DE2345697C2 - Linearer Ultraschallwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Gerät zur Ultraschall-Überprüfung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein Gerät dieser Art ist aus der US-PS 30 13 170 bekannt und weist eine mit einer Kathodenstrahlröhre vergleichbare, unter Vakuum stehende Röhre auf, deren Frontfläche mit einer Anzahl piezoelektrischer Elemente versehen ist, die aus auf die Röhre fallender Ultraschallenergie ein Bild des untersuchten Körpers erzeugen sollen. Hierzu dient eine im einzelnen unbestimmte Anordnung von Ultraschall-Wandlern, die über ein System akustischer Linsen auf die piezoelektrischen Elemente der Röhre einwirken. Die Druckschrift offenbart weder über die Gestaltung der Wandleranordnung, noch über die Linsen hinreichende Einzelheiten. Es ist anzunehmen, daß zur Fokussierung allein das Linsensystem dient, das ein sphärisches zu sein scheint. Außerdem wird offensichtlich in der Wandleranordnung immer nur ein Wandler nach dem anderen aktiviert.

Die Ultraschall-Echoskopie liefert Informationen über einen zu untersuchenden Gegenstand, die in Form eines Ultraschall-Echogramms dargestellt werden können. Eifi solches Echogramm besteht aus der Aufzeichnung akustischer Widerstandsunstetigkeiten oder reflektierender Flächen im Gegenstand. Es wird dadurch erhalten, daß ein kurzer Impuls von Ultraschallenergie im Frequenzbereich von I bis 30MHz in den zu untersuchenden Gegenstand gerichtet wird, wo irgendwelche akustische Widerstandsunstetigkeiten im Gegenstand einen Teil der Energie in Form eines Echos reflektieren. Dieses Echo wird empfangen, in ein elektrisches Signal umgewandelt und als ein Echogramm in einem Kathodenstrahloszillographen, auf einem Film, einer Karte od. dgl. aufgezeichnet.

Das Echogramm kann entweder eine eindimensionale oder eine zweidimensionale Darstellung bilden, und in beiden Fällen ist die Information in der Lage und Größe des dargestellten Echos enthalten. Bei einer eindimensionalen Darstellung wird die Lage entlang einer Grundlinie dazu verwendet, um die Entfernung von der reflektierenden Fläche anzuzeigen, während die Größe des Echos beispielsweise als eine Ablenkung von der Grundlinie oder als eiiie Intensitätsänderung dargestellt wird. Bei einer zweidimensionalen Darstellung wird die Lage entlang einer Grundlinie dazu verwendet, um die Entfernung von der reflektierenden Fläche wie bei einer eindimensionalen Darstellung anzuzeigen, und die Richtung der Grundlinie wird dazu verwendet, um die Richtung der Ausbreitung der akustischen Energie darzustellen. Die zweidimensionale Darstellung wird durch Änderung dieser Ausbreitungsrichtung der akustischen Energie und durch tiie Einführung einer ähnlichen, aber nicht notwendigerweise identischen Bewegung der Grundlinie der Darstellung erhalten. Die Größe des Echos wird wie für eine eindimensionale Darstellung aufgezeichnet, z. B. als eine Ablenkung der Grundlinie oder als eine Intensitätsänderung.

Die Technik der Ultraschall-Echoskopie wird in der medizinischen Diagnostik verwendet, um Informationen über die Anatomie von Patienten zu erhalten. Die Anwendung dieser Technik ist jetzt in weitem Umfang erforscht und z. B. von D. E. Robinson beschrieben in »Proceeding of the Institution of Radio and Electronics Engineers Australia«, Vol. 31, No. 11, Seiten 385 bis 392, November 1970; »The Application of Ultrasound in Medical Diagnosis«. Wie in diesem Aufsatz ausgeführt wird, kann die Ultraschall-Echoskopie dazu verwendet werden, Darstellungen herzustellen, die anatomischen Querschnitten ähneln, die sich klinisch als nützlich erwiesen haben, wenn die gewünschten Informationen körperliche Abmessungen, Organformen, Strukturen od. dgl. betreffen. Die Ultraschall-Echographie hat sich als besonders wertvoll erwiesen ^!5 ein diagnostisches Hilfsmittel beim Unterleib und bei der Gebärmutter während der Schwangerschaft, beim Auge, bei der Brust, beim Gehirn, bei der Lunge, bei der Niere, bei der Leber und beim Herzen, also in Bereichen mit weichem Gewebe mit wenig Knochen und Luft. Im allgemeinen wird diese Technik als Ergänzung anderer Techniken angesehen, um ein vollständigeres Bild vom Zustand der Patienten zu gewinnen, jedoch besonders bei Schwangerschaften kann die Ultraschall-Echoskopie an

so Stelle von Röntgenstrahlen nützlich sein, die entweder keine genügende Information ergeben oder gefährlich sein können. Bei der medizinischen Anwendung wird ein Impuls von Ultraschall-Energie in einen Patienten in einer bekannten Richtung übertragen, und Echos werden von reflektierenden Flächen innerhalb des Körpers erhallen. Die zeitliche Verzögerung zwischen einem übertragenen Impuls und dem erhaltenen Echo hängt von der Entfernung des Übertragers von der reflektierenden Fläche ab, und die so erhaltene Entfernungsinformation kann in einer geeigneten Weise zur Auswertung und klinischen Verwendung als eine eindimensionale Entfernungsanzeige oder als ein zweidimensionaler Querschnitt dargestellt werden, wie vorher beschrieben worden ist.

Wenn ein Ultraschallimpuls in ein Medium übertragen wird, werden Echos mit verschiedenen Zeitverzögerungen erhalten, und diese Zeitverzögerungen sind proportional zu den Abständen des Wandlers, der die

Impulse erzeugt, von den Flächen, vorausgesetzt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit konstant ist In weichen Geweben des menschlichen Körpers ist die Schallgeschwindigkeit etwa konstant, und pulsierender Ultraschall bietet eine geeignete Methode zur Messung der Entfernung einer besonderen Struktur von der Wandleroberfläche ohne Unannehmlichkeiten für den Patienten. Diese Information kann in vielerlei Weise verwendet werden.

Bei der einfachsten Darstellungsform, der »A-Metho- ι ο de«, werden die Echos als Ablenkungen einer Kurve eines Oszillographen dargestellt, auf dem die Entfernung entlang der Zeitachse dargestellt ist. Diese Methode ist klinisch nützlich, wenn die Quelle der verschiedenen dargestellten Echos positiv festgestellt werden kann. Es ist möglich, den Abstand zweier Echos oder zwischen dem erregenden Impuls und einem Echo genau zu messen, aber es kann nicht möglich sein, die Quelle der Echos festzustellen. Es konnte die Größe des Kinderkopfes innerhalb der Gebärmutter, die Tiefe des Auges und der Blase gemessen und die Mittellinie im Gehirn festgestellt werden. Ähnliche Informationen können durch die »B-Methode« dargestellt werden, bei der die Echos als ein Aufleuchten oder eine Intensitätsmodulation der Zeitgrundlinie dargestellt werden.

Wenn sich die interessierende reflektierende Fläche bewegt, kann ihre Lage mit der Zeit (»M-Methode«) durch Verwendung der B-Methode dargestellt werden, wobei die Zeitgrundlinie um einen rechten Winkel in ihre Richtung geschwenkt werden kann, so daß die Bewegungen des Echos rückwärts und vorwärts entlang der Zeitgrundlinie dargestellt werden. Dies wird dazu verwendet, um die pulsierenden Bewegungen der verschiedenen Teile des Herzens und des Gehirns zu zeigen. Wenn die B-Methode verwendet wird, aber die Kurve auf dem Schirm so verläuft, daß sie die Sichtlinie des Wandlers darstellt, und dann der Wandler um den Patienten herumgeführt wird und die Zeitgrundlinie au! dem Schirm dieser Bewegung folgt, wird eine zweidimensionale Anzeige der Widerstandsunstetigkeiten erhaltet). Eine zweidimensionale Darstellung wurde bei der Gebärmutter während der Schwangerschaft, beim Unterleib, beim Auge und bei der Brust verwendet. Eine Verbindung des Wandlers mit dem Patienten kann durch Hautkontakt oder durch Verwendung eines Wasserverzögerungsbades erreicht werden. Wenn ein Wasserverzögerungsbad verwendet wird, muß die Entfernung des Wandlers von der Hautoberfläche größer als die größte verwendete Eindringtiefe sein, um Zweideutigkeiten auf Grund von Vielfachreflexion zu vermeiden. Im allgemeinen ergibt der Hautkontakt eine größere Bequemlichkeit für den Patienten und Echogramme von geringerer Klarheit, während das Wasserverzögerungsbad für den Patienten unbequemer ist und qualitativ bessere Echogramme liefert.

Es ist bekannt, die bei der Ultraschall-Echoskopie benutzte Fokussierung von Wandlern dazu zu verwenden, um die Breite der Ultraschallstrahlen, die vom Wandler erzeugt werden, zu reduzieren und so die seitliche Auflösung zu verbessern. Bekannte Methoden der Reduzierung der Breite eines Ultraschallstrahles durch Fokussierung oder Formung des Strahles schließt i) eine Fokussierung mit einer Linse oder einem Spiegel in einer bei der Fokussierung in der Optik ähnlichen Weise, b>

ii) die Verwendung eines gekrümmten Wandlers und
iii) die Verwendung eines Vielfachelementwandlers (bekannt als Phasenwandler) ein,

in dem die Elemente des Wandlers zu fortschreitend verschiedenen Zeiten erregt werden, um die gewünschte Form des Strahles zu erzeugen.

Aufgabe der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung ist es, das bekannte Gerät in Richtung eines noch eindeutigeren Bildes des zu untersuchenden Körpers weiterzuentwickeln. Die vorteilhafte Lösung besteht darin, daß die Gesamt-Fokussierung in einer Ebene durch gleichzeitiges Aktivieren einander zugeordneter Ultraschall-Wandler und in einer der zur erstgenannten senkrechten Ebene durch ein akustisches Fokussierungsmittel, z. B. eine akustische Linse, erzielt ist. So wird durch die Verwendung einer zylindrischen Fokussierung in einer Ebene die Breite des Ultraschallstrahles reduziert, der von einem Phasen-Wandler emittiert wurde, wobei die Abmessungen des Strahles senkrecht zu der erstgenannten fokussierten Ebene durch elektronische Mittel ebenfalls fokussiert gesteuert sind.

Gemäß der Erfindung ist ein Gerät zur Ultraschallüberprüfung eines Gegenstandes v.rgesehen, das einen Phasenwandler der Impulse von Ultraschallenergie entlang eines Strahles in den Gegenstand richten und den Strahl in der Längsebene des Wandlers fokussieren und abtasten kann, und Fokussierungsmiuel zur Fokussierung der Abmessungen dieses Strahles senkrecht zu der Längsebene des Wandlers aufweist

Die Mittel zur Fokussierung des Wandlerstrahles in der Ebene senkrecht zu der Längsebene des Wandlers können eine zylindrische Linse oder einen Spiegel aufweisen. Alternativ kann ein Wandler mit gekrümmter Oberfläche verwendet werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.

Die Richtung und Form eines Ultraschallstrahles, der von einem Phasenwandler 1 ausgestrahlt wird, der aus einer Anzahl ven schmalen rechteckigen Elementen Ei, £2, E_n - 1, E_n besteht, kann durch Erregung der Elemente zu fortschreitend verschiedenen Zeiten hergestellt werden. Z. B. kann der Strahl um einen Winkel θ zuerst durch Erregung des äußeren Elementes Ei und dann d-irch fortschreitende Erregung der folgenden Elemente abgelenkt werden, bis das andere äußere Element E_n erreicht ist, wobei das Zeitintervall z-wischen den Erregerimpulsen durch den Winkel θ und den Abstand zwischen den Elementen bestimmt wird. Die Fokussierung wird erreicht durch Erregung des Zentralelementes und fortschreitende Erregung der Elemente auf einer Seite, bis die äußeren Elemente erreicht sind. Eine Kombination von zwei erlaubt eine gleichzeitige Ablenkung und Fokussierung des Strahles. Eine Abtastung des Strahles kann auch durch Erregung eines Abschnittes des Phasenwandlers erhalten werden, die Abnsiung kann durch Erregung verschiedener Abschnitte des Wandlers erreicht werden. Diese elektronische Formung und Abtastung des Strahles wird jedoch nur in der Längsachsenebene des Phasenwandlers erreicht, d. h. in der x-y Ebene, während das Formen des Strahles in der Breitenebene, d. h. in der z*y Ebene, durch die Abmessungen der Breite des Phasenwandlers bestimmt wird.

Die Erfindung besieht in der Verwendung zylindrischer, einfach oder mehrfach gekrümmter Fokussierungsmittel, z. B. einer Linse 2, eines Spiegels oder eines mit kurvenförmiger Oberfläche versehenen Wandlers, um die Breite des Ultraschallstrahles in der z-y Ebene zu verengen. Diese Reduktion in der Breite wird unabhängig von den Strahlenformwirkungen durch

elektronische Mittel in der x-y Ebene erhalten.

Aus der vorhergehenden Beschreibung geht hervor, daß die Erfindung eine Fokussierung vorsieht, um die Breite eines elektronisch fokussierten Strahles in den Abmessungen senkrecht zur fokussierten Ebene zu reduzieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Gerät zur Ultraschall-Oberprüfung eines Objektes, insbesondere des menschlichen Körpers, mit einem linearen Phasenfeld-Wandler (1), der aus mehreren Elementen (Eu Ei, E^... E_n) gebildet ist, wobei durch jedes Element strahlenförmige Ultraschallimpulse in das Objekt gerichtet werden, wozu auch Mittel zur fokussierten Bildabtastung durch den Impuls-Strahl in der Längsebene des Ultraschall-Wandlers vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät zusätzlich mit die Dimensionen des Strahles auch in der zur Längsebene des Wandlers senkrechten Ebene fokussierenden Einrichtungen ausgerüstet ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wandler-Element (Eu £2, £3... E_n) als schmaler rechtwinkliger Körper gestaltet und daß durch die den Strahl richtende und rasternde Einrichtung jedes der Elemente unmittelbar aufeinanderfolgend mit Energie versorgbar ist.

3. Gerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 bzw. 2, dadurch gekennzeichnet daß die fokussierende Einrichtung als zylindrische Linse (2) gestaltet ist

4. Gerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 bzw. 2, dadurch gekennzeichnet, daß die fokussierende Einrichtung als fokussier^nder Spiegel gestaltet ist

5. Gerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 bzw. 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Element (Eu Ei, Ei ... E_n) mit kurvenförmiger Oberfläche gestaltet is<