DE2345709C2 - Querultraschallwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Ultraschall-Echoskopie von Gegenständen und insbesondere auf eine Erweiterung der bekannten Technik der Ultraschall-Echoskopie, um von zu untersuchenden Gegenständen aufschlußreichere Informationen zu erhalten. Die Erfindung ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf einen wirksameren Erhalt von Daten in der medizinischen Diagnostik bei Anwendung dieser Technik gerichtet.

Die Ultraschall-Echoskopie sieht von einem zu untersuchenden Gegenstand Informationen vor, welche in Form eines Ultraschall-Echogramms dargestellt werden können. Solch ein Echogramm besieht aus der Darstellung von akustischen Widerstandsunstetigkeiten oder reflektierenden Flächen im Gegenstand. Es wird dadurch erhalten, daß man einen kurzen Impuls von Ultraschallenergie im Frequenzbereich von 1 bis 30 MHz in den zu untersuchenden Gegenstand hineinschickt, wo irgendwelche akustische Widerstandsunstetigkeiten im Gegenstand reflektiert werden und ein Teil der Energie in Form eines Echos zurückkehrt. Dieses Echo wird empfangen, in ein elektrisches Signal umgewandelt und als Echogramm auf einem Kathodenstrahloszillographen, einem Film, einer Karte od. dgl. dargestellt.

Das Echogramm kann entweder eine eindimensionale oder eine zweidimensionde Aufzeichnung darstellen, 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 z. B. als eine Ablenkung von der Grundlinie oder als eine Änderung der Intensität dargestellt wird. Bei einer zweidimensionalen Aufzeichnung wird die Lage entlang einer Grundlinie dazu verwendet, um die Entfernung von der reflektierenden Räche wie bei einer eindimensionalen Aufzeichnung anzuzeigen, und die Richtung der Grundlinie wird dazu verwendet, um die Richtung der Ausbreitung der akustischen Energie darzustellen. Die zweidimensionale Aufzeichnung wird durch Änderung dieser Ausbreitungsrichtung der akustischen Energie und durch Einführung einer ähnlichen, aber nicht notwendigerweise identischen Bewegung der Grundlinie der Darstellung erhalten. Die Größe des Echos wird wie für eine eindimensionale Aufzeichnung dargestellt, z. B. als eine Ablenkung der Grundlinie oder als eine Intensitätsänderung.

is Die Technik der Ultraschall-Echoskopie wird in der medizinischen Diagnostik verwendet, um Informationen über die Anatomie der Patienten zu erhalten. Die Anwendung dieser Technik ist jetzt in weitem Umfang erforscht und z. B. beschrieben von D. E. Robinson 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«. Gemäß diesem Aufsatz kann die Ultraschall-Echoskopie dazu verwendet werden, um Darstellungen zu erhalten, welche anatomischen Querschnitten ähneln, die sich als klinisch nützlich erwiesen haben, wenn die gewünschten Informationen körperliche Abmessungen, Formen von Organen oder Strukturen od. dgl. betreffen. Ultraschall-Echographie ist als ein diagnostisches Hilfsmittel von besonderem Wert 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, beim Herzen, also in Bereichen mit weichem Gewebe mit wenig Knochen und Luft. Im allgemeinen wird diese Technik als Ergänzung anderer Methoden angesehen, um ein vollständigeres Bild von dem Zustand der Patienten zu erhalten, jedoch insbesondere bei Schwangerschaften kann die Ultraschall-Echoskopie an Stelle von Röntgenstrahlen nützlich sein, die entweder keine genügende Informationen ergeben oder gefährlich sein können. Bei der medizinischen Anwendung wird ein Impuls von Ultraschalienergie in einer bekannten Richtung auf den Patienten übertragen, und es werden von reflektierenden Flächen innerhalb des Körpers Echos erhalten. 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 Abstandsinformation wird auf einem geeigneten Wege zur Auswertung und zur klinischen Verwendung als eine eindimensionale Entfernung oder als ein zweidimensionaler Querschnitt in der oben beschriebenen Weise dargestellt.

Wenn ein Ulitraschallimpuls in ein Medium hineingeschickt wird, werden Echos mit verschiedenen Zeitverzögerungen erhalten, und diese Zeitverzögerungen sind proportional zu den Entfernungen des Wandlers, der diesen Impuls erzeugt, von den reflektierenden Flächen, vorausgesetzt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit konstant ist. In weichen Teilen des menschlichen Körpers ist die Geschwindigkeit des Schalles etwa konstant, und Ultraschallimpulse bieten ein geeignetes Mittel zur Messung der Entfernung einer besonderen Struktur vom Wandler ohne Unannehmlichkeiten für den Patienten. Diese Information kann in vielfacher Weise verwendet werden.
Bei der einfachsten Form der Aufzeichnung, der

»/!-Methode«, werden die Echos als Ablenkungen eines Oszillographenstrahles dargestellt, wobei die Entfernung entlang der Zeitachse dargestellt wird. Diese Art ist klinisch nützlich, wenn die Quelle der verschiedenen aufgezeichneten Echos positiv festgestellt werden kann. Es ist mögüch, den Abstand zwischen zwei Echos oder zwischen dem Impuls und einem Echo genau zu messen, aber es kann nicht möglich sein, die Quelle der Echos festzustellen. Es konnte die Größe des Kinderkopfes in der Gebärmutter, die Tiefe des Auges und der Blase gemessen und die Mittellinie im Gehirn festgestellt werden. Ahaliche Informationen können durch Verwendung der »Α-Methode« aufgezeichnet werden, bei welcher die Echos als ein Aufleuchten oder eine Intensitätsmodulation der Zeitgrundlinie dargestellt werden.

Wenn sich die interessierende Reflexionsfläche bewegt, dann kann ihre Lage mit der Zeit »(JVf-Methode«) durch Verwendung der Darstellung nach der »ß-Methode« angezeigt werden, wobei die Zeitgrundlinie um einen rechten Winkel in ihre Richtung geschwenkt wird, 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 ß-Methode verwendet wird, aber der Strahl auf dem Schirm die Sichtlinie des Wandlers darstellt und dann der Wandler um den Patienten herumgeführt wird und die Zeitgrundlinie auf dem Schirm dieser Bewegung folgen kann, wird eine zweidimensionale Aufzeichnung der Widerstandsunstetigkeiten erhalten. Zweidimensionale Anzeigen wurden bei der Gebärmutter während der Schwangerschaft, beim Unterleib, beim Auge und bei der Brust verwendet.

Die Verbindung des Wandlers mit dem Patienten kann durch Hautkontakt oder durch Verwendung eines Wasserverzögerungsbades erreicht werden. Wenn ein Wasserverzögerungsbad verwendet wird, muß der Abstand zwischen dem Wandler und der Hautoberfläehe größer als die größte verwendete Eindringtiefe sein, um Zweideutigkeiten auf Grund von Vielfachreflexion zu vermeiden. Im allgemeinen ergibt der Hautkontakt für den Patienten eine größere Bequemlichkeit und Echogramme von geringerer Klarheit, während das Wasserverzögerungsbad eine geringere Bequemlichkeit dem Patienten bietet und qualitativ bessere Echogramme bewirkt.

Eine Fokussierung von Wandlern, die bei der Ultraschall-Echoskopie verwendet werden, isi bekannt, um die Breite der vom Wandler erzeugten Ultraschallstrahlen 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) Fokussierung mittels einer Linse oder eines

Spiegels in ähnlicher Weise wie in der Optik,
(ii) Verwendung eines gekrümmten Wandlers und

(iii) Verwendung eines Vielfachelementenwandlers ein (bekannt als Phasenwandler), in welchem die Elemente des Wandlers fortlaufend zu verschiedenen Zeiten erregt werden, um die gewünschte Strahlenform zu erzeugen.

Die Erfindung bezieht sich auf die Fokussierung eines Phasenwandlers, wie er vorstehend beschrieben ist, und es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur elektronischen Fokussierung eines Phasenwandlers in einem vorbestimmten Raumpunkt zu schaffen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Vorrichtung einen ersten Phasenwandler, der Impulse mit Ultraschallenergie entlang eines Strahles in den Gegenstand hineinschickt und den Strahl in der Längsebene des Wandlers fokussiert, und einen zweiten Phasenwandler aufweist, der mit seiner Längsebene quer zu der Längsebene des ersten Phasenwandlers angeordnet und in der Längsebene des ersten Phasenwandlers fokussiert ist

Der erste und der zweite Phasenwandler sind vorzugsweise aus einer Vielzahl von schmalen rechtekkigen Elementen zusammengesetzt, und die Strahlen von ihnen werden durch Erregung dieser Elemente zu fortschreitend verschiedenen Zeiten fokussiert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt.

Die Richtung und Form eines Ultraschallstrahles, der von einem Phasenwandler A ausgestrahlt wird, der aus einer Anzahl schmaler rechteckiger Elemente a„ besteht, können durch Erregung der Elemente zu aufeinanderfolgend verschiedenen Zeiten eingestellt werden. Diese Strahlenformung wird nur in der Längsachsenebene, d. h. in der x-y Ebene des Wandlers, erreicht, während die Form des Strahles in der Breite, d. h. in der z-y Ebene, durch die Breitenabmessung der Anordnung bestimmt wird. Da die Längsabmessung des Phasenwandlers A größer als seine Breitenabmessung ist, ist der Ultraschallstrahl in der x-y Ebene schmaler, so daß die Auflösung in dieser Ebene besser als in der z-y Ebene ist.

Die Erfindung besteht in der Verwendung eines zweiten Phasenwandlers B, der aus einer Anzahl von schmalen rechteckigen Elementen b_m besteht, die durch eine geeignete Verzögerung von Signalen, die durch seine Elemente erhalten werden, in der x-y Ebene elektronisch fokussiert sind. Die Längsabmessung der Elemente dieser Anordnung ist vorzugsweise so gewählt, daß die Fokussierung in der x-y Ebene erfolgt, während die Breite dieser Elemente vorzugsweise genügend schmal ist, so daß die Anordnung über die Richtungen wirksam ist, wo der Strahl durch den Phasenwandler A abgelenkt wird.

Aus der vorhergehenden Beschreibung geht hervor, daß die Erfindung die Verwendung eines Querphasenwandlers zur elektronischen Fokussierung auf einen bestimmten Raumpunkt in der Ebene eines der Querarme möglich macht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Ultraschallüberprüfung eines Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ersten Phasenwandler, der Impulse mit Ultraschallenergie entlang eines Strahles in den Gegenstand hineinschickt und den Strahl in der Längsebene des Wandlers fokussiert, und einen zweiten Phasenwandler aufweist, der mit seiner Längsebene quer zu der Längsebene des ersten Phasenwandlers angeordnet und in der Längsebene des ersten Phasenwandlers fokussiert ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Phasenwandler aus einer Vielzahl schmaler rechteckiger Elemente besteht und der Strahl davon durch Erregung dieser Elemente zu fortschreitend verschiedenen Zeiten fokussiert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Phasenwandler eine Vielzahl von schmalen rechteckigen Elementen aufweist und der Strahl davon durch Erregung dieser Elemente zu fortschreitend verschiedenen Zeiten fokussiert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsabmessung dieser Elemente des zweiten Phasenwandlers so gewählt ist, daß die Fokussierung in der Längsebene des ersten Phasenwandlers vorgesehen ist.