DE2609425A1 - Akustisches linsensystem - Google Patents
Akustisches linsensystemInfo
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Description
PATENTANWÄLTE
DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT
D-8 München 60 ■ Orthstraße 12 ■ Telefon 832024/5
Telex 5212744 · Telegramme Interpatent
" 5. März 1976
Vl P 420 D
VARIAN ASSOCIATES PaIo Alto, CaI., USA
Akustisches Linsensystem
Priorität: 7. März 1975 - USA - Ser. No. 556 506
Ein von Medien unterschiedlicher akustischer Impedanzen umgebenes Objekt (beispielsweise ein anatomisches Organ, das
innerhalb des menschlichen Körpers von anderen Gewebearten umgeben ist) wird akustisch durch eine Anordnung von Ultraschallwandlern
abgebildet, die an der Außenfläche einer Ultraschallinse befestigt sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Linse homozentrisch, wobei das gemeinsame
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KrümmungsZentrum der Innen- und Außenflächen der Linse in
einer relativ kleinen akustischen Apertur innerhalb des Körpers liegt, so daß Objektpunkte, die über einen relativ großen
Raumwinkel von der Apertur aus verteilt sind, mit minimalen Linsenaberrationen abgebildet werden können. Wenn das abzubildende
Objekt ein menschliches Herz ist, wird die akustische Apertur am zweckmäßigsten in einem Interkostalraum zwischen
benachbarten Rippen angeordnet.
Die Erfindung betrifft eine Weiterentwicklung im Bereich der akustischen Abbildung, mit besonderer Anwendung auf die Abbildung
von anatomischen Organen.
Das akustische Abbilden von anatomischen Organen des menschlichen Körpers ist bisher im allgemeinen durch die Impulsechotechnik
verwirklicht worden, wobei ein elektrischer Impuls einen akustischen Wandler anregt, so daß dieser eine Druckwelle
in den Körper abgibt. Wenn die Druckwelle von einem Bereich des Körpers in einen anderen tritt, der eine andere
akustische Impedanz hat, wird ein Teil der Schwingungsenergie an der Grenzfläche zwischen den beiden Bereichen zum Wandler
zurückreflektiert. Der Rest der Schwingungsenergie wird tiefer
in die Körpergewebe durchgelassen, bis eine weitere akustische Impedanzdiskontinuität erreicht wird, worauf eine weitere
Teilreflexion und Teiltransmission der Schwingungsenergie
stattfindet. Die reflektierten akustischen Signale werden vom Wandler in elektrische Signale umgewandelt, die, soweit
notwendig, verstärkt werden. Diese elektrischen Signale können so verarbeitet werden, daß sie ein Bild des untersuchten
Organs erzeugen. Aus der Kenntnis der Geschwindigkeit einer Druckschwingung in den verschiedenen Körpergeweben ist es mit
der Impulsechotechnik möglich, die Tiefen zu messen, in denen die verschiedenen Reflexionen innerhalb des Körpers stattfinden,
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_ 3 —
indem die Ankunftszeit des reflektierten Signals am Wandler mit der Zeit des anfänglich emittierten Impulses in Beziehung
gesetzt wird.
Beim Kontakt-Scanner-System, bei dem es sich um eine spezielle Anwendung der Impulsechotechnik handelt, wird ein einzelner
Wandler dazu verwendet, einen parallelen Strahl von Ultraschallwellenimpulsen in den Körper zu schicken und irgendwelche
Schwingungen zu empfangen, die von Impedanzdiskontinuitäten reflektiert sein können. Die Position und Orientierung des
Ultraschall-Strahl-Wandlers werden für das spezielle abzutastende Organ mit geeigneten Verbindungsgliedern mit Positionsbestimmungswandlern bestimmt, die mit einem Speicheroszillographen gekuppelt
sind. Im Betrieb wird der Ultraschall-Strahl-Wandler
über die Körperoberfläche bewegt, und ein Bild der internen reflektierenden Flächen innerhalb des Körpers wird auf dem
Schirm des Oszillographen aufgebaut. Typischerweise wird eine Zeitspanne von etwa 20 Sekunden dazu verwendet, den Wandler
über die Körperoberfläche zu bewegen, so daß ein geeignetes Bild für Anzeige und Analyse erhalten wird. Ein erheblicher
Nachteil des Kontakt-Scanner-Systems ist die relativ lange Zeitspanne, die zum Aufbau eines Bildes erforderlich ist. Eine
solche lange Zeit führt mit erheblicher Wahrscheinlichkeit zu einer Verringerung der Auflösung auf Grund von Bewegungen des
Patienten oder ungewollten Bewegungen des abgebildeten Körperorgans (beispielsweise Schlagen des Herzens).
Es ist ebenfalls bekannt, eine lineare Reihe von akustischen Wandlern zu verwenden. Bei einer solchen Anordnung wird jeder
Wandler automatisch zeit-multiplext, so daß zu irgendeinem
Zeitpunkt immer nur ein Wandler einen Impuls emittiert.Da das Multiplexen erheblich schneller erfolgen kann als irgendeine
entsprechende mechanische Bewegung eines Kontakt-Scanners,
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wie sie oben beschrieben ist, kann von einer Anordnung aus dreißig Wandlern in insgesamt etwa 30 Millisekunden ein Bild
aufgebaut werden. Eine solche kurze Zeitperiode macht es möglich, die Bewegungen eines inneren Organs zu beobachten, beispielsweise
des schlagenden Herzens. Ein Hauptnachteil eines solchen linearen Systems ist Jedoch, daß die Länge der Anordnung gleich
einer linearen Abmessung des zu untersuchenden Objektes sein muß. Dementsprechend ist bei einer linearen Anordnung von
Wandlern ein großes Ultraschallfenster im Körper erforderlich, um ein inneres Organ abzubilden. Unglücklicherweise ist die
Ultraschallabsorption durch Knochengewebe im Vergleich zur Ultraschallabsorption von weichen Geweben extrem hoch. Dementsprechend
schattet Knochengewebe irgendeine Weichgewebestruktur, die hinter ihm angeordnet ist, ab. Wenn das abzubildende
Organ innerhalb des Brustraumes angeordnet ist (beispielsweise das Herz), stellt der darüberliegende Brustkorb
ein Hindernis für die Abbildung des Organs durch eine lineare Anordnung von Wandlern dar. Weiterhin schränkt die naturgegebene
Divergenz eines Ultraschallstrahls, der von einer linearen Anordnung von Wandlern ausgeht, die für Objekte, die
tief innerhalb des Körpers liegen, erzielbare Auflösung drastisch ein.
Um die Begrenzung der Auflösung, die naturgemäß mit einer linearen
Anordnung von Wandlern verknüpft ist, zu umgehen, war es bekannt, eine akustische Linse in Kombination mit einer solchen
linearen Anordnung von Wandlern zu verwenden. Die akustische Linse dient dazu, den Ultraschallstrahl von Jedem Wandler der
Reihe auf einen speziellen Punkt auf einer Brennfläche innerhalb des Körpers zu fokussieren. Die akustische Linse war bei
solchen bekannten abbildenden Systemen körperlich von der Wandleranordnung getrennt, typischerweise durch ein zwischengeschaltetes
Wasserbad. Das dazwischengeschaltete Wasserbad
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sorgte dafür, daß solche Abbildungssysteme schwer und mechanisch kompliziert sind, so daß die Konstruktion eines bequemen, in
der Hand zu haltenden Linsensystems effektiv ausgeschlossen war.
Bei akustischen Abbildungssystemen bekannter Art wurde niemals
eine homozentrische Linse verwendet^ und es ergaben sich deshalb
Aberrationen außerhalb der Achse. Weiter wurden akustische Abbildungssysteme bekannter Art durch Echo- und Nachhallerscheinungen
der Ultraschallwellen innerhalb der verschiedenen Medien gestört, die zwischen den Wandlern und dem Linsenbrennpunkt
lagen. Das Wasserbad zwischen der Reihe von Wandlern und der Ultraschallinse war eine spezielle Quelle für solche Echo-
und Nachhallerscheinungen.
Das akustische Abbildungssystem nach der Erfindung besteht aus einer Reihe von Ultraschallwandlern, die an der Außenfläche
einer akustischen Linse befestigt sind. In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist die Linse eine sphärische
homozentrische Linse. Die Innenfläche der Linse wird in Berührung mit einem Objekt gehalten, das einen akustischen
Brechungsindex hat, der dem von Wasser angenähert ist, beispielsweise die Haut, die über einem Weichgewebeteil des
menschlichen Körpers liegt. Wenn es notwendig ist, einen Luftspalt zu verhindern, wird ein geeignet geformter Behälter
für eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, zwischen der Innenfläche der Linse und der Kontaktfläche der Haut angeordnet.
Die Linse besteht aus einem Material, dessen Brechungsindex kleiner ist als der von Wasser, so daß die von den
Wandlerrv&mittierten Ultraschallwellen auf einer Brennfläche innerhalb der Gewebe unter der Haut konvergieren. Die Schwingungen
von den verschiedenen Wandlern treten in den Teil des zu untersuchenden Körpers durch eine gemeinsame akustische
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Apertur ein, die im gemeinsamen KrümmungsZentrum der Linsen-'
flächen angeordnet ist. Dadurch, daß diese Apertur in einem Bereich des Körpers wie dem Interkostalraum des Brustkorbes
angeordnet wird, können Ob^}ektpunkte, die über einen relativ
großen Raumwinkel auf der anderen Seite der Öffnung verteilt sind (beispielsweise ein anatomisches Organ innerhalb des
Brustkorbes) ohne Behinderung abgebildet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es also, ein akustisches Linsensystem verfügbar zu machen, mit dem Ultraschallwellen so fokussiert
werden können, daß ein großes Objekt durch eine relativ kleine akustische Apertur abgebildet werden kann. Insbesondere soll
durch die Erfindung ein kleines, in der Hand zu haltendes Instrument verfügbar gemacht werden, das mechanisch einfach
aufgebaut ist und eine unkomplizierte elektronische Schaltung benötigt, um Ultraschall-Echogramme von inneren Organen des
menschlichen Körpers zu erhalten. Eine spezielle Anwendung der Erfindung würde die akustische Abbildung des menschlichen
Herzens durch eine akustische Apertur sein, die in einem Interkostalraum des Brustkorbes liegt.
Durch die Erfindung soll auch ein akustisches Linsensystem verfügbar gemacht werden, das aus einer Reihe von Ultraschallwandlern
und einer Linse besteht, mit der die von diesen Wandlern erzeugten Schwingungen konvergiert werden, wobei die
Wandler an einer Oberfläche der Linse befestigt sind, um Echo- und Nachhallerscheinungen zwischen der Linse und den Wandlern
auszuschließen.
Weiter soll durch die Erfindung ein akustisches Linsensystem für die Ultraschallabbildung verfügbar gemacht werden, wobei
die Linse aus einer konvergierenden homozentrischen Linse besteht. Bei einer anderen Ausführungsform besteht die Linse
aus einer Sammellinse, von der jede Oberfläche einen anderen Krümmungsradius in zwei zu einander senkrechten Richtungen
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hat. Ein Spezialfall dieser alternativen Ausführung ist, daß die
Linse die Form einer einfachen zylindrischen Sektion hat.
Ferner soll durch die Erfindung eine Ultraschall-Abbildungseinrichtung verfügbar gemacht werden, mit der Bilder hoher
Auflösung von sich bewegenden Objekten erreicht werden können, die in Medien unterschiedlicher akustischer Impedanzen eingebettet
sind. Insbesondere soll durch die Erfindung eine Vorrichtung verfügbar gemacht werden, mit der ein kontinuierliches
akustisches Bild eines schlagenden Herzens erhalten werden kann.
Weiter soll durch die Erfindung eine Kombination eines Ultraverfügbar
gemacht werden . ,. TT_.
schallinsensystems/, das aus einer linearen Anordnung von Ultraschallwandlern
besteht, die an einer akustischen Sammellinse befestigt sind, Einrichtungen zum Umwandeln reflektierter
Ultraschallsignale in elektrische Signale, und Einrichtungen
besteht, die auf diese elektrischen Signale ansprechen, um ein Bild von Strukturen aufzubauen, die Reflexionen von solchen
Ultraschallsignalen verursachen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in·Verbindung mit der Zeichnung;
es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine akustische Linse -nach
der Erfindung, wobei die Linse sich in einer Position befindet, in der eine visuelle Anzeige
eines anatomischen Organs erzeugt wird, beispielsweise des menschlichen Herzens in situ;
Fig. 2 eine akustische Linse und ein Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung zur Schaffung
einer visuellen Anzeige eines anatomischen Organs;
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Fig. 3 eine alternative Ausführungsform eines akustischen Linsensystems nach der Erfindung mit einem doppelten
Wandlersatz, einem zum Senden und einem zum Empfangen von Ultraschallschwingungen}
Fig. 4 eine alternative Ausführungsform einer akustischen Linse nach der Erfindung, wobei Jede Oberfläche
einen anderen Krümmungsradius in zwei zu einander senkrechten Richtungen hat; und
Fig. 5 eine Aperturblende zur Verwendung in Verbindung mit der akustischen Linse nach der Erfindung.
Das akustische Abbildungssystem nach der Erfindung ist besonders geeignet, eine visuelle Anzeige eines anatomischen Organs in
situ innerhalb des menschlichen Körpers zu erzeugen. Fig. 1 illustriert das System, wobei seine Linse 40 so positioniert
ist, daß sie ein Bild des Herzens 10 in einer sagittalen Ebene liefert. Über dem Herz liegt eine Lage Haut 20. Unter der Haut
kann sich eine Lage subkutanen Fettes verschiedener Dicke befinden, Brustgewebe bei Frauen, eine Lage Bindegewebe, die
den großen Brustmuskel bedeckt, der große Brustmuskel selbst, der bei muskulösen Patienten ziemlich dick sein kann, einige
Bänder des kleinen Brustmuskels mit zugehörigem Bindegewebe,
und der aus Knochen bestehende Thorax, einschließlich der Rippen 21. Es ist erwünscht, die Möglichkeit zu haben, eine
visuelle Anzeige des Herzens 10 zu erhalten, indem Ultraschall-Druckwellen verarbeitet werden, die von den verschiedenen
Strukturen des Herzens reflektiert werden. Eine solche Anzeige wird als Echokardiogramm bezeichnet.
Ultraschallwellen werden von Wandlern 31 erzeugt, die außerhalb der Haut in einer Anordnung lokalisiert sind. Die Konfiguration
der Anordnung wird später besprochen. Die Wandler 31 können aus piezoelektrischem Werkstoff bestehen, beispielsweise Bleizirkontitanat.
Die Ultraschallschwingungen werden dadurch
ausgelöst, daß ein Spannungsimpuls von beispielsweise 100 V
unmittelbar über das Wandlermaterial gelegt wird. Geeignete Wandler zur Durchführung der Erfindung werden von der Firma
Clevite Corporation, Bedford, Ohio, USA unter der Bezeichnung PZT5A auf den Markt gebracht.
Ultraschall kann durch Knochen nur sehr schlecht übertragen
werden, und zwar wegen der hohen akustischen Absorption von Knochengewebe. Dementsprechend ist es notwendig, die Druckschwingungen
, die von den Wandlern 31 erzeugt werden, in der Weise zu fokussieren, daß die Wellen in das mittlere Mediastinum,
wo das Herz lokalisiert ist, durch ein akustisches Fenster zwischen den Rippen eintreten. Es wurde festgestellt, daß der
Bereich innerhalb der Brust, der am leichtesten für die Ultraschallabbildung zugänglich ist, aus dem Volumen besteht, das
vorderseitig vom Brustbein, rückseitig von der hinteren Herzbeutelwand, unten vom Zwerchfell, oben von den großen Blutgefäßen,
die vom und zum Herz führen, und seitlich, auf beiden Seiten, von den Lungenrändern begrenzt wird. Um ein Echokardiogramm
des Herzens zu erhalten, ohne daß Druckwellen durch die Lungen gestrahlt werden müssen, ist es vorteilhaft, die
Schwingungen mittels der Sammellinse 40 durch ein akustisches Fenster zu fokussieren, das im zweiten, dritten, vierten oder
fünften Interkostalraum zwischen dem linken Brustbeinrand und einer Linie 3-4 cm zur Linken dieses Randes liegt. Diese
Wellen werden in eine Brennebene 44 fokussiert, die innerhalb des Brustkorbes liegt.
Derzeit besteht keine einmütige Auffassung in der Literatur hinsichtlich der genauen Raten der Energiedämpfung, die ein
Ultraschallstrahl erfährt, wenn er durch die verschiedenen Gewebe eines menschlichen Körpers hindurchtritt. Ein Dämpfungswert
von etwa 4,4 dB/cm Tiefe bei einer Frequenz von 2,5 MHz ist jedoch ein ungefähres Maß für die Dämpfung eines Ultraschallstrahls,
der nacheinander durch Haut-, Fett-, Muskelgewebe und Blut hindurchtritt. Signale, die von der rückwärtigen
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Herzwand Innerhalb einer Tiefe von 13 cm reflektiert werden,
würden entsprechend dieser Näherung eine Dämpfung von 57 dB zeigen. Da reflektierte Signale von einer Grenzfläche Wasser/
Muskel eine relative Intensität von etwa 23 dB unterhalb derjenigen zeigen, die von einem perfekten Reflektor erwartet
v/erden wurden, beträgt der gesamte Intensitätsabfall oder
die Dämpfung eines Ultraschallsignals, das von der rückwärtigen Wand des Herzens reflektiert wird, etwa 80 dB. Aus solchen
Energieübertragungsbetrachtungen zeigt sich, daß eine anfängliche Spitzenleistungsdichte von 100 mW/cm vollständig geeignet für
medizinische Untersuchungszwecke ist, und keine ungünstigen physiologischen Einflüsse auf einen untersuchten Patienten
mit sich bringt. Auf diesem Leistungspegel kann die Intensität des gedämpften reflektierten Signals leicht detektiert
werden.
Gemäß Fig. 1 sind die Wandler 31 alle in einer zweidimensionalen
Anordnung auf der Außenfläche 41 einer sphärischen homoζentrisehen
Linse 40 befestigt, beispielsweise mit Epoxykleber. Eine homozentrische Linse ist als eine Linse definiert, in der beide
Linsenoberflächen, die die akustische Achse der Linse schneiden (analog zur optischen Achse eines optischen Abbildungssystems),
den gleichen Krümmungsradius haben. Die Außenfläche 41 und die Innenfläche 42 der Linse 40 haben also ein gemeinsames Krümmungszentrura
43. Die Linse 40 besteht aus einem festen Werkstoff, Metall oder Kunststoff, beispielsweise Aluminium oder Polystyrol,
und hat einen akustischen Brechungsindex, der kleiner ist als der akustische Brechungsindex von Wasser.
Eine Anzahl Faktoren sind bei der Wahl des Linsenmaterials wichtig. Zunächst ist der akustische Brechungsindex des Materials
(d.h., das Verhältnis der Schallgeschwindigkeit im Wasser zur Schallgeschwindigkeit im Material) xtfichtig, weil dieser
•Faktor die Brechkraft der Linse kontrolliert. Die akustische Impedanz des Materials ist ebenfalls wichtig, weil dieser
Faktor das Verhältnis der reflektierten Leistung zur durchgelassenen Leistung an den Linsenoberflächen festlegt. Die
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Dichte des Materials ist ebenfalls ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Brauchbarkeit eines Materials für die Linse
eines in der Hand zu haltenden Instruments. Für die oben vorgeschlagenen Linsenmaterialien beträgt der Brechungsindex
von Aluminium für Ultraschall-Druckwellen 0,24, während der Brechungsindex für Polystyrol 0,65 ist, wobei der Brechungsindex
von Wasser zu 1 gesetzt ist. Aluminium ergibt also eine größere Brechkraft als Polystyrol, so daß mit Aluminium eine
kleinere Linse konstruiert werden kann. Das ist wichtig, wenn die Gesamtgröße der wichtigste Gesichtspunkt ist. Die Dichte
von gewalztem Aluminium beträgt jedoch 2,7, während die Dichte von Polystyrol nur 1,06 beträgt. Wenn also das Gewicht der
wichtigste Gesichtspunkt ist, kann Polystyrol gegenüber Aluminium -vorzuziehen sein.
Die Linse 40 kann entweder von einer flexiblen Haltestruktur abgestützt werden, oder in einem in der Hand zu haltenden
Instrument montiert sein. Im Betrieb wird die innere Linsenoberfläche 42 so positioniert, daß der Krümmungsmittelpunkt
in einem erwünschten akustischen Fenster im Brustkorb liegt, beispielsweise im vierten Interkostalraum. Die Linse 40 kann
dicht gegen die Haut 20 gepresst werden, so daß kein Luftspalt zwischen der inneren Linsenfläche 42 und der damit in
Berührung stehenden Hautoberfläche verbleibt, oder es kann
ein geeigneter Behälter für Wasser oder eine andere Flüssigkeit zwischen die innere Linsenoberfläche und die Haut gebracht
werden.
In Fig. 1 sind Strahlen für zwei Wandler der Anordnung angegeben, die die Richtung der Vorwärtsbewegung von gesendeten
Wellenfronten anzeigen. Diese Wellenfronten laufen zunächst divergierend von den Wandlern 31 durch die Linse 40. An der
die Innenfläche 42 wird dafür gesorgt, daß/Wellenfronten zu einer Brennfläche 44 konvergieren, die innerhalb des Brustkorbes
auf der anderen Seite des akustischen Fensters liegt. Die Brennfläche 44, die in Fig. 1 mit-unterbrochenen Linien
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angedeutet ist, ist eine Sektion einer Kugel, die den gleichen Krümmungsmittelpunkt 43 hat wie die Außen- und Innenflächen
41 bzw. 42 der homozentrischen Linse. Jeder Wandler 31 in
der Anordnung weist einen eindeutigen Brennpunkt 45 auf
der Brennfläche 44 auf. Obwohl die Wandler 31 zusammen eine große Gesamtfläche der Außenfläche 41 der Linse 40 überdecken
können, und obwohl die Brennfläche 44 sich über einen großen Bereich innerhalb des Brustraums erstrecken kann,
konvergieren trotzdem alle Strahlen, die durch das akustische Fenster hindurchtreten, zu einem kleinen Interkostalraumbereich,
der um den Krümmungsmittelpunkt 43 zentriert ist und von den benachbarten Rippen begrenzt ist. Die Brennfläche 44
definiert die Tiefe innerhalb des Körpers, für die die schärfste Fokussierung erreichbar is'ü. Für Zwecke der Echokardiographie,
wobei die maximale Dimension eines erwachsenen menschlichen Herzens in der Größenordnung von 12 cm liegt, wird eine
adäquate Schärfentiefe mit den hier beschriebenen Techniken erreicht. Formeln, die von A.E. Conrady in "Applied Optics
and Optical Design", Dover Publications, Inc., Teil I (1957) und Teil II (i960) angegeben werden, können für analoge
akustische Systeme verwendet werden, um den Brennbereich und die Effekte von sphärischen Aberrationen für ein akustisches
System mit homozentrischer Linse abzuschätzen. Der Fokalbereich wird durch die akustische Wellenlänge bestimmt und durch den
Winkel, der von der akustischen Apertur eingeschlossen wird, gesehen von einem Punkt auf der Brennfläche 44. In einem
akustischen Abbildungssystem wird die Tiefenauflösung nicht durch die Schärfentiefe festgelegt, wie das bei der optischen
Abbildung der Fall wäre, stattdessen wird die akustische Tiefenauflösung durch die Impulslänge der gesendeten akustischen
Schwingung festgelegt und durch die zeitliche Auflösung des Verstärkers und Detektors auf der Empfangsseite des Systems.
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Nach dem Durchtritt durch das akustische Fenster laufen die Ultraschallwellenfronten durch eine Folge von unterschiedlichen
Gewebearten (beispielsweise Fett, Muskel und Blut), die keinen merklichen Effekt auf die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der Schwingung haben, bis die Wellenfronten die vordere Wand 11 des Herzens erreichen. Bei einem dünnen
männlichen Erwachsenen kann die Vorderwand des Herzens etwa 2 cm unter der Haut liegen. Bei Frauen und beleibten Männern
kann sich die Vorderwand des Herzens etwa 5 oder 6 cm unter der Haut befinden. Ein erheblicher Vorteil der Verwendung
eines Abbildungssystems mit homozentrischer Linse besteht
darin, daß eine gleichförmige Auflösung aller Punkte auf einer Herzwand unabhängig vom Winkel der Ultraschallwellensendung
mit Bezug auf die Hauptachse der Linse erhalten werden kann.
Die Anordnung der Wandler 31 auf der Außenfläche 41 der Linse ermöglicht es, ein Bild über einen relativ großen Raumwinkel
zu erhalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Anordnung von 1.024 Wandlern in einem
gitterartigen Muster aus 32 Zeilen und 32 Spalten auf der
Außenfläche 41 der Linse 40 befestigt. Die Linse 40 mit den zugehörigen Wandlern wird beispielsweise in einem Sondengehäuse
39 montiert. Möglicherweise können einige Komponenten des Prozessors 48, als Block in Fig. 1 dargestellt, ebenfalls
in das Sondengehäuse 39 montiert werden. Bei einer Aluminiumlinse würde der Krümmungsradius der Außenfläche 41 etwa 10 cm
betragen, und der Krümmungsradius der Innenfläche 42 etwa 6,2 cm. Bei einem Instrument dieser bevorzugten Größe würde
ein Winkelsektorbild über einen Aperturwinkel von etwa 90 Grad möglich sein. Die Gesamtabmessungen eines Erwachsenen-Herzens
sind typischerweise etwa 12 cm Länge, 8-9 cm Breite an der breitesten Stelle, und 6 cm Tiefe. Dementsprechend würden
Echokardiogramme, die durch 2 oder 3 verschiedene Interkostalräume
aufgenommen würden, ein zusammengesetztes Bild des gesamten Herzens ergeben.
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Die Wellenfront von irgendeinem speziellen Wandler 31 kann durch Strahlen repräsentiert werden, die orthogonal zu
dieser Wellenfront gezogen sind. Strahlen für zwei spezielle Wandler illustrieren in Fig. 1 die Fokussiereigenschaften
einer Linse nach der Erfindung.
Es ist erwünscht, Quellen für interne Reflexionen und Echo- und Hallerscheinungen soweit wie möglich aus einem Ultraschallabbildungssystem
zu eliminieren, um den gesamten Rauschpegel herabzusetzen. Jede Verbesserung im Signal-Rausch-Abstand
erlaubt eine entsprechende Herabsetzung des Pegels der Sendeleistung, die dazu erforderlich ist, unzweideutige,
reflektierte, informationshaltige Signale zu erzeugen. Als
Grundprinzip ist es immer erwünscht, den Leistungspegel von diagnostischer Strahlung irgendwelcher Art - einschließlich
Ultraschallstrahlung - zu minimieren, die auf einen menschlichen Patienten auftrifft. Erfindungsgemäß werden die Wandler
31 direkt auf der Außenfläche 41 der Linse 40 befestigt, und der restliche Teil der Oberfläche 41, der nicht mit Wandlern
31 bedeckt ist, wird mit einem akustischen Absorptionsmaterial 49 abgedeckt. Das akustische Absorptionsmaterial
soll eine akustische Impedanz haben, die eng an die der Linse 40 angepaßt ist, und soll darüber hinaus eine relativ
hohe akustische Dämpfung haben. Geeignete Materialien zur Verwendung als Absorptionsmaterialien 49 sind weichgummiartige
Materialien und zusammengesetzte Substanzen, die aus Kunststoffen bestehen, die mit Metallpartikeln geladen sind.
Kompositwerkstoffe aus Wolframvinyl sind besonders als Absorptionsmaterial
49 geeignet. Die Eigenschaften und Herstellungstechniken für Kompositwerkstoffe Wolframvinyl werden
von Lees, Gilmore und Kranz unter dem Titel "Acoustic Properties of Tungsten-Vinyl Composites", IEEE Transactions on Sonics and
Ultrasonics, SU-20, Seiten 1-2, Januar 1973, diskutiert.
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Dadurch, daß die Wandler 31 direkt auf der Außenfläche 41 der Linse 40 befestigt werden, und der restliche Teil der
Linsenoberfläche 41 mit dem akustischen Absorptionsmaterial in Berührung gebracht wird, ist es möglich, Reflexionen von
der Oberfläche 41 auszuschließen und Echo- und Hallerscheinungen zwischen der Oberfläche und den Wandlern 31 zu eliminieren,
weil praktisch die gesamte Energie, die von der inneren Linsenoberfläche 42 reflektiert wird, entweder von einem der Wandler
31 oder vom absorbierenden Material 49 absorbiert wird. Beim Stand der Technik konnte akustisches Absorptionsmaterial
nicht dazu verwendet werden, Echo- und Hallerscheinungen innerhalb des Linsensystems auszudampfen, da die Wandler körperlich
von der Linse getrennt waren. Die Eliminierung von Quellen von internen Echo- und Hallerscheinungen mit einer
entsprechenden Verbesserung des Signal-Rausch-Abstandes für
die informationshaltigen reflektierten Signale, und die Herabsetzung der Anzahl von internen Reflexionsflächen mit entsprechender
Verbesserung des Bildkontrastes sind erhebliche Vorteile, die durch die Erfindung erreicht werden.
Wenn gemäß Fig. 1 eine Druckwelle von einem Wandler 31 von der Linse 40 in ein Medium unterschiedlicher akustischer
Impedanz tritt (beispielsweise vielleicht in eine Wassermenge, die außerhalb der Haut 20 angeordnet ist, oder vielleicht
direkt durch die Haut in darunter befindliches Blut, .Fett- und Muskelgewebe), ergibt sich eine erste Teilreflexion und Teiltransmission
der Schwingungsenergie an der Oberfläche 42. Der durchgelassen^ Teil der Schwingungsenergie wandert daraufhin
tiefer in den Körper, bis die nöchstfolgende akustische Impedanzdiskontinuität
angetroffen wird, und zu diesem Zeitpunkt ergibt sich eine zweite Teilreflexion und Teiltransmission von
Schwingungsenergie. Gemäß Fig. 1 findet die zweite Teilreflexion
und Teiltransmission an der Vorderwand 11 des Herzens 10 statt. Es ergeben sich anschließend weitere Teilreflexionen
von und Teiltransmissionen durch die verschiedenen
.../16 BU9842/üb96
inneren Strukturen im Herzen und der rückwärtigen Herzwand Schließlich wird die gesendete Schwingungsenergie vollständig
innerhalb der Körpergewebe hinter dem Herzen gedämpft.
Die von der ersten Reflexionsfläche 42 reflektierten Signale kommen zu den Wandlern 31 zurück, ehe folgende Echosignale
ankommen, die von entfernteren Reflexionsflächen reflektiert
werden, die innerhalb des Körpers des Patienten liegen. Dementsprechend sind Reflexionen von der Oberfläche 42 leicht
unterscheidbar und können vom Prozessor 48 zurückgewiesen werden, so daß sie in dem Bild nicht erscheinen, das auf einer
Op
Bildwiedergabeeinrichtung/aufgebaut wird. Eine elektronische
Schaltung, mit der ein solches Bild geliefert wird, wird später in Verbindung mit Fig. 2 besprochen.
Ein zeitweiliges Muster der Reflexionen der verschiedenen Wellenfronten
von der Vorderwand 11 ergibt ein Bild, das elektronisch auf dem Wiedergabegerät 82 angezeigt wird, und zwar von Bewegungen
der Vorderwand 11. In ähnlicher Weise kann ein zeitweiliges Muster der Reflexionen von internen Strukturen inner- ·
halb des Herzens, oder von Reflexionen von d.er Rückwand 12 ein Bild der Bewegungen dieser Strukturen liefern. Eine echokardiographische
Untersuchung eines bestimmten Patienten kann besonders eine spezielle interne Struktur 13 des Herzens betreffen,
beispielsweise eine Sektion des Herzmuskels oder stattdessen die Aortaklappe (aortic valve). In diesem Falle
kann der Prozessor 48 so programmiert werden, daß er eine Anzeige nur von solchen reflektierten Signalen liefert, deren
Ankunftszeit an den Wandlern 31 andeutet, daß sie aus einer speziellen Tiefe innerhalb des Körpers kommen, entsprechend
der ungefähren Lage der Struktur 13, die zu untersuchen ist. Bei einem solchen Programm erscheinen alle reflektierenden
Strukturen, die in der gewählten Tiefe liegen, auf dem Anzeigegerät 82, wobei die Bilder an den linken und rechten Rändern
des Herzens (in Fig. 1 mit den Bezugszeichen 52 bzw. 52' bezeichnet)
auf der linken bzw. rechten Seite des Bildschirmes
kllQU/, V/lltQH * · * /^-7
erscheinen, und die oberen und unteren Bereiche des Herzens im oberen bzw. unteren Teil des Bildschirmes abgebildet
werden. Diese Wiedergabeart wird allgemein als C-Scan-Darstellung bezeichnet.
Wenn die Wandler 31 in einer zweidimensionalen, gitterartigen
Anordnung auf der Außenfläche 41 der Linse 40 angeordnet sind, ist es möglich, C-Scan-Signale zu erhalten, so daß eine
Sektion des menschlichen Körpers senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der gesendeten Ultraschallwellen abgebildet und
visuell auf dem Bildschirm 82 dargeboten werden kann. Eine solche C-Scan-Abbildung wird dadurch erhalten,■daß die Prozessoreinheit
48 so programmiert wird, daß sie nur diejenigen reflektierten Signale auswählt, die von reflektierenden Flächen
(d.h., Impedanzdiskontinuitäten) stammen, die in einer speziellen vorgegebenen Tiefe innerhalb des Körpers liegen. C-Scan-Abbildung
liefert ein zweidimensionales Bild, das repräsentativ für die Reflexionen ist, die in einer speziellen Tiefe auftreten,
entweder von einer ebenen oder von einer gekrümmten Reflexionsfläche innerhalb des Körpers. Im C-Scan-Anzeigebetrieb
liefert Jeder Wandler 31 Information für nur ein Bildelement 89 der gesamten Anzeige. Die Position der Bildanzeige
irgendeines speziellen Bildelementes, wie durch Bezugszeichen 89 angedeutet, hängt von der Position des speziellen Wandlers
31, der dieses Bildelement erzeugt, auf der Linse ab. Jedes Bildelement 89 entspricht einem Punkt im Körper des Patienten,
der auf einer Linie liegt, die sich von einem speziellen Wandler 31 durch den Krümmungsmittelpunkt 43 der Linse und
weiter durch den Punkt des Körpers erstreckt, der abgebildet wird. Die Position des Bildelementes 89 längs dieser Linie
hängt von der Zeitelektronik innerhalb des Prozessors 48 ab. Je größer die Anzahl der Wandler 31 in der Anordnung ist, umso
größer ist die Auflösung des Bildes, und dementsprechend ist das Bilddetail umso feiner, das auf dem Bildschirm 82 ausgegeben
wird.
.../18
609842/0 596
Eine Anordnung der Wandler 31 in einer Kurve auf der Außenfläche 41 der Linse 40 gernäß Fig. 2 ergibt ein B-Scan-Bild
des untersuchten Organs. Es ist zu beachten, daß die lineare Anordnung der Wandler für eine B-Scan-Abbildung ein ausgewählter
Wandlersatz innerhalb der zweidimensionalen Anordnung sein kann, die für die C-Scan-Abbildung vorgesehen ist.
Mit anderen Worten, es kann eine einzelne Linsen- und Wandleranordnungs-Kombination
so ausgelegt werden, daß sie wahlweise im C-Scan- oder im B-Scan-Betrieb arbeiten kann. Stattdessen
kann eine lineare Anordnung von Wandlern auf eine stumpfzylindrische sphärische Linse montiert v/erden, wie in Fig.
veranschaulicht, um ein kompakteres und elektronisch einfacheres akustisches Linseillystem zu erhalten, als es mit
einer zweidimensionalen Wandleranordnung möglich ist. Für B-Scan-Abbildung muß die Außenfläche 41 der Linse 40 eine
Breite haben, die gerade ausreicht, eine Reihe von Wandlern aufzunehmen. Die Oberfläche 41 kann also eine Zylindersektion
sein, deren Achse durch den Krümmungsmittelpunkt 43 des kreisförmigen Schnittes durch den Zylinder passiert. Die Fläche
kann auch eine Sektion einer Kugel sein, die ihren Mittelpunkt bei 43 hat. B-Scan-Abbildung liefert ein zweidimensionales
Bild, das Reflexionen von einer Impedanzdiskontinuität liefert, die in einer Ebene liegt, die die lineare Anordnung
von Wandlern 31 und den Krümmungsmittelpunkt 43 enthält.
Eine elektronische Schaltung, mit der ein B-Scan-Bild aus einer linearen Anordnung von Wandlern 31 erhalten wird, ist
als Blockschaltbild in Fig. 2 dargestellt. Ein Hauptprogrammierer 83 programmiert einen Sende-Empfang-Multipiexer 60,
so daß dieser ein spezielles Wandlerelement aus der Reihe auswählt und elektrisch das ausgewählte Wandlerelement mit einem
Sender 50 und einem Verstärker 70 verbindet. Der Programmierer aktiviert dann den Sender 50, so daß dieser einen Spannungsimpuls
.../19
609842/0596
erzeugt, der an das ausgewählte Wandlerelement angelegt wird.
Als Antwort auf diesen Impuls emittiert das ausgewählte Wandlerelement einen Ultraschallwellenimpuls, der durch die
Linse 40 und in den Körper des Patienten läuft. Druckwellenreflexionen von den verschiedenen akustischen Impedanzdiskontinuitäten
innerhalb des Körpers laufen daraufhin zum gleichen Wandlerelement zurück, wobei sie einen getrennten
Spannungsimpuls in diesem Wandlerelement für jede Reflexion erzeugen und die verschiedenen Spannungsimpulse, die im
Wandlerelement erzeugt werden, zeitlich entsprechend den jeweiligen Tiefen der verschiedenen Reflexionsflächen innerhalb
des Körpers getrennt sind. Jeder Spannungsimpuls wird mit einem Verstärker 70 verstärkt und einem Detektor 75 detektiert. Eine
v/eitere Verstärkung wird durch einen Videoverstärker 81 erreicht. Der Ausgang des Videoverstärkers 81 wird dazu verwendet,
die Helligkeit des Bildes auf dem Bildwiedergabegerät zu modulieren. Der Hauptprogrammierer 83 aktiviert auch einen
Ablenkgenerator 84, so daß eine radiale Linie 86 auf dem Bildwiedergabegerät 82 erzeugt wird. Die Helligkeit irgendeines
bestimmten Punktes 89 längs der Radiallinie 86 entspricht der Größe des reflektierten Signals, das durch eine bestimmte
akustische Impedanzdiskontinuität erzeugt ist. Gemäß Fig. 2 entspricht der Punkt 87, von dem alle radialen Linien in der
Bildanzeige ausgehen, dem Krümmungsmittelpunkt 43·
Der besprochene Abbildungsprozess erfolgt während des Ruhezustandes
der ImpulsSendung. Der Programmierer 83 programmiert
weiter den Multiplexer 60 derart, daß ein zweites Wandler- :
element aus der Anordnung ausgewählt und dieses zweite Wandlerelement elektrisch mit dem Sender 50 und dem Verstärker 70
verbunden wird, nachdem eine ausreichende Zeit verstrichen ist, so daß alle Reflexionen vom ersten gesendeten Impuls zum anfänglich
gewählten Wandler element zurückkehren. Ein Intervall von einer Millisekunde zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen würde
.../20
M) 9 8 4 2 / U b 9 B
- PO -
ausreichen, allen reflektierten Signalen zu erlauben, zu der Wandleranordnung zurückzukehren, ehe ein neuer Sendeimpuls
gesendet wird. Der Sender 50 erzeugt dann einen Spannungsimpuls, der an den zweiten ausgewählten Wandler angelegt
wird. Reflexionen vom zweiten gesendeten Impuls werden dann auf dem Anzeigegerät 82 als Punkte längs einer anderen
radialen Linie 80 angezeigt, die vom Punkt 87 ausgehen. Jeder Wandler der Anordnung wird nacheinander aktiviert, und
eine Anzeige von hellen Punkten 89 wird entsprechend längs einer Reihe von Linien aufgebaut, die als radiale Ablenkung über den
Bildschirm des Bildwiedergabeberätes 82 erscheinen. Nachdem alle Wandler der Anordnung aktiviert worden sind, jeder zu
seiner Zeit durch den Hauptprogrammierer 83, wird ein komplettes Bild des abgebildeten anatomischen Organs auf dem Anzeigegerät
82 angezeigt. Für eine lineare Anordnung von 32 Wandlern kann ein vollständiges Bild etwa alle 32 Millisekunden
für eine programmierte Ruhepause von einer Millisekunde zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen erzeugt werden. Etwa
30 vollständige Bilder können pro Sekunde ausgegeben werden, was ausreichend schnell ist, um ein visuelles kontinuierliches ·
Bewegungsbild, der Bewegungen der untersuchten Organe zu erhalten, beispielsweise dem Schlagen des menschlichen
Herzens.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 3 verwendet einen doppelten Wandlersatz,um Echo- und Nachhalleffekte
zu minimieren. Die Schaltung nach Fig. 3 ist identisch der nach Fig. 2, nur daß getrennte Multiplexer 61
bzw. 62 für Sendung und Empfang verwendet werden. Ein Satz Wandler 31 wird zum Senden der anfänglichen Ultraschallsignale
verwendet und ein weiterer Satz 31' wird zum Empfang reflektierter Signale verwendet. Diese beiden Wandlersätze können
in zwei parallelen Reihen auf der homozentrischen Linse
.../21
befestigt werden. Stattdessen kann die Linse in zwei Hälften gespalten werden, wobei ein schallabsorbierendes Material die
beiden Hälften trennt. Der Hauptvorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß Echo- und Hallerscheinungen, die von den
Impulssendern angeregt werden, nicht direkt in den Empfänger für die reflektierte Welle gekoppelt werden.
Die Linse 40 nach Fig. 1 ist bisher/als sphärische homozentrische
Linse beschrieben worden, wobei die Linsenoberflächen 41 und 42 Segmente von Kugeln mit einem gemeinsamen Mittelpunkt sind.
Der Krümmungsradius der Oberfläche 41 ist überall konstant, und der Krümmungsradius der Oberfläche 42 ist ebenfalls überall
konstant. Eine andere Ausführungsform der Linse 40 ist bei 90 in Fig. 4 dargestellt. Bei dieser alternativen Ausführung
sind die Linsenflächen 91 und 92 nicht Kugelsegmente,
sondern Ellipsoidsegmente. Wie im Fall der Linse 40 nach Fig. ist die Außenfläche 91 der Linse 90 konvex und die Innenfläche
konkav, um die Ultraschallenergie, die von den Wandlern 31
emittiert wird, die auf der Außenfläche 91 befestigt sind, zu fokussieren. Die innere Linsenfläche 92 hat einen Krümmungsradius
T1 in seitlicher Richtung orthogonal zur Orientierung
der Wandleranordnung, und einen anderen Krümmungsradius r^
in Richtung parallel zur Orientierung der Wandleranordnung. In ähnlicher Weise kann die äußere Linsenfläche 91 unterschiedliche
Krümmungsradien für Jede der beiden gegenseitig orthogonalen Richtungen auf der Oberfläche haben.
Bei einer linearen Anordnung von Wandlern 31» wie sie beim B-Scan-Anzeigebetrieb
verwendet wird, kann die ellipsoidische Geometrie vorteilhafter sein als die sphärische Geometrie der
akustischen Linse, weil es erwünscht sein kann, daß der Ultraschallstrahl in der Richtung orthogonal zur Orientierung der
gekrümmten linearen Wandleranordnung breiter ist als in Richtung
parallel zur Orientierung der gekrümmt linearen
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Wandleranordnung. Wenn der Krümmungsradius r, der Fläche 91
in Richtung orthogonal zur Orientierung der daran befestigten gekrümmten linearen Wandleranordnung größer ist, können
ellipsoidische oder rechteckige Wandler leichter an der Fläche 91 befestigt werden. Der entsprechende Krümmungsradius
für die Innenfläche 92 kann so gewählt werden, daß die gewünschten Fokussiereigenschaften erhalten werden. Die Abweichung
dieser Ausführungsform von der homozentrischen Konstruktion
ist nicht schwerwiegend, weil in der Schmalabmessung der Linse 90 keine großen Aperturwinkel benötigt werden. Die
Fläche der ellipsoidischen oder rechteckigen Wandler 31 auf der äußeren ellipsoidischen Fläche 91 der Linse 90 kann bei
der ellipsoidischen Geometrie größer als bei der sphärischen Geometrie sein. Die größere Oberfläche für die Kristalle ergibt
eine entsprechende Verringerung ihrer elektrischen Impedanz, so daß die Kristalle mit einer kleineren elektrischen Spannung
getrieben werden können, was sich besser mit der modernen Festkörperelektronik verträgt.
Als Spezialfall der beschriebenen ellipsoidischen Geometrie kann der Krümmungsradius der Außenfläche 91 der Linse 90 in der
seitlichen Richtung orthogonal zur Orientierung der Wandleranordnung unendlich gemacht werden. Das erlaubt im Effekt der
Linse, eine Zylinderform anzunehmen, wobei die Zylinderachse orthogonal zur akustischen Achse der Linse liegt. Diese
zylindrische Konfiguration erleichtert die Herstellung einer solchen Linse erheblich, und ergibt eine zusätzliche Empfindlichkeit
auf Kosten einer Verschlechterung der seitlichen Auflösung. Bei B-Scan-Abbildung, wo die laterale Auflösung irrelevant
ist, wird eine zylindrische Linsenkonfiguration bevorzugt .
.../23
6Ü98A2/Üb96
Im üblichen Fall, wo die äußere Linsenfläche 91 Zylinderform
hat, kann die innere Linsenfläche 92 auch vorteilhafterweise zylindrisch geformt werden. Für spezielle Zwecke kann es
Jedoch auch erwünscht sein, für die Außenfläche 91 Zylinderform zu wählen, während eine ellipsoidische oder sogar eine
sphärische Form für die Innenfläche 92 gewählt wird. Eine ellipsoidische oder sphärische Innenfläche 92 würde eine
erwünschte Fokussierung des Ultraschallstrahls in zwei Dimensionen durch entsprechende Wahl der Werte für r-, und r2 erlauben,
während eine zylindrische Außenfläche 91 eine einfachere Wandlergeometrie ergibt und damit Wandlerelemente mit geringerer
Impedanz als es mit einer ellipsoidischen oder sphärischen Oberfläche möglich wäre. Die Verwendung einer zylindrischen
Außenfläche und einer ellipsoidischen oder sphärischen Innenfläche für die akustische Linse ergibt damit die Vorteile einer
einfachen Linsenherstellung, Wandlerelemente mit niedrigerer elektrischer Impedanz und höhere Empfindlichkeit, die sich aus
großflächigen Wandlerelementen ergibt.
Fig. 5 zeigt eine Aperturblende 94, die im Krümmungsmittelpunkt
43 der inneren Linsenfläche 42 angeordnet ist. Die Aperturblende 49 grenzt außerhalb der Achse reflektierte Strahlen dagegen
ab, in die Linse 40 einzutreten, so daß eine sphärische Aberration verhindert wird, die sich sonst ergeben würde. Die
Aperturblende 94 ist besonders nützlich, wenn Bereiche am Bauch oder anderen Teilen des Körpers abgetastet werden, wo die
schalldurchlässige Apertur nicht besonders klein ist.
Aus Fig. 1 ist noch erkennbar, daß jeder Empfangswandler 31
eine Folge von relativ diskreten reflektierten Signalen erhält, wobei jedes Signal die Tiefe unterhalb der Haut einer speziellen
Ultraschallschwingungsreflexionsstruktur innerhalb des Herzens
.../24
B U 9 Β A '2 I 0 b 9
anzeigt. Es ist zu erwähnen, daß es nicht notwendig ist, daß alle Sendewandler in der Lage sind, im Empfangsbetrieb zu
arbeiten. Tatsächlich ist es, wie bereits in Verbindung mit Fig. 3 erläutert, möglich, daß die Sende- und Empfangsvorgänge
getrennt von zwei getrennten Wandlersätzen durchgeführt werden. Es ist einzusehen, daß das Gesamtbild, das aus den reflektierten
Signalen aufgebaut werden kann, umso detaillierter ist, je größer die Anzahl der Empfangswandler 31 ist, die sich in der
Anordnung befinden.
Die Erfindung ist zwar als besonders angepaßt an die akustische Abbildung eines anatomischen Organs in situ beschrieben, die
Prinzipien der Erfindung sind jedoch allgemein anwendbar bei der akustischen Abbildung und sind beispielsweise bei der zerstörungsfreien
Prüfung anwendbar.
B U 9 8 U 2 I (J b 9 b
Claims (21)
1. Akustisches Linsensystem, mit dem Ultraschallwellen von einer Anzahl Ultraschallwandler konvergiert werden,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei Linsenflächen einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt in wenigstens einem
Schnitt durch beide Linsenflächen haben.
2. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Linsenflächen sphärisch
ist.
3. Linsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Linsenflächen ellipsoidisch
ist.
4. Linsensystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens eine der beiden Linsenflächen zylindrisch ist.
5. Linsensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Linsenflächen sphärisch sind.
6. Linsensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die KrUmmungsmittelpunkte beider Linsenflächen
zusammenfallen.
7. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler an einer der Linsenflächen
derart befestigt sind, daß die Ultraschallwellen
unmittelbar in die Linse eintreten.
.../A2
609842/Übyb
- AST -
8. Linsensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler an der konvexen Linsenfläche befestigt
sind.
9. Linsensystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler in einer zweidimensionalen Anordnung auf
der Linsenfläche angeordnet sind.
10. Linsensystem nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet,
daß ein Satz Wandler der zweidimensionalen Anordnung für Betrieb als eindimensionale Anordnung auswählbar ist, so
daß Ultraschallwellen in einer gewünschten Orientierung in die Linse eintreten.
11. Linsensystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler in einer eindimensionalen Anordnung auf
der Linsenfläche angeordnet sind.
12. Linsensystem nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler auf der
zylindrischen Linsenfläche befestigt sind.
13· Linsensystem nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Linse vorgesehen ist,
auf einer Linsenfläche der zweiten Linse eine Anzahl Ultraschallwandler befestigt ist, die Linsen durch schallabsorbierendes
Material getrennt sind, und die Ultraschallwandler der zweiten Linse als Empfänger geschaltet sind.
14. Linsensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Geometrie der beiden Linsen ähnlich ist.
.../A3
6ü9842/Üb9ö
15. Linsensystem nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Schallabsorptionsmittel in Kontakt
mit der die Wandler tragenden Linsenfläche und den Wandlern vorgesehen sind.
16. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Krümmungsmittelpunkt eine Aperturblende
angeordnet ist.
17. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis l6, dadurch gekennzeichnet, daß es in ein Sondengehäuse montiert ist.
18. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß es Teil eines Ultraschallabbildungssystems
ist, das auf reflektierte Ultraschallwellen, die auf wenigstens einige der Wandler auftreffen, ansprechende
Einrichtungen aufweist, die den reflektierten Ultraschallwellen entsprechende elektrische Analogsignale liefern,
und auf diese elektrischen Analogsignale ansprechende Einrichtungen zur Erzeugung einer visuellen Darstellung
der die Ultraschallwellen reflektierenden Struktur.
19. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Brechungsindex der
Linse kleiner ist als der akustische Brechungsindex von V/asser.
Linsensystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß jede Linse aus Aluminium besteht.
21. Linsensystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß jede Linse aus Polystyrol besteht.
BU9842/Ub96
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19762639246 DE2639246A1 (de) | 1975-03-07 | 1976-03-06 | Akustisches linsensystem |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
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DE2609425A1 true DE2609425A1 (de) | 1976-10-14 |
DE2609425B2 DE2609425B2 (de) | 1979-02-01 |
DE2609425C3 DE2609425C3 (de) | 1979-10-04 |
Family
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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Country Status (6)
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CA (1) | CA1091337A (de) |
DE (1) | DE2609425A1 (de) |
FR (1) | FR2303289A1 (de) |
GB (1) | GB1546445A (de) |
NL (1) | NL7602288A (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2654280A1 (de) | 1975-12-01 | 1977-06-08 | Hoffmann La Roche | Elektronisch abgetastete ultraschall-abbildung |
US6307303B1 (en) | 1998-07-23 | 2001-10-23 | Siemens Aktiengesellschaft | Ultrasound transmitting configuration |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2423793A2 (fr) * | 1977-04-29 | 1979-11-16 | Anvar | Perfectionnements aux dispositifs mettant en oeuvre des ultrasons pour former des images, notamment pour l'examen interne du corps humain |
JPS55138445A (en) * | 1979-04-13 | 1980-10-29 | Yokogawa Electric Works Ltd | Method of scanning sound field to be inspected in phaseddarrayysonar |
JPS55151258A (en) * | 1979-05-14 | 1980-11-25 | Hitachi Ltd | Acoustic wave probe |
JPS5724998A (en) * | 1980-07-22 | 1982-02-09 | Alps Nortronics | Ultrasonic wave condensing lens |
GB8332867D0 (en) * | 1983-12-09 | 1984-02-08 | Nat Nuclear Corp Ltd | Apparatus for sensing |
JP2763326B2 (ja) * | 1989-03-31 | 1998-06-11 | オリンパス光学工業株式会社 | 超音波用結像レンズ系 |
JP3105516B2 (ja) * | 1990-04-04 | 2000-11-06 | オリンパス光学工業株式会社 | 音響レンズ系 |
CN1164341C (zh) * | 2001-11-05 | 2004-09-01 | 北京源德生物医学工程股份有限公司 | 一种聚焦超声波波源 |
KR102306705B1 (ko) | 2016-08-25 | 2021-09-30 | 엘지전자 주식회사 | 청소기 |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2438936A (en) * | 1943-10-06 | 1948-04-06 | Bell Telephone Labor Inc | Electromechanical transducer |
US3483504A (en) * | 1967-08-23 | 1969-12-09 | Us Navy | Transducer |
US3699805A (en) * | 1968-07-26 | 1972-10-24 | Gen Motors Corp | Ultrasonic testing apparatus |
US3895339A (en) * | 1974-03-29 | 1975-07-15 | Westinghouse Electric Corp | Acoustic camera apparatus |
-
1976
- 1976-03-02 GB GB826976A patent/GB1546445A/en not_active Expired
- 1976-03-04 NL NL7602288A patent/NL7602288A/xx not_active Application Discontinuation
- 1976-03-05 CA CA247,228A patent/CA1091337A/en not_active Expired
- 1976-03-06 DE DE19762609425 patent/DE2609425A1/de active Granted
- 1976-03-08 JP JP51024276A patent/JPS5912988B2/ja not_active Expired
- 1976-03-08 FR FR7606546A patent/FR2303289A1/fr active Granted
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2654280A1 (de) | 1975-12-01 | 1977-06-08 | Hoffmann La Roche | Elektronisch abgetastete ultraschall-abbildung |
US6307303B1 (en) | 1998-07-23 | 2001-10-23 | Siemens Aktiengesellschaft | Ultrasound transmitting configuration |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS51113601A (en) | 1976-10-06 |
DE2609425B2 (de) | 1979-02-01 |
FR2303289B1 (de) | 1982-02-26 |
CA1091337A (en) | 1980-12-09 |
FR2303289A1 (fr) | 1976-10-01 |
NL7602288A (nl) | 1976-09-09 |
DE2609425C3 (de) | 1979-10-04 |
JPS5912988B2 (ja) | 1984-03-27 |
GB1546445A (en) | 1979-05-23 |
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OGA | New person/name/address of the applicant | ||
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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