DE2919176C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Linse für ein Ultraschallabbildungssystem für die medizinische Diagnostik nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ultraschallinsensysteme bekommen eine immer bedeutendere Rolle bei zerstörungsfreien Testmethoden und auf medizinischen Anwendungsgebieten. Für die medizinische Diagnostik werden üblicherweise Ultraschallfrequenzen im Megahertzbereich benutzt mit Wellenlängen um 1 mm herum. Um Objektstrukturen im Millimeterbereich auflösen zu können, werden Apertursysteme mit einem Öffnungsverhältnis 1 : 1 oder kleiner benötigt. Üblicherweise sind Ultraschallinsen mit hoher Apertur dick und weisen eine starke Krümmung auf, die merkbare Schwächungsverluste im festen Linsenmaterial nach sich zieht. Flüssiges Linsenmaterial mit geringen Verlusten ist andererseits schwer in der richtigen Form zu halten. Zum Vorteil der Patienten muß die Ultraschallenergie möglichst gering sein und somit sind die Verluste zu minimieren. Feste Fresnellinsen bilden eine gute Lösung für dieses Problem und sind z. B. in der Lichtoptik und Mikrowellentechnik bekannt (Stroke, G.W., Kock, W.E., Kikuchi, Y., Tsujiuchi, J., "Ultrasonic Imaging and Holography", Plenum press New York, 319-324 (1974)). Auch akustische Lehrbücher (Matauschek, J., Einführung in die Ultraschalltechnik, 2nd Edition Berlin pp 245 and 293 (1962)) betrachten die Fresnellinsen als Fokussierungselement für Ultraschallenergie.

In der Praxis jedoch scheinen die Fresnellinsen in der Ultraschallbilddarstellung unbekannt zu sein. Dies kann seinen Grund darin haben, daß Tarnoczy (Sound and focussing lenses and waveguides Ultrasonics, July/Sept. 1963 pp 115-127) beim Ultraschall die geometrischen Fresnellinsen wie planparallele Platten ohne fokussierende Wirkung behandelt.

In der US-PS 40 84 582 wird eine Anordnung beschrieben, bei der die Sender-/Empfängerfläche eines Ultraschallwandlers einer Fresnel-Zonen-Konstruktion nachgebildet ist. Für jede Zone existiert ein eigener Sender/Empfänger, der von einem elektronischen Schaltkreis gesteuert wird. Diese Konstruktion ist jedoch keine Linse, welche eine Abbildung akkustischer Strukturen vermittelt.

Des weiteren ist aus J. Acoustical Society of America 63(3), Mar. 1978, Seiten 860 bis 862 eine holographische akkustische Linse bekannt, die einer Zonenplatte entspricht, bei der sich 4 schalldurchlässige Ringe auf einem schallabsorbierenden Träger befinden. Dadurch wird die effektive Aperturfläche halbiert und das Abbild wird durch verschiedene reelle und virtuelle Fokuspunkte höherer Ordnung sowie eine starke Nullordnung unscharf.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nunmehr darin, eine Linse für ein Ultraschallabbildungssystem für die medizinische Diagnostik zu erstellen, das den üblichen Verfahren überlegen ist bezüglich der lateralen Auflösung, so daß z. B. eine hochaufgelöste Gewebedifferenzierung möglich ist, obwohl die Fachwelt die Herstellung einer solchen Linse für unmöglich erachtet.

Die der Erfindung zugrundeliegenden experimentellen Ergebnisse haben nämlich gezeigt, daß Phasen-Fresnel-Linsen leicht auf Ultraschallwellen angewendet werden können, wenn die Phasenschritte zwischen den einzelnen Zonen genau auf die Ultraschallwellenlängen abgestimmt sind. Eine Phasen-Fresnel-Linse, welche der Beugung des Ultraschalls Rechnung trägt, ist von großem Vorteil für die Ultra­ schallabbildung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 5 aufgezeigt.

Es wurde erfindungsgemäß eine Linse konstruiert und gefertigt, die einerseits eine große Apertur besitzt, aber den Nachteil großer Randdicke dadurch vermeidet, daß eine Zonenkonstruktion verwendet wird, die eine geringe Dicke in jeder Ringzone aufweist. Alle Ringzonen wirken konstruktiv zusammen, indem durch geeignete Wahl der Stufenhöhe zwischen benachbarten Zonen der Schall im Fokuspunkt phasenrichtig überlagert wird. Das Ergebnis kann als Phasen- Fresnel-Linse bezeichnet werden, wobei im Vergleich zu den bekannten Fresnel-Zonenplatten die gesamte Apertur genutzt wird und außerdem keine konjungierten Bilder oder Bilder höherer Ordnung entstehen. Das überraschendste Ergebnis bei der Erfindung besteht in der Anwendung des Konzeptes auf Probleme des Ultraschalls. Dies ist insofern von Bedeutung, als Tarnoczy die Wirkung von Fresnellinsen im Ultraschallbereich abstreitet.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine feste, gut handhabbare Linse mit extrem hoher Apertur und damit verbundenem großem Auflösungsvermögen bei gleichzeitig geringer Absorption hergestellt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mittels der Fig. 1 bis 4 und den die Ausführung von erfindungsgemäßen Linsen ermöglichenden physikalisch-mathematischen Grundlagen sowie einer Tabelle näher erläutert (gelten für ein Beispiel).

Das Linsensystem basiert auf einer Fresnel-Zonenplatte. Üblicherweise besitzen Fresnel-Zonenplatten Ringzonen, welche alternierend bedeckt und unbedeckt sind, d. h. strahlendurchlässig und strahlenundurchlässig. Eine ebene Welle mit der Wellenlänge λ, welche senkrecht auf eine solche transparente oder undurchlässige Struktur trifft, wird z. T. in den Fokuspunkt gebeugt, falls die Huygenschen Elementarwellen, die aus dem transparenten Bereich herstammen, tatsächlich im Fokuspunkt phasenrichtig interferieren. Die Wegdifferenz für Elementarwellen von aufeinanderfolgenden unbedeckten Ringzonen zum Fokuspunkt beträgt λ. So werden alle Elementarwellen mit gleicher Phase überlagert.

Die Fokussierungsgrößen einer Fresnel-Zonenplatte sind bekannt. Für Bilddarstellungszwecke hat die Fresnel-Zonenplatte trotzdem zwei große Nachteile. So ist erstens die Hälfte der Aperturfläche mit undurchsichtigen Ringzonen bedeckt, die die effektive Aperturfläche um den Faktor 2 verringern. Das hat seinen Grund darin, daß jede zweite Ringzone mit einem nichttransparenten Schutz versehen werden muß, der verhindert, daß Elementarwellen aus diesen Ringzonen entstehen, die destruktiv im Fokuspunkt wirken. Zweitens entstehen verschiedene reelle und virtuelle Fokuspunkte höherer Ordnung und eine starke Nullordnung entsteht für Wegdifferenzen von Δ=(0, 1, 2 . . .) x (±λ).

Um, wie erfindungsgemäß geschehen, die volle Aperturfläche verwenden zu können, müssen die undurchsichtigen Zonen ersetzt werden durch transparente Zonen. Dies gelingt bei solchen Ringzonen, falls eine Phasenverschiebung von π eingeführt wird, z. B. wenn Zonen entsprechender Dicke in das Material der Linse eingearbeitet werden. Das Ergebnis wird erfindungsgemäß als Phasen-Fresnel-Zonenplatte bezeichnet, die auch ungebeugte Wellen nullter Ordnung vermeidet (Farnow, S.A., Auld, B.A., An Acoustic Phase Plate Imaging Device, Symposium on Acoustical Holography and Imaging, February 4-7, 1975, San Diego, California).

Bilder höherer Ordnung werden durch eine zusätzliche Profilierung eliminiert, welcher prismenähnliche Strukturen erzeugt, um den Ultraschall von jeder Ringzone in den Fokuspunkt zu brechen, falls die einfallenden Wellen planparallele Wellen sind. Eine ähnliche optische Phasen-Fresnel-Linse ist durch Miyamoto beschrieben worden (Miyamoto, K., The Phase Fresnel Lens, Journal of the Optical Society of America, 51, January 1959, pp 17-21).

Erfindungsgemäß wurde das Profil der Phasen-Fresnel-Linse folgendermaßen berechnet:
Die Radien der Zonenplattenstruktur ergeben sich durch die Gleichung 1

ρ (n) = [(f+n · λ ) ²-f ²] ^1/2 (1)

n = 0, 1, 2, . . .

wobei f die Fokuslänge der Zonenplatte ist. Jeder Radius ρ (n) ist mit einem genauen Prismenwinkel α (n) verknüpft, um die Strahlen in den Fokuspunkt A′ (s. Fig. 2) abzulenken.

wobei N der relative Brechungsindex des Linsenmaterials im Vergleich zum umgebenden Medium ist.

Innerhalb der Ringzonen 2 der Phasen-Fresnel-Linse 1 (s. Fig. 1 und Fig. 2) verändert sich der Prismen- bzw. der Keilwinkel kontinuierlich zwischen den beiden Grenzen α (n+1) und α (n). Um den mechanischen Herstellungsprozeß zu vereinfachen, wurde erfindungsgemäß das Zonenprofil durch individuell angepaßte Kreisringsektoren für jede Ringzone 2 angenähert. Diese Ringsektoren werden dann weiterhin an den Keilwinkel α an der inneren und äußeren Ecke jeder Ringzone 2 derart angepaßt, daß er tangential zum exakten Profil liegt. Hierbei gilt die Gleichung 3:

Dz (n) ist dabei die Höhe der Schritte zwischen benachbarten Ringzonen 2, die zu dem berechneten Ringsektorprofil gehören.

Die Krümmungsradien r(n) und die Mittelpunkte der Krümmungsradien ρ r(n) und zr(n) werden mit Hilfe der folgenden Gleichungen 4, 5 und 6 ermittelt:

Dennoch ist die Höhe der Schritte Dz (n) noch nicht an die Wellenlänge angepaßt. Bleibt das individuelle Zonenprofil unverändert, so muß die wirkliche Höhe der Schritte so gewählt werden, daß die akustische Wegdifferenz w zwischen aufeinanderfolgenden Ringzonen 2 ein ganzzahliges Vielfaches der Ultraschallwellenlänge λ ist. Falls S₀ die Dicke des unbearbeiteten Materials ist, dann ergibt sich w durch die Gleichung 7:

W = [S(n + 1) - S(n) - Dz(n + 1)] · N + S(n + 1) - S(n + Dz(n + 1) = m · λ (7)

m = 0, ± 1, ± 2, . . .

wobei S(n) zu Dz(n) hinzuaddiert werden muß, um die genaue Schritthöhe zu erhalten.

Wird vom Zentrum der Linse (S( 0)=0) ausgegangen, so erreichen sich die Korrekturen S(n+1) gemäß der Gleichung 8:

Aus praktischen Gründen sollte m so klein wie möglich sein, vorausgesetzt, das Profil überschreitet nicht die Dicke des Rohlings der Linse 1.

Um die Forderungen der Gleichung 7 zu erfüllen, wird das Krümmungszentrum zr(n) nach Gleichung 4 axial um den Wert von S(n) verschoben (s. Fig. 1 und Fig. 2), um den korrigierten Wert zr(n)+S(n) zur erhalten, der die Krümmungsradien unverändert läßt.

Die Fig. 1 zeigt die eine Hälfte einer Doppellinse 1 mit den Ringzonen 2 sowie den korrigierten Werten für die Krümmungszentren (Punkte 0 bis 17). Die anschließende Tabelle zeigt die einzelnen für die Herstellung notwendigen Werte, wie die Leitzahl, Einstichtiefe in mm von der Oberfläche 3 des Rohlings aus gemessen, Durchmesser der Ringzonen 2, die Krümmungsmittelpunkte zr(n), ρ r(n) und die Krümmungsradien r(n).

Für die speziellen Erfordernisse in der medizinischen Diagnostik wurde erfindungsgemäß eine Fresnellinse aus Polystyrol hergestellt, die in einem Wassertank verwendbar ist. Für die Fokuslänge f wurden 30 cm, für den Durchmesser 20 cm, für das Öffnungsverhältnis 1 : 1,5, für den Brechungsindex 0,63 (Polystyrol), für die Frequenz des Ultraschalls 1,6 MHz, (für die Wellenlänge in Wasser 0,9275 mm) und als Ringzonenzahl 17 ausgewählt.

In Fig. 2 ist ein Doppellinsensystem mit einer Fresnel-Phasen- Linse 1 dargestellt, bei der auf beiden Seiten identische Ringzonen 2 hergestellt wurden. Eine Abbildung erfolgt vom Punkt A in den Punkt A′. Das Linsensystem 1 besteht aus zwei Fresnellinsen, die für eine 1 : 1-Abbildung bezüglich ihrer sphärischen Aberration korrigiert sind. Der Durchmesser D beträgt 20 cm, die Brennweite des Systems f=15 cm, das Öffnungsverhältnis des Systems D/f=1/0,75. Das Material, aus dem die Doppellinse 1 hergestellt ist, ist wiederum Polystyrol.

Die Fig. 3 zeigt eine nahezu punktförmige Ultraschallquelle A mit der Halbwertsbreite von ca. 1 mm, einer Frequenz von 1,6 MHz und eine Wellenlänge von ca. 0,9 mm. Nach dem Durchqueren der Doppellinse 1 gemäß der Fig. 2 ist das Punktbild A′ nahezu unverändert geblieben.

Die Fig. 4 zeigt die Aufnahme des Eingangsimpulses nach Fig. 3 im Fokuspunkt A im Fokuspunkt A′ hinter der Doppellinse 1. Die Halbwertsbreite beträgt nunmehr 2 mm.

Zur Herstellung der Linse 1 aus Polystyrol wird granuliertes Material benutzt, das sorgfältig erhitzt und einige Tage nahe am Schmelzpunkt in einer zylindrischen Form gehalten wird, bis eine nahezu planparallele 2 cm hohe Scheibe erhalten wurde, die einen Durchmesser von 25 cm hat. Dieser Rohling wird dann abgekühlt und seine Oberfläche mechanisch bearbeitet.

Bei Verwendung einer nur einseitig (hier gelten modifizierte Berechnungen) mit der erfindungsgemäßen Struktur (Ringzonen) versehenen Linse, kann deren Rückseite spärisch ausgebildet werden, wodurch eine Vorfokussierung der Ultraschallwelle erfolgt und weniger Ringzonen erforderlich werden. Werden dann zwei derartige Linsen zusammengesetzt, kann der so entstandene Zwischenraum noch mit einer die Brechkraft vergrößernden Flüssigkeit (z. B. Methanol) gefüllt werden, wodurch eine weitere Reduzierung der Ringzonenzahl möglich ist. Hierdurch wird das Linsensystem breitbandiger.

Claims (5)

1. Linse für ein Ultraschallabbildungssystem für die medizinische Diagnostik, wobei auf mindestens einer der Oberflächen der Linse eine Zonenkonstruktion mit Ringzonen vorgesehen und die Stufenhöhe zwischen benachbarten Ringzonen unterschiedlich ausbildbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringzonen (2) in Durchmesser, Stufenhöhe und Prismenwinkel als Phasen-Fresnel-Linse derart ausgebildet sind, daß der Schall im Fokuspunkt (A, A′) phasenrichtig überlagert ist.

2. Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen-Fresnel-Linse (1) als Doppellinse mit Ringzonen (2) ausgebildet und bezüglich der sphärischen Aberration korrigiert ist.

3. Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seite der Phasen-Fresnel-Linse (1) Ringzonen (2) aufweist und auf der hiervon abgewandten Seite sphärisch ausgebildet ist.

4. Linse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei solche Phasen-Fresnel-Linsen (1) vereinigt sind und daß der Zwischenraum zwischen den sphärisch gekrümmten Seiten mit die Brechkraft erhöhender Flüssigkeit gefüllt ist.

5. Linse nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Prismenwinkel innerhalb einzelner Ringzonen (2) zwischen zwei Grenzwerten α (n+1) und α (n) variiert.