DE2660882C3

DE2660882C3 - Ultraschall-Bildgerät

Info

Publication number: DE2660882C3
Application number: DE2660882A
Authority: DE
Inventors: Rainer Reinach Fehr; Pierre-André 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: 1986-02-13
Also published as: DE2660208B2; NL7612852A; SE8000837L; IT1070826B; FR2445545A1; FR2334117A1; GB1570880A; SE7613431L; DE2654280A1; DD129376A5; JPS58625B2; FR2334117B1; JPS5268492A; DE2654280B2; SE445009B; CH608103A5; DK538076A; US4242912A; FR2445545B1; DK146227C

Description

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Die Erfindung betrifft ein nach dem Impulsechoverfahren arbeitendes Ultraschall-Bildgerät mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 bzw. 2.

Für die Erzeugung von Ultraschall-Abbildungen (insbesondere für die 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 Wandler durch einen 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 möglichen Bildfrequenz.

Um diese Nachteile zu beheben wurden daher Ultraschall-Bildgeräte mit elektronischer Abtastung entwikkelt, bei denen der Ultraschallstrahl mit der Zeit linear verschoben wird.

Es ist ein Ultraschall-Bildgerät der eingangs beschriebenen Art bekannt (US-Patentschrift 38 81 466), bei dem die Wandlersinrichtung ein Ultraschall Strahlenbündel erzeugt wobei die Querauflösung ausschließlich durch die Frequenz der gesendeten Ultraschallwellen und die Breite der Wandlerelemente festgelegt wird, die Ultraschallwellen gleichphasig gesendet und zwischen den Echosignalen keine Phasenverschiebung vorgesehen ist. Eine Verbesserung der Querauflösung des bekannten Geräts durch Verkleinerung der Breite der Wandlerelemente kann nur bis zu einer bestimmten Grenze erzielt werden, die durch die minimale Breite des Ultraschall-Strahlenbündels gegeben ist. Obwohl die mit dem bekannten Gerät erzeugten Querschnittbilder relativ deutlich sind, hat sich in der Praxis gezeigt, daß für manche Anwendungen noch höhere Werte der Querauflösung wünschenswert sind.

Es ist auch bekannt (US-Patentschrift 38 81 164), daß die Breite des mit einer länglichen, aus nebeneinanderliegenden Wandlerelementen bestehenden Wandleranordnung in einer Abtastebene erzeugten Ultraschall-Strahlenbündel dadurch verringert werden kann, daß die Wandlerelemente mit zueinander zeitlich verschobenen Sendesignalen angesteuert werden. Dieses Prinzip wird in einem bekannten Ultraschall-Bildgcrät der eingangs beschriebenen Art (US-Patentschrift 39 19 683) angewendet bei dem das von jeder Wandlergruppe erzeugte Ultraschalfeld bz;/. die entsprechende Empfangscharakteristik in einem Punkt stark fokussiert wird. Dies hat den Nachteil, daß dadurch eine höhere Querauflösung nur im jeweiligen Fokus oder in unmittelbarer Nähe desselben erziel! wird, es sei denn, man benutze eine sogenannte dynamische Fokussierung, d. h. eine Verschiebung des jeweiligen Fokus entlang der Untersuchungstiefe, was aber eine erhebliche Erhöhung des Schaltungsaufwands erfordert und somit eine entsprechende Verteuerung des Ultraschall-Bildgeräts mit sich bringt

Es ;st auch ein gleichartiges Ultraschall-Bildgerät bekannt (FR-Patentschrift 22 55 612), bei dem zeitliche Verschiebungen zwischen den den Wandlerelementen zugeführten Sendesignalen angewendet werden. Dabei wird aber ein Ultraschall-Strahlenbündel erzeugt das bereits ein Nahfeld breiter als die Breite der Abtastfläche der ausstrahlenden Wandlergruppe ist, so daß damit keine höhere Querauflösung als mit einer nicht fokussierenden Wandlergruppe gleicher Breite erzielbar ist.

Es ist im weiteren vorgeschlagen worden (F. L. Thurstone und O. T. von Ramm, »Electronic beam scanning for ultrasonic imaging«, Proceedings of the 2nd World Congress on Ultrasonic in Medicine, Rotterdam, 4—8 June 1973; M. de Vlieger, Ed. Excerpta Medica Amsterdam 1974; American Elsevier Publishing Company, Inc. New York, Seiten 43—48), die Amplitude eines von einer länglichen, festen Anordnung von Wandlerelementen erzeugten Ultraschallfeldes, das durch Ansteuerung der Wandlerelemente mit zueinander zeitlich verschobenen Sendesignalen im wesentlichen in einer Abtastebene, asphärisch (d. h. nicht in einem Punkt, sondern annähernd in einer geraden Strecke entlang der Hauptstrahlungsrichtung) fokussiert wird, entlang der Hauptstrahlungsrichtung annähernd gleichmäßig zu verteilen, indem den Wandlerelementen Sendersignale verschiedener Amplituden zugeführt werden. Dieser Vorschlag hat den Nachteil, daß die Seitenmaxima der Strahlungscharakteristik die Erzielung einer höheren Querauflösung beeinträchtigen. Der Versuch, dennoch eine höhere Querauflösung zu erreichen, indem beim Empfang eine dynamische Fokussierung verwendet wird, erfordert, wie oben erwähnt, eine erhebliche Erhöhung des Schaltungsaufwands und damit eine entsprechende Verteuerung des Ultraschall-Bildgeräts.

Es ist ferner bekannt, daß die mit einem einfachen Ultraschallwandler über eine vorgegebene Untersuchungstiefe erzielbare Querauflösung durch die schwache Fokussierung des Ultraschallstrahls verbessert werden kann (Kossoff, »Improved Techniques in Ultrasonic Cross Sectional Echography« Ultrasonics, Sept. 1972, S. 221-227, und DE-OS 22 49 091). Diese Möglichkeit ist jedoch bei der Entwicklung von Ultraschall-Diagnostikgeräten mit einer linearen Wandleranordnung außer acht gelassen worden. Es ist hingegen vorgeschlagen worden, sowohl beim Senden wie beim Empfang einen stark fokussierten Ultraschallstrahl zu verwenden, wobei aber innerhalb der Untersuchungstiefe mehrere Brennpunkte auftreten (Kossoff, Ultrasonic Research in Medicine in Australia — a review, Ultrasonics International 1973 Conference Proceedings, S. 199-205). Diese Lösung erfordert einen relativ großen Schaltungsaufwand.

Es ist außerdem bekannt, daß bei einem Gerät mit einer linearen Anordnung von Wandlerelementen eine Verringerung der Scitcnmaxäma im Fcrnfcid durch eine

Gewichtung der Amplitude der Sendesignale erzielt werden kann (J. C. Somer, »Electronic sector scanning for Ultrasonic Diagnosis«, Ultrasonic, Juli 1968, S. 153—159). Wegen der erheblichen physikalischen Unterschiede zwischen Fern- und Nahfeld läßt sich jedoch daraus nicht ableiten, daß im Nahfeld, das ein wichtiger Teil des untersuchten Bereichs ist, eine ähnliche Wirkung erzielt werden kann.

Es ist ferner bekannt, eine starke Fokussierung der gesendeten Ultraschallwellen in der Abtastebene mit einer schwachen Fokussierung dieser Wellen in zur Abtastebene senkrechten Ebenen zu kombinieren (Kossoff, Ultrasonic Research in Medicine in Australia — a review. Ultrasonics international 1973 Conference Proceedings, Seiten 199—205). Die Fokussierung in der Ab- is tastebene ist stark und wird elektronisch mittels verzögerter Ansteuerung der Wandlerelemente erzielt. Die Fokussierung in zur Abtastebene senkrechten Ebenen ist schwach und wird durch eine Krümmung der Abstrahlfläche der Wandlerelemente erzielt.

Bei bekannten Geräten der eingangs erwähnten Art umfaßt die Ultraschall-Wandlereinrichtung eine Reihe nebeneinander angeordneter Ultraschallwandlerelemente, die durch eine Elementzähler-Auswahleinrichtung in der Weise angesteuert werden, daß über die Reihe fortlaufend jeweils eine Gruppe nebeneinanderliegerder Wandlerelemente erregt wird. Die Anzahl erregter Wandlerelemente in einer Gruppe ist jeweils konstant gleich groß und die Schrittweise entspricht dem Rasterabstand zweier benachbarter Wandlerelemente, da die fortlaufende Erregung jeweils durch Zuschaltung eines neuen Wandlerelements bei gleichzeitiger Abschaltung des ersten Wandlerelements einer jeden Gruppe erfolgt. Aufgrund dieser speziellen Ansteuerung ergibt sich also ein höchstens der Gesamtzahl der Wandlerelemente in der Wandlereinrichtung entsprechende Zeilenzahl bei der Ultraschallabtastung. Das Auflösungsvermögen soll möglichst hoch sein. Daher muß entsprechend auch die Zeilendichte groß gewählt werden. Bei einer vorgegebenen Gesamtlänge der Wandlereinrichtung macht dies eine vergleichsweise große Anzahl von Wandlerelementen geringer Breite erforderlich, d. h. einen entsprechend geringen Rasterabstand. Eine große Anzahl von Wandlerelementen führt jedoch zu ungünstigen Kapazitätsverhältnissen zwischen den Wandlerelementen und den elektronischen Ansteuerschaltern für die Wandlerelemente, welche eine erhöhte Bedämpfung der empfangenen Echosignale sowie einen geringeren Störabstand zwischen eingeschalteten und abgeschalteten Wandiereiementen be- 5ΰ wirken. Der geringe Rasterabstand der Wandlerelemente bedingt darüber hinaus, daß das Verhältnis von Breite zu Dicke der einzelnen Wandlerelemente ungünstig insofern ist. daß sich erhöhte Querverkopplungen ergeben. Dies führt einerseits zum Übersprechen zwisehen Nachbarwandlerelementen und ferner zu ungünstigen Schwingungsverhältnissen, da der Störeinfluß der unerwünschten Breitenschwingung gegenüber der erwünschten Dickenschwingung erhöht ist Außerdem ergeben sich auch fertigungstechnische Nachteile, da bei erhöhter Anzahl der Wandlerelemente die Zahl der erforderlichen Anschlußlötstellen entsprechend hoch ist Nachteilig ist es auch, daß eine Vielzahl von Wandlerelementen zu einer entsprechenden Vielzahl von elektronischen Ansteuerschaltern mit relativ hohem Platz- und Kostenaufwand führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Bildgerät zu schaffen, das mit möglichst kleinem Aufwand die Erzielung einer für die medizinische Ultraschalldiagnostik ausreichenden Querauflösung über die ganze Untersuchungstiefe ermöglicht. >

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Bildgerät mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 oder mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 2 gelöst.

Durch die Fokussierung ist es möglich geworden, mit geringem Aufwand eine ausreichende Querauflösung über die ganze Untersuchungstiefe, d. h. auch im Nahfeld, zu erzielen. Durch den Wechsel von Wandlergruppen mit gerader und ungerader Anzahl von Wandlerelementen wird eine Verschiebung des Ultraschall-Strah- !enbündeis urn die Hälfte des Rasterabstandes zwischen ' benachbarten Wandlerelementen erreicht. Damit lassen sich Zeilenabstände bei der Ultraschallabtastung erzielen, die nicht mehr dem gesamten, sondern nur noch dem halben Rasterabstand benachbarter Wandlerelemente entsprechen. Hierdurch erzielt man bei einer vorgegebenen Anzahl von Wandlerelementen mit der Wandlereinrichtung eine doppelte Zeilenzahl oder umgekehrt bei vorgegebener Zeilenzahl ist nur die Hälfte an Wandlerelementen gegenüber den herkömmlichen Wandlereinrichtungen erforderlich. Letzteres, also die Halbierung der Anzahl der Wandlerelemente bei gleichbleibender Gesamtlänge der Ultraschall-Wandlereinrichtung ohne Änderung der Zeilenzahl, ermöglicht eine Vergrößerung, beispielsweise fast eine Verdoppelung, der Breite jedes Wandlerelements bei gleichzeitiger Erweiterung, z. B. ebenfalls Verdopplung, des Zwischen- , raumes zwischen zwei benachbarten Wandlerelemen- , ten. Dies ist vorteilhaft, weil aufgrund des vergrößerten, z. B. verdoppelten, Verhältnisses von Breite zu Dicke jedes Wandlerelementes eine geringere Querverkopplung zwischen den Wandlerelementen auftritt, weil der Frequenzabstand zwischen erwünschter Dickenschwingung und unerwünschter Breitenschwingung eines jeden Elementes größer und somit der Störeinfluß der Breitenschwingungen geringer wird. Aufgrund der vergrößerten Zwischenräume zwischen den einzelnen Wandlerelementen wird auch die Gefahr eines Übersprechens zwischen benachbarten Wandiereiementen erheblich verringert Die verringerte Gesamtzahl sämtlicher Wandlerelemente führt zu erheblich verbesserten »Kapazitätsverhältnissen«, wodurch empfangene Echosignale weniger stark bedämpft werden und der Störabstand zwischen durchgeschalteten und abgetrennten Wandlerelementen somit erhöht ist Schließlich wird auch die Zahl der benötigten Ansteuerschalter auf die Hälfte reduziert, was fertigungstechnisch und elektronisch vorteilhaft ist

Weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen hervor.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert

F i g. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Wandlereinrichtung des vorstehend erwähnten Ultraschall-Bildgerätes gemäß dem Stand der Technik;

F i g. 2 zeigt die im Querschnitt schematisch dargestellte Form der Strahlungscharakteristik 23 einer bevorzugten Wandlergruppe im Vergleich zur Strahlungscharakteristik 22 einer Wandlergruppe der Wandlereinrichtung gemäß F i g. 1;

Fig.3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Wandleranordnung 38 der Wandlereinrichtung 11 in F i g. 1;

F i g. 4 zeigt eine Rückansicht einer erfindungsgemä-

ßen Wandlergruppe 21 mit 4 Wandlereiementen;

F i g. 5 zeigt Diagramme der Sendesignale 41, 42, die vorzugsweise den Elektrodensegmenten 31—34 der Wandlergruppe 21 in F i g. 3 zugeführt werden;

F i g. 6 zeigt schematisch, anhand einei parallel zur QS-Ebene in Fig. 1 liegenden Querschnitts, eine zur schwachen Fokussierung des Ultraschall-Strahlenbündels in ζ)-Richtung geeignete Form der Abstrahlfläche 37 der Wandleranordnung 38 gemäß F i g. 3;

F i g. 7 zeigt eine Rückansicht einer Ausführungsform der Wandleranordnung 38 gemäß Fig.3, mit welcher Ausführungsform die mit der konkaven Abstrahlfläche gemäß Fig.6 erreichte schwache Fokussierung in Q-Richtung mit einer flachen Abstrahlfläche erzielt wird;

F i g. 8a, 8b, 8c zeigen eine erfindungsgemäße Gestaltung von Wandlergruppen 71, 72, 73, die zyklisch nacheinander ausgewählt werden;

F i g. 9a zeigt eine Rückansicht einer bevorzugten Wandlergruppe 91, die 7 Elektrodensegmente enthält und in einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall-Bildgeräts verwendet wird;

F i g. 9b zeigt im Querschnitt die Form der Abstrahlfläche der Wandlergruppe 91 gemäß F i g. 9a;

Fi g. 10 zeigt Diagramme der Sendesignale, die vorzugsweise den Elektrodensegmenten 92—98 der Wandlergruppe 91 gemäß F i g. 9a zugeführt werden;

F i g. 1 la zeigt eine Rückansicht einer Wandlergruppe mit 7 Elektrodensegmenten, die in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall-Bildgerätes verwendet wird;

F i g. 11 b zeige im Querschnitt eine bevorzugte Form der Abstrahlfläche der Wandlergruppe gemäß F i g. 11 a;

F i g. 12 zeigt Diagramme der Sendesignale, die vorzugsweise den Elektrodensegmenten 112—118 der Wandlergruppe 111 gemäß F i g. 1 la angelegt werden;

Fig. 13 zeigt ein schematisches Blockdiagramm zur Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall-Bildgerätes;

Fig. 14 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Sendesignalgenerators 133 im Gerät nach F i g. 13;

Fig. 15 zeigt Diagramme des vom Taktgeber 131 (Fi g. 13) erzeugten Taktimpulses 132 und der gepulsten Sinuswelle 162, die vom Taktimpuls abgeleitet wird;

Fig. 16 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Echosignal-Empfängers 143 im Gerät nach F i g. 13;

Fig. 17 zeigt das Prinzip einer bevorzugten Ausführungsform der Elementauswahlantriebsschalter 138 im Gerät nach Fig. 13. Der Übersicht halber wird hiermit dieses Prinzip für eine Wandlergruppe mit nur 4 Elementen erläutert, obwohl das Gerät nach Fig. 13 Wandlergruppen mit je 7 Elementen verwendet;

Fig. 18 und 19 dienen zur Erläuterung der Bemessung einer bevorzugten Wandlergruppe und ihrer Elemente.

Wie in F i g. 1 gezeigt, besteht die Wandlereinrichtung 11 des bekannten Ultraschall-Bildgeräts (amerikanische Patentschrift Nr. 38 81 466) aus einer festen länglichen Reihe aus aneinander angrenzenden Wandlerelementen 12. Die Wandlerelemente dieser bekannten Wandlereinrichtung werden in aufeinanderfolgenden Gruppen von A zueinander benachbarten Wandlerelementen aufeinanderfolgend zu Impulsen angeregt Jede der aufeinanderfolgenden Gruppen von Λ-Elementen ist in Längsrichtung um ß-Elemente von dem Ort der unmittelbar vorhergehenden Gruppe verschoben. Die Verschiebung des Ultraschall-Strahlenbündels 13 erfolgt in Richtung des Pfeils L, wie dies von der Reihe der strichlierten Rechtecke 14 wiedergegeben wird, welche die momentane zeitliche Lage des Strahlenbündels 13 nach gleichen Zeitintervallen geben. Es sei darauf hingewiesen, daß jede Wandlergruppe der bekannten Wandlereinrichtung 11 ein unfokussiertes Ultraschall-Strahlenbündel 13 erzeugt, da sämtliche Λ-Elemente der Wandlergruppe gleichzeitig zur Impulsabgabe angeregt werden. Die unfokussierte Strahlungjcharakteristik 22 des Ultraschall-Strahlenbündels 13 in F i g. 1 ist in F i g. 2 dargestellt.

ίο In Fig. 1 wird ein orthogonales Koordinatensystem durch 3 Pfeile Q, L und S definiert. Der Pfeil L liegt entlang der Längsachse der Abstrahlfläche der Wandlereinrichtung 11. Der Pfeil 5 liegt parallel zur Hauptachse des Ultraschaüstrahlcnbündcls 13. Der Pfeil Q liegt senkrecht zu der durch die Pfeile L und S definierten Ebene. Die Lage der in den Figuren dargestellten Querschnitte und Ansichten wird anhand dieses Koordinatensystems definiert.
F i g. 3 zeigt in einem Teilquerschnitt den Aufbau einer bevorzugten Wandleranordnung 38. Die Wandleranordnung besteht aus einer ganzen Elektrode 36, die geerdet ist und deren eine Fläche 37 als Abstrahlfläche verwendet wird, einer piezoelektrischen Schicht 35 und aus Elektrodensegmenten 31—34, deren Rückansicht in F i g. 4 gezeigt wird.

Es geht aus der vorangehenden Erläuterung der Wandleranordnung 38 hervor, daß die Wandlerelemente gemeinsame Teile, wie die piezoelektrische Schicht 38 oder die ganze Elektrode 36, besitzen können. Zum Betrieb der Wandleranordnung 38 genügt es, daß sie einseitig Elektrodensegmente besitzt, an denen die zeitlich verschobenen Sendesignale angelegt und aus denen Echosignale entnommen werden können. Jedes Elektrodensegment definiert also ein Wandlerelement.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist eine neue Funktionsweise der Wandlereinrichtung vorgesehen, die zunächst anhand der F i g. 2,4 und 5 näher erläutert wird.

F i g. 4 zeigt Elektrodensegmente 31 —34 einer Wandlergruppe 21. Zur Erzeugung eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Strahlenbündels werden an den Elektrodensegmenten 31—34 die in F i g. 5 gezeigten, gegeneinander zeitlich verschobenen Sendesignale 41, 42 angelegt, wobei die Sendesignale für die äußeren Elektrodensegmente 31,34 der Wandlergruppe in der Phase voreilen. Dadurch wird ein schwach fokussiertes Ultraschall-Strahlenbündel 23 (F i g. 2) erzeugt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden nicht nur die Sendesignale, sondern auch die mit

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empfangenen Echosignale gegeneinander zeitlich verschoben. Die in F i g. 4 gezeigte Wandlergruppe 21 sendet und empfängt mit 4 Elementen, wobei die Sendesignale bzw. die zeitlich verschobenen Echosignale der äußeren Elemente um 90° in der Phase voreilen. Diese Phasenvoreilung ist in bezug auf eine Periode (360°) des hochfrequenten Trägersignals (z. B. 2 MHz) definiert, die in Impulsen mit einer Folgefrequenz von z. B. 2 kHz und mit einem geeigneten Phasenwinkel den Elektrodensegmenten der aufeinanderfolgenden Wandlergruppen zugeführt wird.

Die mit diesem Betrieb der Wandlergruppe 21 erzielte Wirkung kann durch folgende zusätzliche Maßnahmen verbessert werden:

1) Es hat sich als günstig erwiesen, für die äußeren Elemente der Wandlergruppe folgende Kombinationen der Phasenvoreilung zu wählen:

Sendesignale

Echosignale

Entweder
oder

ca. 90°
ca. 45°

ca. 45°
ca. 90°

Phasen ergeben z. B. bei der abwechselnden Verwendung von 4 und 3 Elementen eine sehr ähnliche Strahlform:

Mit 4 Elementen

Durch diese verschiedenen Werte der Phasenvoreilung für die Sende- und Echosignale wird die Strahlungscharakteristik 23 (Fig.2) über eine gewisse Tiefe noch schmäler.

2) Es ist erforderlich, eine Gewichtung der Sendebzw, der Echosignale vorzunehmen. Wie in F i g. 5 gezeigt, werden dabei die inneren Elektrodensegmente 32, 33 mit dem Sendesignal der größeren Amplitude a<> angeregt. Ähniicherweise werden beim Empfang die von den inneren Elektrodensegmente abgegebenen Echosignale mit einem größeren Gewichtungsfaktor multipliziert als die von den äußeren Elementen abgegebenen Echosignale. Bei dieser Gewichtung hat sich ein Verhältnis von 2 :1 sowohl für die Sendesignale wie für die Echosignale als günstig erwiesen.

3) Es ist ebenfalls vorteilhaft auch in der Q-Richtung in F i g. 1 schwach zu fokussieren, z. B. indem eine Wandleranordnung mit einer schwach gekrümmten Abstrahlfläche 37 (s. F i g. 6) verwendet wird.

Die schwache Fokussierung in der Q-Richtung kann auch elektronisch erreicht werden. Dazu wird eine Wandleranordnung wie in F i g. 7 verwendet, bei der jedes der Elektrodensegmente in (^-Richtung in 3 Segmententeile a, b und c unterteilt ist. Wie aus F i g. 7 ersichtlich, werden nur die schraffierten Teile der Elektrodensegmente zum Senden bzw. zum Empfang verwendet. Dabei werden die inneren Segmentteile 32b, 336 mit dem Sendesignal 41 und die übrigen aktiven Segmentteile mit dem Sendesignal 42 angeregt Diese Lösung ist elektronisch aufwendiger als eine Wandlereinrichtung mit gekrümmter Abstrahlfläche, erfordert jedoch nur eine Wandleranordnung mit einer flachen Abstrahlfläche, die billiger ist.

Bei der bekannten Wandlereinrichtung 11 gemäß F i g. 1 kann das Ultraschall-Strahlenbündel 13 nach jeder Sende-Empfangs-Periode um die Breite eines Wandlerelements 12 verschoben werden. Die Linienzahl im Bild und die Auflösung könnten jedoch erhöht werden, wenn das Ultraschall-Strahlenbündel jeweils um weniger verschoben würde, z. B. die Hälfte des Rasterabstandes zwischen benachbarten Wandlerelementen. Dies kann natürlich durch Halbierung der Elementbreite erreicht werden. Diese Lösung führt aber zur doppelten Zahl von Elementen und entsprechend größerer Komp'cxiiäi.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (F i g. 8a, 8b und 8c) wird die Verschiebung des Ultraschall-Strahlenbündels um die Hälfte des Rasterabstandes zwischen benachbarten Wandlerelementen dadurch erreicht, daß nacheinander ausgewählte Wandlergruppen 71, 72, 73 abwechselnd eine gerade und eine ungerade Anzahl Wandlerelemente enthalten, wobei die aufeinanderfolgenden Wandlergruppen abwechselnd durch Verringerung der Anzahl Elektrodensegmente in einer Richtung und durch Erhöhung der Anzahl Elektrodensegmente in der entgegengesetzten Richtung gebildet werden. Die Amplituden und Phasen der Sendesignale bzw. der zeitlich verschobenen Echosignale werden so gewählt, daß unabhängig von der Anzahl Elemente der Wandlergruppe die Form des Ultraschall-Strahlenbündels möglichst gleich bleibt Die folgenden Kombinationen von Amplituden und Element 31 32

33 34

Senden

Amplitude
Phase

0,5 1

90° 0°

0,5 1

45° 0°

1 0°

0,5 90°

0,5 45°

Mit 3 Elementen

Element 32 33

34

Senden

Amplitude
Phase

1 45°

1 22,5°

45"

1 22,5°

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird zunächst anhand der F i g. 9a, 9b und 10 beschrieben. Es ist bekannt (schweizerische Patentschrift Nr. 5 43 313), daß eine gute Bündelung des Ultraschall-Strahls über eine große Tiefe erreicht wird, indem eine Ultraschallwelle mit einer kegelförmigen Wellenfront ausgestrahlt wird. Eine solche Wellenfront wird z. B. von einem kegelförmigen Ultraschallwandler abgestrahlt Eine kegelförmige Abstrahlfläche kann erfindungsgemäß approximiert werden, indem man für die Sendesignale 101 — 104 in Fig.9a für die zeitlich verschobenen Echosignale 202—208 (Fig. 16) eine lineare Zunahme des Phasenwinkels φ mit der Entfernung der Wandlerelemente 92—98 von der Mitte der Wandlergruppe vorsieht. Fi g. 10 zeigt diese lineare Zunahme des Phasenwinkels φ. Mit der in F i g. 9b anhand eines Querschnitts gezeigten Formgebung der Abstrahlfläche 37 wird eine lineare Zunahme des Phasenwinkels der abgestrahlten Ultraschallwellen ebenfalls in der Q-Richtung erreicht Die gestrichelte Linie 107 in F i g. 9a stellt den Ort konstanter Phase auf der Abstrahlfläche der Wandlereinrichtung dar, wobei zur Vereinfachung eine Phase angenommen wurde, die sich kontinuierlich in der L-Richtung ändert und nicht schrittweise wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel. Während bei einer kegelförmigen Wellenfront der Ort konstanter Phase ein Kreis ist handelt es sich hier um gerade Abschnitte 107.

Eine bessere Approximation einer kegelförmigen Wellenfront kann mit der anhand der F i g. 1 la, 11b und 12 zunächst erläuterten Ausführungsform der Erfindung erzielt werden. Bei dieser Ausführungsform ist die Phasenabhängigkeit der Sendesignale bzw. der zeitlich verschobenen Echosignale von der Position der entsprechenden Wandlerelemente in der Mitte der Wandlergruppe quadratisch und am Rand linear. Eine entsprechende Phasenabhängigkeit in der (^-Richtung wird mit der in F i g. 11 b anhand eines Querschnitts der Wandleranordnung gezeigten Formgebung der Abstrahlfläche 34 erzielt Die Hyperbel ist eine bevorzugte Kurve für die Linie 37 in F i g. 11 b. Eine solche Kurve verläuft in mittlerem Bereich 127 kreisförmig, am Rand aber linear. Die mit dieser Ausführungsform erzielte Verbesserung

ist daraus ersichtlich, daß der in F i g. 1 la gezeigte Ort konstanter Phase 106 abgerundete Ecken aufweist.

Es sei darauf hingewiesen, daß die ausstrahlenden Wandlergruppen der Ausführungsbeispiele gemäß Fig.9a und lla eine größere Fläche als beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 haben. Durch diese größere Fläche wird eine entsprechend größere öffnung erzielt, die nötig ist, um eine bessere Auflösung zu erreichen.

Wie bei den anderen Ausführungsbeispielen ist es auch bei den letztgenannten Ausführungsformen von Vorteil, daß der innere Teil der ausstrahlenden Wandlergruppe mit einer größeren Amplitude sendet, bzw. daß beim Empfang die dort empfangenen Echosignale mit einem größeren Gewichtskoeffizienten multipliziert werden. Dadurch wird das Nahfeld verbessert.

Die Bemessung der Wandlergruppen 21 und der Wandlerelemente 31—34 gemäß F i g. 4 zur Erzeugung eines schwach fokussierten Ultraschall-Strahlenbündels 23 gemäß F i g. 2 wird zunächst anhand der F i g. 18 und 19 erläutert. Kennzeichnend für eine gute schwach fokussierende Wandlergruppe ist, daß ihre Breite w und Länge/ 15 bis 30 Wellenlängen betragen. Der Krümmungsradius R (F i g. 19) der Wellenfront wird ungefähr gleich der halben Tiefe des zu untersuchenden Körpers gewählt, vorzugsweise etwas kleinen Für eine Wandlergruppe mit 4 Wandlerelementen wird die Breite der individuellen Wandlerelemente so gewählt, daß der Phasenunterschied zwischen den von benachbarten Elementen ausgestrahlten Wellen nicht wesentlich mehr als 90° beträgt. Je mehr man diese Werte des Krümmungsradius und des Phasenunterschieds überschreitet, desto schlechter wird die Strahlform und damit auch die Querauflösung. Eine schwache Fokussierung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann jedoch, mindestens im Prinzip, mit einem zwischen 30° und 180° liegenden Wert des Phasenunterschieds erreicht werden.

Die Bemessung der Wandlerelemente wird nun anhand eines konkreten Eeispiels erläutert (s. Fig. 18 und 19). Wie in F i g. 18 dargestellt, senden die zwei inneren Elemente der Wandlergruppen mit der Phase 0° und die beiden äußeren Elemente mit der Phase 90°. Aus F i g. 19 und dem Sehnensatz erhält man

d\ = 2R-A (1)

d\ = die laterale Verschiebung, die zu der gewünschten Phasenverschiebung von 90° führt, R — der Krümmungsradius der Wellenfront und
Δ — die Distanz, die einer Phasenverschiebung von 90° entspricht

Im vorliegenden Fall

mit λ = die Wellenlänge.

Wählt man nun R = 80 mm (annähernd die halbe Tiefe des untersuchten Körpers) und λ — 0,75 mm (diese Wellenlänge entspricht einer Frequenz von 2 MHz) so erhält man d\ = 5,48 mm. Wählt man die Elementbreite zu 4 mm, so hat die Mitte des äußeren Elements den Abstand d₂ = 6 mm von der Mitte der Wandlergruppe. Dieser Wert von di entspricht ungefähr der oben berechneten Distanz d\.

Fi g. 13 zeigt das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Bildgerätes, welches zum Senden und Empfangen Wandlergruppen mit je 7 Wandlerelementen verwendet, wie in Fig. lla dargestellt. Im Blockschaltbild gemäß Fig. 13 bedeuten 38 die Wandleranordnung gemäß Fig.3, 131 einen Taktgeber, 132 ein vom Taktgeber 131 abgegebenes Taktsignal, 133 ein Sendesignalgenerator, 134 Sendesignale, die vom Sendesignalgenerator 133 über Leitungen 135 Elementauswahl-Antriebschaltern 138 zugeführt werden, 136 einen mit dem Taktgeber 131 verbundenen Elementzähler und Dekoder zur Steuerung der Elementauswahl-Antriebsschalter 138,142 Echosignale, die von einer Wandlergruppe abgegeben werden, 143 einen Echosignalempfänger, 144 das kombinierte Echosignal am Ausgang des Echosignalempfäng:rs, 145 einen zeitempfindlichen Verstärker, 146 einen Detektor, 147 einen Signalaufbereiter, 151 einen X-Ablenkungsgenerator, 154 ein von diesem Generator abgegebenes Ablenksignal, 152 einen y-Stufenfunktionsgenerator, 155 ein von diesem Generator abgegebenes Stufenfunktionssignal und 156 einen Wiedergabeoszillographen mit drei Eingängen X, YundZ.

Der Taktgeber 131 erzeugt periodische Taktimpulse 132, die das Senden eines Ultraschallsignals und die Erzeugung der nötigen Synchronisationssignale auslösen. Im Sendesignal-Generator 133 werden vier elektrische Sendeimpulse 1211 —124 (s. F i g. 14) erzeugt. Drei dieser Sendesignale 122,, 123,124 eilen vor, entsprechend einer Phase des Träger signals von +30°, +100° und +180° gegenüber einem Signal 121, dessen Phase mit 0° bezeichnet wird. Diese Sendesignale werden auf die Leitungen 134 gegeben. Im Block 138 (Elementauswahl-Antriebschalter) werden diese Sendesignale auf sieben Versorgungsleitungen gegeben, auf denen die Sendesignale die Phasen +180°, +100°, +30°, 0°, +30°, + 100°, +180° haben. Der Elementzähler und Decoder 136 schaltet über die Elementauswahlantriebsschaiter 138 die gewünschten sieben Elemente ein, sowohl für Senden wie für Empfang. Nach jedem Puls wird die Konfiguration gemäß F i g. 11 a um ein Element in L-Richtung verschoben. Gleichzeitig werden auf den Versorgungsleitungen die Sendesignaie mit den verschiedenen Phasen zyklisch so vertauscht, daß jedes Element das entsprechende Sendesignal mit der korrekten Phase erhält. Die Echosignale 142 gelangen von den sieben eingeschalteten Elementen zum Echosignalempfänger

143. Dort werden die Signale verschieden verzögert und mit verschiedenen Gewichtsfaktoren multipliziert und dann addiert. Das Ausgangssignal 144 des Echosignalempfängers geht durch den zeitempfindlichen Verstärker 145, der die Dämpfung des Körpergewebes kompeiisiert. Darauf wird es im Detektor l46 gleichgerichtet und gelangt über den Signalaufbereiter 147 zum Z-Eingangdes Wiedergabeoszillographen 156. Der Signalaufbereiter 147 komprimiert den dynamischen Bereich des vom Detektor 146 abgegebenen Signals.

Der A'-Ablenkungsgenerator 151 erzeugt eine Spannung, die proportional zur Zeit ist, die seit dem Senden des letzten Pulses verstrichen ist. Der K-Stufenfunktionsgenerator 152 erzeugt eine Spannung, die proportional zur Lage der Mittelachse der eingeschalteten Wandlergruppe ist

Der Aufbau und die Wirkungsweise der Sendesignalgeneratoren 133 wird zunächst anhand der F i g. 14 und 15 erläutert. Der Taktimpuls 132 löst einen gepulsten Hochfrequenzgenerator 161 aus, dessen Ausgangssignal 162 (gepulstes Trägersignal) in der angezapften Verzögerungsleitung 163 so verzögert wird, daß man vier Signale mit den Phasen 0°, 30°, 100° und 180° erhält, in Gewichtungseinheiten 164—167 werden diese Sienale

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mit den entsprechenden Gewichtungsfaktoren multipliziert.

F i g. 16 zeigt den Echosignalempfänger 143 im DetaiL Die Echosignale 142 werden in Gewichtungseinheiten 171 — 177 mit den entsprechenden Gewichtungsfaktoren multipliziert. Darauf werden sie mit Phasendrehgliedern 181 — 185, wie gezeigt, verzögert und nachher in einem Addierer 186 addiert

Das Prinzip einer bevorzugten Ausführungsform der

Elememauswahlantriebsschalter 138 im Gerät nach 10 t„

Fig. 13 wird zunächst anhand der F i g. 17 erläutert Der £

Übersicht halber wird hiermit dieses Prinzip für eine Ii

Wandlergruppe mit nur 4 Elementen erläutert obwohl ^

das Gerät nach Fig. 13 Wandlergruppen mit je 7 EIe-

menten verwendet. Das in dieser Figur gezeigte Schalt- 15 |

schema erlaubt es, eine Vierergruppe von Wandlerele- "^;

menten anzusteuern und zu verschieben. Dabei werden jeweils die zwei inneren Elemente der Gruppe (z. B. 32 und 33 der Gruppe 1) mit dem Sendesignal 41 gemäß F i g. 5 und die zwei äußeren Elemente (z. B. 31 und 34 der Gruppe 1) mit dem Sendesignal 42 gemäß F i g. 5 angesteuert. In F i g. 17 sind die Wandlerelemente durch ihre entsprechenden Elektrodensegmente 31,32,33 etc. dargestellt. Die Wandlerelemente sind über eine Schalteranordnung 191 zyklisch an 4 Versorgungslinien 192—195 angeschlossen. Diese vier Versorgungslinien sind über eine Schalteranordnung 196 an zwei Versorgungslinien 197,198 angeschlossen, an denen die Sende- · signale 41, 42 mit den in Fig. 5 gezeigten Amplituden und Phasen liegen. In F i g. 17 sind Schalterstellungen für zwei aufeinanderfolgende Wandlergruppen I (durchzogen) und II (gestrichelt) gezeigt. Die Steuerung der Schalteranordnung 191 bedarf keiner Erklärung. Zur Steuerung einer neuen Gruppe II nimmt bei der Schalteranordnung 196 jeder Schalter (z. B. 213) die Stellung ein. die der obere Schalter (z. B. 212) zur Steuerung der vorhergehenden Gruppe 1 hatte. Der oberste Schalter 211 übernimmt dabei die vorhergehende Stellung des untersten Schalters 214. Man kann dieselben Schalter für Senden und Empfang benutzen, falls die elektronische Ausführung der Schalteranordnungen dafür geeignet ist. Falls man verschiedene elektronische Schalter für Senden und Empfang brauchen will, so kann die Schaltung gemäß Fig. 17 doppelt ausgeführt werden mit separaten Versorgungslinien für Senden und Empfang.

Hierzu 12 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Bildgerät zur Erzeugung von Querschnittsbildern, das nach dem Impulsechoverfahren arbeitet, mit einem Taktgeber zur Erzeugung eines impulsartigen elektrischen Taktsignals;
einer Wandlereinrichtung, die aus einer festen länglichen Reihe aneinander angrenzender Wandlerelemente besteht und mit der ein Ultraschall-Strahlenbündel im Ansprechen auf impulsartige, vom elektrischen Taktsignal abgeleitete Sendesignale erzeugbar, das Ultraschall-Strahlenbündel im wesentlichen in einer Abtastebene in einem heterogenen Körper übertragbar, Echos, die von einer Diskontinuität im Körper reflektiert werden, aufnehmbar und ein elektrisches Echosignal im Ansprechen auf die empfangenen Echos erzeugbar ist;

einer mit dem Taktgeber, mit der Wandlereinrichtung und mit einer Anzeigeeinrichtung verbundenen Elementzähler-Auswahleinrichtung, welche dazu dient. Gruppen von aneinander angrenzenden Wandlerelementen der Wandlereinrichtung nacheinander zyklisch auszuwählen, zur Erzeugung des Ultraschall-Strahlenbündels die Sendesignale den Wandlerelementen der jeweils ausgewählten Gruppe zuzuführen, und die mit dieser Gruppe erzeugten Echosignale an die Anzeigeeinrichtung zu übertragen, welche dazu dient, die Echosignale in ein sichtbares Bild umzuwandeln, das die Querschnittsstruktür des heterogenen Körpers wiedergibt;
einem zwischen dem Taktgeber und der Elementzähler-Auswahleinrichtung eingeschalteten Sendesignalgenerator, der dazu dient, zum Fokussieren aus dem vom Taktgeber abgegebenen Taktsignal gegeneinander zeitlich verschobene Sendesignale für die Wandlerelemente oder Elementuntergruppen der jeweils ausgewählten Wandlergruppe abzuleiten, und

einem zum Fokussieren zwischen der Elementzähler-Auswahleinrichtung und der Anzeigeeinrichtung eingeschalteten Echosignalempfänger, der dazu dient, die von den Wandlerelementen oder Elementuntergruppen der Wandlergruppe abgegebenen Echosignale gegeneinander zeitlich zu verschieben, wobei der Phasenwinkel (φ) der Sende- und der zeitlich verschobenen Echosignale durch eine Funktion des Abstandes des entsprechenden Wandlerelements von der Mitte der Wandlergruppe so bestimmt ist, daß bei benachbarten Wandlerelementen oder Elementuntergruppen das Sendesignal und das zeitlich verschobene Echosignal von dem Wandlerelement oder von der Elementuntergruppe, das/die von der Mitte der Wandlergruppe den größeren Abstand hat, in der Phase voreilt, dadurch gekennzeichnet,
daß die zeitlichen Verschiebungen so gewählt sind, daß das gesendete Strahlenbündel (23) und die entsprechende Empfangscharakteristik in der Abtastebene und über die ganze Untersuchungstiefe schwach fokussiert wird,

daß der Sendesignalgenerator und der Echosignalempfänger Mittel zur Gewichtung der Sende- und Echosignale eines Wandlerelementes oder einer Elementuntergruppe mit einem Gewichtungsfaktor enthalten, der eine Funktion des Abstandes des Wandlerelementes oder der Elementuntergruppe von der Mitte der Wandlergruppe ist, und

daß die mit der Elementzähler-Auswahleinrichtung (136—138) nacheinander ausgewählten Wandlergruppen (71, 72, 73) abwechselnd eine gerade und eine ungerade Anzahl Wandlerelemente enthalten, wobei die aufeinanderfolgenden Wandlergruppen abwechselnd durch Verringerung der Anzahl Wandlerelemente in einer Richtung und durch Erhöhung der Anzahl Wandlerelemente in der entgegengesetzten Richtung gebildet werden.

2. Ultraschall-Bildgerät zur Erzeugung von Querschnittsbildern, das nach dem Impulsechoverfahren arbeitet, mit einem Taktgeber zur Erzeugung eines impulsartigen elektrischen Taktsignals;
einer Wandlereinrichtung, die aus einer festen länglichen Reihe aneinander angrenzender Wandlerelemente besteht und dazu dient, ein Ultraschall-Strahlenbündel im Ansprechen auf impulsartige, vom elektrischen Taktsignal abgeleitete Sendesignale zu erzeugen, das Ultraschall-Strahlenbündel im wesentlichen in einer Abtastebene in einen heterogenen Körper zu übertragen, Echos aufzunehmen, die von einer Diskontinuität im Körper reflektiert werden, und ein elektrisches Echosignal im Ansprechen auf die empfangenen Echos zu erzeugen;
einer mit dem Taktgeber, mit der Wandlereinrichtung und mit einer Anzeigeeinrichtung verbundenen Elementzähler-Auswahleinrichtung, welche dazu dient, Gruppen von aneinander angrenzenden Wandlerelementen der Wandlereinrichtung nacheinander zyklisch auszuwählen, zur Erzeugung des Ultraschall-Strahlenbündels die Sendesignale den Wandlerelementen der jeweils ausgewählten Gruppe zuzuführen, und die mit dieser Gruppe erzeugten Echosignale an die Anzeigeeinrichtung zu übertragen, welche dazu dient, die Echsosignale in ein sichtbares Bild umzuwandeln, das die Querschnittsstruktur des heterogenen Körpers wiedergibt;
einem zwischen dem Taktgeber und der Elementzähler-Auswahleinrichtung eingeschalteten Sendesignalgenerator, der dazu dient, zum Fokussieren aus dem vom Taktgeber abgegebenen Taktsignal gegeneinander zeitlich verschobene Sendesignale für die Wandlerelemente oder Elementuntergruppen der jeweils ausgewählten Wandlergruppe abzuleiten, und

einem zwischen der Elementzähler-Auswahleinrichtung und der Anzeigeeinrichtung eingeschalteten Echosignalempfänger, der dazu dient, zum Fokussieren die von den Wandlerelementen oder Elementuntergruppen der Wandlergruppe abgegebenen Echosignale gegeneinander zeitlich zu verschieben, wobei der Phasenwinkel (φ) der Sende- und der zeitlich verschobenen Echosignale durch eine Funktion des Abstandes des entsprechenden Wandlerelements von der Mitte der Wandlergruppe so bestimmt ist, daß bei benachbarten Wandlerelementen oder Elementuntergruppen das Sendesignal und das zeitlich verschobene Echosignal von dem Wandlerelement oder von der Elementuntergruppe, das/die von der Mitte der Wandlergruppe den größeren Abstand hat, in der Phase voreilt,
dadurch gekennzeichnet,

daß die zeitlichen Verschiebungen so gewählt sind, daß das gesendete Strahlenbündel (23) und die entsprechende Empfangscharakteristik in der Abtastebene asphärisch fokussiert wird,
daß der Querschnitt der Abstrahlfläche (37) der Wandleranordnung in jeder zur Abtastebene senk-

rechten und zum Ultraschall-Strahlenbündel parallelen Ebene eine Krümmung aufweist, -vodurch die Abstrahlfläche das Ultraschall-Strahlenbündel und die entsprechende Empfangscharakteristik auch in diesen Ebenen asphärisch fokussiert, daß der Sendesignalgenerator und der Echosignalempfänger Mittel zur Gewichtung der Sende- und Echosignale eines Wandlerelementes oder einer Elementuntergruppe mit einem Gewichtungsfaktor enthalten, der eine Funktion des Abstandes des Wandlerelementes oder der Elementuntergruppe von der Mitte der Wandlergruppe ist, und
daß die mit der Elementzähler-Auswahleinrichtung (136—138) nacheinander ausgewählten Wandlergruppen (71, 72, 73) abwechselnd eine gerade und eine ungerade Anzahl Wandlerelemente enthalten, wobei die aufeinanderfolgenden Wandergruppen abwechselnd durch Verringerung der Anzahl Wandlerelemente in einer Richtung bzw. durch Erhöhung der Anzahl Wandlerelemante in der entgegengesetzten Richtung gebildet werden.