DE2641265A1

DE2641265A1 - Ultraschallwandleranordnung

Info

Publication number: DE2641265A1
Application number: DE19762641265
Authority: DE
Inventors: George Kossoff
Original assignee: Commonwealth of Australia
Current assignee: Commonwealth of Australia
Priority date: 1975-09-15
Filing date: 1976-09-14
Publication date: 1977-03-17
Also published as: FR2324004A1; GB1514050A; FR2324004B1; JPS5256781A; JPS6148947B2; CA1201197A; ATA679076A; AT378115B

Description

Mein Zeichen bitte angeben

Dipl.-lng.E.Tergau Γ7/«7£ο7βυ

The Commonwealth of Australia, c/- The Department

of Health, of Alexander Building, Phillip, Australian

Capital Territory, Australien

ültraschallwandleranordnung

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

Die Ultraschallechoskopie liefert Informationen über einen zu untersuchenden Gegenstand, die in Form eines Ultraschallechogramms dargestellt werden können. Ein solches Echogramm besteht aus der Aufzeichnung akustischer Widerstandsunstetigkeiten oder reflektierender Flächen im Gegenstand. Es wird dadurch erhalten, daß

ein kurzer Impuls von Ultraschallenergie im Frequenzbereich von 1-30 MHz in den zu untersuchenden

709811/0859

t>'ürnWg Il Tetefon (0911) Telex Telegramme Bayer. Vereinsbank Stadtsparkasse Duutsche Bank Pobts.ih-.ckkonto

Hefnersplata 3 204081-83 08/22327 "Patwetzer Nbg. 6311695 Nbg. 1528 354 Nbg. 363310 Mümbstg U1S1-SS3

Gegenstand gerichtet wird, wo irgendwelche akustische Widerstandsunstetigkeiten im Gegenstande einen Teil der Energie in Form eines Echos reflektieren. Dieses Echo wird empfangen, in ein elektrisches Signal umgewandelt und als ein Echogramm.in einem Kathodenstrahloszillographen, auf einem Film, einer Karte o.dgl. aufgezeichnet.

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

7 0 9 8 11/0859

aber nicht notwendigerweise identischen Bewegung der Grundlinie der Darstellung erhalten. Die Größe des Echos wird wie für eine eindimensionale Darstellung aufgezeichnet, z.B. als eine Ablenkung der Grundlinie oder als eine Intensitätsänderung.

Die Technik der Ultraschallechoskopie wird in der medizinischen Diagnostik verwendet, um Informationen über die Anatomie von Patienten zu erhalten. Die Anwendung dieser Technik ist jetzt in weitem Umfang erforscht und z.B. von D.E. Robinson beschrieben in Proceedings of the Institution of Radio and Electronics Engineering, Australia,Vol. 31, No. 11, Seiten 385-392, November 1970: "The Application of Ultrasound in Medical Diagnosis". Wie in diesem Aufsatz ausgeführt wird, kann die Ultraschallechoskopie dazu verwendet werden, Darstellungen herzustellen, die anatomischen Querschnitten ähneln, die sich klinisch als nützlich erwiesen haben, wenn die gewünschten Informationen körperliche Abmessungen, Organformen, Strukturen o.dgl. betreffen. Die Ultraschallechographie hat sich als besonders wertvoll erwiesen als ein diagnostisches Hilfsmittel beim Unterleib und bei der Gebärmutter während der Schwangerschaft, beim Auge, bei der Brust, beim Gehirn, bei der Lunge, bei der Niere, bei der Leber und beim Herzen, also in Bereichen mit weichem Ge-

70981 1/0859

webe mit wenig Knochen und Luft. Im allgemeinen wird diese Technik als Ergänzung anderer Techniken angesehen, um ein vollständigeres Bild vom Zustand der Patienten zu gewinnen, jedoch besonders bei Schwangerschaften kann die ültraschallechoskopie anstelle von Röntgenstrahlen nützlich sein, wenn diese entweder keine genügende Information ergeben oder gefährlich sein können. Bei der medizinischen Anwendung wird ein Impuls von Ultraschallenergie in einen Patienten in einer bekannten Richtung übertragen, und Echos werden von reflektierenden Flächen innerhalb des Körpers erhalten. Die zeitliche Verzögerung zwischen einem übertragenen Impuls und dem erhaltenen Echo hängt von der Entfernung des Übertragers von der reflektierenden Fläche ab, und die so erhaltene Entfernungsinformation kann in einer geeigneten Weise zur Auswertung und klinischen Verwendung als eine eindimensionale Entfernungsanzeige oder als ein zweidimensionaler Querschnitt dargestellt werden, wie vorher beschrieben worden ist.

Dieses bekannte System hat hinsichtlich der Ausbreitung des Wandlerstrahles in einer Richtung senkrecht zu der Strahlachse einen Nachteil. Diese Strahlbreite ist groß, verglichen mit der Länge des Ultraschallimpulses entlang der Achse, und bildet die Begrenzung bei der Auflösung von Ultraschallanzeigesystemen. Die Strahl-

709811/08 5 9

breite kann durch geometrische Fokussierung des Wandlers durch Krümmung der Oberfläche des Wandlers reduziert werden, alternativ kann eine akustische Linse zwischen dem Wandler und dem zu prüfenden Gegenstande angeordnet werden. Der Grad der Scharfeinstellung kann durch Änderung der Größe des Wandlers geändert werden, und die Brennweite des Fokussierungssystems mit einem größeren Wandler und einer kürzeren Brennweite geben Veranlassung zu einem schärfer eingestellten System. Dieses Verfahren zur Verbesserung der Auflösung durch Fokussierung ist begrenzt durch Beugungseffekte zu der sogenannten "begrenzten Auflösung durch Beugung". Bei der schärferen Fokussierung ist die Entfernung, über die die Strahlbreite schmal ist, eingeschränkt, und es war bei der Echoimpulsanzeige üblich, Wandler zu verwenden, die schwach oder mittelstark fokussiert waren, um den besten Kompromiß zwischen der Strahlenbreiteauflösung und dem üblichen Bereich oder der Tiefe des Feldes zu bieten. Eine theoretische Diskussion dieser Effekte ist in einem Aufsatz enthalten: "Entwurf von Wandlern mit schmalen Strahlen", G. Kossoff, J. Acoust. Soc. Amer. v. 36, n. 6, Seiten 905-902, Juni, 1963.

Eine alternative Methode der Erzielung einer Fokussierungswirkung besteht darin, einen Wandler mit planarer Oberfläche mit einer Mehrzahl von Anordnungs-

709811/0859

elementen zu verwenden, von denen jedes mit einem getrennten elektronischen Stromkreis verbunden ist. Insbesondere können die Anordnungselemente aus einer Anzahl konzentrischer Ringe zusammengesetzt sein. Die Fokussierungswirkung wird erreicht durch regelmäßige Verzögerung der Signale von geeigneten Elementen. So wird, wenn die äußeren Ringe zuerst erregt werden und dann nacheinander die Inneren mit einer geeigneten Zeitverzögerung, eine konkave Wellenfront erzeugt, welche zu einem Punkt in dem zu prüfenden Gegenstand konvergiert. So können aufeinanderfolgende übertragene Impulse in verschiedenen Bereichen fokussiert werden, um eine gute Fokussierungswirkung über den gesamten wirksamen Bereich zu erreichen. Beim Empfang ermöglichen elektronische Verzögerungsmittel im Empfänger Wellen von einem Punkt bei einer gegebenen Entfernung entlang der Achse der Anordnung, die ausgerichtet und kombiniert werden muß, um einen wirksamen Brennpunkt zu bilden, wobei die maximale Verzögerung dem inneren Ring oder der Scheibe zugeordnet und die Verzögerung, die nacheinander bis zu einer minimalen Verzögerung oder der Verzögerung Null erfolgt, dem äußeren Ring zugeordnet wird. Bei Änderung der Verzögerung während der Empfangszeit ist es möglich, die Lage des Brennpunktes so zu verändern, daß, wenn Signale vom tieferen

70981 1/0859

Innern im zu prüfenden Gegenstand aufgenommen werden, diese immer im Brennpunkt bleiben. Dieses System ist bekannt und in "Wandler mit veränderlichem Brennpunkt" beschrieben, O.H. Schuck, U.S.-PS 3 090 030. Die Abmessungen der zentralen Scheibe und der umgebenden Ringelemente sind aufgrund physikalischer Forderungen konstant. Es ist notwendig, daß die Entfernung von einem Punkt auf der Achse zu allen Teilen der Oberfläche der einzelnen Elemente innerhalb einer halben Wellenlänge der Schallwellen liegt. Diese Bedingung ist sehr schwer für einen Punkt in der Nähe des Wandlers zu erfüllen, und deshalb ist der Radius des zentralen Ringes so festgesetzt, daß die Entfernung von dem nächsten Punkt, an welchem Echos zu der Peripherie der Scheibe verlangt werden, genau eine halbe Wellenlänge größer ist als die Entfernung von dem zentralen Punkt der Scheibe zu dem Peldpunkt. Ähnlich ist die Breite des ersten Ringes so festgesetzt, daß die Entfernung zu der äußeren Kante des Ringes die Entfernung von der inneren Kante des Ringes um eine halbe Wellenlänge überschreitet. Diese Bedingung führt zu einer relativ großen zentralen Scheibe und nacheinander zu dünneren Ringelementen. Wie die Wandlergröße und deshalb die äußerste durch Beugung begrenzte Auflösung zunimmt, wächst auch die Zahl der notwendigen Wandlerringelemente und der Betrag der elektronischen Verzögerung, die zur Fokus-

70981 1 /0859

sierung bei einer gegebenen Entfernung verlangt wird, in verstärktem Maße. Dies führt zu einem starken Anwachsen der Kosten des Wandlers und des zugehörigen elektronischen Stromkreises in dem Maße, in dem die Zahl der Ringe wächst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine planar elektronisch fokussierte Wandleranordnung vorzusehen, bei der die Zahl der Ringe sowie die Kosten reduziert sind und der zugehörige elektronische Stromkreis vereinfacht ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von Gegenständen mit Mitteln zum Senden von Impulsen von Ultraschallenergie in die Gegenstände und zum Empfang von Echos dieser Impulse, die von akustischen Widerstandsunstetigkeiten innerhalb der Gegenstände reflektiert werden, dadurch gelöst, daß die Mittel eine fokussierte Wandleranordnung mit einem zentralen Wandlerelement aufweisen und die Achse der Wandleranordnung entlang einer Linie durch den Mittelpunkt des zentralen Wandlerelementes im rechten Winkel dazu liegt, daß eine Mehrzahl von ringförmigen Wandlerelementen, die konzentrisch zu der Strahlenachse angeodnet sind, und Mittel zur Änderung des Brennpunktes der Wandleranordnung während des Sendens der Impulse in die Gegenstände und während des Empfanges der Echos

70981 1 /0859

vorgesehen sind.

Allgemein ausgedrückt, besteht die Erfindung in der mechanischen Vorfokussierung einer Ringanordnung durch physische Krümmung der Wandleroberfläche oder mittels einer akustischen Linse zwischen dem Wandler und dem zum prüfenden Gegenstande. Dieser feste Brennpunkt ist vorgesehen, um den Ultraschallstrahl in irgendeinem Punkt in dem Tiefenbereich zu fokussieren, der von dem Wandler benutzt werden muß. Die Ringelemente können dann weiter gemacht werden, wobei weniger Ringe für eine gegebene Wandleröffnung verlangt werden, und auf diese Weise können die Komplexität und die Kosten des Wandlers und die zugehörigen elektronischen Bauelemente merklich reduziert werden.

Die Erfindung ist auf der Zeichnung dargestellt, die schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

Gemäß der Zeichnung ist ein Wandler 1 an seiner Oberfläche kugelförmig ausgebildet. Sein Brennpunkt ist mit 5 bezeichnet. Er weist eine zentrale kreisförmige Elektrode 2 und eine Mehrzahl von konzentrischen Sätzen von Ringelementen auf, von denen zwei Ringe 3 und 4 dargestellt sind. Ein Zyklus des elektronischen Betriebes wird durch einen Impuls der Uhr 6 bewirkt, welche Zeitverzögerungselementen 7,8,9 zugeordnet ist.

70981 1/0859

Um den Brennpunkt in einer näheren Entfernung als den geometrischen Brennpunkt des Wandlers zu erhalten, hat das Zeitverzögerungselement 7 eine Nullverzögerung, das Zeitverzögerungselement 8 eine kleine Verzögerung und das Zeitverzögerungselement 9 eine große Verzögerung. Die verzögerten Impulse werden Senderstromkreisen 10,11 und 12 zugeführt, und von dort wird ein Sendeimpuls den Elektroden 4,3 und 2 zugeführt. Eine heraustretende Wellenfront 13 ist schärfer gekrümmt als die Wandleroberfläche und ist im Punkt 14 fokussiert, der näher am Wandler liegt als der geometrische Brennpunkt 5. Wenn die relativen Zeitverzögerungen 7,8,9 umgekehrt werden, dann ist eine heraustretende Wellenfront 15 weniger scharf gekrümmt als die Oberfläche des Wandlers 1, und der Brennpunkt würde in einem Punkt 16 liegen, der weiter entfernt ist als der geometrische Brennpunkt 5.

So kann eine gesendete Welle in einer gewünschten Entfernung von dem Wandler fokussiert werden, und die Entfernung kann für die folgenden Impulse verändert werden. Beim Empfang ergibt sich umgekehrt eine ähnliche Wirkung, wobei die Echos von dem näheren Punkt 14 eine scharf gekrümmte Wellenfront 13 ergeben und die Echos von dem weiteren Punkt 16 eine weniger gekrümmt Wellen-

709811 /0859

front 15 bewirken. Bei Verwendung von Zeitverzögerungselementen 17,18,19, welche elektronisch während der Zeit verändert werden können, in der die Echos zurückkehren, ist es möglich, wirksam in jeder Entfernung zu fokussieren, in der Echos von dieser Entfernung erhalten werden. Das bedeutet, daß beim Beginn der Empfangsperiode, wenn Echos von dem nahen Echopunkt 14 ankommen, das Zeitverzögerungselement 17 eine große Zeitverzögerung aufweist, das Zeitverzögerungselement 18 eine kleine Zeitverzögerung und das Zeitverzögerungselement 19 keine Zeitverzögerung und Echos von der Wellenfront 13 gleichzeitig an einem Addierer 20 ankommen. Da Echos von mehreren Entfernungspunkten empfangen werden, müssen die relativen Zeitverzögerungen zur Fokussierung von flacheren Wellenfronten umgekehrt werden, z.B. der Wellenfront 15, die im entfernten Punkt 16 erzeugt wird. Eine elektronische Schaltungstechnik, um die Funktionen der Uhr 6 zu erreichen, ImpulsZeitverzögerungselemente 7,8,9, Sender 10,11,12, analoge Zeitverzögerungselemente 17,18, 19 und Addierer 20 sind auf diesem Gebiet gut bekannt, so daß eine genaue Beschreibung von ihnen hier nicht notwendig ist.

70981 1 /0859

Claims

Mein Zeichen bitte angeben Dipl.-Ing. E. Tergau 8/45 (76Q4B1) Patentanwalt ' Nürnberg, den 13# Septi 1976 The Commonwealth of Australia, c/- The Department of Health, of Alexander Building, Phillip, Australian Capital Territory, Australien Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Ultraschallprüfung von Gegenständen mit Mitteln zum Senden von Impulsen von Ultraschallenergie in die Gegenstände und zum Empfang von Echos dieser Impulse, die von akustischen Widerstandsunstetigkeiten innerhalb der Gegenstände reflektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel eine fokussierte Wandleranordnung mit einem zentralen Wandle relement aufweisen und die Achse der Wandleranordnung entlang einer Linie durch den Mittelpunkt des zentralen Wandlerelementes im rechten Winkel dazu liegt, daß eine Mehrzahl von ringförmigen Wandlerelementen, die konzentrisch zu der Strahlenachse angeordnet sind, und Mittel zur Änderung des Brennpunktes der Wandleranordnung während des Sendens der Impulse in die Gegenstände und während des Empfanges der Echos vorgesehen sind.

70981 1/0859

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandleranordnung eine gekrümmte Oberfläche aufweist, und daß das zentrale Wandlerelement und die ringförmigen Wandlerelemente auf dieser gekrümmten Oberfläche angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Oberfläche eine kugelförmige oder parabolische Oberfläche ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fokussierte Wandleranordnung ein akustisches Linsensystem aufweist, das zwischen den Wandlerelementen und dem Gegenstande angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Änderung des Brennpunktes der Wandleranordnung während des Sendens der Impulse Mittel zur Erregung der Elemente dieser Anordnung zu fortschreitend verschiedenen Zeiten aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erregung der Elemente der Anordnung impulseerzeugende Mittel und ein Zeitverzögerungselement aufweisen,,das allen Wandlerelementen zuge-

70981 1 /0859

ordnet ist, um das übertragen der Impulse an das Wandlerelement zu verzögern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Änderung des Brennpunktes der Wandleranordnung während des Empfanges der Echos Mittel zur allmählichen Verzögerung der Signale aufweisen, die von den Elementen dieser Anordnung beim Empfang der Echos erzeugt werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur allmählichen Verzögerung der Signale, die von den Elementen dieser Anordnung erzeugt werden, ein Zeitverzögerungselement, das jedem Wandlerelement zugeordnet ist, um die Signale zu verzögern, die von dem Wandlerelement beim Empfang der Echos erzeugt werden, und Mittel zur allmählichen Addition verzögerter Signale aufweisen, die von den Zeitverzögerungselementen erzeugt werden.

709811/0859