DE3048676C2

DE3048676C2 - Ansteuerschaltung für Ultraschallwandlerelemente

Info

Publication number: DE3048676C2
Application number: DE3048676A
Authority: DE
Inventors: Noriyoshi Kamimaki Nara Ichikawa; Toshio Kunitachi Kondo; Masao Tokyo Kuroda; Sekijyuro Notsuhara Ooita Ono
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1979-12-24
Filing date: 1980-12-23
Publication date: 1991-03-07
Also published as: US4357690A; JPS5690625A; DE3048676A1; JPS5928295B2

Description

(a) ein impulsgeber zur Erzeugung von kurzzeitigen Impulsbündeln.

(b) ein Ultraschallwand'er zur Aussendung von Ultraschallwellen und ihren: Empfang als Echo »'· von einem Objekt zur Erzeugung von Echosignalen

und

(c) eine Ansteuerschallung. deren Eingangsanschluß mit dem Impulsgeber und deren ■"> Ausgangsanschluß mit dem Ultraschallwandler verbunden ist. zur Abgabe von kurzzeitigen Impulsbündeln an den Ultraschallwandler und Durchleitung der von ihm empfangenen Echosignale zu einem Echoprozessor, der am Verbindungspunkt des Impulsgebers mit dem Eingangsanschluß der Ansteuerschaltung angeschlossen ist.

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Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für Ultraschallwandlerelemente gemäß dem Oberbegriff <ies Anspruchs 1 sowie die Verwendung einer derarligen Ansteuerschaltung in Vorrichtungen zum Senden und Empfang von Ultraschallwellen.

Vor kurzem wurde eine Ultraschall-Diagnosevorrichlung mit elektronischer Abtastung angegeben, bei der von einer Sonde Gebrauch gemacht wird, die aus einer &o Vielzahl streifenförmiger Ultpasehallwandlerelemente besteht, die in einer Cruppe angeordnet sind-

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst das Prinzip einer UltraschalUDiagnoseVorrichtung mit linearer Abtastung im einzelnen erläutert, die zu den Vorrichtungen mit elektronischer Abtastung gehört.

In Fig. I sind k Wandlerelemente /, die zugleich qngeregt werden, zu einem Satz gruppiert, wobei h im Fall des dargestellten Beispiels gleich 4 ist. Die Anregung der zu einem Satz gruppierten Wandlerelemenie wird dann von einem zum nächstfolgenden Wandlerelement sequentiell schrittweise so geändert, daß die von den selektiv gruppierten, zugleich anzusteuernden Wandlerelementen erzeugten Ultraschallslrahlen fortschreitend in der Richtung verschoben werden, in der die Wandlerelemente in einer geradlinigen Reihe angeordnet sind. Anders ausgedrückt werden die Ultraschallstrahlen in einer linearen Reihenfolge sequentiell emittiert, wie durch die Abtastlinien L_u L2... L_n _ 4 + < in F i g. 1 angegeben ist.

Wenn die Anzahl sämtlicher Wandlerelemente /mit η bezeichnet wird, kann die Gesamtzahl M der Abtastzeilcn der Ultraschallstrahlen durch η — k + 1 ausgedrückt werden, wobei k die Anzahl der gleichzeitig angeregten Wandlerelemente bedeutet, wie oben definiert.

Unter der Annahme η = 100 und k = 4 wird durch die zur Ansteuerung dienenden Impulsgeber P\ bis Pa, die mit den Wandiereiementen Nr. i bib Nr. 4 verbunden sind, eine erste Abtastzeile erhalten. Eine zweite Abtastzeile L? wird mit den Impulsgebern P^ bis P, erzielt, die mit den Wandlerelementen Nr. 2 bis Nr. 5 verbunden sind. Durch sequentielle Wiederholung der Ansteuerung der Impulsgeber in anjloger Weise können insgesamt längs der Wandlerelementanordnung 97 Abtastzeilen erhalten werden.

Wenn die Anzahl der Abtastzeilen erhöht werden soll, ist eine entsprechend höhere Anzahl von Impulsgebern erforderlich, wodurch wiederum entsprechende Scanner bzw. Sonden mit hohen Gestehungskosten belastet sind. Für die praktische Anwendung wird dementsprechend eine Ansteuerschaltung mit der Absicht verwendet, die Anzahl der Impulsgeber möglichst auf ein Minimum /u verringern.

In F12- 2 ist eine Anordnung dargestellt, die zu diesem Zweck eine Ansteuerschaltung aufweist. Die Wandlerelemente /und die In^-pulsgte~r P\ bis Pt sind durch eine matrixartige Ansteuerschaltung miteinander verknüpft, in der die ein/einen Schalter V bis St. S% bis Si. ... .S"„ ; bis S_n an den Kreuzungspunkten zwischen den von den Impulsgebern ausgehenden Linien und den zu den Wandlerelementen fur jede Gruppe dieser Elemente führenden Linien vorgesehen sind. Aus F 1 g. 2 ist ersichtlich, daß eine derartige Anordnung eine Verringerung der Anzahl von Impulsgebern P auf diejenige Anzahl ermöglicht, die im Minimalfall der Anzahl der gleichzeitig anzuregenden Wandlerelemente entspricht. Bei dieser Schaltung ist allerdings zu berücksichtigen, daß die vom Impulsgeber zur Anrc gu.ig der Wandlerelemente, die allgemein im Fall von Ultraschall-Diagnosevorrichtingen vom piezoelektrischen Typ sind, erzeugte Impulsspannung üblicherweise in Form eines Burst-Impulssignals einer Peak-zu-Peak-Spannung von etwa 100 V im Frequenzbereich von 1 bis 10 MHz.

Zur Schaltung der Impulse mit positiver und negativer Polarität und derartig hoher Frequenz und Spannung sind daher für die behälter Si bis S_n für huhe Spannungen ausgelegte Schaltelemente erforderlich, die Zur Leitung von Impulssignalen mit beiden Polaritäten geeignet sind. Derartige Schaltelemente bzw. Schaltvorrichtungen können in der in Fig.3 dargestellten herkömmlichen Anordnungsweise realisiert werden, bei der Dioden D₁ und D₂ in der Weise antiparallel zusammengeschaltet sind, daß Impülssigna-

Ie mil beiden Polarity.:.. Jurehgelawv bzw. gesperrt weiden können. Für eine derartige Schaltungsanordnung ist allerdings eine Steuerschaltung komplizierten Aufbaus zum Anlegen hoher Steuerspannungen Ki und Vt, mit positiver und negativer Polarität an die Steueranschlüsse T_x und T₂ der Dioden D₁ bzw. Dj und umgekehrt erforderlich. Das durch ein Schaltelement dieses Typs hindurchgehende Signal unterliegt ferner ungünstigerweise beim Polariiätsübergang des Signals, d. h. in der Nähe des Zeitpunkts, bei dem eine Diode ausgeschaltet bzw. gesperrt ist, während die andere eingeschaltet bzw. leitend ist, einer Verzerrung.

Der Nachteil dieser Schaltungsanordnung wird im folgenden anhand der F i g. 4a bis 4c erläutert.

In Fig.4b ist eine Schaltung dargestellt, bei der das Schaltelement aus einer herkömmlichen Diode D besteht, die lediglich in einer Richtung leitend ist. Wenn die über den Anschluß T an die Diode D angelegte Steuerspannung V₁- hinreichend niedriger als der Minimalwert V₁ des in F i g. 4a dargestellten Eingangsimpulssignals ist, wirkt die Diode in der Weise, daß sie die Fingiingsimpulsspannung blockiert. Anders ausgedrückt befindet sich das Schaltelement im sperrenden bzw. nichtleitenden Zustand. Wenn andererseits die Steuerspannung V₁ höher als die Peakspannung V_p des Eingangsimpulssignals ist, kann dieses durch die Diode D fließen. Der Diodenschalter befindet sich dann im leitenden Zustand.

Im Fall der in Fig.4b dargestellten Steuerschaltung muß dementsprechend die Steuerspannung höher als der höchste Pegel des Eingangsimpulssignals bzw. niedriger als dessen niedrigster Pegel sein. Hierzu ist eine Steuerspannung mit im positiven wie auch im negativen Bereich großer Amplitude erforderlich, was eine komplizierte Steuerschaltung mit sich bringt und die in Fig.4b dargestellte Steuerschaltung entsprechend für die praktische Anwendung ungeeignet macht. In diesem Zusammenhang ist noch zu erwähnen, daß dann, wenn die Steuerspannung K eint- einzige Polarität aufweist und beispielsweise zwischen Null und dem Pegel — V, ' ariiert. die Ausgangsspannung von der Steuerschaltung eine entsprechend gleichgerichiete Signalform aufweist, die der Eingangsimpulsspannung bei unterdrückter positiver Amplitude entspricht, wie in Fi g. 4c dargestellt ist.

Bezüglich des bekannten Standes der Technik sei in diesem Zusrmmenhnng noch auf die DEAS 25 34 245 sowie die DE-AS 26 55 237 verwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerschaltung mit sehr einfachem Schaltungsaufbau zur Anregung von Ultraschallwandlerelemenien anzugeben, welche sich unter Vermeidung von auftretenden Verzerrungen zur Übertragung von Ansteuerimpulsen für die Wandlerelemente sehr gut eignet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Vorsehen der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale erreicht.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird in positiver Weise vom bei Dioden im allgemeinen unerwünschten Ladungsträger-Speichereffekt Gebrauch gemacht, indem die Diode dazu gebracht wird, daß sie kurzzeitig als bipolares Schaltelement arbeitet. Unter Verwendung dieses Ladungsträger-Speichereffektes kann somit mit Hilfe einzelner Dioden eine sehr wirksame Ansteuerung von Ultraschallwandlerelementen erfolgen, wobei Impulssignale in Form von Impulsbündeln mit einer Dauer von größenordnungsmäßig einigen με zum Einsatz gelangen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind somit Dioden um so bevorzugter verwendbar, je ausgeprägter ihr Ladungsträger-Speirhereffekt ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche 2—4.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des prinzipiellen Aufbaus herkömmlicher Vorrichtunto gen mit Ultraschallwandlern und linearer elektronischer Abtastung.

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Ansteuerschaltung zur Ansteuerung der Ultraschallwandleranordnung;

F i g. 3 ein Schaltbild eines herkömmlichen Schaltelements für bipolare Signale;

Fig.4a bis 4c Darstellungen zur Erläuterung der Betriebseigenschaften herkömmlicher Schaltdioden;

F i g. 5 den Aufbau einer erfindungsgemäß verwende- 2t) ten Diode;

F i g. 6 eine graphische Darstellung der Kennlinie von Dioden mit dem Aufbau von F i g. 5;

F ι g. 7a bis 7c eine schematische D- rsteiiung zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform und

Fig. 8 eine Schaltungsanordnung einer Ultraschall-Diagnos.vorrichtung unter Verwendung der Erfindung.

Im folgenden wird zunächst ein Schaltelement erläutert, das in der erfindungsgemäßen Ansteuerschal-JD tung für Ultraschallwandler angewandt wird.

Gemäß dem Erfindungskonzept wiru als Schaltelement zur Anwendung in der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung eine Diode mit langer Sperrverzögerungszeit, d. h. mit einem signifikanten Ladungsträgerj-, Speichereffekt, herangezogen. Unter der Bezeichnung Ladungsträger-Speichereffekt wird hierbei das bei Dioden auftretende Phänomen verstanden, daß ein Rückwärts- bzw. Sperrstrom fließt, wenn die in Durchlaßrichtung arbeitende Diode abrupt in Sperrichtung vorgespannt wird. Dieser Ladungsträge.-Spe.^hereffekt ist üblicherweise unerwünscht.

Zur Unterdrückung des Ladungsträger-Speichereffekts ton Dioden wird Gold in die mit Dotierungsmate rial dotierte Schicht der Diode eindiffundiert oder von 4-, anderen Mitteln Gebrauch gemacht.

Im Gegensatz hierzu macht die Erfindung in positiver Weise vom Ladungsträger-Speichereffekt Gebrauch, wodurch die Diode vorübergehend bzw. momentan als bipolares Schaltelement arbeitet. Im einzelnen kann der vi Ladungsträger-Speichereffekt in vorteilhafter und wirksamer Weise /ur Verarbeitung des Impulssignals zur Ansteuerung der Ult-aschallwandlerelemente herangezogen werden, da derartige Impulssignale in Form von Burst-Impulsen (Impulsbjndel) mit einer Dauer von grTße..otdnungsmäßig einigen _tis vorliegen. Demgemäß sind Dioden um so bevorzugter verwendbar, je ausgeprägter ihr LaL.ungsträger-Speichereffek'. ist.

Eine typische derartige Diode mit der oben erläuterten Eigenschaft ist unter der Bezeichnung ho ISS 122 im Handel erhältlich Diese Diode weist den in Fig 5 dargestellten Aufbau auf. Wie aus F i g. 5 hervorgeht, oesiut diebe Diode cine dünne Epitaxial schicht vom N-Typ (N--EP), die auf einem Silicii'msubstrat N⁺ vom N*Typ durch epitaxiales Aufwachsen erzeugt ist und eine hohe Konzentralion an Dotierungsmaterial aufweist. Auf der N--EP-Schicht ist durch Diffusion eine Schicht P vom P-Typ erzeugt, Auf der oberen und unteren Fläche der Diode sind zum

ohmschen Kontakt Elektroden Au aus Gold aufgebracht.

In Fig.7b ist ein Schaltbild eines in der einer erfindungsgemäßen Ausführungsform entsprechenden Ansteuerschaltung verwendeten Schallelements dargc- > stellt. Die Schaltung umfaßt eine Diode D_n mit der in F i g. 6 dargestellten Kennlinie und einer Sperrverzögerungszeit von üblicherweise einigen ns (größenordnungsmäßig höchstens 10 f.is) sowie ein mit der Diode Dp verbundenes Widerstandselement R. In Fig. 7b m bezeichnet das Symbol /Λ/den Eingangsanschluß, OUT den Ausgangsanschluß und 7*_rden Sleueranschluß.

Mit der in Fig. 7b dargestellten Schaltungsanordnung kann, wenn ein bipolares Impulssignal mit einer Dauer von einigen jts, wie in F i g. 7a dargestellt, an den Eingangsanschluß IN als Eingangsspannung angelegt wird, als Ausgangsspannung am Ausgangsanschluß OUT eine bipolare Inipulsspannung erhalten werden. Der Steueranschluß T_c wird mit einer positiven Spannung versorgt, die kleiner ist als die Eingangsspan- si nung. Im Zusammenhang mit der Verbindung der Diode Dp'm F i g. 7b ist die Anstiegsrichtung des Eingangsspannungsimpulses von Fig.7a so ausgewählt, daß die Diode Dp in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Es ist allerdings leicht einzusehen, daß die Anstiegsrichtung ^ des Eingangsspannungsimpulses umgekehrt wird, wenn die Diode D_p mit gegenüber Fig.7b umgekehrter Polarität angeordnet wird.

In Fig.8 ist eine Ultraschall-Diagnosevorrichtung dargestellt, bei der das Erfindungskonzept angewandt ist und das reflektierte Echo zur Verarbeitung zur Diagnose durch Umschaltung vom Ultraschallwellen-Sendebetrieb zum Echoempfangsbetrieb empfangen wird.
Wie aus Fig.8 hervorgeht, ist die Diode D_p im AUS-Zusfand, d.h. nichtleitend bzw. sperrend, solange die Sleuerspannung V₁- der Diode D_n hinreichend niedriger ist als die vom Impulsgeber P erzeugte Impulsspanniing. Wenn die Steuerspannung K- im positiven Bereich klein ist, liegt das Impulssignal, das zur Aussendung der Ullraschalwelle führt, am Ultraschallwandlerelemenf U_e an. Anders ausgedrückt wird die Diode D_P momentan in beiden Riehtungen leitend, um das Ausgangsimpulssignal hindurchleiten zu können» was zur Erzeugung der Ultraschallwelle durch das Wandlerelement U_e führt. Die als Echo von einem zu untersuchenden Objekt reflektierte Ultraschallwelle wird empfangen und vom Wandlerelement U_e durch piezoelektrische Umwandlung in ein Spannungssignal sehr kleiner Größe umgewandelt. Das Echosignal gelangt anschließend nach dem Durchgang durch die Diode Dp zu einem Verstärker A₁ da die Steuerspannung V_r eine positive Spannung von größenordnungsmäßig einigen Volt ist. In dieser Weise können das durchzulassende wie auch das empiangene Signa? durch die Diode D_p wechselseitig umgeschaltet werden.

Wie aus der obigen Erläuterung hervorgeht, gibt die Erfindung eine vorteilhafte Ansteuerschaltung sowohl für das zum Ultraschallwandlerelement zur Emission der Ultraschallwelle zu übertragende Signal als auch das vom Wandlerelement empfangene und zu einem Verarbeitungssystem zu leitende Echosignal an, bei der Dioden mit langer Sperrverzögerungszeit eingesetzt werden. iJei der obigen Erläuterung Wurde angenommen, daß Dioden mit der angegebenen Kennlinie verwendet werden. Es ist jedoch ohne weiteres ersichtlich, daß auch andere Haibleiterelemente mit einer Sperrverzögerungszeit beträchtlicher Dauer wie etwa siliciumgesteuerte Gleichrichter (SCR) zum gleichen Zweck eingesetzt werden können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ansteuerschaltung für Ultraschallwandlerelemente mit einer Diode, deren Kathode mit einem Eingangsanschluß für Impulssignale zur Anregung der Ultraschallelemente und deren Anode mit einem Ausgangsanschluß sowie über einen Widerstand mit einem Steuerspannungsanschluß zur Steuerung des Leitungszustandes der Diode verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (Dp) eine durch den Ladungsträger-Speichereffekt bedingte lange Sperrverzögerungszeit aufweist und so ausgelegt ist, daß sie am Ausgang (OUT) kurzzeitige Impulsbündel mit bipolarem Impulskomponenten liefert (F ig. 7a—c).

2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (D_p) eine Sperrverzögerungszeit von einigen ils aufweist

3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (D₁,) eine Siliziumsubi'/atschicht des N⁺ Typs aufweist^auf welcher eine dünne Epitaxialschicht des N-hP Typs aufgelegt ist, in deren oberen Bereich eine Schicht des P Typs eindiffundiert ist, und daß an diesen Halbleiteraufbau ohmsche Kontaktelektroden aus Gold angesetzt sind (F ig. 5).

4. Verwendung der Ansteuert^haliung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in Vorrichtung zum Senden und Empfang von Ultraschallwellen, wobei zusätzlich folgende Elemente vorgesehen sind: