DE2928560A1

DE2928560A1 - Bildgewinnungsvorrichtung fuer ein ultraschall-abbildungssystem

Info

Publication number: DE2928560A1
Application number: DE19792928560
Authority: DE
Inventors: James F Havilice; Albert S Waxman
Original assignee: Diasonics Inc
Current assignee: Diasonics Inc
Priority date: 1978-07-18
Filing date: 1979-07-14
Publication date: 1980-02-07
Also published as: FR2431811A1; GB2108267B; GB2108267A; IL63023A0; GB2027197A; US4231373A; NL7904046A; AU4698679A; FR2431811B1; JPS5516687A; AU544671B2; GB2027197B; CA1127750A

Description

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER · D 4300 ESSSN 1 ■ AM RÜHRSTEIN 1 · Yt£L.: (02 01) 4126

DIASONICS, INC. 185 San Gabriel Drive, Sunnyvale, Kalifornien 94086, V.St.A.

Bildgewinnunasvorrichtung für ein Ultrascha11-Abbildungssystern

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bildgewinnungsvorrich— tung für ein Ultraschall-Abbildungssystem.

In jüngster Zeit fand die Verwendung von Ultraschall zur Erzeugung anatomischer Bilder weicher Gewebe zunehmende Bedeutung. Diese Bedeutung resultierte in gewissem Umfang daraus, daß die Öffentlichkeit der Gefahr von Röntgenstrahlen Beachtung schenkte und daß auf dem Gebiet der Elektronik wesentliche technische Fortschritte erzielt wurden. Zur Verfügung stehende Speicher in integrierter Schaltungstechnik, Mikroprozessoren usw. haben es möglich gemacht, auch solche Signale zu verarbeiten, welche vor 10 Jahre nicht einmal entfernt verarbeitet werden konnten.

Eines der heute im Handel erhältlichen, üblichen Abbildungssysteme verwendet ein einziges Wandlerelement, das von Hand über die interessierende Zone bewegt wird, um eine zusammengesetzte B-Anzeige zu gewinnen. Die Lage des Wandlers ergibt sich aus einer relativ komplizierten Anordnung von Armen und Hebeln, welche die Zeichnung der B-Anzeige ermöglichen. Diese statische Abbildungstechnik hat

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den erkennbaren Nachteil, daß sie keine Echtzeitanzeige ergibt, bei der die Bewegung von Organen sichtbar gemacht werden kann. Selbst eine erfahrene Bedienungsperson braucht 5 bis IG Sekunden für jedes Bild, und die Durchgangsleistung bei einem solchen System beträgt generell einen Patient pro Stunde.

Eine Linearanordnung von Wandlern wird in anderen Ultraschall—Abbildung s systemen verwendet. So sind beispielsweise 64 Wandler in einer: 15. cm langen Anordnung bei einem im Handel erhältlichen Ausführungsbeispiel aufgenommen. Diese Wandler werden nacheinander adressiert,um eine B-Anzeige ohne Bewegung der Anordnung zu schaffen. Die resultierenden Einzeldurchlaufabtastungen haben eine relativ schlechte Qualität, da die kleineren Wandler der Anordnung schlechtere Eigenschaften als größere Wandler haben. Die durch diese bekannte Anordnung entwickelten Bilder geringerer Auflösung werden in erster Linie bei der Geburtshilfe verwendet, bei der Bilder geringerer Qualität hingenommen werden können.

ElnÄJabildungskopf mit einem einzigen größeren Wandler, der vom Körper beabstandet ist, ist ebenfalls bekannt. Dieser Abbildungskopf kann ein weiteres Sichtfeld mit einem einzigen Wandler hervorrufen, da sich der Wandler frei bewegen läßt. Der Wandler, welcher in einer mit dem Körper in Kontakt gebrachten Wasserblase aufgenommen ist, führt eine Schwingungsbewegung aus, um das Sichtfeld zu vergrößern. Die Entfernung des Wandlers vom Körper zur Gewinnung des erweiterten Sichtfeldes führt zu anderen Problemen. Bei einem Abstand des Wandlers gegenüber dem Körper kann der Nachhall zwischen dem Wandler und dem Körper beträchtlich werden. Wenn beispielsweise der Wandler von dem Körper um 3 cm beabstandet ist, können die vom Wandler aufgenommenen Sekundärechos zu einer Schattenerscheinung an einer Stelle

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β cm unter der Haut führen. Um dieses Problem zu lösen, wird der Wandler in einem relativ großen Abstand zum Körper (z.B. 20 cm) angeordnet. Ein solcher Kopf hat einen großen Platzbedarf und ist daher nicht einfach zu handhaben. Ein anderes Problem, das mit der Entfernung des Wandlers vom Körper verbunden ist, wobei der Wandler in einer wassergefüllten Blase (flexiblen Membran) angeordnet ist, besteht darin, daß das Bild durch Strahlenbrechung verschlechtert wird. Die Schallwellen werden gestört, wenn sie in den Körper durch die Membran eindringen oder den Körper durch die Membran verlassen. Dies läßt sich nicht in geeigneter Weise korrigieren, da der Einfallwinkel bei einer sich der Körperform anpassenden flexiblen Blase unbekannt ist.

In jüngster Zeit wurde zur Ultraschallabbildung eine elektronisch gesteuerte Ultraschallanordnung verwendet. Dabei werden mehrere Wandler in einer Anordnung gleichzeitig adressiert, und jeder Wandler ist über eine veränderliche Verzögerungsleitung angekoppelt, um ein Bild zu entwerfen. Diese Wandleranordnung bzw. -matrix arbeitet ähnlich dem phasengesteuerten Radar. Die Wandler werden jedoch nur in einer Richtung fokussiert und haben häufig unerwünschte Seitenkeulen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultra— schall-Abbildungskopf zur Verfügung zu stellen, der einerseits die den größeren Wandlern hoher Auflösung zukommenden Vorteile hat und der andererseits von den Nachteilen der statischen Anzeigevorrichtungen mit Einzel— wandlern befreit ist. Insbesondere werden die Probleme herkömmlicher Ultraschallköpfe ausgeräumt, bei -"--en die Wandler vom abzutastenden Körper beabstanc, '·' der erfindungsgemäßen Bildgewinnungsvorrichtung für ein Ultraschall-Abbildungssystem sind mehrere Wandler vorge-

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sehen, von denen jeder zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen geeignet ist. Die Wandler sind in einer Kammer angeordnet, die eine am Körper in Anlage bringbare, halb starre Membran aufweist« Die Wandler sind jeweils in der Kammer um eine Achse drehbar gelagert, welche jeweils quer zur zugehörigen Senderachse verläuft. Die Wandler, welche um ein vorgegebenes Maß zueinander winkelversetzt sind, werden mit.der gleichen konstanten Drehgeschwindigkeit angetrieben. Die Kammer, in der die Wandler umlaufen, ist mit einer Flüssigkeit gefüllt.

Der akustische Widerstand der Flüssigkeit und deren Dämpfungseigenschaften und die Dicke der Membran sind so gewählt, daß sie die Ultraschallübertragung in den Körper verstärken und die Nachhalleffekte;bzw. Echoeffekte minima lisieren. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der a.kustische Widerstand der Flüssigkeit angenähert gleich dem akustischen Widerstand der Polyäthylenmembran gerinoer Dichte. Die Dicke der Membran entspricht einer Wellenlänge oder Halbwellenlänge der Übertragungsfrequenz.

Im folgenden wild die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigenϊ

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des gesamten

Abbildungssystems einschließlich des Untersuchungstischs und einer Konsole;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Datenge— winnungskopfes gemäß der Erfindung;

Fig. 3a eine schematische Darstellung der Mehrzahl von Wandlern und deren·Relativlage innerhalb des Kopfes gemäß Fig. 2;

Fig. 3b eine schematische Darstellung eines Einzelwandlers unter verschiedenen Winkeln bei dessen Betätigung;

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4 eine Schnittansicht durch den Daten-Gewinnungskopf, wobei zur Sichtbarmachuncr des inneren Aufbaus der Handgriff entfernt ist;

Fig. 5 eine stirnseitige Schnittansicht des Kopfs aemäß Fig. 4, geschnitten entlang der Linie 5-5 in Fig. 4;

Fig. 6 eine Seitenansicht eines Einzelwandlers für das beschriebene Ausführunasbeispiel der Erfindung;

Fig. 7 eine Schnittansicht durch den Kopf, in der die Anordnung der Wandler in der flüssigkeitsgefüllten Kammer erkennbar ist;

Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht auf einen Teil einer Schallwand, welche die Wandler innerhalb der Kammer voneinander trennt;

Fig. 9 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Übertragungscharakteristiken der bekannten und erfindungsgemäßen Köpfe; und

Fig. 10 ein allgemeines Blockdiagramm der in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Kopf verwendeten Verarbeitungsschaltung.

Im folgenden wird ein Daten- bzw. Bild-Gewinnungskopf zur Verwendung in einem Ultraschall-Abbildungssystem beschrieben. In der nachfolaenden Beschreibung werden zahlreiche Einzelheiten, z.B. Winkel, Freguenzen usw. angegeben, um das Verständnis der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erleichtern. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung auch ohne diese besonderen Einzelheiten ausaeführt werden kann. Andererseits werden bekannte Komponenten und Ausbildungen nicht im einzelnen beschrieben, um die .Erfindung nicht mit überflüssigen Einzelheiten zu belasten.

Im folgenden wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen. Das gesamte Abbildungssystem umfaßt den Daten—Gewinnungskopf 15, der an einem Trägerarm 17 angeordnet ist. Der Kopf 15 ist mit einer Konsole 14 elektrisch gekoppelt. Im Betrieb des Abbildungssystems liegt ein Patient auf dem Tisch 12₉

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und der Kopf 15 wird mit der zu untersuchenden Zone in Kontakt gebracht. Die Bedienungsperson steuert das System von Kontrollorganen an der Konsole 14 und dem Kopf 15 und beobachtet die Bilder, die auf einer Kathodenstrahlröhre oder einer ähnlichen Anzeige erscheinen. Wie sich,aus der nachfolgenden Beschreibung des Ultra scha llkop'fs 15 ercribt, wird eine B-Anzeige ohne Bewegung des Kopfs 15 gewonnen, sobald der Kopf auf dem Körper aufliegt. Die Lage und die Bewegung des Kopfs 15 kann in bekannter Weise für globale Abtastungen durch die Trägerarme und Hebel nachgefahren werden.

Im folgenden wird kurz auf Fig. 2 eingegangen. Der Kopf 15 weist einen Griff 16 auf, der eine leichte Handhabung des Kopfs ermöglicht. Mehrere Knöpfe 18 sind an dem Kopf vorgesehen und dienen zur Auswahl verschiedener Betriebsarten. Die Vorderkante des Kopfs 15 ist in der nachfolgend· oenauer beschriebenen Weise gekrümmt,um eine Untersuchung insbesondere unter der letzten Rippe zu ermöglichen. Wie in Fig. 2 aus der relativen Größen des Kopfs 15 und der den Kopf haltenden Hand zu erkennen ist, ist der Kopf relativ klein und läßt sich daher leicht handhaben.

Wie in der schematischen Darstellung in Fig. 3a gezeigt ist, sind bei dem beschriebenen Kopf 15 vier identische Ultraschallwandler 20, 21, 22 und 23 vorgesehen. Der Wandler 20 ist auch in Fig. 6 gezeigt« Die Wandler können herkömmliche Wandler sein, wie sie bei der Ultraschallabbildung zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen verwendet werden. Bei dem beschriebenen Ausführungsbei— spiel haben die Wandler eine Betriebssollfrequenz von entweder 2,25 oder 3,5 MHz und eine Brennweite von 12 cm bei einer Empfindlichkeit von 16 dB bei dieser Brennweite. Die Wandler verwenden ein übliches piezoelektrisches Material

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und weisen eine Viertelwellen-Epoxy-Frontplatte an ihrer Sende- und Empfancrsflache auf. Diese Fläche ist bei den Wandlern 20, 21, 2-2 bzw. 23 als Fläche 26, 31, 32 bzw. gezeigt. Jeder der Wandler sendet empfängt Ultraschallwellen in Richtung seiner Senderachse, z.B. in Richtuna der Achse 25 bei dem Wandler 20.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind vier Wandler in einer Linie im Kopf 15 mit einem gegenseitigen Abstand von etwa 32 mm angeordnet. Jeder der Wandler ist um eine Achse drehbar, welche guer zur zugehörigen Senderachse verläuft. So ist der Wandler 20 beispielsweise um die Achse 34 und der Wandler 21 um die Achse 35 drehbar gelagert. Die Senderachsen der einzelnen Wandler sind gegeneinander winkelversetzt. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt die Winkelversetzung benachbarter Wandler jeweils 90°. Bei den in Fig. 3a dargestellten Stellungen ist die Frontseite 26 des Wandlers 20 nach unten, die Frontseite 31 des Wandlers 21 nach rechts, die Frontseite 32 des Wandlers 22 nach oben und die Frontseite 33 des Wandlers 23 nach links gerichtet.

Alle Wandler werden mit konstanter Geschwindigkeit um ihre durch die gestrichelte Linie 37 bezeichneten Drehachsen gedreht. Der relative Winkelabstand von 90° zwischen den Senderachsen der Wandler bleibt konstant. Daher fallen die Senderachsen, zu diesen gehört die Achse 25, der einzelnen Wandler nacheinander auf die Membran 50. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel haben die Wandler eine Drehzahl entweder von 75 oder von 100 U/min.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Wandler etwa 2 cm von der Membrane 50 entfernt angeordnet, so daß ihr Sichtfeld, z.B. das Sichtfeld 29, die Hautoberfläche 28 entsprechend der Darstellung in Fig. 3a schneidet.

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Wie in Fig. 3b zu sehen ist, wird jeder der Wandler aktiviert, wenn seine Senderachse unter einem Winkel von 30 oder weniger zur Normalen der durch-die Membrane 50 gebildeten Fläche verläuft. Bei dem in Fig. 3b gezeigten Wandler beginnt der Sendevorgang (und der Empfangsvorgang) dann, wenn die Senderachse die mit.25a bezeichnete Lage einnimmt, und endet, wenn die Achse die Achsposition 25 erreicht. Danach gibt es über einen einerDrehung von 30° entsprechenden Zeitraum keine Sendephase. Sodann ist der Wandler 21 über einen Drehbereich von 60° zum Senden und Empfangen aktiviert, gefolgt von einer ebenfalls der Drehung von 30 entsprechenden Sende- und Empfangspause. Diese Sende- und Empfangsfolgen wiederholen sich für die Wandler 22 und 23 und danach wieder für den Wandler 20 usw.

Wie im folgenden noch genauer erläutert werden wird, ist die Winkelposition jedes der Wandler stets bekannt. Die Ultraschallechos, die von jedem der Wandler während dessen Aktivierungsperiode aufgenommen werden, sind elektrisch derart begrenzt, daß beispielsweise der Wandler 20 nur Daten für die Zone A (Fig. 3a) zur Verfügung stellt. In ähnlicher Weise stellt der Wandler 21 nur Daten für die Zone B, der Wandler 22 für die Zone C und der Wandler für die Zone D zur Verfügung. Bei einer Betriebsweise kann die Bedienungsperson durch Drücken einer Steuertaste das Sichtfeld für den Wandler 20 erweitern. Der Wandler

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20 wird über einen größeren Winkelsektor/60 aktiviert. Dies ist besonders dann zweckmäßig, wenn der gekrümmte Abschnitt 39 unter die letzte Rippe gedrückt wird. Bei dieser Betriebsweise befindet sich '.der größte Teil der Membran 50 mit Ausnahme des Abschnitts 39 außer Kontakt mit dem untersuchten Körper. Daher arbeitet der Kopf als Einzelwandlerkopf.

Im folgenden wird auf die Figuren 4 und 5 Bezug genommen.

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Die Wandler sind innerhalb einer Gummikammer 46 angeordnet, in der Hohlräume 60, 61, 62 und 63 zur Aufnahme der Wandler

20, 21, 22 bzw. 23 ausgebildet sind. Die Hohlräume sind durch Schallwände 65 begrenzt, welche zwischen den Wandlern 20 und

21, 21 und 22 und 22 und 23 angeordnet sind. Die Gummikammer 46 besteht aus einem schallabsorbierenden Gummi, der bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine akustische Impedanz hat, die angenähert gleich der Impedanz der die Kammer füllenden Flüssigkeit 68 ist. Auf diese Weise fällt der Ultraschall innerhalb der Kammer besser auf die Schallwände und kann daher gedämpft werden.

Wie in Fig. 8 gezeigt ist, hat jede der Schallwände 65 sägezahnartige Oberflächen, welche ebenfalls zur Dämpfung des Schalls beitragen. Die Innenflächen der Kammer 46 haben ebenfalls zacken- bzw. sägezahnförmige Gestalt, wodurch eine stark schallabsorbierende Kammer entsteht. Der Zweck der Gummikammer 46 und der Schallwände 65 ist die Dämpfung von innerhalb der Kammer reflektiertem Schall, wodurch ein Nachhall stark verringert wird.

Die Kammer 46 ist an einem Metallbauteil 45 angebracht, das der Gummikammer ausreichende Steifigkeit verleiht und außerdem einen Motor 43 und einen mechanischen Kodierer 44 (Fig. 4) haltert. Der Motor · 43 hat ein Treibrad 57, das über einen Treibriemen 71 mit einer Scheibe 58 gekuppelt ist. Wie in Fig. 5 zu sehen ist, sitzt die Scheibe 58 auf einer Welle 72, die mit einer Scheibe 56 und dem Kodierer 44 verbunden ist.

Jeder der Wandler, z.B. der Wandler 21 in den Fig. 5 und 7, ist auf einer Zwei-Sektor-Welle 59 angebracht. Diese Welle erstreckt sich von einer Wand der Kammer 46 durch die entgegengesetzte Wand, wo sie in einer Riemenscheibe und einer "Schleifring-" Anordnung endet. Ein endloser Riemen um-

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schlingt die Scheibe 56 und steht mit den Scheiben 52 und 53 (Fig. 4) in Wirkverbindung. Der Riemen 66 läuft über ein Umlenkrad und steht mit den Riemenscheiben 54 und 55 in Wirkverbindung. Die Riemenscheiben können gezahnt ausgebildet sein und mit einem Zahnriemen zusammenwirken, um sicherzustellen, daß die vier Wandler und der Kodierer ohne Schlupf direkt miteinander gekuppelt werden. Winkelgenauigkeiten von etwa 1/10 eines Winkelgrades werden erreicht. Am Ausgang des Kodierers 44 erscheint ein digitales Signal, das die Lage jedes der Wandler bei einer Genauigkeit von etwa l°/10 angibt.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, ist der Wandler 21 in einem Gehäuse 89 gelagert, das mit den beiden Wellenabschnitten 59 verbunden ist. Ein Anschluß 86 des Wandler ist mit der Welle zur Bildung eines Erdanschlusses verbunden. Der andere Anschluß 85 ist durch die als hohle Welle ausgebildete Welle mit einem Quecksilber-gefüllten Gefäß 78 verbunden. Ein stationärer Kontakt 81 reicht in das Quecksilber. Ein Leiter 83 ist an dem stationären Kontakt 81 angeschlossen und ermöglicht die Herstellung eines elektrischen Kontakts über die Schleifringanordnung zum Anschluß 85. Zu beachten ist, daß auch Drehtransformatoren ader andere Mittel anstelle der im Ausführungsbeispiel gezeigten "Schleifring-" Anordnung verwendet werden können.

Die Welle 59 ist in einem Lager 75 an der Schleifringanordnung drehbar gelagert. Die Flüssigkeit 68 wird im Bereich der Welle 59 durch eine dynamische Dichtung 74 gehalten. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel weist die Welle 59 in dem Bereich 76 spiralförmige Nuten auf, durch die Flüssigkeit zurück in die Kammer gepumpt wird.

Die mit dem zu untersuchenden Körper in Berührung stehende Oberfläche des Kopfs 15 weist eine im wesentlichen starre

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Membran 50 auf. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, steht die Membran 50 in dichter Anlage an den unteren Flächen der Kammer 46 und definiert ein Volumen, in welchem die Flüssigkeit 68 aufgenommen ist. Es ist zu erkennen, daß die Wandler innerhalb der Flüssigkeit rotieren. Wie in Fig. 3a gezeigt ist, kann trotz der halbstarren Ausbildung der Membran 50 ein intimer Kontakt zwischen der Membran und der Haut 28 dadurch ohne weiteres hergestellt werden, daß der Körper und dessen Haut nachgeben.

Die Ausbildung der Membran als relativ dicke (z.B. 0,102 mm) halbstarre Membran hat eine Reihe von Vorteilen. Bekannte Ausführungen wiesen von derartigen Membranen zu Gunsten sehr dünner Membranen (z.B. 0,0254 mm) aus akustischen Überlegungen fort, die im Zusammenhang mit Fig. 9 noch genauer erläutert werden. Die dickeren Membranen sind leichter abzudichten und bereiten hinsichtlich der Schaffung eines definierten und dauerhaften KammerVolumens zur Aufnahme der Flüssigkeit geringere Probleme. Diese Membranen sind natürlich beständiger und vermindern die Gefahr einer Beschädigung beim Gebrauch.

Ein anderer Vorteil von halbstarren oder steifen Membranen liegt darin, daß der Winkel zwischen der Membran und dem Wandlerrahmen konstant bleibt. Daher ist der Einfallwinkel der Schallwellen auf die Membran stehts vorgegeben (sofern die Lage des Wandlers bekannt ist). Zu beachten ist, daß ähnlich günstige Bedingungen bei Einbau des Wandlers in einem wassergefüllten Sack, der sich der Körperform anpaßt, nicht gegeben sind. Da der Einfallwinkel bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel stets bekannt ist, kann eine Kombensation von Brechungserscheinungen bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehen werden. Eine Nachschlagetabelle in der Form eines Festwertspeichers ergibt die Umrechnung zwischen dem scheinbaren Echowinkel und

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dessen Istwert. Diese Korrektur ist ersichtlich größer, wenn sich die Senderachse unter einem Winkel von 30 gegenüber der Normalen befindet und nimmt auf Null ab, wenn die Senderachse senkrecht zur Membran, also der Normalen verläuft.

Die Gleichung für den übertragungskoeffizienten bei einer vorgegebenen Frequenz f für die Übertragung durch die Membran 50 kann wie folgt geschrieben werden:

4Z_ßZ_L

OO ²R²T OO

(Z_D + Z_T) ^COs Tel + (Z„ + ~£-±f~)'ⁱ sin Tel

DL· JYl Δ..

wobei Z_D die akustische Impedanz des Körpers, Z_T die akustische Impedanz die Flüssigkeit, Z die akustische Impedanz der Membran, k = 27ff/V und 1 = die Dicke der Membran bedeuten (V = Schallgeschwindigkeit in der Membran). Eine Darstellung von 1 - o£, (Reflexionskoeffizientjüber der Frequenz führt zu der Kurve 91 in Fig. 9. Aus der Betrachtung dieser Kurve und der obengenannten Gleichung ist erkennbar, daß die niedrigere Reflexion auftritt,, wenn die Dicke der Membran gleich η /2 (kl = η ) ist. Die Kurve 91 verdeutlicht jedoch, daß die Reflexionseigenschaften außerhalb der Mittenfrequenzen (z.B. f., f^ usw.) sehr schlecht sind· Da der Wandler ein Frequenzband hervor- , ruft, werden viele dieser Frequenzen nicht durch die Membran übertragen, sondern in die Kammer zurückgeworfen. Zu beachten sind die scharfen Kennlinien bzw. Charakteristiken der Kurve 91 für Frequenzen oberhalb und unterhalb der Mittenfrequenzen. Aus diesem Grunde wurde generell angenommen, daß eine sehr dünne Membran die niedrigsten Reflexionscharakteristiken bzw. -eigenschaften hat. Diese Charakteristiken sind durch die Kurve 93 dargestellt, welche

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beispielsweise eine dünne (z.B. 0,0254 mm), flexible Membran darstellen könnte.

Aus der Durchführung einer Breitbandanalyse der obigen Gleichung und aus der Betrachtung verschiedener Membranmaterialien wurde geschlossen, daß ein dicke Membran durch geeignete Anpassung von Z_M und Z^. im Betrieb besonders vorteilhaft ist. Die Reflexionseigenschaften für die gewählten Kombinationen sind allgemein durch die Kurve 92 dargestellt. Die Übertragung ist ersichtlich einheitlicher über ein breites Band. Der durchschnittliche Reflexionskoeffizient ist für diese Kombination niedriger als beispielsweise bei der Kurve 91.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde als Membranmaterial Polyäthylen, insbesondere ein Polyäthylen niedriger Dichte ausgewählt.Die Dicke des Materials entspricht einer halben Wellenlänge oder einer ganzen Wellenlänge der Mittenfrequenz des Wandlers. Bei einem Ausführungsbeispiel hatte die Membran eine Dicke von 0,102 mm und war daher im wesentlichen steif bzw. starr. Das Z für Polyäthylen dieser niedrigen Dichte liegt im Bereich von etwa., 1,8 bis 2,0. Es wurde festgestellt, daß die akustische Impedanz der Flüssigkeit 68 vorteilhafterweise etwa gleich derjenigen der Membran sein sollte. Eine Emulsion und eine Mischung, wie sie nachfolgend angegeben sind, haben sich als in diesem Sinne geeignet erwiesen.

Eine Mischung von 48 Vol.% eines Derivats von Polyäthylenoxyd und Propylenoxyd, 19 Vol.% Glycerin und 28 Vol.% Wasser plus 5 Vol.% eines Anti-Schäummittels (SURFONIC N - 95) ergibt die gewünschte akustische Impedanz von etwa 1,7 bis 1,8. Auch diese Mischung ruft eine ausreichende Dämpfung hervor, um den Nachhall bei 2,25 MHz zu verringern. Bei 3,5 MHz wird eine Mischung aus 40 Vol.% eines Derivats aus

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Polyäthylenoxyd und Propylenoxyd, 19 Vol.% Glycerin, 36 Vol.% Wasser und 5 Vol.% SURFONIC (N-95) verwendet. Die zuletzt genannte Mischung hat im wesentlichen die gleiche Impedanz, ruft jedoch die richtige Dämpfung bei dieser höheren Frequenz hervor.

Eine Emulsion aus 33 % Wasser, 33 % Glycerin und 33 % Castoröl mit einem "Tweening"-Mittel bringt, wie gefunden wurde, ebenfalls die erforderlichen Eigenschaften bezüglich der akustischen Impedanz und Dämpfung.

Durch Verwendung der dicken Polyäthylenmembran in Verbindung mit einer Flüssigkeit, deren akustische Impedanz angenähert gleich derjenigen der Membran ist, wird die Übertragung der Ultraschallwellen in den Körper optimiert. Wegen dieser günstigen Übertragungseigenschäften, der Dämpfung des Ultraschalls durch die Flüssigkeit und der schallschluckenden Eigenschaften der Kammer stellt der Nachhall kein Problem mehr dar. Aus diesem Grunde brauchen die Wandler auch nicht soweit entfernt vom Körper wie bei bekannten Köpfen angeordnet zu werden. (Die Mehrzahl von Wandler, im beschriebenen Ausführungsbeispiel 4, ergeben das vergrößerte Sichtfeld).

Die Signale aus den vier Wandlern können in bekannter Weise für die Anzeige auf einer Kathodenstrahlröhre oder für die Aufzeichnung verarbeitet werden. In Fig. 10 ist eine Verarbeitungsanordnung, wie sie bei dem Kopf 15 verwendet wird, in Form eines Blockdiagramms gezeigt.

Die vier Wandler 20, 21, 22 und 23 sind auch in Fig. 10 gezeigt. Ein Anschluß jedes Wandlers ist mit einem Multiplexer 95 verbunden. Der andere Anschluß jedes Wandlers liegt an Erde. Der Multiplexer 95 ermöglicht die aufeinanderfolgende Kopplung des Senders 97 und des Empfängers

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98 mit jedem der vier Wandler, wenn diese in der oben beschriebenen Weise aktiviert werden. Der Sender 97 gibt Ultraschallimpulse von 2,25 oder 3,5 MHz ab. Diese Impulse liegen typischer Weise bei 300 Volt und werden direkt an die Wandler angelegt, welche eine Nennimpedanz von etwa 50 Ohm haben. Die von den Wandlern aufgenommenen Echos werden über die Leitungen 101 zum Empfänger 98 geleitet. Diese Echos schwanken typischer Weise im Bereich zwischen 100 mV und 10 yum V. Der Empfänger 98 enthält auch eine Zeit-Verstärkungs-Steuerung, welche die Verstärkung des Empfängers ändert, um in üblicherweise eine zusätzliche Verstärkung für die später empfangenen Echos zu schaffen.

Der Motor 43 und der Kodierer 44 sind, wie durch die gestrichelte Linie 37 angedeutet ist, mit den Wandlern gekoppelt und treiben letztere mit einer konstanten Umlaufgeschwindigkeit. Der Kodierer 44, der die Positionsinformation für die Wandler liefert, ist mit einem Abtastformatregler 100 gekoppelt.

Das Ausgangssignal des Empfängers 98 wird durch ein Tiefpaßfilter 102 an einen Analog/Digital-Konverter 103 angelegt. Im Konverter 103 werden die Signale abgetastet und in 8-Bit-Digitalwörter bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel umgesetzt. Jedes dieser Wörter wird an einen Eingabeprozessor 106 angelegt. In dem Exngabeprozessor werden mehrere bekannte Punktionen, einschließlich der Datenbewertung, Filterung, Öffnungskorrektur und der logarithmischen Kompression ausgeführt. Am Ausgang des Prozessors 106 erscheinen 6-Bit-WÖrter, welche zu einem Speicher 108 mit wahlfreiem Zugriff, der als "Bildspeicher¹¹ bezeichnet ist, übertragen. Dieser Speicher ist bei dem beschrieben Ausfuhr ungsbei spiel ein 512 χ 512 χ 6-Speicher und liefert

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6-Bit-Bildelemente zum Anzeigen der Bilder. Der Ausgang des Speichers ist mit einem Ausgabedatenprozessor 120 gekoppelt, der eine Grauskalenkorrektur durchführt. Der Prozessor 120 ist mit einem Digital/Analog-Konverter 121 gekoppelt, in welchem die digitalen Eingangssignale in geeignete Videosignale für eine Anzeige 123 oder für einen Kameramonitor 124 umgesetzt werden.

Der Abtastformatregler 100 steuert den Sender 97 und den Empfänger 98. Wie erwähnt, kennt der Regler die Position der Wandler aufgrund der vom Kodierer 44 zugeführten Signale. Der Regler zieht in Verbindung mit einer Schreibadressensteuerung 110 Vektoren in digitale Räume, welche den von den Wandlern gezeichneten Bildern entsprechen. Diese Vektoren liefern die Adressen für den Bildspeicherregler 111. Wenn sich die Wandler drehen und die Signale aufnehmen, welche zur Speicherung im Speicher 108 verarbeitet werden, werden gleichzeitig Adressen erzeugt, um die aufgenommenen Signale an den geeigneten Plätzen im Speicher abzuspeichern. Der Schrexbadressenregler 100 liefert die weiter oben erwähnte Brechungskorrektur.

Bei dem beschriebenen Aüsführungsbeispiel enthält der Digitalrechner 113 einen LSI-Il-2 Mikroprozessor, einen 4K RAM und einen 8KSteuerspeicher (ROM). Der Rechner

113 steht über eine Zweirichtungs-Datensammelleitung

114 mit verschiedenen Systemeinheiten, z.B. den Reglern 100 und 111, der Schreibadressensteuerung 110, dem Schalttafelfeld 116 und einem Plattenaufzeichner_118 in Verbindung. Der Rechner 113 dient zur Ausführung einer Vielzahl von organisatorischen Operationen und arithmetischer Funktionen, einschließlich der Mittelwerterfassung von im Speicher 108 gespeicherten Daten zur Ermöglichung einer gemeinsamen Abtastung.

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Claims

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER ■ D 4300 ESSEN 1 · AM RUHRSTEIN 1 · TEL.: »0201) 412687 Seite _ ι _ P 963 DIASONICS, INC. A η s ρ r ü ch e

1. Bildgewinnungsvorrichtung für ein Ultrascha11-Abbil— dungssystem, das ein eine Kammer begrenzendes Gehäuse mit einer Körper-Kontaktmembran und eine Ultraschall sendende und empfangende Wandleranordnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandleranordnung aus mehreren in der Kammer (46) um jeweils eine Drehachse drehbaren Wandlern (20, 21, 22, 23) besteht, daß die Wandler jeweils derart am Gehäuse (45, 46) gelagert sind, daß ihre Drehachse quer zur Senderachse des zugehörigen Wandlers verläuft, daß ein Drehantrieb (43* 66, 52, 53, 54, 55) vorgesehen ist, der die Wandler (20 ... 23) um die ihnen jeweils zugeordneten Drehachsen antreibt, wobei die Senderachsen die Kontaktmembran (50) kreuzen, und daß die die Wandler (20 23) aufnehmende Kammer (46) mit Flüssigkeit (68) gefüllt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (43) so ausgebildet ist, daß die von ihm getriebenen Wandler (20 ... 23) mit konstanter Drehzahl umlaufen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß die Senderachsen der Wandler (20 ... 23) voneinander um einen festen, vorgegebenen Winkel versetzt angeordnet sind. -L

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Membran (50) angenähert

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gleich λ. ist, wobei λ. die Wellenlänge des vom Wandler gesendeten Ultraschalls in der Membran ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Membran angenähert gleich λ/2 ist, wobei λ. die Wellenlänge des vom Wandler (21) gesendeten Ultraschalls in der Membran (50) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (50) im wesentlichen steif" bzw. starr ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (50) aus einem Polyäthylenmaterial besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (65) der Kammer (46) aus einem Ultrascha11-absorbierenden Material bestehen.

9. Vorrichtung nach Anspnch 8, dadurch gekennzeiclvnet, daß die Kammer 46 zwischen den Wandlern (20, 21; 21, 22; 22, 23) angeordnete Schallwände (65) aufweist.

10. Bildgewinnungsvorrichtung für ein Ultraschall-Abbildungssystem mit wenigstens einem Wandler, der gegenüber dem untersuchenden Körper Abstand hat und in einer Gehäusekammer aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wandler (20 ... 23) aufnehmende Gehäusekammer (46) mit einer Flüssigkeit (68) gefüllt und mit einer Halbstarren, eine Grenzfläche.zwischen dem Körper und der Kammer (46) bildenden Membran (50) versehen ist, in der ein vom Wandler abgestrahlten Ultraschall durchlassendes Fenster ausgebildet ist, und die akustische

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Impedanz der in der Kammer (46) aufgenommenen Flüssigkeit (68) angenähert gleich der akustischen Impedanz der Membran (50) ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Membran angenähert gleich A/2 ist, wobei λ die Wellenlänge des Ultraschalls in der Membran ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ^Membran angenähert gleich A-ist, wobei λ. die Wellenlänge des Schalls in der Membran ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (50) Polyäthylea enthält.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (68) eine Mischung aus einem Propylenoxyd und Äthylenoxydderivat und Glycerin enthält.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit eine Emulsion aus Wasser, Glycerin und Castoröl enthält.

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