DE2609425B2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein akustisches Linsensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für die akustische Abbildung von anatomischen Organen, z. B. Echokardiographie.

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 Schwin gungsenergie an der Grenzfläche zwischen den beiden Bereichen zum Wandler zurückreflektiert Der Rest der Schwingungsenergie wird tiefer in die Körpergewebe durchge'assLfi, bis eine weitere akustische Impedanzdiskontinuität erreicht wird, worauf eine weitere Teilrefle-

JO xion 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 Tiefe zu messen, in denen die verschiedenen Reflexionen innerhalb des Körpers

■to stattfinden, indem die Ankunftszeit des reflektierten Signals am Wandler mit der Zeit des anfänglich emittierten Impulses in Beziehung gesetzt wird (The Journal of the Acoustical Society of America, Bd. 44, Nr. 5,1968, S. 1310-1318).

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 Schwin gungen zu empfangen, die von Impedanzdiskontinuitä ten reflektiert sein können. Die Position und Orientierung des Ultraschall-Strahl-Wandlers werden für das spezielle abzutastende Organ mit geeigneten Verbindungsgliedern mit Positionsbestimmungswandlern be- stimmt, 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 (The Journal of the Acoustical Society of America, Bd. 44, Nr. 5,1968,

S. 1310-1318; US-PS 3480002). 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 dn Wandler einen Impuls emittiert Da das Multiplexen erheblich schneller erfolgen kann als irgendeine entsprechende mechanische Bewegung eines Kontakt-Scanners, 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 (US-PS 37 89 833). 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 d-sr 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 (US-PS 30 13 170).

Aufgabe der Erfindung ist es, 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, ohne daß Aberrationen außerhalb der Achse auftreten. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Die Form der gekrümmten Fläche bzw. beider Flächen richtet sich nach den spezifischen Anforderungen. Sphärische Linsenflächen ergeben die sauberste Fokussierung in allen Richtungen, bei ellipsoidischen Flächen wird die Fokussierung in einer Richtung beeinträchtigt, es ist aber leichter, elliptische oder rechteckige Wandler auf der Fläche anzuordnen, also großflächigere Wandler zu verwenden als bei sphärischen Flächen, so daß die elektrische Impedanz der Wandler geringer wird, so daß diese leichter getrieben werden können. Bei linearer Wandleranordnung stört auch die unterschiedliche Fokussierung in den verschiedenen Richtungen nicht, so daß ellipsoidische Flächen für diesen Fall besonders vorteilhaft sind. Ist darüber

hinaus nur eine B-Scan-Abbildung erwünscht, reicht sogar eine Zylinderfläche aus, die wesentlich leichter herzustellen ist, allerdings die seitliche Auflösung auch erheblich verschlechtert Bei B-Scan-Abbildung spielt die seitliche Auflösung jedoch ke:ne Rolle, so daß die Vorteile einer Zylinderfläche voll zum Tragen kommen. Wenn beide Linsenflächen sphärisch sind, und insbesondere dann, wenn deren Krümmungsmittelpunkte zusammenfallen, so daß sich eine homozentrisdie Linse ergibt, erhält man die beste Abbildungsqualität

Spezielle Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 7 bis 19.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt

F i g. 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;

F i g. 2 eine akustische Linse und ein Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung zur Schaffung einer visuellen Anzeige eines anatomischen Organs;

F i g. 3 eine alternative Ausführungsform eines akustischen Linsensystems nach der Erfindung mit einem doppelten Wandlersatz, einem zum Senden und einem zum Empfangen von Ultraschallschwingungen;

F i g. 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. F i g. 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. Dement-

sprechend 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 Ultraschallbildung 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 4ö 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 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 werden würden, beträgt der gesamte Intensitätsabfall oder die Dämpfung eines Ultraschallsignals, das von der rückwärtiger. Wand des Herzens reflektiert wird, etwa 80 dB. Aus solchen Energieübertragungsbetrachtungen zeigt sich, daß eine anfängliche Spitzenleistungsdichte von 100 mW/cm² vollständig geeignet für medizinische Untersuchungszwecke ist, und keine ungunstigen 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 homozentrischen 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 Krümmungsmittelpunkt haben. Die Außenfläche 41 und die Innenfläche 42 der Linse 40 haben also einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt 43. Die Linse 40 besteht aus einem festen Werkstoff, Metall oder Kunststoff, beispielsweise Aiuminium 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) wichtig, weil dieser Faktor die Brechkraft der Linse kontrolliert Die akustische Impedanz des Materials ist ebenfalls wichtig, weil diese Faktor das Verhältnis der reflektierten Leistung zu durchgelassenen Leistung an den Linsenoberflächei festlegt. Die Dichte des Materials ist ebenfalls eil wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Brauchbarkei eines Materials für die Linse eines in der Hand zi haltenden Instruments. Für die oben vorgeschlagene: Linsenmaterialien beträgt der Brechungsindex voi Aluminium für Ultraschall-Druckwellen 0,24, wahrem der Brechungsindex für Polystyrol 0,65 ist, wobei de Brechungsindex von Wasser zu I gesetzt ist. Aluminiun ergibt also eine größere Brechkraft als Polystyrol, s< daß mit Aluminium eine kleinere Linse konstruier werden kann. Das ist wichtig, wenn die Gesamtgrößi der wichtigste Gesichtspunkt ist. Die Dichte voi gewalztem Aiuminium beträgt jedoch 2,7, während dii Dichte von Polystyrol nur 1,06 beträgt. Wenn also da Gewicht der wichtigste Gesichtspunkt ist, kam Polystyrol gegenüber Aluminium vorzuziehen sein.

Die Linse 40 kann entweder von einer flexible: Haltestruktur abgestützt werden, oder in einem in de Hand zu haltenden Instrument montiert sein. Im Betriel wird die innere Linsenoberfläche 42 so positioniert, dal der Krümmungsmittelpunkt 43 in einem erwünschtei akustischen Fenster im Brustkorb liegt, beispielsweisi im vierten Interkostalraum. Die Linse 40 kann dich gegen die Haut 20 gepreßt werden, so daß kein Luftspal zwischen der inneren Linsenfläche 42 und der damit ii Berührung stehenden Hautoberfläche verbleibt, oder e kann ein geeigneter Behälter für Wasser oder eini andere Flüssigkeit zwischen die innere Linsenoberflä ehe und die Haut gebracht werden.

In Fig. 1 sind Strahlen für zwei Wandler de Anordnung angegeben, die die Richtung der Vorwärts bewegung von gesendeten Wellenfronten anzeiger Diese Wellenfronten laufen zunächst divergierend voi den Wandlern 31 durch die Linse 40. An der Innenfläch ι

42 wird dafür gesorgt, daß die Wellenfronten zu eine Brennfläche 44 konvergieren, die innerhalb de:

■to Brustkorbes auf der anderen Seite des akustischei Fensters liegt. Die Brennfläche 44, die in F i g. 1 mi unterbrochenen Linien angedeutet ist, ist eine Sektioi einer Kugel, die den gleichen Krümmungsmittelpunk

43 hat wie die Außen- und Innenflächen 41 bzw. 42 dei homozentrischen Linse. Jeder Wandler 31 in de:

Anordnung weist einen eindeutigen Brennpunkt 45 au der Brennfläche 44 auf. Obwohl die Wandler 31 zusammen eine große Gesamtfläche der Außenfläche 41 der Linse 40 überdecken können, und obwohl di<

so Brennfläche 44 sich über einen großen Bereicf innerhalb des Brustraums erstrecken kann, konvergie ren trotzdem alle Strahlen, die durch das akustisch« Fenster hindurchtreten, zu einem kleinen Interkostal raumbereich, der um den KrümmungsmiUelpunkt 43 zentriert ist und von den benachbarten Rippen begrenz· ist Die Brennfläche 44 definiert die Tiefe innerhalb de: Körpers, für die die schärfste Fokussierung erreichbai ist Für Zwecke der Echokardiographie, wobei di« maximale Dimension eines erwachsenen menschlicher Herzens in der Größenordnung von 12 cm liegt, wire eine adäquate Schärfentiefe mit den hier beschriebener Techniken erreicht Formeln, die von A-E-Conradj in »Applied Optics and Optical Design«, Dovei Publications, Inc, Teil I (1957) und Teil II (1960 angegeben werden, können für analoge akustisch« Systeme verwendet werden, um den Brennbereich um die Effekte von sphärischen Aberrationen für eil akustisches System mit homozentrischer Linse abzu

schätzen. 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, statt dessen 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.

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 40 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 F i g. 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.

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 F i g. 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. Die Wandler 31 sind 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 49 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 L e e s, GiI-more 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.

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 49 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.

Wenn gemäß F i g. 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 durchgelassene Teil der Schwingungsenergie wandert daraufhin tiefer in den Körper, bis die nächstfolgende akustische Impedanzdiskontinuität angetroffen wird, und zu diesem Zeitpunkt ergibt sich eine zweite Teilreflexion und Teiltransmission von Schwingungsenergie. Gemäß F i g. 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 inneren Strukturen im Herzen und der rückwärtigen Herzwand 12. 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 Bildwiedergabeeinrichtung 82 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 U 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 innerhalb des Herzens, oder von Reflexionen von der 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 statt dessen die Aortaklappe. 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 F i g. 1 mit den Bezugszeichen 52 bzw. 52' bezeichnet) auf der linken bzw. rechten Seite des Bildschirmes 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 7.U 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 Informationen 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 B'ldelementes 89 längs dieser Linie hängt von der Zeitelektronik innerhalb des Prozessors 48 ab. Je größer die Anzahl der Wandler 31 in der Anordnung ist, um so größer ist die Auflösung des Bildes, und dementsprechend ist das Bilddetail um so feiner, das auf dem Bildschirm 82 ausgegeben wird.

Eine Anordnung der Wandler 31 in einer Kurve auf der Außenfläche 41 der Linse 40 gemäß 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. Statt dessen kann eine lineare Anordnung von Wandlern auf eine stumpfzylindrische sphärische Linse montiert werden, wie in F i g. 2 veranschaulicht, um ein kompakteres und elektronisch einfacheres akustisches Linsensystem 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 31 aufzunehmen. Die

to Oberfläche 41 kann also eine Zylindersektion sein, deren Achse durch den Krümmungsmittelpunkt 43 des kreisförmigen Schnittes durch den Zylinder passiert. Die Fläche 41 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 F i g. 2 dargestellt. Ein Hauptprogrammierer 83 programmiert einen Sende-Empfang-Multiplexer 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 83 aktiviert dann den Sender 50, so daß dieser einen Spannungsimpuls 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

■*5 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

w jeweiligen Tiefen der verschiedenen Reflexionsflächen innerhalb des Körpers getrennt sind. Jeder Spannungsimpuls wird mit einem Verstärker 70 verstärkt und einem Detektor 75 detektiert. Eine weitere Verstärkung wird durch einen Videoverstärker 81 erreicht. Der

*5 Ausgang des Videoverstärkers 81 wird dazu verwendet, die Helligkeit des Bildes auf dem Bildwiedergabegerät 82 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 F i g. 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 Wandlerelement 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

b"» gesendeten Impuls zum anfänglich gewählten Wandlerelement zurückkehren. Ein Intervall von einer Millisekunde zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen würde ausreichen, allen reflektierten Signalen zu erlauben, zu

der Wandleranordnung zurückzukehren, ehe ein neuer Sendeimpuils 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 88 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 Bildwiedergabegerätes 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 F i g. 3 verwendet einen doppelten Wandlersatz, um Echo- und Nachhalleffekte zu minimieren. Die Schaltung nach F i g. 3 ist identisch der nach F i g. 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 befestigt werden. Statt dessen 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 F i g. 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 F i g. 1 ist die Außenfläche 91 der Linse 90 konvex und die Innenfläche 92 konkav, um die UHtraschallenergie, die von den Wandlern 31 emittiert ward, die auf der Außenfläche 91 befestigt sind, zu fokussieren. Die innere Linsenoberfläche 92 hat einen Krümmungsradius r, in seitlicher Richtung orthogonal zur Orientierung der Wandleranordnung, und einen anderen Krümmungsradius r₂ 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 Wandleranordnung. Wenn der Krümmungsradius η 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 sphärisehen 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 Spezialfali 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.
Im üblichen Fall, wo die äußere Linsenfläche 91

«o 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 η 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 ellipsoidi-

sehen 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 «ine 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

t>5 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 schalldurchlässiee Anertur nicht

besonders klein ist.

Aus F i g. 1 ist noch erkennbar, daß jeder Empfangswandler 31 eine Folge von relativ diskreten reflektierten Signalen erhält, wobti jedes Signal die Tiefe unterhalb der Haut einer speziellen Ultraschallschwingungsreflexionsstruktur innerhalb des Herzens 10 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, um so 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, beispielsweise bei der zerstörungsfreien Webstoffprüfung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (19)

Patentansprüche:

1. Akustisches Linsensystem für Einrichtungen zur Erzeugung von Echogrammen, das eine Anzahl von Ultraschallwandlern enthält, deren Ultraschallwellen konvergent gemacht werden sollen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler auf einer gekrümmten Fläche einer Linse angeordnet sind, deren beide Flächen einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt aufweisen.

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 Krümmungsmittelpunkte beider Linsenflächen zusammenfallen.

7. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Wandler an der konvexen Linsenfläche befestigt sind.

8. Linsensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Wandler in einer zweidimensionalen Anordnung auf der Linsenfläche angeordnet sind.

9. Linsensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Satz Ultraschall-Wandler der zweidimensionalen Anordnung für Betrieb als eindimensionale Anordnung auswählbar ist, so daß Ultraschallwellen in einer gewünschten Orientierung in die Linse eintreten.

10. Linsensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Wandler in einer eindimensionalen Anordnung auf der Linsenfläche angeordnet sind.

11. Linsensystem nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Wandler auf der zylindrischen Linsenfläche befestigt sind.

12. Linsensystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Linse vorgesehen ist, auf einer Linsenfläche der zweiten Linse eine Anzahl Ultraschall-Wandler befestigt ist, die Linsen durch schallabsorbierendes Material getrennt sind, und die Ultraschall-Wandler der zweiten Linse als Empfänger geschaltet sind.

13. Linsensystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie der beiden Linsen ähnlich ist.

14. Linsensystem nach einem der Ansprüche 7 bis

13, dadurch gekennzeichnet, daß Schallabsorptionsmittel in Kontakt mit der die Wandler tragenden Linsenfläche und den Wandlern vorgesehen sind.

15. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis

14, dadurch gekennzeichnet, daß im Krümmungsmittelpunkt eine Aperturblende angeordnet ist.

16. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis

15, dadurch gekennzeichnet, daß es in ein Sondengehäuse montiert ist.

17. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis

16, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische

Brechungsindex der Linse kleiner ist als der akustische Brechungsindex von Wasser.

18. Linsensystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß jede Linse aus Aluminium besteht

19. Linsensystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß jede Linse aus Polystyrol besteht