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Die
Erfindung betrifft Empfangsschaltungen für Ultraschallaufnahmen (Ultraschall-Imaging). Insbesondere
werden Empfangsschaltungen zur Verwendung mit unterschiedlichen
Transducern (Messwertwandler) geschaffen.
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Ultraschallaufnahmen
für Echokardiogrammanwendungen
erfordern Transducer mit hohen Volumen-pro-Zeit Abtastraten. Für das Abbilden
von bewegten Strukturen in Echtzeit werden pro Sekunde 20 oder mehr,
beispielsweise 35 zwei- oder dreidimensionale Darstellungen erzeugt.
Eine große
Informationsmenge wird von einer Ultraschallsonde an eine Ultraschallsystembasiseinheit übertragen.
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Verschiedene
Transducer und in Zusammenhang stehende Strahlenformer sind für dreidimensionale
Ultraschallaufnahmen geschaffen worden. Gegenwärtig werden in erster Linie
mechanische Transducer verwendet. Die damit erzeugten Aufnahmen
werden jedoch nicht in Echtzeit geliefert, und erfordern typischerweise
ein EKG-Gating. Ebenso sind zweidimensionale Transduceranordnungen für ein schnelleres
elektronisches Steuern und Volumenerfassen geschaffen worden. Beispielsweise werden
verstreute (dünn
abgetastete bzw. besetzte) zweidimensionale Anordnungen oder voll
abgetastete bzw. besetzte zweidimensionale Anordnungen verwendet.
Die verstreuten Anordnungen (Sparse-Arrays) liefern eine schlechte Kontrastauflösung.
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Voll
abgetastete zweidimensionale Anordnungen verwenden eine teure zusätzliche
Strahlenformungs-Hardware. Zweidimensionale Anordnungen erzeugen
wiederholt Sendestrahlen und Antwortempfangsstrahlen. Die Strahlen
werden innerhalb des dreidimensionalen Volumens gesteuert. Eine
elektronische Steuerung erfordert einen Systemkanal für jedes
der verwendeten Elemente. Da die Anzahl von Elementen in einer zweidimensionalen
Anordnung groß ist,
ist die Anzahl an erforderlichen Kanälen groß. Mehr Kanäle benötigen eine größere Anzahl
an Kabeln. Das Bereitstellen eines Strahlenformens oder eines teilweisen
Strahlenformens innerhalb der Sonde der Transduceranordnung kann
de Anzahl an erforderlichen Kabeln reduzieren, jedoch bleibt die
erforderliche Anzahl an Kanälen
und an Hardware für
das Abtasten der zweidimensionalen Anordnung groß. Darüber hinaus sind analoge Verzögerungsglieder,
die zum Strahlenformen in der Sonde verwendet werden, teuer und
groß,
und der Strahlenformer in der Sonde kann eine begrenzte Programmierbarkeit
aufweisen.
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Die
Transduceranordnungen weisen Elemente mit einer Masseelektrode und
einer Signalelektrode auf, die schaltbar mit separaten Sende- und Empfangssystemkanälen verbunden
werden. Wenn das Strahlenformen in der Sonde erfolgt, sind innerhalb
der Sonde ebenfalls Hochspannungstransistoren oder Dioden enthalten,
die als Schalter arbeiten, um die Sendekanäle von den Empfangskanälen zu isolieren.
Diese Hochspannungsvorrichtungen sind nicht leicht in Strahlenformschaltkreisen
zu integrieren, so dass zusätzlicher
Platz benötigt
wird.
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In
einem System, das in der
US 5,622,177 offenbart
ist, ist die Anzahl von Systemkanälen und Kabeln reduziert, indem
ein Zeitmultiplexverfahren (TDM) verwendet wird. Daten von einer
Mehrzahl von Elementen werden auf eine einzelne Leitung gemultiplext.
Die zeitgemultiplexten Daten (TDM-Daten) haben jedoch andere Eigenschaften
als herkömmliche
Daten, die das Signal von einem einzelnen Transducerelement repräsentieren.
Eine Empfangsschaltungstechnik, die für die Verwendung mit herkömmlichen
Daten ausgelegt ist, kann daher ein Rauschen oder einen Fehler in
die zeitgemultiplexten Daten einbringen bzw. erzeugen.
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Die
DE 37 33 776 A1 betrifft
eine Ultraschallsonde, bei der ein piezoelektrisches Verbundmaterial Anwendung
findet, und insbesondere eine Mehrelement-Ultraschallsonde, bei
der durch getrennte Anordnung von Elektroden in einer Streifenform
mehrere unabhängige
zu betreibende piezoelektrische Vibratoren gebildet werden.
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Die
DE 31 07 277 A1 betrifft
ein Verfahren zum Herstellen einer Ultraschall-Wandleranordnung mit säulenförmigen Wandlerelementen,
die in Zahlen und Spalten als Matrix geordnet sind, und bei denen wenigstens
eine Stirnseite mit einer Auflage aus ferromagnetischem Material
versehen ist.
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Die
DE 30 21 449 A1 betrifft
eine Ultraschall-Wandleranordnung mit einer Matrix von Ultraschallschwingern.
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Die
DE 195 81 782 T1 betrifft
Verbesserungen bei der Ultraschallbildgabe und insbesondere eine
zweidimensionale Anordnung, die das Leistungsvermögen der
Verarbeitung zur Phasenabweichungskorrektur verbessert.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Schaffung einer mehrdimensionalen Transduceranordnung
für die
Ultraschallbildgebung mit einer verbesserten Kontrastauflösung.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ist dem Patentanspruch 1 zu entnehmen. Weiterentwicklungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Einleitend
sei gesagt, dass die im folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele Transduceranordnungen
und Verfahren zur Herstellung der Transduceranordnungen aufweisen.
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist eine mehrdimensionale Transduceranordnung bereitgestellt, bei
der eine Element-zu-Element-Beabstandung oder ein Abstand entlang
einer Richtung kleiner ist als die Elementbeabstandung oder der
Abstand entlang einer zweiten Richtung. Der Elementabstand entlang
einer Azimutrichtung ist beispielsweise gleich der Hälfte des
Elementenabstandes entlang einer Elevationsrichtung.
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Die
mehrdimensionale Transduceranordnung mit dem gleichen oder mit einem
anderen Abstand wird gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel aus
einer Mehrzahl von Modulen hergestellt. Jedes der Module wird separat
geschnitten und dann ausgerichtet und kombiniert. Separates Schneiden
erlaubt ein individuelles Testen der Module vor dem Zusammenbauen
zu einer Transduceranordnung.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel können Elemente
einer Transduceranordnung zur Isolation eines Sendekanals von einem
Empfangskanal verwendet werden. Anstelle einer Elektrode, die als
gemeinsame Masseebene für
eine Mehrzahl von Elementen dient, werden separate Signalleitungen oder
-pfade gebildet, individuell für
jedes Element auf gegenüberliegenden
Seiten jedes Elements. Ein Sendekanal kann mit einer Elektrode auf
einem Element verbunden sein, und der Empfangskanal kann mit einer
gegenüberliegenden
Elektrode auf dem Element verbunden sein. Die separaten Signalpfade auf
jedem Element erlauben dem Element die Isolation der Sende- und
Empfangswege.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel, das
im folgenden beschrieben wird, wird eine mehrdimensionale Anordnung
für eine
Zeitmultiplexverarbeitung gebildet. Eine Sonde nimmt eine mehrdimensionale
Anordnung und/oder einen Multiplexer auf. Die mehrdimensionale Anordnung
hat eine unterschiedliche Verteilung von Elementen entlang unterschiedlicher
Richtungen, beispielsweise eine 1,5D-Anordnung, zwei lineare Anordnungen
mit Elementdicken, die entlang der Elevationsrichtung variieren,
eine Multischichtlinearanordnung, oder eine I- oder +Strahl- von zwei oder mehreren
nicht-parallelen linearen Anordnungen. Der Multiplexer ermöglicht den
Betrieb komplexer Anordnungen für
verschiedene Ultraschallprozesse.
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Die
Erfindung ist durch die folgenden Ansprüche definiert, und nichts in
diesem Abschnitt soll eine Einschränkung dieser Ansprüche darstellen. Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen deutlich.
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Die
Komponenten und die Figuren sind nicht maßstabsgetreu, statt dessen
sollen die Prinzipien der Erfindung hervorgehoben werden. Darüber hinaus
kennzeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende
Teile in verschiedenen Ansichten.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines Ultraschallsystems zum Empfangen unterschiedlicher Signaltypen
von unterschiedlichen Transducersonden.
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2 zeigt
ein Flußdiagramm
eines Ausführungsbeispiels
eines Verfahrens zum Empfangen von Daten, die mit einer Mehrzahl
von Transducerelementen in Zusammenhang stehen, auf einem einzelnen
Kabel.
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3 zeigt
ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines Transducers mit isolierten Sende- und Empfangskanälen.
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4 zeigt
ein Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Senders.
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5 zeigt
ein Schaltungsdiagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Senders.
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6 zeigt
ein Flußdiagramm
eines Ausführungsbeispiels,
das die Verwendung von isolierten Sende- und Empfangskanälen gemäß 5 darstellt,
um akustische Information zu senden und zu empfangen.
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7 zeigt
eine graphische Darstellung von einpoligen Impulsen mit entgegengesetzten
Phasen.
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8 zeigt
eine graphische Darstellung einer mehrdimensionalen Transduceranordnung.
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9 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des Inneren
einer Sonde, die eine mehrdimensionale Transduceranordnung aufweist,
die mit Schaltplatten (Leiterplatten) verbunden ist.
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10 zeigt
eine Teilquerschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer mehrdimensionalen Anordnung,
die aus Modulen aufgebaut ist.
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11A und 11B zeigen
graphische Darstellungen von Schritten, die bei der Herstellung einer
mehrdimensionalen Anordnung, die vorgeschnittenen (pre-diced) Module
verwendet, durchgeführt
werden.
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Detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Schnellere
oder komplexere zweidimensionale und dreidimensionale Ultraschallaufnahmen werden
gebildet, indem ein Multiplexing verwendet wird. Ein Multiplexer
erfolgt in einer Sonde, so dass Information von mehreren Transducerelementen
auf einen Signalkanal gemultiplext werden, zur Übertragung an eine Basiseinheit
oder an ein Ultraschallsystem für
eine Weiterverarbeitung. Zur Vermeidung unterschiedlicher Systeme
für unterschiedliche
Transducertypen kann die Empfangsschaltung eines Ultraschallsystems
in verschiedenen Modi arbeiten, basierend auf dem Format der Signale,
die von dem Transducer geliefert werden. Um die Anzahl der Kanäle weiter
zu minimieren, die eine Sonde mit einem Ultraschallsystem verbinden,
ohne die Größe der Sonde
nachteilig zu beeinflussen, wird ein Sendekanal von dem Empfangkanal
durch ein Transducerelement getrennt. Diese Separation isoliert
den Sendekanal, während
die Integration von Hochspannungsvorrichtungen in der Sonde minimiert
wird. Damit das Element den Sende- und Empfangskanal isolieren kann,
wird die Transduceranordnung aus Modulen hergestellt, die separat
geschnitten wurden, wobei jedes Modul einen Signalpfad zu gegenüberliegenden Seiten
jedes Elements aufweist.
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Die
im Vorangegangenen diskutierten Entwicklungen für ein Multiplexen können unabhängig von
dem Multiplexen oder anderen Merkmalen verwendet werden. Diese unabhängigen Entwicklungen oder
Merkmale werden später
in drei allgemeinen Abschnitten beschrieben. Der Empfangsschaltkreis zum
Empfangen von Information, die mit unterschiedlichen Signalformaten
in Zusammenhang steht, oder zum Empfangen eines gemultiplexten Formats
wird zuerst beschrieben. Die Isolation des Sendewegs vom Empfangsweg
unter Verwendung eines Transducerelements und die in Zusammenhang
stehenden Verfahren der Verwendung werden als zweites beschrieben.
Abschließend
werden Transduceranordnungen und Verfahren der Herstellung beschrieben.
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EMPFANGSSCHALTKREIS:
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines Ultraschallsystems 10.
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Das
System 10 weist eine Basiseinheit 12 mit einer
Empfangsschaltung 14 und einem Bildprozessor 16 auf.
Die Empfangsschaltung 14 kann mit unterschiedlichen Typen
von Transducersonden 18, 20 über ein Kabel 22 verbunden
werden. Eine Mehrzahl von Empfangsschaltungen 14 ist mit
den Sonden 18, 20 zur Verarbeitung der Signale
von einer Anordnung von Elementen 24 elektrisch verbindbar. Darüber hinaus
können
verschiedene oder weniger Komponenten in dem System 10 angeordnet
sein, beispielsweise nur ein Typ von Transducersonde 18, 20.
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Eine
Transducersonde 20 enthält
eine Anordnung von piezoelektrischen oder mikroelektromechanischen
Elementen 24 zur Umwandlung zwischen akustischer und elektrischer
Energie. Die Sonde 20 weist ein einzelnes Element, eine
lineare Anordnung von Elementen oder eine mehrdimensionale Anordnung
von Elementen auf. Die Sonde 20 weist auch ein Gehäuse auf,
welches die Anordnung aufnimmt. Das Gehäuse ist als Handgerät ausgebildet, oder
kann für
eine Einführung
in Hohlräume
oder ein Herz-Kreislauf-System eines Patienten geformt sein. Die
Sonde 20 ist mit der Empfangsschaltung 14 durch
ein Kabel 22 für
jedes Element 24 der Anordnung verbunden. Jedes Kabel 22 liefert
ein analoges Signal, welches die akustische Energie repräsentiert, die
an einem einzelnen Element 24 empfangen worden ist. Die
auf dem Kabel 22 von der Sonde 20 gelieferte Signalisierung
weist herkömmliche
Signale auf, welche nicht multigeplext sind, oder andere Zwischenschaltungen
zwischen dem Element 24 und dem Verbinderanschluss 32.
Die Sonde 20 liefert Signale oder andere Informationen,
die anders formatiert sein können,
als die Signale von der Sonde 18.
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Die
Sonde 18 enthält
eine lineare oder mehrdimensionale Anordnung von Elementen 24,
die mit einem Multiplexer 26 verbunden sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
sind 1536 Elemente 24 als eine zweidimensionale oder mehrdimensionale
Anordnung konfiguriert. Die Sonde 18 weist auch ein Gehäuse auf,
welches die Anordnung aufnimmt. Das Gehäuse ist als ein Handgerät ausgebildet,
und kann zur Einführung
in Hohlräume
oder in ein Herz-Kreislauf-System eines Patienten geformt sein.
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
enthält
die Transducersonde 18 eine mehrdimensionale Transducersonde,
die hergestellt wird, indem Module verwendet werden, wie im folgenden
beschrieben wird. Jedoch können auch
andere lineare oder mehrdimensionale Anordnungen verwendet werden,
die eine Grundebene verwenden, oder mit einer separaten Signalgebung von
einer PZT-Komponente (Piezoelektrische Komponente), oder Module
können
verwendet werden.
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Die
Sonde 18 enthält
Vorverstärker 35 und Zeitgewinnsteuerungen 37 als
einen Empfangskanal 64 vor dem Multiplexen. Der Empfangskanal 64 ist mit
dem Element 24 verbunden. Die vorverstärkte und zeitgewinngesteuerte
Information wird an Abtast- und Halteschaltungen 60 geliefert.
Die Abtast- und Halteschaltung 60 enthält analoge Verzögerungsglieder,
um analoge Information von mehreren Elementen 24 auf ein
Ausgangssignal zu multiplexen. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel existiert
keine Abtast- und Haltefunktion. Analoge Wellenformen werden im
Takt mit keiner "Halte"-Operation und keiner "Analogverzögerungs"-Operation verschachtelt. Die Verwendung
eines Abtastens und Haltens ist kein Erfordernis, sondern eine mögliche Alternative.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
verbrauchen die Empfangsschaltungen in der Sonde
18 weniger
als 5 Watt. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel ist
ein Multiplexer
26 für
jeweils acht Elemente
24 angeordnet, jedoch kann ein einzelner
Multiplexer für alle
Elemente oder für
eine andere Anzahl von Elementen angeordnet sein. Der Multiplexer
26 weist
ein analoges oder digitales Netz an Schaltern auf, die auf eine
Sondensteuerung
28 antworten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
kombiniert der Multiplexer
26 Signale von einer Mehrzahl
von Elementen
24, indem ein Zeitmultiplexverfahren verwendet
wird. Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
kann ein Frequenzmultiplexverfahren oder ein anderes bereits bekanntes
oder zukünftiges
Multiplexverfahren verwendet werden. Die Sondensteuerung
28 steuert den
Multiplexer
26 in Antwort auf ein Taktsignal, so dass analoge
Signale von jedem der Elemente einem bestimmten Zeitschlitz zugewiesen
werden, innerhalb eines Rahmens der Zeitmultiplexinformation. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
weist die Sonde
18 und der in Zusammenhang stehende Multiplexer
26 eine
zeitgemultiplexte Sonde auf, wie in der
US 5,622,177 diskutiert. Darüber hinaus
können
andere oder weniger Komponenten in der Sonde
18 gebildet sein,
beispielsweise zusätzliche
Verstärker
oder Filter in der Sonde
18, oder es kann eine Sonde gebildet
werden, ohne Vorver stärker
oder Zeitgewinnsteuerung.
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Der
Multiplexer 26 gibt zeitgemultiplexte oder anders formatierte
Daten an einen Leitungstreiber 30. Der Leitungstreiber 30 enthält einen
Verstärker
oder andere Vorrichtungen, die integriert mit oder separat von dem
Multiplexer 26 ausgebildet sind, zur Übertragung der gemultiplexten
Information über
das Kabel 22. Separate Kabel 22 können für zusätzliche Multiplexer 26 angeordnet
werden, beispielsweise 192 oder 256 Kabel 22.
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Die
Basiseinheit 12 enthält
ein Ultraschallabbildungssystem, beispielsweise ein Handgerät, ein wagenbasiertes
oder anderes System zur Erzeugung einer zweidimensionalen oder dreidimensionalen Darstellung
eines Patienten. Der Empfangsschaltkreis 14 empfängt Information
von einer oder von mehreren Transducersonden 18, 20 für eine Strahlenformation,
eine Detektion und andere Ultraschallbildverarbeitungen durch den
Bildprozessor 16.
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Die
Empfangsschaltung 14 weist einen Verbinderanschluss 32 auf,
einen Modussteuerprozessor 34, einen Vorverstärker 36,
eine Zeitgewinnsteuerschaltung 38, ein Tiefpaßfilter 40,
ein Puffer 42, einen Analog/Digital-Wandler 44,
einen digitalen Entzerrer (Equalizer) 46, einen digitalen
Demultiplexer 48, einen Analyseprozessor 50 und
eine auswählbare
Verzögerung 52.
Darüber
hinaus können
andere oder weniger Komponenten verwendet werden. Die Empfangsschaltung 14 enthält eine
oder verschiedene Kombinationen von zwei oder mehreren Komponenten,
die oben beschrieben worden sind. Beispielsweise weist die Empfangsschaltung
nur den Vorverstärker 36 oder
das Tiefpassfilter 40 auf. Die Empfangsschaltung 14 ist
mit der Transducersonde 20 betreibbar, wobei die Signale
von den Elementen 24 verstärkt und/oder vor der Übertragung
an die Basiseinheit 12 verarbeitet werden können, oder
auch nicht. Ein zweiter Betriebsmodus erlaubt die Übertragung
von zeitgemultiplexten oder anders gemultiplexten Signalen, die
eine Gruppe von Elementen repräsentieren, über eine
Signalleitung oder ein Kabel 22. Die Empfangsschaltung 14 weist
einen einzelnen Empfangskanal innerhalb der Basiseinheit 12 auf.
Es sind mehrere Empfangskanäle
in Verbindung mit unterschiedlichen Kabeln 22 und unterschiedlichen
Elementen 24 gebildet.
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Der
Anschluss 32 weist eine Steckbuchse oder einen Stecker
mit elektrischen Kontakten zur Verbindung mit einem Bündel von
Kabeln 22 auf. Der Anschluss 32 kann mit verschiedenen
Transducersonden 18, 20 verbunden werden. Beispielsweise
ist eine Sonde mit Zeitmultiplexfähigkeiten mit dem Anschluss 32 verbunden.
Gemäß einem
anderen Beispiel ist die Sonde 18 von dem Anschluss 32 getrennt,
und eine andere Sonde 20 ist mit dem Anschluss 32 verbunden.
Der Anschluss 32 hält
lösbar physikalischen
und elektrischen Kontakt mit dem Bündel von Kabeln 22.
Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
ist ein separater Anschluss 32 für verschiedene Sonden 18, 20 bereitgestellt.
Die gleiche Basiseinheit 12 und Empfangsschaltung 14 kann verwendet
werden, um Information von verschiedenen Typen von Transducersonden 18, 20 zu
empfangen und zu verarbeiten. Beispielsweise ist der Anschluss 32 mit
der Sonde 18 für
ein Imaging verbunden, indem ein vollbesetzte zweidimensionale oder 1,5-dimensionale
Anordnung verwendet wird. Das Zeitmultiplexverfahren erlaubt die
Steuerung in zwei Raumrichtungen für zweidimensionale oder dreidimensionale
Abbildungen, während
die Anzahl an Kabeln 22 zur Übertragung der Signale an die
Basiseinheit 12 minimiert wird. Der gleiche Anschluss 32 verbindet
die andere Transducersonde 20 für eine Ultraschallaufnahme
(Ultraschall-Imaging), indem Signale verwendet werden, die nicht
gemultiplext sind. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
sind mehrere Anschlüsse 32 mit
Relais oder Festkörperschaltern
in der gemeinsamen Empfangsschaltung 14 gebildet, um einen
schnellen Zugriff zur Auswahl eines Transducers bereitzustellen.
Jeder individuelle Anschluss 32 kann entweder gemultiplexte
Transducer 18 oder herkömmliche
Transducer 20 akzeptieren.
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Der
Modussteuerprozessor 34 enthält einen Steuerprozessor, einen
allgemeinen Prozessor, einen ASIC (Application Specific Integrated
Circuit) oder andere analoge oder digitale Vorrichtungen zur Steuerung
von Komponenten der Empfangsschaltung 14, beispielsweise
des Vorverstärkers 36 und des
Tiefpaßfilters 40.
In Antwort auf eine durch den Benutzer eingegebene Konfiguration,
in Antwort auf Steuersignale, die von der Probensteuerung 28 geliefert
werden, in Antwort auf eine Detektion durch den Anschluss 32 eines
Typs der Sonde, oder in Antwort auf die Analyse von Signalen, die
von der Ultraschallsonde 18, 20 empfangen worden
sind, konfiguriert der Modussteuerprozessor 34 eine oder
mehrere Komponenten der Empfangsschaltung 14 zur Verarbeitung
gemäß dem Datentyp
oder des Datenformats, das von der Sonde 18, 20 geliefert
wird. Eigenschaften der Empfangsschaltung sind als Funktion des
Datenformats konfiguriert.
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Der
Vorverstärker 36 weist
Transistoren oder andere analoge oder digitale Vorrichtungen auf,
um einen Breitbandempfänger
mit wenig Rauschen zu bilden. Der Vorverstärker 36 ist programmierbar
oder kann auf einen Modussteuerprozessor 34 reagieren, zur
Programmierung von Eigenschaften des Vorverstärkers. Für den Betrieb mit der Transducersonde 20 oder
für den
Betrieb mit Signalen, die ein einzelnes Transducerelement 24 darstellen,
ist der Vorverstärker 36 derart
programmiert, dass eine Impedanzeigenschaft ähnlich der oder gleich der
Impedanz des Elements 24 und des Kabels 22 ist,
beispielsweise 1 kOhm. Die Impedanz gleicht eine Generalisierung ab,
die auf erwarteten Änderungen
von Kabelimpedanzen für
unterschiedliche Typen von Sonden 20 basiert. Der Vorverstärker 36 kann
alternativ programmierbar sein, um spezifische Typen von Sonden 20 mit
unterschiedlichen Kabeln 22, Kabellängen oder Elementen 22 abzugleichen.
Die Vorverstärkereingangsimpedanz,
der Gewinn und die Frequenzantwort können entweder durch auswählbar geschaltete
Komponenten oder durch Änderung
des Vorverstärkervorspannstroms
gesteuert werden. In der Praxis können beide Verfahren gleichzeitig
inner halb einer integrierten Schaltungsrealisierung verwendet werden.
Für den
Betrieb mit gemultiplexten Signalen ist der Vorverstärker 36 für einen
Impedanzabgleich mit dem Leitungstreiber 30 oder anderen Ausgangsschältkreisen
der Sonde 18 programmiert. Beispielsweise ist der Vorverstärker 36 programmiert,
um ungefähr
einen 50 Ohm Impedanzabgleich zu liefern. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen
werden verschiedene Vorverstärker 36 durch
den Modussteuerprozessor ausgewählt.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel ist
die Gewinncharakteristik des Vorverstärkers 36 als eine
Funktion des Formats der Signale oder des Typs der Sonde 18, 20 ausgewählt. Gemultiplexte Transducer 18 können einen
geringeren Vorverstärkergewinn
erfordern, als herkömmliche
Transducer 20, da Signale bereits innerhalb des Transducers
vor dem Multiplexen verstärkt
worden sind. Ebenso ist die Rauschleistung des Systemvorverstärkers 36 für gemultiplexte
Transducer 18 mit integralen Vorverstärkern 36 nicht so
streng, so dass ein schlechterer Rauschvorverstärker erwünscht sein kann, um Leistung
zu sparen oder die Eingangsimpedanz, den Gewinn und die Frequenzantwort
in anderer Weise zu optimieren.
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Eine
andere programmierbare Eigenschaft betrifft die Bandbreite des Vorverstärkers 36.
Für gemultiplexte
Information ist der Vorverstärker 36 nicht bandbegrenzt,
oder arbeitet über
ein breites Band, so dass Frequenzen mit einer Symbolrate von mehr
als dem Doppelten der Mittenfrequenz der Transduceranordnung für ein zeitgemultiplextes
Verfahren passieren (beispielsweise mehr als 5 MHz, 30 MHz oder 100MHz
oder mehr). Für
multliplexfreie Information kann die Bandbreite 2–15 MHz
betragen, beispielsweise in Zusammenhang mit Ultraschallfrequenzen oder
dem Frequenzband des Transducers. Andere Eigenschaften des Vorverstärkers 36 können als Funktion
des Datenformats, das von der Transducersonde 18, 20 geliefert
wird, angepaßt
oder geändert werden.
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Signalangleichblöcke können in
dem Multiplexer 26 oder mit dem Vorverstärker 36 vorhanden sein,
um für
frequenzabhängige
Verluste in den Kabeln 22 ein Vorausgleichen und ein Nachausgleichen bereitzustellen.
Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
stellt der digitale Equalizer 46 ein Nachausgleichen bereit.
Das Ausgleichen kann eine Zwischensymbol-Interferenz minimieren.
Beispielsweise kann eine Vorbetonung oder Hochfrequenzverstärkung verwendet
werden, bevor das Kabel angesteuert wird, um frequenzabhängige Kabelverluste
zu kompensieren. Ein Allpaßkorrekturfilter
kann ebenfalls in dem Systemempfänger 14 implementiert
sein, um Zwischensymbol-Interferenzen
vor der A/D-Wandlung weiter zu reduzieren.
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Die
Zeitgewinnsteuerung 38 („depth gain control") weist einen einstellbaren
Gewinnverstärker zur
variablen Verstärkung
von analogen Signalen auf. Für
Signale, die ein einzelnes Element 24 darstellen, liegt
der variable Gewinn beispielsweise zwischen 40 und 80 dB, doch können andere
Gewinne verwendet werden, um der Dämpfung von Ultraschallsignalen
von ungefähr
einem dB pro MHz pro Zentimeter Rechnung zu tragen. Die Zeitgewinnsteuerung 38 arbeitet
für gemultiplexte
Signale genauso oder anders. Wenn eine Zeitgewinnsteuerung 38 in der
Sonde 18 bereitgestellt ist, liefert die Zeitgewinnsteuerung 38 der
Empfangsschaltung 14 weniger oder keinen variablen Gewinn
für 38 der
Empfangsschaltung 14 weniger oder keinen variablen Gewinn für gemultiplexte
Signale. Wenn die Zeitgewinnsteuerung 38 einen variablen
Gewinn verwendet, trägt der
Gewinn dem Zeitmultiplexverfahren Rechnung, indem innerhalb jedes
Signalrahmens von den Mehrfachelementen 24 ein gleicher
Gewinn verwendet wird.
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Das
Tiefpaßfilter 40 weist
ein Antialiasing-Filter auf, das als ein endliches Impulsantwort- oder unendliches
Impulsantwortfilter implementiert ist. Das Tiefpassfilter 40 führt eine
Bandbegrenzung für
Signale durch, so dass Signale größer als die Hälfte der digitalen
Abtastrate nicht in das Signalspektrum einfließen. Zur Verringerung der Bandbreite
des Tiefpaßfilters
wird ein größeres Signalrauschverhältnis gebildet,
so lange wie Signale, die von Interesse sind, nicht entfernt oder
reduziert sind. Signale von Interesse, die von der Sonde 20 geliefert
werden, oder ein einzelnes Element 24 repräsentieren,
sind in einem Frequenzband von 2–15 MHz bereitgestellt. Das
Tiefpaßfilter 40 ist
mit 6 dB nach unten oder einer anderen Sperrfrequenz von 30 MHz
programmiert, 15 MHz weniger oder einer anderen Frequenz. Die Bandbreite
kann als Funktion des Typs der Aufnahme (Imaging) oder des Typs
der verwendeten Sonde 20 programmiert werden. Für gemultiplexte
Signale, beispielsweise zeitgemultiplexte Information, ist die Bandbreite
größer, um
gemultiplexte Signale durchzulassen, während die Zwischensignal-Interferenz minimiert
wird. Beispielsweise beträgt
die Bandbreite 30 MHz oder mehr, beispielsweise 50 oder 100 MHz, um
eine Nyquist-Kanalform zu bilden oder ein Linearphasentiefpassfilter
mit folgender Betragsantwortsymmetrie: |H(f)| = 1 – |H(Fsample-f)|,
für 0 < f < Fsample, wobei
Fsample die gemultiplexte Abtastrate ist (beispielsweise 96 MHz).
In der Praxis ist H(f) eine Näherung
für einen
Nyquistkanal, und Fehler werden über
den digitalen Equalizer 46 korrigiert.
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Das
Puffer 42 enthält
einen Verstärker
oder andere analoge Komponenten zur Pufferung von Signalen, die
in den Analog/Digital-Wandler 44 eingegeben werden. Das
Puffer 42 liefert die gleichen Eigenschaften, unabhängig von
dem Typ der Daten oder des Datenformats, das verwendet wird, kann
jedoch programmierbare Eigenschaften aufweisen, die als Funktion
des Datenformats variieren. Beispielsweise können von dem Puffer 42 für gemultiplexte Daten
schnellere Anstiegsraten erforderlich sein. Eine programmierbare Anstiegsratenbegrenzung kann
verwendet werden, um Energie im nicht-gemultiplexten Modus zu sparen.
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Der
Analog/Digital-Wandler 44 tastet die analogen Signale ab
und gibt digitale Darstellungen in irgendeinem von verschiedenen
bereits bekannten Codes oder zukünftig
entwickelten Codes aus. Für Daten,
die ein einzelnes Element 24 repräsentieren, tastet der Analog/Digital-Wandler 44 die
Daten in Antwort auf einen eingegebenen Takt ab, ohne sich jedoch
auf andere Zeitgebungsinformation zu beziehen. Für zeitgemultiplexte Daten wird
der A/D-Wandlertakteingang mit dem Multiplexer 26 synchronisiert. Die
Synchronisation erlaubt eine saubere Trennung der Signale von den
unterschiedlichen Elementen 24, mit minimierter Kreuzsignalschnittstelle (Cross-Signal-Interface).
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Die
digitalisierten Abtastwerte werden an einen adaptiven Digitalequalizer 46 geliefert.
Der digitale Equalizer 46 weist ein programmierbares endliches
Impulsantwortfilter auf, beispielsweise implementiert durch die
Verwendung eines Schieberegisters 54, von Multiplizieren 56 und
eines Summierers 58. In alternativen Ausführungsbeispielen
wird ein Prozessor oder eine andere Vorrichtung verwendet, um den
Ausgleicher 46 zu implementieren. Der digitale Equalizer 46 filtert
zeitgemultiplexte Information, um Zwischensymbolinterferenz zu entfernen.
Die Filterkoeffizienten, die für
die Multiplizierer 56 verwendet werden, basieren auf einer
Transferfunktion oder einer Erzeugung von Zwischensymbolinterferenz
von dem Element 24 über
verschiedene Stufen oder Komponenten der Empfangsschaltung 14,
die mit dem analogen Signal arbeitet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
sind die Filterkoeffizienten programmierbar, um Adaptionen oder Änderungen
der Übertragungsfunktion
zu erlauben. Die Koeffizienten werden in Antwort auf ein Testsignal
ausgewählt,
oder einer anderen Datenverarbeitung, die detektierte Differenzen
in der Übertragungsfunktion
berücksichtigt, beispielsweise
erzeugt durch unterschiedliche Sonden 18, unterschiedliche
Verarbeitungscharakteristiken der analogen Komponenten der Empfangsschaltung 14 oder Änderungen
aufgrund der Zeit und Temperatur. Für Signale, die ein einzelnes
Element 24 repräsentieren,
oder multiplexfreie Signale läßt der digitale
Equalizer 46 die Signale durch, so dass keine Verzögerung in
einer einzelnen Stufe gebildet wird, mit einem Multipliziererkoeffizienten
von Eins.
-
Der
Demultiplexer 48 weist einen digitalen Demultiplexer auf,
beispielsweise ein Netzwerk von Schaltern, um Signale von verschiedenen
Zeitschlitzen in einem Rahmen einer Zeitmultiplexinformation zu
trennen. Der Demultiplexer 48 arbeitet als konditionaler
Demultiplexer. Die empfangenen Signale sind digital de-gemultiplext.
Der Demultiplexer gibt beispielsweise Signale von unterschiedlichen
Elementen 24 auf unterschiedlichen Ausgängen zur Strahlformation und
anderer Bildverarbeitung durch den Bildprozessor 16 aus.
Für herkömmliche
Signale oder multiplexfreie Signale liefert der Demultiplexer 48 die
Information an den Bildprozessor 16 zur Strahlformation.
-
Der
optionale Analyseprozessor 50 weist einen digitalen Signalprozessor
auf, einen allgemeinen Prozessor, einen ASIC, analoge Komponenten,
digitale Komponenten und Kombinationen davon, um den A/D-Wandler 44 mit
dem Multiplexer 26 zu synchronisieren, oder Koeffizienten
für den
digitalen Equalizer 46 auszuwählen. Der Analyseprozessor 50 arbeitet
auf ein Testsignal. Die Sondensteuerung 28 veranlaßt den Multiplexer 26,
ein bekanntes oder vorbestimmtes digitales oder analoges Testsignal über das
Kabel 22 und die Empfangsschaltung 14 an den Analyseprozessor 50 zu übertragen.
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Das
Testsignal wird als Teil einer Kalibrierfunktion übertragen,
beispielsweise in Antwort auf eine Benutzereingabe oder einer Verbindung
der Sonde 18 mit dem Anschluss 32. Die Basiseinheit 12 befiehlt
oder die Sondensteuerung 28 erzeugt automatisch die Testsignale.
Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
werden die Testsignale periodisch gesendet. Ein Testsignal wird
beispielsweise in einer Präambel
oder einem Header jedes Rahmens der zeitgemultiplexten Information
gesendet. Die Synchronisation und/oder die adaptive Ausgleichung (Entzerrung)
werden in Antwort auf das periodische Senden der Testsignale geliefert.
Für eine
Stabilität minimieren
sich einige phasensensitive Erfassungssequenzen, beispielsweise
die Erfassung für
Dopplerverarbeitung, oder liefern keine Adaption oder Änderungen
der Phasenlage durch Synchronisation oder Entzerrung.
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Das
Multiplexen und/oder das Verarbeiten der Empfangssignale wird in
Antwort auf die Analyse des Testsignals ausgelegt. Beispielsweise
ist der Betrieb des Multiplexers 26 für die Operation des A/D-Wandlers 44 ausgelegt,
indem Taktsignale synchronisiert werden. Der Analyseprozessor 50 wählt eine
auswählbare
Verzögerung 52 für die Phasenlage
des Taktsignals, das dem Multiplexer 26 bereitgestellt
wird, in Hinblick auf den A/D-Wandler 44.
Feste Verzögerungen
in Taktgeberschaltkreisen, variable Verzögerungen aufgrund von Taktsignalweglängen, Multiplexerschaltungsverzögerungen,
Multiplexsignalweglänge,
Gruppenverzögerungen
und Verstärker-
und Digitalisierungsverzögerungen
verursachen eine Versetzung, was zur Folge hat, dass Signale von verschiedenen
Elementen 24 durch den A/D-Wandler 44 gemischt
werden. Diese Versetzungen können als
Funktion der Sonde 18, der Empfangsschaltungskonfiguration,
der Zeit, der Temperatur und der Verarbeitungen variieren. Der Analyseprozessor 50 bestimmt
den Beginn jedes Rahmens, indem ein bekanntes Muster oder das Testsignal
detektiert wird. Durch Verwendung der auswählbaren Verzögerung 52 werden
die Phase der Taktsignale, die an den A/D-Wandler 44 unter
den Multiplexer 26 angelegt werden, synchronisiert. Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
wird das A/D-Wandlertaktsignal relativ zu dem Taktsignal, das an
den Multiplexer 26 geliefert wird, abgestimmt, oder eine
Gruppe oder Untergruppe von Empfangsschaltungen 14 wird
verwendet, um die Phase eines Taktsignals, das mehr als einem Multiplexer 26 gemeinsam
ist, relativ zu einem anderen Taktsignal, das mehr als einem A/D-Wandler 44 gemeinsam
ist, zu bestimmen. Die adaptiven Takteinstellungen vereinfachen
die Multiplexsteuerschaltung und Schnittstelle zwischen der Empfangsschaltung 14 und
der Sonde 18. Eine Taktleitung oder ein Kabel 22 ist
ohne zusätzliche
oder separate Phasenlageinformation bereitgestellt. Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
werden separate Takt- und Phasensignale an die Sondensteuerung 28 geliefert.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
wird die Verarbeitung durch die Empfangsschaltung 14 geändert oder
ist als Funktion des Testsignals durch den Analyseprozessor 52 einstellbar.
Der Analyseprozessor 50 wählt beispielsweise Koeffizienten
von einer Nachschlagtabelle aus, oder berechnet Koeffizienten zur
Verwendung durch den digitalen Equalizer 46. Der digitale
Equalizer liefert einen Symbolabgleich oder entfernt Zwischensymbolinterferenzen.
Der Analyseprozessor 50 vergleicht ein bekanntes oder gespeichertes
Testsignal mit dem empfangenen Testsignal. Differenzen zwischen
dem empfangenen Testsig nal und dem gespeicherten Testsignal werden zur
Auswahl der Koeffizienten verwendet. Die Koeffizienten werden derart
ausgewählt,
dass die Empfangssignale unverzerrt sind, oder dass Zwischensymbolinterferenz
entfernt oder reduziert ist. Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
werden Ergebnisse von mehr als einem Analyseprozessor 50 verwendet,
um Koeffizienten zur Verwendung mit dem digitalen Equalizer 46 auszuwählen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
weist die Empfangsschaltung 14 einen Sendeempfangsschalter
auf. Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen, die
im folgenden diskutiert werden, ist kein Sende- und Empfangsschalter
bereitgestellt.
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2 zeigt
ein Flußdiagramm
gemäß einem Ausführungsbeispiel
für den
Betrieb des Systems 10 gemäß 1. In Schritt 70 wird
eine von verschiedenen möglichen
Sonden 18, 20 mit einer Basiseinheit 12 verbunden.
Eine der Sonden 18, 20 wird ausgewählt und
an den Anschluss 32 angeschlossen. Beispielsweise wünscht ein
Benutzer eine dreidimensionale Herzabbildung, so dass eine zweidimensionale Anordnung
von Elementen in der Sonde 18, die mit einem Zeitmultiplexen
in Zusammenhang stehen, verbunden wird.
-
Für Sonden,
die mit einem Multiplexen in Zusammenhang stehen, wird ein Testsignal
in Schritt 72 übertragen.
Das Multiplexen oder das Verarbeiten wird in Antwort auf das Testsignal
angepaßt.
Für multiplexfreie
Daten ist Schritt 72 optional oder nicht bereitgestellt.
Das Testsignal wird in Antwort auf die Verbindung der Sonde 18 gesendet,
in Antwort auf Steuersignale von der Empfangsschaltung 14,
in Antwort auf eine Benutzereingabe, automatisch oder periodisch.
Ein Testsignal wird beispielsweise als Teil eines Anfangskalibrierprozesses
oder periodisch in dem Header des ersten Zeitschlitzes oder eines
anderen Zeitschlitzes jedes Rahmens in der Zeitmultiplexinformation
gesendet. Das empfangene Testsignal wird mit einem erwarteten Testsignal
verglichen. In Antwort auf den Vergleich werden Equalizerkoeffizienten
(Entzerrerkoeffizienten) oder eine andere Verarbeitung der Empfangsschaltung
angepaßt
oder geändert. Zusätzlich
oder alternativ wird die Zeitgebung des Testsignals identifiziert
und auswählbare
Verzögerungen
für die
Synchronisation des A/D-Wandlers 44 mit dem Multiplexer 26 bestimmt.
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In
Schritt 74 ist die Empfangsschaltung 14 derart
aufgebaut, dass sie unterschiedliche Charakteristiken als Funktion
des Typs der Sonde oder des Formats der Daten, die von der Sonde 18, 20 empfangen
werden, aufweist, die mit der Empfangsschaltung 14 verbunden
ist. Dort, wo das Datenformat mehreren Elementen entspricht, beispielsweise
zeitgemultiplexten Daten, wird die Information in Antwort auf eine
unterschiedliche Impedanz, Gewinn, Filterung, Entzerrung, A/D-Wandlung
oder anderen Verarbeitungen verarbeitet, als für Daten, die mit einem einzelnen
Element in Zusammenhang stehen oder frei von Zwischenschaltkreisen
in der Sonde 20. Irgendeine oder eine Kombination von zwei
oder mehreren verschiedenen Eigenschaften kann als Funktion des
Datenformats geändert
werden. Zusätzliche oder
unterschiedliche Charakteristiken können auch oder alternativ geändert werden.
Schritt 74 kann vor oder nach Schritt 72 durchgeführt werden.
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Die
analoge Information wird dann digitalisiert. Für eine Zeitmultiplexinformation
wird der A/D-Wandler 44 mit der gemultiplexten Information synchronisiert.
Die gemultiplexte Information wird dann für eine Strahlformation oder
für andere
Bildverarbeitungen degemultiplext.
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SENDE- UND EMPFANGSISOLATION:
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Ein
Transducerelement 24 kann verwendet werden, um den Sendekanal
vom Empfangskanal in jeder der Sonden 18, 20,
wie oben diskutiert, oder einer anderen Sonde zur Verwendung mit
verschiedenen Empfangsschaltungen, zu isolieren. Obwohl für Einzelelementtransducer
von Nutzen, sind lineare Anordnungen, oder Anordnungen mit begrenzten oder
keinen Sende- oder Empfangsschaltkreisen innerhalb der Sonde, die
ein Transducerelement 24 zur Isolation des Sende- und Empfangskanals
verwenden, insbesondere für
mehrdimensionale Transduceranordnungen von Nutzen, bei denen mindestens
ein Teil der Sende- und/oder Empfangsschaltkreise innerhalb der
Sonde gebildet ist, wie oben für
die Zeitmultiplexsonde 18 diskutiert. Eine vollbesetzte
mehrdimensionale Transduceranordnung erfordert eine große Anzahl
von Sende- und Empfangskanälen. Durch
das Anordnen von Sende- und Empfangsschaltungen innerhalb der Sonde
und durch Bereitstellen eines Multiplexens, wird die Anzahl an Kabeln 22 oder
Kanälen
von der Sonde 18 zu der Basiseinheit 12 minimiert.
Die Sende- und Empfangsschaltung existiert dann jedoch in einem
kleinen Raum, wodurch es schwierig wird, die Empfangsschaltungen
von den hohen Spannungen der Sendeschaltungen zu isolieren. Hochspannungsschalter,
beispielsweise Schalter, die einer 200 Volt Rückwärtsspannung standhalten, sind
schwierig mit anderen Empfangsschaltungen zu integrieren, beispielsweise
einem Multiplexer. Das Hochspannungssende- und Empfangsschalten
wird durch das Transducerelement ersetzt, um den Sendekanal vom
Empfangskanal zu isolieren.
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3 zeigt
ein Transducerelement 24 zur Isolation oder Separation
eines Sendewegs 62 und eines Empfangswegs 64.
Eine direkte Verbindung zwischen dem Sendeweg 62 und dem
Empfangsweg 64 wird vermieden. Das Element 24 isoliert
die Wege 62, 64, um eine Hochspannungsübertragung
zu ermöglichen,
ohne den Empfangsweg 64 der Hochspannung zu unterziehen.
In diesem Ausführungsbeispiel
sind Hochspannungsvorrichtungen als Teil des Sendewegs 62 gebildet,
jedoch nicht als Teil des Empfangsweges 64. Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
sind Hochspannungsvorrichtungen auf dem Empfangsweg 64 gebildet.
-
Das
Element 24 weist eines einer Mehrzahl von Elementen in
einer mehrdimensionalen oder linearen Anordnung auf. Eine 1,5-dimensionale
oder zweidimensionale Anordnung kann als mehrdimensionale Anordnungen
eines N × M
Gitters von Elementen dargestellt werden, wenn N und M größer als
1 sind. Für
mehrdimensionale Anordnungen können die
Elemente klein sein und eine hohe Impedanz aufweisen, verglichen
mit Elementen 24 einer linearen Anordnung. Parasitäre Lasten,
die mit einem Kabel 22 in Zusammenhang stehen, fehlen ebenfalls
oder sind zur Verwendung mit einem Multiplexer und der Sonde 18 reduziert.
Im Vergleich zu einer geringeren Impedanz können ein kleinerer Sendeimpulsgeber und
sehr wenig Energie aufnehmende Vorverstärker für die Hochelementimpedanz verwendet
werden.
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Das
Element 24 weist zwei Elektroden 80 und 82 auf.
Die Elektroden 80 und 82 befinden sich auf gegenüberliegenden
Seiten des Elements 24, beispielsweise oben und unten auf dem
Element in einer Reichweitenrichtung. Die Elektrode 80 weist keine
elektrische Verbindung mit der Elektrode 82 auf. Separate
Signalpfade enthalten die Elektroden 80 und 82,
oder sind mit diesen verbunden. Jedes Element 24 ist mit
zwei oder mit mehreren separaten Signalpfaden für damit in Zusammenhang stehende separate
Elektroden 80, 82 verbunden. Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
teilen sich zwei oder mehrere Elektroden den gleichen Signalpfad.
Eine Elektrode 80 verbindet den Sendeweg 62, und
die andere Elektrode 82 verbindet den Empfangsweg 64. Das
Element 24 ist frei von einer elektrischen Verbindung direkt
mit Masse, wie beispielsweise durch eine Elektrode gebildet, die
direkt mit Masse verbunden ist.
-
Der
Sendeweg 62 ist mit der Elektrode 80 zum Anlegen
einer Sendewellenform an das Element 24 verbunden. Der
Sendeweg 62 enthält
mindestens einen Signalpfad zu dem Element 24 innerhalb
der Sonde 18. Gemäß anderen
Ausführungsbeispielen sind
zusätzliche
Sendeschaltkreise, beispielsweise ein Wellenformgenerator 84,
ein Schaltertreiber 87 und eine Steuerung 88 in
dem Sendeweg 62 und innerhalb der Sonde 18 integriert.
Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen
sind die Steuerung 88, der Treiber 87, der Wellenformgenerator 84 oder
Kombinationen davon außerhalb
der Sonde 18 angeordnet, beispielsweise innerhalb der Basiseinheit 12.
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Der
Wellenformgenerator 84 enthält einen oder mehrere Hochspannungstransistoren,
beispielsweise FET-Transistoren, zur Erzeugung von unipolaren, bipolaren
oder sinusförmigen
Wellenformen. Ein Ausführungsbeispiel
eines Sendewellenformgenerators 84 zur Erzeugung einer
unipolaren Wellenform ist in 4 gezeigt.
Zwei Hochspannungstransistoren 86, beispielsweise CMOS
FET Transistoren, die mindestens 200 Volt standhalten können, sind
in Reihe zwischen eine Spannungsquelle und Masse geschaltet. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
weist ein Transistor einen PFET auf, und der andere Transistor einen
NFET. Die Transistoren 86 dienen dazu, eine unipolare Wellenform
an die Elektrode 80 auf eine hohe Spannung (HIGH-Pegel)
und Masse zu treiben. Da der Sendewellenformgenerator 84 eine
Schaltermodusvorrichtung aufweist, ist der Leistungsverlust minimal.
Diese Schaltung für
jedes Element 24 verwendet ungefähr 0,2 Millimeter2 des
Die-Bereichs. Für
eine zweidimensionale Anordnung von 1536 Elementen wer den ungefähr 307 Millimeter2 des Die-Bereichs verwendet. Andere Integrationsformate
können
geliefert werden, beispielsweise das Bilden von Gruppen von Hochspannungs-FET-Transistoren
in kleineren ASIC(Application Specific Integrated Circuits)-Bauelementen. Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
werden andere Vorrichtungen, beispielsweise D/A-Wandler zur Wellenformerzeugung
verwendet.
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5 zeigt
ein Netzwerk von Transistoren 86 zur Erzeugung einer bipolaren
Wellenform. Vier Transistoren 86 ermöglichen die Erzeugung einer
bipolaren Wellenform, die mit einer positiven Spannung, einer negativen
Spannung oder einer Nullspannung endet. Drei Transistoren 86 können verwendet
werden, wenn die bipolare Wellenform in der Lage ist, nur bei einer
Polarität
zu enden, beispielsweise als eine positive Spannung. Von den Transistoren
können
Q1 und Q2 gemäß 4 und 5 eine
integrale Rückwärtsdiode
von dem Drain-Anschluss zum Source-Anschluss aufweisen, jedoch verhindern
die Transistoren Q3 und Q4 die Rückwärtsdiodenkonfiguration,
um eine Verbindung durch die Dioden zu verhindern. Andere Konfigurationen und
Netzwerke von Transistoren 86 können verwendet werden.
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Jeder
der Transistoren 86 ist mit einer Referenzspannung verbunden,
beispielsweise einer positiven Spannung, einer negativen Spannung
oder Masse. Wie in 4 gezeigt, ist ein Transistor 86 mit Masse
verbunden, und der andere Transistor 86 ist mit einer positiven
Spannung oder einer negativen Spannung verbunden. Wie in 5 gezeigt,
sind zwei Transistoren 86 mit Masse verbunden, ein Transistor
ist mit einer positiven Spannung verbunden, und der andere Transistor
ist mit einer negativen Spannung verbunden.
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Der
Treiber 87 weist einen Transistor auf, oder einen FET-Treiber
zur Steuerung des Betriebs des Wellenformgenerators 84.
Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen
können
andere Treiberbauteile verwendet werden. Der Treiber 87 ist
als Teil eines ASIC-Bauelements
integriert ausgebildet, kann jedoch separate Vorrichtungen oder
einen allgemeinen Prozessor aufweisen. Der Treiber 87 ist
betreibbar, um Spannungsänderungen
für den
Betrieb der Transistoren 86 zu liefern. Beispielsweise
wird der Transistor Q2 gemäß 4 durch
Anlegen eines 10-Volt- oder 0-Volt-Signals von dem Treiber 87 ange steuert.
Der Transistor Q1 wird durch Anlegen eines 200-Volt- oder 190-Volt-Signals
von dem Treiber 87 gesteuert.
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Die
Steuerung 88 weist einen allgemeinen Prozessor, analoge
Komponenten, digitale Komponenten, ein ASIC-Bauelement oder Kombinationen davon
auf, um einen oder mehrere Treiber 87, die mit einem oder
mehreren Elementen 24 in Zusammenhang stehen, zu steuern.
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist die Steuerung 88 auf dem gleichen ASIC wie der Treiber 87 integriert,
kann jedoch auch eine separate Vorrichtung sein. Die Steuerung 88 gibt binäre Signale
aus, um den Betrieb des Treibers 87 und den Wellenformgenerator 84 zu
steuern. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
extrapoliert die Steuerung 88, oder wählt Sendekonfigurationen oder
Wellenformparameter für
die Gesamtanordnung oder für eine
Nebenanordnung aus, basierend auf einfachen Steuersignalen, die
von außerhalb
der Sonde 18 geliefert werden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen
ist die Steuerung 88 außerhalb der Sonde angeordnet.
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Der
Empfangsweg 64 weist mindestens einen einzelnen Signalpfad
auf, der mit der Elektrode 82 verbunden ist, auf einer
vom Sendeweg 62 gegenüberliegenden
Seite des Elements 24. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen
weist der Empfangsweg 64 eine oder mehrere Dioden 90, 92,
einen Vorverstärker 94 und
einen Multiplexer 96 auf. Darüber hinaus können andere
oder weniger Schaltungen als Teil des Empfangsweges 64 gebildet
sein, beispielsweise ein Filter. Die Elektronik braucht kein explizites Filter
in der Sonde aufweisen, wenn das Transducerelement selbst ausreichend
ist und/oder die natürliche
Tiefpaßantwort
des Verstärkers
ausreichend ist, um das Empfangssignal zu filtern. Der Empfangsweg ist
innerhalb der Sonde 18 mit dem Element 24 ausgebildet.
Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen ist
kein Multiplexer gebildet, und der Vorverstärker 94 ist in einer
Basiseinheit 12 von der Sonde 18 getrennt oder
in der Sonde 18 ausgebildet. Ein Kabel 22 verbindet
den Empfangsweg 64 mit der Basiseinheit 12.
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Die
Dioden 90 und 92 weisen Schottkydioden oder andere
Hochstrom-, Niederspannungsdiodenvorrichtungen auf. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
sind die Dioden 90 und 92 frei von einem Ruheenergieverlust.
Jede der Dioden 90 und 92 ist mit einer ent gegengesetzten
oder unterschiedlichen Polarität
mit Masse verbunden. Die Dioden 90 und 92 weisen
eine Klemmdiode auf, um Spannungsschwingungen auf dem Empfangsweg 64 an
der Elektrode 82 zu begrenzen. Beispielsweise begrenzen
die Dioden 90 und 92 Spannungsübergänge auf zwischen plus/minus
0,2 bis 0,7 Volt. Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
werden Transistoren oder andere Vorrichtungen zur Begrenzung der
Spannung an der Elektrode 82 verwendet.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
sind die Dioden 90 und 92 in einem ASIC-Bauelement
mit Vorverstärkern
und Multiplexerschaltungen 94 und 96 integriert
ausgebildet. Andere Integrationsformate können verwendet werden, beispielsweise
diskrete Diodenanordnungen und separate Vorverstärker/Multiplexer-Schaltungen
in kleineren ASIC-Bauelementen.
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Der
Vorverstärker 94 weist
einen oder mehrere Transistor auf, um ein Signal von der Elektrode 82 zu
verstärken.
Ein Differential-BJT-Paar mit Stromausgängen ist beispielsweise gebildet,
indem ein 7-Volt-BiCMOS-Prozeß oder
ein anderer Transistorprozeß verwendet
werden. Die Verwendung von 20 μA
pro Kanal mit einer 5-Volt-Versorgung erlaubt einen Verbrauch von
0,1 Milliwatt pro Kanal. Andere Vorverstärker mit anderem Leistungsverbrauch
und anderen Komponenten und Charakteristiken können verwendet werden. Der
Vorverstärker 94 kann
alternativ oder zusätzlich
einen Zeit- oder Tiefengewinnsteuerungsverstärker (Time- oder Depth Gain
Control) oder Filter aufweisen. Für einen Zeitgewinnsteuerverstärker, der
in der Sonde 18 integriert ausgebildet ist, kann eine wenig
energieverbrauchende Vorrichtung verwendet werden, um einen Teil,
jedoch nicht die gesamte Zeitgewinnkompensation vorzunehmen. Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen wird
ein größerer und
mehr Energie verbrauchender variabler Verstärker gebildet.
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Der
Multiplexer 96 weist ein Netzwerk von Schaltern auf, beispielsweise
Transistoren und analoge Abtast- und Halteschaltungen zum Multiplexen der
Signale einer Mehrzahl von Sendewegen 64 auf ein Kabel 22.
Beispielsweise ist der Multiplexer 96 ein 8-zu-1-Multiplexer, um Signale
von 8 unterschiedlichen Elementen 24 in einen Rahmen der
analogen Information zu multiplexen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
ist der Multiple xer 96 betreibbar, um 12 MSPS für jeden
Empfangsweg 64 für
insgesamt 96 MSPS für
8 Empfangswege 64 zu liefern. Die Schaltung des Empfangsweges 64 ist
frei von Hochspannungsvorrichtungen und kann in ein ASIC-Bauelement
oder eine andere allgemeine Schaltung in einem kleinen Raum innerhalb
der Sonde 18 integriert ausgebildet werden.
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Das
Verbinden des Sendeweges 62 und des Empfangsweges 64 mit
gegenüberliegenden
Dioden 80 und 82 isoliert jeweils die Hochspannungen
und Hochspannungsvorrichtungen des Sendeweges 62 von den
Niederspannungsvorrichtungen des Empfangsweges 64. 6 zeigt
ein Flußdiagramm
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
zum Senden und Empfangen unter Verwendung des Elements 24 gemäß 3.
In Schritt 100 wird eine Hochspannungssendewellenform an
das Transducerelement 24 geliefert, und die Spannung im
Empfangsweg 64 wird in Schritt 102 begrenzt. Anschließend wird
die Spannung auf dem Sendeweg 62 in Schritt 106 begrenzt, und
Echosignale werden auf dem Empfangsweg 64 in Schritt 104 empfangen.
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Der
Sende- und Empfangsbetrieb des Elements 24 ist frei von
Schaltern, um zwischen dem Sendeweg 62 und dem Empfangsweg 64 auszuwählen. In
Antwort auf Steuersignale von der Steuerung 88 veranlaßt die Treiberschaltung 86 den
Wellenformgenerator 84 dazu, eine Hochspannung(beispielsweise
200 Volt)-Sendewellenform in Schritt 100 zu erzeugen. Wenn
der Wellenformgenerator 84 innerhalb der Sonde 18 positioniert
ist, wird die Sendewellenform innerhalb der Sonde 18 erzeugt.
Die Sendewellenform wird an eine Elektrode 80 des Elements 24 angelegt.
Die Spannung der anderen Elektrode ist begrenzt, und dient in Schritt 102 im
Wesentlichen als Masse oder DC-Referenz. Die Dioden 90 und 92 klemmen
die Spannung des Empfangsweges 64, der mit der Elektrode 82 verbunden
ist, innerhalb eines kleinen Spannungsbereichs, verglichen mit der Hochspannung
der Sendewellenform. In Antwort darauf erzeugt das Element 24 ein
akustisches Signal aufgrund der Potentialdifferenz über den
Elektroden 80 und 82. Das Element 24 isoliert
auch den Sendeweg 62 vom Empfangsweg 64, wodurch
ohne Hochspannungsschalten eine Beschädigung des Empfangsschaltkreises
verhindert wird.
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Für einen
nachfolgenden Empfangsbetrieb in Schritt 104 wird die Spannung
am Sende weg 62 begrenzt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
verbindet ein Transistor 86 des Wellenformgenerators 84 eine
Masse- oder Referenzspannung mit der Elektrode 80. Beispielsweise
wird Q2 des Wellenformgenerators 84, wie in 4 gezeigt, "ein"-geschaltet, um die Elektrode 80 zu
erden. Gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel
wird eine andere Referenzspannung, beispielsweise eine positive
Spannung, die an Q1 angelegt wird, mit der Elektrode 80 verbunden, um
die Spannungsschwingung oder Änderung
an der Elektrode 80 zu begrenzen. Wenn die Spannung des Sendewegs
und der damit in Verbindung stehenden Elektrode in Schritt 106 begrenzt
wird, werden elektrische Signale an der Elektrode 82 in
Antwort auf akustische Echosignale erzeugt, die von dem Element 24 in
Schritt 104 empfangen worden sind. Da die empfangenen elektrischen
Signale klein sind, beispielsweise weniger als 0,2 Volt aufweisen,
verhindern die Dioden 90 und 92 die Einführung von
Rauschen in das Empfangssignal oder das Abschneiden des Empfangssignals.
Das Empfangssignal wird verstärkt,
gefiltert, gemultiplext oder anderweitig verarbeitet, für eine Übertragung über das
Kabel 22 an die Basiseinheit 12. Der Verstärker 94 führt beispielsweise
eine Vorverstärkung
der Signale durch und stellt den Gewinn der elektrischen Signale
als Funktion der Zeit ein. Der Multiplexer 96 multiplext
die elektrischen Signale mit anderen elektrischen Signalen in Antwort auf
unterschiedliche Transducerelemente 24. Die gleiche Verarbeitung
wird für
Empfangskanäle 64, die
mit anderen Elementen 24 in Verbindung stehen, wiederholt.
Die Sende- und Empfangsoperationen werden durchgeführt, ohne
Auswahl zwischen dem Sende- und Empfangsweg, zur Verbindung mit
einer Elektrode. Jeder der Sende- und Empfangswege 62 und 64 dient
dazu, eine Elektrode 80, 82 mit Masse zu verbinden,
oder jeweils auf einer Referenzspannung während des Empfangens und des
Sendens zu halten.
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Durch
Verwendung des Wellenformgenerators 84, wie in 4 gezeigt,
können
unipolare Wellenformen erzeugt werden, die entweder bei der Nullspannung
oder einer positiven Spannung enden. Der Unipolarwellenformgenerator 84 kann
bei einer positiven oder bei einem Nullspannungszustand enden, ohne
die Schaltung zu zerstören.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel
kann eine Unipolarwellenformerzeugung zwischen Null und einer negativen Spannung
erlauben, indem die NMOS- und PMOS-Vorrichtungen vertauscht werden,
und eine negative Energieversorgung verwendet wird. In jedem Fall
wird eine Niederimpedanzbedingung gebildet, wenn die unipolare Sendewellenform
bei 0 Volt oder einer anderen Spannung endet.
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7 zeigt
zwei spiegelsymmetrische unipolare Wellenformen 108 und 110.
Die erste unipolare Wellenform 108 beginnt bei einem Niederzustand (Low)
oder Null Spannungspegel, weist einen positiven Spannungsimpuls
auf, kehrt zu einem Nullspannungspegel zurück, und endet dann bei einem "High"-Zustand oder positiven
Spannungspegel. Die nachfolgende unipolare Wellenform 110 beginnt
bei einem "High"-Zustand oder bei
einer positiven Spannung, und endet bei einem "Low"-Zustand
oder einer Nullspannung. Da eine Wellenform bei einer höheren Spannung
beginnt und bei einer geringeren Spannung endet, und die andere
Wellenform 108 bei der niedrigeren Spannung beginnt und
bei der höheren Spannung
endet, mit der gleichen Anzahl an Zyklen, summieren sich die zwei
Wellenformen im wesentlichen auf einen Nullwert. Sie summieren sich
nur im Wesentlichen auf einen Nullwert aufgrund von Differenzen
in der Anstiegs- und Abfallzeit der Transistoren 86, und
aufgrund anderer Differenzen von Eigenschaften der verwendeten Sendewellenformen,
die bei unterschiedlichen Spannungen beginnen. Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
ist der "High"-Zustand eine Nullspannung,
und der "Low"-Zustand ist eine
negative Spannung.
-
Die
Spiegelsymmnetriefähigkeit
des Unipolarwellenformgenerators 84 erlaubt ein Abbilden
der Gewebe-Harmonischen oder anderen Harmonischen unter Verwendung
der Phaseninversion mit Unipolarsendewellenformen. Da sich akustische
Energie, die auf Sendewellen reagiert, innerhalb des Gewebes ausbreitet
und streut, wird eine Energie bei der zweiten Harmonischen oder
bei anderen Harmonischen der Grundsendefrequenz erzeugt. Die Empfangssignale,
die auf jede der Unipolarwellenformen antworten, enthalten Information
bei den Grundfrequenzen sowie bei den harmonischen Frequenzen. Wenn
die Empfangssignale, die auf die phaseninvertierten Sendeunipolarwellenformen
reagieren, kombiniert oder addiert werden, wird Information bei
den Grundfrequenzen gelöscht,
wodurch Information bei den harmonischen Frequenzen verbleibt.
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Harmonisches
Abbilden in Antwort auf eine Phaseninversion der Sendewellenformen
wird bereitgestellt, indem einfache Unipolarwellenformen verwendet
werden. Die Tran sistoren 86, die zur Erzeugung der Unipolarwellenform
verwendet werden, sind ausgelegt, um Fehlabstimmungen der Anstiegszeit
und der Abstiegszeit zu vermeiden, wodurch die Summe an harmonischer
Information, die durch den Wellenformgenerator 84 eingebracht
wird, minimiert wird. Das Material des Elements 24 hat
eine hochpolige Spannung gemäß einem
Ausführungsbeispiel, um
Operationsdifferenzen oder Empfangsfehlabgleichungen aufgrund der
Anfangserzeugung bei zwei unterschiedlichen DC-Vorspannpunkten (beispielsweise
0 und +V) zu minimieren. Das Senden eines phaseninvertierten unipolaren
Impulses kann mit Systemen verwendet werden, die einen Übertragungskanal
innerhalb der Basiseinheit oder innerhalb der Sonde aufweisen, und
mit Systemen, die Sende- und Empfangsschalten verwenden.
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MEHRDIMENSIONALE TRANSDUCER:
-
Verschiedene
Transducer können
mit irgendeinen der Sende- und Empfangswege, Sonden und Empfangsschaltungen,
wie oben diskutiert, verwendet werden. Einige derartige mehrdimensionale Transduceranordnungen
für eine
vollabgetastete Verwendung mit Zeitmultiplexen und einer elementenbasierten
Isolation für
den Sende- und Empfangsweg, sind in den 8 bis 11 gezeigt. Das Zeitmultiplexen reduziert
die Kanalanzahl oder die Anzahl von Kabeln 22, ohne die
Strahlformung, die von der Basiseinheit 12 durchgeführt wird,
zu begrenzen. Separate Signalpfade oder die Verbindung von gegenüberliegenden
Dioden 80 und 82 mit dem Sendeweg und dem Empfangsweg
erlauben die Integration der Sendeschaltung und der Empfangsschaltung
in die Sonde 18 ohne leistungsverbrauchendes Sende- und
Empfangsschalten. Verschiedene Gesichtspunkte der mehrdimensionalen
Transducer können
unabhängig
von anderen Aspekten der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet werden,
beispielsweise die Verwendung eines bestimmten Elementeabstandes
ohne Zeitmultiplexen oder eine andere Integration der Schaltkreise
in die Sonde 18.
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8 zeigt
eine zweidimensionale Anordnung 200 von Elementen 24.
Die Elemente 24 sind in einem Gitter entlang der Elevationsrichtung
und der Azimutrichtung beabstandet. Eine andere oder die gleiche
Anzahl von Elementen 24 kann entlang der Elevationsrich tung
gebildet sein, als entlang der Azimutrichtung. Eine Mehrzahl von
Elementen 24 ist in Spalten 204 entlang der Azimutrichtung
angeordnet. Die Elemente 24 haben einen Abstand entlang
der Azimutrichtung. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel wird
ein halber Wellenlängenabstand
verwendet. Vom Zentrum eines Elements bis zum Zentrum eines benachbarten
Elements 24 entlang der Azimutrichtung ist ein Abstand
von der Hälfte
einer Wellenlänge gebildet.
In einer Anordnung, die für
den Betrieb bei 2,5 MHz ausgelegt ist, beträgt der Abstand 300 Mikrometer.
Andere Abstände
können
verwendet werden.
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Die
Elemente 24 sind in Reihen 202 entlang der Elevationsrichtung
angeordnet. Der Abstand entlang der Elevationsrichtung ist größer als
der Abstand entlang der Azimutrichtung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
ist der Abstand entlang der Azimutrichtung 2/3 oder weniger, beispielsweise
die Hälfte
des Abstandes entlang der Elevationsrichtung. Für eine 2,5 MHz Mittenfrequenz
der Anordnung gemäß dem oben
genannten Beispiel, beträgt
der Abstand in Elevationsrichtung 600 Mikrometer oder eine Wellenlänge. Für große Abstände kann
jedes individuelle Element unterteilt (sub-diced) sein, für eine korrekte
Operation oder um ein gewünschtes
Verhältnis
der Breite zur Dicke des Elements 24 aufrecht zu halten.
In dem oben genannten Beispiel sind die Elemente 24 entlang
der Elevationsrichtung unterteilt, beispielsweise indem ein "Dicing"-Schnitt gebildet
wird, der sich über
ungefähr
90 Prozent des PZT-Materials erstreckt, im Zentrum jeder Anordnung,
jedoch nicht entlang der Azimutrichtung unterteilt ist. Andere Unterteilungstiefen
können
verwendet werden.
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8 zeigt
zweiunddreißig
Elemente 24. Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
können andere
Anzahlen an Elementen verwendet werden, beispielsweise 1536 Elemente
in 64 in Azimutrichtung beabstandete Reihen 202 und 24 in
Elevationsrichtung beabstandete Spalten 204, oder 2048
Elemente in 64 in Azimutrichtung beabstandete Reihen 202 und 32 in
Elevationsrichtung beabstandete Spalten 204.
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9 zeigt
eine Sonde 18, die die Anordnung 200 integriert.
Die Sonde 18 enthält
die Anordnung 200, flexible Schaltungsmaterialien oder
Signalpfade 206, 208, eine Mehr zahl von Schaltungsplatinen 210,
einen Kondensator 212 und ein Bündel von Kabeln 22.
Diese Komponenten sind innerhalb einer Plastik- oder anderen ergonomisch
geformten Sondenabdeckung oder einem Gehäuse untergebracht. Unterschiedliche,
weniger oder mehr Komponenten können
in der Sonde 18 enthalten sein.
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Die
flexiblen Schaltungen 206, 208 enthalten Kapton
oder andere flexible, dünne,
elektrisch isolierende Materialien mit aufgebrachten Signalpfaden, auf
einer oder auf zwei Seiten. Die flexible Schaltung wird hier verwendet,
um jedes beliebige flexible oder nicht-starre Material mit einem
oder mit mehreren elektrischen Anschlüssen zu beschreiben. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist das flexible Schaltungsmaterial 50 μm dick. Separate flexible Schaltungsmaterialien 206 und 208 sind
für separate
Sende- und Empfangswege gebildet. Beispielsweise liefert die flexible
Schaltung 206 Elektroden und Pfade von einer Seite der
Elemente 24 der Anordnung 200, und die andere
flexible Schaltung 208 enthält Elektroden und Pfade von
einer gegenüberliegenden
oder anderen Seite der Elemente 204 der Anordnung 200.
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10 zeigt
einen Elevationsquerschnitt der Anordnung 200 und die Anschlüsse der
zwei flexiblen Schaltungen 206 und 208. Die Anordnung 200 ist entlang
der Elevationsrichtung in vier Module 222 unterteilt. Darüber hinaus
kann die Anordnung 200 entlang der Elevationsrichtung in
verschiedene oder weniger Module 222 unterteilt werden.
Beispielsweise können
nur ein, zwei, drei oder mehrere Module verwendet werden. Jedes
Modul hat ein mit diesem in Verbindung stehendes Paar von flexiblen
Schaltungen 206 und 208. Jedes Modul 222 weist
eine Mehrzahl von Schichten entlang der Bereichsrichtung auf, beispielsweise
eine erste Abgleichschicht 218, eine erste Elektrodenschicht
oben auf dem Element 24, das aus der ersten flexiblen Schaltung 208 gebildet ist,
eine zweite Abgleichschicht 216, eine Elementenschicht
oder piezoelektrische (PZT)-Schicht 214, eine zweite Elektrode
auf einer Bodenseite der piezoelektrischen Schicht 214,
die durch die zweite flexible Schaltung 208 und ein Verstärkungsmaterial 220 gebildet
ist. Zusätzlich
können
andere oder weniger Schichten in einem oder mehreren oder in allen
Modulen 222 gebildet werden. Beispielsweise können nur
eine oder drei oder mehrere Abgleichschichten 216, 218 verwendet
werden, oder beide Abgleichschichten 216 und 218 sind
auf einer oberen Seite der oberen Elektrode und der flexiblen Schaltung 208 angeordnet.
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Die
zwei unterschiedlichen flexiblen Schaltungen 208 und 206 sind
entlang einer oder entlang zwei Seiten der Module von dem PZT-Material
oder der Schicht 214 in Richtung und entlang des Verstärkungsmaterials 220 gefaltet.
Separate Signalpfade sind für
jedes der Elemente 24 auf beiden Seiten oder oben und unten
auf den Elementen 24 gebildet. Separate Signalpfade sind
auf der flexiblen Schaltung 206 für jedes der Elemente 24 gebildet,
und separate Signalpfade sind auf der flexiblen Schaltung 208 für jedes
der Elemente 24 gebildet. Jedes der Elemente 24 ist
unabhängig
mit den separaten Signalpfaden oben und unten entlang der Bereichsrichtung
des Elements 24 verbunden. Separate Signalpfade erlauben
eine elementbasierte Isolation der Sende- und Empfangswege. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen
ist eine gemeinsame Masse mit einer Mehrzahl von Elementen 24 verbunden.
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Das
Verstärkungsmaterial 220 jedes
Moduls 222 ist von dem anderen Verstärkungsmaterial 220 des
anderen Moduls 222 durch zwei oder vier Schichten von flexibler
Schaltung 206, 208 getrennt. Die PZT-Schicht 214 von
einem Modul 222 ist durch eine oder zwei flexible Schaltungsschichten 208 von der
PZT-Schicht 214 des anderen Moduls 222 getrennt.
Die Breite der PZT-Schicht 214 ist
größer als die
Breite des Verstärkungsmaterials 220,
um unterschiedliche Dicken aufgrund der unterschiedlichen Anzahl
von flexiblen Schaltung 206, 208 zu berücksichtigen.
Durch die Verwendung eines dünnen
flexiblen Schaltungsmaterials, werden nachteilige akustische Effekte
verhindert, indem die Separation zwischen den Elementen 24 der
unterschiedlichen Module 222 minimiert wird.
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Erneut
bezugnehmend auf 9 sind die flexiblen Schaltungen 208 und 206 derart
gezeigt, dass sie eine zunehmende Breite von der Anordnung der Elemente 200 weg
aufweisen. Eine Vergrößerung der
Breite erlaubt eine größere Separation
der Signalpfade von individuellen Elementen 24. Die größere Separation
liefert eine geringere kapazitive Kopplung zwischen den Signalpfaden.
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9 zeigt
eine Mehrzahl von gedruckten Leiterplatten 210, beispielsweise
sieben gedruckte Leiterplatten 210. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen
kann eine einzelne Leiterplatte 210, eine andere Anzahl
an Leiterplatten 210 oder gar keine Leiterplatte in der
Sonde 18 verwendet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
weisen sechs Leiterplatten 210 Sende- und Empfangsschaltkreise
auf, beispielsweise in die Sonde integrierte Schaltkreise, wie oben
diskutiert. Jede Sende- und Empfangsleiterplatte 210 ist
mit einem von sechs in Elevationsrichtung beabstandeten Modulen 222 verbunden. Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
ist eine Leiterplatte 210 mit Elementen 24 in
verschiedenen Modulen 222 verbunden, oder Elemente 24 in
einem gleichen Modul 222 sind mit verschiedenen Leiterplatten 210 verbunden.
Eine siebente Leiterplatte enthält
eine Steuerlogikleiterplatte. Die Steuerlogikleiterplatte stellt
eine Schnittstelle dar mit der Basiseinheit 12, um die
Sende- und Empfangsschaltkreise zu betreiben. Die gedruckten Leiterplatten 210 und andere
Komponenten der Sonde 18 haben eine Größe, so dass sie in den Griff
der Sonde 18 passen. Die Sonde 18 ist ausgelegt,
um von einem Benutzer ergonomisch gehandhabt werden zu können, beispielsweise
kleiner als vier Inches im Durchmesser, oder hat einen Handgriff.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
weisen die Leiterplatten einen oder mehrere Multiplexer auf. Beispielsweise
ist eine Mehrzahl von acht zu eins Multiplexern zum Multiplexen
von Signalen von den Elementen 24 auf 192 Systemkanäle oder
Kabel 22 gebildet. Gemäß anderen
Ausführungsbeispielen können weniger
oder mehr Multiplexer zur Verwendung mit weniger oder mit mehreren
Kabeln 22 oder Systemkanälen gebildet sein. Beispielsweise
ist eine Anordnung 200 mit 64 Reihen 202 und 32 Spalten 204 mit
Multiplexern versehen, zur Übertragung
von zeitgemultiplexter Information auf 256 Kabeln 22. Durch
das Bilden des Multiplexers in der Sonde 18 mit der Anordnung 200 werden
weniger Kabel 22 und in Zusammenhang stehende Systemkanäle oder
Signalleitungen gebildet, als Elemente 24 der Anordnung 200 vorhanden
sind. Beispielsweise ist das Produkt der Anzahl an Elementen entlang
der Elevationsrichtung und der Anzahl der Elemente entlang der Azimutrichtung
größer als
die Anzahl an Kabeln 22.
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Die
Leiterplatten 210 sind mit den flexiblen Schaltungen 206 und 208 verbunden,
indem bereits bekannte oder später
entwickelte Anschlüsse
oder Verbindungen verwendet werden. Die Verwendung von zwei oder
von mehreren separaten Signalpfaden für jedes Element 24 liefert
elektrische Verbindungen für
doppelt so viele Elemente 24. Die Anschlüsse sind
an den flexiblen Schaltungen 206, 208 angebracht,
vor der Herstellung der Anordnung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
wird eine Ballgitteranordnung (BGA) (Ball Grid Array) oder eine
andere Matrix aus Beulen oder anderen Strukturen zur Verlötung mit
den Pfaden auf den flexiblen Schaltungen 206 und 208 bereitgestellt.
BGA-Anschlüsse
vom Small Pitch Matrix Typ können
verwendet werden. Beispielsweise verbindet der BGA die Empfangswegsignalpfade
mit dem Multiplexer, und der Multiplexer wird dann mit den gedruckten
Leiterplatten verbunden, wodurch die Anzahl an Verbindungen mit
den gedruckten Leiterplatten reduziert wird. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel
sind die Sende- oder Empfangsschaltungen abgesetzt oder anderweitig
auf der flexiblen Schaltung gebildet, wodurch weniger Verbindungen
von den flexiblen Schaltungen 206, 208 zu den
gedruckten Leiterplatten 210 erforderlich sind. Gemäß einem
noch anderen Ausführungsbeispiel
ist ein direktes Anbringen, beispielsweise eine wire bond jumping
Verbindung oder andere Zwischenverbindungen, zwischen der flexiblen Schaltung
und den gedruckten Leiterplatten, geschaffen.
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Die 11A und B zeigen Schritte eines Herstellungsprozesses
der Anordnung 200. 11A zeigt
drei Module der Elemente 24. Jedes Modul 222 hat
mindestens zwei Reihen und zwei Spalten von Elementen 24 in
einer N × M
Anordnung. Die PZT-Schicht 214 jedes Moduls 222 und
die in Zusammenhang stehenden flexiblen Schaltungen 208, 206 sind
unabhängig
für jedes
Modul 222 gediced (beispielsweise in Würfel zerschnitten). Das Zerschneiden
umfaßt
ein Schneiden (Dicen) entlang der Azimut- oder Elevationsrichtung,
um die Elemente 24 zu bilden. Durch das Dicen der Elektroden
oder der flexiblen Schaltungen 208, 206 separat
für jedes
Modul 222, kann jedes Modul 222 separat getestet
werden. Ein separates Testen erlaubt das Entfernen eines fehlerhaften
Moduls 222 vor einem endgültigen Zusammenbauen. Kapazitätstests
oder akustische Tests können
beispielsweise für
jedes Element 24 jedes Moduls 222 durchgeführt werden.
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Jedes
der separat einem Dicen unterzogenen Module 222 ist gemäß 10 gebildet.
Der Herstellungsprozeß kann
verschiedene Änderungen
aufweisen, und eine unterschiedliche Reihenfolge des Zusammenbauens.
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
werden eine erste Abgleichschicht 216, eine Platte aus
einer piezoelektrischen Schicht 214 und eine flexible Schaltung 206,
die am Boden der piezoelektrischen Schicht 214 gebildet
ist, oben auf die Verstärkungsschicht 220 gestapelt.
Eine Präzisionsbestückung mit
Stiften und damit in Zusammenhang stehende Öffnungen oder Vorlagen können für das Ausrichten
dieser Schichten verwendet werden. Die bodenflexible Schaltung 206 hat
Signalpfade auf beiden Seiten zur Verbindung mit unterschiedlichen
Elementen 24. Die ausgerichteten Schichten werden dann
gebondet oder miteinander verklebt.
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Nach
dem Bonden wird die Bodenschicht des flexiblen Schaltungsmaterials 206 entlang
der Seiten der Verstärkungsschicht 220 unter
der Schicht der piezoelektrischen Schicht 214 gefaltet.
Die Breite der Verstärkungsschicht 220 ist
schmäler
als die Breite der piezoelektrischen Schicht 214, und zwar um
ungefähr
die Breite einer oder zwei Schichten der flexiblen Schaltung 206.
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
wird die flexible Schaltung 206 auf zwei Seiten der Verstärkungsschicht 220 gefaltet,
kann jedoch auch nur auf einer Seite gefaltet werden. Die bodenflexible
Schicht 206 wird eng an das Verstärkungsmaterial gebondet, indem
das Teilmodul 222 über
einen teflonbeschichteten oder anderen Rahmen mit Bondmaterial oder
Kleber angeordnet wird. Alternativ wird die bodenflexible Schaltung 206 an
die Seiten des Moduls 222 gebondet, während eines späteren Schrittes
des Bondens der oberen flexiblen Schaltung 208.
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Die
erste Abgleichschicht 216 und die piezoelektrische Schicht 214 werden
entlang der Azimutrichtung einem Dicen unterzogen, also geschnitten.
Beispielsweise werden sechs Hauptschnittkerben (Hauptdicingkerben)
gebildet, die sich in das flexible Schaltungsmaterial 206 erstrecken,
jedoch nicht hindurch. Nebenschnittkerben können ebenfalls entlang der
Azimutrichtung gebildet werden. Die Nebendicingkerben erstrecken
sich ungefähr
90% in die piezoelektrische Schicht 214 hinein. Andere
Schnitttiefen (Dice-Tiefen) können
verwendet werden. Zum Auffüllen
der Kerben kann Epoxid, Silikon oder ein anderes Material verwendet
werden. Ein Kerbenfüllmaterial
mit einer höheren
akustischen Impedanz kann verwendet werden, da nur die piezoelektrische Schicht 214 und
die erste Ab gleichschicht 216 in Azimutrichtung geschnitten
sind. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen
kann eine andere Schicht in Azimutrichtung geschnitten sein, und
eine geringere akustische Impedanz kann für das Kerbfüllmaterial verwendet werden.
Gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel
kann überhaupt
kein Füllmaterial
für die
Kerbe verwendet werden.
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Die
Oberfläche
der ersten Abgleichschicht 216 wird geebnet oder anderweitig
verarbeitet, um überstehendes
restliches Kerbenauffüllmaterial
zu entfernen, falls dies erforderlich ist. Die obere flexible Schaltung 208 und
die zweite Abgleichschicht 218 sind zueinander ausgerichtet
und gebondet, indem Stifte und Löcher
oder Vorlagen verwendet werden. Die gebondete obere flexible Schaltung 208 wird dann
an die Bodenabgleichschicht 216 gebondet. In alternativen
Ausführungsbeispielen
können
die obere flexible Schaltung 208 und die obere Abgleichschicht 218 ausgerichtet
und an die Bodenabgleichschicht 216 auf dem Modul 222 gebondet
sein, als eine Operation, die mit dem Auffüllen der Kerben in Zusammenhang
steht.
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Die
Position der oberen flexiblen Schaltung 208 und die in
Zusammenhang stehenden Signalverläufe relativ zu der unteren
flexiblen Schaltung 206 und der in Zusammenhang stehenden
Signalpfade liegt innerhalb einer Toleranz, die ausreichend ist,
um separate Signalpfade für
jedes Element 24 zu erlauben. Beispielsweise erlaubt eine
Toleranz von plus/minus 50 μm
einen Schnittbereich (Dicing-Bereich) von 100 μm zwischen jedem der Elemente 24 entlang
der Elevationsrichtung ohne nachteiliges Abschneiden eines Signalpfads.
Andere Toleranzen und Abstände
sind möglich.
Das Ausrichten erfolgt unter Verwendung von Präzisionsstiften und Löchern, Vorlagen
oder durch eine optische Ausrichtung. Durch das Bereitstellen von
Signalpfaden auf flexiblen Schaltungen 206, 208 auf
beiden Seiten des Moduls 222 werden weniger dichte Signalpfade
gebildet, wodurch größere Schnittfenster
erlaubt werden. In alternativen Ausführungsbeispielen wird eine größere Dichte
der Signalpfade bereitgestellt, und die flexiblen Schaltungen 208 und 206 sind
auf einer Seite des Moduls 222 gebildet.
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Die
obere flexible Schaltung 208 ist entlang einer oder zwei
Seiten der piezoelektrischen Schicht 214 und der Verstärkungsschicht 220 gefaltet.
Die flexible Schaltung 208 erstreckt sich von der piezoelektrischen
Schicht 214 in Richtung des Verstärkungsmaterials 220.
Wenn Signalpfade auf einer oberen Seite oder auf einer nach außen weisenden Seite
der unteren flexiblen Schaltung 206 und auf einem Boden
oder einer nach innen weisenden Seite der oberen flexiblen Schaltung 208 bereitgestellt sind,
wird eine Isolationsschicht zwischen den zwei flexiblen Schaltungen 206 und 208 hinzugegeben. Beispielsweise
wird vor oder während
des Zusammenbaus eine 25 μm
oder eine andere Dicke aufweisende Teflonschicht oder ein anderes
elektrisch nichtleitendes Material für eine oder für beide
flexible Schaltungsschichten 206 verwendet. Die obere flexible
Schaltung 208 wird dann an die Seiten der Module 222 gebondet,
indem sie durch einen Rahmen mit einer Teflonbeschichtung oder einer
anderen Beschichtung hindurchverläuft. Beide flexible Schaltungen
und die in Zusammenhang stehenden Elektroden werden an das Modul 22 gebondet.
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Das
Modul 222 wird dann in Elevationsrichtung geschnitten,
beispielsweise zur Bildung von 64 Spalten 204 von Elementen 24.
Das Dicing erstreckt sich durch beide flexible Schaltungen 206 und 208 und
die piezoelektrische Schicht 214 in die Verstärkungsschicht 220 hinein.
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
werden keine Nebendicingkerben gebildet, jedoch können solche
verwendet werden. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
wird die obere flexible Schaltung 208 mit einem Mikroskop
in Bezug auf eine optische Ausrichtung der Säge überprüft. Die Elevationsschnitte
in Kombination mit den früheren
Azimutschnitten definieren die Elemente 24. Die Elevationsdices
können
für jedes
der Module 222 gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten gebildet
werden. Das Dicing hat eine obere und eine untere separate Elektrode
und in Verbindung stehende Signalpfade für jedes der Elemente 24 zur
Folge, ohne eine Grundebene, die allen Elementen gemeinsam ist.
In alternativen Ausführungsbeispielen
wird eine Grundebene mit nur einem separaten Signalpfade für jedes
Element 24 verwendet.
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Die
separat geschnittenen Module 222 werden ausgerichtet, wie
in 11B gezeigt. Die Module 222 sind benachbart
zueinander entlang der Elevationsrichtung oder Azimutrichtung angeordnet,
um eine größere Anordnung 200 von
Elementen 24 zu bilden. Jedes der Module 222 ist
von einem anderen Modul 222 durch eine oder durch mehrere
flexible Schaltungen 206, 208 getrennt. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
repräsentiert
jedes der Module 222 64 in Azimutrichtung beabstandete
Reihen 202 und vier oder sechs in Elevationsrichtung beabstandete Spalten 204 von
Elementen 24. Durch Ausrichten von vier oder sechs Modulen 222 in
Elevationsrichtung und Azimutrichtung, wird ein 64 × 24 Gitter
von Elementen 24 gebildet. Eine andere Anzahl an Modulen,
eine andere Größe oder
eine andere Anzahl von Elementengittern können verwendet werden, mit oder
ohne Separation der Module 222 durch flexible Schaltungen 206, 208.
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Die
obere flexible Schaltung 208 hat Signalpfade, die auf einer
Bodenseite gebildet sind, so dass die flexible Schaltung 208 die
Signalpfade von einem Modul 222 von den Signalpfaden des
anderen Moduls 222 elektrisch isoliert. In alternativen
Ausführungsbeispielen
ist ein Isolatormaterial, beispielsweise zusätzlich Kapton oder ein anderes
Material, zwischen den zwei Modulen 200 zur elektrischen
Isolation der Signalpfade angeordnet.
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Vor
der Ausrichtung wird jedes der Module 222 durch einen teflonbeschichteten
Rahmen oder einen anderen Rahmen mit Kleber oder einem anderen Bondmaterial
gedrückt/gepresst.
Durch das Pressen werden die flexiblen Schaltungen 206 und 208 eng
entlang der Seiten der Module 222 angepasst, um jegliche
Separation zwischen den Modulen zu minimieren.
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Die
Module 222 sind innerhalb eines Rahmens 224 angeordnet.
Der Rahmen weist ein Graphitmaterial, ein anderes leitfähiges Material,
oder ein anderes nicht-leitfähiges
Material auf. Die vier Module 222 sind in den Rahmen 224 preßeingepaßt oder
innerhalb des Rahmens 224 positionierbar. Wenn die Module 222 innerhalb
des Rahmens 224 positioniert sind, beträgt der Platz zwischen der PZT-Schicht 214 der
Module 222 etwa 50–150
Mikrometer, jedoch kann auch eine andere Beabstandung verwendet
werden. Der Abstand ist das Ergebnis des flexiblen Schaltungsmaterials
zwischen den piezoelektrischen Schichten 214 jedes Moduls 222.
Ein 50–150
Mikrometerabstand ist 0–100
Mikrometer größer als
eine normale Kerbenbreite. Andere relative Breiten können verwendet
werden.
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Das
Minimieren des Abstands zwischen den Modulen 222 minimiert
die Strahlbreite in Elevationsrichtung oder die Elevationspunktspreizfunktion.
Der Rahmen 224 richtet die Module 222 in beide
Richtungen aus, kann jedoch weniger Toleranz in der Azimutrichtung
aufweisen. Eine Ausrichtung mit größerer Toleranz kann durch ein
manuelles optisches Ausrichten, durch eine Stift- und Lochausrichtung oder
eine Präzisionsherstellung
des Rahmens 224 als Vorlage gebildet werden.
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Nachdem
die Module 222 innerhalb des Rahmens 224 ausgerichtet
sind, werden die Kerben von dem getrennten Dicing mit Silicon oder
einem anderen Kerbfüllmaterial
aufgefüllt.
Das Kerbfüllmaterial
dient auch zum Bonden der Module 222 aneinander und an
den Rahmen 224. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen
werden die Kerben der Module 222 vor dem Ausrichten gefüllt. Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
wird keine Kerbfüllung verwendet.
Eine Schutzschicht aus Linsenmaterial oder einem anderen fokussierenden
oder nicht-fokussierenden akustischen transparenten Material ist über oder
um die Anordnung 200 herum positioniert. Ein bei hoher
Temperatur oder bei Raumtemperatur vulkanisiertes Silikon kann beispielsweise über der Anordnung 208 gebildet
werden. Wenn die Anordnung 200 vollständig abgetastet (bestückt) ist,
liefert die zusätzliche
Schutzschicht keinen Fokus oder begrenzten Fokus.
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Die
flexiblen Schaltungen 206, 208 und die in Zusammenhang
stehenden Signalpfade sind mit gedruckten Leiterplatten oder Multiplexer
verbunden. Die Ausgangsignale der Multiplexer sind mit Kabeln 22 verbunden.
Die Kabel verbinden die Elemente 24 der Anordnung 200 elektrisch
mit der Basiseinheit 12.
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Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen sind
verschiedene mehrdimensionale Anordnungen gebildet, mit einem Multiplexer,
der in der Sonde 18 integriert ausgebildet ist, und/oder
einer Isolation für den
Sendeweg und den Empfangsweg durch das Transducerelement 24.
Das Multiplexen, beispielsweise ein Zeitmultiplexen, erlaubt ein
Multiplexen von mehreren Kanälen
auf einen einzelnen Kanal. Das Ausmaß des Multiplexens, die gewünschte Bandbreite,
die Mittenfrequenz und die Taktrate bestimmen das verwendete Multiplexen.
Ein System mit einer 40 MHz Taktrate kann beispielsweise einen Transdu cer mit
bis zu 25 MHz Mittenfrequenz verwenden, unter der Annahme, dass
die Nyquistabtastrate (Nyquist-Sampling Rate) das bis zu 1,6-fache
der Mittenfrequenz ist. Durch Multiplexen kann die Mittenfrequenz
reduziert werden, um die Anzahl von Systemkanälen oder Kabeln 22 zu
reduzieren. In dem oben genannten Beispiel erlaubt ein 2:1 Multiplexer
die Verwendung eines Transducers bis zu einer 12,5 MHz Mittenfrequenz
mit einer 120% Bandbreite, verdoppelt jedoch die Anzahl der Elemente 24,
die ein Kabel 22 verwenden. Ein 3:1 Multiplexer erlaubt
die Verwendung eines Transducers bis zu einer 8,3 MHz Mittenfrequenz.
4:1 erlaubt 6,3 MHz, 5:1 erlaubt 5,0 MHz, 6:1 erlaubt 4,2 MHz, 7:1
erlaubt 3,6 MHz und 8:1 erlaubt 2,5 MHz. Höhere Taktraten erlauben entweder
mehr Multiplexing oder Transducer mit höherer Mittenfrequenz.
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Einige
mehrdimensionale Anordnungen liefern eine Mehrzahl von Transducerelementen,
die mit N Elementen entlang einer ersten Richtung angeordnet sind,
wobei N größer als
Eins ist, und mit M-Elementen entlang einer zweiten Richtung, wobei
M größer als
Eins und ungleich N ist. Beispielsweise haben eine Multi-PZT-Schichtlinearanordnung,
eine 1,5D-, I-Strahl-, +-Strahl- oder andere Anordnungen der Elemente 24 unterschiedliche
Verteilungen der Elemente 24. Eine Sonde nimmt die Anordnung 200 der Elemente 24 auf.
Ein Multiplexer innerhalb der Sonde und mit mindestens zwei der
Mehrzahl der Transducerelemente 24 verbunden, erlaubt eine
größere Anzahl
von Elementen 24 mit einer geringeren Anzahl von Systemkanälen oder
Kabeln 22, die mit der Basiseinheit 12 verbunden
sind.
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Das
Multiplexen erlaubt eine höhere
Auflösung
für 1,5
dimensionale Transduceranordnungen, beispielsweise Anordnungen mit
zwei oder mehreren Elevationsreihen von 96 Elementen 24 in
Azimutrichtung. Mit 2:1 Zeitdomainmultiplexing verwendet beispielsweise
eine 1,5D Anordnung mit drei oder vier Reihen von 96 Elementen 192 Systemkanäle oder Kabel 22 bei
bis zu 12,5 MHz. Mit 7:1 Multiplexing von 7 Segmenten oder Reihen
von 96 Elementen 24 kann die Anordnung bei bis zu 3,6 MHz
mit 192 Systemkanälen
oder Kabeln 22 in einem 40 MHz Taktratensystem arbeiten.
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Ein
plan-konkaver Transducer mit isolierten linken und rechten elevationsöffnungs beabstandeten Elementen
24 kann
ebenfalls von Multiplexing profitieren. Siehe beispielsweise die
Anordnungen, die in der
US 6,043,589 beschrieben
sind. Zwei oder mehrere segmentierte Anordnungen arbeiten bei einer höheren Mittenfrequenz
und/oder mit mehreren Elementen, indem Signale von einem oder mehreren Elementen
mit Signalen von anderen Elementen multigeplext werden.
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Die
Transducer, die als zwei oder mehrere separate oder linear kreuzende
oder gekrümmte
lineare Anordnungen konfiguriert sind, können ebenfalls von Multiplexen
profitieren. Eine erste lineare Anordnung ist entlang einer Richtung
positioniert, und eine zweite lineare Anordnung ist entlang der
zweiten Richtung oder nicht parallel zu der ersten Anordnung positioniert.
Die verschiedenen I-Strahl-, +-Strahl- oder andere Anordnungen,
die in der
US 6,014,473 offenbart
sind, verwenden beispielsweise ein Multiplexen, um eine größere Anzahl
von Elementen mit der gleichen Anzahl von oder weniger Kabeln
22 zu verwenden.
In diesem Beispiel wird eine lineare Anordnung für das Abbilden verwendet, und
eine oder mehrere andere orthogonale Anordnungen liefern eine Trackinginformation.
Durch Multiplexen wird die Bildauflösung weniger beeinträchtigt,
indem Systemkanäle
oder Kabel für
Trackinganordnungen (Tracking Arrays) verwendet werden. Beispielsweise
verwenden eine Abbildungs- und zwei Trackingarrays jeweils 192 Elemente
24 mit
3:1 Multiplexing für
192 Kabel
22. Andere Verteilungen der Elemente
24 innerhalb
der Anordnungen können
verwendet werden.
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Bi-Schicht-
oder Mehrschichttransduceranordnungen können ebenfalls von Multiplexing
profitieren. Zwei oder mehrere Schichten von PZT innerhalb einer
linearen oder einer anderen Anordnung von Elementen
24 werden
für harmonisches
Abbilden (Harmonic Imaging) verwendet. Eine oder mehrere eindimensionale
Anordnungen von Elementen
24 entlang der Azimutrichtung
haben Schichten von Elementen
24 oder PZT entlang der Bereichsrichtung.
Beispielsweise verwenden die Anordnungen, die in der
US 6875178 B2 (Seriennummer 10/076,688,
eingereicht 14. Februar 2002) oder
US 5,957,851 offenbart
sind, mehrere Schichten von Elementen
24, die durch Elektroden
getrennt sind. Das Multiplexing erlaubt eine größere Anzahl von separat adressierbaren
PZT-Schichten und/oder Elementen
24. Die relative Phasenlage
einer Schicht zu einer anderen Schicht berücksichtigt entweder Grund- oder
harmonische Operationen (Fundamental oder Harmonic Betrieb).
-
Ein
Quadratgitter von Elementen als eine zweidimensionale Anordnung
oder eine einzelne lineare Anordnung können ebenfalls von Multiplexing profitieren.
Das Multiplexing erlaubt mehr Elemente mit weniger Systemkanälen oder
Kabeln 22. Multiplexing liefert höhere Auflösung und/oder ein schnelleres
Abtasten für
zwei- oder dreidimensionales Imaging.