DE3621945A1 - Ultraschall-array-applikator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Applikator mit einer Anzahl an Ultraschall-Wandlerelementen, die ent­ lang einer ersten Achse längs zur Arrayachse auf der Ge­ genfläche zur Abstrahlseite jeweils mit einer Kontaktfah­ ne verbunden sind. Ein solcher Applikator wird in der me­ dizinischen Technik eingesetzt.

Ein solcher Ultraschall-Applikator ist beispielsweise aus der europäischen Offenlegungsschrift 00 90 265 be­ kannt. Der dort beschriebene Ultraschall-Applikator um­ faßt ein Array aus feingeteilten Ultraschallelementen. Die Elementbreite p wird aus jeweils fünf feingeteilten Wandlerelementen der Breite gebildet. Eine Kontakt­ fahne ist gemeinsam für alle fünf feingeteilten Wandler­ elemente vorgesehen.

Bei einem Phased-Array-Ultraschall-Applikator besteht die Notwendigkeit, jedes der feingeteilten Wandlerele­ mente, deren Breite im Bereich von ca. 150 µm liegt, mit einer eigenen Kontaktfahne zu versehen. Dabei ist davon auszugehen, daß die Breite einer Kontaktfahne im Bereich von 100 µm liegt. Zwei nebeneinanderliegende Kontaktfahnen hätten demzufolge bei einer Rasterbreite von 150 µm einen Abstand von lediglich 50 µm. Bei einem solch kleinen Abstand kann es beim Ausgießen mit Dämp­ fungsmasse leicht zu einem Kurzschluß zwischen benach­ barten Kontaktfahnen kommen. Dieses trifft auch auf an­ dere Array-Arten zu, wie z. B. einem Annular-, Curved­ oder Linear-Array, bei welchem die Einzelelemente fein­ geteilt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschall-Appli­ kator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der Abstand zwischen benachbarten Kontaktfahnen unter Beibehaltung der Rasterbreite der Ultraschallelemente vergrössert wird. Damit soll die Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen bei der Herstellung reduziert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kontaktfahnen alternierend entlang der ersten Achse und entlang einer zweiten Achse längs zur Arrayachse an­ geordnet sind.

Vorteil dieser Anordnung ist es, daß der Abstand benach­ barter Kontaktfahnen gleich der Länge der Diagonalen ist, die sich nach dem Satz des Pythagoras aus dem Abstand der beiden Achsen zum einen und der Rasterbreite minus Kontaktfahnenbreite zum anderen ergibt. Liegen die bei­ den Achsen z. B. 5 mm auseinander, so ist der Abstand Rasterbreite minus Kontaktfahnenbreite vernachlässigbar. Es ergibt sich ein diagonaler Abstand zwischen zwei benachbarten Kontaktfahnen von ca. 5 mm. Dieser Abstand ist bezüglich des Verarbeitungsschrittes "Ausgießen mit Dämpfungsmasse" unkritisch. Zwei auf derselben Achse benachbarte Kontaktfahnen haben einen Abstand von zwei Rasterbreiten minus einer Fahnenbreite. Dieser Abstand beträgt ca. das Drei- bis Vierfache wie bei dem Fall, daß die Kontaktfahnen lediglich auf einer Achse angeord­ net werden.

Der Vorteil der Erfindung beschränkt sich nicht allein auf Phased-Array-Ultraschall-Applikatoren, sondern gilt ebenso für Annular-, Curved- und Linear-Arrays, wobei die Einzelelemente auch feingeteilt sein können.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Un­ teransprüchen und der Beschreibung eines Ausführungsbei­ spiels anhand der Figuren.

Es zeigen:

Fig. 1 die perspektivische Ansicht auf eine ungesägte Piezokeramikscheibe mit aufgelöteten Kontaktfah­ nen und

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen ausgegossenen Pie­ zowandler.

In Fig. 1 ist eine rechteckige, piezokeramische Platte 1 gezeigt, wie sie Ausgangsprodukt für einen späteren Sä­ gevorgang ist. Die Platte 1 weist eine Abstrahlseite 3 und eine dieser parallel gegenüberliegende Gegenfläche 5 auf. Die Gegenfläche 5 und die Abstrahlseite 3 sind je­ weils mit einer Metallisierungsschicht 7 versehen.

Auf der Gegenfläche 5 ist etwa mittig eine kammförmige Kontaktfolie 9 aufgebracht, deren Dicke kleiner als λ/8 (mit λ gleich der akustischen Wellenlänge in dem Fo­ lienmaterial) sein sollte. Die Kontaktfolie 9 umfaßt im wesentlichen einen Steg 11 und eine Anzahl von ersten und zweiten Kontaktfahnen 13 bzw. 15, die vom Steg 11 her etwa senkrecht zur Gegenfläche 5 abgebogen sind.

Der Steg 11 ist auf die Gegenfläche 5 beispielsweise kontaktbildend aufgeklebt oder aufgelötet. Alternativ hierzu ist es möglich, den Steg 11 aus einem isolieren­ den Material vorzusehen. Wichtig ist dabei, daß die Kontaktfahnen 13, 15 einen elektrischen Kontakt zur Ge­ genfläche 5 haben. Bis auf Aussparungen 17 im Steg 11, die jeweils den ersten und zweiten Kontaktfahnen 13, 15 gegenüberliegen, ist der Steg 11 durchgehend. Die Aus­ sparungen 17 dienen dazu, bei thermischen Einflüssen, wie sie z. B. beim Löten vorkommen, einen Zieharmonika­ effekt zwischen der Gegenfläche 5 und dem Steg 11 zu erzielen. Es sollen also Wärmespannungen aufgrund unter­ schiedlicher Ausdehnungskoeffizienten des piezokerami­ schen Materials der Platte 1 und des Materials des Stegs 11, z. B. Keramik einerseits und Silber oder eine Kupfer­ legierung andererseits, vermieden oder kleingehalten werden.

Zur Veranschaulichung ist das Material, welches beim späteren Sägevorgang weggenommen wird, schraffiert dar­ gestellt. Die Sägeschnittbreite S beträgt dabei ca. S=50 µm.

Die Kontaktfolie 9 weist eine erste Achse A 1 und eine zweite Achse A 2 auf, die zueinander parallel sind und in einem Abstand a zwischen 2 und 10 mm voneinander ver­ laufen. Die Kontaktfolie 9 ist so auf der piezokerami­ schen Platte 1 angebracht, daß ihre beiden Achsen A 1, A 2 im wesentlichen parallel zur Längsrichtung der rechtecki­ gen piezokeramischen Platte 1 sind. Die Achsen A 1, A 2 verlaufen durch die Knickkanten der beiden Reihen wech­ selweise angeordneter Kontaktfahnen 13, 15.

Nach einem späteren Ausgießen mit folgendem Sägevorgang liegt eine Vielzahl an nebeneinander angeordneten piezo­ keramischen Wandlerelementen 19 vor. Bei der Dimensionie­ rung dieser Wandlerelemente 19 ist bei einem Phased-Ar­ ray darauf zu achten, daß die Wandlerelementbreite (R-S) im Bereich der halben Wellenlänge des Ultraschallimpulses im zu untersuchenden Gewebe liegt oder kleiner ist. Diese Bedingung ergibt sich aus der Forderung nach einem mög­ lichst großen Öffnungs- oder Abstrahlwinkel für jedes ein­ zelne Ultraschall-Wandlerelement 19, damit im Idealfall eine Zylinderwelle ausgestrahlt wird. Ein typisches Di­ mensionierungsbeispiel bei einer Sendefrequenz von 7,5 MHz und einer Anzahl von 64 geteilten Wandlerelementen 19 ist beispielsweise:

• - Rasterbreite R = 150 µm;
  - Sägeschnittbreite S = 50 µm;
  - Kontaktfahnenbreite K = 100 µm;
  - Kantenlängen der rechteckigen piezokeramischen Platte 1 von x = 7 mm und y = 10 mm;
  - Abstand a zwischen erster und zweiter Achse A 1, A 2, a = ca. 5 mm.

Bei einer solchen Dimensionierung beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten ersten oder auch zweiten Kon­ taktfahnen 13 bzw. 15 ca. 5 mm. Dieser Abstand ist un­ kritisch bezüglich späterer Verarbeitungsschritte. Der Abstand zwischen zwei benachbarten ersten Kontaktfahnen 13 ist gleich dem Abstand zwischen zwei benachbarten zweiten Kontaktfahnen 15. Er beträgt am Dimensionierungs­ beispiel etwa 200 µm, die sich aus zweimal Rasterbreite R minus einer Kontaktfahnenbreite K ergeben. Dieser Abstand von 200 µm wird mit herkömmlichen Verarbeitungsmethoden bezüglich Sicherheit vor Kurzschlüssen und leicht zugäng­ licher Kontaktierung sicher beherrscht. Ohne die versetz­ te Achsenanordnung würde sich ein Abstand zwischen zwei Kontaktfahnen 13, 15 von nur 50 µm ergeben (eine Raster­ breite R minus einer Kontaktfahnenbreite K). Ein solch kleiner Abstand würde bei weiteren Verarbeitungsschrit­ ten, wie beispielsweise dem Ausgießen mit Dämpfungsmasse oder dem Kontaktieren, zu erhöhten Schwierigkeiten füh­ ren. Die Ausschußrate an Applikatoren aufgrund interner Kurzschlüsse ist im vorliegenden Fall, demgegenüber auf­ grund der alternierenden Anordnung der Kontaktfahnen 13, 15 auf zwei Achsen A 1, A 2 wesentlich verbessert.

Die Aussparungen 17 besitzen ungefähr die Breite K der Kontaktfahnen 13, 15 und sind kürzer als der Abstand der beiden Achsen A 1, A 2. Mit anderen Worten: Der jeweils mit dem Wandlerelement 19 verbundene Teil der Kontakt­ fahne 13, 15 ist um einiges kürzer als der Abstand der beiden Achsen A 1, A 2.

In Fig. 2 sind gleiche Bauelemente mit gleichen Bezugs­ zeichen wie in Fig. 1 versehen.

Entlang der ersten Achse A 1 sind die ersten Kontaktfah­ nen 13 angeordnet. In einem Abstand a, der zwischen 0,1 und 10 mm betragen kann, befindet sich die zweite Ach­ se A 2 mit den zugeordneten zweiten Kontaktfahnen 15. Die Achsen A 1, A 2 verbinden somit die Abknickstellen der Kon­ taktfahnen 13 bzw. 15. Die ersten und zweiten Kontaktfah­ nen 13, 15 sind jeweils um einen Winkel α bezüglich der Normalen der Gegenfläche 5 nach außen weggebogen. Das Wegbiegen erfolgt also bei den ersten Kontaktfahnen 13 in entgegengesetzter Richtung wie bei den zweiten Kon­ taktfahnen 15. Eine Dämpfungsschicht 21 ist auf der Me­ tallisierungsschicht 7 der Gegenfläche 5 aufgebracht. Sie umschließt jeweils den Anfangsteil der Kontaktfah­ nen 13, 15. Die Dämpfungsschicht 21 weist ungefähr eine Dicke von 5 mm auf. An der freien Oberseite der Dämpfungs­ schicht 21 sind die Endteile der ersten Kontaktfahnen 13 jeweils abwechselnd nach links und rechts umgebogen, so daß sie auf der Oberseite der Dämpfungsschicht 21 auflie­ gen. Dies gilt auch für die zweiten Kontaktfahnen 15. Durch dieses wechselseitige Umbiegen der ersten und zwei­ ten Kontaktfahnen 13, 15 wird Platz zur elektrischen Kon­ taktierung der Kontaktfahnen 13, 15 geschaffen. Es lie­ gen somit vier Reihen B 1 bis B 4 an Lötpunkten vor, wel­ che jeweils einen Abstand von 5 mm haben. Auf diese Wei­ se lassen sich Anschlußleitungen mit einem Durchmesser von ca. 0,35 mm problemlos anlöten. Dazu wird zweckmäßi­ gerweise auf die freie Oberseite der Dämpfungsschicht 21 eine Platine mit entsprechenden Vorbohrungen aufgebracht.

Claims (5)

1. Ultraschall-Applikator mit einer Anzahl an Ultraschall- Wandlerelementen, die entlang einer ersten Achse längs zur Arrayachse auf der Gegenfläche zur Abstrahlseite je­ weils mit einer Kontaktfahne verbunden sind, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kon­ taktfahnen (13, 15) alternierend entlang der ersten Ach­ se (A 1) und entlang einer zweiten Achse (A 2) längs zur Arrayachse angeordnet sind.

2. Ultraschall-Applikator nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die er­ ste und die zweite Achse (A 1, A 2) einen Abstand (a) zwi­ schen 0,1 und 10 mm voneinander aufweisen.

3. Ultraschall-Applikator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Wandlerelemente (19) in einer Rasterbreite (R) von ca. 150 µm angeordnet sind.

4. Ultraschall-Applikator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfahnen (13, 15) entlang der ersten Achse (A 1) entgegengesetzt zu denen entlang der zweiten Achse (A 2) bezüglich der Normalen des Ultraschall-Wandlerele­ ments (19) weggebogen sind.

5. Ultraschall-Applikator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der mit dem Wandlerelement (19) verbundene Teil der Kontaktfahne (13, 15) kürzer ist als der Ab­ stand (a) der beiden Achsen (A 1, A 2).