DE2345736A1 - Vorrichtung und verfahren zum formen eines ultraschallstrahles - Google Patents

Description

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Patentanwälte

Nürnberg, den 10. Sept. 1973

The Commonwealth of Australia, c/- The Department

of Health, Phillip, Australian Capital Territory, Australia

Vorrichtung und Verfahren zum Formen eines Ultraschallstrahles

Die Erfindung bezieht sich auf die Technik der Ultraschall-Echoskopie von Gegenständen und insbesondere auf eine Erweiterung der bekannten Technik der Ultraschall-Echoskopie, um nützlichere Informationen über die zu untersuchenden Gegenstände zu erhalten. Sie ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf die Gewinnung von Daten für die medizinische Diagnostik gerichtet, die diese Technik verwendet.

Die Ultraschall-Echoskopie sieht Informationen über einen zu untersuchenden Gegenstand vor, die in Form eines Ultraschall-Echogramms dargestellt werden können. Ein solches Echogramm besteht in der Darstellung von akustischen Widerstandsunstetigkeiten oder reflektierenden Flächen im Gegenstand. Es wird dadurch erhalten, daß ein kurzer Impuls von Ultraschallenergie im Freguenzbereich von 1 bis 30 MHz in den zu untersuchenden Gegenstand hineingeschickt wird, wo akustische Widerstandsunstetigkeiten

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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 ein Echogramm auf einem Kathodenstrahloszillographen, einem Film, einer Karte oder dergleichen dargestellt wird.

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 z.B. als eine Ablenkung von der Grundlinie oder als eine Intensitätsänderung dargestellt wird. Bei einer zweidimensxonalen 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 benutzt, um die Richtung der Ausbreitung der akustischen Energie anzuzeigen. Die zweidimensionale Darstellung wird durch Änderung dieser Richtung der Ausbreitung der akustischen Energie und durch Einführung einer ähnlichen, aber nicht notwendigerweise identischen Bewegung der Grundlinie der Darstellung erhalten« Die

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Größe des Echos wird wie für eine eindimensionale Darstellung angezeigt, 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 der Patienten zu erhalten. Die Anwendung der Technik ist nun weitgehend 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 385-392, November 1970; "The Application of Ultrasound in Medical Diagnosis". Gemäß diesem Aufsatz kann die Ultraschall—Echoskopie dazu verwendet werden, um Darstellungen zu erhalten, die anatomischen Querschnitten ähneln, die sich klinisch als wertvoll erwiesen haben, wenn die gewünschten Informationen körperliche Abmessungen, Formen von Organen oder Strukturen oder dergleichen betreffen. Die Ultraschal 1-Echographie ist als 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 Techniken bedachtet, um ein vollständigeres Bild über den Zustand der Patienten zu erhalten, jedoch besonders bei Schwangerschaften kann

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die Ultraschall-Echoskopie an stelle von Röntgenstrahlen nützlich sein, die nicht genügende Informationen ergeben oder gefährlich sein können. Bei der medizinischen Anwendung wird ein Impuls von Ultraschallenergie in den Patienten in einer bekannten Richtung übertragen, und es werden Echos von den reflektierenden Flächen innerhalb des Körpers erhalten. Die Zeitverzögerung 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 Entfernung 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 Entfernungen des Wandlers, der den Impuls erzeugt, von den reflektierenden Flächen, vorausgesetzt, daß die Aus— bereitungsgeschwindigkeit konstant ist. In weichen Geweben des.menschlichen Körpers ist die Schallgeschwindigkeit etwa konstant, und die Ultraschallimpulse bieten eine geeignete Methode zur Messung der Tiefe der besonderen Struktur von der Wandleroberfläche ohne Unannehmlichkeiten für den Patienten. Diese Information kann in vielfacher Weise verwendet werden.

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In der einfachsten Darstellungsform, der "A-Methode", werden die Echos als Ablenkungen des Strahles eines Oszillographen angezeigt, in welchem die Entfernung entlang der Zeitachse dargestellt wird. Diese Methode ist klinisch nützlich, wenn die Quelle der verschiedenen dargestellten Echos positiv festgestellt werden kann. Es ist möglich, die Entfernung zwischen zwei 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 in der Gebärmutter, die Tiefe des Auges und der Blase gemessen und die Mittelachse im Gehirn festgestellt werden. Ähnliche Informationen können durch die Verwendung der "B—Methode" dargestellt werden, bei welcher die Echos als ein Aufleuchtei oder eine Intensitätsmod—ulation der Zeitgrundlinie dargestellt werden.

Wenn die interessierende Fläche sich bewegt, kann ihre Lage mit der Zeit ("M—Methode") durch Verwendung der Darstellung nach der "B-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 Gehirns zu zeigen. Wenn die B-Methode ver—

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wendet wird, aber der Strahl auf dem Schirm die Sichtlinie des Wandlers darstellt und dann der Wandler um den Patienten herumgeführt wird und die Zeitgrundlinie dieser Bewegung folgen kann, wird eine zweidimensionale Darstellung der Widerstandsunstetigkeiten erhalten. Eine zweidimensionale Darstellung wurde bei Gebärmuttern 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 Wasserverzogerungs— bades erreicht werden. Wenn ein Wasserverzogerungsbad verwendet wird, muß der Abstand zwischen dem Wandler und der Hautoberfläche größer als die größte verwendete Eindringtiefe sein, um Zweideutigkeiten aufgrund der Vielfachreflexion zu vermeiden. Im allgemeinen ergibt der Hautkontakt eine größere Bequemlichkeit für den Patienten und Echogramme von geringerer Klarheit, während das Wasserverzogerungsbad für den Patienten unangenehmer ist und qualitativ bessere Echogramme bewirkt.

In vielen Ultraschall-Anwendungen ist es erwünscht, einen schmalen Ultraschallstrahl über eine Entfernung zu haben, welche groß ist verglichen mit den Abmessungen des verwendeten Wandlers, oder den Strahl erzeugt. Ein solches Beispiel ergibt sich bei einer Ultraschallimpulsechoüberprüfung, wo die Breite des Ultraschallüber—

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prüfungsstrahles die seitliche Auflösung der Technik bestimmt, so daß ein schmaler Strahl beim Eindringen der Energie in den zu untersuchenden Gegenstand gewünscht wird.

Die Breite eines UltraschallStrahles kann durch Fokussierung oder Formung des Strahles entweder durch (i) eine Linse oder einen Spiegel in einer der Fokussierung in der Optik ähnlichen Weise, durch (ii) einen kurvenförmigen Wandler und (iii) einen Vielfachelementenwandler verengt werden, wo die Elemente des Wandlers zu fortschreitend verschiedenen Zeiten erregt werden, um die gewünschte Form zu erzeugen.

Wenn der Strahl geformt ist, so daß die gesamte Wellenfront auf eine einzige Entfernung von dem Wandler fokussiert ist, ist der Strahl auf jeder Seite des Brennpunktes durch einen Faktor verengt, der von dem Grad der Krümmung der Wellenfront abhängt. Wenn eine stark gekrümmte Wellenfront verwendet wird, ergibt sich eine starke Reduzierung in der Breite über eine kurze Entfernung, während, wenn eine weniger gekrümmte Wellenfront verwendet wird, eine geringere Reduzierung über eine große Entfernung erhalten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzusehen, WOdU¹Ch die Breite

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des Strahles von einem einzigen Wandler über eine große Entfernung reduziert werden kann. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Vorrichtung für die Ultraschallüberprüfung eines Gegenstandes mittels Ultraschall mit einem Wandler,der Impulse von Ultraschallenergie entlang eines Strahles in den zu prüfenden Gegenstand hineinschickt, dadurch gelöst, daß Mittel zum Fokussieren von Teilen des Strahles bei einer Vielzahl von Entfernungen von diesem Wandler vorgesehen sind, um die Breite des Strahles über eine große Entfernung zu reduzieren.

Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Reduzierung der Breite des Strahles von Ultraschallimpulsen vor, die von einem Wandler über eine große Entfernung erzeugt werden, wobei fokussierende Teile des Strahles bei einer Vielzahl von Entfernungen von dem Wandler vorgesehen sind.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt· Die Zeichnung zeigt drei Wandler: Einen Wandler 1 mit kleinerem Durchmesser und größerer Krümmung, exen Wandler 2 mit größerem Durchmesser und kleinerer Krümmung und einen doppelt gekrümmten Wandler 3, dessen innerer Teil identisch mit dem Wandler 1 ist und dessen äußerer Teil identisch mit dem entsprechenden Teil des Wandlers 2 ist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, erzeugt der Wandler 1 einen schmalen Strahl über eine kurze

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Entfernung 4 im Bereich seines Brennpunktes, während der Wandler 2 einen schmalen Strahl über eine kurze Entfernung erzeugt. Der Wandler 3 erzeugt eine doppelt gekrümmte Wellenfront, deren innerer Teil den Strahl über die kurze Entfernung 4 fokussiert· Weil die Fokussierungseigen— schäften der Wellenfront hauptsächlich durch die äußeren Abmessungen bestimmt werden, erzeugt der äußere Teil des Wandlers 3 einen Strahl, der dem vom Wandler 2 erzeugten Strahl ähnlich ist,d.h.er erzeugt einen schmalen Strahl über die Entfernung 5, so daß die doppelt gekrümmte Wellenfront einen schmalen Strahl über die kombinierte Entfernung 6 erzeugt. So wird die Wellenfront, die gemäß der Erfindung erzeugt wird, geformt, so daß verschiedene Teile der Wellenfront bei verschiedenen Entfernungen vom Wandler fokussiert werden.

Gemäß der vorhergehenden Beschreibung wird das Fokussieren des Strahles gemäß der Erfindung durch Verwendung eines doppelt gekrümmten Wandlers erreicht, jedoch ist zu beachten, daß Wandler, welche mehr als zwei Kurven haben, auch dazu verwendet werden können, eine mehrfach gekrümmte Wellenfront herzustellen, um schmale Strahlen von Ultraschallimpulsen über lange Entfernungen zu erzeugen. Ferner kann diese Fokussierung auch durch die Verwendung von Linsen, Spiegeln oder durch elektronische Fokussierung oder durch eine Kombination von zwei oder mehr dieser Fokussierungsmittel erreicht werden.

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Aus der vorhergehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Erfindung eine vielfach gekrümmte Wellenfront vorsieht, um die Breite des Strahles von Ultraschallimpulsen zu reduzieren, die von einem Wandler über eine große Entfernung erzeugt werden.

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Claims (4)

1. Patentansprüche:

   Vorrichtung zur Überprüfung eines Gegenstandes mittels Ultraschall mit ein'em Wandler, mit dem Impulse von Ultra— schallenergie entlang eines Strahles in den Gegenstand übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Fokussierung von Teilen dieses Strahles bei einer Vielzahl von Entfernungen von dem Wandler vorgesehen sind, um die Breite des Strahles über eine große Entfernung zu reduzieren.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Fokussierung von Teilen des Strahles, der vom Wandler erzeugt wird, eine vielfach gekrümmte Oberfläche auf dem Wandler aufweisen.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Fokussierung von Teilen des Strahles, der von dem Wandler erzeugt wird, Linsen, Spiegel oder elektronische Fokussieruhgsmittel aufweisen.
4. 4. Verfahren zur Reduzierung der Breite des Strahles von Ultraschallimpulsen, die von einem Wandler über eine große Entfernung erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl fokussierende Teile bei einer Vielzahl von Entfernungen von dem Wandler aufweist.

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