DE3110739A1 - Ultraschallabbildung mit konischen transduktor - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft Ultraschall-Abbildesysteme.

Ultraschall-Abbildesysteme werden sehr vorteilhaft für medizinische Anwendungen eingesetzt, da sie die Abbildung von Innenstrukturen eines Körpers ohne Verwendung von möglicherweise schädlichen Strahlungsformen erlauben. Solche Systeme sind in zahlreichen Ausführungen vorgeschlagen und sehr häufig im tatsächlichen Einsatz. Obwohl die Systeme sich im einzelnen sehr unterscheiden können, beruhen die meisten bekannten Systeme auf Verwendung eines Ultraschall-Transduktors oder einer Anordnung aus solchen Transduktoren mit koplanarer Aussendeflächenstruktur, um Ultraschallimpulse in eine abzubildende Struktur hinein auszusenden und Reflexionen dieser Impulse zu empfangen. Die strahlenförmig ausgesandten Impulse werden durch den abzubildenden Körper durch mechanische und/oder elektronische Mittel in einem geeigneten Abtastmuster oder einer geeigneten Abtastverteilung gerichtet. Eine derartige Abtastform ist als "B-Scanning" bekannt.

Beispielsweise zeigt die US-PS 4 014 207, deren Offenbarungsgehalt ausdrücklich zum Inhalt dieser Anmeldung erklärt wird, ein B-Scanning-Ultraschallsystem.

Bei solchen Systemen entsteht das Problem, daß die optimale Auflösung in Querrichtung, d.h. längs der Ebene der Sende- oder Gebeflächen der Ultraschallgeber,nicht erreicht wird. Es kann eine Verbesserung erzielt werden bei Verwendung von Gebern oder Gebeanordnungen mit großer Apertur, wobei diese elektronisch oder akustisch fokussiert und/oder abgetastet werden, jedoch ergibt sich durch diese Verbesserung eine sehr flache FeIdtiefenvertellung. Folglich sind sehr ausgeklügelte Einrichtungen geschaffen worden, um die Ultraschallenergie dynamisch auf eine Folge von Punkten während eines Abtastvorganges zu fokussieren. Der Betrieb solcher komplizierter Einrichtungen beschränkt jedoch die Abtastgeschwindigkeit und erhöht damit die Zeit, die zur Erstellung eines Abbildes gebraucht wird. Aber auch mit solchen Einrichtungen kann sich manchmal eine unzureichende Auflösung ergeben, die die verläßliche Erkennung von kleinen Anomalien in dem zu untersuchenden Körperaufbau verhindert.

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Ein Beispiel für ein dynamisch fokussiertes Ultraschallsystem mit B-Scanning ist in der US-PS 3 090 030 beschrieben; eine andere Variante eines fokussierten Ultraschallsystems ist aus der Veröffentlichung von R.D. Melen, "CCD Dynamically Focused Lenses for Ultrasonic Imaging

Systems", aus den Proceedings of the International Conference on Applications of CCD's, 1975, Seiten 165 bis 171, bekannt.

Durch die Erfindung ergibt sich nun eine ausgezeichnete Querauflösung, die in einer beträchtlichen Feldtiefe aufrechterhalten werden kann, durch Verwendung getrennter elektroakustischer Transduktoren zum Aussenden und zum Empfangen von Ultraschallimpulsen, die zum Abbilden einer Struktur verwendet werden. Ein Transduktor wird durch einen realen oder simulierten Kegel- oder Kegelabschnitt-Transduktor mit einem linearen Fokus längs seiner Kegelachse gebildet, wobei der lineare Fokus sich in den zu untersuchenden Körper erstreckt. Der andere Transduktor ist in Axialrichtung längs des linearen Fokus des erstgenannten Transduktors ausgerichtet. Die Fokuslinie wird gegenüber der abzubildenden Struktur bewegt, um die erwünschte Abtastung des zu untersuchenden Körperabschnitts zu erzeugen. Eine Impulsgeberschaltung betätigt einen Transduktor, um den Körper längs des linearen Fokus zu beschallen. Eine Abbildungs- und Anzeigeschaltung und zugehörige Vorrichtungen sprechen auf die infolge der empfangenen gestreuten Ultraschallenergie erzeugten elektrischen Impulse an und ergeben eine Bilddarstellung der Innenstruktur der Körpers.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische, teilweise aufgeschnittene Darstellung

einer Ultraschall-Transduktor- und -Abtastvorrichtung mit schematisch dargestellter zugehöriger Schaltung,zur Brus tabtas tung,

Fig. 2A den Einsatz der Vorrichtung aus Fig. 1,

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Fig. 2B eine Darstellung eines Beispiels für ein durch Verwendung der vorliegenden Erfindung erhaltenes Abbild.

Nach Fig. 1 ist ein Kegeltransduktor 6 dadurch gebildet, daß ein Alurainiumkegel 2 an seiner Kegelfläche eine mittels Epoxidharz aufgeklebte Schicht 4 aus einem piezoelektrischen synthetischen Kunststoff material, in diesem Beispiel eine Folie aus Polyvinylidenfluorid mit einer Stärke von 30 ,um aufweist. Diese Folie ist von der Firma Kreha Corporation, New York, N.Y., USA erhältlich. Der Alurainiumkegel 2 wirkt als Rückelektrode des Transduktors 6, während die Vorderfläche der Kunststoffolie 4 metallisiert ist, um die Vorderelektrode des Kegeltransduktors 6 zu bilden. Eine solche Transduktorart ist für die Frequenzen von 1 bis 10 MHz, wie sie bei der medizinischen Ultraschallabbildung gemeinhin verwendet werden, sehr gut geeignet. Der Transduktorkegel besitzt einen Spitzenwinkel von 45 , bezogen auf seine Achse, und besitzt einen Außenradius von 100 mm und einen Innenradius von 50 mm.

Ein zweiter Transduktor 10, der ein herkömmlicher Scheibentransduktor, ein Festfokustransduktor oder ein dynamisch fokussierter Transduktor sein kann, besteht beispielsweise aus einer ringförmigen Anordnung, die in der gewünschten Betriebsfrequenz arbeiten kann,und ist in der Nähe der Kegelspitze angebracht. Er muß keine hohe Richtungswirkung besitzen, muß jedoch mit der Achse des Kegels 2 ausgerichtet sein, die gleichzeitig den Fokus des durch die Schicht 4 gebildeten Transduktors bildet. Der Transduktor 10 ist mit einem Empfänger 12 verbunden, während der durch die Schicht 4 gebildete Transduktor durch Hochfrequenz-Impulse erregt wird, welche durch einen Impulssender 14 abgegeben werden, der eine Erregungsspannung mit typischerweise 3 bis 5 MHz und 10 bis 200 V

erzeugt.

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Die Anordnung aus den beiden Transduktoren ist an einer Säule 16 angebracht, welche wiederum durch eine Plattform 28 abgestützt wird. Diese kann in Seitenrichtung in einem Grundgestell 30 mittels einer Spindel 32 verschoben werden, wobei die Spindel durch einen Schrittmotor 34 gedreht wird. Es können weiter noch (nicht gezeigte) hydraulische oder spindelbetätigte Einrichtungen vorgesehen sein, um das Gestell 30 räumlich in einem (nicht gezeigten) Wassertank zu bewegen, in dem die Anordnung soweit eingetaucht ist, daß der Wasserspiegel 36 sich oberhalb des Transduktors 2 befindet. Das Wasser bildet ein Ultraschallkoppelmedium zwischen einer abzubildenden Brust einer Patientin und den Transduktoren6 und 10. Es kann eine dünne Kunststoffmembran vorgesehen sein, um die Patientin gegen direkte Berührung mit dem Wasser zu schützen, und es ist weiterhin eine (nicht gezeigte) Stützliege vorgesehen, damit die Patientin die richtige Lage in Bezug auf die Vorrichtung einnehmen kann, wie es bei Ultraschall-Brustabbilde-Systemen bekannt ist.

Das lerfindungsgemäße System erzeugt eine Ultraschallabtastung nach Art eines B-Scannings durch den Betrieb einer Abbildungs- und Anzeigeschaltung, die nachfolgend beschrieben wird.

Im Betrieb schneidet die Fokuslinie 38 die Brust 40 an Stellen, die aufeinanderfolgend in Seitenrichtung über die gesamte Brust in Richtung des Pfeils 44 in Fig. 2A versetzt sind. Die Versetzung oder Verschiebung wird durch die Einwirkung des Motors 34 gesteuert, der durch eine Motoransteuerung 48 betrieben wird, und die Verschiebung erfolgt in einer gemeinsamen Ebene. Die Motoransteuerung 48 gibt auch Impulse an einen Digital/Analog-Wandler 50 ab, dessen Ausgangssignal an eine Zeitbasiseinheit 52 weitergeleitet wird, in welcher Sägezahngeneratoren für X- und Y-Ablenkungen enthalten sind. Die Zeitbasiseinheit erhält weiter ein Eingangssignal von einer Zeitgebereinheit 54, die gleichzeitig Abgabeimpulse oder Sendeimpulse zur Erregung des Impulsgeber-Senders 14 abgibt.

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Das Ausgangssignal des D/A-Wandlers 50 wird in der Zeitbasiseinheit 52 so verarbeitet, daß sich ein X-Signal proportional zur seitlichen Verschiebung der Plattform 28 ergibt. Das Eingangssignal von der Zeitgebereinheit 54 wird dazu benutzt, eine Sägezahnspannung zu erzeugen, die die Y-VerSchiebung mit der Wiederholungsrate der an den Transmitter abgegebenen Sende- ergDjt, jedoch mit einer solchen

durch

Verzögerung, daß diese Abtastfolge mit dem Empfang der Reflexionssignale vom Sender 4 am Empfänger .12 eine Synchronisation besteht, wobei diese Reflexionssignale durch die abzubildende Bruststruktur gestreut und durch den Transduktor 10 aufgenommen werden. Diese Signale vom Empfänger 12 werden in einer Signalverarbeitungseinheit 56 verarbeitet, wobei bekannte Rausch-Reduzierungs- und Signal-Verbesserungsverfahren angewendet werden. Die verarbeiteten Signale werden an ein Anzeige- und Speichersystem 58 weitergeleitet, das beispielsweise aus einem Speicher-Oszilloskop bestehen kann, in welchem der Bildstrahl eine Z-Modulation durch das empfangene Signal erfährt und in X- und Y-Richtung durch die Sägezahngeneratoren der Einheit 52 so abgelenkt wird, daß ein Bild der in Fig. 2B dargestellten Art entsteht.

Die elektronischen Wandler-, Impuls-5Zeitgeber- und Verarbeitungsbausteine einschließlich der Abbildungsschaltungen des die Erfindung verkörpernden Systems werden etwa analog zu den Bestandteilen oder Bausteinen eines Ultraschall-Abtastsystems Modell 801/DI der Firma Picker Corporation of Northford,Connecticut, USA hergestellt. Das gleiche gilt für die Oszilloskop-Anzeige.

Im Betrieb läßt die Zeitgebereinheit 54 kurze Hochfrequenz-Elektroimpulse vom Sender 14 zum Transduktor 4 gelangen, in dem jeder Impuls in eine konische Ultraschallwellenfront gewandelt wird, die an der Linie 38 zu einem scharfen Fokus zusammenläuft. In der abzubildenden Brust werden die Ultraschallimpulse je nach der Art des überstrichenen Gewebes gestreut. Der größte Teil der Streuung tritt längs der Fokuslinie auf. Anteile der gestreuten Energie von der Fokuslinie werden durch den Transduktor 10 mit einer Zeitverzögerung aufgenommen, die vom durch

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die gestreute Schallenergie zum Transduktor 10 zurückgelegten Weg abhängt. Da die Ultraschallintensität an der Linie 38 sehr hoch ist, verglichen mit der im sonstigen Aufnahmebereich des Transduktors 10 vorhandenen Energie, werden die durch den Transduktor 10 erzeugten Signale so gut wie ausschließlich aufeinanderfolgende Schallsignale von der Fokuslinie her sein, die während der Untersuchung längs einer das Gewebe durchschneidenden Ebene verschoben wird. Es hat sich gezeigt, daß die erreichte Auflösung und Feldtiefe mehrmals besser als bei den herkömmlichen Verfahren ist, wenn mit gleichartigen Frequenzen und Abbildungsgeschwindigkeiten gearbeitet wird. Typische Betriebsbedingungen bestehen in einer Verwendung von Ultraschallimpulsen mit einer Impulselange von 1 ,us mit einer Frequenz von 3 MHz und einer Impulswiederholungsrate von 1 kHz.

Die Ausführung kann nun in bestimmter Weise abgewandelt werden. So können beispielsweise die Funktionen des konischen Gebetransduktors und des mit der Fokuslinie des konischen Transduktors ausgerichteten Empfangstransduktors umgekehrt werden, d.h. der Transduktor 10 kann als Gebertransduktor und der Transduktor 2, 4 als Empfangstransduktor ein-

und gesetzt werden. Die Betriebsart hängt nur von der Auslegung der elektrischen Anpassung ab.

Auch der konische und der axiale Transduktor können weitgehend in ihrer Auslegung abgewandelt werden. So kann beispielsweise ein ebener Sendeoder Empfangstransduktor eingesetzt werden, der mit Hilfe einer akustischen Linse zur Simulierung eines Kegeltransduktors fokussiert wird.

Der piezoelektrische Kunststoffilm gemäß der vorhergehenden Beschreibung der Erfindung hat sich als besonders bequem in dieser Art der Anwendung herausgestellt, jedoch kann auch anderes Ultraschalltransduktormaterxal eingesetzt werden, solange es zur Erzeugung eines tatsächlichen Kegeltransduktors oder eines simulierten Kegeltransduktors verwendet werden kann.

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Als hauptsächliche Eigenschaft der Erfindung wird die Anordnung der verwendeten Transduktoren angesehen, wobei die genannte Größe des Spitzenwinkels von 45° nicht eingehalten werden muß; andere Winkel können je nach Anwendungsfall unterschiedliche Streuinformation aus dem abzubildenden Gewebe erbringen.

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Leerseite

Claims (14)

Patentansprüche

1./Ultraschallabtastvorrichtung mit einer Transduktoreinrichtung zur Aussendung von Ultraschallimpulsen in einen Abschnitt einer abzubildenden Struktur und zum Empfang von Ultraschallenergxe, die
durch den Strukturabschnitt gestreut ist sowie zur Erzeugung von
Signalen in Abhängigkeit von der empfangenen Ultraschallenergie,
mit einer Einrichtung zur Beaufschlagung der Transduktoreinrichtungen zum Aussenden der Impulse, mit einer Abtasteinrichtung zum progressiven Beziehen der Transduktoreinrichtungen auf aufeinanderfolgende Abschnitte der Struktur entsprechend einer Abtastverteilung und mit Empfangs- und Signalverarbeitungseinrichtungen zur Erstellung eines Abbilds aus den erzeugten Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß die Transduktoreinrichtung getrennte Gebe- und Empfangs-

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transduktoren (6; 10) enthält, daß ein Transduktor (6) ein realer oder simulierter Kegeltransduktor mit einem linearen Fokus (38) und der andere Transduktor (10) mit dem linearen Fokus (38) ausgerichtet ist und daß die Abtasteinrichtung (28, 30, 32, 34) eine Bewegung des linearen Fokus (38) bezüglich der abzubildenden Struktur gemäß der Abtastverteilung bewirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet , daß der Kegeltransduktor (6 ) der Gebetransduktor ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegeltransduktor (6) auf einer konischen Stütze (2) angebracht ist und daß der andere Transduktor (10) in der Nähe der projizierten Kegelspitze in Ausrichtung mit der Achse des Kegeltransduktors zur Bildung der Transduktoranordnung angebracht ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Kegeltransduktor (6)durch eine Schicht

(4) aus piezoelektrischem synthetischem Kunststoffilm gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Abtasteinrichtung eine Einrichtung (28, 30, 32, 34) zum körperlichen Verschieben der Transduktoranordnung zur Bewegung des linearen Fokus (38) des Kegeltransduktors (6) in einer die abzubildende Struktur durchschneidenden Ebene enthält.

6. Ultraschallsystem zur Abbildung der Innenstruktur eines Körpers, gekennzeichnet durch

(a) einen ersten Ultraschalltransduktor (6) mit einer Geber- oder Empfängerfläche, die mindestens zum Teil als Kegelflächenabschnitt gestaltet ist,und mit einem mit der Kegelachse ausgerichteten linearen Fokus (38),

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(b) einen axial mit dem linearen Fokus (38) ausgerichteten zweiten Transduktor (10),

(c) eine Impulsgeberschaltung (14, 54) zur Beaufschlagung eines Transduktors zum Ausgeben von im Bereich des linearen Fokus (38) konzentrierter Ultraschallenergie in den Körper,

(d) einer mit dem anderen Transduktor verbundenen Abbildungsschaltung (12, 52, 56, 58) zur Verarbeitung der durch den anderen Transduktor in Abhängigkeit von der durch Körpereinzelheiten in der Nähe des linearen Fokus (38) gestreuten, von dem einen Transduktor ausgesandten Ultraschallenergie erzeugten elektrischen Signalen, und

(e) einem in Abhängigkeit von den verarbeiteten elektrischen Signalen ein die inneren Körperstrukturen beschreibendes Abbild erzeugendes Anzeigesystem (58).

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Transduktor (6) der eine sendende Transduktor ist.

8. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Transduktor (10) der eine sendende Transduktor ist.

9. System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Transduktor (10) im wesentlichen scheibenförmig gestaltet ist.

10. System nacheinem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Transduktor (10) in der Nähe der durch den ersten Transduktor (6) gebildeten Kegelspitze angebracht ist.

11. System nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (16, 20, 30, 32, 34) zur Bewegung der Transduktoren in einer Ebene als eine Einheit vorgesehen ist.

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12. Verfahren zur Ultraschallabbildung, dadurch gekennzeichnet,

(a) daß Ultraschallenergie in einen Körper längs einer Linie durch Benutzung eines Ultraschalltransduktors gerichtet wird, dessen äußere Fläche mindestens als Teil eines Kegelflächenabschnitts gestaltet ist,

(b) daß durch Verwendung eines zweiten Transduktors mit einer axial mit der Linie ausgerichteten Empfangsflache die in dem Körper gestreute Ultraschallenergie empfangen und daraus elektrische Signale erzeugt werden,

(c) daß die durch den zweiten Transduktor erzeugten elektrischen Signale verarbeitet werden, und

(d) daß die Verarbeiteten elektrischen Signale zur Erzeugung eines die Innenstruktur des Körpers beschreibenden Abbildes verwendet werden.

13. Ultraschall-Abbildungsverfahren, dadurch gekennzeichnet,

(a) daß Ultraschallenergie in einen Körper längs einer Linie durch Verwendung eines Ultraschall-Transduktors mit einer flachen Aussendefläche gerichtet wird,

(b) daß mittels eines zweiten Transduktors mit einer zumindest als

gestalteten Empfangsfläche Teil einer mit der Linie koaxialen Kegelfläche /Ln dem Körper gestreute Ultraschallenergie empfangen und elektrische Signale erzeugt werden,

(c) daß die durch den zweiten Transduktor erzeugten elektrischen Signale verarbeitet werden, und

(d) daß die verarbeiteten elektrischen Signale zur Erzeugung eines die Innenstruktur des Körpers beschreibenden Abbildes verwendet werden.

14. Ultraschall-Transduktoranordnung, dadurch gekennzeichnet (a) daß ein erster Transduktor vorgesehen ist, der zumindest als Teil einer Kegelfläche gestaltetes piezoelektrisches Material enthält, und

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(b) daß ein zweiter Transduktor mit im wesentlichen ebener Wirkfläche koaxial mit dem durch den ersten Transduktor bestimmten Kegel vorgesehen ist.

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