МОДУЛЬ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГОЛОВКИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
MODULE OF ULTRASONIC TRANSDUCER AND METHOD OF EXCITATION OF HEAD OF ULTRASOUND TRANSDUCER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к модулю ультразвукового преобразователя и к способу возбуждения головки ультразвукового преобразователя.
Уровень техники
В области ультразвуковой визуализации сдвиговых волн известно использование ультразвуковых возбуждений двух различных энергетических уровней, как описано в US7252004. Первое высокоэнергетическое возбуждение, называемое «возбуждающим импульсом», используется для возбужения движения в ткани. Последовательность последующих низкоэнергетических возбуждений используется, чтобы формировать изображение результирующего движения ткани. ультразвуковая терапия с направлением по изображению также требует возбуждений двух различных энергетических уровней: один уровень для терапии и другой для визуализации. Желательно выполнять визуализацию сдвиговой волны или терапию, применяющую преобразователи для трехмерной визуализации, как описано в US6013032. Эти преобразователи для 3D-визуализации должны передавать схему возбуждения, внедренную в модуль преобразователя. Системы ультразвуковой визуализации известны как имеющие базовую станцию и отдельную головку преобразователя, соединенную через гибкий кабель с базовой станцией. Электрическая энергия передается от базовой станции через соединительный кабель, чтобы передавать схему возбуждения в головке передатчика, чтобы возбуждать ультразвуковой преобразователь.
Различное возбуждение ультразвукового преобразователя известно для различных прикладных задач, например, для визуализации, диагностики, терапии и возбуждающего импульса сдвиговой волны, имеющих различные энергозатраты. Вследствие технических ограничений источника питания и соединительного кабеля спектр мощности, передаваемой на головку преобразователя, является небольшим, и, следовательно, возможное объединение различного возбуждения ультразвукового преобразователя в головке преобразователя ограничивается соответствующим потреблением мощности.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в создании улучшенного модуля ультразвукового преобразователя, содержащего головку ультразвукового преобразователя, и соответствующего способа возбуждения для возбуждения головки ультразвукового преобразователя, имеющей большой спектр мощности, чтобы вызывать различное возбужденное состояние ультразвукового преобразователя с различным потреблением мощности.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложен модуль ультразвукового преобразователя, содержащий:
- головку ультразвукового преобразователя,
- электрический проводник для соединения головки проводника с источником питания базовой станции и для подачи электропитания от источника питания в головку преобразователя,
- соединительный элемент для соединения электрического проводника с источником питания и для приема входного напряжения от источника питания, и
- конденсатор, электрически соединенный или электрически соединяемый с электрическим проводником для хранения электрического заряда, при этом конденсатор имеет емкость, большую или равную 100 мкФ.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен модуль ультразвукового преобразователя, содержащий:
- головку ультразвукового преобразователя,
- электрический проводник для соединения головки преобразователя с источником питания базовой станции и для подачи электропитания от источника питания в головку преобразователя,
- соединительный элемент для соединения электрического проводника с источником питания и для приема входного напряжения от источника питания, при этом электрический проводник содержит множество отдельных параллельных соединительных кабелей для уменьшения электрического сопротивления и индуктивности электрического проводника.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен способ возбуждения для возбуждения головки ультразвукового преобразователя, содержащий этапы:
- соединения головки преобразователя с источником питания посредством электрического проводника,
- соединения зарядного конденсатора с электрическим проводником, имеющего емкость, большую или равную 100 мкФ,
- подачи электропитания от источника питания к головке ультразвукового преобразователя как первого уровня мощности, и
- подачи электропитания от источника питания к головке ультразвукового преобразователя со вторым уровнем мощности, более высоким, чем первый уровень мощности.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложено ультразвуковое устройство, содержащее базовую станцию, содержащую один или более блоков подачи электропитания, и модуль ультразвукового преобразователя, который предложен согласно настоящему изобретению.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимой формуле изобретения. Следует понимать, что заявленный способ имеет аналогичные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, как и заявленное устройство, и задается в зависимых пунктах формулы изобретения.
Настоящее изобретение основано на идее подачи достаточной мощности на головку ультразвукового преобразователя, содержащую различные возбужденные состояния ультразвукового преобразователя, имеющие различное потребление мощности, так что электропитание, передаваемое от источника питания в головку преобразователя, должно переключаться с одного уровня мощности на другой уровень мощности. При переключении с более низкого уровня мощности на более высокий уровень мощности питающее напряжение падает, и электрический ток в электрическом проводнике увеличивается выше номинального тока соединительных разъемов кабеля. Посредством зарядного конденсатора, имеющего емкость более 100 мкФ, переключение между различными уровнями мощности может быть осуществлено без значительного падения напряжения и без значительного увеличения тока, поскольку конденсатор медленно заряжается посредством питающего напряжения, прежде чем уровень мощности увеличится. Следовательно, распределение повышенной мощности может быть обеспечено головке преобразователя, и, следовательно, различные ультразвуковые преобразователи могут быть интегрированы в головку преобразователя, имеющие различное потребление мощности.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения падение напряжения и увеличение тока во время переключения с более низкого уровня мощности на более высокий уровень мощности уменьшается посредством обеспечения соединительного кабеля, имеющего уменьшенное сопротивление и уменьшенную индуктивность, предпочтительно на коэффициент 4 за счет множества отдельных параллельных соединительных кабелей. Следовательно, распределение мощности может быть увеличено, и различные ультразвуковые преобразователи, имеющие различное потребление мощности, могут быть интегрированы в головку преобразователя.
Настоящее изобретение в общем может обеспечивать достаточную мощность головке преобразователя с достаточно высокой мощностью, чтобы возбуждать, например, либо возбуждающий импульс, либо терапевтическое возбуждение с минимальным ослаблением источника питания, в то же время поддерживая совместимость со стандартной системой ультразвуковой визуализации, предназначенной для более низких мощностей.
В предпочтительном варианте осуществления модуль ультразвукового преобразователя дополнительно содержит управляемый переключатель для электрического соединения конденсатора с электрическим проводником. Это позволяет использовать конденсатор, только если требуется распределение повышенной мощности.
В дополнительном варианте осуществления модуль ультразвукового преобразователя дополнительно содержит разрядный элемент, соединенный параллельно с конденсатором для разрядки конденсатора. Посредством разрядного элемента заряд, накопленный в конденсаторе, может быть устранен, когда конденсатор не используется, или преобразователь отсоединяется от базовой станции, чтобы избегать электрических ударов.
В дополнительном варианте осуществления разрядный элемент содержит второй управляемый переключатель и резистор для разряда конденсатора. Это обеспечивает простое решение для разрядки конденсатора и для ограничения соответствующего разрядного тока.
В предпочтительном варианте осуществления разрядный элемент предусматривается для разряда конденсатора, когда конденсатор отсоединяется от электрического проводника. Это является простым решением для того, чтобы гарантировать, что конденсатор разряжается, когда конденсатор не используется.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления модуль ультразвукового преобразователя дополнительно содержит резистор, электрически соединяющий конденсатор с соединительным элементом для ограничения зарядного тока. Это является простым решением для ограничения зарядного тока, когда конденсатор заряжается, чтобы избегать увеличения зарядного тока выше номинального тока.
В дополнительном варианте осуществления электрический проводник содержит множество параллельных соединительных кабелей для соединения конденсатора с преобразователем. Это является простым решением для того, чтобы уменьшать сопротивление электрического проводника и уменьшать индуктивность электрического проводника, чтобы дополнительно уменьшать падение напряжения, когда уровень мощности повышается.
В предпочтительном варианте осуществления конденсатор устанавливается в корпусе головки преобразователя. Это является простым решением для того, чтобы уменьшать размер электрического проводника, и обеспечивает компактную конфигурацию модуля ультразвукового преобразователя.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления конденсатор устанавливается в рукоятке головки преобразователя. Это обеспечивает дополнительно компактную конструкцию и комфортное обращение с головкой преобразователя.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления емкость конденсатора равна по меньшей мере 500 мкФ. Это является решением для того, чтобы дополнительно уменьшать падение напряжения и дополнительно уменьшать увеличение тока, когда уровень мощности изменяется.
Согласно дополнительному варианту осуществления головка ультразвукового преобразователя содержит ультразвуковой преобразователь для визуализации эластографии сдвиговой волны. Это объединяет две диагностические системы и улучшает возможности обследования.
Согласно дополнительному варианту осуществления предложен электрический проводник для передачи электропитания по меньшей мере с двумя различными уровнями мощности для подачи электропитания ультразвуковому преобразователю. Это обеспечивает решение для подачи электрического питания преобразователю визуализации с различными уровнями и дополнительного улучшения возможности обследования.
Согласно дополнительному варианту осуществления модуль ультразвукового преобразователя содержит множество электрических проводников для соединения головки преобразователя с соответствующим множеством источников электропитания базовой станции и для передачи электропитания от источников питания к головке преобразователя с различными уровнями мощности. Это обеспечивает дополнительное решение для увеличения распределения мощности в головке преобразователя и использования различных преобразователей параллельно.
Согласно предпочтительному варианту осуществления каждый из множества электрических проводников соединяется или имеет возможность соединения с конденсатором, имеющим емкость более 100 мкФ. Это обеспечивает решение для увеличения распределения мощности в каждом из проводников отдельно.
Как упомянуто выше, настоящее изобретение предлагает простое решение для увеличения распределения мощности модуля ультразвукового преобразователя, имеющего головку ультразвукового преобразователя, так что различные преобразователи могут быть объединены в головке преобразователя, имея различные потребления мощности, или различные уровни возбуждения могут быть достигнуты посредством объединенного преобразователя.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты изобретения будут поняты и разъяснены со ссылкой на вариант(ы) осуществления, описанные далее в данном документе.
На чертежах:
Фиг. 1 показывает схематичный чертеж ультразвуковой системы, содержащей базовую станцию и головку преобразователя,
Фиг. 2 показывает схематичную принципиальную схему известного источника питания и ультразвукового преобразователя,
Фиг. 3a показывает кривую напряжения источника питания, показанного на фиг. 2,
Фиг. 3b показывает кривую тока источника питания, показанного на фиг. 2,
Фиг. 4 показывает схематичную блок-схему источника питания, соединителя и ультразвукового преобразователя согласно настоящему изобретению,
Фиг. 5a показывает кривую напряжения источника питания на фиг. 4, и
Фиг. 5b показывает ток источника питания на фиг. 4.
Осуществление изобретения
Фиг. 1 показывает схематичный чертеж ультразвуковой системы, обозначенной в общем позицией 10. Ультразвуковая система 10 содержит базовую станцию 12 и головку 14 ультразвукового преобразователя, которые электрически соединяются друг с другом посредством кабеля 16 преобразователя. Базовая станция 12 содержит дисплей 18. Базовая станция содержит источник 20 питания для подачи электропитания в головку 14 ультразвукового преобразователя и соединитель 22 для соединения кабеля 16 преобразователя с источником 20 питания.
Головка 14 преобразователя содержит один или более ультразвуковых преобразователей, например, преобразователь ультразвуковой визуализации, ультразвуковой преобразователь эластографии, объединенный преобразователь для визуализации эластографии сдвиговой волны и/или другие элементы терапевтического преобразователя. Источник 20 питания передает электропитание через кабель 16 преобразователя ультразвуковому преобразователю в головке 14 ультразвукового преобразователя. Кабель 16 преобразователя является гибким кабелем. Базовая станция 12 содержит дисплей 18, чтобы отображать изображения, например, обеспеченные преобразователем ультразвуковой визуализации головки 14 преобразователя.
Преобразователь ультразвуковой визуализации и другие элементы терапевтического и/или диагностического преобразователя типа ультразвукового преобразователя эластографии возбуждаются с различными уровнями электропитания, обеспечиваемыми посредством источника 20 электропитания. Преобразователям ультразвуковой визуализации обычно необходимо менее 10 Вт, а, например, ультразвуковому преобразователю эластографии необходимо типично 200 Вт, чтобы возбуждаться во время «возбужденного» состояния. Головка 14 ультразвукового преобразователя предпочтительно переключается между возбуждением преобразователя ультразвуковой визуализации и ультразвуковым преобразователем эластографии, так что электропитание, подаваемое от источника 20 электропитания через кабель 16 преобразователя или получаемая от головки 14 преобразователя, переключается с низкого уровня мощности во время визуализации на высокий уровень мощности, когда возбуждающий импульс обеспечивается посредством преобразователя эластографии, и с высокого уровня мощности на низкий уровень мощности. В случае объединенного преобразователя для визуализации эластографии сдвиговой волны преобразователь возбуждается при двух различных уровнях мощности для различных возбужденных состояний во время визуализации, и когда обеспечивается возбуждающий импульс.
Фиг. 2 показывает схематичную блок-схему источника 20 питания, кабеля 16 преобразователя и головки 14 преобразователя. Источник 20 питания передает напряжение V10 возбуждения на соединительный разъем 24. Соединительный разъем 24 соединяет источник 20 питания с кабелем 16 преобразователя. Кабель 16 преобразователя содержит сопротивление приблизительно 2 Ом, схематично показанное на фиг. 2 как резистор 26. Кабель 16 преобразователя содержит индуктивность приблизительно 4 мкГн, показанную в общем на фиг. 2 как катушка 27 индуктивности. Головка 14 преобразователя содержит электрическую нагрузку, обозначенную в общем позицией 28, которая представляет ультразвуковые преобразователи. Конденсатор 30 соединяется параллельно с электрической нагрузкой 28 и имеет типично емкость 4 мкФ.
Электрическая нагрузка 28 получает ток 110 от источника 20 питания в зависимости от электропитания, получаемого соответствующим ультразвуковым преобразователем. Если ультразвуковая система 10 находится в режиме визуализации, т.е. используется преобразователь ультразвуковой визуализации, ток 110, получаемый от источника 20 питания, обычно равен 20 мА, а если используется ультразвуковой преобразователь эластографии, ток 110, получаемый от источника 20 питания, обычно равен 5 А. Во время использования ультразвуковой системы она часто переключается из режима визуализации в режим эластографии и из режима эластографии в режим визуализации. Каждый интервал времени, в котором используется режим визуализации, обычно в пять раз длиннее режима эластографии.
Фиг. 3a и 3b показывают кривую напряжения для напряжения V10 питания и тока 110, когда ультразвуковая система 10 переключается из режима визуализации в режим эластографии, или, другими словами, когда электропитание, получаемое от электрической нагрузки 28, быстро увеличивается от приблизительно 1 Вт до приблизительно 200 Вт. Время переключения уровней мощности показано на фиг. 3a и 3b стрелкой 32. Как показано на фиг. 3a, напряжение V10 быстро падает с 40 В до 30 В, когда мощность, получаемая электрической нагрузкой 28, увеличивается. Как показано на фиг. 3b, ток 110 быстро повышается до 5 А, когда мощность, получаемая электрической нагрузкой 28, увеличивается. Поскольку соединительный разъем 24 обычно имеет номинальный ток 1 А, и поскольку кабель имеет сопротивление 2 Ома, мощность, передаваемая посредством кабеля 16 преобразователя, ограничивается, и электропитание, полученное от электрической нагрузки, не может быть передано посредством кабеля 16 преобразователя.
Фиг. 4 показывает схематичную блок-схему ультразвуковой системы 10, содержащей источник 20 питания, кабель 16 преобразователя и головку 14 преобразователя. Одинаковые элементы обозначены одинаковыми номерами ссылочных позиций, при этом здесь только различия объясняются в деталях. Источник 20 питания обеспечивает напряжение V20 возбуждения, которое обычно равно 40 В, и подает ток 120 возбуждения, который зависит от электрической нагрузки 28 и тока, получаемого от электрической нагрузки 28.
Зарядный конденсатор 34 соединяется с кабелем 16 преобразователя. Зарядный конденсатор 34 имеет большую емкость по меньшей мере 100 мкФ, предпочтительно 500 мкФ, а более предпочтительно 1000 мкФ. Зарядный конденсатор 34 имеет возможность соединения с кабелем 16 преобразователя посредством управляемого переключателя 36. Разрядный элемент 38 соединяется параллельно с зарядным конденсатором 34, чтобы разряжать конденсатор 34. Разрядный элемент 38 содержит управляемый переключатель 40 и резистор 42, соединенные последовательно друг с другом. Зарядный конденсатор 34 соединяется с кабелем 16 посредством управляемого переключателя 36, когда ультразвуковая система 10 используется. Когда ультразвуковая система 10 выключается, зарядный конденсатор 34 отсоединяется и разряжается посредством замыкания управляемого переключателя 40. Разрядный ток через резистор 43 будет в этом случае устранять электрический заряд из зарядного конденсатора 34 и будет разряжать конденсатор 34.
Кабель 16 преобразователя содержит резистор 44, подключенный между зарядным конденсатором 34 и источником 20 питания. Резистор 44 имеет сопротивление, обычно равное 1,5 Ом. Резистор 34 является токоограничивающим резистором, чтобы ограничивать зарядный ток, когда зарядный конденсатор 34 заряжается.
Кабель 16 преобразователя формируется из множества параллельных отдельных гибких кабелей. Предпочтительно кабель 16 преобразователя формируется посредством трех, четырех, пяти, шести или более кабелей, чтобы уменьшать сопротивление кабеля 16 преобразователя на коэффициент три, четыре, пять, шесть или более и чтобы уменьшать индуктивность кабеля 16 преобразователя. Сопротивление параллельных кабелей в общем показано на фиг. 4 посредством резистора 46. Резистор 46 имеет сопротивление, обычно равное 0,5 Ом. Индуктивность параллельных кабелей в общем показана на фиг. 4 посредством катушки 48 индуктивности, которая приблизительно равна 1 мкГн.
Когда ультразвуковая система 10 включается, и управляемый переключатель 36 замыкается, зарядный конденсатор 34 заряжается через токоограничивающий резистор 44. Во время режима визуализации слабый ток 120 получается от электрической нагрузки 28. Когда мощность, полученная от электрической нагрузки 28, увеличивается до высокого уровня, падение напряжения для напряжения V20 возбуждения уменьшается благодаря зарядному конденсатору 34, как показано ниже. Дополнительно, ток 120 медленно увеличивается благодаря зарядному конденсатору 34 и благодаря токоограничивающему резистору 44 и удерживается ниже номинального тока входного разъема 24. Во время использования ультразвуковая система 10 находится в режиме визуализации и часто в течение короткого временного интервала переключается в режим эластографии, чтобы обеспечивать акустический толчок. Следовательно, уровень мощности, полученный от головки 14 преобразователя, часто переключается с низкого уровня мощности на высокий уровень мощности.
Фиг. 5a показывает кривую напряжения для напряжения V20 питания на фиг. 4, когда мощность, полученная электрической нагрузкой 28, увеличивается. Дополнительно, фиг. 5b показывает ток 120 из фиг. 4, когда мощность, полученная электрической нагрузкой 28, увеличивается. Как показано на фиг. 5a, напряжение V20 падает с 40 В до приблизительно 37 В, и падение напряжения сохраняется ниже 10%. Ток 120, показанный на фиг. 5b, увеличивается линейно вплоть до приблизительно 1 А во время мощного импульса, так что номинальный ток не достигается. Следовательно, посредством зарядного конденсатора 34 падение напряжения может быть уменьшено, ток может сохраняться ниже номинального тока, и необходимая мощность, в этом случае 200 Вт, может быть передана от источника 20 питания головке 14 преобразователя через кабель 16 преобразователя.
Зарядный конденсатор 34 и разрядный элемент 38 предпочтительно устанавливаются на конце кабеля 16 преобразователя с соединителем 22 системы. Например, зарядный конденсатор 34 и разрядный элемент 38 устанавливаются в корпусе соединителя. В альтернативном варианте осуществления зарядный конденсатор 34 и разрядный элемент 38 устанавливаются в головке 14 преобразователя.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления базовая станция 20 содержит множество источников 20 питания, каждый из которых соединяется посредством отдельного кабеля 16 преобразователя с головкой 14 преобразователя и каждый содержит отдельный зарядный конденсатор 34. В этом варианте осуществления различные уровни мощности могут быть обеспечены посредством различных кабелей 16 преобразователя к головке преобразователя, а также возбуждения различных ультразвуковых преобразователей в головке преобразователя параллельно.
В дополнительном варианте осуществления зарядный конденсатор 34 имеет емкость больше приблизительно 2500 мкФ, предпочтительно 2700 мкФ.
Хотя изобретение подробно проиллюстрировано и описано на чертежах и в вышеприведенном описании, такое иллюстрирование и описание должны считаться иллюстративными или примерными, а не ограничивающими; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Другие вариации в раскрытых вариантах осуществления могут быть поняты и выполнены специалистами в данной области техники, применяющими на практике заявленное изобретение, из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения слово "содержит" не исключает других элементов или этапов, а неопределенный артикль "a" или "an" не исключает множества. Один элемент или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Простой факт того, что определенные меры упомянуты в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает того, чтобы комбинация этих мер не может быть использована с достижением технического результата в предпочтительных вариантах изобретения.
Компьютерная программа может быть сохранена/распространяться на подходящем носителе, таком как оптический носитель хранения или твердотельный хранитель, поставляемый вместе или как часть других аппаратных средств, но может также распространяться в других формах, например, через Интернет или другие проводные или беспроводные системы связи.
Все ссылки с номерами в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем.