用于驱动超声换能器头的超声换能器组件和方法

摘要

本发明涉及一种超声换能器组件(10)，所述超声换能器组件(10)包括：超声换能器头(14)；电导体(16)，其用于将所述换能器头(14)连接到基站(12)的电气电源(20)，并且用于将电功率从所述电源(20)传输到所述换能器头(14)；连接器元件(22)，其用于将所述电导体(16)连接到所述电源(20)，并且用于从所述电源(20)接收输入电压(V20)；以及电容器(34)，其被电气连接到或者能电气连接到所述电导体(16)以用于储存电荷，其中，所述电容器(34)具有大于或等于100μF的电容。

说明书

技术领域

本发明涉及超声换能器组件，并且涉及用于驱动超声换能器头的方法。

背景技术

在剪切波的超声成像的领域中，使用如US7252004中描述的具有两个 不同能级的超声激励是已知的。称为“推动脉冲”的第一高能量激励被用 来激励组织中的运动。一系列接下来的低能量激励被用来形成最终的组织 运动的图像。图像引导的超声治疗也需要具有两个不同能级的激励，一个 用于治疗而另一个用于成像。期望采用如US6013032中描述的用于三维成 像的换能器来执行剪切波成像或者治疗。用于3D成像的这些换能器具有嵌 在换能器组件内的发射激励电路。已知超声成像系统具有基站和经由柔性 线缆被连接到基站的分开的换能器头。通过连接线缆从基站向换能器头内 的发射激励电路提供电能以驱动超声换能器。

已知不同的超声换能器激励是用于不同的应用的，例如用于成像、诊 断、治疗，并且剪切波推动脉冲具有不同的功耗。由于电源和连接线缆的 技术限制，提供到换能器头的功率谱是低的，并且因此，换能器头内的不 同超声换能器激励的可能的组合限于各自的功耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种经改进的包括超声换能器头的超声换能器组 件，以及一种用于驱动超声换能器头的对应的驱动方法，所述超声换能器 头具有大功率谱以驱动具有不同功耗的不同超声换能器激励。

根据本发明的一个方面，提供了一种超声换能器组件，所述超声换能 器组件包括：

-超声换能器头，

-电导体，其用于将所述换能器头连接到基站的电气电源，并且用于将 电功率从所述电源传输到所述换能器头，

-连接器元件，其用于将所述电导体连接到所述电源，并且用于从所述 电源接收输入电压，以及

-电容器，其被电气连接到或者能电气连接到所述电导体以用于储存电 荷，其中，所述电容器具有大于或等于100μF的电容。

根据本发明的另一方面，提供了一种超声换能器组件，所述超声换能 器组件包括：

-超声换能器头，

-电导体，其用于将所述换能器头连接到基站的电气电源，并且用于将 电功率从所述电源传输到所述换能器头，

-连接器元件，其用于将所述电导体连接到所述电源，并且用于从所述 电源接收输入电压，其中，所述电导体包括多个分开的并联连接线缆以用 于减小所述电导体的电阻和电感。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于驱动超声换能器头的驱动方 法，所述驱动方法包括以下步骤：

-借助于电导体来将所述换能器头连接到电源，

-将具有大于或等于100μF的电容的充电电容器连接到所述电导体，

-以第一功率水平来从所述电源向所述超声换能器头提供电功率，并且

-以高于第一功率水平的第二功率水平来从所述电源向所述超声换能 器头提供电功率。

根据本发明的又一方面，提供了一种超声装置，所述超声装置包括基 站，所述基站包括一个或多个电源单元以及如根据本发明所提供的超声换 能器组件。

在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。应当理解要求保护的 方法具有如要求保护的设备并且如从属权利要求中定义的相似和/或相同的 优选实施例。

本发明是基于这样的想法的，即，向包括具有不同功耗的不同超声换 能器激励的超声换能器头提供足够的功率，以使得从所述电源向所述换能 器头提供的所述电功率必须被从一个功率水平切换到另一个功率水平。当 从较低的功率水平切换到较高的功率水平时，所述供电电压下降并且电导 体中的电流增大到线缆连接器插针的额定电流以上。借助于具有大于100 μF的电容的充电电容器，可以在没有显著的电压下降并且没有显著的电流 的增大的情况下实现不同功率水平之间的切换，这是由于在功率水平增高 之前所述电容器借助于供电电压缓慢地充电。因此，可以向所述换能器头 提供增大的功率分布，并且因此具有不同功耗的不同的超声换能器可以被 集成在换能器头中。

根据本发明的所述第二方面，通过提供具有借助于多个分开的并联连 接线缆而优选地减小4的因子的减小的电阻和减小的电感的连接线缆，减 小在将较低的功率水平切换到较高的功率水平期间的所述电压下降和所述 电流的增大。因此可以增大所述功率分布，并且可以将具有不同功耗的不 同超声换能器集成在所述换能器头中。

总体上说，本发明可以向所述换能器头提供适当的功率，所述适当的 功率具有足够高的功率以在保持与针对较低功率设计的标准成像超声系统 的兼容性的同时利用最小的电源减弱来激励例如推动脉冲或治疗激励。

在优选的实施例中，所述超声换能器组件还包括用于将所述电容器电 气连接到所述电导体的可控开关。这提供了只有需要增大的功率分布才使 用所述电容器的可能性。

在另一个实施例中，所述超声换能器组件还包括被并联连接到所述电 容器以用于使所述电容器放电的放电元件。借助于所述放电元件，当所述 电容器不被使用或者所述换能器被从所述基站拔掉时可以去除储存在所述 电容器中的电荷以避免电冲击。

在另一个实施例中，所述放电元件包括用于使所述电容器放电的第二 可控开关和电阻器。这提供了用于使所述电容器放电并且用于限制分别的 放电电流的简单的解决方案。

在优选的实施例中，所述放电元件被提供为用于当所述电容器从所述 电导体断开时使所述电容器放电。这是用来确保当所述电容器不被使用时 所述电容器被放电的简单的解决方案。

在另一个优选的实施例中，所述超声换能器组件还包括将所述电容器 电气连接到所述连接器元件以用于限制充电电流的电阻器。这是用来在所 述电容器被充电时限制所述充电电流以避免所述充电电流增大到高于所述 额定电流的简单的解决方案。

在另一个实施例中，所述电导体包括用于将所述电容器连接到所述换 能器的多个并联连接线缆。这是用来减小所述电导体的电阻并且用来减小 所述电导体的电感以进一步地减小当所述功率水平增高时的所述电压下降 的简单的解决方案。

在优选的实施例中，所述电容器被安装在所述换能器头的外壳内。这 是用来减小所述电导体的尺寸的简单的解决方案，并且提供了所述超声换 能器组件的紧凑的配置。

在另一个优选的实施例中，所述电容器被安装在所述换能器头的把手 内。这提供了另一种紧凑的设计以及所述换能器头的舒适的把手。

在另一个优选的实施例中，所述电容器的电容至少是500μF。这是用 来在所述功率水平变化时进一步降低所述电压下降并且进一步减小所述电 流增大的解决方案。

根据另一个实施例，所述超声换能器头包括用于剪切波弹性摄影成像 的超声换能器。这组合了两种诊断系统并且提高了检查可能性。

根据另一个实施例，所述电导体被提供为用于以至少两个不同的功率 水平来传输电功率，以用于向所述超声换能器提供电功率。这提供了用来 以不同的水平向所述成像换能器提供电功率并且用来进一步提高检查可能 性的解决方案。

根据另一个实施例，所述超声换能器组件包括多个电导体，所述多个 电导体用于将所述换能器头连接到基站的对应的多个电气电源，并且用于 以不同的功率水平将电功率从所述电源传输到所述换能器头。这提供了用 来增大所述换能器头中的所述功率分布并且用来并联使用不同的换能器的 另一种解决方案。

根据优选的实施例，所述多个电导体中的每个被连接到或能连接到具 有大于100μF的电容的电容器。这提供了用来单独地增大所述导体中的每 个中的所述功率分布的解决方案。

如以上提到的，本发明提供了用来增大具有超声换能器头的超声换能 器组件的功率分布的简单的解决方案，以使得不同的换能器可以被集成在 具有不同功耗的换能器头中，或者使得可以通过组合换能器来实现不同的 激励水平。

附图说明

参考下文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些和其他方面将 是显而易见的，并且将参考下文描述的(一个或多个)实施例对本发明的 这些和其他方面进行说明。在以下的附图中：

图1示出了包括基站和换能器头的超声系统的示意图，

图2示出了已知的电源和超声换能器的示意性电路图，

图3a示出了图2中示出的电源的电压曲线，

图3b示出了图2中示出的电源的电流曲线，

图4示出了根据本发明的电源、连接器和超声换能器的示意性方框图，

图5a示出了图4的电源的电压曲线，并且

图5b示出了图4的电源的电流。

具体实施方式

图1示出了总体上由10指示的超声系统的示意图。超声系统10包括 通过换能器线缆16互相电气连接的基站12和超声换能器头14。基站12包 括显示器18。基站包括用于向超声换能器头14提供电功率的电源20，以 及用于将换能器线缆16连接到电源20的连接器22。

换能器头14包括一个或多个超声换能器，例如超声成像换能器、弹性 摄影超声换能器、用于剪切波弹性摄影成像的组合换能器和/或其他治疗换 能器元件。电源20经由换能器线缆16向超声换能器头14中的超声换能器 提供电功率。换能器线缆16是柔性线缆。基站12包括用来显示例如由换 能器头14的超声成像换能器提供的图像的显示器18。

以由电气电源20提供的不同的电功率水平来驱动超声成像换能器以及 如弹性摄影超声换能器的其他治疗和/或诊断换能器元件。超声成像换能器 通常需要小于10W，而例如弹性摄影超声换能器典型地需要200W以在“推 动”激励期间被驱动。超声换能器头14优选地在驱动超声成像换能器与驱 动弹性摄影超声换能器之间切换，以使得通过换能器线缆16从电气电源20 提供的或者从换能器头14引出的电功率从成像期间的低功率水平切换到弹 性摄影换能器提供推动脉冲时的高功率水平，并且从高功率水平切换到低 功率水平。如果是用于剪切波弹性摄影成像的组合换能器，则以两个不同 的功率水平针对在成像期间和在提供推动脉冲时的不同的激励来驱动换能 器。

图2示出了电源20、换能器线缆16和换能器头14的示意性方框图。 电源20向连接器插针24提供驱动电压V10。连接器插针24将电源20连 接到换能器线缆16。换能器线缆16包括在图2中被示意性地示为电阻器 26的大约2Ohm的电阻。换能器线缆16包括在图2中被总体示为电感27 的大约4μH的电感。换能器头14包括由28总体指示的电气负载，所述电 气负载表示超声换能器。电容器30被并联连接到电气负载28并且典型地 具有4μF的电容。

取决于由分别的超声换能器引出的电功率,电气负载28从电源20引出 电流I10。如果超声系统10在成像模式中，即使用超声成像换能器，则从 电源20引出的电流I10典型地是20mA，而如果使用弹性摄影超声换能器， 则从电源20引出的电流I10典型地是5A。在使用超声系统期间经常从成 像模式切换到弹性摄影模式并且从弹性摄影模式切换到成像模式。在其中 使用成像模式的每个时间范围典型地比弹性摄影模式长五倍。

图3a和图3b示出了当超声系统10被从成像模式切换到弹性摄影模式 时，亦即当从电气负载28引出的电功率从近似1W快速增大到近似200W 时，供电电压V10的电压曲线和电流I10。功率水平的切换时间由箭头32 在图3a和图3b中示出。如图3a所示，当由电气负载28引出的功率增大时， 电压V10从40V快速地下降到30V。如图3b所示，当由电气负载28引出 的功率增大时，电流I10快速地增大到5A。由于连接器插针典型地具有1A 的额定电流，并且由于线缆具有2Ohm的电阻，所以由换能器线缆16传输 的功率是有限的，并且从电气负载引出的电功率不能被换能器线缆16传输。

图4示出了包括电源20、换能器线缆16和换能器头14的超声系统10 的示意性方框图。相同的附图标记指示相同的元件，其中，在这里只详细 地解释差异。电源20提供典型地是40V的驱动电压V20，并且提供取决 于电气负载28和从电气负载28引出的电流的驱动电流I20。

充电电容器34被连接到换能器线缆16。充电电容器34具有至少100 μF、优选地是500μF、更优选地是1000μF的大电容。充电电容器34借助 于可控开关36被连接到换能器线缆16。放电元件38被并联连接到充电电 容器34以使电容器34放电。放电元件38包括互相串联连接的可控开关40 和电阻器42。当超声系统10被使用时，充电电容器34借助于可控开关36 被连接到线缆16。当超声系统10被关闭时，充电电容器34被断开并且通 过闭合可控开关40来放电。在这种情况下，通过电阻器42的放电电流将 去除来自充电电容器34的电荷并且将使电容器34放电。

换能器线缆16包括连接在充电电容器34与电源20之间的电阻器44。 电阻器44典型地具有1.5Ohm的电阻。电阻器44是用来在充电电容器34 被充电时限制充电电流的限流电阻器。

换能器线缆16由多条并联的分开的柔性线缆形成。优选地，换能器线 缆16由三条、四条、五条、六条或更多条线缆形成，以将换能器线缆16 的电阻减小三倍、四倍、五倍、六倍或更多倍，并且减小换能器线缆16的 电感。并联线缆的电阻由电阻器46在图4中总体示出。电阻器46典型地 具有0.5Ohm的电阻。并联线缆的电感由电感器48在图4中总体示出，电 感器48近似1μH。

当超声系统10被开启并且可控开关36闭合时，充电电容器34经由限 流电阻器44被充电。在成像模式期间，从电气负载28引出低电流I20。如 下面所示，当从电气负载28引出的功率增大到高水平时，由于经充电的电 容器34，驱动电压V20的电压下降减小。进一步地，由于经充电的电容器 34并且由于限流电阻器44，电流I20缓慢地增大并且被保持在输入插针24 的额定电流以下。在使用期间，超声系统10在成像模式中，并且经常被短 时间范围地切换到弹性摄影模式以提供声推动。因此，从换能器头14引出 的功率水平经常地从低功率水平切换到高功率水平。

图5a示出了当由电气负载28引出的功率增大时图4的供电电压V20 的电压曲线。进一步地，图5b示出了当由电气负载28引出的功率增大时 来自图4的电流I20。如图5a所示，电压V20从40V下降到近似37V，并 且电压下降保持在10％以下。图5b中示出的电流I20在功率脉冲期间线性 地增大到近似1A，以使得不达到额定电流。因此，借助于充电电容器34， 电压下降可以被减小、电流可以被保持在额定电流以下并且必要的功率(在 这种情况下是200W)可以经由换能器线缆16被从电源20传输到换能器 头14。

充电电容器34和放电元件38优选地与系统连接器22一起被安装在换 能器线缆16的末端处。例如充电电容器34和放电元件38被安装在连接器 的外壳中。在备选的实施例中，充电电容器34和放电元件38被安装在换 能器头14中。

在另一个优选的实施例中，基站12包括多个电源20，每个电源20由 单独的换能器线缆16连接到换能器头14，并且每个电源20包括单独的充 电电容器34。在该实施例中，可以借助于不同的换能器线缆16来向换能器 头提供不同的功率水平，并且不同的功率水平还可以并联地驱动换能器头 中的不同的超声换能器。

在另一个实施例中，充电电容器34具有大于近似2500μF的、优选地 是2700μF的电容。

尽管已经在附图和前文的描述中详细说明并描述了本发明，但这种说 明和描述被视为说明性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开 的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在 实践要求保护的本发明时，能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。

在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一” 或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以完成权利要求中记载的 若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但 是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

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权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。