DE2202989A1 - Fokussierter ultraschallwandler - Google Patents

Description

Siemens Aktiengesellschaft Erlangen, 19. Januar 1972

Henkestraße 127

VPA 72/5007 Tp/Zam

Fokussierter Ultraschallwandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen fokussierten Ultraschallwandler mit einem Signalauswerter für von bestimmten Stellen eines Körpers ausgehende Ultraschallsignale und Mitteln zur Veränderung des Fokusabstandes.

Ultraschallwandler dieser Art werden z.B. in der Medizin zur Darstellung von Grenzflächen Verwendet, Sie dienen dabei zum Empfang eines von einer Grenzfläche reflektierten Signals(Echos) und erfassen die Laufzeit des jeweils empfangenen Signals. Aus dieser Laufzeit können Rückschlüsse auf die Lage von Grenzflächen und damit die Lage von Organen oder Körperteilen gezogen werden.

Für diesen Zweck ist eine Anordnung bekannt, bei der der Ultraschallwandler schwach gekrümmt ist und einen schwach ausgepräg- < ten Fokus besitzt· Die verhältnismäßig schwache Ausprägung des Fokusses ist erforderlich, damit innerhalb des gewünschten Ab-

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tasttiefenbereichs das Auflösungsvermögen an den Bereichsgren- : zen nicht zu sehr abnimmt. Eine Steigerung der Auflösung in der Nähe des Fokusses ist möglich, wenn der Fokus stärker ausgeprägt wird. In diesem Fall wird der Abtastbereich jedoch schmaler, d.h. Signale, die von Bereichen reflektiert werden, deren Abj stand vom Fokus ein bestimmtes Maß überschreitet, werden weniger gut erfaßt und verwaschener dargestellt. Die Ausprägung des Fokusses ist daher beim Stand der Technik so gewählt, daß die

Auflösung an jeder Stelle des gewünschten Abtastbereichs noch innerhalb vorbestimmter, für einen einwandfreien Empfang erforderlicher Grenzen liegt.

Ein fokussierter Ultraschallwandler kann auch zur Ermittlung von Strömungsgeschwindigkeiten, z.B. der Blutflußgeschwindigkeit in einem Blutgefäß, benutzt werden, wenn die wegen des Dopplereffekts auftretende Frequenzverwerfung zwischen der gesendeten und der empfangenen Frequenz der Ultraschallimpulse j als Maß für die Geschwindigkeit des strömenden Mediums benutzt j wird. Auch in diesem Fall ist es erwünscht, daß der Fokus des j Ultraschallempfängers in_ dem abzutastenden Bereich des die Ultraschallwellen reflektierenden Körpers liegt. Damit verschiedene Körperbereiche auf diese Weise abgetastet werden t können, ist es erwünscht, daß der Fokusabstand, d.h. der Ab- : stand des Fokusses vom Ultraschallwandler,, verändert werden ' kann.

Zur Veränderung des FokusabStandes eines Ultraschallwandlers ist prinzipiell die Anwendung einer bekannten akustischen Linse möglich, deren Brennweite z.B. durch Veränderung des Drucks einer die Linse ausfüllenden Flüssigkeit verändert werden kann. Nachteilig ist dabei jedoch, daß die Veränderung der Brennweite nicht mit einer für alle Anwendungsfälle erforderlichen Schnelligkeit möglich ist, und daß an solchen Linsen Mehrfachreflexionen auftreten können, die das Untersuchungsergebnis verfälschen·

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Aufgabe der Erfindung ist es, einen fokussierten Ultraschallwandler der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der Abstand des Fokusses in einfacher Weise schnell geändert werden kann und bei dem die Mittel zur Veränderung des Fokusses die empfangenen Signale nicht beeinflussen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine dem gewünschten Auflösungsvermögen entsprechende Anzahl von räumlich nebeneinanderliegenden Wandlerelementen für die Ultraschallsignale, die über steuerbare Laufzeitglieder am Signalauswerter angeschlossen sind und eine Steuereinrichtung für die Laufzeitglieder, durch die die Ausgangssignale der Wandlerelemente im Sinne des jeweils gewünschten Fokusabstandes verzögerbar sind. Beim Erfindungsgegenstand ist im Gegensatz zum Stand der Technik nicht nur ein einziges Wandlerelement für die Ultraschallsignale, sondern eine Vielzahl von solchen*Wandlerelementen vorhanden. Durch geeignete Verzögerung der Ausgangssignale dieser Wandlerelemente kann der jeweilige Fokusabstand eingestellt werden. Durch kontinuierliche oder stufenweise Veränderung dieser Verzögerung kann dabei auch eine Bewegung des Fokusses während ;des Empfangs erreicht werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es I zeigen:

j Fig. 1 eine Ultraschallsende- und Empfangsanlage mit einem i Ultraschallwandler gemäß der Erfindung und

! Fig. 2 bis 4 die Ausbildung der Ultraschallwandlerelemente bei der Anlage gemäß Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

Die in der Fig. 1 dargestellte Anlage umfaßt Ultraschallwandlerelemente 1 bis 5$ von denen die Elemente 1 bis 4 auf einer Ku-

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gelkalotte als konzentrische Ringe angeordnet sind, und von denen das Element 5 im Zentrum dieser Kugelkalotte liegt. Die Elemente 1 bis 5 dienen zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallimpulsen. Zur Erzeugung der Ultraschallimpulse dient ein Sender 6, welcher über Sendeimpulsübertrager 7 bis 11 an die Elemente 1 bis 5 angekoppelt ist und von einem zentralen Taktgeber 12 gesteuert wird. Die Elemente 1 bis 5 sind an Laufzeitgliedern 15 bis 17 angeschlossen, deren Ausgänge mit dem Eingang eines Signalauswerters 18 verbunden sind. Der Signalauswerter 18 wird vom Taktgeber 12 über eine Dämpfungsausgleichseinrichtung 19 gesteuert.

Die in der Fig. 1 dargestellte Anlage arbeitet nach dem Impulsreflexionsverfahren. Der Taktgeber 12 bewirkt, daß alle Elemente 1 bis 5 zunächst gleichzeitig einen Ultraschallsendeimpuls, welcher durch den Sender 6 erzeugt wird, aussenden. Dieser Ultraschal Isendeimpuls durchläuft den zu untersuchenden Körper und wird an jeder Grenzschicht teilweise reflektiert.

Nach dem Ende des UltraschalIsendeimpulses bewirkt der Taktgeber 12 die Abschaltung des Sonders 6 und die Umschaltung auf Empfang, Die besten Empfangsergebnisse werden erzielt, wenn dann, wenn ein von einer Grenzschicht reflektierter Ultraschall— impuls an den Elementen 1 bis Lj eintrifft, der Fokus der die Elemente 1 bis 5 umfassenden Ul traschall antenne 20 in diejenige Grenzschicht fällt, die diesen Impuls reflektiert hat. Wenn also ein Körper mit mehreren hintereinander]iegenden Grenzschichten untersucht werden soll, wird die größte Empfangsempfindlichkeit und maximale Auflösung erzielt, wenn der Fokus dem Eintreffen der reflektierten Ultraschal!impulse entsprechend wandert, d.h. der Fokusabstand entsprechend verändert wird.

Eine Veränderung den Fokusabstandes iat bei dem dargestellten rungöboiO])Jöl dadurch möglichι dnß die Lnufzeilgliuder 13

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bis 17 von der Steuereinrichtung 21 der gewünschten Abstandsänderung des Fokusses entsprechend beeinflußt werden. Die Steuereinrichtung 21 wird vom Taktgeber 12 über eine Verzögerungseinrichtung 22 nach dem Ende eines Ultraschallsendeimpulses eingeschaltet und verändert die Laufzeiten der Laufzeitglieder 13 bis 17 während des Empfangs so, daß der Fokus von einer Anfangsposition 23, die der ersten Grenzfläche des untersuchten Gegenstandes bzw. der Hautoberfläche des Patienten entspricht, bis zu einer Endposition 24 läuft, die durch die geometrische Ausbildung der Ultraschallantenne 20 bestimmt ist. Die Endposition 24 erreicht der Fokus dann, wenn der letzte der reflektierten Ultraschallimpulse die Antenne 20 erreicht. Da jeder empfangene Ultraschallimpuls den Weg zwischen der Antenne 20 und der entsprechenden Grenzschicht zweimal durchläuft, muß der Fokus von seiner Position 23 bis zu seiner Position 24 mit der halben Schallgeschwindigkeit bewegt werden, damit er immer dann an einer Grenzschicht ankommt, wenn der von dieser Grenzschicht reflektierte Ultraschallimpuls die Antenne erreicht. In diesem Fall wird die größte Empfindlichkeit und Auflösung erzielt. Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Fokusses von der halben Sehallgeschwindigkeit in dem zu untersuchenden Körper abweicht, wird nur ein Teil der reflektierten Ultraschallimpulse mit der maximalen Empfindlichkeit empfangen. Die Folge davon ist, daß dann, wenn der Signalauswerter 18 z.B. ein Sichtgerät ist, ein Teil der Grenzschichten scharf und ein anderer Teil unscharf abgebildet wird.

Die Anlage gemäß Fig. 1 bietet gegenüber einer bekannten Anlage zur Untersuchung eines Körpers mittels Ultraschall, bei der die an den Grenzflächen reflektierten Ultraschallimpulse empfangen und daraus ein Bild des durchstrahlten Körpers auf einem Sichtgerät gewonnen wird und bei der die Ultraschallantenne einen nur schwach ausgeprägten ortsfesten Fokus besitzt, des-

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sen Ausbildung dem zu untersuchenden Körperbereich entspricht, folgende Vorteile:

Die Auflösung ist in beiden zur Strahlrichtung senkrechten Richtungen wesentlich verbessert, weil eine wesentlich schärfere Bündelung in den abgetasteten Bereichen wegen des scharfen, bewegten Fokusses erfolgt. Wegen dieser scharfen, mitlaufenden Bündelung werden Störsignale und Mehrfachreflexionen weibgehend unterdrückt. Die Eindringtiefe wird gegenüber dem Stand der !Technik erhöht, insbesondere dann, wenn der geometrisch be-' dingte Fokus mit der größten abzubildenden Tiefe übereinstimmt. ; Die reflektierten Ultraschallimpulse werden innerhalb eines größeren Raumwinkels erfaßt. Schräglagen der abgetasteten Reflexionsflächen in bezug auf den Zentralstrahl der Ultraschallantenne spielen praktisch keine Rolle,

ί Die in der Fig. 1 dargestellte Anlage erlaubt es, ein Bild des durchstrahlten Körpers im On-line-Betrieb darzustellen, da keine nachträgliche Signalverarbeitung durchgeführt werden muß. Die Anlage ist daher unempfindlich gegenüber körperinternen Bewe-

; gungsvorgängen.

Beim Stand der Technik werden Echos nur nach Richtung und Laufj zeit ausgewertet. Es werden also Störechos, die durch Mehrfachi reflexionen innerhalb der Empfangscharakteristik der Ultra-■ schallantenne entstehen, ebenfalls angezeigt. Bei der Anlage j gemäß Fig. 1 erfolgt eine solche Anzeige nicht, weil der Fokus \ der Antenne dem Eintreffen der Nutzechos an der Antenne ent- ^! sprechend wandert. Wegen des verhältnismäßig großen Raumwinkels, ! innerhalb dessen eine Aussendung und Auswertung der reflektier- ! ten Ultraschallimpulse (Echos) erfolgt, ist es möglich, auch ; Grenzflächen zu erfassen, die hinter verhältnismäßig stark i schalldämpfenden Objekten, z.B. Rippen, liegen.

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Die Antenne 20 gemäß Fig. 1 ist so ausgebildet, daß die Position 2k des Fokusses, die dem geometrischen Fokus entspricht, gleich der maximalen Eindringtiefe ist. Dadurch wird unter anderem erreicht, daß die Zunahme des Empfangsfokusses mit der Tiefe durch die Abnahme des Durchmessers des Sendeimpulses kompensiert wird. Die Auflösung ist daher im gesamten Abbildungsbereich annähernd konstant. Durch Veränderung der Laufzeiten der Laufzeitglieder 13 bis 17 wird dann die Bewegung des Fokusses bis zu seiner Endposition ?.k mit halber .'Schallgeschwindigkeit erreicht. Da die Energjedichte des .Sendeimpulses infolge der star*· ken Fokussierung mit zunehmender Tiefe ebenfalls zunimmt, wird dadurch bereits ein Teil der Dämpfung der Ultraschallschwingungen in dem durchstrahlten Körper ausgeglichen. Der Restausgleich erfolgt in bekannter Weise durch nichtlineare Anhebung der Verstärkung im Impulsauswertor 18 in Abhängigkeit von der Fokusbewegung durch die Dämpfiingsausgloichseinrichtung 19.

Die Laufzeiten der Laufzeitglieder 13 bis 17 müssen zur Bewegung des Fokusses der Ultraßchallantenne 20 nicht stufenlos veränderbar sein. In der Praxis ist es ausreichend, wenn die Änderung dieser Laufzeiten in genügend ItI einen /Stufen erfolgt. Die Gtufenzahl wird dabei dem gewünschten Auflösungsvermögen entsprechend gewählt,

Wenn dor Fokus der Ultraschall antenne 20, wie beschriebe]], immer dann auf einer Grenzfläche liegt, wenn ein von dieser Grenzfläche reflektierter Ultraschallimpuls die Ultraschallantenne 20 erreicht, ist die Empfindlichkeit der UJtraschallantenne 20 zwar sehr groß, Haehbnrbereiehe der /ierade erfaßten Grenzfläche werden aber nur sehr schlecht ab/M-bildot, Damit auch Hachbarbereiche mit erfaßt werden, ]iann en zweckmäßig sein, die Auflösung elektronen*h zu verändern, indem zwischen dem Fohus der UHraochallani (nine ί?0 und der ,jeweiligen Entfernung derjenigen Grenzflächen, die den bei dor IJ] tranehallnni enno 20 an·

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kommenden Ultraschallsignalen entsprechen, ein einstellbarer Abstand vorgesehen wird. Dies kann z.B. beim orientierenden Aufsuchen bestimmter Grenzflächen vorteilhaft sein.

In den Flg. 2 und 3 ist die Ultraschallantenne 20 gemäß Fig, 1 genauer dargestellt· Die Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Wandlerteils der Ultraschallantenne 20 von der konvexen Seite und die Fig· 3 einen Längsschnitt durch die Ultraschallantenne 20. Auf der konvexen Seite der kalottenförmigen Ultraschallantenne 20 sind die Elemente 1 bis 5 ringförmig angebracht« Diese Elemente bestehen aus piezoelektrischem Material, welches mit einem !

Dämpfungskörper 21 verbunden ist. In der Fig. 2 sind nur die : beiden Elemente 1 und 2 dargestellt· Die übrigen Elemente 3 bis 5 liegen konzentrisch zu den Elementen 1 und 2· Hit 31 bis 35 sind die elektrisch aktiven Elektroden der Ultraschall- ■ antenne 20 bezeichnet. Jeweils zwei benachbarte Elemente sind durch Zwischenräume voneinander getrennt. Die Zwischenräume sind mit elektrisch und akustisch isolierendem Material ausgefüllt« Es kann dazu das Material des Dämpfungskörpers verwendet werden· Die gemeinsame Masseelektrode 23 der Ultraschall-, antenne 20 1st auf der konkaven Seite der Elemente 1 bis 5 angeordnet«

Bei dem AusfUhrungsbeispiel gemäß Fig· 4 ist ein kugelkalottenförmiger Wandlerkörper 24 vorhanden, auf dessen Rückseite die ! aktiven Elektroden 31 bis 35 in Form konzentrischer Ringe aufgebracht sind« Durch den Dämpfungskörper 21 wird die gegenseitige Beeinflussung der konzentrischen Ringe reduziert· Unter Umständen ist es sinnvoll, zur besseren Trennung Rillen in den - verbleibenden Zwischenstegen vorzusehen und diese mit dem Dämpfungsmaterial auszufüllen, wie dies in der Fig· 4 dargestellt ist·

Der Erfindungsgegenstand ist In Verbindung mit den Fig. 1 bis 4 ! anhand dee Impulereflexionsverfahrens zur Untersuchung von Kör-

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ipern mittels Ultraschall beschrieben. Er ist aber allgemein immer dort anwendbar, wo eine Fokussierung des Ultraschallwandlers

.■ erfolgen soll und wo der Fokusabstand, d.h. der Abstand des Fokusses von der Ultraschallantenne, veränderbar sein soll. Der !Erfindungsgegenstand ist z.B. auch zur Bestimmung von Strömungs- ! geschwindigkeiten von strömenden Medien mittels der auftretenden \ Frequenzverwerfung infolge des Dopplereffekts anwendbar, wenn |

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die Ultraschallantenne unterschiedlichen Verhältnissen, d.h. ■unterschiedlichen Abständen der Leitungen für die strömenden ίMedien im Körper von der Ultraschallantenne angepaßt werden ;soll. Die Anwendung kann in der Medizin zur Untersuchung von !Patienten aber auch auf anderen Gebieten,, z.B. zur zerstörungsifreien*Materialprüfung oder bei Unterwasserschalluntersuchungen ' erfolgen.

• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 kann das Laufzeitglied ; auch entfallen, weil eine gestaffelte Verzögerung der von den

ί Elementen 2 bis 5 gelieferten Ausgangssignale gegenüber den Signalen ausreicht, die von dem am Rande der Kugelkalotte liegenden Element 1 erzeugt werden.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   Fokussierter Ultraschallwandler mit einem Signalauswerter für von bestimmten Stellen eines Körpers ausgehende Ultraschallsignale und Mitteln zur Veränderung des Fokusab- ■

   ι · ■

   j Standes, gekennzeichnet durch eine j j dem gewünschten Auflösungsvermögen entsprechende Anzahl von ' j räumlich nebeneinanderliegenden Wandlerelementen (1 bis 5), ! die über steuerbare Laufzeitglieder (13 bis 17) am Signalausj werter (18) angeschlossen sind und eine Steuereinrichtung (21) für die Laufzeitglieder (13 bis 17),durch die die Ausgangssignale der Elemente (1 bis 5) im Sinne des jeweils gewünschten Fokusabstandes verzögerbar sind,
2. 2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (1 bis 5) auf einer Kugelkalotte angeordnet sind, deren Krümmung der maximalen Eindringtiefe des Ultraschallwandlers entspricht.
3. 3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (1 bis 5) auf der Kugelkalotte als konzentrische Ringe angeordnet sind,
4. 4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, mit piezoelektrischen Zellen als Wandlerelemente, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Masseelektrode (23) auf der konkaven Seite und elektrisch aktive Elektroden 01 bis 35) auf der. konvexen Seite der auf einer Kugeikalotte angeordneten Wandlerelemente (1 bis 5) angeordnet sind.
5. 5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den aktiven Elektroden Nuten in einem

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   die Wandlerelemente (1 bis 5) bildenden Wandlerkörper (24) angeordnet sind, die mit elektrisch und akustisch isolierendem Material ausgefüllt sind.

   6, Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ; zur Abtastung eines Körpers nach dem Impulsreflexionsverfah- i ren, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Steuereinrichtung (21) während des Empfangs der einem Sendeimpuls entsprechenden Echos eine solche Änderung der Verzögerung der Ausgangssignale der Wandlerelemente (1 bis. 5) erfolgt, daß sich der Fokusabstand dem der maximalen Eindringtiefe entsprechenden Maximalwert mit etwa halber Schall·⁴ geschwindigkeit nähert.

   7· Ultraschallwandler nach Anspruch 6, dadurch gekenn- ^! zeichnet, daß die Laufzeiten der Laufzeitglieder (13 bis 17)

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   durch die Steuereinrichtung (21) stufenförmig veränderbar sind, wobei die Stufenzahl dem gewünschten Auflösungsvermögen entsprechend gewählt ist·

   8, Ultraschallwandler nach Anspruch 6 oder 7» dadurch ge- j kennzeichnet, daß zwischen dem Fokus und der Jeweiligen Entfernung derjenigen Flächen im Körper, die den beim Wandler ankommenden Ultraschallsignalen zugeordnet sind, ein einstellbarer Abstand vorhanden ist· i

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