DE2660888C3

DE2660888C3 - Elektronisch abgetastete Ultraschall-Abbildung

Info

Publication number: DE2660888C3
Application number: DE2660888A
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: 1985-11-14
Also published as: DE2660208B2; SE7613431L; DE2654280C3; FR2334117B1; DK146227B; CA1110750A; NL176207C; DK146227C; SE445009B; DE2654280B2; IT1070826B; DE2654280A1; GB1570879A; DE2660208C3; DE2660882C3; US4242912A; FR2334117A1; DD129376A5; GB1570880A; NL7612852A

Description

ca.45° zip wird in einem bekannten Ultraschall-Bildgerät der

ca. 90° 50 eingangs beschriebenen Art (US-PS 39 19 683) ange

wendet, bei dem das von jeder Wandlergruppe er-, zeugte Ultraschallfeld bzw. die entsprechende Emp-

fanpscharakteristik schwach fokussiert wird. Bei diesem bekannten Gerät sind weder eine Gewichtung der 55 Amplitude der S?nde- und Echosignale, noch Sendesi-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung gnale mit gegenseitigen Phasenverschiebungen vorg;-von Querschnittsbildern mit einem nach dem Impuls- sehen, die von denjenigen verschieden sind, die zwiechoverfahren arbeitenden Ultraschzll-Bildgerät ge- sehen den korrespondierenden Echosignalen vorgesfmäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Ultra- hen sind. Ein gewichtiger Nachteil dieses bekannten schall-Bildgerät zur Durchführung des erfindungsge- 60 Geräts liegt darin, daß der damit erzeugte Ultraschallmäßen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff von An- strahl im Nahfeld relativ breit ist. Es ist deshalb mit spruch 2. diesem Gerät in der Regel nicht möglbh, eine für die

Rir die Erzeugung von Ultraschall-Abbildungen (ins- medizinische Ultraschalldiagnostik ausreichende Querbcs. für die Erzeugung von Querschnittsbildern) wird im auflösung in dem im Nahfeld liegenden Bereich der allgemeinen ein Ul'raschallwandler mechanisch bewegt. 65 Untersuchungstiete zu erzielen. Dies hat verschiedene Nachteile. Wird der Wandler von Es ist auch ein gleichartiges Ultraschall-Bildgerät beHand bewegt, so ist iKe Abtastung langsam und vom kannt (FR-PS 22 55 612), bei dem zeitliche Verschiebun-Gcschick der Bedienungsperson abhängig. Wird der gen zwischen den Wandlerelementen zugeführten Sen-

zwischen den zeitlich gegeneinander verschobenen Echosignalen von benachbarten Wandlerelementen oder Elementuntergruppen:

Sendesignale

ca. 90°
ca. 45°

designalen angewendet werden. Dabei wird aber ein Ultraschall-Strahlenbündel erzeugt, das bereits im 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 ferner bekannt, sowohl beim Senden wie beim Empfang einen stark fokussierten Ultraschallstrahl zu verwenden, wobei aber innerhalb der Untersuchungstiefe mehrere Brennpunkte nacheinander auftreten (Kossof, Ultrasonic Research in Midicine in Australia — a Review, Ultrasonics International 1973 Conference Proceedings, S. 199—205). Diese sogenannte dynamische Fokussierung erfordert einen relativ großen Schaltungsaufwand.

Es ist im weiteren vorgeschlagen worden (F. L Thurstone und O. T. von Ramm, »Electronis beam scanning for ultrasonic imaging«, Proceedings of the 2nd World Congress on ultrasonic, in Medicine, Rotterdam, 4.-8. Juni 1973; M. de Vlieger, Ed. Excerpta Medica Amsterdam 1974; American Elsevier Publishing Company, Inc. New York, S. 43—48), die Amplitude eines von einer länglichen, festen Anordnung von Wandlerelementen erzeugten Ultraschallfeldes, das durch Ansteuerung der Wandierelemente mit zueinander zeitlich verschobenen Sendesignalen im wesentlichen in einer Abtastebene, asphärisch (d. h. nicht in einem Punkt, sondern annähernd in einer geraden Strekke entlang der Hauptstrahlungsrichtung) fokussiert wird, entlang der Hauptstrahlungsrichtung annähernd gleichmäßig zu verteilen, indem den Wandlerelementen Sendesignale verschiedener Amplituden zugeführt werden. Dieser Vorschlag hat den Nachteil, daß störende Seitenmaxima der Strahlungscharakteristik auftreten und deshalb die Erzielung einer höheren Querauflösung beeinträchtigen. Der Versuch, den Effekt rfpr .RfMfpnmavimq tu r^duziSTSii indem fc**!™ Erfi^fs««** eine dynamische Fokussierung verwendet wird, erfordert, wie oben erwähnt, eine erhebliche Erhöhung des Schaltungsaufwandes und damit eine entsprechende Verteuerung des Ultraschall-Bildgeräts.

Es ist außerdem bekannt, daß bei einem Gerät mit einer linearen Anordnung von Wandlerelementen zwar eine Verringerung der Seitenmaxima im Fernfeld durch eine Gewichtung der Amplitude der Sendesignale erzielt werden kann, das dabei aber eine Verbreiterung des Hauptstrahls im Fernfeld auftritt (j. C. Somer, »Electronic sector scanning for Ultrasonics Diagnosis«, Ultrasinic, Juli 1968, S. 153-159). Daß im Nahfeld, das vom Fernfeld physikalisch erheblich verschieden ist und das ein wichtiger TdI des untersuchten Bereichs ist, der Strahl durch diese Maßnahme schmäler wird, läßt sich daraus nicht herleiten.

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, S. 199—205). Die Fokussierung in der Abtastebene 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.

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

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Ein Ultraschall-Bildgerät zur Durchführung dieses Verfahrens ist in Anspruch 2 gekennzeichnet.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

ίο Durch das Verfahren nach Anspruch 1 bzw. das entsprechende Biidgerät nach Anspruch 2 ist es möglich geworden, mit geringem Aufwand eine für die medizinische Ultraschalldiagnostik ausreichende Querauflösung über die ganze Untersuchungstiefc, insbes. in deren im Nahfeld liegenden Bereich, zu erzielen.

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

im folgenden werden anhand der Zeichnungen einige Ausführugsformen der Erfindung näher erläutert.

Fig. I zeigt eine perspektivische Ansicht der Wandlereinrichtung des vorstehend erwähnten Ultraschall-Bildgeräts gemäß dem Stand der Technik.

Fig.2 zeigt die im Querschnitt schematisch dargestellte Form der Strahlungscharakteristik 23 einer erfindungsgemäßen Wandlergruppe im Vergleich zur Strahlungscharakteristik 22 einer Wandlergruppe der WandlereinricV.-iung gemäß F i g. 1,

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

F i g. 4 zeigt eine Rückansicht einer erfindungsgemäßen Wandlergruppe 21 mit 4 Wandlerelementen,

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

Fig.6 zeigt sehematisch, anhand cir.es psrsüc! zur

QS-Ebene in F i g. 1 liegenden Querschnitts, eine zur schwachen Fokussierung des Ultraschall-Strahlenbündels in ^-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 F i g. 3, mit welcher die mit der konkaven Abstrahlfläche gemäß F i g. 6 erreichte schwache Fokussierung in O-Richtung mit einer flachen Abstrahlfläche erzielt wird,

Fig.8 zeigt ein schematisches Blockdiagramm zur Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall-Bildgerätes,
so F i g. 9 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Sendesignalgenerators 133 im Gerät nach F i g. 8,

Fig. 10 zeigt Diagramme des vom Taktgeber 131 (F i g. 8) erzeugten Taktimpulses 132 und der gepulsten Sinuswelle 162, die vom Taktimpuls abgeleitet wird,
F i g. 11 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Echosignal-Empfängers 143 im Gerät nach F i g. 8,

Fig. 12 zeigt das Prinzip einer bevorzugten Ausführungsform der Elementauswahiantriebsschalter 138 im Gerät nach Fig.8. (Der Obersicht halber wird hiermit dieses Prinzip für eine Wandlergruppe mit nur 4 Elementen erläutert obwohl das Gerät nach F i g. 8 Wandlergruppen mit je 7 Elementen verwendet.),

Fig. 13 und 14 dienen zur Erläuterung der Bemessung einer erfindungsgemäßen 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 aufeinanderfolgende Gruppen von A zueinander benachbarten Wandlerelementen aufeinanderfolgend zu Impulsen angeregt. Jede der aufeinanderfolgenden Gruppen von /4-Elementen ist in Längsrichtung um ß-Elemente von dem Ort der unmittelbar vo-hergehenden Gruppe verschoben. Die Verschiebung des 'Jltraschall-Strahlenbündels 13 erfolgt in Richtung des Pfeils L, wie dies von der Reihe der strichlierten Rechtecke 14 wiedergegeben wird, webhe 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-Strahlenbündcl 13 erzeugt, da sämtliche /4-Elemente der Wandlergruppe gleichzeitig zur Impulsabgabe angeregt werden. Die unfokussierte Strahlungscharakteristik 22 des Ultraschall-Strahlenbündels 13 in Fig. 1 ist in Fig.? Hnrgestellt.

In F i g. 1 wird ein orthogonales Koordinatensystem durch 3 Pfeile Q. L und S definiert. Der Pfeil L liegt entlang der Längsachse der Abstrahlfläche der Wandlereinrichtung II. Der Pfeil 5 liegt parallel zur Hauptachse des Ultraschall-Strahlenbündels 13. Der Pfeil Q liegt senkrecht zu der durch die Pfeile L und 5 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 einebevorzugten Wandleranordnung 38 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 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 erfindungsgemäßen Wandlerelemente gemeinsame Teile, wie die piezoelektrische Schicht 38 oder die ganze Elektrode 36, besitzen können. Zum erfindungsgemäßen Betrieb der Wandleranordnung 38 genügt es, daß sie einseitig Elektrodensegmente besitzt, an denen die zeitlich verschobenen Sendesignale angelegt und aus denen Echosignale entnomen werden können. Jedes Elektrodensegment definiert also ein erfindungsgemäßes Wandlerelement

Die mit der vorliegenden Erfindung erzielte Wirkung, d. h. die Erzielung einer höheren Querauflösung wird hauptsächlich durch eine neue Funktionsweise der Wandlereinrichtung erzielt Diese wird zunächst anhand der F i g. 2,4 und 5 näher erläutert

Fig.4 zeigt Elektrodensegmente 31—34 einer erfindungsgemäßen 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 voreiien. Dadurch wird ein schwach fokussiertes Ultraschall-Strahlenbündel 23 (F i g. 2) erzeugt

Der in dieser Beschreibung verwendete Ausdruck »schwach fokussiert« bedeutet, daß eine brennpunktfreie Fokussierung durchgeführt wird, die über die ganze Untersuchungstiefe eine leichte Verringerung der Breite des Ultraschalistrahls bzw. der Empfangscharakteristik bewirkt, und die in der oben erwähnten Publication von G. Kossoff in Ultrasonics, Sept. 1972, S. 223—224, so definiert ist, daß sie gegenüber einer mittleren oder einer starken Fokussierung abgegrenzt ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden nicht nur die Sendesignale, sondern auch die mit den einzelnen Wandlerelementen der Wandlergruppe 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 erfindungsgemäß in bezug auf eine Periode (360°) des hochfrequenten Trägersignals (z. B.

MHz) definiert, die in Impulsen mit einer Folgefrequenz von z. B. 2 kHz und mit einem geeigneten Phasenwinkel den Elektrodensegmenten der aufeinanderfolgenden Wandlergruppeen zugeführt wird.

Die mit diesem erfiridungsgemäßen 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°

Durch diese verschiedenen Werte der Phasenvoreilung für die Sende- und Echosignale wird die erfindungsgemäße Strahlungscharakteristik 23 (F i g. 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 Sendesigna! der größeren Amplitude ao angeregt Ähnlicherweise 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 (^-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 (^-Richtung kann auch elektronisch erreicht werden. Dazu wird eine Wandleranordnung wie in Fig.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

In einer bevorzugten Ausführungsform werden mit 4 Elementen pro Gruppe (F i g. 4) folgende Kombinationen von Amplituden und Phasen verwendet:

9 10

Z designate, die vom Sendesignalgenerator 133 über Lei-

31 "32 33 34 tungen 135 Elementauswahl-Antriebsschaltern 138 zu-

geführt werden, 136 einen mit dem Taktgeber 131 verbundenen Elementzähler und Dekoder zur Steuerung

Senden I ^AmP^{litude 0}J⁵ '_e ^ ⁰^ 5 der Elementauswahl-Antriebsschalter 138, 142 Echosi-

\ °hase 90° 0° 0° 90° gnale, die von einer Wandlergruppe abgegeben werden.

143 einen Echosignalempfänger, 144 das kombinierte

ί Amplitude 0,5 1 1 0,5 Echosignal am Ausgang des Echosignalempfangers, 145

1 _{phass 45}„ _{QO Q}„ _45<> einen zeitempfindlichen Verstärker. 146 einen Detektor,

to 147 einen Signalaufbereiter, 151 einen X-Ablenkungs-

Die Bemessung der Wandlergruppen 21 und der generator, 154 ein von diesem Generator abgegebenes Wandlerelemente 31— 34 gemäß Fig.4 zur Erzeugung Ablenksignal, 152 einen V-Stufenfunktionsgencrator,

eines schwach fokussierten Ultraschall-Strahlenbündels 155 ein von diesem Generator abgegebenes Stufcnfunk-

23 gemäß Fig.2 wird zunächst anhand der Fig. 13 und tionssignal und 156 einen Wiedergabeoszillographen

14 erläutert. Kennzeichnend für eine gute schwach fo- 15 mit drei Eingängen X, VundZ

kussierende Wandlergruppe ist, daß ihre Breite w und Der Taktgeber 131 erzeugt periodische Taktimpuls··

Länge / 15 bis 30 Wellenlängen betragen. Der Krüm- 132, die das Senden eines Ultraschallsignals und die Er-

mungsradius R (F i g. 14) der Wellenfront wird ungefähr zeugung der nötigen Synchronisationssignale auslosen,

gleich der halben Tiefe des zn untersuchender. Körpers \m Scndcsignsl^Gsnsrstor 133 werden vier elektrische

gewählt, vorzugsweise etwas kleiner. Für eine Wandler- 20 Sendeimpulse 121 —124 (s. F i g. 9) erzeugt. Drei dieser

gruppe mit 4 Wandlerelementen wird die Breite der in- Sendesignale 122, 123, 124 eilen vor gegenüber einem

dividuellen Wandlerelemente so gewählt, daß der Pha- Signal 121, dessen Phase mit 0" bezeichnet wird. Diese

senunterschied zwischen den von benachbarten EIe- Sendesignale werden auf die Leitungen 134 gegeben. Im

menten ausgestrahlten Wellen nicht wesentlich mehr als Block 138 (Elementauswahl-Antriebsschalter) werden

90° beträgt Je mehr man diese Werte des Krümmungs- 25 diese Sendesignale auf sieben Versorgungsleitungen ge-

radius und des Phasenunterschieds überschreitet, desto geben. Der Elementzähler und Decoder 136 schaltet

schlechter wird die Strahlform und damit auch die Quer- über die Elementauswahl-Antriebsschalter 138 die ge-

auflösung. Eine schwache Fokussierung im Sinne der wünschten sieben Elemente ein, sowohl für Senden wie

vorliegenden Erfindung kann jedoch, mindestens im für Empfang. Nsch jedem Puls wird die Konfiguration

Prinzip, mit einem zwischen 30° und 180° liegenden ₃₀ um ein Element in L-Richtung verschoben. Gleichzeitig Wert des Phasenunterschieds erreicht werden. werden auf den Versorgungsleitungen die Sendesignale Die Bemessung der Wandlerelemente wird nun an- mit den verschiedenen Phasen zyklisch so vertauscht,

hand eines konkreten Beispiels erläutert (s. F i g. 13 und daß jedes Element das entsprechende Sendesignal mit

14). Wie in F i g. 13 dargestellt, senden die zwei inneren der korrekten Phase erhält Die Echosignale 142 gelan-

Elemente der Wandlergruppen mit der Phase 0" und die 35 gen von den sieben eingeschalteten Elementen zum

beiden äußeren Elemente mit der Phase 90°. Aus Echosignalempfänger 143. Dort werden die Signale ver-

F ig. 14 und dem Sehnensatz erhält man schieden verzögert und mit verschiedenen Gewichtsfaktoren multipliziert und dann addiert Das Ausgangs-

d\ = 2R · Δ (1) signal 144 des Echosignalempfängers geht durch den

40 zeitempfindlichen Verstärker 145, der die Dämpfung

di - die laterale Verschiebung, die zu der ge- des Körpergewebes kompensiert. Darauf Vird es im

wünschten Phasenverschiebung von 90° führt. Detektor 146 gleichgerichetet und gelangt über den Si-

R = der Krümmungsradius der Wellenfront, und gnalaufbereiter 147 zum Z-Eingang des Wiedergabeos-

Δ = die Distanz, die eine Phasenverschiebung von zillographen 156. Der Signalaufbereiter 147 kompri-

90° entspricht 45 _miert den dynamischen Bereich des vom Detektor 146

abgegebenen Signals.

Im vorliegenden Fall Der ΛΓ-Ablenkungsgenerator 151 erzeugt eine Spannung, die proportional zur Zeit ist die seit dem Senden

j _ A. (2) des '^etzten Pulses verstrichen ist Der V-Stufenfunk-

⁴ 50 tionsgenerator 152 erzeugt eine Spannung, die proportional zur Lage der Mittelachse der eingeschalteten

mit λ - die Wellenlänge. Wandlergruppe ist

Der Aufbau und die Wirkungsweise des Sendesignal- Wählt man nun R=80 mm (annähernd die halbe Tiefe generatoren 133 wird zunächst anhand der F i g. 9 und

des untersuchten Körpers) und /J=0,75 mm (diese WeI- 55 10 erläutert Der Taktimpuls 132 löst einen gepulsten

lenlänge entspricht einer Frequenz von 2 MHz) so er- Hochfrequenzgenerator 161 aus, dessen Ausgangssignal

hält man d_t =5,48 mm. Wählt man die Elementbreite zu 162 (gepulstes Trägersignal) in der angezapften Verzö-

4 mm, so hat die Mitte des äußeren Elements den Ab- gerungsleitung 163 so verzögert wird, daß man vier Si-

stand d₂ =6 mm von der Mitte der Wandlergruppe. Die- gnale mit verschiedenen Phasen erhält In Gewichtungs-

ser Wert von D₂ entspricht ungefähr der oben berech- 60 einheiten 164—167 werden diese Signale mit den ent-

neten Distanz d\. sprechenden Gewichtungsfaktoren multipliziert

F i g. 8 zeigt das Blockschaltbild eines erfindungsge- F i g. 11 zeigt den Echosignalempfänger 143 im Detail,

mäßen Ultraschall-Bildgerätes, welches zum Senden Die Echosignale 142 werden in Gewichtungseinheiten

und Empfangen Wandlergruppen mit je 7 Wandlerele- 171 — 177 mit den entsprechenden Gewichtsfaktoren

menten verwendet Im Blockschaltbild gemäß F ig. 8 es multipliziert Darauf werden sie mit Phasendrehgliedern

bedeuten 38 die Wandleranordnung gemäß F i g. 3,131 181 -185 verzögert und nachher in einem \ddierer 186

einen Taktgeber, 132 ein vom Taktgeber 131 abgegebe- addiert

nes Taktsignal, 133 ein Sendesignalgenerator, 134 Sen- Das Prinzip einer bevorzugten Ausführungsform der

11

Eleinentauswahl-Antriebsschalter 138 im Gerät nach F i g. 8 wird zunächst anhand der F i g. 12 erläutert. Der Übersicht halber wird hiermit dieses Prinzip für eine Wandlergruppe mit nur 4 Elementen erläutert, obwohl das Gerät nach F i g. 8 Wandlergruppen nvt je 7 EIementen verwendet. Das in dieser Figur gezeigte Schaltschema erlaubt es, eine Vierergruppe von Wandlerelementen anzusteuern und zu verschieben. Dabei werden jeweils die zwei inneren Elemente der Gruppe (z. B. 32 und 33 der Gruppe I) mit dem Sendesignal 41 gemäß F i g. 5 und die zwei äußeren Elemente (z. B. 31 und 34 der Gruppe I) mit dem Sendesignal 42 gemäß Fig.5 angesteuert In Fig. 12 sind die Wandlerelemente durch ihre entsprechenden Elektrodensegmente 31,32,33, etc. dargesteilt. Die Wandlerelemente sind über eine Schal- is teranordnung 191 zyklisch an 4 Versorgungslinien 192—195 angeschlossen. Diese vier Versorgungsiinien sind über eine Schalteranordnung 196 an zwei Versorgungslinien 197,198 angeschlossen, an denen die Sendesignale 41, 4.? mit den in Fig.5 gezeigten Amplituden und Phasen liegen. In Fig. 12 sind Schalterstellungen für zwei aufeinanderfolgende Wandlergruppen I (durchzogen) und II (gestrichelt) gezeigt. Die Steuerung der Schalteranorndung 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 I 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 Schaller für Senden und Empfang brauchen will, so kann die Schaltung gemäß Fig. 12 doppelt ausgeführt werden mit separaten Versorgungslinien für Senden und Empfang.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

40

45

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung von Querschnittsbildern für die medizinische Ultraschall-Diagnostik mit einem nach dem Impulsechoverfahren arbeitenden Ultraschall-Bildgerät, das eine Wandlereinrichtung enthält, die aus einer festen länglichen Reihe, aus aneinander angrenzenden Wandlerelementen besteht, bei welchem Verfahren nacheinander zyklisch ausgewählte Gruppen von aneinander angrenzenden Wandlerelementen der Wandlereinrichtung dazu dienen, ein Ultraschall-Strahlenbündel im Ansprechen auf impulsartige elektrische Sendesignale zu erzeugen, die den Wandlerelementen zugeführt werden, 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, und bei dem zur Fokussierung die den Wandlerelementen oder Elementuntergruppen zugeführten Sendesignale und die von den Wandlerelementen oder Elementuntergruppen abgegebenen Echosignale gegeneinander zeitlich so verschoben werden, daß bei benachbarten Wandlerelementen das Sendesignal für das bzw. das zeitlich verschobene Echosignal von dem Element oder der Elementuntergruppe, das/die von der Mitte der Wandlergruppe den größeren Abstand hat, in der Phase voreilt, wobei die zeitliche Verschiebung der Sende- und Echosignale zwischen benachbarten Wandlerelementen einer Gruppe ein Bruchteil einer Periode der gesendeten Ultr^ichallfrequenz ist, und solche Verschiebungen so gewählt werden, daß das durch die Wandlergruppe erzeugte Ultraschall-Strahlenbündel die entsprechende Empfangscharakteristik in der Abtastebene und über die ganze Untersuchungstiefe nur schwach forkussiert wird, dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen den Sendesignalen zeitliche Verschiebungen vorgesehen sind, die von denjenigen verschieden sind, die zwischen den korrespondierenden Echosignalen vorgesehen sind, und daß in zur Abtastebene senkrechte Ebenen und über die ganze Untersuchungstiefe nur schwach fokussiert wird, und

daß die Amplitude der Sende- und der Echosignale eines Wandlerelementes oder einer Elementuntergruppe mit einem Gewichtungsfaktor gewichtet wird, der eine Funktion des Abstandes des Wandlerelementes oder der Elementuntergruppe von der Mitte der Wandlergruppe ist und in der Mitte der Wandlergruppe am größten ist.

2. Ultraschall-Bildgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch l.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 reflklieri werden nufnehmbar, und ein elektrisches Echosignal im Ansprechen auf die empfangenen Echos erzeugbar sind;
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-Strahlenbündeis die Sendesignah 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 Querschnittsslrukturdes heterogenen Körpers wiedergibt;
einem zwischen dem Taktgeber und der Elemenlzähler-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 Elementgruppen 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 Wandlerelemenl oder von der Elementuntergruppe, das/die von der Mitte der Wandlergruppe den größeren Abstand hat, in der Phase voreilt, wobei dip mit dem Scndesignalgenerator (133) und dem Echosignalempfänger (143) durchgeführte zeitliche Verschiebung der Sende- und Echosignale zwischen benachbarten Wandlerelementen einer Gruppe ein Bruchteil einer Periode der gesendeten Ultraschallfrequenz ist und solche Verschiebungen so gewählt werden, daß die gesendeten Strahlenbündel (23) und die entsprechende Empfangscharakteristik in der Abtastebene und über die ganze Untersuchungstiefe schwach fokussiert werden,
dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen den Sendesignalen zeitliche Verschiebungen vorgesehen sind, die von denjenigen verschieden sind, die zwischen den korrespondierenden Echosignalen vorgesehen sind,
daß das Gerät mit das gesendete Ultraschall-Strahlenbündel und die entsprechende Empfangscharakteristik in zur Abtastebene senkrechten Ebenen und über die ganze Untersuchungstiefe schwach fokussierenden Einrichtungen ausgerüstet ist, und
daß der Sendesignalgenerator und der Echosignalempfänger Mittel zur Gewiehtung der Sende- und Echosignale eines Wandlerelementes oder einer EIementuntergruppe mit einem Gewichtungsfaktor enthalten, der eine Funktion des Abstandes des Wandlerelementes oder Elementuntergruppe von der Mitte der Wandlergruppe ist und in der Mitte der Wandlergruppe am größten ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich-

net, daß die Länge und die Breite der jeweils ausgewählten Wandlergruppe (21) etwa im Bereich zwischen 15 und 30 Wellenlängen liegen.

4. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Abstrahlfläche (37) der Wandlereinrichtung (11) in jeder zur Abtastebene senkrechten und zum Ultraschall-Strahlenbündel parallelen Ebene gekrümmt ist und die Abstrahlfläche das ! Jltraschall-Strahlenbündel und die entsprechende Empfangscharakteristik auch in solchen Ebenen schwach fokussiert

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Krümmung der Abstrahlfläche flache Wandlereleuiente (31—34) vorgesehen sind, die entlang ihrer Längsachse in einen oberen, einen mittleren und einen unteren Teil (a, b, c) segmentiert sind, daß mit den oberen und untersten Teilen (a, c) de/ äußeren Wandlerelemente (31,34) der ausstrahlenden Wandlergruppe (31—34) weder gesendet

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-PS 38 81 466), bei dem die Wandlereinrichtung ein Ultraschall-Strahlenbündel erzeugt, wobei die Querauflösung ausschließlich durch die Frequenz der gesendeten Ultraschallwellen und die Breite der Abstrahlfläche der Wandlerelemente bestimmt wird, die Ultraschallwellen gleichphasig gesendet und zwischen den Echosignalen keine Phasenverschiebung vorgesehen ist Eine Verbesserung der Querauflösung des bekannten Geräts durch Verkleine -

noch empfangen wird, und daß die Sendesignale (42) 20 rung der Breite der Wandlerelenv ate kann nur bis zu für die oberen uqd untersten Teile (a, c) der inneren
Wandlerelemente (32,33) verglichen mV den Sendesignalen (41) für die mittleren Teile derselben Wandlerelemente phasenverschoben sind und/oder eine
kleinere Amplitude haben. 25

6. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Verschiebung zwischen Sendesignalen für benachbarte Wandlerelemente oder Elementuntergruppen und die zeitliche Verschie-

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minimale Breite des Ultraschall-Strahlenbündels gegeben ist Obwohl die mit dem bekannten Gerät erzeugten Querschnittbilder relativ deutlich sind, hai sich in der Praxis gezeigt daß für manche Anwendungen noch nöhere Werte der Querauflösung wünschenswert sind.

Es ist ferner aus der Publication von G. Kossoff in Ultrasonics, September 1972, S. 221 —227, bekannt, daß

bung zwischen den zeitlich gegeneinander verscho- 30 die mit einem einzelnen sphärischen Ultraschallwandler benen Echosignalen von benachbarten Wandlerele- über eine vorgegebene Untersuchungstiefe erzielbare menten oder Elementuntergruppen, die verschiede- Querauflösung durch eine schwache Fokussierung des ne Abstände von der Mitte der Wandlergruppe ha- Ultraschallstrahls verbessert werden kann, die durch die ben, einer Phasenverschiebung einer in jedem Sen- Krümmung der Abstrahlfläche des Wandlers bewirkt de- und Echosignale enthaltenden hochfrequenten 35 wird. Der Fokussierungsgrad ist anhand des Quotienten Trägerwelle entspricht, wobei der absolute Betrag cPlUA definiert in dem dden Durchmesser des Wanddieser Phasenverschiebung im Bereich zwischen 30° lers, A die Wellenlänge der gesendeten Wellen und A und 180° liegt. den Krümmungsradius der Abstrahlfläche des Wandlers

7. Gerät nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch bezeichnen. Die Fokussierung ist schwach, wenn folgenie Kombination der absoluten Beträge der 40 cP/8AA <3, mittel, wenn 3<(P/SAA <10, und stark, Phasenverschiebung zwischen Sendesignalen und ν znn<P/8AA > 10ist.

Es ist auch bekannt (US-PS 38 81 164), daß die Breite des mit einer länglichen, aus nebeneraanderliegenden Wandlerelementen bestehenden Wandleranordnung in einer Abtastebene erzeugten Ultraschall-

~pT~~I '. Strahlenbündels dadurch verringert werden kann, daß

Echosignale _uj_e Wandlerelemente mit zueinander zeitlich verscho

benen Sendesignalen angesteuert werden. Dieses Prin-