DE2660208C3

DE2660208C3 - Ultraschall-Bildgerät zur Erzeugung von Querschnittsbildern

Info

Publication number: DE2660208C3
Application number: DE2660208A
Authority: DE
Inventors: Rainer Reinach Fehr; Pierre-Andre Dr. Münchenstein Grandchamp
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG
Current assignee: Kontron Instruments Holding NV
Priority date: 1975-12-01
Filing date: 1976-11-30
Publication date: 1982-01-21
Also published as: DK146227B; DD129376A5; DE2660882C3; NL7612852A; GB1570879A; SE421032B; FR2445545B1; JPS5268492A; GB1570880A; DE2654280B2; JPS58625B2; FR2334117A1; SE8000837L; CA1110750A; NL176207C; DK146227C; US4242912A; DK538076A; FR2334117B1; DE2654280C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Bildgerät zur Erzeugung von Querschnittsbildern nach dem Impulsechoverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus der DE-OS 22 15 001 bekannt ist

Für die Erzeugung von Ultraschall-Abbildungen zur Erzeugung von Querschnittsbildern wird im allgemeinen ein Ultraschallwandler mechanisch bewegt Dies hat verschiedene Nachteile. Wird der Wandler von Hand bewegt, so ist die Abtastung langsam und vom Geschick der Bedienungsperson abhängig. Wird der Ultraschallwandler dagegen von einem Motor bewegt so ist im allgemeinen ein Wasserbad notwendig, das relativ schwer ist Die zusätzliche Wegstrecke durch das Wasserbad führt zudem zu einer Reduktion der maximal niöglichen Bildfrequenz.

Zur Behebung dieser Nachteile werden daher Ultraschall-Bildgeräte mit elektronischer Abtastung entwickelt bei denen der Ultraschallstrahl mit der Zeit linear verschoben wird.

In der Kardiologie Hefen die Ultraschall-Abbildung mit Drehung des Strahls bessere Resultate als die mit linearer Strahlverschiebung. Der Grund dafür ist das kleinere akustische Fenster, durch das hindurch die Abbildung vorgenommen werden muß. Es wird von Brustbein und Lunge begrenzt und mißt ungefähr 2x7 cm². Außerdem erschweren die Rippen die Abbildung des Herzens. Ein Sektor-Scanner benötigt nur eine Öffnung von wenigen cm² und eignet sich daher optimal. Ein linearer Scanner dagegen hat meistens eine Länge von über 10 cm und wird nur schlecht ausgenützt.

Bisher bekannte Sektor-Scanner arbeiten entweder nach dem Prinzip der phasengesteuerten Wandleranordnung (J. Kisslo, Ot. v. Ramm, F. L. Thurstone, »A phased array ultrasound system for cardiac amaging«. Proceedings of the Second European Congress on Ultrasonics in Medicine, Munich, 12—16 May 1975, pp. 67-74, edited by E. Kazner, M. de Vlieger, H. R. Müller, V. R. McCready, Excerpta Medica Amsterdam—Oxford 1975) oder als mechanische Kontakt-Scanner (A. Shaw, J. S. Paton, N. L· Gregory, D. J. Wheatley, »A real time 2-dimensional ultrasonic scanner for clinical use«. Ultrasonic, January 1976, pp. 35—40).

Beim eingangs genannten bekannten Bildgerät (DE-OS 22 15 001) sind zwei oder drei Gruppen von Kristallen (Schwinger) aneinandergrenzend angeordnet, die nacheinander erregt werden können.

Ein Bildgerät ohne dieses Merkmal ist Gegenstand eines älteren Patents (DE-PS 25 29 112). Bei allen diesen Bildgeräten ist der geräte- und schaltungstechnische Aufwand beachtlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Bildgerät zu schaffen, daß mit geringerem Aufwand als bisher die Durchführung eines Sektor-Scan's mit einer unbeweglichen Wandleranordnung ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bildgeräts sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben.

Mit dem erfindungsgemäßen Bildgerät ist es möglich geworden, mit einer vereinfachten elektronischen Schaltung einen Sektor-Scan durchzuführen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung des mit einem Sektor-Scan abtastbaren Bereichs,

Fig.2 eine schematische Darstellung des mit einer linearen Strahlverschiebung abtastbaren Bereichs,

Fig.3 eine schematische Darstellung des mit einer bogenförmigen Wandlereinrichtung (nicht gezeigt) abtastbaren Bereichs, ι ■;

F i g. 4 einen schematischen Querschnitt eines Schallkopfes mit einer bogenförmigen Wandlereinrichtung,

F i g. 5 einen linearen Scanner zur Erzeugung einer zylindrischen Wellenfront,

F i g. 6 einen Bogen-Scanner zur Erzeugung einer schwach gekrümmten Wellenfront,

F i g. 7 eine bogenförmige Wandlereinrichtung zur Herstellung einer phasepgesteuerten Ultraschallwandler-Anordnung,

Fig.8 die Dimensionierung einer bogenförmigen Wandlereinrichtung und

F i g. 9 eine bogenförmige Wandlereinrichtung mit nach außen hin schmaler werdenden Segmenten.

Die F i g. 1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung des mit einem Sektor-Scan bzw. einer linearen ui Strahlverschiebung abtastbaren Bereichs. Das Kernstück des Bogen-Scanners besteht aus einer linearen Wandleranordnung, deren Elemente nicht auf einer Geraden, sondern auf einem Kreisbogen angeordnet sind. Der damit abtastbare Bereich ist in Fig.3 v> dargestellt. Die Wandler muß man sich — wie schon in den F i g. 1 und 2 — oben im Bild denken. Wenn man nun die obere Hälfte des Bereichs als Vorlauf verwendet und nur die untere Hälfte zur Abbildung benützt, so erhält man ein System mit Strahldrehung, wie es in F i g. 1 angegeben ist. Der komplette Schallkopf eines elektronischen Bogen-Scanners ist in Fig.4 dargestellt. Im oberen Teil des Gehäuses 301 liegt der bogenförmige, piezokeramische Wandler 302, an dessen Oberseite die einzelnen Elektroden 303 angedeutet sind. Der nach oben abgestrahlte Ultraschall wird in dem Absorber 304 vernichtet. Der untere Teil des Gehäuses ist mit schallschluckendem Material 305 ausgekleidet und mit einem Ultraschall übertragenden Medium 306 gefüllt. Nach unten hin ist der Schallkopf durch eine Membran 307 abgeschlossen. Diese befindet sich im Zentrum des Kreisbogens, den der Wandler bildet, d. h. an der schmälsten Stelle des abtaslbaren Bereichs (s. F i g. 3). Um störende Vielfachreflexionen zwischen Membran und Wandler aus der Abbildung zu eliminieren, sollte die Laufzeit zwischen Wandler und Membran gerade so groß sein wie zwischen Membran und dem entferntesten Objekt, das gerade noch abgebildet werden soll. Bei Wasser als Vorlauf bedeutet das, daß der Radius des Wandlerbogens gerade der maximalen Eindringtiefe entsprechen muß, da der menschliche Körper und Wasser ungefähr dieselbe Schallgeschwindigkeit (ungefähr 1500m/sec) haben. Die Stiahlform kann optimiert werden. Betreibt man alle Segmente einer Wandlergruppe, die gleichzeitig eingeschaltet sind mit gleicher Phase, so wird der Schallstrahl im Zentrum des Bogens, also an der Membran fokussiert. Mit zunehmender Eindringtiefe wird er immer breiter, und damit wird die laterale Auflösung des Systems immer schlechter. Eine erhebliche Verbesserung erreicht man, indem man den Brennpunkt nicht ins Bogenzentrum legt, sondern in einen Punkt der sich von der Membran 307 her in ungefähr -/3 der maximalen Abbildungstiefe befindet. Dies erreicht man durch eine entsprechende Phasenbelegung der einzelnen Wandlerelemente beim Senden und Empfangen. Die Phasenbelegung hat hier das umgekehrte Vorzeichen als bei einem linearen Scanner. Der Grund dafür ist in F i g. 5,6 für den Fall des Senders verdeutlicht: Beim linearen Scanner (Fig.5) wird aus einer ursprünglich ebenen Wellenfront (durchgezogene Linie) eine zylindrische (gestrichelter Bogen) gemacht Je weiter man sich aus der Strahlachse entfernt, desto stärker muß das Signal voreilen. Beim Bogen-Scanner (Fig.6) dagegen wird aus einer stark gekrümmten Wellenfront (durchgezogen) eine schwach gekrümmte (gestrichelt) gemacht. Das Signal muß also mit zunehmendem Achsabstand immer stärker nacheilen. Für den Fall des Empfangens gelten ganz ähnliche Überlegungen. Ob eine Abschwächung der Amplituden der äußeren Elemente beim Senden und Empfangen, die Strahlform weiter verbessert, hängt von der speziellen Dimensionierung der Wandlergruppe ab. Vor allem die Anzahl der verschiedenen Phasen, die zur Fokussierung verwendet werden, spielt eine entscheidende Rolle.

Bisher war nur von der Strahlformung in der Abtastrichtung die Rede. Es ist jedoch vorteilhaft auch in der dazu senkrechten Richtung schwach zu fokussieren Den Brennpunkt wählt man zweckmäßigerweise an der gleichen Stelle wie in der ersten Richtung, nämlich bei ²Ii der maximalen Abbildungstiefe. Die Fokussierung erreicht man entweder durch eine entsprechend gekrümmte Form des Wandlers oder durch eine vor den Wandler gebaute akustische Linse. Eventuell ließe sich auch in dieser Richtung — wie beim linearen Scanner — die Bündelung elektronisch erzielen, wenn man eine größere Komplexität des Systems in Kauf nimmt. Eine zusätzliche Amplitudenverringerung scheint, numerischen Rechnungen zufolge, keine weitere Verbesserung der Strahlform zu bringen. Verzichtet man jedoch auf eine Fokussierung in der zweiten Richtung, was eine wesentliche Vereinfachung im Aufbau bedeutet, so ist eine Amplitudenverringerung von Vorteil. Man erreicht sie zum Beispiel mit Hilfe von Segmenten, die nach außen hin immer schmaler werden (siehe F i g. 9).

Elektronisch bietet der Bogen-Scanner alle Vorteile, die auch der lineare Scanner aufweist. Sein Nachteil ist der benötigte Wasservorlauf, der den Schallkopf schwer und unhandlich macht und eine Halbierung der maximalen Bildfrequenz gegenüber einem Scanner ohne Vorlauf bedingt. Der Vorlauf und damit der Schallkopf lassen sich verkleinern, wenn man anstelle von Wasser eine Substanz verwendet, die eine kleinere Schallgeschwindigkeit hat. Eine ganze Anzahl von organischen Flüssigkeiten und auch manche Silikonkautschuke haben Schallgeschwindigkeiten um 1000 m/ see. Das bedeutet eine Verkürzung des Vorlaufs um '/3 und Verkleinerung des Schallkopfvolumens um mindestens die Hälfte. Man muß dabei allerdings eine verstärkte Reflexion und eine Beugung des Schallstrahls an der Grenzfläche Vorlauf — Körpergewebe in Kauf nehmen.

Eine weitere, ganz erhebliche Verkleinerung des Schallkopfs läßt sich erreichen, wenn man den Bogen-Scanner nicht als Schallkopf verwendet, sondern als Signalprozessor für eine phasengesteuerte Wandler-

anordnung. In Fig. 7 ist diese Anwendungsmöglichkeit dargestellt. Die Wandlergruppe 401 bestehend aus mehreren Segmenten des bogenförmigen Wandlers 402 sendet einen Ultraschallstrahl 403 aus, der im Zentrum des Bogens auf eine phasengesteuerte Wandleranordnung 404 trifft, deren Segmente parallel zu denen des bogenförmigen Wandlers 404 angeordnet sind. Mit ihr wird das Schallfeld segmentweise phasenempfindlich detektiert und auf eine zweite phasengesteuerte Wandleranordnung 405 übertragen, die den eigentlichen Schallkopf bildet und das Schallfeld am Ort der ersten phasengesteuerten Wandleranordnung 404 rekonstruiert und einen entsprechenden Ultraschallstrahl 406 abstrahlt. Die Anordnung läßt sich, wie man sich leicht klar macht, auch in umgekehrter Richtung betreiben. Sie eignet sich also ^utvi Senden und Empfangen. Zweckmäßigerweise wird zwischen den beiden phasengesteuerten Wandleranordnungen pro Segment jeweils ein Sende- und ein Empfangszwischenverstärker eingebaut. In F i g. 7 wurden diese Verstärker der Übersichtlichkeit halber weggelassen.

An dieser Stelle muß noch erwähnt werden, daß das von der zweiten phasengesteuerten Wandleranordnung 405 abgestrahlte Schallfeld nicht mit dem von der ersten phasengesteuerten Wandleranordnung 404 delektierten identisch zu sein braucht. Die Signale jedes Segmentes können mit Hilfe der obenerwähnten Zwischenverstärker phasen- und amplitudenverändert werden. Man kann auch der zweiten phasengesteuerten Wandleranordnung 405 eine andere Form geben als der ersten und so das Schallfeld ändern. Damit hat man eine zusätzliche Möglichkeit, die Bündelung des Schallstrahls und damit die laterale Auflösung des Systems zu verbessern.

Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber einer herkömmlichen phasengesteuerten Wandleranordnung liegt darin, daß die Winkelablenkung des Schallstrahls mit einfachen Mitteln erreicht wird. Genaugenommen gilt dies hauptsächlich für den Betrieb als Empfänger. Beim Senden läßt sich die Winkelablenkung relativ einfach digital verwirklichen, für den Empfang jedoch benötigte man bisher einen erheblichen Aufwand an Verzögerungsleitungen und Schaltern. Es bietet sich daher eine hybride Lösung an. bei der die phasengesteuerte Wandleranordnung beim Senden direkt betrieben wird und der Bogen-Scanner nur als Empfangssignalprozessor benützt wird.

Nachfolgend ist ein einfaches Beispiel eines Bogen-Scanners für kardiologische Anwendungen beschrieben (siehe F i g. 8 und 9). Über das System werden folgende Angaben gemacht:

Frequenz	2MHz
max. Eindringtiefe	15 cm
abzutastender Winkel	50-60^!
Segmentzahl	64
zu verwendende Phasen	0°,90°
Vorlauf	Wasser
Fokussierung nur in einer Richtung

■'· Unter diesen Randbedingungen wurde anhand von eomputerbereehneten Schailfeldern die nachfolgende Dimensionierung ermittelt.

Wie in der Fig. 8 gezeigt, bildet die Wandlereinrichtung 302 einen Zylinderabschnitt. Sein Radius R beträgt

'■'> 15 cm, seine Breite B = 2 cm und seine Bogenlänge 17,6 cm, die einem Winkel von θ = 67,2° entspricht. Der Wandler ist in 64 Segmente der Breite S = 2,/5 mm unterteilt. Man verwendet zum Senden und Empfangen jeweils 12 Elemente gleichzeitig. Eine solche Gruppe ist

-> in F i g. 9 abgebildet. Die Ränder der einzelnen Elemente 411 werden von Kreisbogen gebildet. Diese Formgebung führt zu der gewünschten Amplitudenverringerung und Verbesserung der Strahlform. Beim Senden und Empfangen läßt man die Signale der äußeren 6 Elemente um 90° gegenüber denen der inneren 6 Elemente nacheilen. Das entspricht einer Fokussierung in einem Punkt, der ungefähr 25 cm vom Wandler entfernt ist. Gleichzeitig werden beim Senden und Empfangen die Signalamplituden der äußeren 6

^; Elemente mit einem Faktor 0,5 und die der inneren 6 Elemente mit einem Faktor 1 gewichtet.

Mit diesem Wandler erreicht man in der Abtastebene im ganzen nutzbaren Bereich eine Auflösung von mindestens 4 mm. In der dazu senkrechten Richtung ist die Auflösung wegen der fehlenden Fokussierung um den Faktor 1,5 schlechter. Wie oben bereits erwähnt, läßt sich auch in dieser Richtung eine bessere Auflösung durch eine zusätzliche Fokussierung erzielen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Büdgerat zur Erzeugung von Querschnittbildern, das nach dem Impulsechoverfahren arbeitet und eine Wandlereinrichtung enthält, die aus einer festen länglichen Reihe aneinander angrenzender Wandlerelementf besteht in der Abtastebene bogenförmig ist, und ;n einem Gehäuse mit einem den Ultraschall gilt lt.tenden Übertragungsmedium angeordnet" ·^;. tir.d oei dem Gruppen von aneinander angrenzenden Wandlerelementen der Wandlereinrichtung nacheinander zyklisch einschaltbar sind, um ein Ultraschall-Strahlenbündel in der Abtastebene zu übertragen und/oder Echos aufzunehmen, und ein elektrisches Echosignal im Ansprechen auf die empfangenen Echose zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß das Bildgerät zusätzlich zwei Wandieranoi dnungen (404, 405) enthält, von denen mit der ersten Wandleranordnung (404), deren Mittelpunkt sich annähernd im Zentrum des der Form der Wandlereinrichtung (402) entsprechenden Bogens befindet und deren Elemente annähernd parallel zu denen der Wandlereinrichtung angeordnet sind,

a) ein mit einer Gruppe (401) von Wandlerelementen der Wandlereinrichtung erzeugter Ultraschallstrahl (403) empfangbar und diesem entsprechenden elektrische Signale der zweiten Wandleranordnung (405) zuführbar sind, die _J() darauf einen entsprechenden Ultraschallstrahl (406) abstrahlt, oder

b) von der zweiten Wandleranordnung (405) elektrische Signale empfangbar sind, die mit dieser empfangenen Echowellen entsprechen, und ein _J5 den letztgenannten elektrischen Signalen entsprechender Ultraschallstrahl auf eine Gruppe (401) von Wandlerelementen der Wandlereinrichtung richtbar ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fokussierung des mit jeder Wandlergruppe (401) der Wandlereinrichtung (402) erzeugten Ultraschall-Strahlenbündels die von den Wandlerelementen abgegebenen Echosignale gegeneinander zeitlich verschiebbar sind, wobei der Phasenwinkel (i) der Sendesignale bzw. der zeitlich verschobenen Echosignale durch eine Funktion des Abstandes des entsprechenden Wandlerelementes von der Mitte der Wandlergruppe (401) so bestimmt ist, daß bei benachbarten Wandlerelementen das Sendesignal bzw. das zeitlich verschobene Echosignal von dem Wandlerelement, das von der Mitte der Wandlergruppe (401) den größten Abstand hat, in der Phase nacheilt.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der Wandlereinrichtung (402) eine Abstrahlfläche aufweisen, die in der zur Abtastrichtung senkrechten Richtung und von der Längsachse der Wandlereinrichtung (402) nach außen hin schmaler wird.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der einzelnen Elemente von Kreisbogen gebildet sind.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übe.tragungsmedium (306) für die Übertragung der Ultraschallwellen im Gehäuse (301) eine Substanz ist, in der die Schallgeschwindigkeit kleiner als im Wasser ist.

6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung zwischen der bogenförmigen Wandlereinrichtung (402) und dem Brennpunkt des mit ihr erzeugten Ultraschallfeldes annähernd die Länge des Vorlaufs in dem Übertragungsmedium zuzüglich etwa ²Zs der maximalen Abbildungstiefe beträgt