DE3916096A1 - Ultraschallsonde fuer ein ultraschall-endoskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsonde für ein Ultra­ schall-Endoskop oder eines solchen.

Ebenso wie Ultraschallsonden für die unterschiedlichsten Einsatzgebiete können auch Ultraschallsonden von Ultraschall- Endoskopen Aufbau und Zustand des Körpers dadurch ermitteln, daß ein elektrisches Signal an die an gegenüberliegenden Seiten eines piezoelektrischen Schwingelements vorgesehenen Elektroden angelegt wird, um eine Ultraschallwelle auf den Körper auszu­ senden, die reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen, die empfangene Ultraschallwelle in ein elektrisches Echosignal zu wandeln und das Echosignal derart weiterzuverarbeiten, daß ein Ultraschallbild des Körpers ausgegeben werden kann. Ultraschall­ sonden für Endoskope müssen äußerst klein ausgebildet sein, da sie in das distale Ende eines sehr dünnen Einführungsabschnit­ tes, das in eine Körperhöhle eingebracht wird, eingesetzt werden.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Aufbau einer bekannten Ultraschallsonde für den Einsatz in einem Ultraschall-Endoskop. Die Ultraschallsonde umfaßt ein piezoelektrisches Schwingele­ ment 1 aus einem piezoelektrischen Werkstoff wie PZT. Auf gegenüberliegenden Oberflächen des piezoelektrischen Elements 1 sind eine Vorderelektrode 2 und eine Rückelektrode 3 angeord­ net. Durch Anlegen eines elektrischen Signals, insbesondere eines gepulsten Signals, an die Elektroden 2 und 3 wird das piezoelektrische Schwingelement 1 in Schwingungen versetzt, um eine Ultraschallwelle auszusenden. Auf der Vorderelektrode 2 ist eine flache Linsenschicht 4 zur Bündelung der ausgesendeten Ultraschallwelle angebracht.

Auf der Rückelektrode 3 befindet sich eine Dämpfungsschicht 5 zur Absorption von von der Rückelektrode unerwünscht abge­ strahlten Ultraschallwellen. Die Dämpfungsschicht 5 kann aus einem synthetischen Harz, beispielsweise einem Epoxyharz mit eingebetteten leitfähigen Teilchen, z.B. aus Wolfram, bestehen, so daß die Dämpfungsschicht grundsätzlich elektrisch leitfähig ist. Das piezoelektrische Element 1, die Linsenschicht 4 und die Dämpfungsschicht 5 sind in ein leitfähiges Gehäuse 6 aus beispielsweise Metall mittels einer rohrförmigen Isolations­ schicht 7 eingebaut. Der Mittelleiter 9 a einer Anschlußleitung 9 zur Zuführung des elektrischen Signals zum piezoelektrischen Schwingelement 1 ist an die Rückelektrode 3 angeschlossen, während der Abschirmungsleiter 9 b der Leitung 9 mit der Vorder­ elektrode 2 verbunden ist, indem dieser mit dem Gehäuse 6 verlötet und das Gehäuse mit der Vorderelektrode 2 mittels eines Leitungsdrahts 10 elektrisch verbunden ist. Wenn die Dämpfungsschicht elektrisch leitfähig ist, muß eine Kurzschluß­ verbindung über die Dämpfungsschicht 5 zwischen der Vorder- und der Rückelektrode 2 und 3 unterbunden sein. Hierzu ist auf der hinteren Oberfläche der Dämpfungsschicht 5 eine Isolations­ schicht 8 vorgesehen.

Die Fig. 2 und 3 illustrieren das bekannte Ultraschall-Endoskop mit einer bekannten Ultraschallsonde.

Fig. 2 zeigt den Aufbau des distalen Endes des Einführungsab­ schnittes des Endoskops. Innerhalb einer vorderen Abdeckkappe 11 ist eine Ultraschallsonde 12 vorgesehen, die eine Ultraschall­ welle 13 aussendet. Mit dem Bezugszeichen 14 ist ein Licht­ leiter zur Beleuchtung des zu untersuchenden oder zu beobach­ tenden Körpers gekennzeichnet, während das Bezugszeichen 15 ein Objektiv zur Gewinnung eines optischen Abbildes des Körpers und das Bezugszeichen 16 die Öffnung eines Zangenkanals, durch den verschiedene Zangen, Pinzetten od. dgl. eingeführt werden können, bezeichnet. Fig. 3 ist eine schematische Ansicht eines Teils des Endoskops, in dem der Abschnitt A den Einführungsab­ schnitt, der in die Körperhöhle eingebracht werden kann, und Abschnitt B den übrigen Teil bezeichnet, das ist der Teil, der sich stets außerhalb des Körpers befindet.

Bei der Ultraschallsonde nach Fig. 1 ist, da die Linsenschicht 4 und die Dämpfungsschicht 5 unmittelbar am piezoelektrischen Element 1 angebracht sind, die elektrostatische Kapazität des Elements 1 in gleicher Weise erhöht, mit der Folge, daß die Schwingungsfrequenz des piezoelektrischen Elements entsprechend vermindert ist. Es ist zur Erhöhung der Schwingungsfrequenz des piezoelektrischen Elements 1 bekannt, eine Anpassungsschaltung 17 vorzusehen, die eine größere Anpassungsspule 17 a, wie dies Fig. 3 zeigt, aufweisen kann. Da die Ultraschallsonde notwendiger­ weise sehr klein ausgebildet sein muß, ist es bei dem bekannten Endoskop erforderlich, die Anpassungsspule 17 a im Abschnitt B nach Fig. 3 vorzusehen.

Andererseits muß die Frequenz der Ultraschallwelle erhöht werden, um ein Ultraschallbild hoher Auflösung zu gewinnen. In diesem Fall, in welchem die Anpassungsspule 17 a am proximalen Ende der Anschlußleitung 9 vorgesehen sein muß, lassen sich die Leitungskapazität und der ohmsche Widerstand der relativ langen Anschlußleitung 9 nicht mehr vernachlässigen, so daß der Reso­ nanzpunkt des Ultraschallelements mit dem piezoelektrischen Elements 1 und den Elektroden 2 und 3 sich gegenüber dem Ausle­ gungsresonanzpunkt ändern, so daß eine ausreichende Anpassung nicht mehr erzielbar ist. In einem solchen Fall läßt sich das piezoelektrische Schwingungselement nicht mehr mit der gewünsch­ ten Hochfrequenz in Schwingungen versetzen. Es sei betont, daß die erwähnte Leitungskapazität und der ohmsche Leitungswider­ stand der Anschlußleitung die Funktionsweise des piezoelek­ trischen Elements 1 nicht stark beeinflußt, wenn die Frequenz vergleichsweise niedrig, beispielsweise 1 bis 7,5 MHz, beträgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallsonde für Ultraschall-Endoskope zu schaffen, der die genannten Nach­ teile nicht anhaften und die es erlaubt, die Arbeitsfrequenz des piezoelektrischen Elements ohne Vergrößerung der räumlichen Abmessungen der Sonde zu erhöhen und die ein Ultraschallbild mit hoher Auflösung zu gewinnen gestattet.

Eine diese Aufgabe lösende Ultraschallsonde ist mit ihren Ausgestaltungen in den Patentansprüchen näher gekennzeichnet.

Da bei der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde die Anpassungs- Luftspule innerhalb des Gehäuses, in dem sich auch das piezo­ elektrische Element befindet, untergebracht ist, haben Leitungs­ kapazität und -widerstand keinen Einfluß auf die Resonanzfre­ quenz, so daß das piezoelektrische Element mit der erwünschten höheren Frequenz und gesteigertem Wirkungsgrad schwingen kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigen:

Fig. 4 einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der Ultraschallsonde,

Fig. 5 einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der Ultraschallsonde,

Fig. 6 einen Querschnitt einer dritten Ausführungsform der Ultraschallsonde,

Fig. 7 eine Gesamtansicht eines Ultraschall-Endoskops mit der Ultraschallsonde nach Fig. 6, und

Fig. 8 einen Querschnitt durch das distale Ende des Ultraschall -Endoskops nach Fig. 7.

Die Ultraschallsonde nach Fig. 4 umfaßt ein piezoelektrisches Schwingelement 21 mit einer Vorderelektrode 22 und einer Rück­ elektrode 23 auf dessen Vorder- bzw. Rückseite. Auf der Vorder­ elektrode 22 befindet sich eine Linsenschicht 24 zur Bündelung der von dem piezoelektrischen Element 21 auf dieser Seite abgestrahlten Ultraschallwelle. Auf der Rückelektrode 23 ist eine Dämpfungsschicht 25 zur Absorption unerwünschter Ultra­ schallstrahlung, die von der Rückelektrode ausgeht, vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform ist eine hohle kernlose Anpassungs- Luft-Spule 26 in die Dämpfungsschicht 25 derart eingebettet, daß die Achse der Spule mit der Abstrahlungsrichtung der Ultraschallwelle von der Vorderelektrode zusammenfällt. Die Dämpfungsschicht 25 ist innerhalb eines Gehäuses 28 aus Metall mittels einer hülsenförmigen Isolationsschicht 27 befestigt. Ein Kernleiter 29 a einer Anschlußsignalleitung 29 ist unmittel­ bar an die Rückelektrode 23 angelötet. Der Abschirmungsleiter 29 b der Leitung 29 ist dagegen an das Gehäuse 28 angelötet, das mit der Vorderelektrode 22 über einen Leitungsdraht 30 verbunden ist. Ein Ende der Anpassungs-Luft-Spule 26 ist mit dem Gehäuse 28 und deren anderes Ende mit dem Kernleiter 29 a der Anschlußlei­ tung 29 verbunden. Ferner ist eine Isolationsschicht 31 auf der hinteren Oberfläche der leitfähigen Dämpfungsschicht 25 zur Verhinderung einer Kurzschlußverbindung zwischen der Vorder­ elektrode 22 und der Rückelektrode 23 vorgesehen. Da die Dämpfungsschicht 25 elektrisch leitfähig ist, ist die An­ passungsspule 26 aus isoliertem Draht gewickelt.

Bei dieser Ausführungsform ist die Anpassungsspule 26 in die Dämpfungsschicht 25 eingebettet, so daß die Gesamtgröße der Ultraschallsonde praktisch nicht vergrößert ist. Ferner ist die Anpassungsspule 26 als Luftspule ausgebildet, so daß die Funktion der Dämpfungsschicht 26 nicht verändert wird, da die von der Rückelektrode 23 ausgehende unerwünschte Ultraschall­ strahlung durch die Luftspule der Anpassungsspule frei hindurch­ treten kann. Es sei darauf hingewiesen, daß die Anpassungs­ spule 26 in der unmittelbaren Nähe des piezoelektrischen Elements 21 angeordnet ist, so daß die Anpassung ohne Beein­ flussung durch die Anschlußleitung 29 erzielt wird und somit das piezoelektrische Element 21 bei der erwünschten hohen Frequenz mit hohem Wirkungsgrad schwingen kann.

Bei der zweiten Ausführungsform nach Fig. 5 ist die Anpassungs- Luftspule 26 in die Isolationsschicht 27 zwischen einer Däm­ pfungsschicht 25 und dem Gehäuse 28 eingebettet. Im übrigen ist die Konstruktion dieser Ultraschallsonde die gleiche wie die die der ersten Ausführungsform. Bei der vorliegenden Ausfüh­ rungsform ist es, da die Anpassungsspule 26 in der Isolations­ schicht 27 vorgesehen ist, nicht mehr erforderlich, die Spule aus isoliertem Draht zu wickeln. Auch bei der zweiten Ausfüh­ rungsform kann die Anpassung ohne Erhöhung der Baugröße der Ultraschallsonde erzielt werden. Außerdem kann das piezoelek­ trische Element mit hoher Frequenz einwandfrei schwingen. Außerdem ist es offensichtlich, daß die Anpassungsspule 26 die Funktion der Dämpfungsschicht 25 nicht beeinträchtigt.

Bei der dritten Ausführungsform, sh. Fig. 6, sind zwei Ultra­ schallschwinger, die mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, Rücken an Rücken vorgesehen. Die beiden Ultraschall-Schwingele­ mente arbeiten bei 7,5 MHz bzw. 12 MHz. Ihre Konstruktion ist die gleiche wie die der vorhergehenden Ausführungsformen, so daß entsprechende Teile dieser Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, jedoch mit einem Zusatz a bzw. b. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Anpassungs-Luft­ spulen 26 a und 26 b in Dämpfungsschichten 25 a bzw. 25 b vorgese­ hen. Die Kernleiter 32 a und 33 a von Anschlußleitungen 32 und 33 sind mit den Rückelektroden 23 a bzw. 23 b ebenso wie mit den Anpassungsspulen 26 a bzw. 26 b verbunden. Die Abschirmungen 32 b, 33 b der Anschlußleitungen 32 und 33 sind ihrerseits mit den Vorderelektroden 22 a bzw. 22 b mittels eines Metallgehäuses 28 a bzw. 28 b und Verbindungsdrähten 30 a bzw. 30 b verbunden. Die Isolie­ rungen der Anschlußleitungen 32 und 33 sollten unterschiedliche Farbkennzeichnungen haben, um sie leicht voneinander unterschei­ den zu können. Die beiden Gehäuse 28 a und 28 b sind miteinander durch einen Kleber verbunden und zwischen diesen Gehäusen befindet sich eine Isolationsschicht 34, um einen einheitlichen Körper zu bilden.

Zur Erläuterung des Gesamtaufbaus dienen die Fig. 7 und 8. Ein Ultraschall-Endoskop 41 umfaßt einen flexiblen Einführungsab­ schnitt 42, der in eine zu untersuchende Körperhöhle einge­ bracht werden kann, einen Betriebsteil 43 am proximalen Ende des Einführungsabschnitts 42, einen mit dem Abschnitt 43 verbundenen Betätigungsabschnitt 44, einen Okularabschnitt 45 am Abschnitt 44, eine Signalanschlußleitung 46 zur Verbindung des Endoskops 41 mit einem nicht dargestellten Antriebs- und Beobachtungsteil. In das Kabel 46 ist ein Zwischenkasten 47 mit den elektrischen Schaltkreisen und Schaltern sowie ein Verbindungsteil 48 am Ende der Anschlußleitung 46 eingefügt. Im Ultraschall-Betriebsteil 43 befinden sich ein Motor zur Drehung der Ultraschallsonde im distalen Ende des Einführungsabschnitts 42, um die Ultraschallabtastung zu bewirken, eine Öffnung eines Zangenkanals sowie mehrere Betätigungsglieder zur Steuerung der Versorgung mit Luft und Wasser. Im Betätigungsabschnitt 44 befindet sich noch eine Handhabe 49 zum Abbiegen des distalen Endes des Einführungsabschnitts 42.

Aus Fig. 8 ergibt sich, daß im distalen Ende des Einführungsab­ schnitts 42 die Ultraschallsonde 51 nach Fig. 6 in Lagern 52 drehbar angeordnet ist. Eine flexible Welle 23, die mit dem Motor innerhalb des Abschnitts 43 gekuppelt ist, ist mit der Ultraschallsonde 51 verbunden. Diese ist mit einer Abdeckung 54 aus synthetischem, für die Ultraschallabstrahlung durchlässigem Werkstoff umgeben. In die Abdeckung 54 kann eine Kopplungs­ flüssigkeit 56 für die Weiterleitung der Ultraschallstrahlung aus einer Bohrung eingeführt werden, welche mittels einer Schraube 55 verschließbar ist. Ferner ist eine Blase 57 am distalen Ende des Einführungsabschnitts 52 abnehmbar vorgese­ hen. Während der Beobachtung wird die Blase 57 mit einer Kopplungsflüssigkeit 58 zur Weiterleitung der Ultraschallstrah­ lung gefüllt. Ferner befinden sich im Einführungsabschnitt 42 ein Beleuchtungs-Lichtleiter 59, ein Objektiv 60, ein Bildlei­ ter 61 und eine Wasserspritzdüse 62 zur Abreinigung des opti­ schen Systems für die Beobachtung des optischen Abbildes des Körpers. Schließlich befindet sich im Einführungsabschnitt 42 noch ein Zangenkanal, durch den eine Zange 63, z.B. eine Diopsiezange, in den Körper einführbar ist. Der Aufbau des Endoskops mit Ausnahme der Ultraschallsonde 21 ist der gleiche wie der bekannter Endoskope, so daß auf eine weitere Detailbe­ schreibung verzichtet wird.

Die Erfindung ist auf die spezielle, hier dargelegte Ausführungs­ form nicht beschränkt. Es lassen sich Abwandlungen vornehmen. Beispielsweise kann die Anpassungs-Luftspule auch als Doppel­ spule mit einer inneren und einer äußeren, zur inneren koaxial angeordneten Spulenhälfte aufgebaut sein. In diesem Falle läßt sich die axiale Erstreckung der Spule verringern, so daß eine axiale Verkürzung der Ultraschallsonde möglich ist. Ferner kann die Anpassungsspule an anderen Stellen innerhalb des Gehäuses, als sie in der Zeichnung dargestellt sind, angeordnet werden. Die Anpassungsspule kann auch zwischen der Dämpfungsschicht 25 und der Isolationsschicht 27 vorgesehen werden. Bei Anordnung der Anpassungsspule innerhalb der elektrisch leitfähigen Dämpfungsschicht ist es erforderlich, diese aus einem isolier­ ten Draht zu wickeln. Ist dagegen die Dämpfungsschicht elek­ trisch isolierend, also nicht leitfähig, braucht die Spule nicht aus isoliertem Draht gefertigt zu werden.

Claims (9)

1. Ultraschallsonde für ein Ultraschallendoskop mit
einem Ultraschallschwingelement (21) zur Abgabe einer Ultra­ schallwelle,
einer Dämpfungsschicht (25) auf der Rückseite des Ultraschall­ schwingelements zur Absorption einer Ultraschallwelle, die von dessen Rückseite abgestrahlt wird,
einer die Dämpfungsschicht (25) umgebenden Isolationsschicht (27, 31),
einem elektrisch leitfähigen Gehäuse (28) zur Aufnahme des Ultraschallwingelements, der Dämpfungsschicht und der Isolations­ schicht, und
einer zum Schwingungselement führenden Signalanschlußleitung (29; 32, 33), enthaltend einen Anpassungsschaltkreis mit einer Anpassungsspule, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungsspule (26) als Luftspule ausgebildet und innerhalb des Gehäuses (28) angeordnet ist.

2. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungs-Luft-Spule (26) derart angeordnet ist, daß deren Mittelachse parallel zur Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwelle ausgerichtet ist, in welcher die Ultraschall­ welle vom Ultraschallschwingelement (21) abgestrahlt wird.

3. Ultraschallsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungs-Luft-Spule (26) derart angeordnet ist, daß deren Mittelachse mit der Ultraschallausbreitungsrichtung ausgerichtet ist.

4. Ultraschallsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungs-Luft-Spule (26) in die Dämpfungsschicht (25) eingebettet ist.

5. Ultraschallsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungs-Luft-Spule in die Isolationsschicht (25 a, 25 b) eingebettet ist.

6. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ultraschallsonden Rücken an Rücken zueinander vorgese­ hen sind und daß Anpassungs-Luft-Spulen (26 a, 26 b) in entspre­ chenden Dämpfungsschichten (25 a, 25 b) oder Isolationsschichten (27 a, 27 b) angeordnet sind.

7. Ultraschallsonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Isolationsschicht (34) zwischen den beiden Ultraschallsonden vorgesehen ist.

8. Ultraschallsonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Gehäuse (28 a, 28 b) der beiden Ultraschallsonden derart miteinander verbunden sind, daß sie einen integralen Körper bilden.

9. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallschwingelement (21; 21 a, 21 b) ein piezo­ elektrisches Element, eine auf dessen vordere Oberfläche aufgebrachte Vorderelektrode (25) und eine auf dessen Rückseite aufgebrachte Rückelektrode (23) umfaßt, daß zum Anlegen eines elektrischen Signals an das Ultraschallschwingelement eine Signalanschlußleitung (29) mit ihrem Mittelleiter (29 a) mit der Rückelektrode (23) und mit ihrem Abschirmleiter (29 b) mit dem Gehäuse (28) verbunden ist, welches letzteres mit der Vorder­ elektrode (22) mit Hilfe eines Anschlußdrahts verbunden ist, und daß ein Ende der Anpassungsspule (26) mit der Rück­ elektrode (23) und deren anderes Ende mit dem Gehäuse (28) verbunden ist.