МАТРИЧНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЗОНД С ПАССИВНЫМ РАССЕЯНИЕМ ТЕПЛА
MATRIX ULTRASOUND PROBE WITH PASSIVE HEAT DISSIPATION

Настоящее изобретение относится к медицинским диагностическим системам, в частности к матричным ультразвуковым зондам с пассивным рассеянием тепла.
Известные одномерные (1D) матричные ультразвуковые зонды для двумерной (2D) визуализации приводятся в действие передающими возбуждающими цепями, расположенными в блоке управления системой. Кабель зонда вставлен в блок управления системой, а преобразующие элементы матрицы на лицевой стороне зонда включаются на передачу в блоке управления системой. Тогда как тепло, генерируемое при пьезоэлектрической активации элементов преобразователя, должно рассеиваться зондом, тепло, генерируемое высоковольтными возбуждающими цепями в блоке управления системой, может относительно легко рассеиваться в самой системе. Однако твердотельные зонды для 3D визуализации имеют двумерную матрицу элементов преобразователя, исчисляющихся тысячами, а кабель с тысячами коаксиальных проводников сигнала возбуждения является непрактичным. Следовательно, специализированная интегральная микросхема (ASIC) лучеформирователя (микролучеформирователя) применяется в зонде с интегрированными возбуждающими цепями и приемными цепями для элементов преобразователя непосредственно в зонде. ASIC лучеформирователя управляет по меньшей мере частью формирования излучаемого и принимаемого луча, поэтому в кабеле требуется относительно небольшое количество сигнальных проводников, что позволяет использовать практичный тонкий кабель для зонда для 3D визуализации.
Когда ASIC формирования передаваемого луча и цепи возбуждения находится в зонде, тепло, генерируемое этими цепями, теперь должно отводиться от зонда, а не от блока управления системой. Поскольку ASIC лучеформирователя прикреплена непосредственно за матрицей преобразователей, тепло пакета преобразователей и ASIC теперь концентрируется на передней части зонда, непосредственно за линзой, которая контактирует с пациентом. Для того чтобы рассеивать тепло с передней части ультразвукового зонда в прошлом применялись различные подходы. Один подход, описанный в патенте US 5213103 (Martin et al.), относится к использованию радиатора, продолжающегося от преобразователя на передней части зонда к кабельной оплетке на задней части. С помощью радиатора тепло удаляется с преобразователя в кабельную оплетку, откуда оно рассеивается через кабель и корпус зонда. Martin et al. лишь транспортируют тепло от пьезоэлектрического преобразователя, не учитывая возбуждающие цепи, поскольку возбуждающие цепи зонда согласно Martin et al. находятся, предположительно, в блоке управления системой. Более решительным подходом к охлаждению является использование активного охлаждения, как описано в патенте US 5560362 (Sliwa, Jr. et al.), или термоэлектрического охладителя, как описано в патентной публикации США US 2008/0188755 (Hart). Активное охлаждение с охлаждающим агентом требует необходимого пространства и устройства для циркуляции охлаждающего агента, а также защиту от протечки охлаждающего агента, оба подхода приводят к повышению сложности компонентов и компоновки внутри зонда. Имеется необходимость в способе пассивного охлаждения, который является более эффективным, чем способ Martin et al., и без сложности, связанной с активным охлаждением. Кроме того, для такого пассивного охлаждения желательно избежать появления горячих точек в зонде, которые могут концентрировать тепло в определенной точке или точках корпуса зонда и, следовательно, передавать его на руку пользователя.
В соответствии с принципами настоящего изобретения, описан матричный ультразвуковой зонд, который использует пассивное рассеяние теплоты, генерируемой матричным преобразователем и ASIC. Тепло, генерируемое этими элементами, направляется к радиатору, который распределяет теплоту через участок поверхности под корпусом зонда. Распределение тепла с помощью радиатора предотвращает появление горячих точек в конкретной точке или точках участка ручки корпуса зонда. Затем распределенное тепло рассеивается через корпус зонда и кабель зонда.
НА ЧЕРТЕЖАХ:
Фиг. 1 - первый вид в сечении матричного ультразвукового зонда, выполненного в соответствии с принципами настоящего изобретения.
Фиг. 2 - второй вид в сечении, перпендикулярный фиг. 1, матричного ультразвукового зонда, выполненного в соответствии с принципами настоящего изобретения.
Фиг. 3 - вид матричного зонда по фиг. 1 и 2 с вырезом.
Фиг. 4 - матричный пакет преобразователей, ASIC и подкладка, установленные на теплопроводном каркасе зонда.
Фиг. 5 - вид в перспективе половины радиатора для матричного зонда.
Фиг. 6 - матричный зонд по предыдущим чертежам, в сборе, где половина корпуса зонда не показана.
Фиг. 7 - корпус зонда, который сформован вокруг половины радиатора.
Фиг. 8 - покомпонентный сборочный чертеж основных составных частей матричного зонда по фиг. 1-6.
На фиг. 1 показан матричный ультразвуковой зонд 10, выполненный в соответствии с принципами настоящего изобретения. Зонд 10 имеет внешний корпус 22, который образует участок ручки зонда, который удерживает специалист по ультразвуковой сонографии, когда использует зонд. Дистальный конец зонда закрыт оболочкой 24 наконечника. За линзой 36, покрывающей дистальный конец, находится матричный преобразователь, поддерживаемый ASIC, оба отмечены позицией 12. Интегральные схемы ASIC управляют передачей элементами преобразователей и выполняют лучеформирование сигналов, передаваемых и принимаемых матрицей. Если необходимо, для соединения элементов матрицы преобразователя с цепями ASIC можно использовать переходник. Один такой переходник описан, например, в международной патентной публикации WO 2009/083896 (Weekamp et al.). За матричным преобразователем и ASIC находится графитовая подкладка 14, которая ослабляет акустические реверберации от задней стороны матрицы и проводит теплоту, образовавшуюся в матрице и ASIC, от дистального конца зонда. Дополнительные детали графитовой подкладки можно найти в совместно рассматриваемой заявке на патент США US 61/453690, поданной 17 марта 2011 года. Алюминиевый или магниевый каркас 16 зонда находится в теплопроводном контакте с задней стороной графитовой подкладки, чтобы отводить тепло дальше от дистального конца зонда. Каркас 16 также крепит электрические компоненты зонда, которые сами по себе закреплены на двух печатных платах и занимают пространство внутри зонда, обозначенное позицией 18. Кабель 28 зонда находится на задней стороне зонда и отходит от его проксимального конца. Кабель 28 крепится к задней части каркаса с помощью зажима 26.
Вокруг каркаса 16 на участке ручки зонда находится радиатор 20. Радиатор находится в теплопроводном контакте с двумя сторонами каркаса 16, как показано на фиг. 2. Этот теплопроводный контакт образован теплопроводной прокладкой, например теплопроводной лентой или термопастой (шпатлевкой), где радиатор контактирует со сторонами каркаса 16 в точках 30. Радиатор 20 прижат к каркасу 16 и его тепловому разъему винтами 32. На фиг. 3 приведен вид зонда по фиг. 1 и 2 с вырезом, где показана печатная плата 34, расположенная на каркасе 16, и радиатор 20, окружающий каркас 16 и печатные платы на участке ручки зонда.
На фиг. 4 показан вид в перспективе одного варианта каркаса 16 с графитовой подкладкой 14 и матричным преобразователем и ASIC 12, закрепленными наверху каркаса и находящимися в теплопроводном контакте с каркасом. В этом варианте есть бортики 38 на сторонах каркаса 16, к которым присоединяется радиатор для эффективного отвода тепла от каркаса на радиатор.
На фиг. 5 показан один вариант радиатора 20. В этом варианте радиатор выполнен как две половинки раковины моллюска, которые соединяются друг с другом диагонально расположенными гранями. Половина, показанная на фиг. 5, окружает внутреннюю часть участка ручки корпуса 22 сзади и сверху, а ее стыковочная половина окружает внутреннюю часть ручки спереди и снизу. На данном чертеже показаны два отверстия, через которые вставляются винты для того, чтобы прикрепить радиатор к одной стороне каркаса 16.
На фиг. 7 показан другой вариант радиатора, в котором корпус 22 формируется вокруг металлического радиатора. В этом варианте участок 22 ручки и наконечник 24 сформированы как единый корпус 22', который выполнен вокруг радиатора 20' так, что радиатор окружает не только объем внутри ручки, но и выходит вперед для того, чтобы окружить пакет преобразователей на дистальном конце корпуса. Таким образом, радиатор 20' будет в прямом теплопроводном контакте с графитовой подкладкой, которая переносит тепло от матрицы и ASIC 12. Таким образом, тепло с дистального конца зонда будет переноситься в заднюю часть зонда и рассеиваться каркасом 16 зонда и радиатором 20'.
На фиг. 6 показан вид сверху зонда 10 в сборе по настоящему изобретению со снятыми наконечником и половиной корпуса 22. На данном чертеже показан радиатор 20, полностью окружающий каркас 16 и печатные платы внутри участка ручки корпуса 22. Радиатор 20 проводит тепло по всей своей площади, избегая образования горячих точек в определенных местах внутри корпуса. Используя зонд, специалист по ультразвуковой эхографии может почувствовать рукой возникновение таких горячих точек и, хотя они не могут представлять опасность, они могут сделать пользование зондом неудобным. Преимуществом настоящего изобретения является то, что тепло распределяется через радиатор внутри корпуса и отдельные горячие точки не образуются. Тепло, проводимое радиатором, отводится от внешней поверхности радиатора 20 к внутренней поверхности корпуса 22, откуда оно рассеивается через корпус в воздух. Для содействия передаче тепла от радиатора к корпусу между корпусом и радиатором может быть распределен слой термопасты, перенося тепло к корпусу по всей своей внутренней поверхности и далее предотвращая образование горячих точек в корпусе.
На фиг. 8 показан разнесенный вид узла зонда 10 по настоящему изобретению, включающего множество компонентов, описанных выше. Пакет преобразователей, включая матричный преобразователь и ASIC 12 лучеформирователя, и графитовая подкладка 14 (не показана на настоящем чертеже) прикреплены к верхней части каркаса 16 зонда, как показано на предыдущих чертежах. Печатные платы 18а и 18b прикреплены к противоположным сторонам каркаса 16. Провода от кабеля 28 соединены с соединителями на печатных платах и зажимы 26а и 26b закреплены вокруг компенсатора натяжения и оплетки кабеля, а также зажимы прикреплены к двум рейкам, отходящим от проксимального конца каркаса 16. Такое соединение проксимального конца каркаса 16 с оплеткой кабеля способствует передаче тепла от каркаса в оплетку кабеля и из зонда. Термопрокладка или термопаста покрывает поверхности бортиков 38 каркаса 16, а две половины 20а и 20b радиатора прикреплены к сторонам бортиков каркаса 16 с помощью винтов. Наконечник 24 и линза 36 размещены на дистальном конце узла поверх пакета преобразователей. Внешняя поверхность собранного радиатора (или внутренние поверхности половинок корпуса) покрыта термопастой, а корпус установлен вокруг радиатора и контактирует с ним, а термопаста герметизирует швы корпуса и наконечника для предотвращения попадания жидкости. Теперь собранный зонд готов к финальному тестированию и к доставке пользователю.