DE3215992C2

DE3215992C2 -

Info

Publication number: DE3215992C2
Application number: DE19823215992
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. 8501 Oberasbach De Granz; Dietrich 8521 Uttenreuth De Hassler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-04-29
Filing date: 1982-04-29
Publication date: 1991-04-25
Also published as: DE3215992A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ultraschallabtastung mit einer Vielzahl von piezo elektrischen Elementarwandlern.

Auf der Ultraschalltechnik aufbauende Verzögerungs leitungen bestehen bekanntlich im wesentlichen aus einem piezoelektrischen Ultraschallwandler als Ein gangswandler, sowie einem Verzögerungsmedium und einem Ausgangswandler. Der Eingangswandler setzt ein zugeführtes elektrisches Signal in entsprechende mechanische Schwingungen um, die das Verzögerungs medium, beispielsweise Glas, durchlaufen und deren Schallgeschwindigkeit in diesem Medium vermindert wird. Sie werden im Ausgangswandler wieder in elektrische Schwingungen zurücktransformiert. Durch die Gestal tung des Verzögerungsmediums als flacher Profilkör per, der zur Abdämpfung von Seitenkeulen auf seinen Flachseiten noch mit sogenannten Dämpferpunkten ver sehen sein kann, wird die Schallwelle mehrfach reflektiert und damit die Gesamtlänge der Verzöge rungsleitung wesentlich vermindert. Die Ausdehnung des Profilkörpers wird vorzugsweise kleiner gewählt als die halbe Wellenlänge der Ultraschallschwingung. Mit solchen Verzögerungsleitungen erhält man eine große Störsignaldämpfung und zugleich nur eine ge ringe Betriebsdämpfung ("Funkschau" 1973, Heft 26, Seiten 1005 bis 1008).

Bei einer bekannten Vorrichtung zur Ultraschallabbildung be steht ein zweidimensionales Array von Elementarwandlern aus mehreren Stapeln eindimensionaler Arrays. Zwischen einer Bild ebene und den Elementarwandlern ist dabei eine Anpassungs schicht vorgesehen, die auch als akustisches Verzögerungsele ment wirken kann und deren Dicke einheitlich λ/4 beträgt. Auf der von der Anpassungsschicht jeweils abgewandten Seite jedes Elementarwandlers ist ein akustisches Dämpferelement ange bracht. Die Elementarwandler werden bei dieser bekannten Vor richtung mit Hilfe mehrerer Multiplexer zeilen- und spaltenweise elektronisch abgetastet (IEEE Ultrasonics Symposium (1980), Seiten 766 bis 769).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ultraschallabtastung anzugeben, deren Ultraschall-Verzöge rungssystem verhältnismäßig einfach hergestellt werden kann und bei dem die am Ultraschallwandlerarray anliegenden Spannungs werte eines zugehörigen, vom Array empfangenen Ultraschallbil des relativ einfach ausgelesen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 enthaltenen Merkmale gelöst.

In einer besonders einfachen Ausführungsform der Vorrichtung sind als Verzögerungselemente, die mechanisch voneinander ge trennt sind, rechteckige Säulen, beispielsweise aus Polymethylmetacrylat (Plexiglas) vorgesehen, deren Länge entlang einer Zeile gleichbleibend ist und deren Länge entlang einer Spalte mit der Zeilenzahl zunimmt. Ferner sind die piezoelektrischen Elementar wandler einer Spalte elektrisch parallel geschaltet und die piezoelektrischen Elementarwandler einer Zeile sind voneinander elektrisch getrennt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Vor richtung besteht darin, daß die Verzögerungselemente abgeknickt sind und daß die Knicke der Verzögerungs elemente jeweils mit einer Spiegelfläche versehen sind. Außerdem sind die elektrisch parallelgeschal teten piezoelektrischen Elementarwandler jeweils einer Spalte mit nur einem Verstärker versehen.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Vor richtung nach der Erfindung schematisch veranschau licht ist.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Ultraschallab tastung gemäß der Erfindung und in

Fig. 2 ist ein Längsschnitt einer besonderen Aus führungsform veranschaulicht.

In der Ausführungsform nach Fig. 1 enthält eine Vor richtung zur Ultraschallabtastung Verzögerungselemente 4, piezoelektrische Elementarwandler 6 und Dämpfer 8. Auf der Bildebene 2 ist ein Durchschallungsbild oder ein Reflexionsbild eines Objekts mittels eines nicht dar gestellten Abbildungssystems fokussiert. In derBild ebene 2 befinden sich die Stirnflächen der Verzöge rungselemente 4, die jeweils mit einem piezoelek trischen Elementarwandler 6 verbunden sind, deren Rückseiten jeweils mit einem Dämpfer 8 versehen sind. Die Dämpfer 8 bestehen aus einem dämpfenden, impedanz mäßig gut an die piezoelektrischen Elementrarwandler 6 angepaßten Material. Die Verzögerungselemente 4 sind vorzugsweise rechteckige Säulen, die mechanisch von einander getrennt oder durch ein Material mit ab weichender Impedanz, beispielsweise eine Kunststoff folie oder Papier, miteinander verbunden sind. Das Material der Verzögerungselemente 4 hat eine geringe Schallgeschwindigkeit und eine geringe Ultraschall dämpfung. Vorteilhaft ist ein Material, dessen akustische Impedanz entweder gleich der Impedanz des Mediums im Abbildungssystem oder der Impedanz der piezoelektrischen Elementarwandler 6 ist. Dieses Material kann vorzugsweise Wasser oder insbesondere Plexiglas sein.

Das Verzögerungssystem besteht vorzugsweise aus einer nxn Matrix aus n² Verzögerungselementen 4, die in Zeilen 10 und Spalten 12 angeordnet sind. Die Verzöge rungselemente 4 einer Zeile sind vorzugsweise gleich lang. Die Länge der Verzögerungselemente 4 einer Spalte 12 nimmt mit der Zeilenzahl zu. Die piezo elektrischen Elementarwandler 6 einer Spalte 12 sind elektrisch parallelgeschaltet und die piezoelek trischen Elementarwandler 6 einer Zeile sind elek trisch voneinander getrennt. Jeweils die Elementar wandler 6 einer Spalte 12 der Vorrichtung zur Ultra schallabtastung sind mit einem gemeinsamen Ver stärker 14 versehen, deren n Ausgänge 16 jeweils mit einem Eingang eines Multiplexers 18 verbunden sind.

Durch die Verwendung der Verzögerungselemente 4 kann man das durch die piezoelektrischen Elementarwandler 6 erzeugte Spannungsbild eines Durchschallungsbildes eines Objektes am Ausgang 20 des Multiplexers 18 ohne zusätzliche Schaltungsmaßnahmen spaltenweise seriell auslesen. Damit die Ultraschallsignale der verschiedenen Verzögerungselemente sich gegenseitig nicht beeinflussen, sind die rechteckigen Säulen mechanisch voneinander getrennt oder durch ein Mate rial mit abweichender akustischer Impedanz verbunden. Ferner haben die Verzögerungselemente 4 eine geringe Schallgeschwindigkeit, damit man kurze Baulängen er hält. Durch die Gestaltung der einzelnen Verzöge rungselemente 4 in den Zeilen 10 und den Spalten 12 wird das zweidimensionale Ultraschallbild eindimensional parallel ausgelesen. Die Verzögerungselemente 4 einer Spalte 12 verzögern das Ultraschallbild jeweils um eine Zeit τ gegenüber dem vorherigen Verzögerungs element 4. Damit hat man in der n-ten Zeile ein um (n-1) · τ verzögertes Signal gegenüber der ersten Zeile. Die Zeit τ wird bestimmt aus der Längen differenz s und der Schallgeschwindigkeit c der Ver zögerungselemente 4, die durch die Gleichung τ = s/c miteinander verbunden sind.

Wird die Abbildung auf der Bildebene 2 mittels eines gepulsten Sendesignals t_p erzeugt, so muß die Zeit τ größer sein als die Pulsdauer t_p, damit sich die Empfangssignale der ersten bis n-ten Zeile nicht überlagern. Außerdem muß das Intervall zwischen zwei Sendeimpulsen größer sein als die Gesamtver zögerung n · τ.

Die Signale jeweils einer Spalte werden mit Hilfe eines gemeinsamen Verstärkers 14 verstärkt. Außer dem werden die später ankommenden Signale einer Spalte mehr verstärkt, damit die unterschiedliche Dämpfung, die durch die unterschiedlichen Längen der Verzögerungselemente 4 bedingt ist, ausgeglichen werden kann.

Die jeweils auf der Rückseite der piezoelektrischen Elementarwandler 6 angeordneten Dämpfer 8 bestehen aus einem impedanzmäßig gut an diese Elementarwandler 6 angepaßten Material. Damit wird erreicht, daß ein auf dem piezoelektrischen Elementarwandler 6 treffendes Signal von diesem nicht reflektiert wird, sondern in dem zusätzlich aufgebrachten Dämpfermaterial ab sorbiert wird. Hin- und herreflektierte Signale könnten auf der schwach dämpfenden Verzögerungsstrecke zur Überlagerung von Primär- und Reflexionssignalen und damit zur Bildverfälschung führen.

In der Ausführungsform nach Fig. 2 einer Vorrichtung zur Ultraschallabtastung befinden sich die Stirn flächen abgeknickter Verzögerungselemente 24 in der Bildebene 2. Piezoelektrische Elementarwandler sind in der Figur mit 6 und Dämpfer mit 8 bezeichnet. Die einzelnen Spalten 12, von denen in der Figur nur eine einzige dargestellt ist, sind jeweils mit einem Verstärker 14 versehen, dessen Ausgang 16 mit einem Eingang eines Multiplexers verbunden ist, der in der Figur nicht dargestellt ist. Die Knicke der Verzögerungselemente 4 sind jeweils mit einer Spie gelfläche 22 versehen. Durch diese Maßnahme wird er reicht, daß sämtliche piezoelektrischen Elementar wandler 6 in einer Ebene angeordnet sind, die recht winklig zur Bildebene 2 ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Ultraschallabtastung mit

a) einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementarwandlern (6), die in einem Array angeordnet sind, das aus Zeilen (10) und Spalten (12) besteht,
b) einem Verzögerungssystem aus einzelnen, mechanisch vonein ander getrennten, akustischen Verzögerungselementen (4), wobei jeweils ein Verzögerungselement (4) einem Elementar wandler (6) zugeordnet ist und das Verzögerungssystem zwi schen der Bildebene (2) eines der Vorrichtung zugehörigen Abbildungssystems und dem Array angeordnet ist, wobei die Länge der Verzögerungselemente (4) jeweils gleich ist, wenn diese jeweils einer der Zeilen (10) zugeordnet sind, und die Länge der einer Spalte (12) jeweils zugeordneten Verzö gerungselemente (4) mit der Zeilenzahl zunimmt, und
c) akustischen Dämpfern (8), mit denen die Rückseiten der Ele mentarwandler (6) jeweils versehen sind, wobei die jeweilige Rückseite eines Elementarwandlers (6) dessen vom zugehörigen Verzögerungselement (4) abgewandte Seite ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß als Verzögerungselemente (4) Säulen mit rechteckigem Querschnitt vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß jeweils zwischen zwei Verzögerungs elementen (4) ein Material vorgesehen ist, dessen akustische Impedanz von derjenigen der Verzögerungselemente (4) verschie den ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verzögerungselemente (4) aus Poly methylmethacrylat bestehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verzögerungselemente (4) aus Wasser bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die piezoelektrischen Elementarwandler (6) einer Spalte (12) elektrisch parallelgeschaltet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die piezoelektrischen Elementarwandler (6) einer Zeile (10) elektrisch voneinander getrennt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verzögerungselemente (4) in einer speziellen Ausführungsform (24) abgeknickt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Knicke dieser speziellen Ausfüh rungsform (24) jeweils mit einer Spiegelfläche (22) versehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Spalten (12) jeweils mit einem Verstärker (14) versehen sind.