DE2710038A1

DE2710038A1 - Vorrichtung zur untersuchung von geweben mittels ultraschall

Info

Publication number: DE2710038A1
Application number: DE19772710038
Authority: DE
Inventors: Philip Shepard Green
Original assignee: Stanford Research Institute
Current assignee: SRI International Inc
Priority date: 1977-01-06
Filing date: 1977-03-08
Publication date: 1978-07-13
Also published as: FR2377134B1; JPS5385491A; FR2377134A1; NL7712579A; CA1085040A; US4391281A; GB1540673A; DE2710038C2

Description

Patentanwälte
Dipl. \>.ψ. Ι':ίπκ-.:ϋι·;:.·η Müller
T'i'. ror. :i:-t. T!;.oü ::: iii'ieudt

Dr-I¹V- ll.n:; l.oyli

Lucile-Grchri-Siraße 33 U b München 80

STANFORD RESEARCH INSTITUTE

333 Ravenswood Avenue D112, Menlo Park, Californien, U.S.A.

Vorrichtung zur Untersuchung von Geweben mittels Ultraschall

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur nicht-eindringenden bzw. nicht-zerstörenden Untersuchung von Geweben eines Patienten mittels Ultraschall.

Es werden verschiedene Ultraschall-Verfahren zur diagnostischen Untersuchung von lebendem Gewebe verwendet. Ein solches Verfahren ist das sonar-ähnliche, sogenannte A-Abtastverfahren, bei welchem kurze Ultraschallimpulse von einem Ultraschallwandler, der mit der Haut des Patienten gekoppelt ist, auf das Gewebe gerichtet bzw. in dieses eingeleitet werden. Reflektionen von Gewebegrenzflächen, die der Wandler empfängt, werden gemessen und das resultierende elektrische Signal kann auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre dargestellt werden.

Lh/fi - 2 -

809828/0472

Da die gesamte Laufzeit der reflektierten Impulse auf den Abstand zwischen Wandler und der reflektierenden Schicht bezogen ist, ermöglicht die Darstellung dieser Wellen auf der Kathodenstrahlröhre es, diese Abstände direkt zu messen.

Das bekannte, sogenannte B-Abtastverfahren ist ähnlich dem vorstehend beschriebenen A-Abtastverfahren insofern, daß beide Verfahren einen Wandler mit schmalem Strahl verwenden, um kurze Ultraschallimpulse in das Gewebe einzugeben und die von den Gewebegrenzflächen reflektierten Impulse zu messen. Bei dem B-Verfahren wird jedoch ein zweidimensionales Bild erzeugt durch Abtasten des Ultraschallstrahles, entweder elektronisch oder mechanisch, über den interessierenden Bereich. Es kann eine Kathodenstrahldarstellung verwendet werden, bei der eine der orthogonalen Ablenkspannungen proportional zur Position des Wandlers und die andere zur Zeit ist, die seit der Aussendung des letzten Impulses verstrichen ist. Der reflektierte Ultraschallimpuls wird benutzt, um die Intensität der Darstellung zu modulieren.

Häufig sind die Wandler, die bei der Α-Abtastung und der B-Abtastung verwendet werden, in einem Behälter mit akustischer Ubertragungsflüssigkeit angeordnet, der ein flüssigkeitsdichtes akustisch transparentes Fenster hat, um eine akustische Kopplung mit der Haut des zu untersuchenden Patienten herzustellen. Gewöhnlich wird als Kopplungsflüssigkeit Wasser verwendet, in welchem die Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen praktisch dieselbe ist wie im Gewebe. Brechungs- oder Beugungsverschiebungen der akustischen Wellen, die durch das Fenster hindurchlaufen, werden durch Verwendung eines dünnen Fensters minimalisiert. Es ist eine Fluid-Bahnlänge innerhalb des Wassers erforderlich, die gleich oder größer als die größte Abbildungstiefe innerhalb des Gewebes ist, um zu verhindern, daß Mehrfachreflexionen

- 3 809828/0472

zwischen dem Wandler und dem Fenster auf die Bilddarstellung überlagert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler des nicht-berührenden Typs zur Verwendung in medizinischen Ultraschall-Systemen, die mit Impulsen arbeiten, zu schaffen, bei welchem die Fluid-Bahnlänge zwischen dem Wandler und dem akustisch transparenten Fenster in dem Behälter, die erforderlich ist, um zu verhindern, daß Mehrfachreflexionen die Darstellung der Echosignale stören, daß diese Bahnlänge wesentlich kleiner ist als bei bisherigen Wandlern dieser Art. Ferner soll ein Verfahren zur Ultraschallabtastung von Sektoren und Einrichtungen zur Verwendung bei der Ultraschall-Abbildung von Geweben geschaffen werden, bei welchen die Winkelabtastung des fokussierten Strahles beim Durchgang vom Wandlergehäuse zum zu untersuchenden Gewebe verstärkt wird.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch ein Gehäuse, das an einem Ende durch eine feste, jedoch akustisch transparente Membran oder ein Fenster geschlossen ist und das mit einer Kopplungsflüssigkeit gefüllt ist zur Übertragung eines fokussierten Ultraschallstrahles von einem Impulsbetätigten Fokussierwandler, der in der Kopplungsflüssigkeit angeordnet ist. Das Fenster befindet sich in Eingriff mit der Haut des Patienten, um diesen akustisch mit dem Wandler zu koppeln. Eine Kopplungsflüssigkeit mit einer niedrigen Schallausbreitungsgeschwindigkeit wird verwendet. Vorzugsweise wird eine Kopplungsflüssigkeit mit einer Schallgeschwindigkeit verwendet, die z.B. 50% unter der Ultraschallgeschwindigkeit innerhalb des Gewebes liegt. Bei Verwendung einer Flüssigkeit mit einer solchen niedrigen Schallgeschwindigkeit kann der akustische Weg zwischen dem Wandler und der Membran wesentlich

809828/0472

kürzer gehalten werden als bei bisherigen Vorrichtungen dieser Art,ohne daß die Gefahr einer überlagerung bei den darzustellenden Signalen entsteht, die als Folge von Mehrfachreflexionen der akustischen Signale zwischen Wandler und Membran bisher aufgetreten ist.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 und 2 eine Kombination aus einem Blockdiagramm und einer Schnittdarstellung bilden, die entsprechend ein bekanntes A-Abtastverfahren bzw. ein erfindungsgemäßes A-Abtastverfahren zeigen.

Fig. 3 zeigt Teile der Fig. 1 und 2 zur Darstellung der mit der Erfindung erzielbaren Vorteile.

Fig. 4 ist eine Kombination aus Blockdiagramm und Schnittdarstellung und sie zeigt ein erfindungsgemäßes B-Abtastsystem bzw. Abbildungssystem.

Fig. 5 zeigt im Schnitt eine modifizierte Form eines erfindungsgemäßen Wandlers mit einem oszillierenden akustischen Reflektor zur Sektorabtastung.

Fig. 1 zeigt einen bekannten Wandler mit einem Gehäuse oder Behälter 10, der an einem Ende durch ein akustisch transparentes Fenster 12 verschlossen ist. Ein Fokussierwandler 14 ist in dem Behälter angeordnet und wird mit hochfrequenten Impulsen eines Senders gespeist, der Teil einer gepulsten Sende-Empfangs-Einheit 16 oberhalb einer Leitung 17, um wiederholt kurze fokussierte Ultraschallimpulse über die akustische Kopplungsflüssigkeit 24, die Membran oder das Fenster 12 und die Haut 20 des Patienten zu übertragen, um das darunterliegende Gewebe 22

809828/047?

längs der akustischen Achse 26 diesen Impulsen auszusetzen. Nach einer Zeitverzögerung, die auf die Aussendung des letzten Impulses folgt, wird der Empfänger-Teil der Einheit 16 zur Verarbeitung der Echo-Signale in Stand gesetzt, die vom Wandler 14 empfangen werden als Folge von Ungleichmäßigkeiten im Gewebe 22 längs der akustischen Achse. Da die Gesamtlaufzeit der reflektierten Impulse auf den Abstand zwischen Wandler und reflektierender Schicht bezogen ist, ist eine übliche Kathodenstrahl-Darstellungseinheit 18 vorgesehen, in der eines der orthogonalen Ablenksignale proportional zur Amplitude des reflektierten Schallimpulses und die andere proportional zu der Zeit ist, die sei der Aussendung des letzten Impulses verstrichen ist.

Bei den bekannten Wandler-Anlagen, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, ist der Behälter 10 mit einem flüssigen akustischen Kopplungsmedium 24 gefüllt, das derart ausgewählt ist, daß die Schallwellen eine Ausbreitungsgeschwindigkeit haben, die im wesentlichen gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit im Gewebe 22 ist. Wasser, in welchem die Schallgeschwindigkeit etwa 1480 m je Sekunde beträgt im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit von etwa 1538 m je Sekunde im Gewebe, wird oft als Kopplungsmedium verwendet. Bei im wesentlichen gleicher Schallgeschwindigkeit der Stoffe auf gegenüberliegenden Flächen der Membran 12 treten die Schallwellen in die Membran ein und verlassen sie längs im wesentlichen paralleler Bahnen, da die Brechung an der inneren und an der äußeren Grenzfläche der Membran im wesentlichen gleich ist. Ferner werden häufig dünne Membranen benutzt, um die Wirkungen der Brechung auf ein Minimum herabzudrücken.

Bei den bekannten A-Abtastverfahren, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, muß die akustische Bahnlänge innerhalb der Kopplungsflüssigkeit 24 in dem Behälter gleich der maximalen Gewebetiefe

- 6 809828/0472

sein oder diese übersteigen, die zu untersuchen ist, um zu verhindern, daß Mehrfachreflexionen zwischen dem Wandler 14 und der Membran 12 der visuellen Darstellung auf der Kathodenstrahlröhre überlagert werden. Bei dem dargestellten Wandlersystem, in welchem der Wandler 14 in einem Abstand C von der Membran angeordnet ist, ist eine Arbeit bzw. Untersuchung im wesentlichen bis zur Tiefe D in dem Gewebe 22 möglich, ohne Störung oder Überlagerungen durch Mehrfach-Reflexions-Echosignalen, wobei der Abstand D im wesentlichen gleich dem Abstand C ist. Dieselben Grenzen bezüglich der akustischen Bahnlängen gelten auch für die bekannten gepulsten B-Abtastverfahren.

Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes A-Abtastsystem, das ebenso die gepulste Sende-Empfangseinheit 16 und die Darstellungseinheit 18 enthalten kann, wie sie bei der Anordnung nach Fig. bereits gezeigt sind. Die Anordnung mch*Fig. 2 umfaßt einen Behälter 1OA, der an einem Ende durch eine feste Membran 12 geschlossen ist, einen fokussierenden Wandler 14A, der im Behälter 1OA angeordnet ist und eine akustische Übertragungsflüssigkeit bzw. Kopplungsflüssigkeit 24A im Behälter 1OA, um den Wandler 14A akustisch mit der Membran 12 zu koppeln. Der Wandler 14A ist über die Leitung 17 mit der Einheit 16 verbunden, um den Wandler zu erregen und Echosignale aufzunehmen, wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde.

Gemäß der Erfindung ist eine Kopplungsflüssigkeit 24A vorgesehen, deren Schallgeschwindigkeit wesentlich niedriger ist als die Schallgeschwindigkeit im Gewebe 22. Obwohl das Verhältnis der Schallgeschwindigkeit in der Kopplungsflüssigkeit zur Schallgeschwindigkeit im Gewebe nicht kritisch ist, wird ein Verhältnis in der Größenordnung von 1:2 oder höher vorgezogen. Geeignete Kopplungsflüssigkeiten mit niedriger Schallgeschwindigkeit sind beispielsweise die Freone sowie andere fluorierte

- 7 809828/0472

Kohlenwasserstoffe und dergleichen. Die handelsüblich verfügbaren fluorierten Kohlenwasserstoffe mit der Bezeichnung "Fluorinet" der Firma Minnesota Mining and Manufacturing Company eignen sich besonders gut. Insbesonders der fluorierte Kohlenwasserstoff FC75, in welchem sich Ultraschall mit einer Geschwindigkeit von etwa 600 Meter je Sekunde ausbreitet, ist sehr gut für die Erfindung verwendbar. Bei einer Schallgeschwindigkeit von annähernd 1500 Metern je Sekunde im Gewebe ergibt sich ein Geschwindigkeitsverhältnis von etwa 1:2,5 bei Verwendung von FC75 als Kopplungsflüssigkeit.

Ein Vergleich der Fig. 1 und 2 und die Betrachtung von Fig. 3 zeigt die Vorteile der Erfindung auf. In Fig. 3 sind der Wandler 14 und der Wandler 14A dargestellt, um einen direkten Vergleich der Fig. 1 und 2 zu ermöglichen. Fig. 3 zeigt kein vollständiges System, sondern sie dient nur dem Zwecke der Erläuterung und des Vergleiches. Die Verwendung einer Kopplungsflüssigkeit 24A mit niedriger Ausbreitungsgeschwindigkeit zum Koppeln von Wandler und Membran ermöglicht die Anwendung einer kürzeren akustischen Bahnlänge in dieser Flüssigkeit ohne das Auftreten von Störungen infolge von Mehrfachreflexionen, wobei die Bahnlängen in den Kopplungsflüssigkeiten in den Fig. 1und 2 entsprechend mit C bzw. C1 bezeichnet sind.

Ferner kann nicht nur der Wandler 14A näher bei der Membran angeordnet werden, sondern es kann auch ein kleinerer Wandler verwendet werden, um denselben wirksamen öffnungswinkel wie bei der Anordnung nach Fig. 1 zu erreichen. Wie dargestellt, ist derselbe öffnungswinkel A in dem Gewebe 22 bei beiden Systemen nach den Fig. 1 und 2 erreichbar. Die Reduzierung der Größe des Wandlers 14A ergibt sich sowohl aus seiner näheren Anordnung an der Membran 12 als auch aus der unterschiedlichen Brechung von Ultraschallwellen an gegenüberliegenden Grenzflächen der Membran, wenn eine Kopplungsflüssigkeit 24A

- 8 -809828/0472

Ό,

verwendet wird, die einen anderen Brechungsindex hat als das Gewebe 22. Dies ergibt sich am besten aus Fig. 3, in der die Wandler 14 und 14A relativ zur Membran in denselben Positionen angeordnet sind, wie in den Fig. 1 und 2. Wie Fig. 3 zeigt, ist der Wandler 14A innerhalb des Kegels 30 der vom Wandler kommenden Ultraschallwellen angeordnet. Die Ultraschallwellen 3OA vom Wandler 14A werden einwärts zur akustischen Achse 26 hin gebrochen als Folge der Brechung an den Grenzflächen der Membran, wenn eine Kopplungsflüssigkeit 24A mit langsamer Ausbreitungsgeschwindigkeit verwendet wird, wodurch sich derselbe öffnungswinkel A in dem Gewebe ergibt, wie bei der bekannten Anordnung nach Fig. 1. Ein derartiger kleinerer Wandler 14A kann einfacher hergestellt werden als der größere Wandler 14. Ferner wird durch den zusätzlichen Fokussiereffekt infolge der brechung an der Membran die Krümmung des Wandlers 14Λ reduziert, die zur Erzeugung des erforderlichen Fokussiereffektes nötig ist. Weitere Vorteile ergeben sich bei Verwendung anderer Fokussiermittel. Wenn beispielsweise eine Fokussierlinse verwendet wird, um die erforderliche Fokussierung zu erreichen, wie in Fig. 4 gezeigt, kann eine dünnere Linse verwendet werden.

Fig. 4 zeigt eine neuartige Wandler- und Abtastvorrichtung nach der Erfindung. Es ist ein Fokussier-Wandler 40 vorgesehen, der um eine Drehachse 42 schwenkbar gelagert ist, die sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt. Der Wandler 40 ist vorzugsweise in Form einer Linse ausgebildet mit einem piezoelektrischen Körper 44, an dem an gegenüberliegenden Flächen geeignete Elektroden angeordnet sind und einer akustischen Fokussierlinse 46, die an einer Seite des Teiles befestigt ist.

Der Wandler 40 ist in einem Behälter 48 angeordnet, der an einem Ende durch eine Membran 50 verschlossen ist. Die Membran ihrerseits ist in Eingriff mit der Haut 20 eines Patienten, um

- 9 809828/0472

T3

das darunterliegende Gewebe 22 akustisch anzukoppeln. In Fig. 4 ist zum Zwecke der Darstellung, jedoch nicht darauf beschränkt, eine gebogene feste Membran 50 verwendet worden, die die Form eines Kugelabschnittes hat. Der Krümmungsradius der halbkubelförmigen Membran ist größer als der Abstand zwischen der Drehachse 42 des Wandlers und der Membran, um die akustische Strahlachse an der Membran bei einem nicht-radialen Durchgang durch diese abzubiegen. Als Folge davon ist der Winkelsektor, der durch den fokussierten Strahl im Gewebe 22 überstrichen wird, größer als derjenige in der Kopplungsflüssigkeit 24A. In Fig. 4 ist mit Y der Winkelsektor bezeichnet, der im Gewebe 22 überstrichen bzw. abgetastet würde, wenn als Kopplungsflüssigkeit z.B. Wasser verwendet würde, wie bei den bisherigen Systemen. Bei Verwendung einer Kopplungsflüssigkeit mit niedriger Schallgeschwindigkeit, wie z.B. FC75, ergibt sich durch die Brechung an den Membrangrenzflächen eine Erhöhung des Abtastwinkels im Gewebe, der gemessen von der Membran aus, um Winkelbeträge X an beiden Enden der Abtastung vergrößert wird.

Das neuartige Wandlersystem nach Fig. 4 kann in Verbindung mit einem sonst üblichen B-Abtastverfahren verwendet werden, das z.B. eine Sende-Empfangs-Einheit 60 aufweist, die durch eine Steuereinheit 62 getaktet und gesteuert wird, um periodisch hochfrequente Impulse zu erzeugen, die über eine Leitung 41 an den Wandler 40 gelegt werden. Fokussierte Ultraschallwellen-Impulse vom Wandler 40 laufen durch die Kopplungsflüssigkeit 24A, die eine niedrige Schallgeschwindigkeit hat, die Membran und die Haut 20 des Patienten, um die Impulse in das darunterliegende Gewebe 22 einzuleiten. Echosignale, die vom Wandler infolge von Ungleichmäßigkeiten im Bereich des Ultraschallstrahles empfangen werden, werden in elektrische Signale umgeformt, die an den Empfangsteil der Einheit 60 gelegt werden. Der Empfänger, der ebenfalls durch die Steuereinheit 62 ge-

- 10 809828/0472

taktet und gesteuert wird, wird nach einer Zeitperiode angesteuert, die der Erzeugung des letzten B-Abtastimpulses folgt, um Echosignale innerhalb eines Tiefen-Bereiches längs der Strahlachse 72 um den Brennpunkt F in dem Gewebe 22 zu empfangen.

Eine Anzeige- und Steuereinheit 64 für die Abtastposition, die mit dem Wandler 40 über ein mechanisches Gestänge 66 verbunden ist, dient dazu, den Wandler periodisch um seine Drehachse 42 in Richtung des Pfeiles 68 hin- und herzuschwenken um eine Sektorabtastung für eine zweidimensionale Darstellung auf einer Darstellungseinheit 70 zu erzeugen. Es wird ein Signal für den Abtast- oder Uberstreichwinkel erzeugt, das auf die Wandlerposition längs des Abtastbogens bezogen ist und unter Steuerung durch die Einheit 64 an die Darstellungseinheit 70 gegeben, wobei dieses Signal auf die vergrößerte Winkelabtastung des fokussierten Strahles innerhalb des Gewebes 22 eingestellt ist, das durch die erfindungsgemäße Wandleranordnung geliefert wird. Ein Entfernungs-Ablenksignal, das auf die Zeit bezogen ist, die seit dem letzten abgegebenen Impuls verstrichen ist, wird von der Steuereinheit 62 an die Darstellungseinheit gelegt. Der Empfängerausgang von der Einheit 60 wird als Z-Achsensignal an die Darstellungseinheit 70 gelegt, um den Kathodenstrahl hinsichtlich der Intensität zu modulieren in Übereinstimmung mit der Amplitude des Empfänger-Ausgangssignales für eine Echt-Zeit-PPI-Darstellung (Position-Ebenen-Darstellung).

Es wird somit ein Winkelabschnitt innerhalb des Gewebes abgebildet, der in der Zeichenebene längs der akustischen Achse 72 des Wandlers liegt. Da der Winkelabschnitt (Y + X + X), der durch den fokussierten Strahl in dem Gewebe 22 überstrichen wird, denjenigen in der Kupplungsflüssigkeit 24A, die eine

8098 2.8/0472

niedrige Schallgeschwindigkeit hat, übersteigt, ist es offensichtlich, daß eine kleinere mechanische Schwingung oder Schwenkbewegung für eine gegebene Sektorabtastung erforderlich ist. Ferner ist wegen der kürzeren Wellenlänge in der Kopplungsflüssigkeit 24Ά nur ein Wandler kleinerer Abmessungen erforderlich. Hierdurch wird dessen Trägheit reduziert, was insbesondere bei mechanischen Abtastsystemen der dargestellten Art vorteilhaft ist. Ferner kann die Linse 46 dünner ausgebildet sein im Vergleich zu der Dicke, die bei Verwendung von Wasser als Kopplungsflüssigkeit erforderlich ist, womit die Trägheit des Wandlers weiter reduziert wird. Die Verwendung einer dünneren Linse reduziert ferner die Auswirkung von Mehrfach-Echos in der Linse auf das Bild. Da ferner nur eine kürzere akustische Bahnlänge durch die Kopplungsflüssigkeit 24A im Behälter 48 erforderlich ist, kann das Wandlersystem kompakter aufgebaut werden.

Die Strahlfokussierung ist nicht auf den gekrümmten Wandler beschränkt, wie er in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, oder auf die Linse, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 wird die Fokussierung durch Verwendung eines gekrümmten akustischen Reflektors 80 erreicht, der in einem Behälter 82 angeordnet ist, der mit einer Kopplungsflüssigkeit 24A, wie z.B. FC75 gefüllt ist, die eine niedrige Schallgeschwindigkeit hat. Ein nicht-fokussierender Wandler 84 ist an einer Wand des Behälters angebracht zur Erzeugung und/oder zum Empfang von Ultraschallwellen. Der akustische Reflektor 80 (wie der Wandler 40 nach Fig. 4) ist schwenkbar um eine Drehachse 86 montiert. Der übrige Teil des Ultraschall-Abbildungssystems, d.h. der Sender-Empfänger, die Steuerung für die Abtastposition und die Darstellungseinheit können dieselben sein wie bei der Anordnung nach Fig. 4. Das mechanische Gestänge 66 der Anzeige- und Steuereinheit ist bei der Anordnung nach Fig. 5

- 12 809828/0472

anstatt am Wandler am Reflektor 80 angebracht. Für die Kopplung des Wandlersystems mit dem Gewebe ist z.B. eine ebene feste Membran 90 vorgesehen. Der Winkelsektor, der von dem fokussierten Strahl vom Reflektor 80 innerhalb des Gewebes 22 übertrichen wird, übersteigt wiederum denjenigen in der Kopplungsflüssigkeit 24A, wodurch sich dieselben Vorteile wie bei der Ausführungsform nach Fig. ergeben, einschließlich der Verwendung eines kleineren Wandlers und Reflektors, sowie eines kürzeren Weges in der Kopplungsflüssigkeit im Vergleich zu einer Anordnung, die Wasser oder dergleichen als Kopplungsflüssigkeit verwendet.

Die Erfindung läßt Änderungen zu, beispielsweise kann ein elektronischer Kandier anstelle eines akustischen Wandlers verwendet werden. Die Membran 50 nach Fig. 4 kann einen kleineren Krümmungsradius aufweisen als der Abstand zwischen der Membran und der Drehachse 42 des Wandlers beträgt, wobei in diesem Fall die Sektorabtastung innerhalb der Kopplungsflüssigkeit 24A in eine im wesentlichen geradlinige Abtastung innerhalb des Gewebes 22 umgeformt werden kann. Ferner können die Oberflächen der Membran geeignet geformt sein, z.B. in Form konvex-konkaver Linsen, um Aberrationen, die eventuell auftreten könnten, zu korrigieren. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 kann ein fokussierender Wandler zusammen mit einem oszillierenden Reflektor verwendet werden, um den gewünschten fokussierten Ultraschall-Abtaststrahl zu erzeugen. Der Sender für die Erzeugung der Impulse für den Wandler kann einen Impulsgeber, eine Signalquelle in Torschaltung, eine Zirp-Signalquelle oder derlgeichen aufweisen. Ferner können Anordnungen verwendet werden, die außer den mit Impulsen arbeitenden Systemen kontinuierliche Wellen verwenden.

- 13 -

809828/0472

Das Ultraschall-Wandlersystem umfaßt somit einen Behälter mit einem flüssigen akustischen Kopplungsmedium, in welchem ein Wandler angeordnet ist. Die Fokussierung kann akustisch bewirkt werden, z.B. mit Hilfe einer akustischen Linse und/oder elektronisch unter Verwendung eines Wandlerfeldes. Der Behälter ist an einem Ende durch eine feste akustisch durchlässige Membran begrenzt, um die Haut und das darunterliegende Gewebe akustisch anzukoppeln. Die akustische Kopplungsflüssigkeit ist so ausgewählt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in ihr wesentlich kleiner ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in dem zu untersuchenden Gewebe. Durch Verwendung eines Kopplungsmittels mit nieriger Schallgeschwindigkeit kann ein kürzerer Ausbreitungsweg verwendet werden, als bei bekannten Wandlern, in welchen die Schallgeschwindigkeit im Gewebe und der Kupplungsflüssigkeit im wesentlichen dieselbe ist. Die Arbeitsweise kann abtastend oder nicht-abtastend sein, wenn jedoch eine Abtastung verwendet wird, so kann diese mechanisch oder elektronfech durchgeführt werden. Bei der Sektorabtastung kann die Vorrichtung derart betätigt werden, daß der durch den fokussierten Strahl überstrichene Winkelsektor im Gewebe größer ist als derjenige in der Kopplungsflüssigkeit aufgrund der Brechung an den Grenzflächen der Membran.

809828/0472

Leerseite

Claims

27 10Ü38

Patentansprüche

Vorrichtung zur nicht-eindringenden Untersuchung von Geweben eines Patienten mittels Ultraschall, gekennzeichnet durch einen fokussierenden Wandler, einen Behälter zur Aufnahme des Wandlers mit einer flüssigkeitsdichten, akustisch transparenten, festen Membran zur akustischen Ankopplung der Haut des Patienten, eine Kopplungsflüssigkeit in dem Behälter, um akustisch den Wandler mit der Membran zu koppeln, eine Sende/Empfangs-Einrichtung, die mit dem Wandler verbunden ist, um diesen zu erregen, um Ultraschallwellen zu erzeugen, die über die Kopplungsflüssigkeit und die Membran an die Haut des Patienten gelegt werden und um elektrische Signale zu verarbeiten, die vom Wandler beim Empfang von Ultraschallwellen erzeugt werden, die von Ungleichmäßigkeiten in dem Gewebe des Patienten erzeugt wird, ferner dadurch, daß die Kopplungsflüssigkeit aus einem solchen Material besteht, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit von akustischen Wellen in ihr wesentlich kleiner ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit von akustischen Wellen im Gewebe.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen im Gewebe zur Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen in der Kopplungsflüssigkeit wenigstens etwa 2:1 beträgt.

- 15 -

809828/0472

ORIGINAL INSPECTED

2710Q38 - l·« -

λ/
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Anzeigeeinrichtung zur Darstellung von Echosignalen, die von den Ungleichmäßigkeiten im Gewebe des Patienten empfangen werden, dadurch gekennzeichnet , daß die Sende/ Empfangs-Einrichtung impulsbetätigt ist und daß der akustische Weg zwischen dem Wandler und der Membran wesentlich kleiner als die maximale Entfernung innerhalb des Körpers des Patienten ist, aus der Echosignale empfangen und ohne Störung durch Vielfachreflexionen an der Membran dargestellt werden können.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Darstellung reflektierter Ultraschallwellen in der A-Darstellungsweise.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Darstellung von reflektierten Ultraschallwellen, die von einem Teil innerhalb des Körpers des Patienten empfangen werden, in der B-Darstellungsweise, ferner durch Einrichtungen, um den Wandler hin- und herzuschwenken, um einen Sektor abzutasten, ferner dadurch, daß die Ultraschall-Strahlachse angrenzend an die gegenüberliegenden Enden der Abtastung nach außen gebogen ist, wodurch der durch den Strahl abgetastete Winkelsektor im Gewebe bei der D-Darstellung den Winkelsektor übersteigt, der durch den Strahl innerhalb der Kopplungsflüssigkeit abgetastet wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Wandler einen piezoelektrischen Körper aufweist, an dessen gegenüberliegenden Flächen Elektroden angeordnet sind, und daß eine Fläche des piezoelektrischen Körpers zum Zwecke der Fokussierung konkav gekrümmt ist.

- 16 809828/0472

-Xt-
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Wandler einen piezoelektrischen Körper aufweist, der mit Elektroden an gegenüberliegenden Flächen versehen ist und daß eine akustische Linse an einer Fläche des Körpers zur akustischen Wellenfokussierung angebracht ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Wandler einen piezoelektrischen Körper zur Erzeugung von nicht-fokussierten Ultraschallwellenimpulsen aufweist und daß ein gekrümmter Ultraschallreflektor in der Bahn dieser Wellenimpulse zur Fokussierung der letzteren angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Reflektor um eine Drehachse bewegbar ist, und daß Einrichtungen vorgesehen sind, um den Reflektor um die Drehachse zu schwenken, um eine Sektorabtastung durch den fokussierten Strahl zu erreichen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsflüssigkeit aus einem fluorierten Kohlenwasserstoff besteht, in welchem die Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen kleiner als die Hälfte der Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen im Gewebe des Patienten ist.
11. Verfahren zum Untersuchen von Gewebe mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß wiederholt ein Ultraschall-Wandler erregt wird, der in einem Behälter angeordnet ist, der eine Kopplungsflüssigkeit

- 17 -809828/0472

mit niedriger Schallgeschwindigkeit enthält, um periodisch Ultraschallwellen-Impulse zu erzeugen, daß die Ultraschall-Impulse durch eine akustisch transparente, feste Membran geleitet und auf die Haut eines Patienten gerichtet werden, um das darunterliegende Gewebe mit den Impulsen zu beschallen, daß von dem Wandler Ultraschallwellen empfangen werden, die von Ungleichmäßigkeiten in dem Gewebe reflektiert worden sind und daß diese Wellen in elektrische Signale umgeformt werden, die an einen Empfänger gelegt werden, und daß der Ausgang des Empfängers an eine Darstellungseinrichtung gelegt wird, um Echosignale einschließlich derjenigen darzustellen, die aus einer Gewebetiefe empfangen werden, die wesentlich größer ist als die Weglänge des Ultraschallstrahles zwischen dem Wandler und der Membran, ohne daß Überlagerungen des Bildes infolge Mehrfachreflexionen zwischen der Membran und dem Wandler entstehen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Ultraschall-Wandler in einem Behälter mit einer Kopplungsflüssigkeit angeordnet ist, in der die Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen kleiner ist als die Hälfte der Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen im Gewebe des Patienten.

809828/0472