DE3015837A1

DE3015837A1 - Ultraschall-abbildungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3015837A1
Application number: DE19803015837
Authority: DE
Inventors: Francis Stuart Foster
Original assignee: Ontario Cancer Institute
Current assignee: Ontario Cancer Institute
Priority date: 1979-04-26
Filing date: 1980-04-24
Publication date: 1980-11-06
Also published as: CA1137210A; EP0018771A1; US4339952A; JPS55143143A

Description

Die Erfindung betrifft ein Ültraschall-Abbildungssystem.

Ultraschall-Abbildungssysteme sind für medizinische Anwendungen attraktiv, da sie es gestatten, innere Körperstrukturen ohne Verwendung schädlicher Strahlungsformen abzubilden. Es wurden bereits zahlreiche Vorschläge für solche Systeme gemacht, und derzeit sind viele solche Systeme in Gebrauch. Obwohl die Systeme in den Einzelheiten stark unterschiedlich sind, wird bei den meisten bekannten Systemen im wesentlichen ein Ultraschallwandler oder eine Anordnung mit mehreren Wandlern verwendet, um Ultraschallimpulse in eine abzubildende Struktur einzustrahlen und Reflexionen dieser Impulse zu empfangen. Die abgestrahlten Impulse werden mittels mechanischer und/oder elektronischer Einrichtungen in einem geeigneten Abtastmuster durch die abzubildende Struktur gerichtet.

Ein wesentliches Problem bei solchen Systemen besteht darin, daß die Auflösung in seitlichen Richtungen mangelhaft ist. Eine Verbesserung kann dadurch erreicht werden, daß Wandler mit großem Öffnungswinkel verwendet werden, die elektronisch oder akustisch fokussiert werden. Diese Verbesserung geht jedoch auf Kosten der Feldtiefe, die sehr gering ist. Infolgedessen werden sehr komplizierte und aufwendige Einrichtungen benqtigt, um den Fokus während einer Abtastung zu halten. Die Benutzung solcher Einrichtungen ist mit der Tendenz verbunden, die Abtastrate zu begrenzen und somit die zur Erzeugung eines Bildes benötigte Zeit zu vergrößern. Selbst mit solchen Einrichtungen ist die Auflösung oft unzulänglich, um zuverlässig kleine Anomalien in der abzubildenden Struktur nachzuweisen.

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Ausgezeichnete seitliche Auflösung kann über eine beträchtliche Feldtiefe hinweg erreicht werden, wenn man getrennte Wandler zum Senden und Empfangen von zur Abbildung einer Struktur verwendeten Ultraschallimpulsen benutzt, wobei ein Wandler ein tatsächlicher oder simulierter zylindrischer oder teilzylindrischer Wandler mit einem Linienfokus ist und der andere längs dem Linienfokus des ersten Wandlers ausgerichtet ist. Die Fokuslinie wird relativ zur abgebildeten Struktur bewegt, um ihre gewünschte Abtastung zu erzielen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine Teilschnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zur Brust-Abtastung mit dem zugehörigen Blockdiagramm,

Fig. 2A und Fig. 3A schematische Ansichten, die erläutern, wie die Vorrichtung der Fig. 1 auf zwei verschiedene Weisen zur Abtastung einer Brust verwendet werden kann,

Fig. 2B und 3B schematische Beispiele für die Bildaufzeichnung, wie man sie auf die zwei Weisen erhält, und

Fig. 4 die schematische Ansicht einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung, bei der eine elektronische Abtastung in einer vertikalen Ebene stattfindet.

Fig. 1 zeigt eine Aluminiumwanne 2, auf deren Oberfläche mittels eines Epoxydharzes eine dünne Platte bzw. ein Blatt aus einem piezoelektrischen Kunststoffmaterial

aufgeklebt ist. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich dabei um ein 30 um dickes Blatt aus Polyvinylidenfluorid, wel-

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ches von· der Firma Kreha Corp. von New York, N.Y., USA, bezogen werden kann. Die Aluminiumwanne 2 wirkt als rückwärtige Elektrode, während die obere Fläche des Kunststoffs 4 mit Metall überzogen ist, um eine vordere Elektrode des durch die Wanne gebildeten teilzylindrischen Wandlers zu bilden. Ein solcher Wandler besitzt Eigenschaften, aufgrund deren er für den Einsatz im Bereich zwischen 1 und 10 MHz gut geeignet ist, in dem gewöhnlich bei der Ultraschall-Abbildung für medizinische Zwecke gearbeitet wird. Die Wandler-Wanne 2 besitzt einen Radius von 14,0 cm, ist 20 cm lang und erstreckt sich über einen Winkelbereich von 120°.

Ein an einem Ende der Wanne angebrachter Ständer 8 trägt einen zweiten Wandler 10. Dieser kann ein herkömmlicher Scheiben-Wandler sein, welcher bei der gewünschten Betriebsfrequenz arbeiten kann. Er braucht nicht stark gerichtet zu sein, obwohl er mit der Achse der Wanne 2 ausgerichtet sein sollte, die auch den Fokus· des durch das Blatt 4 gebildeten Wandlers darstellt. Der Wandler 10 ist mit einem Empfänger 12 verbunden, während der durch ein Blatt 4 gebildete Wandler mit torgesteuerten Hochfrequenzimpulsen aus einer Sendereinheit 14 gespeist wird, die ein Speisepotential von 10 - 2OO V_ee bei gewöhnlich 3-5 MHz erzeugt.

Die Wanne 2 ist auf einem Gehäuse 16 angebracht, das durch eine fluiddichte Lageranordnung 18 auf einem inneren Gehäuse 20 gestützt wird. Dieses Gehäuse 20 enthält einen Schrittmotor 22 und ein Sinus-Kosinus-Potentiometer 24. Der Motor dient dazu, die Wanne 2 um .die Achse 26 zu drehen, während das Potentiometer 24 seine Winkelposition meldet.

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Das innere Gehäuse 20 wird von einer Bühne 28 getragen. Diese kann seitlich in einem Rahmen 30 mittels einer Triebschraube 32 bewegt werden, welche durch einen weiteren Schrittmotor 3 4 gedreht werden kann. Weitere hydraulische oder mit Schrauben betriebene Einrichtungen (nicht gezeigt) können vorgesehen sein, um den Rahmen 30 körperlich innerhalb eines Wasserbehälters (nicht gezeigt) zu heben oder zu senken. Die Anordnung ist in diesem Wasserbehälter so tief eingetaucht, daß der Wasserspiegel 36 oberhalb des Wandlers 10 liegt. Das Wasser bildet ein Ultraschall-Koppelmedium zwischen den Wandlern 4 und 10 und der Brust eines Patienten, die abgebildet werden soll. Eine dünne plastische Membran kann vorgesehen sein, um den Patienten vor direktem Kontakt mit dem Wasser zu schützen. Selbstverständlich ist auch eine geeignete haltgebende Liege vorgesehen, die es dem Patienten ermöglicht, eine geeignete Position relativ zur Vorrichtung entsprechend der bekannten Praxis bei Ultraschall-Brustabbildungssystemen einzunehmen.

Die Vorrichtung kann auf zwei verschiedene Abtastweisen betrieben werden. Bei der ersten, die in den Fig. 2A und 2B gezeigt wird, dient der Motor 22 dazu, die Wanne 2 und damit auch die Fokuslinie 38 des Wandlers 4 um die Achse 26 zu drehen, so daß die Linie 38 eine in Untersuchung befindliche Brust 40 diametral in aufeinanderfolgenden Lagen 42 mit zunehmendem Winkel schneidet, wenn die Wanne

wie Fig. 2b zeigt.

durch den Motor 22 schrittweise bewegt wird / Bei der zweiten Abtastweise schneidet die die Fokuslinie die Brust 40 in aufeinanderfolgenden Lagen 44, die durch den Motor 34 seitlich verschoben sind und in einer gemeinsamen Ebene liegen, wie Fig. 3B zeigt. Eine Steuerung der Abtastweise 46 bestimmt, ob Motor 22 oder 34 durch einen Motorimpulsgeber 48 schrittweise bewegt wird. Der Motorimpulsgeber

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führt aucfh einem Digital/Analog-Wandler 50 Impulse zu, dessen Ausgangssignal in eine Zeitbasis-Einheit 52 mit X- und Y-Sägezahngeneratoren eingespeist wird. Die Zeitbasis-Einheit erhält auch ein Eingangssignal von einer. Seitgeber-Einheit 54, der der Sendereinheit 14 Torsteuerungsimpulse zuführt. Wenn die Vorrichtung auf die zweite Abtastweise arbeitet, wird das Ausgangssignal aus dem D/A-Wandler 50 durch die Zeitbasis-Einheit 52 verarbeitet, um ein X-Signal zu liefern, welches der seitlichen Verschiebung der Bühne 28 proportional ist. Das Eingangssignal aus der Zeitgeber-Einheit wird verwendet, um ein Signal mit Sägeζahnwellenform zu erzeugen, welches eine Y-Abtastung mit der Wiederholrate der der Sendereinheit zugeführten Impulse erzeugt. Dies erfolgt jedoch verzögert, so daß die Abtastung mit der Aufnahme von Signalen durch die Empfängereinheit 12 zusammenfällt, welche vom Wandler 4 kommen, durch eine abzubildende Brust gestreut wurden und vom Wandler 10 aufgenommen wurden. Die Signale aus der

Empfängereinheit 12 werden in einer Signalverarbeitungsbekannte

einheit 56 verarbeitet, der/Rauschverminderungs- und Signalverstärkungstechniken angewandt werden. Die verarbeiteten Signale werden einer Anzeige- und Speichereinheit, beispielsweise einem Speicheroszilloskop ., zugeführt, in welchem der Strahl durch das aufgenommene Signal Z-moduliert und auf den X- und Y-Achsen abgelenkt wird, um ein Bild von der in Fig. 3B gezeigten Art zu liefern.

Bei der ersten Abtastweise ist die Arbeitsweise ähnlich mit der Ausnahme, daß die Zeitbasis-Eingangssignale aus dem Sinus-Kosinus-Potentiometer 24 und der Zeitgebereinheit 54 kombiniert werden, um X- und Y-Ausgangssignale zu liefern, die eine vektorskopartige Anzeige ähnlich der in Fig. 2B gezeigten ergeben.

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Bei Betrieb führt die Zeitgebereinheit 54 mit Torsteuerung kurze elektrische Hochfrequenzimpulse aus der Sendereinheit 14 dem Wandler 4 zu, in welchem eine Umwandlung in eine zylindrische Ultraschall-Wellenfront stattfindet, die zu einem scharfen Fokus auf der Linie 38 konvergiert. Die Streuung des Ultraschallimpulses findet in der abgebildeten Brust statt, wobei der Grad der Streuung von der Art des Gewebes abhängt, welches die Streuung bewirkt. Streuung tritt größtenteils längs der Fokuslinie auf, und mit der Fokuslinie ausgerichtete Komponenten werden vom. Wandler 10 nach einer Zeitverzögerung aufgenommen, welche von der Entfernung abhängt, welche die gestreute Schallenergie zurückgelegt hat. Da die Ultraschallintensität auf der Linie 38 relativ zu jedem anderen Ort innerhalb des Aufnahmebereiches des Wandlers 10 sehr hoch ist, stellen die vom Wandler aufgenommenen Signale aufeinanderfolgende Lotungen längs der Fokuslinie dar, während diese durch eine das untersuchte Gewebe schneidende Ebene abgetastet wird. Die Auflösung und Tiefe des erhaltenen Feldes sind wesentlich besser, als man sie mit herkömmlichen Techniken bei gleichen Frequenzen und Abbildungsraten erhält. Es wird gewöhnlich mit einer Ultraschall-Impulslänge von einer Mikrosekunde bei einer Frequenz von 3 MHz und einer Impulswiederholungsrate von 1 kHz gearbeitet.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wird die Abtastung auf lediglich mechanischem Wege erreicht. Jedoch kann man eine elektronische Abtastung erreichen, indem man einen

tatsächlich zylindrischen Wandler oder einen simulierten zylindrischen Wandler mit einer elektronisch variablen Fokuslinie zusammen mit einem zweiten genügend ausgedehnten Wandler oder Wandlersatz zur Aufnahme von längs der Fokuslinie über ihren Bewegungsbereich gestreuter Ultraschallenergie verwendet.

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Dies ist-in Fig. 4 veranschaulicht, in welcher der Film von Fig. 1 durch eine Reihe von η parallelen Filmstreifen 4A ersetzt ist. Der Wandler 10 ist durch eine Reihe von· mit der Empfängereinheit 12 verbundenen Wandlern 1OA ersetzt, wobei in der Empfängereinheit vorzugsweise einige Einrichtungen vorgesehen sind, um Ausgangssignale von Wandlern 1OA auszuschließen, die bei irgendeinem besonderen Abtaststadium nicht mit dem Fokus 38 in einer Linie sind. Die Fokuslinie 38 des zylindrischen Wandlers kann auf bekannte Weise variiert werden, wie es bei 38A, B und C gezeigt ist, in_dem die Streifen 4A unabhängig voneinander gepulst werden. %Ibn einer Ansteuereinheit 60 stammende Triggerimpulse werden durch eine Reihe von nelektronisch variablen Verzögerungsleitungen zugeführt, die auf geeignete Weise mittels Eimer-Ketten-Ladungsgekoppelten Einrichtungen ausgeführt sind, und diese Triggerimpulse

die

werden dazu verwendet,/n die einzelnen Streifen 4A ansteuernden Impulsgeber 64 zur Erzeugung von ültraschallimpulsen anzusteuern. Indem man die Zeitverzögerung bei den äußeren Streifen relativ zu der der inneren Streifen vergrößert oder verringert, kann die Position der Fokuslinie variiert werden. Durch fortschreitendes Variieren der Fokuslinie bei fortgesetztem Pulsen der Streifen kann man eine Abtastung erreichen. Man kann das zur Steuerung der Verzögerungsleitungen verwendete Signal auch dazu verwenden,

eine
um das Y-Signal für .-./ Anzeige 66 zu liefern, wobei das X-Signal von den Triggerimpulsen aus der Ansteuereinheit 60 her kommt. Diese elektronische Abtastung in einer Ebene kann mit einer mechanischen Abtastung in einer dazu senkrechten Ebene kombiniert werden, um eine dreidimensionale Abbildung einer zu untersuchenden Gewebestruktur zu liefern.

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Die Verzögerungsleitungen 62 dienen dazu, die kombinierten elektrischen und akustischen Verzögerungen auszugleichen, die zwischen der Erzeugung der Impulse durch die Ansteuereinheit 60 und der Ankunft der Ultraschallimpulse an der gewünschten Fokuslinie 38 auftreten. Eine ähnliche Verzögerungsleitungsanordnung kann zwischen den Streifen 4A und der Empfängereinheit 12 verwendet werden, wenn der zylindrische Wandler zur Aufnahme von gestreuten Ultraschallsignalen von den von den Wandlern 1OA gesendeten Impulsen verwendet wird.

Die Funktionen des zylindrischen Wandlers und des mit der Fokuslinie des zylindrischen Wandlers ausgerichteten Wandlers können vertauscht werden, so daß letzterer der sendende Wandler und ersterer der empfangende Wandler wird. Die gewählte Arbeitsweise wird weitgehend von der geschickten Anordnung im Entwurf und in der elektrischen Anpassung bestimmt.

Der zylindrische Wandler selbst kann in weitem Rahmen konstruktiv verändert werden. So könnten die Streifen 4A in der Ausführungsform von Fig. 4 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein, wobei die Fokussierung völlig durch die beschriebene elektronische Einrichtung erreicht wird. Die Fokussierung des Ausgangssignals eines ebenen Wandlers oder einer Wandlergruppe kann auch mittels einer akustischen -Linse bewerkstelligt werden, um einen zylindrischen Wandler zu simulieren.

Während sich der zylindrische Wandler um einen effektiven Winkel von etwa 120 bezüglich des Fokus in den beschriebenen Ausführungen erstreckte, kann man diesen Winkel selbstverständlich variieren. Setzt man ihn jedoch wesentlich unter 120° herab, so verschlechtert sich auch die Qualität des gewonnenen Bildes wesentlich. Eine Vergrößerung dieses Winkels führt weiter zu einer relativ gering-

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fügigen Verbesserung der Bildschärfe, während es schwieriger wird, eine abzubildende Struktur relativ zu den Wandlern geeignet zu positionieren.

Der in den Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendete piezoelektrische Kunststoffilm weist besonders günstige Eigenschaften für die Anwendung auf- Es besteht jedoch kein Grund, nicht auch andere Ultraschallwandler-Materialien zu verwenden, die in einen funktionellen tatsächlichen oder simulierten zylindrischen Wandler eingesetzt werden 'können.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele weisen einen Wandler 10 oder 1OA an nur einem Ende der Fokuslinie 38 auf. In einigen Fällen kann man verbesserte Ergebnisse erhalten, indem man Wandler an beiden Enden der Fokuslinie 38 vorsieht und die erhaltenen Signale geeignet in der Endanzeige kombiniert.

Für die Erfindung wesentlich ist die verwendete Anordnung der Wandler. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, was die verwendeten Einrichtungen zur Abtastung der Fokuslinie des zylindrischen Wandlers durch die abzubildende Struktur und den Aufbau eines Bilds aus den empfangenen Signalen anbelangt.

Man erhält ein Ultraschallbild mit verbesserter Auflösung, indem man getrennte Wandler zum Senden und Empfangen von zur Abbildung benutzten Ultraschallimpulsen verwendet. Hierbei ist ein Wandler tatsächlich oder simuliert zylindrisch mit einer Fokuslinie, und der andere Wandler ist längs des Fokus des ersten Wandlers ausgerichtet. Eine abzubildende Fläche kann abgetastet werden, indem man die Wandler als Einheit dreht oder verschiebt.

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Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Abbildungsvorrichtung mit einer Wandlereinrichtung zum Senden von Ultraschallimpulsen in einen Teil einer abzubildenden Struktur, zum Empfang von an diesem Strukturteil gestreuten Ultraschallsignalen und zur Erzeugung von diesen entsprechenden Signalen, mit einer Einrichtung zum Speisen der Wandlereinrichtung zum Senden der Impulse, einer Abtasteinrichtung, die dazu dient, fortschreitend eine Beziehung zwischen der Wandlereinrichtung und aufeinanderfolgendenTeilender Struktur entsprechend einem Abtastmuster herzustellen, und Empfänger- und Signalverarbeitungseinrichtungen zum Zusammensetzen eines Bilds aus den erzeugten Signalen, dadurch gekennzeichnet , daß die Wandlereinrichtung getrennte Wandler zum Senden und Empfangen besitzt, daß einer der Wandler ein tatsächlicher oder simulierter zvlinderischer Wandler mit einem Linienfokus ist, daß

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der andere . Wandler mit dem Linienfokus ausgerichtet ist und daß die Abtasteinrichtung bewirkt, daß sich der Linienfokus relativ zu einer abzubildenden Struktur entsprechend dem Abtastmuster bewegt.

2. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der zylindrische Wandler der sendende Wandler ist.

3. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der zylindrische Wandler auf einem wannenförmigen Träger angebracht ist und daß der andere Wandler mit der Zylinderachse des zylindrischen Wandlers ausgerichtet von der Wanne getragen wird, um die Wandleranordnung zu bilden.

4. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der zylindrische Wandler durch ein Blatt bzw. eine dünne Platte aus einem piezoelektrischen

Kunststoffilm gebildet wird.

5. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Abtasteinrichtung eine Vorrichtung

zur körperlichen Verschiebung der Uandleranordung enthält, um den Fokus des zylindrischen Wandlers in einer Ebene zu bewegen, die eine abzubildende Struktur schneidet.

6. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Abtasteinrichtung eine Vorrichtung zur körperlichen Drehung der Wandleranordnung enthält, um den Fokus des zylindrischen Wandlers in einer Ebene zu bewegen, die eine abzubildende Struktur schneidet.

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7. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch

gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung körperlichen
zur/Verschiebung der Wandleranordnung in einer Richtung senkrecht zu der Ebene enthält, die eine abzubildende Struktur schneidet, was es ermöglicht, aufeinanderfolgende Schichten abzubilden.

8. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine dem zylindrischen Wandler zugeordnete Fokussierungseinrichtung enthält, um die Position der Fokuslinie auf elektronischem Wege in einem Bereich von Lagen zu verändern, und daß der andere Wandler der Wandleranordnung so angeordnet ist, daß er im gesamten Positionsbereich mit der Fokuslinie ausgerichtet ist.

9. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e·.-kennzeichnet , daß die Fokussierungseinrichtung durch die Abtasteinrichtung gesteuert ist, so daß sich die Position der Fokuslinie entsprechend dem Abtastmuster bewegt.

10. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Wandler aus einer Vielzahl von sich parallel zu der Fokuslinie erstreckenden Elementen besteht, und daß jedes Element einer auf elektronischem Wege variablen Verzögerungseinrichtung zugeordnet ist, die eingesetzt werden kann, um die kombinierten Verzögerungen beim elektrischen und akustischen Senden bzw. Empfangen zwischen der Speise- oder Signalverarbeitungseinrichtung und der gewünschten Fokuslinie auszugleichen.

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