DE3035675A1

DE3035675A1 - Vorrichtung fuer echographische untersuchung

Info

Publication number: DE3035675A1
Application number: DE19803035675
Authority: DE
Inventors: Roger Paris Coursant
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1979-09-26
Filing date: 1980-09-22
Publication date: 1981-06-04
Also published as: FR2466164A1; GB2059716B; FR2466164B1; GB2059716A; JPS5657972A

Description

S.V. Philip Olöeiliimpenicliriöi-ön, Eindhoven _

gUJob /5

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Vorrichtung für echographische Untersuchung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für echographische Untersuchung mit einem Ultraschallwandler, der aus einem elektrostriktiven Werkstoff mit nicht remanenter Polarisation gebildet ist.

Bekanntlich ist bei der gesteuerten Aussendung einer Ultraschallsignalfolge, das seitliche Auflösungsvermögen von Ultraschallechographie-Untersuchungsgeräten durch sekundäre Keulen begrenzt, die im allgemeinen nahezu symmetrisch sind und die Hauptkeulen umgeben. Diese Sekundärkeulen haben zur Folge, daß im endgültigen echographischen Bild mehrfacher Empfang von Echosignalen festgestellt wird, deren Richtung nicht der wirklichen Richtung des Objektes entspricht, das von der Nutzhauptkeule detektiert wird. Im echographischen Bild tritt die Detektierung des Objektes also in einem außergewöhnlich breiten Fleck auf, was die begrenzten Möglichkeiten der erwähnten Geräte hinsichtlich des Auflösungsvermögens erklärt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die es ermöglicht, das seitliche Auflösungsvermögen stark zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gelöst, daß der Wandler die Form einer runden Scheibe hat, deren Durchmesser gegen den Krümmungsradius klein ist, während ihre Dicke gleich einer geraden Anzahl eines Viertels der der Frequenz der auszusendenden Ultraschallsignale entsprechenden Wellenlänge ist, wobei eine Hauptfläche der Scheibe vollständig metallisiert und mit einer elektrischen

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Sende/Empfangsschaltung für die Ultraschallsignale verbunden ist, während die andere Hauptfläche der Scheibe in Form einer Reihe konzentrischer ringförmiger Elektroden metallisiert ist, die voneinander durch nicht leitende ringförmige Zonen isoliert sind und die mit entsprechenden Polarisationsschaltungen verbunden sind, die regelbare Spannungen zum Einstellen der Empfindlichkeit der mit der entsprechenden Elektrode zusammenarbeitenden Zone des Wandlers erzeugen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein elektrostriktiver Werkstoff mit nicht remanenter Polarisation die Möglichkeit bietet, Wandler herzustellen, deren Empfindlichkeit durch eine einfache Steuerung der Polarisationsspannung des Werkstoffs geändert werden kann. (Der elektromechanische Koppelkoeffizient ist eine Dauerfunktion der Polarisationsspannung.) Die Verwendung eines Ultraschallwandlers in Form eines Mosaiks konzentrischer ringförmiger Wandler, deren Empfindlichkeit über getrennte Polarisationsschaltungen einstellbar ist, macht dann die Pupillenfunktion der Wandlerfläche beliebig regelbar. (Grundsätzlich ist die Pupille die Referenzkontur, in der ein bestimmter Schwingungszustand festgestellt wird, während die Pupillenfunktion die Verteilung dieses Schwingungszustandes über die von der Pupille begrenzten Oberfläche darstellt.) Übrigens besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Richtungsempfindlichkeit einer Ultraschallwelle einerseits und der Fourier-Transformation der Pupillenfunktion des Wanders andererseits, der diese Welle ausstrahlt, während die Fourier-Transformation einer Gauß-Kurve ebenfalls eine Gauß-Kurve ist.

Wenn also die Pupillenfunktion des Wandlers erfindungsgemäß eine Gauß-Kurve ist, ist das Richtungsdiagramm des Wandlers ebenfalls eine Gauß-Kurve und hat dieses Diagramm nahezu keine Sekundärkeulen mehr (wenigstens in der Fraun-

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hofer-Zone oder in der Zone des Fern-Feldes.) Diese Beseitigung von Sekundärkeulen, die ebenfalls Apodisation genannt wird, wird erhalten, wenn die Pupillenfunktion des von den konzentrischen ringförmigen Wandlern gebildeten Mosaiks eine Gauß-Kurve ist, d.h. wenn das Profil der Empfindlichkeitskurve des Mosaiks über den Durchmesser des scheibenförmigen Wandlers die Form einer Gauß-Kurve hat oder sich dieser Form ausreichend nähert. Die auf diese Weise verwirklichte Apodisation ist bei größerer Anzahl ringförmiger Elektroden besser. Außerdem ist der Durchmesser der erwähnten Struktur kleiner als der Durchmesser der bekannten ringförmigen Vorrichtungen für eine synthetische Fokussierung.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Rückansicht eines Ausführungsbeispiels eines

erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers, Fig. 2 den Verlauf einer Empfindlichkeitskurve, die mit dem

Wandler nach Fig. 1 erreicht werden kann, und Fig. 3 schematisch eine Ultraschallvorrichtung mit dem in Fig. 1 dargestellten Wandler.

Der in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellte Ultraschallwandler wird durch eine kreisförmige flache Scheibe 1 aus elektrostrJktivem Werkstoff mit nicht remanenter Polarisation gebildet, beispielsweise aus Triglyzinsulfat (TGS)oder aus bestimmten Calcium- oder Bariumtitanat-Zirkonaten. Die Dicke dieser Scheibe ist gleich der Hälfte der der Frequenz der

auszusendenden Signale entsprechenden Wellenlänge. Je nach dem Anwendungsfall kann diese Frequenz einen Wert zwischen 1 MHz und etwa 10 MHz haben. Die Vorderseite 2a der Scheibe 1 ist völlig metallisiert, während die Rückseite 2b in Form einer Reihe konzentrischer ringförmiger Elektroden E₁ bis E metallisiert ist, die voneinander durch nicht

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leitende ringförmige Zonen I₂ bis I_n isoliert sind. Statt einer kreisförmigen flachen Scheibe kann als Wandler jede runde Scheibe dienen, deren Durchmesser in bezug auf den Krümmungsradius klein ist (d.h. ein Element in Form einer phärischen Kappe) und dessen Dicke gleich einer geraden Anzahl eines Viertels der der Frequenz der auszusendenden Ultraschallsignale entsprechenden Wellenlänge ist. Eine flache Scheibe, deren Dicke gleich der Hälfte der erwähnten Wellenlänge ist, ist nur ein besonderes Beispiel eines derartigen Elementes.

Der Wandler wird faktisch durch ein Gefüge konzentrischer ringförmiger Wandler gebildet. Er ist in eine Sende/ Empfangsanordnung für die echographische Untersuchung bei hohem Auflösungsvermögen eingebaut. Neben dem erwähnten Ultraschallwandler enthält diese Vorrichtung (siehe Fig. 3) einerseits eine elektrische Sende/Empfangsschaltung für Ultraschallsignale, die mit der vollständig metallisierten Oberfläche 2a des Wandlers verbunden ist, und einen elektrischen Hochfrequenzgeber 3 sowie einen Kreis CR zum Empfangen von EchoSignalen,und zum anderen Polarisationsschaltungen CP₁ bis CP_n, mit je einer der Elektroden E₁ bis E an der anderen Seite 2b des Wandlers verbunden sind. Die Werte der verschiedenen, den η Elektroden aus den η Polarisationsschaltungen zugeführten Spannungen sind derart gewählt, daß die Empfindlichkeit des Wandlers entlang seines Durchmessers ungefähr nach einer Gauß-Kurve verläuft, deren Maximalwert mit der Mitte der Zentralelektrode E₁ zusammenfällt. In Fig. 2 ist die Art dargestellt, auf die die verschiedenen, jeder Elektrode entsprechenden Empfindlichkeitswerte k (die Anzahl der benutzten Elektroden beträgt 17 für den in der Figur dargestellten Fall) eine gute gestufte Näherung einer Gauß-Kurve bedeuten.

Abwandlungen zum beschriebenen Ausführungsbeispiel sind möglich. So können die Empfindlichkeit und die Dämpfung des

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Wandlers verstärkt werden, wena einerseits jede ringförmige Elektrode mechanisch von der benachbarten Elektrode entkoppelt wird, um dadurch jede Elektrode zu einem unabhängigen Elementarwandler zu machen, und zum anderen die Vorderseite 2a mit einer oder mehreren Interferenzschichten versehen wird, deren Dicken gleich einer geraden Anzahl der Viertelwellenlänge der auszusendenden Ultraschallsignale sind.

Ein ausgedehntes Studium der Eigenschaften und der Vorteile derartiger Schichten findet sich im Artikel "The Design of efficient broadband piezoelectric transducers" von CS. Desilets, J.D. Fräser und G. S. Kino in der Veröffentlichung "IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics",

is Band SU-25, Nr. 3, Seiten 115 bis 125, Mai 1978. Die mechanische Entkopplung, die das Anbringen dieser Schichten erleichtert und faktisch dazu dient, das Schwingen des Werkstoffes der isolierenden ringförmigen Zonen I^ bis I_n zu verhindern, ist beispielsweise durch das Anbringen kreisförmiger Nuten in diesen Zonen möglich, welche Nuten ungefähr parallel zu den Rändern der Zonen verlaufen und über die ganze oder teilweise Dicke der Scheibe 1 angebracht sind.

Die in Fig. 3 dargestellten Polarisationsschaltungen CP₁ bis CP_n können nötigenfalls in das Gehäuse des Ultraschallwandlers selbst eingebaut werden. Die an den Anschlüssen der Schaltungen CP₁ bis CP_n vorgesehenen Kondensatoren CD₁ bis CD_n dienen für die Hochfrequenzentkopplung der η ringförmigen Elektroden, die Kapazität dieser Kondensatoren ist wesentlich höher als die des von jeder ringförmigen Elektrode gebildeten Kondensators und des metallisierten Teils der Seite 2a, die sich dieser Elektrode gegenüber befindet. Die Kapazität der Kondensatoren CD₁...CD_n beiträgt beispielsweise etwa 1 Nanofarad bei Elektrodenkapazitäten zwischen 5 Pikofarad und ungefähr 20 Pikofarad.

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Le e rs e i t e

Claims

PHF 79-570 PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung für echographische Untersuchung mit einem Ultraschallwandler, der aus elektrostriktivem Werkstoff mit nicht remanenter Polarisation gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (CD)dia Form einer runden Scheibe hat, deren Durchmesser gegen den Krümmungsradius klein ist, während ihre Dicke gleich einer geraden Anzahl eines Viertels der der Frequenz der auszusendenden Ultraschallsignale entsprechenden Wellenlänge ist, wobei eine Hauptfläche (2a) der Scheibe vollständig metallisiert und mit einer elektrischen Sende/Empfangsschaltung (3, CR) für die Ultraschallsignale verbunden ist, während die andere Hauptfläche (2b) der Scheibe in Form einer Reihe konzentrischer ringförmiger Elektroden (E₁^-E_n) metallisiert ist, die voneinander durch nicht leitende ringförmige Zonen (Ιρ···Ι_η) isoliert sind und die mit entsprechenden Polarisations Schaltungen (CP-J...CP ) verbunden sind, die regelbare Spannungen zum Einstellen der Empfindlichkeit der mit der entsprechenden Elektrode zusammenarbeitenden Zone des Wandlers erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest über einen Teil der Dicke der nicht leitenden ringförmigen Zonen (Ig···^) ein Nutenmuster angebracht ist, das zu den Rändern der nicht leitenden Zonen parallel verläuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsschaltungen (CP^...CP ) jeder Elektrode (E^...E_n) derartig geregelt sind, daß das mittlere Profil der Empfindlichkeitskurve des Wandlers über

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ORiQINAL INSPECTED

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den Durchmesser der Scheibe ungefähr einer Gauß-Kurve (Fig. 2) entspricht, deren Maximalwert mit der Mitte der Zentralelektrode (E₁) zusammenfällt.

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