DE2845791B2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wandlereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE-OS 27 OS 570 ist ein hochauflösendes Ultraschallimpulsechogerät bekannt, bei welchem unter
Verwendung einer stationären Linse relativ großer Apertur ein Bild gewisser innerer Strukturen eines
undurchsichtigen Objekts, wie Weichgewebe innerhalb des menschlichen Körpers, erzeugt werden kann. Das
bekannte Gerät enthält eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ultraschallstrahles mit einer Wandlereinrichtung,
die eine Folge von Ultraschallimpulsen erzeugt, und eine Strahlablenkeinrichtung zum Bestrahlen bestimmter
innerer Strukturen durch eine fokussierende Linse mit einem abtastenden fokussierten Ultraschallimpulsstrahl.
Die Wandiereinrichtung ist im Abstand sowohl von der fokussierenden Linse als auch von der inneren
Struktur angeordnet und dient dazu, einen Teil des Signals von dem fokussierten Strahl, der von der
inneren Struktur reflektiert wurde und nach einer dem Abstand zwischen der Wandleranordnung und der
inneren Struktur proportionalen Zeitverzögerung zur Wandleranordnung zurückgekehrt ist, zu empfangen
und wahrzunehmen.
Durch die vorliegende Erfindung soll die Wandlereinrichtung für ein Ultraschallimpulsechogerät der oben
genannten Art verbessert werden, insbesondere hinsichtlich der erreichbaren Schärfentiefe.
Diese Aufgabe wird bei einer Wandlereinrichtung der eingangs gerannten Art erfindungsgemäß durch die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Wandlereinrichtung
gemäß der Erfindung.
Durch die vorliegende Erfindung läßt sich die Tiefe des Fokusfeldes des abtastenden fokussierten Strahles
auf ein Mehrfaches der Brennfleck- oder Fokusbereichgröße des abtastenden fokussierten Strahles vergrößern.
Hierdurch wird es möglich, Strukturen, die eine beträchtliche Tiefenabmessung haben, jedoch eine
Tiefenabmessung, die noch nicht größer ist als die Tiefe des Fokusfeldes, als B-Abtastung oder als dreidimensionale
Darstellung mit hoher Auflösung darzustellen.
Die verbesserte Wandlereinrichtung gemäß der Erfindung kann in einem Ultraschallimpulsechogerät
der oben genannten Art verwendet werden, in dem die Linse entweder stationär oder beweglich ist. Die
Wandlereinrichtung gemäß der Erfindung enthält eine Wandlereinheit mit einem mittleren Teil, der von einem
getrennten ringförmigen Teil umgeben ist. Der miniere Teil erfaßt nur einen ersten Anteil des reflektierten
Signals, der durch einen nur kleinen Teil der vorgegebenen Apertur der fokussierenden Linse reflektiert
wurde. Der ringförmige Teil erfaßt einen zweiten Anteil des Signals, der durch den Rest der vorgegebenen
Apertur der fokussierenden Linse reflektiert wurde. Die Wandiereinrichtung enthält ferner einen zeitlich
gesteuerten Schalter, der mit dem mittleren und dem ringförmigen Teil gekoppelt ist und der Darstellungseinrichtung
wahlweise nur den ersten Anteil des erfaßten Signals oder sowohl den ersten als auch den
zweiten Anteil des erfaßten Signals weiterleitet
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert Es zeigt
Fig. 1 und la (die den Fig. 1 und la der DE-AS
27 09 570 entsprechen) ein Ultraschallimpulsechogerät, bei dem eine Wandlereinrichtung gemäß der Erfindung
Verwendung finden kann;
F i g. 2 eine Wandlereinrichtung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung, wie sie in der Ultraschallstrahlungsquelle und dem Ultraschallstrahlungsdetektor des
Gerätes gemäß F i g. 1 verwendet werden kann;
F i g. 3 eine erste Ausführungsform einer schaltbaren UltraschaPquelien- und Detektoranordnung der Wandiereinrichtung
gemäß F i g. 2;
F i g. 4 eine zweite Ausführungsform der schaltbaren Ultraschallquellen- und Detektoranordnung für die
Wandlereinrichtung gemäß F i g. 2; und
jo Fig.5 eine graphische Darstellung des zeitlichen
Verlaufes der Signalintensität, auf die bei der Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung gemäß Fig.4
Bezug genommen wird.
In den Fig. 1 und la ist ein menschlicher Patient dargestellt, der auf einem wassergefüllten Tisch 200 liegt. In der Wasserfüllung des wassergefüllten Tisches 200 befindet sich eine stationäre Ultraschallinse 202, die durch einen Uitraschallstrahl 204 mit im wesentlichen ebener Wellenfront von einer Ultraschallabtast- und
In den Fig. 1 und la ist ein menschlicher Patient dargestellt, der auf einem wassergefüllten Tisch 200 liegt. In der Wasserfüllung des wassergefüllten Tisches 200 befindet sich eine stationäre Ultraschallinse 202, die durch einen Uitraschallstrahl 204 mit im wesentlichen ebener Wellenfront von einer Ultraschallabtast- und
4(i Detektoranordnung 206 bestrahlt wird, welche im Abstand von der stationären Linse 202 angeordnet ist.
Der Begriff »stationäre« Linse soll hier bedeuten, daß
die effektive Lage der Apertur der Linse 202 bezüglich des auf dem wassergefüllten Tisch 200 liegenden
Patienten während einer Bildabtastung im wesentlichen stationär bleibt. Bei der Wahl des speziellen Weichgewebes
im Inneren des Patienten, das abzubilden ist, kann jedoch der Betriebsabstand zwischen der Linse 202 und
. dem Patienten gewünschtenfalls vor der Bildabtastung verändert werden, entweder durch Änderung der Höhe
der Oberseite des wassergefüllten Tisches 200 bezüglich der Linse oder durch Änderung der Lage der Linse 202
bezüglich der Oberseite des wassergefüllten Tisches 200; dies soll also auch unter dem Begriff »stationäre«
Linse fallen. Da außerdem eine Drehung einer kreissymmetrischen Linse um ihre eigene Achse
keinerlei Einfluß auf die Lage der Linsenapertur oder die Wirkung der Linse auf die durch sie fallende
Ultraschallstrahlung hat, sollen auch einfache Drehun-
bo gen der Linse unter die Definition des Begriffes
»stationäre« Linse fallen.
Die stationäre Linse 202 wandelt das mit ebener Wellenfront einfallende Ultraschallstrahlungsbündel
204 in ein konvergierendes Bündel 208 um, das dadurch
b5 in einen kleinen (innerhalb des Körpers des Patienten
gelegenen) Fleck in einer Brennebene 210 der Linse 202 fokussiert wird.
Die vorliegende Erfindung wird zwar unten in
Die vorliegende Erfindung wird zwar unten in
Verbindung mit einem Gerät beschrieben, das mit einer stationären Linse arbeitet, sie läßt sich jedoch auch auf
bekannte Geräte und Systeme anwenden, die mit einer beweglichen akustischen Linse arbeiten.
F i g. 1 zeigt das beleuchtende oder bestrahlende Ultraschallstrahlungsbündel 204 ebener Wellenfront,
während der Ablenkung in einer Stellung, in der die Ausbreitungsrichtung parallel zur akustischen Achse
212 der stationären Linse 202 verläuft. In diesem Falle wird das aus der stationären Linse 202 austretende
konvergierende Ultraschallstrahlungsbündel 208 in einen Fleck fokussiert, der bezüglich eines Brennpunktes
214 in der Brennebene 210 der Linse 202 zentriert ist. Wenn jedoch das beleuchtende Bündel 204 ebener
Wellenfront im Verlaufe der Abtastung eine Lage einnimmt, in der die Ausbreitungsrichtung des Bündels
einen Winkel θ mit der akustischen Achse 212 der Linse 202 bildet, wie es in F i g. la dargestellt ist, wird das aus
der Linse 202 austretende konvergierende Bündel 208 in einen Fleck fokussiert, der bezüglich eines Punktes 216
in der Brennebene 210 der Linse 202 zentriert ist. Wie F i g. la zeigt, hat der Punkt 216 einen linearen Abstand
d vom Brennpunkt 214. Wie aus der Optik bekannt ist,
besteht zwischen dem Abstand c/und dem Winkel θ die
folgende Beziehung:
(D
wobei /die Brennweite der Linse 202 ist (siehe F i g. 1 a) und der maximale Wert von θ so klein ist (was hier der
Fall ist), daß er im Bogenmaß im wesentlichen gleich dem tan θ ist.
Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, daß sich der Wert von d linear mit θ ändert. Ferner bleibt der Punkt, wie
der Punkt 216, in dem das Strahlungsbündel 208 konvergiert, bei einer Änderung des Wertes von. Θ
während einer Abtastung in der Brennebene 210. Dies gewährleistet bei Vernachlässigung etwaiger Abbildungsfehler
der Linse eine im wesentlichen ebene Bildebene (Bildfeld).
Die Ultraschallabtaststrahlquellen- und Detektoranordnung 206 enthält zumindest 1. eine Wandlereinrichtung
mit einer zugehörigen Steuerelektronik zum Erzeugen von Ultraschallabtastschwingungsimpulsen
geeigneter Wiederholungsfrequenz, die von der Anordnung 206 als beleuchtendes Bündel 204 abgestrahlt
werden, wie es im Prinzip bekannt ist; 2. eine Anordnung zum Steuern, Auswählen und/oder Ändern
der winkelmäßigen Orientierung des abgestrahlten Bündels 204, um dadurch den Winkel θ, unter dem das
Bündel 204 auf die stationäre Linse 202 fällt, steuern, wählen und/oder ändern zu können, und 3. einen
Detektor, der mit dem Wandler gekoppelt ist oder zumindest einen. Teil dieses Wandlers bildet und Echos
der Abtastimpulse empfängt, die von der stationären Linse 202 erfaßt und von der Anordnung 206 empfangen
worden sind Zusätzlich zu diesen wesentlichen Elementen der Anordnung 206 kann diese, falls es erforderlich
oder wünschenswert ist, noch andere Einrichtungen enthalten, wie eine Kollimatorlinse, eine Strahlquerschnitts-Vergrößerungseinrichtung,
einen Mehrelement-Wandler mit geeigneter Steuerung zur Wahl von einzelnen Elementen oder einer Untergruppe von
Elementen, eine gegebenenfalls verstellbare Blende (die in der Nähe der stationären Linse 202 angeordnet sein
kann) zur Einstellung der effektiven Apertur der stationären Linse oder irgendwelche anderen Einrichtungen,
die die Funktionsfähigkeit der Ultraschallabtaststrahlquellen- und Detektoranordnung 206 verbessern
können.
Auf alle Fälle Hefen die Anordnung 206 in üblicher
Weise ein Ausgangssignal, das die erfaßten Echos -, darstellt und geeignete Abtastsynchronsignale, die dem
Eingang einer Abbildungselektronik 218 zugeführt werden. Die Abbildungselektronik kann ebenfalls in
üblicher Weise ausgebildet sein und Bereichstorschaltungen, Abtastwandler, Ablenkschaltungen, die mit der
ίο Abtastung des beleuchtenden Bündels 204 synchronisiert
sind, usw. enthalten und Ausgangssignale liefern, die die relative Intensität für jeden Punkt des Bildes und
eine oder mehrere räumliche Koordinaten für diesen Punkt darstellen. Diese Information wird in üblicher
π Weise dem Eingang einer Darstellungseinrichtung 220
zugeführt, bei der es sich um eine Kathodenstrahl-Bildröhre handeln kann. Die Darstellungseinrichtung
erzeugt dementsprechend ein sichtbares Bild einer »Szene« in einem Bereich des Körpers des Patienten,
der durch das konvergierende Ultraschallstrahlungsbündel 208 abgetastet wird.
Die kleinste Einzelheit des sichtbaren Bildes der Szene, die aufgelöst werden kann, ist sogar kleiner als
der fokussierte Fleck in der Brennebene 210, da die stationäre Linse 202 nicht nur das ursprüngliche
beleuchtende Bündel, sondern auch das zur Anordnung 206 reflektierte Echo beeinflußt. In quantitativer
Hinsicht gelten für den Durchmesser Δ des fokussieren Flecks bzw. die kleinste auflösbare Einzelheit Δ' im Bild
die folgenden Gleichungen:
I = 2,44^-^,
A
A
I= 1.46
wobei λ die Wellenlänge der Ultraschallschwingungen und / bzw. A die Brennweite bzw. Apertur der
stationären Linse 202 bedeuten, siehe F i g. 1 a.
Praktische Werte für die Apertur A und die Brennweite /der stationären Linse sind beispielsweise
125 mm bzw. 255 mm (5 Zoll bzw. 10 Zoll). Wenn beispielsweise die Frequenz der Ultraschallschwingungen
3 MHz beträgt, haben die sich ausbreitenden Schwingungen eine Wellenlänge von etwa 0,5 mm. Setzt
man diese beispielsweisen Werte in Gleichung (3) ein, so ergibt sich für den kleinsten auflösbaren Bildfleck ein
Durchmesser A' von 1.46 mm. Bei Verwendung einer
stationären Linse 202 mit einer größeren numerischen Apertur (d. h. einem größeren Verhältnis A/F) und/oder
bei Verwendung von Ultraschallschwingungen einer Frequenz über 3 MHz läßt sich das Auflösungsvermögen
noch weiter erhöhen. Im allgemeinen läßt sich je nach dem speziellen Typ des abzubildenden Gewebes
und der Tiefe des Gewebes eine optimale Auflösung im
Bereich von 0,5 bis 2£ mm durch eine geeignete Wahl der Werte der Parameter λ, /und A der Gleichungen (2)
und (3) erreichen.
Wie ebenfalls aus der Optik bekannt ist, ist die Schärfentiefe δ durch die folgende Gleichung gegeben:
Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, daß die Schärfentiefe eine inverse Funktion des Quadrates des
Wertes der numerischen Apertur ist In der Optik läßt
sich diese Beziehung praktisch nicht verwerten, da infolge der sehr kleinen Wellenlänge des Lichts (d. h.
0,47 bis 0,7 μίτι) die Schärfentiefe für eine Optik hoher
numerischer Apertur sehr klein wird. In der Ultraschalltechnik, wo man mit Ausbreitungswellenlängen λ im ">
Hereich von 0,15 bis 1,5 mm (entsprechend Frequenzen
von 1 bis 10 MHz) arbeitet, ergibt sich auch für Linsen relativ großer numerischer Apertur noch eine verhältnismäßig
große Schärfentiefe. Bei dem oben diskutierten praktischen Beispiel, bei dem die Linse 202 eine in
Brennweite /"von etwa 250 mm und eine Apertur A von
etwa 125 mm hatte, und die Ausbreitungswellenlänge λ
etwa 0,5 mm beträgt, zeigt die Gleichung (4) beispielsweise, daß die Schärfentiefe ό immer noch den
verhältnismäßig großen Wert von 8 mm hat. Dieser Wert beträgt mehr als das Fünffache des Bildfleckdurchmessers
von 1,46 mm. Wie ferner aus einem Vergleich der Gleichung (4) mit den Gleichungen (2) und
(3) ersichtlich ist, ändert sich die Schärfentiefe invers mit dem Quadrat der numerischen Apertur während sich
der Fleckdurchmesser nur umgekehrt proportional (invers linear) mit der numerischen Apertur ändert.
Gewünschtenfalls kann daher die Schärfentiefe mit nur relativ kleiner Einbuße an Auflösungsvermögen dadurch
erheblich vergrößert werden, daß man den Wert der numerischen Apertur der Linse 202 verhältnismäßig
geringfügig verkleinert.
Tatsächlich kann man durch Verwendung von Vorrichtungen, wie einer Irisblende zur Verringerung
der effektiven Apertur einer Linse großer Apertur ein jo vorläufiges Bild großer Schärfentiefe und verhältnismäßig
geringer Auflösung erzeugen, um die genaue Lage eines bestimmten Zielbereiches zu bestimmen und dann
die Relativlage der Linse 202 bezüglich des Patienten so einzujustieren, daß der gewünschte Zielbereich im J5
wesentlichen mit der Brennebene der Linse 202 zusammenfällt. Nachdem diese Feineinstellung durchgeführt
worden ist, kann die Irisblende dann voll geöffnet werden, um ein Bild hoher Auflösung des
Zielbereiches zu erzeugen.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine neue Wandlereinrichtung für die Ultraschallabtaststrahlenquellen-
und Detektoranordnung 206 geschaffen, die ähnliche Funktionen ausübt wie sie oben für die
Irisblende beschrieben wurden. Wie F i g. 2 zeigt, enthält die Wandlereinrichtung eine Wandlereinheit 10, die mit
einer schaltbaren Quellen- und Detektorvorrichtung 12 gekoppelt ist. Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform der Wandlereinheit 10 enthält eine zylindrische
Scheibe aus einem piezoelektrischen Material 14, eine gemeinsame Elektrode 16, eine mittlere Elektrode 18
(Mittelelektrode) und eine ringförmige Elektrode 20 (Ringelektrode). Die gemeinsame Elektrode oder
Gegenelektrode 16 bedeckt wie dargestellt die Vorderseite des piezoelektrischen Materials 14, die
Mittelelektrode 18 bedeckt einen Mittelabschnitt der Rückseite des piezoelektrischen Materials 14 und die
Ringelektrode 20, die ebenfalls auf der Rückseite des piezoelektrischen Materials 14 angeordnet ist umgibt
die Mittelelektrode 18, berührt diese jedoch nicht Der Außendurchmesser der Ringelektrode 20 und der
Durchmessser der Scheibe aus dem piezoelektrischen Material 14 liegen typischerweise in einem Bereich
zwischen etwa 60 oder 63,5 mm bis etwas über 125 mm (2£ bis etwas mehr als 5 Zoll). Der Durchmesser der
Mittelelektrode 18 ist wesentlich kleiner, sie hat typischerweise einen Durchmesser im Bereich zwischen
etwa 6 oder 635 mm bis etwa 50 mm.
Die Elektroden 16,18 und 20 sind über entsprechende Leitungen 22, 24 und 26 mit der Vorrichtung 12
verbunden. Das Ausgangssignal der schaltbaren Quellen- und Detektoranordnung 12 stellt das Ausgangssignal
des Blocks 206 in F i g. 1 dar und wird der Abbildungselektronik 218 zugeführt.
Ein erster Typ der schaltbaren Quellen- und Detektoranordnung 12 ist in Fig.3 dargestellt. Diese
Anordnung 12 enthält eine Impulsquelle 30, die eine Folge von Spannungsimpulsen liefert, welche jeweils
elektrische Schwingungen der gewünschten Ultraschallfrequenz enthalten. Die Spannungsimpulse von der
Impulsquelle 30 werden über die Leitungen 24 und 22 zwischen die Mittelelektrode 18 und die Gegenelektrode
16 gelegt Die Mittelelektrode 18 ist außerdem über die Leitung 24 direkt mit dem Ausgang der Abbildungselektronik 218 gekoppelt.
Die Anordnung 12 gemäß F i g. 3 enthält ferner einen Schalter 32, der einen ersten (geöffneten) und zweiten
(geschlossenen) Betriebszustand (Schalterstellung) aufweist. Im ersten, geöffneten Betriebszustand ist die
Ringelektrode 20 sowohl von der Impulsquelle 30 als auch von der Abbildungselektronik 218 getrennt. Im
zweiten, geschlossenen Betriebszustand des Schalters 32 ist die ringförmige Elektrode 20 dagegen der
Mittelelektrode 18 über die Leitungen 26 und 24 parallel geschaltet. Im zweiten Betriebszustand des Schalters 32
ist die ringförmige Elektrode 20 also sowohl mit der Impulsquelle 30 als auch mit der Abbildungselektronik
218 verbunden.
Bei der folgenden Beschreibung der Arbeitsweise der Wandlereinrichtung gemäß Fig.2 soll angenommen
werden, daß die schaltbare Quellen- und Detektoranordnung 12 dem in F i g. 3 dargestellten ersten Typ
angehört. Wenn der Schalter 32 sich im zweiten (geschlossenen) Betriebszustand befindet, so daß die
Spannungsimpulse sowohl der Mittelelektrode 18 als auch der Ringelektrode 20 zugeführt werden, wirkt die
ganze Wandlereinheit 10 bei der Erzeugung eines relativ breiten Ultraschallstrahlungsbündels mit, das
durch zwei gestrichelte Linien 40-40 begrenzt ist. Das breite oder dicke Bündel 40-40 leuchtet bei der
Abtastung durch eine nicht dargestellte Abtastvorrichtung praktisch die ganze Apertur der Linse 202 aus. Die
Linse 202 hat eine verhältnismäßig große Apertur, typischerweise 100 bis 125 mm, und eine im Vergleich
zur Apertur verhältnismäßig kurze Brennweite, typischerweise 250 mm. Ein typischer Wert für die
Wellenlänge der Ultraschallschwingungen ist etwa 1 mm. Gemäß den oben angegebenen Gleichungen (2)
und (3) ergibt sich dadurch eine hohe Auflösung. Gemäß Gleichung (4) ist andererseits die Schärfentiefe verhältnismäßig
klein, typischerweise 25 mm oder weniger. Dies ist richtig für eine C-Abtastung, bei der die
abzubildende Struktur eine verhältnismäßig geringe Tiefenabmessung hat und bei der die Querschnittsabmessungen
sowohl in der X- als auch in der V-Richtung abgetastet werden. Im Falle einer ß-Abtastung, bei der
die Tiefe der abzubildenden Struktur in einer einzigen Querschnittsdimension abgetastet wird, braucht man
jedoch eine verhältnismäßig große Schärfentiefe.
Eine verhältnismäßig große Schärfentiefe erhält man bei der vorliegenden Wandlereinrichtung einfach
dadurch, daß -nan den Schalter 32 in seinen ersten (geöffneten) Betriebszustand umschaltet in dem die
Ringelektrode 20 abgeschaltet ist In diesem Falle wirkt nur der mittlere Bereich der Wandlereinheit 20, der
durch die Mittelelektrode 18 begrenzt ist bei der
Erzeugung der Ultraschallstrahlung mit, die ein verhältnismäßig schmales Bündel von Ultraschallschwingungsenergie
bildet, das durch gestrichelte Linie 42-42 begrenzt ist.
Dieses schmale Ultraschallstrahlungsbündel beleuchtet nur einen kleinen Teil der Gesamtapertur der Linse
20 und nimmt verschiedene Bereiche der Linse ein, während das Strahlungsbündel die Apertur der Linse
abtastet. Die Verwendung eines solchen schmalen Ultraschallstrahlungsbündels 42-42 hat den gleichen
Zweck wie die oben beschriebene Verwendung einer Irisblende, nämüch die effektive Apertur der Linse 202
herabzusetzen.
Da die durch Gleichung (4) gegebene Schärfentiefe sich mit dem Quadrat des Verhältnisses von Brennweite
zu effektiver Apertur ändert, erhält man auf diese Weise ohne Schwierigkeiten eine erhebliche Vergrößerung
der Schärfentiefe, d. h. der Tiefe des Fokusbereiches. So kann z. B. die Schärfentiefe einer Linse mit einer
Gesamtapertur von 100 mm einfach dadurch um den Faktor 16 erhöht werden, daß man lediglich eine
Mittelelektrode 18 mit einem Durchmesser von 25 mm verwendet. Hierdurch wird zwar die Auflösung
verringert, jedoch nur um den Faktor 4.
Wie oben erwähnt wurde, ist es manchmal wünschenswert mit einer ß-Abtastung ein vorläufiges Bild
relativ geringer Auflösung zu erzeugen, das nur dazu dient, die genaue Lage des zu untersuchenden
Zielbereichs zu bestimmen, so daß dann die Relativlage der Linse 202 bezüglich des Patienten derart genau
eingestellt werden kann, daß während einer späteren C-Abtastung hoher Auflösung der gewünschte Zielbereich
im wesentlichen mit der Brennebene der Linse 202 zusammenfällt. In dem vorläufigen Bild brauchen nur
große Orientierungsmerkmale im Körper beobachtet werden. Da die Auflösung in diesem Fall nicht kritisch
ist, kann der Durchmesser der Mittelelektrode 18 gegebenenfalls bis auf 6,5 oder 6 mm verringert werden.
Hierdurch ergibt sich dann im Vergleich zu einer Linse mit einer Gesamtapertur von 100 mm eine Erhöhung
der Schärfentiefe um den Faktor 256. während die Auflösung nur um den Faktor 16 herabgesetzt wird.
Fig.4 zeigt einen zweiten Typ der schaltbaren Quellen- und Detektoranordnung 12, der eine zeitlich
veränderliche effektive Apertur erzeugt, die für eine ß-Abtastung bestimmter relativ tiefer Strukturen
nützlich sein kann. Genauer gesagt wird der Bruchteil der Tiefe der untersuchten Struktur, der sich innerhalb
des relativ kleinen Fokal- oder Schärfenbereiches der relativ großen gesamten Linsenapertur befindet sowohl
durch die Mittelelektrode 18 als auch durch die Ringelektrode 20 erfaßt Dies gewährleistet die maximal
verfügbare Auflösung innerhalb dieses kleinen Fokalbereiches. Der restliche Teil der untersuchten Struktur
(der sich außerhalb des relativ kleinen Schärfentiefebereiches der gesamten Linsenapertur befindet) wird
lediglich durch die Mittelelektrode ohne Verwendung der Ringelektrode 20 erfaßt
Bei dem in Fig.4 dargestellten zweiten Typ der
Quellen- und Detektoranordnung 12 werden die jeweiligen Spannungsimpulse von der Impulsquelle 30
jeweils sowohl durch einen Schwellenwertschalter 41 sowie Leiter 24 und 22 zwischen die Mittelelektrode 18
und die Gegenelektrode 16 als auch durch einen Schwellenwertschalter 43 sowie Leitungen 26 und 22
zwischen die Ringelektrode 20 und die Gegenelektrode 16 gelegt Die Schwellenwertschalter 41 und 43
enthalten, wie dargestellt, jeweils ein Paar entgegengesetzt gepolter Halbleiterdioden. Die Schwellenwertschalter
leiten jeweils bei positiven und negativen Polaritäten, solange der Absolutwert der Amplitude
einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, der
r> für die üblichen Halbleiterdioden 0,7 Volt beträgt. Die
an die Gegenelektrode 16 angeschlossene Leitung kann, wie dargestellt, geerdet sein.
Die an die Mittelelektrode 18 angeschlossene Leitung 24 ist außerdem mit einem Ende einer ersten
ίο Primärwicklung 44 einer Signalvereinigungsvorrichtung
46 über einen normalerweise geöffneten Schalter 48 einer zeitlich gesteuerten Torschaltung 50 verbunden.
Das andere Ende der ersten Primärwicklung 44 liegt an Masse. Die Leitung 24 ist außerdem mit dem
Steuereingang der Torschaltung 50 verbunden. In entsprechender Weise ist die an die Ringelektrode 20
angeschlossene Leitung 26 mit einem Ende einer zweiten Primärwicklung 52 der Signalvereinigungsvorrichtung
46 über einen normalerweise geöffneten Schalter 54 einer zeitlich gesteuerten Torschaltung 56
verbunden. Das andere Ende der zweiten Primärwicklung 55 liegt an Masse. Die Leitung 26 ist ferner mit dem
Steuereingang der Torschaltung 56 verbunden. Der Aufbau der zeitlich gesteuerten Torschaltungen 50 und
56 ist im wesentlichen gleich dem von üblichen Bereichstorschaltungen, wie sie sowohl in Sonar- als
auch Radar-Geräten verwendet werden. Die Signalvereinigungsvorrichtung 56 enthält ferner eine mit den
Primärwicklungen gekoppelte Sekundärwicklung 58,
jo deren eines Ende an Masse liegt, während das andere
Ende den Ausgang der Anordnung 24 bildet und mit der Abbildungselektronik 218 gekoppelt ist.
Bei der folgenden Erläuterung der Arbeitsweise der in F i g. 4 dargestellten schaltbaren Quellen- und
is Detektoranordnung 12 wird auf das Diagramm in F i g. 5
Bezug genommen. Dabei soll beispielsweise angenommen werden, daß die Wellenlänge der Ultraschallstrahlung
etwa 1 mm beträgt, daß die Linse 202 eine Apertur von 100 mm sowie eine Brennweite von 250 mm hat,
daß der Durchmesser der Mittelelektrode 18 im wesentlichen 25 mm beträgt und daß die Ringelektrode
20 einen Außendurchmesser von mindestens 100 mm hat.
Die Impulsquelle 30 (F i g. 4) leitet im Zeitpunkt Ta die
4> Erzeugung eines typischen Spannungsimpulses 60 ein.
Der Spannungsimpuls 60 hat eine Amplitude, die um vieles größer ist als der Schwellenwert 62 der
Schwellenwertschalter 41 und 43. Der Spannungsimpuls wird daher sowohl zwischen der Mittelelektrode 18 und
so der Gegenelektrode 16 als auch zwischen der Ringelektrode 20 und der Gegenelektrode 16 wirksam.
Dies hat zur Folge, daß ein relativ breites Ultraschallstrahlungsbündel
40-40 (Fig.2) erzeugt und auf die
abzubildende Struktur gerichtet wird.
5b Der Spannungsimpuls 50 wird ferner den zeitlich
gesteuerten Torschaltungen 50 und 56 als Steuerimpuls zugeführt Als Reaktion hierauf schließt die zeitlich
gesteuerte Torschaltung 50 nach einer geeigneten zeitlichen Verzögerung im Zeitpunkt 71 den Schalter 48.
bo Wie F i g. 5 zeigt, tritt der Zeitpunkt T-. etwa gerade
dann auf, wenn Echos von der Linse 202 selbst, d. h. von einer Ebene, die 250 mm (der Brennweite / der Linse
202) vor der Brennebene der Linse 202 von der Wandlereinheit 10 empfangen werden. Die zeitlich
gesteuerte oder verzögerte Torschaltung 56 schließt den Schalter 54 nach einer längeren Verzögerungszeit
im Zeitpunkt T2. Wie F i g. 5 zeigt, tritt T2 dann auf, wenn
Echos von einer Ebene empfangen werden, die 25 mm
vor der Brennebene der Linse 202 liegt. Die Torschaltung 56 hält den Schalter 54 bis zum Zeitpunkt
Ti geschlossen. Dieser Zeitpunkt liegt so, daß bei seinem
Auftreten Echos empfangen werden, die von einer Ebene stammen, welche 25 mm hinter der Brennebene
der Linse 202 liegt. Die Torschaltung 50 hält den Schalter 48 bis zum Zeitpunkt Γ4 geöffnet, oder noch
langer, falls gewünscht. Wie F i g. 5 zeigt, treffen im Zeitpunkt T4 Echos von einer Ebene ein, die etwa
250 mm hinter der Brennebene der Linse 202 liegt.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, haben alle Echos eine
Amplitude, die wesentlich kleiner als die Schwellenwertintensität 62 der Schalter 41 und 43. Die Impulsquelle 30
iüt also gegen die empfangenen Echos isoliert. Die Mittelelektrode 18 ist jedoch in der Lage, die innerhalb
des schmalen Bündels 42-42 empfangenen Echos zu erfassen. Lediglich diejenigen Echos, die von der
Mittelelektrode 18 erfaßt werden und im Zeitintervall zwischen 71 und Tt werden der Signalvereinigungsvorrichtung
46 über den geschlossenen Schalter 48 zugeführt und bilden einen ersten Anteil des empfangenen
bzw. erfaßten Signalteiles.
Der Rest der empfangenen Echos, die sich außerhalb des schmalen Bündels 42-42 jedoch noch innerhalb des
Breitenbündels 40-40 befinden, werden durch die Ringelektrode 20 erfaßt. Der Signalvereinigungsvorrichtung
46 werden durch den geschlossenen Schalter 54 jedoch nur diejenigen von der Ringelektrode 20
erfaßten, empfangenen Echos zugeführt, welche im Zeitintervall zwischen Ti und Ti auftreten und diese
Echos bilden einen zweiten Anteil des empfangenen Signalteiles. Der erste und der zweite Anteil des
empfangenen Signalteiles werden durch die Signaivereinigungsvorrichtung kombiniert und das resultierende
Signal wird der Abbildungs- oder Bilderzeugungselektronik 218 zugeführt.
Legt man die oben angegebenen Werte zugrunde, so beträgt die Schärfentiefe für die ganze, etwa 100 mm
angenommene Apertur der Linse etwa ±25 mm gerechnet von der Brennebene. Dieser Bereich stimmt
mit dem dem Zeitintervall zwischen Ti und Tj
entsprechenden Zeitintervall überein, in dem sowohl der erste als auch der zweite Anteil des empfangenen
Signalteiles an die Signalvereinigungsvorrichtung 46 weitergegeben werden. In diesem Fokal- oder Schärfentiefenbereich
wird eine Auflösung von etwa 3 mm erreicht.
Aus der Gleichung (4) erhält man mit den angenommenen Werten für die Mittelelektrode 18
allein eine Schärfentiefe von etwa ±400 mm (genauer 406,4 mm). Im Zeitintervall zwischen T\ und T>
und dem Zeitintervall zwischen Ti und T4 ergibt die effektive
Apertur also einen Schärfentiefebereich von etwa
in ±400 mm. Die Auflösung innerhalb dieser letzterwähnten
Zeitintervalle beträgt etwa 12 mm.
Es ist einleuchtend, daß gewünschtenfalls mehr als nur eine ringförmige Elektrode verwendet werden kann, um
die Einstellung der effektiven Apertur feiner steuern zu
π können. Man muß dabei jedoch zwischen der größeren
Kompliziertheit, die sich bei der Verwendung mehrerer Ringelektroden ergibt, und dem erreichten höheren
Auflösungsvermögen abwägen.
Für die Zwecke einer medizinischen Diagnose ergibt sich durch die vorliegende Erfindung der Vorteil, daß
eine S-Abtastung mit geringer Auflösung über die gesamte Tiefe des Körpers ermöglicht wird, so daß der
Arzt sich im Körper leicht zurechtfinden und charakteristische Merkmale im Körper lokalisieren kann,
-'"> während gleichzeitig ein fokussiertes Volumen hoher
Auflösung um den am meisten interessierenden Bereich des Körpers vorliegt. Für die Zwecke der Orientierung
auf der Basis charakteristischer Merkmale ist die volle Apertur nicht wirklich erforderlich.
j<> Dies gilt besonders für das darüber liegende Gewebe,
das eine geringe Dämpfung der reflektierten Ultraschallschwingungen ergibt. Die volle Empfindlichkeit
der gesamten Apertur ist also nicht erforderlich, um stärker empfangene Signale von diesem darüber
j'i liegenden Gewebe mittels des durch die Mittelelektrode
18 begrenzten mittleren Bereichs der Wandlereinheit allein zu erhalten.
Bei dem in F i g. 1 dargestellten Gerät ist die fokussierende Linse zwar stationär und im Abstand von
•in der Wandlereinheit angeordnet, dies ist jedoch nicht
notwendig. Die Erfindung läßt sich vielmehr auch dann mit Erfolg anwenden, wenn die fokussierende Linse an
der Wandlereinheit angebracht und mit dieser beweglich ist, wie es z. B. aus der US-PS 39 58 559 bekannt ist.
Hierzu 2 BIaJl Zeichnungen
Claims (11)
1. Wandlereinrichtung für ein Ultraschallimpulsechogerät,
das eine Darstellungseinrichtung zum Erzeugen eines Bildes einer Struktur im Inneren
eines mit Ultraschall abgetasteten, optisch opaken Objekts, ferner eine fokussierende akustische Linse,
die eine vorgegebene Apertur einnimmt, und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ultraschallstrahles
enthält, welche die eine Folge von Ultraschallimpulsen erzeugende Wandlereinrichtung und eine
Strahlabtasteinrichtung zum Bestrahlen der inneren Struktur durch die fokussierende Linse mit einem
fokussierten Ultraschall Abtaststrahl umfaßt, wobei die im Abstand von der inneren Struktur angeordnete
Wandlereinrichtung einen von der inneren Struktur durch die Linse reflektierten Teil des
fokussierten Ultraschaflstrahis nach einer Zeitspanne
empfängt, die dem Abstand zwischen der Wandlereinrichtung und der reflektierenden inneren
Struktur proportional ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandlereinrichtung eine Wandlereinheit (10) mit einem mittleren Teil (unterhalb von 18) enthält, der von einem getrennten
ringförmigen Teil (unterhalb von 20) umgeben ist und nur einen ersten Anteil der reflektierten
Ultraschallstrahlung empfängt, der durch einen bestimmten, kleinen Teil (42-42) der Apertur (A) dar
Linse (202) reflektiert wurde, während der ringförmige Teil einen zweiten Anteil der reflektierten
Ultraschallstrahlung empfängt, der durch den übrigen Teil (40-42, 40-42) der Apertur der Linse
reflektiert wurde, und daß die Wandlereinrichtung ferner eine zeitlich gesteuerte Schaltvorrichtung (12) J5
enthält, die mit dem mittleren sowie dem ringförmigen Teil gekoppelt ist und der Darstellungseinrichtung
entweder nur den ersten Anteil des empfangenen Signals oder sowohl den ersten als den Zweiten
Anteil des empfangenen Signals zuführt.
2. Wandlereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinheit ein piezoelektrisches
Medium (14) enthält, auf dessen einer Seite eine gemeinsame Elektrode (16) und auf dessen
anderer Seite eine Mittelelektrode (18), die von einer ringförmigen Elektrode (20) umgeben ist, angeordnet
sind; daß die Schaltvorrichtung (12) die Elektroden derart wahlweise mit der Darstellungseinrichtung koppelt, daß in einer ersten Schalterstellung
(geöffnet) nur das Signal zwischen der Mittelelekrode und der gemeinsamen Elektrode den
ersten Anteil der reflektierten Ultraschallstrahlung darstellt, während in einer zweiten Schalterstellung
(geschlossen) sowohl das Signal zwischen der Mittelelektrode und der gemeinsamen Elektrode als 5;
auch das Signal zwischen der ringförmigen Elektrode und der gemeinsamen Elektrode ein resultierendes
Signal entsprechend dem ersten und dem zweiten Anteil des empfangenen Signals bilden.
3. Wandlereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung einen
Schalter (32, Fig.3) enthält, der zwischen die Mittelelektrode und die ringförmige Elektrode
geschaltet ist, die Mittelelektrode in der ersten Schalterstellung von der ringförmigen Elektrode b5
trennt und die ringförmige Elektrode in der zweiten Schalterstellung direkt mit der Mittelelelctrode
verbindet, und daß lediglich mit der Mittelelelctrode
eine Ausgangsklemme verbunden ist
4. Wandlereinrichtung nach .Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der ringförmigen Elektrode mindestens das
l,25fache des Durchmessers der Mittelelektrode
beträgt
5. Wandlereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Mittelelektrode
zwischen 6 mm und 50 mm beträgt
6. Wandlereinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser
der ringförmigen Elektrode mindestens 63,5 mm beträgt
7. Wandlereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
innere Struktur des visuell opaken Objekts eine vorgegebene Tiefe hat; daß die akustische Linse
(202) eine vorgegebene Brennweite hat; daß die Ultraschallimpulse die Linsenapertur (A) im wesentlichen
ausfüllen; daß die Linsenbrennweite und die Apertur einen ersten Fokalbereich in der Struktur
begrenzen, der eine Tiefe hat, die kleiner ist als die Tiefe der Struktur, und daß die Brennweite der Linse
und ein bestimmter kleiner Teil der Apertur einen zweiten Fokalbereich einer zweiten Tiefe begrenzen,
der die Tiefe der Struktur und damit die Tiefe des ersten Fokalbereiches umfaßt; daß die Schaltvorrichtung
(50,56) den ersten Anteil des empfangenen Signals an die Darstellungseinrichtung für ein
erstes Zeitintervall (T\ bis T4) F i g. 5) weiterleitet,
während dessen der erste Anteil des Signals von der vorgegebenen Tiefe der Struktur empfangen wird,
während der Schalter während eines zweiten Zeitintervalls (Ti bis 7j) sowohl den ersten als auch
den zweiten Anteil des Signais weiterleitet, während dessen das Signal von dem ersterwähnten Fokalbereich
empfangen wird.
8. Wandlereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalteil während des
zweiten Zeitintervalls von der gesamten ersten Tiefe empfangen wird.
9. Wandlereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinheit ein piezoelektrisches
Medium mit einer gemeinsamen Elektrode (16) auf der einen Seite und einer Mittelelektrode.
(18), die den mittleren Teil bedeckt und von einer ringförmigen Elektrode (20) umgeben ist, die
den ringförmigen Teil bedeckt, auf der anderen Seite, enthält und daß die Schaltvorrichtung einen
ersten, normalerweise geöffneten und während des ersten Zeitintervalls geschlossenen Schalter (48)
enthält, der mit der Mittelelektrode gekoppelt ist, so daß der erste Schalter nur während des ersten
Zeitintervalls ein Ausgangssignal liefert, und daß die Schaltvorrichtung ferner einen zweiten normalerweise
geöffneten und während des zweiten Zeitintervalls geschlossenen Schalter (54) enthält, der mit
der ringförmigen Elektrode gekoppelt ist und ein Ausgangssignal nur während des zweiten Zeitintervalls
liefert.
10. Wandlereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Impulsquelle (30) zum
Erzeugen eine Reihe von Spannungsimpulsen (60) enthält, die jeweils elektrische Energie der Betriebsfrequenz der Ultraschallschwingungen enthalten
und jeweils eine Amplitude haben, die eine vorgegebene Spannung (62) überschreitet; und
ferner zwei Schwellenwertschalter (4l, 43), von
denen der erste (41) bei der vorgegebenen Spannung die Impulse zwischen die Mittelelektrode und die
gemeinsame Elektrode legt, wahrem« der zweite (43) bei der vorgegebenen Spannung die Impulse
zwischen die ringförmige Elektrode und die gemeinsame Elektrode legt; und daß das empfangene
Signal an der Mittelelektrode und der ringförmigen Elektrode eine Spannungsamplitude bezüglich
der femeinsamen Elektrode hat, die immer unter der vorgegebenen Spannung liegt
11. Wandlereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite
Schwellenwertschalter (41, 43) jeweils ein Halbleiterdiodenpaar enthält
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