DE19732968A1

DE19732968A1 - Ultraschallkopf für Sonografie

Info

Publication number: DE19732968A1
Application number: DE1997132968
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Fritsch; Miroslav Wrobel
Original assignee: Thomas Dr Fritsch
Current assignee: WROBEL, MIROSLAW, 97082 WUERZBURG, DE
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1997-07-31
Publication date: 1999-02-04

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallkopf für die Sonografie insbesondere für die medizinische Diagnostik entsprechend dem Oberbegriff der DE 195 21 197. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Ultraschallkopf, der ein verbessertes Signal für die Graubild- und im besonderen Maße die Doppler-Sonografie für die Feststellung der Blutströ mungsgeschwindigkeit und der Bewegung der Herzklappen bereitstellt.

Bei den herkömmlichen Geräten zur Ultraschalldiagnostik werden Ultraschallköpfe eingesetzt, die im allgemeinen aus einer linearen Anordnung einzelner mechanisch getrennter Piezoelemente bestehen, die eine Impulsfolge in das Gewebe aus senden und dann die Echosignale kontinuierlich in einer festgelegten Zeitperiode empfangen, indem dieselben Piezoelemente als Drucksensoren wirken. Die Zeitperiode wird dabei durch das letzte am Sensor ankommende Echosignal aus der tiefsten Reflexionszone bestimmt. Bei diesem Ultraschallsystem dienen also dieselben Piezoelemente sowohl als Sender als auch als Empfänger.

Der Ultraschallkopf kann aber auch ein mechanischer Schall kopf oder ein Phased-Array-Schallkopf sein. Bei einem mechanischen Schallkopf ist entweder ein einziges (Fix Fokus) oder eine konzentrische Anordnung mehrerer Piezoelemente (Annular Array) vorhanden, deren Sende- und Empfangsbetrieb jedoch analog abläuft.

Eine wesentliche Voraussetzung für den Einsatz derartiger Systeme besteht darin, daß die Sende- und Empfangs- Charakteristiken möglichst gleich sein müssen, bzw. daß trotz unterschiedlicher Sende- und Empfangs-Charakteristiken keine Verfälschungen der Echosignale auftreten dürfen, oder daß diese Verfälschungen kompensiert werden können.

Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß naturgemäß deutliche Unterschiede zwischen der Sendecharakteristik und der Empfangscharakteristik von Piezokristallen bestehen, da ihren Wirkungsmechanismen unterschiedliche Effekte zugrunde liegen. Bei realen Systemen mit Piezokristallen könnten zum Beispiel die in Fig. 7 gezeigten Sende- und Empfangs-Charakteristiken vorhanden sein. Es zeigt sich, daß die Empfangscharakteristik gegenüber der Sendecharakteristik bei einer geringeren Frequenz ihre maximale Empfindlichkeit besitzt.

Bei der Auswertung der Echosignale kann ein A-Mode-Bild (Amplituden-Bild) erzeugt werden, das entsteht, wenn die Echoamplituden der Ultraschallinie zeitrichtig längs einer Zeitachse aufgetragen werden, wobei die Laufzeit der Impulse die Tiefe darstellt. Diese Laufzeit wird bei dieser Darstellung in einen Abstand vom Schallkopf umgerechnet. Je schmaler der Impuls ist, um so größer ist demzufolge die Auflösung und um so schärfer wird auch das Bild.

In modernen Geräten für die Ultraschalldiagnostik wird ein B- Mode-Bild (Brightness-Bild) verwendet, das aus vielen neben einander liegenden A-Mode-Linien besteht, wobei die Amplituden in Grauwerte umgerechnet werden. Je größer die Amplitude ist, um so heller ist hier der Bildpunkt.

Für beide Darstellungen sind also im wesentlichen die Amplituden der Echosignale entscheidend. Solange keine Frequenzverschiebungen statt finden, können die Unterschiede in den Sende- und Empfangs-Charakteristiken kompensiert werden, indem ein Verstärker eingeschaltet wird. Allerdings tritt dieser Idealfall in der Realität nicht auf. Die Auswertungen sind also grundsätzlich verfälscht.

Die herkömmlichen Geräte für die medizinische Diagnostik werden im allgemeinen außerdem zur Gewinnung von Infor mationen über die Strömungen von Körperflüssigkeit oder die Bewegungen von Organen eingesetzt, um z. B. Informationen über die Strömungsgeschwindigkeit von Blut oder von Gallenflüs sigkeit, oder die Bewegung der Herzklappen usw. zu erhalten.

Um diese Informationen zu erfassen, wird der Doppler-Effekt genutzt. Der Einsatz dieser Technik erfordert große prak tische Erfahrungen und sonografische Kenntnisse vom Arzt, da nur die Geschwindigkeitskomponente parallel zur Ausbreitungs richtung des Schalls gemessen werden kann, da also nur die Strömungen erfaßt werden können, die sich vom Schallkopf weg oder zu ihm hin bewegen. Es wird also die Projektion der wahren Blutströmgeschwindigkeit in der Richtung des Ultraschallsendestrahls gemessen. Wird der Winkel größer, werden die Amplitude und die Frequenzverschiebung kleiner. Die Schallköpfe, die Ultraschallimpulse in der Größenordnung von 3-15 MHz aussenden, müssen also möglichst in die Richtung der Strömung senden, wobei die Ultraschallimpulse mindestens die Breite einer Periode besitzen müssen, damit eine eindeutige Frequenzverschiebung gemessen werden kann. Damit stehen die Forderungen an den Sendeimpuls für die Doppler- Sonografie im Widerspruch zu denen für die Sonografie des Gewebes, d. h. für die Graubilderfassung.

Außerdem erfährt das Echosignal, das zur Doppler-Sonografie verwendet werden soll, durch die unterschiedlichen Charak teristiken beim Senden der Ultraschallimpulse und beim Empfangen der Echoimpulse infolge der Frequenzverschiebung nicht kompensierbare Verfälschungen, denn entscheidende Informationen können verloren gehen.

Eine Lösung des Problems könnte durch einen Ultraschallkopf mit einer speziellen Empfangscharakteristik herbeigeführt werden. Bei diesem Ultraschallkopf werden bestimmte Frequenzen von bestimmten Piezoelementen empfangen. Die Herstellung dieser Köpfe ist sehr teuer, weshalb ein Einsatz nur für sehr spezielle Meßaufgaben, nicht aber in der medizinischen Diagnostik vorgesehen ist.

Um dennoch dieses Problem zu lösen, wurde der zweifelhafte Versuch unternommen, die Echosignale, die sowohl Informa tionen über das Graubild als auch Informationen über Bewe gungen enthalten, in einer Kompromißlösung sowohl für die Darstellung statischer als auch bewegter Objekte zu ver wenden. Dazu soll als Beispiel die DE 195 21 197 genannt werden. In diesem Dokument werden die Echosignale mit den Informationen über die statischen und bewegten Objekte in einem vorgegebenen Abtastverhältnis entweder für die Bestimmung des Graubildes oder für die Bestimmung der bewegten Objekte genutzt. Die fehlenden Informationen werden jeweils mit Hilfe einer Korrelationsfunktion aus den Signalen abgeschätzt.

Es hat sich bei allen Lösungen gezeigt, daß die so gewonnenen Informationen über das Graubild für einen sehr erfahrenen Arzt eine Hilfe darstellen, daß jedoch die aufgenommenen Informationen für die Doppler-Sonografie nicht ausreichen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Ultraschallkopf vorzuschlagen, mit dem die Echosignale möglichst unverfälscht empfangen werden können und mindestens für die Doppler-Sonografie ein verbessertes Signal geliefert wird.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen kostengünstigen Ultraschallkopf vorzuschlagen, der in herkömmliche Geräte für die medizinische Diagnostik eingebaut werden kann und so eine verbesserte Auswertung der Echosignale ermöglicht.

Die Aufgaben werden durch den Ultraschallkopf entsprechend der vorliegenden Erfindung gelöst. Der Ultraschallkopf für die Graubild-Sonografie und die Doppler-Sonografie mit Piezoelementen als Sender, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine breitbandige Empfangseinheit für die Echosignale und eine breitbandige Vorverarbeitungsstufe für die Empfangssignale vorgesehen ist, der mindestens eine elektronische Verarbeitungseinheit für die Signale für die Doppler-Sonografie nachgeordnet ist, da die Auswertung der Informationen für das Graubild zumeist ausreicht. Jedoch ist auch bei der Auswertung der Graubildinformationen entspre chend der Erfindung eine wesentliche Verbesserung erreichbar, da die verbesserte Empfangseinrichtung die Echosignale nicht verfälschen.

Die breitbandige Empfangseinheit ist vorteilhafterweise ein optischer Empfänger, die Vorverarbeitungseinheit eine opti sche Vorverarbeitungseinheit, und die elektronische Verar beitungseinheiten sind über eine Fotodiode mit der optischen Vorverarbeitungseinheit gekoppelt. Die unverfälschten Empfangssignale werden danach sowohl einer elektronischen Verarbeitungseinheit für die Graubild-Sonografie als auch einer elektronischen Verarbeitungseinheit für die Doppler- Sonografie zugeführt und jeweils spezifisch verarbeitet.

Der optische Empfänger besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Lichtleitfaser, die so angeordnet ist, daß die von den Piezoelementen ausgesendeten Ultraschallimpulse von der Lichtleitfaser unbeeinflußt sind, die Lichtleitfaser eingangsseitig mit einer Lichtquelle gekoppelt ist, so daß durch die Echoimpulse in der Lichtleitfaser Modulations signale erzeugt werden, und ausgangsseitig mit der optischen Vorverarbeitungsstufe, die zur Umwandlung der Modulations signale in elektrische Signale an eine Fotodiode geführt sind. Die Fotodiode ist dann mit einer elektronischen Verarbeitungsstufe für die Graubild-Sonografie und eine elektronische Verarbeitungseinheit für die Doppler-Sonografie verbunden. Die Fotodiode sollte aber mindestens mit einer elektronischen Verarbeitungseinheit für die Doppler- Sonografie verbunden sein, da für diese Auswertung ein wesentlich verbessertes Empfangssignal bereitgestellt wird.

Die Lichtleitfaser wird in diesem optischen Empfänger vorteilhafterweise als Sensorspule auf eine Unterlage gewunden, die eng an die Piezoelemente angelegt ist. Bei dieser Gestaltung des neuartigen Ultraschallkopfes wirken die Piezoelemente gleichzeitig als Verstärker für die empfangenen Echoimpulse. Durch die Vorfertigung der Sensorspule auf einer Unterlage kann sichergestellt werden, daß die zulässigen Biegeradien der Lichtleitfaser nicht unterschritten werden, um eine ungehinderte Lichtleitung zu gewährleisten.

Die Sensorspule kann auch in ein an der Empfangsseite für die Echosignale transparentes Gehäuse eingebettet sein, das eng an die Piezoelemente angelegt ist.

Die Lichtleitfaser kann in einer Reihe von Ausführungs beispielen eine Monomodefaser sein, die Lichtquelle eine Laserdiode, und die optische Vorverarbeitungsstufe ein Interferometer, wobei die Lichtleitfaser als Sensorspule in das Interferometer integriert ist.

Das Interferometer kann insbesondere eine Mach-Zehnder- Anordnung darstellen, in der die Sensorspule den einen Arm und eine Referenzspule den anderen Arm darstellt. Das Interferometer ist dann an eine Fotodiode für den Realteil des Modulationssignals und eine Fotodiode für den Imaginär teil des Modulationssignals angeschlossen, und die Fotodioden sind an die Eingänge eines Differentialverstärkers geführt, der eine Rückkopplung zur Referenzspule für die Driftkompen sation aufweist. Das Interferometer wird dadurch in seinem Quadraturpunkt gehalten. Sollte die Referenzspule driftfrei ausgeführt sein, dann auf diese Rückkopplung verzichtet werden. Von der Fotodiode führt eine Signalleitung in mindestens die elektronische Verarbeitungsstufe für die Doppler-Sonografie, es kann aber auch eine zweite Signalleitung in die elektronische Verarbeitungsstufe für die Graubildsonografie führen.

Es ist auch möglich, das Interferometer mit Hilfe einer Michelson-Anordnung zu realisieren. In dieser Anordnung sind an der einen Seite eines optischen Kopplers die Sensorspule und die Referenzspule und an der anderen Seite des optischen Kopplers eine Laserdiode und eine Fotodiode angeschlossen, wobei die Monomodefaser, aus der die Sensorspule und die Refenspule besteht, an ihren anderen Enden jeweils eine Verspiegelungsschicht aufweisen. Die Fotodiode ist mit einem Integrator verbunden, der eine Rückkopplung zur Referenzspule für die Driftkompensation und eine Signalleitung in minde stens die elektronische Verarbeitungsstufe für die Doppler- Sonografie aufweist. Eine mögliche Drift z. B. infolge von Temperaturschwankungen würde das Interferometer aus seinem Quadraturpunkt verschieben, was zu Signalverzerrungen führen könnte. Wie bei der vorher beschriebenen Anordnung kann auf diese Rückkopplung verzichtet werden, wenn eine driftfreie Sensorspule verwendet wird. Wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel kann auch bei dieser Anordnung eine zweite Signalleitung in eine Verarbeitungseinheit für die Graubild-Sonografie geführt werden.

In den beschriebenen Ausführungsbeispielen, in denen Referenzspulen verwendet werden, können die Referenzspulen jeweils einen Piezokern enthalten. Dadurch kann die Länge der Lichtleitfaser für die Referenzspule entscheidend verkürzt werden.

Vorteilhafterweise besitzt die Referenzspule denselben Aufbau wie die Sensorspule, ist aber schallmäßig vollständig abgeschirmt zum Beispiel als Einheit mit der Sensorspule im Kopf angeordnet. Dadurch kann der technologische Prozeß der Spulenherstellung rationeller gestaltet werden, denn es ist nur ein Werkzeugsatz für die Herstellung beider Spulen erforderlich.

In einem dritten Ausführungsbeispiel kann das Interferometer auch eine Fabry-Perot-Anordnung darstellen, bei der ein Y- Koppler auf der einen Seite mit der Sensorspule und auf der anderen Seite mit der Laserdiode und der Fotodiode verbunden ist. Das andere Ende der Sensorspule besitzt eine Verspiege lungsschicht. Die Fotodiode ist an einen elektronischen Verstärker angeschlossen, der eine Signalleitung mindestens in die elektronische Verarbeitungsstufe für die Doppler- Sonografie aufweist. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann eine Graubild-Sonografie durchgeführt werden.

Bei den bisher beschriebenen Anordnungen der Sensorspule in der optischen Verarbeitungsstufe werden die Phasenänderungen des Lichtstrahles in der Lichtleitfaser als Wirkung der Modulation der Echoimpulse (Ultraschall) von der Fotodiode empfangen und in elektrische Signal umgewandelt, die in bekannter Weise weiter verarbeitet und zur Anzeige gebracht werden.

In dieser Fabry-Perot-Anordnung kann die Lichtleitfaser auch eine Multimodefaser und die Lichtquelle eine Leuchtdiode darstellen.

Eine weitere Ausführungsform mit einer Sensorspule aus einer Multimodefaser und einer Leuchtdiode als Lichtquelle ergibt sich, wenn an der einen Seite der Sensorspule die Leuchtdiode und an der anderen Seite der Sensorspule ein Fotodetektor und ein elektronischer Verstärker angeschlossen wird. Der Foto detektor empfängt dann die Amplitudenänderungen der Echo signale und wandelt sie in elektrische Signale um, die über die elektronische(n) Verarbeitungsstufe(n) zur Anzeige gebracht werden.

Der Ultraschallkopf für die Echosignale, die sowohl der Graubild-Sonografie als auch der Doppler-Sonografie dienen sollen, ist also derart verändert, daß eine optische Empfangseinheit vorgesehen ist, die eine Lichtleitfaser darstellt, die in der Nähe der Piezoelemente angeordnet ist. Die Piezoelemente dienen dabei weiter als Ultraschallsender. Wird der neuartige Ultraschallkopf nur für die Doppler- Sonografie verwendet, werden die Piezoelemente weiterhin als Empfänger für die Graubildinformationen eingesetzt. Die von der Sensorspule empfangenen Echosignale, werden in einer optischen Verarbeitungseinheit in Modulationssignale umgesetzt und von einer Fotodiode in elektrische Signale umgewandelt. Diese elektrischen Signale enthalten alle Informationen der Echoimpulse sowohl für die Graubild- Sonografie als auch für die Doppler-Sonografie. Sie können an die in den kommerziell vertriebenen Geräten vorhandenen elektronischen Verarbeitungseinheiten angeschlossen werden. Dadurch können auch bereits vorhandene Geräte für die Diagnostik durch einen neuartigen Ultraschallkopf ersetzt werden.

Wird der neuartige Ultraschallkopf nur für die Doppler- Sonografie in erfinderischer Weise genutzt und für die Graubild-Sonografie in herkömmlicher Weise, liegt die Lichtleitfaser vorzugsweise in gleicher Ebene mit der Empfangsfläche der Piezoelemente und ist vorteilhafterweise um die Piezoelemente gewunden, so daß die Echosignale gleichzeitig von den Piezoelementen und von der aus der Lichtleitfaser gebildeten Sensorspule empfangen werden. Außerdem erhöhen die Piezoelemente bei dieser Ausführungsform die Empfindlichkeit der Sensorspule.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die Echosignale, die sowohl die Informationen über das Graubild als auch die Dopplerinformationen enthalten, mit einer breitbandigen optischen Empfangseinrichtung empfangen werden und nach einer optischen Vorverarbeitung getrennten Verarbeitungseinheiten zugeführt und gleichzeitig verarbeitet werden. Die getrennte Verarbeitung der Echoimpulse beginnt dabei entweder schon beim Empfang der Echosignale, wenn nur die Doppler-Sonografie entsprechend der Erfindung durchgeführt wird, oder aber nach der Umwandlung der Modulationssignale in elektrische Signale. Wird nur die Doppler-Informationen ausgewertet, werden die Graubildinformationen über die Piezoelemente empfangen und durch die im Stand der Technik vorhandenen Schaltungen ausgewertet.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird erreicht, daß die Echosignale entweder nur für die Doppler-Sonografie oder sowohl für die Doppler-Sonografie als auch für die Graubild- Sonografie unverfälscht erhalten bleiben bis die elektrischen Signale ausgewertet sind. Ausgehend vom Empfänger, der optischen Sensorspule, bis zur Umwandlung des optisch vorver arbeiteten Signals wird das Signal nicht verfälscht. Die Bildgüte wird dadurch allein durch das Quantenrauschen der Lichtquelle begrenzt.

Der technologische Aufwand für die Verarbeitungseinheit wird beachtlich reduziert, da auf die Filterung, den Abgleich der empfangenen Signale und eventueller Kompensationen von Fehlerquellen verzichtet werden kann. Jedes herkömmliche Ultraschallgerät kann mit dem Ultraschallkopf entsprechend der Erfindung nachgerüstet werden.

Die Empfindlichkeit des Empfangskopfes kann den jeweiligen Anforderungen angepaßt werden, indem die Länge der Lichtleitfaser der optischen Sensorspule, die unter Schalleinfluß steht, verändert wird.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand einiger Ausführungs beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen im Detail erläutert werden. Gleiche Bezugszahlen bedeuten in den einzelnen Zeichnungen gleiche Teile.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Ultraschallkopf entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine optische Vorverarbeitungsstufe mit einem Mach- Zehnder-Interferometer;

Fig. 3 eine optische Vorverarbeitungsstufe mit einem Michelson-Interferometer;

Fig. 4 eine optische Vorverarbeitungsstufe mit einem Fabry- Perot-Interferometer;

Fig. 5 eine optische Vorverarbeitungsstufe mit einer Multimodefaser; und

Fig. 6 eine optische Vorverarbeitungsstufe mit einer Multimodefaser in einem Fabry-Perot-Interferometer;

Fig. 7 zeigt eine mögliche Sende- und Empfangscharakteristik eines herkömmlichen Ultraschallkopfes.

Fig. 1 zeigt ein einseitig geschlossenes Gehäuse 6, in dem sich in der offenen Seite eine akustische Linse 5 befindet. Hinter der akustischen Linse 5 im Gehäuse 6 befinden sich die Piezoelemente 1 auf einer Dämpfungsschicht 8. Durch diese Dämpfungsschicht 8 wird verhindert, daß zusätzliche störende Impulse entstehen, d. h. "hinter" den Piezoelementen kann auf diese Weise keine Reverberation stattfinden. Um die Piezoelemente 1 ist eine Lichtleitfaser als optischer Sensor 2 gewunden. Die Steckerleiste 7 dient der Ankopplung des Ultraschallkopfes an die Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung und Anzeige der empfangenen Echosignale.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der optischen Verarbeitungsstufe mit einem Mach-Zehnder-Interferometer. Die Lichtleitfaser ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Monomodefaser 3 und die Lichtquelle eine Laserdiode 9. Der Laserstrahl wird über einen optischen Koppler 11 in die Sensorspule 2 und die Referenzspule 10 geleitet, und ein weiterer optischer Koppler 11 ermittelt die jeweilige Phasenverschiebung der optischen Signale zwischen der Sensorspule und der Referenzspule und bildet den Imaginärteil und den Realteil des optischen Signals, die jeweils auf eine Fotodiode 12 geleitet werden. Die Sensorspule 2 ist so in ein Interferometer integriert. Der Imaginärteil und der Realteil, die durch die Fotodioden 12 in elektrische Signale umgewandelt wurden, werden in einen Differentialverstärker 13 eingegeben und anschließend in einen Verstärker 14, der eine Rückkopplung 15 zur Referenzspule besitzt, mit deren Hilfe ein Abgleich des Interferometers vorgenommen wird. Dadurch kann eine mögliche Drift infolge z. B. von Temperatur schwankungen ausgeglichen werden. Das Interferometer kann auf diese Weise in seinem Quadraturpunkt gehalten werden, das heißt der Arbeitspunkt bleibt dadurch stabil. In der elektronischen Verarbeitungseinheit 16 (nicht gezeigt) erfolgt die weitere Verarbeitung der elektrischen Signale und die Anzeige der ruhenden und bewegten Objekte.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung, in der ein Michelson-Interferometer zur optischen Vorverarbeitung der optischen Signale verwendet wird. Die Vorverarbeitungsstufe besteht aus einer Monomodefaser 3, einer Laserdiode 9, einem optischen Koppler 11, der Sensorspule 2 und der Referenzspule 10. Sowohl die Sensorspule 2 als auch die Referenzspule 10 sind an der dem optischen Koppler entgegengesetzten Seite mit einer Verspie gelungsschicht 17 versehen. Der demodulierte Laserstrahl wird auf eine Fotodiode 12 gelenkt, in elektrische Signale umge wandelt und in einem Verstärker 14 verstärkt. Der Verstärker besitzt zur Korrektur des Interferometers eine Rückkopplung 15. Das verstärkte elektrische Signal wird in die elektro nische Verarbeitungsstufe 16 weiter geleitet.

Fig. 4 zeigt eine optische Vorverarbeitungsstufe mit einem Fabry-Perot-Interferometer. In einen Y-Koppler 18 ist auf der einen Seite die Monomodefaser 3, die die Sensorspule 2 bildet und die an dem dem Koppler 18 entgegengesetzten Ende eine Verspiegelungsschicht 17 besitzt, angeschlossen und auf der anderen Seite die Laserdiode 9 und die Fotodiode 12. Die in der Fotodiode 12 in elektrische Signale umgewandelten optischen Signale werden im Verstärker 19 verstärkt und in der elektronischen Verarbeitungsstufe 16 ausgewertet und zur Anzeige gebracht.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Multimodefaser 4 als Lichtleitfaser. Die Lichtquelle ist in diesem Beispiel eine Leuchtdiode 20, die mit der Lichtleitfaser gekoppelt ist. Die Lichtleitfaser ist in der bereits beschriebene Weise als Sensorspule 2 ausgebildet, in der der Lichtstrahl von den Echoimpulsen moduliert wird. Am anderen Ende der Multimode faser 4 befindet sich eine Fotodiode 12, die die optischen Signale in elektrische Signale umwandelt. Die elektrischen Signale werden im Verstärker 19 verstärkt und der (den) elektronischen Verarbeitungsstufe (n) 16 zugeführt.

In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, in dem eine Fabry-Perot-Interferometer verwendet wird. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Fig. 4 wird in diesem Beispiel eine Multimodefaser 4 verwendet. Die Lichtquelle stellt deshalb eine Leuchtdiode 20 dar. Analog Fig. 4 wird der modulierte Lichtstrahl in einen Y-Koppler eingekoppelt, von der Fotodiode 12 in elektrische Signale umgewandelt, im Verstärker 19 verstärkt und in die elektronische(n) Verarbeitungsstufe (n) 16 eingegeben.

Fig. 7 zeigt die Sende- und Empfangscharakteristik eines herkömmlichen Piezoelementes. S stellt die Sendecharak teristik und E stellt die Empfangscharakteristik dar. Da beim Senden und Empfangen unterschiedliche Effekte wirksam werden, ergeben sich die maximalen Empfindlichkeiten bei unter schiedlichen Frequenzen.

In den Ausführungsbeispielen wurden einige Ausführungsformen nur beispielhaft erläutert. Sie sollen dazu dienen, die Erfindung ausführlicher zu beschreiben und sollen sie nicht einschränken. Es sind für den Fachmann durchaus weitere Anordnungen naheliegend, die die Merkmale der Erfindung realisieren. So ist es durchaus möglich, eine entsprechende Anordnung für einen mechanischen Schallkopf oder für einen Phased-Array-Schallkopf zu konstruieren. Es ist auch möglich, einen Ultraschallkopf für Anwendungen auf anderen Gebieten als der medizinischen Diagnostik entsprechend der vorlie genden Erfindung zu entwerfen. Die Vorverarbeitungseinheit kann auch im Gerät untergebracht sein, um den Ultraschallkopf leichter auszuführen.

Bezugszeichenliste

1

Piezoelemente

2

optischer Sensor

3

Monomodefaser

4

Multimodefaser

5

Akustische Linse

6

Gehäuse

7

Steckerleiste

8

Dämpfungsschicht

9

Laserdiode

10

Referenzspule

11

Koppler

12

Fotodetektor

13

Differentialverstärker

14

Integrator

15

Rückkopplung

16

zur Anzeige

17

Verspiegelungsschicht

18

Y-Koppler

19

Verstärker

20

Leuchtdiode

Claims

1. Ultraschallkopf für die Graubild-Sonografie und Doppler- Sonografie mit Piezoelementen als Sender, dadurch gekenn zeichnet, daß eine breitbandige Empfangseinheit für die Echosignale und eine breitbandige Vorverarbeitungsstufe für die Empfangssignale vorgesehen ist, der mindestens eine elektronische Verarbeitungseinheit für die Signale für die Doppler-Sonografie nachgeordnet ist.

2. Ultraschallkopf, für die Sonografie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die breitbandige Empfangs einheit einen optischen Empfänger, und die Vorverarbei tungseinheit eine optische Vorverarbeitungseinheit darstellt, und die elektronischen Verarbeitungseinheiten über eine Fotodiode mit der optischen Vorverarbeitungs einheit gekoppelt sind.

3. Ultraschallkopf für die Sonografie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Empfänger aus einer Lichtleitfaser besteht, die so angeordnet ist, daß die von den Piezoelementen ausgesendeten Ultraschallimpulse von der Lichtleitfaser unbeeinflußt sind, wobei die Licht leitfaser eingangsseitig mit einer Lichtquelle gekoppelt ist, so daß durch die Echoimpulse in der Lichtleitfaser Modulationssignale erzeugt werden, und ausgangsseitig mit der optischen Vorverarbeitungsstufe, die zur Umwandlung der Modulationssignale in elektrische Signale an eine Fotodiode geführt sind, die mit mindestens der elektronischen Verarbeitungsstufe für die Doppler-Sonografie verbunden ist.

4. Ultraschallkopf für die Sonografie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser als Sensor spule auf eine Unterlage gewunden ist, die eng an die Piezoelemente angelegt ist.

5. Ultraschallkopf für die Sonografie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorspule in ein an der Empfangsseite für die Echosignale transparentes Gehäuse eingebettet ist, das eng an die Piezoelemente angelegt ist.

6. Ultraschallkopf für die Sonografie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser eine Monomodefaser, die Lichtquelle eine Laserdiode, und die optische Vorverarbeitungsstufe ein Interferometer darstellt, wobei die Lichtleitfaser als Sensorspule in das Interferometer integriert ist.

7. Ultraschallkopf für die Sonografie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer eine Mach- Zehnder-Anordnung darstellt, in der die Sensorspule den einen Arm und eine Referenzspule den anderen Arm darstellt, das Interferometer an eine Fotodiode für den Realteil des Modulationssignals und eine Fotodiode für den Imaginärteil des Modulationssignals angeschlossen ist, und die Fotodioden an die Eingänge eines Differentialverstärkers geführt sind, der eine Rückkopplung zur Referenzspule für die Driftkompensation und eine Signalleitung in mindestens die elektronische Verarbeitungsstufe für die Doppler- Sonografie aufweist.

8. Ultraschallkopf für die Sonografie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer eine Michelson-Anordnung darstellt, bei der an der einen Seite eines optischen Kopplers die Sensorspule und die Referenz spule und an der anderen Seite des optischen Kopplers eine Laserdiode und eine Fotodiode angeschlossen sind, daß die Monomodefaser der Sensorspule und der Referenzspule an ihren anderen Enden jeweils eine Verspiegelungsschicht aufweisen, und daß die Fotodiode mit einem Integrator verbunden ist, der eine Rückkopplung zur Referenzspule für die Driftkompensation und eine Signalleitung in mindestens die elektronische Verarbeitungsstufe für die Doppler- Sonografie aufweist.

9. Ultraschallkopf für die Sonografie nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspule einen Piezokern enthält.

10. Ultraschallkopf für die Sonografie nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspule denselben Aufbau wie die Sensorspule besitzt.

11. Ultraschallkopf für die Sonografie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer eine Fabry- Perot-Anordnung darstellt, bei der ein Y-Koppler auf der einen Seite mit der Sensorspule und auf der anderen Seite mit der Laserdiode und der Fotodiode verbunden ist, das andere Ende der Sensorspule eine Verspiegelungsschicht besitzt, und die Fotodiode an einen elektronischen Verstärker angeschlossen ist, der eine Signalleitung mindestens in die elektronische Verarbeitungsstufe für die Doppler-Sonografie aufweist.

12. Ultraschallkopf für die Sonografie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser eine Multimodefaser und die Lichtquelle eine Leuchtdiode darstellt.

13. Ultraschallkopf für die Sonografie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Sensorspule geformte Lichtleitfaser eine Multimodefaser und die Lichtquelle eine Leuchtdiode darstellt, und an der einen Seite der Sensorspule die Leuchtdiode angeschlossen ist und an der anderen Seite der Sensorspule die Fotodiode des elektronischen Verstärkers, der eine Signalleitung mindestens in die elektronische Verarbeitungsstufe für die Doppler-Sonografie aufweist.

14. Ultraschallkopf für die Sonografie nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Refe renzspule schallmäßig vollständig abgeschirmt in der Nähe der Sensorspule angeordnet ist.