannen,
wenn der Elektromagnet nicht betätigt wird.
Ein Wandler, z. B. der Wandler 144, kann verwendet werden,
um Ultraschallsignale sowohl zu senden als auch zu empfan
gen. Wie es vorher erwähnt wurde, wird die Steuerung 114
verwendet, um die Emission von Ultraschallsignalen zu steu
ern und empfangene Ultraschallsignale zu analysieren. Sy
steme zum Steuern, zur Emission, zum Empfang und zur Analyse
von Ultraschallsignalen sind in der Technik bekannt.
Fig. 18 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem die
Stufe 132 eine kardanische Wandleranordnung 124D aufweist,
bei der die erste Platte 138D und eine zweite Platte 138E
jeweils 90° zueinander gedreht werden. Die Platte 138D
schwankt auf Torsionsarmen 140D und 140D′, wodurch bewirkt
wird, daß die Wandleranordnung 124D als Ganzes schwankt. In
der Mitte der Wandleranordnung 124D dreht sich eine Wandler
unteranordnung 124E, welche die zweite Platte 138E aufweist,
um Torsionsarme 140E, 140E′. Die Wandlerunteranordnung 124E
weist ferner einen Wandler 144 auf, der die obere Oberfläche
derselben bedeckt. Die Torsionsarme 140D, 140D′ sind mitein
ander ausgerichtet, sie sind jedoch senkrecht zu den Tor
sionsarmen 140E, 140E′, welche miteinander ausgerichtet
sind. Bei der Wandlerunteranordnung 124E kann eine Schicht
142E aus Magnetmaterial auf der zweiten Platte 138E aufge
bracht werden, und zwar mit einem unterschiedlichen Pol auf
jeder Seite der Torsionsarme 140E, 140E′. Auf ähnliche Weise
kann bei der Wandleranordnung 124D eine Schicht aus Magnet
material 142D auf der ersten Platte 138D außerhalb der Wand
lerunteranordnung 124E aufgebracht werden. Durch Anlegen von
Magnetfeldern an die Wandleranordnung 124D und an die Wand
lerunteranordnung 124E getrennt mittels von Elektromagneten
kann der Wandler gedreht werden, und zwar, um um die Tor
sionsarme 140D, 140D′ und um die Torsionsarme 140E, 140E′ zu
schwanken.
Eine Art und Weise, um Magnetfelder getrennt anzulegen,
besteht darin, einen Elektromagneten zu verwenden, der zwei
konzentrische Spulen aufweist, derart, daß die innere Spule
das Magnetfeld für die Wandlerunteranordnung 124E steuert,
während die äußere Spule das Magnetfeld für die Wandleran
ordnung 124D steuert, während das Magnetfeld über der Wand
lerunteranordnung teilweise oder ganz aufgehoben werden.
Somit kann eine Ultraschallsonde hergestellt werden, derart,
daß sie dreidimensional abtasten, d. h. abbilden, kann, ohne
daß ihr Kopf 106 (siehe Fig. 1 und 2) bewegt wird. Es sei
jedoch ins Auge gefaßt, daß, wenn ein größerer Bereich in
dem Körperhohlraum abgebildet werden soll, die Ultraschall
sonde zu unterschiedlichen Positionen in dem Körperhohlraum
bewegt werden kann.
Eine alternative Art und Weise, um die Drehbewegung des
Wandlers um die Torsionsarme 140D, 140D′ und um die Tor
sionsarme 140E, 140E′ zu betätigen, besteht darin,
unterschiedliche Abschnitte der Platten 138D und 138E
elektrostatisch (statt magnetisch) anzuziehen, wobei die in
Fig. 19 gezeigte elektrostatische Vorrichtung verwendet
wird. Bezüglich seiner Verwendung in dieser Anmeldung
bezieht sich der Ausdruck "elektrostatische Kraft" auf eine
Anziehungs- oder Abstoßungskraft, die aus dem elektrischen
Feld zweier geladener Körper resultiert, die nahe aneinander
angeordnet sind, jedoch nicht in Kontakt sind. Dies kann
beispielsweise durch Positionieren einer Mesaanordnung unter
jeder Hälfte der Platten 138D und 138E und durch Koordi
nieren des Ladens jeder Mesaanordnung durchgeführt werden,
um verschiedene Abschnitte der Platten anzuziehen. Bei die
sem Ausführungsbeispiel sind der Aufbau des Substrats 68,
der Opferschicht 170, der Platte 138 und der Wandleranord
nung 124 zu dem Aufbau von Fig. 16 ähnlich, mit Ausnahme
davon, daß kein Magnetmaterial auf der Platte aufgebracht
ist. Eine metallisch leitfähige Mesaanordnung 190A, z. B.
mit einer Pd/Ag-Legierung hergestellt, ist an dem Substrat
168 unter der Platte 138 auf einer Seite des Torsionsarms
140 befestigt. Eine zweite metallisch leitfähige Mesaanord
nung 190B ist auf dem Substrat auf der anderen Seite des
Torsionsarms 140 befestigt. Ein elektrostatischer Treiber
192A legt eine elektrostatische Kraft an, die auf die Me
saanordnung 190A wirkt, um die Platte 138 zu drehen.
Fig. 19 ist nur aus darstellenden Gründen gezeigt. Ein Fach
mann wird jedoch wissen, daß andere Schaltungsanordnungen
aufgebaut werden können, um die Betätigungsfunktion durch
zuführen. Eine Steuerspannung VC treibt den Transistor 194
mittels eines Steuerpulses. Wenn die Steuerspannung hoch
ist, ist der Transistor gesättigt, und der Strom in dem
Induktor 196 erreicht einen stabilen Wert, der von der Ver
sorgungsspannung V+ und dem Widerstand R₁ abhängt. Wenn die
Steuerspannung niedrig ist, wird der Transistor 194 aus
geschaltet, und der Induktor bewirkt, daß Ladung durch die
Diode auf die Mesaanordnung 194 übertragen wird. Die Platte
138 und die Mesaanordnung 190A wirken als Platten eines
Kondensators und die elektrostatische Kraft zwischen den
selben bewirkt, daß sie voneinander angezogen werden. Die
Platte 138 kehrt in ihre neutrale Position zurück, wenn die
Ladung über Leckwege verläuft, woraufhin die zweite Mesa
anordnung 190B auf der gegenüberliegenden Seite die Platte
in der entgegengesetzten Richtung anzieht. Die zweite Mesa
anordnung 190B wird durch eine Treiberschaltung 192B gesteu
ert, die zu dem elektrostatischen Treiber 192A ähnlich ist,
derart, daß die Treiber koordiniert sind, um ihre entspre
chenden Hälften der Platte 138 abwechselnd anzuziehen. Somit
kann durch Steuern der angelegten Steuerspannung, z. B. VC,
die Platte 138 hin- und hergedreht werden. Verfahren zum Mi
kroherstellen kleiner elektrostatischer Mikrobetätigungsvor
richtungen sind in der Technik bekannt. Siehe beispielsweise
bei Garabedian u. a., "Microfabricated surface plasmon
sensing system", Sensors and Actuators, A, 43 (1994), Seiten
202-207 und Richards u. a. "Surface-plasmon excitation using
a polarization-preserving optical fiber and an index
matching fluid opticall cell", Applied optics, 32 (16)
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Claims (10)
1. Ultraschallsonde (100) zum Abbilden von Geweben aus dem
Inneren eines Patientenkörperhohlraums mit einer Wand,
wobei die Ultraschallsonde (100) ein distales Ende
(108), das zum Einführen in den Körperhohlraum geeignet
ist, und ein proximales Ende gegenüber dem distalen Ende
(108) aufweist, mit folgenden Merkmalen:
- (a) einem länglichen Hauptkörperabschnitt (104); und
- (b) einem Endabschnitt (102), der distal mit dem läng
lichen Hauptkörperabschnitt (104) verbunden ist und
folgende Merkmale aufweist:
- (i) ein Gehäuse (122) mit einem Abschnitt, der im wesentlichen transparent für Ultraschall ist, wobei das Gehäuse (122) in der Nähe des dista len Endes (108) der Ultraschallsonde (100) ist;
- (ii) eine Ultraschallstrahlsendeeinrichtung (z. B. 124A) in dem Gehäuse (122) zum Senden eines Ultraschallstrahls, wobei die Einrichtung einen Wandler (z. B. 144) zum Emittieren des Ultraschallstrahls und ein drehbares Bauglied (138) aufweist, welches den Ultraschallstrahl in eine ausgewählte Richtung richtet, wobei das drehbare Bauglied (138) durch einen oder mehrere Trägerarme (z. B. 140A, 140C) getragen ist, welche in dem Gehäuse wirksam verbunden sind, wobei die Trägerarme (z. B. 140A, 140C) durch Torsion oder Biegung erlauben, daß sich das drehbare Bauglied drehmäßig hin- und her bewegt, um den Ultraschallstrahl an der Wand des Körperhohlraums zum Abbilden zu wobbeln; und
- (iii) einen Treiber (z. B. 120A) in dem Gehäuse (122) zum Treiben der Drehbewegung des dreh baren Bauglieds (138), wobei der Treiber in der Nähe des Wandlers (z. B. 144) positioniert ist, derart, daß alle treibenden Bewegungen in der Nähe des distalen Endes (108) der Ultra schallsonde (100) auftreten.
2. Ultraschallsonde gemäß Anspruch 1,
bei der der längliche Hauptkörperabschnitt (104) eine
Oberfläche aufweist, auf der eine Umhüllung (116) glei
ten kann, um entlang des länglichen Hauptkörperab
schnitts (104) zu einer erwünschten Position geführt
werden zu können.
3. Ultraschallsonde gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2,
bei der das drehbare Bauglied (138) plattenförmig ist
und Trägertorsionsarme (140A, 140C) aufweist, welche mit
einem festen Träger (z. B. 136A, 136C) verbunden sind,
der in dem Gehäuse (122) befestigt ist, wobei die Trä
gertorsionsarme (140A, 140C) flexibel oder verdrehbar
sind, um die Drehbewegung des drehbaren Bauglieds (13)
zu erlauben.
4. Ultraschallsonde gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei der das drehbare Bauglied (138) einen Trägerarm
(140A, 140C) aufweist, der hauptsächlich aus einem Ma
terial besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die
aus Polysilizium, Siliziumnitrid und Polyimid besteht.
5. Ultraschallsonde gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei der das drehbare Bauglied (138) einen Reflektor
(130) zum Reflektieren des Ultraschallstrahls oder den
Wandler (144) zum Emittieren des Ultraschallstrahls auf
weist, um den Strahl in die ausgewählte Richtung zu
richten.
6. Ultraschallsonde gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei der das drehbare Bauglied (138) einen Wandler (144)
zum Emittieren des Ultraschallstrahls und zum Richten
des Strahls in die ausgewählte Richtung aufweist.
7. Ultraschallsonde gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei der der Treiber entweder eine elektrostatische Ein
richtung (192A, 192B) oder einen Elektromagneten (154)
zum Treiben der Drehbewegung aufweist, um den Ultra
schallstrahl zu wobbeln.
8. Ultraschallsonde gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei der der Treiber keine Drehvorrichtung zum Treiben
einer Drehbewegung in der Ultraschallstrahlsendeein
richtung aufweist, und den Ultraschallstrahl in
360°-Zyklen zu wobbeln.
9. Ultraschallsonde gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
bei der das drehbare Bauglied (138) einen Wandler (144)
aufweist und einen Zentralwert hat, derart, daß das
drehbare Bauglied sich etwa um den Zentralwert dreht, um
einen Ultraschallstrahl zu wobbeln, wobei der Treiber
(z. B. 120A) eine Schicht aus Magnetmaterial auf dem
drehbaren Bauglied aufweist, derart, daß sich das dreh
bare Bauglied als Reaktion auf ein variierendes magne
tisches Feld dreht.
10. Verfahren zum Verwenden einer Ultraschallsonde (100) mit
einem plattenförmigen Ultraschallsender (138) auf einem
oder mehreren Trägerarmen (z. B. 140A, 140C), wobei der
Ultraschallsender (138) einen Wandler (z. B. 144) auf
weist und in einem Gehäuse (122) an dem Einführungsende
(108) der Ultraschallsonde positioniert ist, wobei das
Verfahren folgende Schritte aufweist:
- (a) Einführen der Ultraschallsonde (100), die den plat tenförmigen Ultraschallsender (138) mit dem Wandler (z. B. 144) aufweist, in einen Körperhohlraum;
- (b) Erzeugen eines Ultraschallstrahls mit dem Wandler (z. B. 144); und
- (c) Bewegen des plattenförmigen Ultraschallsenders (138) um den einen oder die mehreren Trägerarme (z. B. 140A, 140C) durch Biegen oder Torsion drehmäßig hin und her, um den Ultraschallstrahl in dem Körperhohl raum schwingend zu wobbeln, um Gewebe abzubilden.
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