專利名稱：三維成像超聲探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于對(duì)人體成像的醫(yī)學(xué)診斷超聲探頭，具體地涉及進(jìn)行三維(3D)掃 描的超聲探頭。
背景技術(shù)：
普通超聲成像探頭掃描并提供來(lái)自人體平面區(qū)域的回波信息并且產(chǎn)生二維QD) 圖像。近年來(lái)已研發(fā)3D探頭用于對(duì)人體容積區(qū)域掃描和成像。三維成像探頭使得例如心臟 整個(gè)心室均可三維實(shí)時(shí)顯示。用于這些應(yīng)用的3D探頭通常為電子或機(jī)械式。利用例如美 國(guó)專利5，997，479 (Savord等人)所述二維陣列換能器，電子式3D探頭以電子方式三維操 縱發(fā)射波束。換能器元件在二維延伸，可通過(guò)相控操縱波束從而三維操縱發(fā)射和接收波束。 機(jī)械3D探頭使用標(biāo)準(zhǔn)2D成像所采用類型的一維(ID)陣列換能器并將其往復(fù)擺動(dòng)。這導(dǎo) 致ID陣列像平面掃及容積區(qū)域。機(jī)械3D探頭的優(yōu)點(diǎn)在于使用常規(guī)ID陣列技術(shù)，但限制是 須采用ID陣列掃描的機(jī)械布置。有若干方式掃描ID陣列。一種圍繞其中心旋轉(zhuǎn)ID陣列的方式示于美國(guó) 專利5，159，931 (Pini)。所述ID陣列旋轉(zhuǎn)將掃描圓柱或圓錐容積區(qū)域。另一方式 是反復(fù)搖擺所述陣列使得像平面掃及楔形容積區(qū)域。該掃描技術(shù)實(shí)例示于美國(guó)專利 5，152，294 (Mochizuki 等人)、5，460，179 (Okunuki 等人)以及 6，572，548 (Cerofolini)。所 述楔形在探頭孔徑處狹窄而在人體更深處加寬。所述'179專利的機(jī)械探頭特別地設(shè)計(jì)為 在楔形頂端具有尖軸，使得探頭可在肋骨間成像。這些3D機(jī)械掃描技術(shù)均提供容積圖像，其在探頭正前方的視場(chǎng)非常狹窄。但有些 診斷應(yīng)用希望在探頭正前方具有較寬視場(chǎng)。在近場(chǎng)具有較寬視場(chǎng)例如在胎兒靠近腹壁處對(duì) 于胎兒掃描特別有用。相應(yīng)地希望具有機(jī)械3D探頭，在探頭正前方可掃描寬視場(chǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明原理，描述了一種3D超聲探頭，它掃描探頭孔徑之前的較寬視場(chǎng)。ID 陣列換能器安裝在探頭中，在整體滾轉(zhuǎn)表面之上往復(fù)運(yùn)行，所述表面優(yōu)選地在探頭中形成 彎曲的一組軌道。換能器陣列安裝在托架上，所述托架由電機(jī)所拖動(dòng)的帶或線纜拖動(dòng)在軌 道上往復(fù)運(yùn)行。在本發(fā)明所示實(shí)例中，移動(dòng)換能器托架的線纜圍繞凸輪纏繞，當(dāng)托架在弓形 運(yùn)行路徑上移動(dòng)時(shí)，凸輪使線纜上保持適當(dāng)張力。在一個(gè)所構(gòu)成的實(shí)施例中，電機(jī)擺動(dòng)凸輪 以拖動(dòng)線纜，并沿其容積掃描路徑移動(dòng)ID換能器陣列。


在附圖中圖1描述本發(fā)明機(jī)械3D探頭的外視圖。圖2為從換能器陣列上方所看的本發(fā)明3D探頭的機(jī)械組件的透視圖。圖3為圖2機(jī)械組件從側(cè)部看的透視圖。
圖4為在圖2機(jī)械組件的托架末端的軸承結(jié)構(gòu)的詳細(xì)透視圖。圖5為顯示圖2機(jī)械組件的線纜和惰輪的剖視透視圖。圖6為圖2機(jī)械組件的驅(qū)動(dòng)凸輪的透視圖。
具體實(shí)施例方式首先參見(jiàn)圖1，其中以外視圖顯示依照本發(fā)明原理構(gòu)成的3D超聲探頭10。所述探 頭包括具有遠(yuǎn)端12的外罩，其中安裝換能器組件20(見(jiàn)圖2、使得移動(dòng)的換能器陣列的像 平面從透鏡或端蓋14延伸。換能器陣列位于遠(yuǎn)端12內(nèi)包含例如礦物油等流體的流體腔室 中，所述流體與換能器陣列與端蓋14之間的超聲能量聲學(xué)耦合。當(dāng)換能器陣列往復(fù)移動(dòng) 時(shí)，其像平面掃及端蓋14之前的容積區(qū)域，以便對(duì)容積區(qū)域內(nèi)材料進(jìn)行3D掃描。在換能器 陣列與端蓋14外表面之間的間距中，像平面發(fā)散使得在端蓋正前方的近場(chǎng)中掃描相對(duì)較 寬孔徑。探頭10具有在遠(yuǎn)端下方的手柄部分16，其中制成從附連到換能器陣列元件的柔 性電路導(dǎo)體到線纜終端導(dǎo)體的電氣連接。所述線纜(未示出)從探頭罩通過(guò)位于探頭罩近 端18的電源線扣延伸。使用中，超聲醫(yī)師握住探頭手柄部分并按壓端蓋14緊貼患者皮膚 以對(duì)端蓋之前患者身體的容積區(qū)域成像。圖2為從換能器陣列M上方所看的換能器組件20的視圖。換能器陣列M安裝 在托架組件26上，托架組件沿一對(duì)軌道30、32被往復(fù)拖動(dòng)(在圖2從左至右并再返回)。 在托架組件每一端是位于軌道30、32上的一組球軸承滾子34、36。托架組件沈由附連到托 架組件下側(cè)的線纜40往復(fù)拖動(dòng)，如圖5詳細(xì)顯示。從附連到托架組件的點(diǎn)，線纜40經(jīng)過(guò)一 對(duì)惰輪42、44并再部分圍繞凸輪46的外周凹槽。線纜40的兩端由螺釘附連在凸輪46中 部。凸輪由附連到凸輪軸48的無(wú)刷直流電機(jī)80往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，所述凸輪軸從凸輪底部延伸進(jìn) 入電機(jī)所處的手柄部分。見(jiàn)圖3。換能器組件20的前述元件被安裝在隔板22上。所述隔板繞著外周具有凹槽，其 可安置環(huán)形密封圈以密封流體腔室，托架組件26遠(yuǎn)離探頭手柄部分16的內(nèi)部位于流體腔 室中，電機(jī)與換能器/線纜電氣連接位于所述手柄部分中。來(lái)自換能器陣列26的柔性電 路經(jīng)過(guò)隔板中的密封至手柄部分內(nèi)部，凸輪的凸輪軸48通過(guò)經(jīng)過(guò)隔板22中的動(dòng)態(tài)流體密 封被密封。流體通路延伸通過(guò)隔板以附連到手柄部分中的非彈性囊，如國(guó)際專利申請(qǐng)公開(kāi) W02005/094690 (Wickline等人)中所描述，對(duì)流體容積隨壓力和溫度的改變提供補(bǔ)償。在托架組件沈兩端的球軸承滾子為三個(gè)滾子的組合，其中兩個(gè)滾子位于軌道30、 32的頂部，一個(gè)滾子位于每個(gè)軌道側(cè)部的凹切部38中。在圖2的視圖中，在托架組件一端 的滾子3 與34b、以及在托架組件另一端的滾子36a與36b是位于軌道30和32的頂部表 面上的滾子。在本實(shí)例中，所述軌道30、32略彎曲成弧形。軌道略成圓柱形的輪廓限定了 托架組件運(yùn)動(dòng)的路徑，并導(dǎo)致?lián)Q能器陣列的平面掃及梯形容積而不簡(jiǎn)單地是正方形或矩形 容積，比使用平直線型軌道提供更寬視場(chǎng)。當(dāng)換能器陣列移動(dòng)時(shí)，當(dāng)其往復(fù)運(yùn)行時(shí)換能器陣 列所掃描的連續(xù)像平面則在所述平面的正視圖方向發(fā)散。圖3是圖2換能器組件2從側(cè)部所看的視圖。在該視圖中，可看到滾子36a與36b 位于軌道32的頂部，并且可看到滾子34位于軌道30的頂部。位于軌道30的凹切部3中 的滾子3 在托架組件沈的左側(cè)部分可見(jiàn)。軌道30、32的圓柱弧形也在附圖中清晰顯示。 這些滾子安裝在附連到托架組件底部的軸承固定架50上。在該視圖中可見(jiàn)線纜40與托架
4組件下側(cè)的樞轉(zhuǎn)連接?？梢?jiàn)凸輪軸48從隔板22的底部突出。圖4是將滾子附連到托架組件沈的另一實(shí)施例，其中在托架組件沈的底部集成 地形成軸承固定架50。上部滾子3 與34b安裝到托架組件的側(cè)部，位于凹切部38中的下 部軸承3 所附連的軸承夾52提供托架組件相對(duì)于隔板22的預(yù)加載荷。圖5為通過(guò)惰輪42與44中心的剖視圖。該視圖顯示線纜端部與線纜接頭配件62、 64的連接，所述線纜接頭配件樞轉(zhuǎn)地附連到托架組件下側(cè)。線纜兩端處的沖模球支承在線 纜接頭配件內(nèi)的彈簧上，當(dāng)其沿軌道30與32往復(fù)拖動(dòng)托架組件沈時(shí)，所述彈簧提供線纜 持續(xù)張力。圖6顯示凸輪46的透視圖。來(lái)自惰輪42和44的線纜在凸輪外周上的凹槽82和 84內(nèi)圍繞凸輪46纏繞，線纜兩端接入凸輪內(nèi)部76并由螺釘附連到凸輪上，所述螺釘緊固 在螺紋孔72和74中。中心螺紋孔70使得凸輪軸向附連到凸輪后部的凸輪軸48。在該實(shí) 例中，所述凸輪并非標(biāo)準(zhǔn)圓形而是略呈橢圓形。當(dāng)托架組件沿弓形軌道30和32往復(fù)運(yùn)行 時(shí)，該凸輪的偏心形狀導(dǎo)致托架組件以線性運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)行。當(dāng)其往復(fù)運(yùn)行持續(xù)掃描容積圖 像時(shí)，線性運(yùn)動(dòng)提供超聲波束與換能器陣列所產(chǎn)生像平面的均勻間隔。在所構(gòu)成的實(shí)施例 中，當(dāng)其首先以一個(gè)方向(例如順時(shí)針)然后再以另一方向(逆時(shí)針)轉(zhuǎn)動(dòng)以從軌道一端 到另一端并再返回而移動(dòng)托架組件時(shí)，凸輪運(yùn)行大約180度。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員易于獲知其它變體。例如，可使用滾柱絲杠、帶或鏈替代線纜40 將電機(jī)與托架組件聯(lián)結(jié)。所述軌道不必為弓形地彎曲，但是如果需獲得更呈矩形的容積掃 描，則可為線性。如上所述，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的搖臂機(jī)構(gòu)，線纜所驅(qū)動(dòng)軌道機(jī)構(gòu)可減輕大約 40%重量。這種有效、緊湊機(jī)構(gòu)要求僅用于機(jī)構(gòu)的電機(jī)位于手柄中，使得與現(xiàn)有技術(shù)其它3D 機(jī)械探頭情況相比，所述探頭設(shè)計(jì)為具有更細(xì)手柄體圍或抓握尺寸。
權(quán)利要求
1.一種超聲探頭，所述超聲探頭通過(guò)移動(dòng)陣列換能器掃描容積區(qū)域，所述超聲探頭包括在遠(yuǎn)端具有流體腔室的探頭罩；安裝在所述流體腔室中的托架組件上的陣列換能器；在所述流體腔室中所述托架組件在上面運(yùn)行的一對(duì)軌道；以及可操作地聯(lián)結(jié)以便在所述軌道上移動(dòng)所述托架組件和陣列換能器的電機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲探頭，其特征在于，還包括附連到所述托架組件的多個(gè)滾 子，所述多個(gè)滾子在所述軌道上行進(jìn)。
3.如權(quán)利要求2所述的超聲探頭，其特征在于，所述滾子進(jìn)一步包括位于所述托架組 件一側(cè)并在所述軌道中的第一軌道上行進(jìn)的第一球軸承滾子、以及位于所述托架組件另一 側(cè)并在所述軌道中的第二軌道上行進(jìn)的第二球軸承滾子。
4.如權(quán)利要求3所述的超聲探頭，其特征在于，所述軌道還包括凹切部區(qū)域；以及進(jìn)一步包括在每一軌道的所述凹切部區(qū)域中的第三與第四滾子。
5.如權(quán)利要求1所述的超聲探頭，其特征在于，所述電機(jī)被可操作地聯(lián)結(jié)，以便通過(guò)所 述電機(jī)與所述托架組件之間聯(lián)結(jié)的線纜移動(dòng)所述托架組件。
6.如權(quán)利要求5所述的超聲探頭，其特征在于，所述線纜經(jīng)過(guò)凸輪表面的至少一部分， 以給所述托架組件提供相對(duì)線性運(yùn)動(dòng)。
7.如權(quán)利要求6所述的超聲探頭，其特征在于，所述電機(jī)與所述凸輪聯(lián)結(jié)以沿著交替 轉(zhuǎn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)所述凸輪；其中所述線纜兩端附連到所述凸輪。
8.如權(quán)利要求6所述的超聲探頭，其特征在于，所述凸輪的凸輪表面是橢圓形，以便在 所述軌道兩端之間以相對(duì)線性運(yùn)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)所述托架組件。
9.如權(quán)利要求6所述的超聲探頭，其特征在于，進(jìn)一步包括惰輪，所述線纜在所述托架 組件與所述凸輪之間繞過(guò)所述惰輪。
10.如權(quán)利要求5所述的超聲探頭，其特征在于，所述線纜通過(guò)彈簧接頭配件與所述托 架組件聯(lián)結(jié)，以便張緊線纜。
11.如權(quán)利要求1所述的超聲探頭，其特征在于，所述探頭罩還包括端蓋，超聲能量通 過(guò)所述端蓋到達(dá)和離開(kāi)所述陣列換能器；其中，耦合流體位于所述陣列換能器與所述端蓋的內(nèi)表面之間。
12.如權(quán)利要求1所述的超聲探頭，其特征在于，所述軌道是彎曲的以便為所述陣列換 能器提供弓形運(yùn)行路徑。
13.如權(quán)利要求12所述的超聲探頭，其特征在于，當(dāng)所述陣列換能器被移動(dòng)時(shí)，所述弓 形運(yùn)行路徑導(dǎo)致所述陣列換能器的像平面在正視方向發(fā)散。
14.如權(quán)利要求1所述的超聲探頭，其特征在于，所述軌道是平直的，以便為所述陣列 換能器提供線性運(yùn)行路徑。
全文摘要
一種超聲探頭包括換能器陣列，換能器陣列往復(fù)移動(dòng)以通過(guò)容積區(qū)域掃及所述陣列像平面，以進(jìn)行3D掃描。所述換能器陣列安裝在托架組件上，所述托架組件在探頭中的流體腔室內(nèi)的一對(duì)軌道上往復(fù)移動(dòng)。所述軌道優(yōu)選為弓形彎曲以提供在近場(chǎng)中具有較寬孔徑的正視發(fā)散掃描。提供凸輪用于托架組件用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的線纜驅(qū)動(dòng)，所述托架組件提供沿?fù)Q能器陣列運(yùn)行路徑的相對(duì)線性移動(dòng)。
文檔編號(hào)A61B8/00GK102112058SQ200980130213
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2009年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月1日
發(fā)明者B·莫伊斯特, D·克拉克, D·阿西烏斯, J·哈特 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司