DE1264681B

DE1264681B - Fuer die medizinische Ultraschalldiagnose nach dem Impuls-Echoverfahren bestimmtes ultraschall-spiegeloptisches System zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen

Info

Publication number: DE1264681B
Application number: DES74651A
Authority: DE
Inventors: Dr Hellmuth Hertz; Dipl-Phys Sven Olofsson
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-07-05
Filing date: 1961-07-05
Publication date: 1968-03-28
Also published as: GB1006434A; US3251219A

Description

Für die medizinische Ultraschalldiagnose nach dem Impuis-Echoverfahren bestimmtes ultraschall-spiegeloptisches System zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen Die Erfindung bezieht sich auf ein für die medizinische Ultraschalldiagnose nach dem Impuls-Echoverfahren bestimmtes ultraschall-spiegeloptisches System zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen unter Verwendung von innerhalb des Systems örtlich voneinander getrennt angeordnetem Sender und Empfänger. Bei diesem Verfahren wird der zu untersuchende Körperteil, bei einer Herzdiagnose beispielsweise der Oberkörper, mit Ultraschallimpulsen eines um den Körperteil herumschwenkbaren Ultraschall-Sender-Empfängers durchstrahlt, und die von inhomogenen Stellen, sogenannten Strukturen, reflektierten Echoimpulse werden zur Auswertung und Abbildung einer Elektronenstrahlröhre zugeführt.
Bei den bisher ausgeübten Verfahren wird zum Senden und Empfangen ein normaler Ultraschallkopf verwendet, wie er im Prinzip auch für Therapiezwecke gebräuchlich ist.
Bei der Ultraschalldiagnose sind verschiedene Schwierigkeiten zu überwinden, die im folgenden kurz gestreift werden sollen. Eine dieser Schwierigkeiten besteht darin, daß einerseits das biologische Gewebe den Ultraschall relativ stark absorbiert und andererseits die in diesem Gewebe interessierenden Strukturen den Ultraschall nur relativ schwach reflektieren, weil der Wellenwiderstandssprung ihrer Grenzflächen gegenüber dem übrigen Gewebe nur klein ist. Zur Gewinnung verwertbarer und über dem Eingangsrauschen des Empfangsverstärkers liegender Echoimpulse bietet sich bei Verwendung eines gemeinsamen Schallkopfes zum Senden und Empfangen der Ausweg, hohe Schallintensitäten und großflächige Schallköpfe zu verwenden. Diese beiden Maßnahmen sind jedoch mit anderen Nachteilen behaftet, und zwar bewirkt die Erhöhung der Schallintensität im allgemeinen eine Verlängerung der Schallimpulse, da die Dämpfung des Schwingers im Schallkopf nicht beliebig gesteigert werden kann. Hierdurch wird das Auflösungsvermögen der Einrichtung in Richtung des Schallstrahles herabgesetzt. Eine Vergrößerung des Schallkopfdurchmessers hingegen verschlechtert die Seitenauflösung, weil jeweils nur solche Strukturunterschiede erfaßt werden können, die quer zur Schallrichtung mindestens einen Abstand haben, der dem Durchmesser des Schallkopfes entspricht. Daher ist die Seitenauflösung um so schlechter, je größer der Durchmesser des Schallkopfes ist.
Eine schlechte Seitenauflösung ist jedoch noch durch einen anderen Umstand bedingt. Wegen der starken Absorption des Ultraschalles im biologischen Gewebe beträgt die höchste noch anwendbare Ultraschallfrequenz etwa 2 MHz, dies entspricht einer Wellenlänge von etwa 0,75 mm. Diese Wellenlänge hat nun die gleiche Größenordnung wie die interessierenden Feinheiten der zu untersuchenden Struktur und ist daneben nur etwa eine Größenordnung kleiner als der Durchmesser des Schallkopfes. Dies bedeutet einerseits, daß der Schallstrahl nicht beliebig scharf gebündelt werden kann, und andererseits, daß die Echobildung im Gewebe oft mehr als Streuung denn als Reflexion im eigentlichen Sinn erfolgt. Diese beiden Faktoren ergeben zwangläufig eine schlechte Seitenauflösung des Ultraschallbildes.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren mit gemeinsamem Ultraschall-Sender-Empfänger ist die Möglichkeit der Entstehung von sogenannten Geisterbildern. Ihre Entstehung beruht im wesentlichen darauf, daß ein Teil des Ultraschallechos nicht von der reflektierenden Struktur direkt zum Schallkopf zurückläuft, sondern zuvor noch zu einer zweiten und seitlich von der erstgenannten gelegenen Struktur.
Dort wird er nochmals reflektiert und läuft von da aus erst zum Schallkopf zurück. Durch das doppelt eintreffende Echo ergeben sich schwer deutbare Figuren im Ultraschallbild.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ultraschalloptisches System anzugeben, welches die vorgenannten Nachteile nicht aufweist.
Sie bedient sich dabei zum Teil der bereits vorgeschlagenen Verwendung eines hohlspiegelartigen Gebildes zum Empfang der reflektierten Echoimpulse.
Das erfindungsgemäße ultraschalloptische System ist im wesentlichen gekennzeichnet durch die Kombination folgender Bauelemente: a) einen Reflektor, bestehend aus einem zu seiner großen Achse rotationssymmetrischen Teil eines Rotationsellipsoids, b) einen im Scheitelpunkt dieses Reflektors oder in dessen unmittelbarer Nähe in Höhe der Rotationsachse angeordneten, auf den nächstliegenden Brennpunkt des Rotationsellipsoids ausgerichteten Ultraschallempfänger, c) einen weiteren Reflektor, bestehend aus einem zu seiner durch seinen Brennpunkt gehenden Achse rotationssymmetrischen Teil eines Rotationshyperboloids, der zwischen dem Ultraschallempfänger und dem diesem nächstliegenden Brennpunkt des Ellipsoidreflektors derart angeordnet ist, daß seine Rotationsachse mit der des Rotationsellipsoids zusammenfällt, daß weiterhin seine konvex gekrümmte, mit einer die Ultraschallwellen reflektierenden Wandung versehene Fläche der konkav gekrümmten, ebenfalls mit einer die Ultraschallwellen reflektierenden Wandung versehenen Fläche des Ellipsoidreflektors zugewendet ist und daß außerdem der auf seiner konkav gekrümmten Seite liegende Brennpunkt in den dem Ultraschallempfänger nächstliegenden Brennpunkt des Ellipsoidreflektors fällt, wobei die geometrischen Abmessungen des Rotationshyperboloids derart festgelegt sind, daß von dem Ellipsoidreflektor reflektierte, aus dessen vom Ultraschallempfänger weiter abliegenden Brennpunkt kommende Ultraschallwellen beim Auftreffen auf die reflektierende Wandung des Hyperboloidreflektors konvergierend in Richtung auf den Ultraschallempfänger umgelenkt werden, und d) einen Ultraschallsender zur Erzeugung eines Ultraschallstrahlenfeldes, das im Bereich zwischen den beiden Brennpunkten des Ellipsoidreflektors in Richtung der Rotationsachse der Reflektoren verläuft und in einem Brennpunkt konvergiert, der in den vom Ultraschallempfänger weiter abliegenden Brennpunkt des Ellipsoidreflektors gelegt ist.
Zur Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, die zwei Ausführungsbeispiele veranschaulicht, und zwar zeigt F i g. 1 eine Ausführung, bei der die konvergierende Strahlung des Ultraschallsenders unter Zuhilfenahme eines Umlenkmittels auf die zu untersuchende Struktur geleitet wird, F i g. 2 eine Ausführung, bei der die konvergierende Strahlung des Ultraschallsenders auf direktem Weg zum Untersuchungsobjekt geführt wird und bei der weiterhin der Ultraschallempfänger an einem gegenüber F i g. 1 etwas veränderten Ort angebracht ist.
Übereinstimmende Teile sind in beiden Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie aus den Figuren ersichtlich, ist das erfindungsgemäße ultraschalloptische System im wesentlichen aufgebaut aus einem zu seiner großen Achse rotationssymmetrischen Teil 1 eines Rotationsellipsoids mit reflektierender Innenwand 2, einem zu seiner durch den Brennpunkt gehenden Hauptachse rotationssymmetrischen Teil eines Rotationshyperboloids 3 mit reflektierender Oberfläche 4, dem gebogenen Sendequarz 5 sowie dem Empfangsquarz 6. Der rotationssymmetrische Reflektor 1 ist Teil eines nicht ausgeführten Rotationsellipsoids, das in Fig.1 durch die gestrichelte Linie 7 angedeutet ist. Dieses Rotationsellipsoid besitzt die beiden Brennpunkte 8 und 9.
Die Bauteile 1 und 3 sind dabei zueinander so angeordnet, daß einerseits die reflektierenden Schichten 2 und 4 einander gegenüberliegen und andererseits der Brennpunkt des Rotationshyperboloids 3 mit dem Brennpunkt 8 des Reflektors 1 zusammenfällt. Sendequarz 5 und Empfangsquarz 6 sind in bekannter Weise mit einem aus Einfachheitsgründen nicht mitgezeichneten HF-Generator bzw. Oszillographenverstärker verbunden. Der Empfangsquarz kann außerdem gemäß F i g. 2 bis in eine Öffnung des Reflektors 1 zurückgesetzt sein.
Die konvergierende und durch die gestrichelten LinienlO und 11 angedeutete Strahlung des Ultraschallsenders 5 wird in der Ausführungsform nach F i g. 1 unter Vermittlung des ebenen Umlenkspiegels 12 mit der Reflexionsschichtl3 in das System eingeführt, kann aber auch gemäß Fig. 2 unmittelbar au der Symmetrieachse des Systems angeordnet sein.
Der Ultraschallschwinger 5 muß dabei auf jeden Fall so angeordnet und hinsichtlich der Konvergenz seiner Strahlung so ausgebildet sein, daß deren Brennpunkt mit dem Brennpunkt 9 des Ellipsoids 7 bzw. des Reflektors 1 zusammenfällt. Im folgenden wird der Brennpunkt 9 als erster Brennpunkt und der Brennpunkt 8 als zweiter Brennpunkt bezeichnet.
Die ganze Anordnung kann zusammen mit dem Untersuchungsobjektl4 in ein Gefäß mit gut ultraschalleitender Flüssigkeit eingebracht werden; es ist jedoch auch möglich, die Teile 1 bis 5 und gegebenenfalls verwendeten Umlenkspiegel 12 in einen abgeschlossenen und mit gut ultraschalleitender Flüssigkeit gefüllten Raum unterzubringen, der zum Untersuchungsobjekt 14 hin elastisch umgrenzt ist und an diesem, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung bekannter Ankopplungsmittel, unmittelbar anliegt. In beiden Fällen ist die Anordnung so zu treffen, daß sich die interessierende Struktur des Untersuchungsobjektes 14 im Bereich des ersten Brennpunktes 9 befindet.
Die von einer interessierenden Struktur des Körpers 14 erzeugten divergierenden Echoimpulse werden; wie das durch die strichpunktierten Linien 15 bzw. 16 angedeutet ist, zunächst vom Reflektor 1 aufgefangen und auf den zweiten Brennpunkt 8 hin reflektiert. Auf diesem Weg werden die Impulse jedoch von dem Hyperboloidreflektor 3 erfaßt und von dessen Außenfläche 4 konvergierend auf den nahe dem Konvergenzpunkt angeordneten Ultraschallempfänger 6 reflektiert. Die geometrisch-optischen Gesetze zur Berechnung der erforderlichen Krümmungsradien usw. der einzelnen Bauteile sind bekannt, so daß hier nicht näher darauf eingegangen wird.
Zur Darstellung eines zweidimensionalen Querschnittbildes des Körpers 14 wird das gesamte ultraschalloptische System durch beliebige und bekannte Mittel so geschwenkt, daß die Fortsetzung der durch die Brennpunkte 8 und 9 gehenden Symmetrielinie beim Schwenkvorgang den gesamten Körper 14 bestreicht. Wird nun mit den Echoimpulsen in bekannter Weise die Helligkeit eines synchron zum Impulstakt abgelenkten Elektronenstrahles moduliert, so erhält man ein Querschnittsbild des untersuchten Körperteiles, wenn die Strahlablenkung in der anderen Ablenkrichtung des Elektronenstrahloszillographen von der Schwenkbewegung des Systems gesteuert wird.
Es ist offensichtlich, daß bei dem erfindungsgemäßen ultraschalloptischen System auf Grund der geometrisch-optischen Verhältnisse nur diejenigen Echoimpulse auf den Empfänger 6 gelangen, die unmittelbar von einer im oder nahe beim ersten Brennpunkt 9 liegenden Struktur ausgelöst werden. Dies ist ein Faktor für die hohe Seitenauflösung des Erfindungsgegenstandes. Die hohe Seitenauflösung ist weiterhin dadurch bedingt, daß der Empfangsquarz 6 wegen der großen Empfangsfläche des Ellipsoidreflektors klein im Verhältnis zu diesem gewählt werden kann.
Hieraus resultiert auch eine gute Empfangsempfindlichkeit der Anordnung, wodurch in manchen Fällen der Sender 5 geringer belastet werden kann, was wiederum die Auflösung in Schallrichtung verbessert.
Ein weiterer Vorteil dieses ultrasehalloptischen Systems ist, daß die reflektierende Struktur nicht genau senkrecht zur Einfallsrichtung des Ultraschalls zu stehen braucht, da es genügt, wenn der Echoimpuls nur an irgendeiner beliebigen Stelle auf die Innenwandung 2 des Reflektors auftrifft.
Ein anderer Vorteil liegt in der sicheren Vermeidung von sogenannten Geisterbildern, da nur diejenigen Echoimpulse auf den Empfänger gelangen können, die vom ersten Brennpunkt 9 kommen.
Schließlich bietet das erfindungsgemäße ultraschalloptische System die Möglichkeit, erforderlichenfalls relativ starke Ultraschallsender verwenden zu können, da dieselben bei Verwendung eines Umlenkspiegels 12 außerhalb des eigentlichen Empfangssystems angeordnet werden können und mithin für ihre Abmessungen relativ großer Spielraum vorhanden ist.

Claims

Patentansprüche: 1. Für die medizinische Ultraschalldiagnose nach dem Impuls-Echoverfahren bestimmtes ultraschall-spiegeloptisches System zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen unter Verwendung von innerhalb des Systems örtlich voneinander getrennt angeordnetem Sender und Empfänger, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Bauelemente: a) einen Reflektor (1), bestehend aus einem zu seiner großen Achse rotationssymmetrischen Teil eines Rotationsellipsoids, b) einen im Scheitelpunkt dieses Reflektors oder in dessen unmittelbarer Nähe in Höhe der Rotationsachse angeordneten, auf den nächstliegenden Brennpunkt des Rotationsellipsoids ausgerichteten Ultraschallempfänger (6), c) einen weiteren Reflektor (3), bestehend aus einem zu seiner durch seinen Brennpunkt gehenden Achse rotationssymmetrischen Teil eines Rotationshyperboloids, der zwischen dem Ultraschallempfänger und dem diesem nächstliegenden Brennpunkt (8) des Ellipsoidreflektors derart angeordnet ist, daß seine Rotationsachse mit der des Rotationsellipsoids zusammenfällt, daß weiterhin seine konvex gekrümmte, mit einer die Ultraschallwellen reflektierenden Wandung (4) versehene Fläche der konkav gekrümmten, ebenfalls mit einer die Ultraschallwellen reflektierenden Wandung (2) versehenen Fläche des Ellipsoidreflektors zugewendet ist und daß außerdem der auf seiner konkav gekrümmten Seite liegende Brennpunkt in den dem Ultraschallempfänger nächstliegenden Brennpunkt (8) des Ellipsoidreflektors fällt, wobei die geometrischen Abmessungen des Rotationshyperboloids derart festgelegt sind, daß von dem Ellipsoidreflektor (1) reflektierte, aus dessen vom Ultraschallempfänger weiter abliegenden Brennpunkt (9) kommende Ultraschallwellen beim Auftreffen auf die reflektierende Wandung (4) des Hyperboloidreflektors konvergierend in Richtung auf den Ultraschallempfänger umgelenkt werden, und d) einen Ultraschallsender (5) zur Erzeugung eines Ultraschallstrahlenfeldes, das im Bereich zwischen den beiden Brennpunkten (8, 9) des Ellipsoidreflektors in Richtung der Rotationsachse der Reflektoren verläuft und in einem Brennpunkt konvergiert, der in den vom Ultraschallempfänger weiter abliegenden Brennpunkt (9) des Ellipsoidreflektors gelegt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender (5) im Bereich zwischen dem Hyperboloidreflektor (3) und dem vom Ultraschallempfänger weiter abliegenden Brennpunkt (9) des Ellipsoidreflektors angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender (5) unter an sich bekannter Verwendung von geeigneten Umlenkmitteln (12) seitlich vom Ellipsoidreflektor (1) angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 971 891; USA. -Patentschrift Nr. 2 763 153; »IRE Convention Record«, 1955, National Convention, Teil 9, S. 68 bis 88.