DE3234916A1

DE3234916A1 - Ultraschall-abbildungseinrichtung

Info

Publication number: DE3234916A1
Application number: DE19823234916
Authority: DE
Inventors: James Laurence 94303 Palo Alto Calif. Buxton; David Abbott 94306 Palo Alto Calif. Wilson
Original assignee: SRI International Inc; Stanford Research Institute
Current assignee: SRI International Inc
Priority date: 1982-03-09
Filing date: 1982-09-21
Publication date: 1983-09-22
Also published as: GB8306459D0; GB2117905A; NL8204334A; GB2117905B; CA1189946A; IT8347860A0; JPS58157455A; IT1170317B; US4442713A; FR2523326A1

Description

Ultraschal1-Abbildungseinrichtungen

Die Erfindung bezieht sich auf verbesserte Ultraschall-Abbildungseinrichtungen, mit denen eine verbesserte Abbildungsgüte erzielbar ist, insbesondere auf verbesserte Betriebsarten für Ultraschallwandler, die in derartigen Abbildungseinrichtungen verwendet werden.

Die Anwendung von Ultraschallwellen in Einrichtungen zur Analyse von Festkörpern ist wohlbekannt und relativ hochentwickelt. In solchen Einrichtungen wird eine Anordnung oder ein Feld von Ultraschall-Wandlerelementen dazu verwendet, Ultraschallwellen in das Objekt zu senden, und Echosignale werden dazu genutzt, die Geometrie und dazu in Beziehung stehende Charakteristiken des Inneren des Objekts zu definieren. Derartige Ultraschall-Abbildungseinrichtungen sind besonders nützlich, wenn sie in der Medizin als nicht in den Körper eindringendes bzw. körperexternes Diagnosehilfsmittel eingesetzt werden. Einen Überblick über den Stand der Technik hinsichtlich solcher medizinischer Anwendungsmöglichkeiten geben z. B. Havlice und Taenzer in Proceedings of the IEEE, Bd. 67, Nr. 4, April 1979, S. 620-641, unter dem Titel "Medical Ultrasonic Imaging". (Eine mit der vorliegenden Erfindung verwandte Erfindung ist eine gleichzeitig angemeldete US-Patentanmeldung mit dem Titel "Frequency Controlled Hybrid Ultrasonic Imaging Arrays".)

Wie in dem Artikel von Havlice und Taenzer gesagt wird, unterscheidet man derzeit zwei prinzipielle Arten von mit elektronischer Abtastung arbeitenden medizinischen Ultraschall-Abbildungseinrichtungen: einmal die lineare stufenge-

steuerte Anordnung und zum zweiten die {lineare} phasengesteuerte Anordnung. Bei der mit linearer stufengesteuerter Anordnung arbeitenden Einrichtung hat jede Ultraschallwandlerelement-Gruppe in der Anordnung eine unveränderliche Strahlrichtung direkt vor dem Gruppenelement. Aufeinanderfolgende Gruppen von Wandlerelementen werden aktiviert zur Bildung eines rechteckigen Gesichtsfelds. In der (linearen) phasengesteuerten Anordnung werden sämtliche Ultrasehallwandlerelemente in der Anordnung gleichzeitig aktiviert, es werden jedoch unterschiedlich lange Verzögerungsleitungen verwendet, um die Ultraschallwellen in einer Sektorabtastung zu richten und manchmal die Ultraschallwellen auf eine bestimmte Tiefe in dem Gesichtsfeld-Sektor zu fokussieren.

Es ist ferner bei solchen Ultraschall-Abbildungseinrichtungen bekannt, die Öffnungsgröße mit zunehmender Brennweite bei Betrieb mit unveränderlicher Frequenz zu vergrößern, um dadurch die Bildauflösung zu steigern (z. B. US-PS'en 4 180 790 und 4 180 791). Es besteht jedoch immer noch ein Bedarf für eine höhere Bildauflösung bei solchen Ultraschall-Abbildungseinrichtungen, um dadurch einen vollständigeren Ersatz für körperinterne Diagnoseyerfahren wie etwa Angiogramme durch körperexterne Ultraschallabbildung zu erreichen und um aus den Ultraschallverfahren mehr diagnostische Information zu erhalten.

Es ist allgemein bekannt, daß mit zunehmender Eindringtiefe der Signale in das Gewebe eine Dämpfung der höherfrequenten Ultraschallsignale erfolgt. Dies resultiert in einer Abwärtsverschiebung der Nutzfrequenz weg von der mittleren Sendefrequenz und hat somit eine Bildverschlechterung zur Folge.

Es wurde bereits versucht, die bei bekannten Einrichtungen auftretende verschlechterte Auflösung bei zunehmender Tiefenschärfe dadurch zu minimieren, daß elektrische Hochpaßfilter eingesetzt wurden, um übermäßig niederfrequente Information aus Echosignalen vom Inneren eines untersuchten Objekts auszufiltern und dadurch die Mittenfrequenz der erfaßten Signale nach oben zur Sende- oder Durchgangsfrequenz zurückzubringen. In der Bildtiefe ist dies eine schlechte Lösung, da der größte Teil der Signalenergie niederfrequent ist und das Hochpaßfiltern somit das Nutzsignal erheblich reduziert. Das Ergebnis ist eine signifikante Verschlechterung des Rauschabstands.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Ultraschall-Abbildungseinrichtung, wobei Betriebsparameter der Einrichtung bei niedrigeren Frequenzen, die aus der Dämpfung der von der Einrichtung erfaßten Ultraschallsignale durch das untersuchte Objekt resultieren, geändert werden. Dabei soll ferner die Anzahl Wandlerelemente, die zur Bildung einer Sende- und Empfangsöffnung verwendet werden, in Abhängigkeit von der Mittenfrequenz der erfaßten Ultraschallsignale änderbar sein.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch Anwendung der neuen Ultraschall-Abbildungseinrichtung nach der Erfindung. Diese umfaßt eine Wandlerelementanordnung zum Senden von Ultraschallsignalen mit einer ersten vorbestimmten Mittenfrequenz in ein Objekt, das durch Nutzung der vom Objekt reflektierten Sendesignale zu untersuchen ist. Innerhalb des Objekts werden die Ultraschallsignale auf eine zweite Mittenfrequenz reduziert, die aufgrund der Dämpfung durch

das Objekt niedriger als die erste Mittenfrequenz ist, was von der Einrichtung nach Reflexion an Grenzflächen oder Diskontinuitäten innerhalb des Objekts bei einer bestimmten Tiefe erfaßt wird. Echosignale aus jeder Tiefe im Objekt haben eine jeweils verschiedene zweite Mittenfrequenz. Eine Einheit ist so geschaltet, daß sie auf der Grundlage der zweiten Mittenfrequenz eine Anzahl Wandler der Anordnung zum Senden und/oder Empfang der Ultraschallsignale auswählt. Die Anzahl dieser Wandler zum Senden und/oder Empfangen der Ultraschallsignale wird mit abnehmender zweiter Mittenfrequenz erhöht, was bedeutet, daß die Anzahl der so ausgewählten Wandler sich erhöht, wenn eine mit einer ersten vorbestimmten Mittenfrequenz sendende Einrichtung auf eine größere Tiefe weg von der Einrichtung in das untersuchte Objekt fokussiert wird. Die Anzahl dieser auf der Grundlage der zweiten Mittenfrequenz der von der Einrichtung erfaßten Ultraschallsignale ausgewählten Wandler unterscheidet sich von der Anzahl Wandler, die auf der Grundlage der Schärfentiefe allein nach dem Stand der Technik ausgewählt werden würde. Die zweite Mittenfrequenz kann von der Einrichtung selbst erfaßt und die Anzahl Sendewandler ausgewählt werden, oder eine angenommene zweite Mittenfrequenz als eine Funktion der Tiefenschärfe kann dazu genutzt werden, die Anzahl Sendewandler auszuwählen. Die Anzahl Empfangswandler kann in der gleichen Weise ausgewählt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird sowohl die Anzahl Sendewandler als auch die Anzahl Empfangswandler auf diese Weise ausgewählt, aber die resultierende Anzahl jeder Wandlerart braucht nicht die gleiche zu sein. Es ist zu beachten, daß die schließlich verwendete Mittenfrequenz sowohl von der frequenzabhängigen Gewebedämpfung als auch von den elektrischen Filtern in der Sende- und Empfangsschaltung abhängt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer konventionellen linearen Stufenanordnung, die mit der Erfindung verwendbar ist;

Fig. 2 eine grafische Darstellung von Frequenzspektren, die zum Verständnis der Erfindung nützlich ist;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Abbildungseinrichtung, die die Anordnung von Fig. 1 enthält;

Fig. 4 das Blockschaltbild einer weiteren Einrichtung nach der Erfindung; und

Fig. 5 das Blockschaltbild einer dritten Einrichtung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine lineare Stufenanordnung 10, die mit der Erfindung verwendbar ist. Die Anordnung 10 ist so positioniert, daß sie einen Teil 12 des Körpers eines Patienten abbildet. Der Körperteil 12 hat Rechteckform, weil aufeinanderfolgende Gruppen von Wandlerelementen 14 der Anordnung 10, wobei jeweils ein Teil der Gruppen durch Klammern 16, 18 und 20 definiert ist, von links nach rechts in der Anordnung 10 aktiviert und stufenweise gesteuert werden, so daß ein rechteckiges Gesichtsfeld 13 der Anordnung 10 definiert ist.

Es ist zu beachten, daß jede Gruppe 16, 18 und 20 von Wandlerelementen 14 nach Fig. 1 drei Wandlerelemente 14 umfaßt. Wie noch im einzelnen erläutert wird, wird die

Anzahl Wandlerelemente 14 in jeder Gruppe 16, 18 und 20 in Abhängigkeit von der Mittenfrequenz von an den Wandlerelementen 14 erfaßten Ultraschallsignalen aufgrund der Dämpfung durch den untersuchten Körper geändert. In allen Fällen ist die Mittenfrequenz der erfaßten Ultraschallsignale geringer als die Frequenz der von den Elementen 14 ausgesandten Ultraschallsignale, und zwar infolge der Dämpfung. Die Differenz zwischen der Mittenfrequenz der erfaßten Ultraschallsignale und der Mittenfrequenz der ausgesandten Ultraschallsignale hängt von ihrer Eindringtiefe in den Körper 12 vor der Reflexion ab. Wenn also die ausgesandten Ultraschallsignale tiefer in den Körper 12 fokussiert werden, erfolgt eine erhebliche Verminderung der Mittenfrequenz der erfaßten Ultraschallsignale.

Fig..2 ist eine idealisierte Darstellung charakteristischer Sende- und Empfangs-Ultraschallspektren 21 und 23, die mit der Wandleranordnung 10 erhalten werden. Da bei höheren Frequenzen eine proportional stärkere Dämpfung des ausgesandten Spektrums 21 (0 cm in den Körper 12) erfolgt, ist dessen Mittenfrequenz f ^ großer als die Mittenfrequenz f_c2 des Spektrums 23, das aus einer Tiefe von 4 cm im Körper 12 reflektiert wird.

Es gibt bestimmte mathematische Beziehungen, die die Art der Dämpfung definieren und für ein besseres Verständnis der Erfindung nützlich sind. Die Wandler 14 in Fig. 1 erzeugen Ultraschallsignale, von denen.der Einfachheit halber angenommen wird, daß sie nach Reflexion an den Wandlern mit einem Gaußschen Frequenzbereich gemäß der folgenden Gleichung wieder empfangen werden:

-0C(f-f_o)

V(f) = A e

(D

mit A
V(f)

^fo⁼
Oc

= Konstante,

= Umlauf-Spannungsverhalten,

Mittenfrequenz des empfangenen Signals, = (1n 4)/(Af)² und = -3 dB besetzte Bandbreite.

In Gleichung (1) wird keine Dämpfung im Gewebe vorausgesetzt.

Gleichung (1) wird als normierte Bandbreite B, die gleich Af

ist, wie folgt geschrieben:

V(f) = A e

(£-f₀)

(B f₀)

(2)

Die Dämpfung der Signale, die infolge der Übertragung durch das Körpergewebe 12 erzeugt wird, kann durch einen der Frequenz proportionalen Verlustterm wie folgt angenähert werden:

Verlust (dB) = K · f (MHz) · 2 «■ Tiefe (cm)

i sich K in typischem weichem Gewebe zwischen 0,6 dB/cm/Mhz und 1,2 dB/cm/MHz ändert.

Dieser Amplitudenverlust kann exponentiell gemäß der folgenden Gleichung (3) geschrieben werden:

A(f d) = e⁰'^{23 x K}(^dB/cm/MHz) x f(MHz) χ Tiefe (cm) ₍₃^

Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß kein elektrisches Filtern der Sende- oder der Empfangssignale erforderlich ist. Unter der Annahme, daß ein solches Filtern nicht erfolgt, können die Gleichungen (2) und (3) kombiniert werden zum Erhalt des Umlaufsignals als eine Funktion der Frequenz und Eindringtiefe in das Gewebe. Uin die erfaßte Mittenfrequenz bei jeder Tiefenschärfe zu erhalten, muß der resultierende Ausdruck differenziert werden, z. B.:

- [V(f,d)] = o. Dies ergibt
df

^fcenter ^{= f}O ~ °'^{083 x} K(dB/cm/MHz) χ Tiefe (cm) x B² χ f₀ ² (4).

In Gleichung (4) ist f_center niemals kleiner als O.

Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel des Blockschaltbilds der Elektronik für die lineare stufengesteuerte Anordnung nach Fig. 1, wobei die Anzahl Elemente 14 in jeder Gruppe 16, 18 oder 20 auf der Grundlage der Abnahme der Mittenfrequenz der ausgesandten Ultraschallsignale, die von der Einrichtung nach Reflexion an einem Teil 12 (Fig. 1) eines menschlichen Körpers oder eines anderen untersuchten Objekts erfaßt wird, erhöht wird. Jedes Element 14 der Anordnung 10 ist über

einen Leiter eines Kabels 24 mit einem Sende-Empfangs-Schalter 26 verbunden, der bestimmt, ob die Elemente 14 im Sendeoder Empfangsmodus arbeiten. Die Sende-Empfangs-Schalter sind über ein Kabel 30 mit einem Koppelvielfach 28 verbunden, wobei die Anzahl Leiter des Kabels 30 ebenfalls gleich der Anzahl (N ) Elemente 14 in der Anordnung 10 ist. Das Koppelvielfach 28 ist mit Vorverstärkern 32 über ein Kabel 34 verbunden. Die Anzahl (N_r) von Empfangs-Vorverstärkern 32 entspricht der Höchstanzahl Elemente 14, die in den Gruppen 16, 18 und 20 der Anordnung 10 vorhanden sind. Da diese Anzahl Elemente N_r mit abnehmender Mittenfrequenz von Ultraschallsignalen, die aus der Dämpfung im untersuchten Objekt resultiert und von der Einrichtung erfaßt wird, steigt, ist N_r durch den Höchstbetrag der Signaldämpfung, die beim Betrieb der Einrichtung zu erwarten ist, bestimmt. Die Vorverstärker 32 sind über ein Kabel 36 mit Verzögerungsleitungen 35 verbunden. Dabei ist wiederum die Anzahl Leiter des Kabels 36 und die Anzahl Verzögerungsleitungen gleich N . Die Verzögerungsleitungen 3 5 können als konventionelle digitale Verzögerungsleitungen realisiert sein. Die Verzögerungsleitungen 35 sind mit Summierern 38 über ein Kabel 40 verbunden, das wiederum N Leiter aufweist. Die Summierer 38 sind über eine Leitung 44 mit Signalverarbeitungsgliedern 42 verbunden. Die Signalverarbeitungsglieder 42 sind ihrerseits mit Abtastumsetzern 46 über eine Leitung 48 verbunden. Die Abtastumsetzer 46 sind über eine Leitung 52 an eine Anzeigeeinheit 50 angeschlossen. Die Anzeigeeinheit 50 ist typischerweise ein Bildschirmterminal.

Sender 60 sind über ein Kabel 64 mit einem Koppelvielfach verbunden. Die Anzahl (N.) Sender 60 ist durch die Anzahl

Elemente 14 in den Gruppen 16, 18 und 20 der Anordnung bestimmt, die für die Übertragung von Signalen zu dem untersuchten Objekt verwendet werden. Während N. ähnlich wie im Fall von N^. auf der Grundlage der Signaldämpfung erhöht wird, können N_{fc un}d N_r entweder gleich oder unterschiedlich sein. Das Koppelvielfach 62 dient zum Ansteuern der Elemente 14 zur Übertragung der vom Sender erzeugten Signale. Das Koppelvielfach 62 ist mit den Sende-Empfangs-Schaltern 26 über ein Kabel 66 verbunden, wobei das Kabel 66 die Anzahl Leiter aufweist, die der Anzahl N Elemente 14 in der Anordnung 10 entspricht. Zur Steuerung der Funktion bestimmter Funktionsblöcke in der Einrichtung ist ein zentraler Steuerteil 70 jeweils über Steuerleitungen 72, 74, 76, 78 und 80 mit dem Koppelvielfach 28, den Verzögerungsleitungen 35, dem Abtastumsetzer 46, den Sendern 60 und dem Koppelvielfach 62 verbunden. Der zentrale Steuerteil 70 kann entweder aus Geschwindigkeitsgründen festverdrahtet realisiert werden, oder er kann mit einer handelsüblichen Mikroprozessor-IS (z. B. einem Intel-8086- oder einem Motorola-68000-Mikroprozessor) realisiert werden. Die Steuerleitungen 72 und 80 liefern Element-Auswahlbefehle an das Koppelvielfach 28 und das Koppelvielfach 62. Die Signalleitungen 74 und 78 führen Verzögerungs-Steuersignale zu den Verzögerungsleitungen 34 und den Sendern 60 für die Fokussierung der Ultraschallsignale in der Einrichtung. Die Steuerleitung 76 führt geeignete Signale für die Umsetzung von Informationssignalen in Anzeigesignale.

Abgesehen von der Auswahl der Anzahl N. von Sende-Wandlerelementen 14 und der Anzahl N_r von Empfangs-Wandlerelementen 14 in den Gruppen 16, 18 und 20 der Anordnung 10 auf-

grund der Signaldämpfung wird die Einrichtung nach Fig. 2 in konventioneller Weise betrieben. Die Signaldämpfung kann entweder tatsächlich erfaßt werden, wobei dann die Anzahl NL und die Anzahl N_r auf dieser Grundlage dynamisch gesteuert wird, oder es kann bei der Auslegung der Einrichtung eine angenommene Signaldämpfung vorgesehen sein, wobei dann die Anzahl N_fc und die Anzahl N_r auf der Grundlage der angenommenen Dämpfung, die mit der Tiefenschärfe korreliert ist, geändert wird.

Fig. 4 ist ein detailliertes Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Ultraschall-Abbildungseinrichtung. Eine Anordnung 100 umfaßt Wandlerelemente 104, die in einander überlappenden Gruppen 106, 108 und 110 wie in den Fig. 1 und 2 angeordnet sind. Jedes Wandlerelement 104 der Anordnung 100 £st über eine Leitung 114-1 bis 114-X mit einem Sende-Empfangs-Schalter 116-1 bis 116-X verbunden. Jeder Sende-Empfangs-Schalter 116-1 bis 116-X ist über eine Leitung 118-1 bis 118X mit Sende-Impulsgebern 120-1 bis 120-X verbunden. Die Sende-Empfangs-Schalter 116-1 bis 116-X sind ferner über Leitungen 122-1 bis 122-X mit Vorverstärkern 124-1 bis 124-X verbunden. Die Vorverstärker 124-1 bis 124-X ihrerseits sind über Leitungen 126-1 bis 126-X mit digitalen Verzögerungsleitungen 128-1 bis 128-X verbunden. Letztere sind über Leitungen 130-1 bis 130-X mit Summierern 132 verbunden. Diese wiederum sind über eine Leitung 134 mit Signalverarbeitungsgliedern 136 verbunden, die ihrerseits über eine Leitung 138 mit Abtastumsetzern 140 verbunden sind; letztere sind wiederum über eine Leitung 142 mit einer Anzeigeeinheit 144 verbunden.

Der zentrale Steuerteil 150 ist über Leitungen 152-1 bis 152-X mit jedem Sende-Impulsgeber 120-1 bis 120-X verbunden. Der zentrale Steuerteil 150 ist mit jeder digitalen Verzögerungsleitung 128-1 bis 128-X über Steuerleitungen 154-1 bis 154-X verbunden. Steuersignalleitungen 152-1 bis 152-X liefern Sendeverzögerungs-Steuersignale an die Sende-Impulsgeber 120-1 bis 120-X. Die Steuerleitungen 154-1 bis 154-X übertragen Empfangsverzögerungs-Steuersignale an die Verzögerungsleitungen 128-1 bis 128-X. Der zentrale Steuerteil 150 ist ferner über eine Steuerleitung 156 mit dem Abtastumsetzer 140 verbunden. Wenn der zentrale Steuerteil 150 ein Mikroprozessor ist, ist in einem Pestwertspeicher bzw. ROM ein geeignetes Steuerprogramm zur Realisierung der Steuerfunktionen gespeichert.

Die Einrichtung nach Fig. 4 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig..3 dadurch, daß die Sende-Impulsgeber 120-1 bis 120-X, die Vorverstärker 124-1 bis 124-X und die Verzögerungsleitungen 128-1 bis 128-X vollständig parallel realisiert sind. Dieser Aufbau ermöglicht es, daß die Einrichtung nach Fig. 4 entweder gemäß der vorliegenden Erfindung oder gemäß der eingangs genannten Anmeldung "Frequency Controlled Hybrid Ultrasonic Imaging Arrays" betrieben werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zu jedem gegebenen Zeitpunkt einige der Wandler 104 als Sender und einige als Empfänger betrieben, wobei die Anzahl Wandlerelemente 104 in jeder Gruppe 106, 108 und 110 auf der Grundlage der erfaßten Signaldämpfung gewählt wird.

Beide Ausführungsbeispiele nach den Fig. 3 und 4 können mit unveränderlicher Sendeschärfe, Abtastempfangsschärfe und

dynamischer Fokussierung oder mit Zonensende- und -empfangsschärfe und dynamischer Doppelfokussierung betrieben werden.

Beim Betrieb eines Systems gemäß den Fig. 3 und 4 wird bei
einer angenommenen Sendefrequenz von 10 MHz das Ultraschallsignal ungefähr entsprechend der Tabelle I gedämpft, und
zwar auf der Grundlage der vorstehend erörterten mathematischen Beziehung.

TABELLE

	Da τη nftinoKfald-nr	f	center	f	center
	(dB/cm/MHz)	bei 2 cm	bei ^ cm
■Rsnf3hn=>-i-t-i=»	0,8	(MHz)	(MHz)
*\%)*	1,0	7,9	5,8
ho	1,2	7,3
ko	0,8	6,8	3,6
ko	1,0	6,7	3, <♦
so	12	5,9	1,7
50	·· 5,0	o.oJ»
50

Es sei nun der Fall einer 40 % Bandbreite (typisch für einen guten Abbildungs-Wandler) bei einer Gewebedämpfung von 1,0 dB/cm/MHz betrachtet. In diesem Fall sollte die Anordnungsleistung mit einer Mittenfrequenz von 7,3 MHz bei einer Tiefe von 2 cm und einer Mittenfrequenz von 4,7 MHz bei einer Tiefe von 4 cm optimiert werden.

Mit abnehmender Frequenz erhöht sich die Bündelbreite jedes Wandlerelements ungefähr als 1/Frequenz, und damit erhöht sich die Anzahl der Elemente, die effektiv eingesetzt werden können, ebenfalls um ungefähr diesen Faktor. Die Anzahl der einsetzbaren Elemente ist nachstehend in der Tabelle II angegeben.

TABELLE

(Anzahl eingesetzter Elemente)

Tiefe alter Aufbau* neuer Aufbau

2 cm 9 12

4 cm 15 32

♦Erhöhung der Anzahl Elemente proportional zur Tiefenschärfe

Zur kompletten Systemauslegung wird diese Analyse bei jeder Tiefe im Fall eines kontinuierlich fokussierten Systems oder in jeder örtlichen Zone im Fall eines zonenfokussierten Systems durchgeführt.

Fig. 5 zeigt einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels, wobei eine kreisförmige Anordnung 200 dazu dient, die Ultrschallsignale zu senden und zu empfangen, die eine Abbildung eines mit der Einrichtung untersuchten Objekts definieren. Die Kreisanordnung 200 umfaßt Elemente 202-1 bis 202-X, die jeweils an eine von Leitungen 214-1 bis 214-X angeschlossen sind. Eine mechanische Abtastvorrichtung 204 ist mit der Kreisanordnung 200 bei 206 verbunden und tastet die Anordnung 200 in konventioneller Weise ab, so daß eine Abbildung erhalten wird. Die übrigen Teile einer die Kreisanordnung 200 aufweisenden Einrichtung entsprechen Fig. 4.

Im Betrieb wird die Anzahl der ausgewählten Elemente 202-1 bis 202-X der Anordnung 200, die die zur Erzeugung einer Abbildung des untersuchten Objekts dienenden Signale senden und/oder empfangen, in Abhängigkeit von der Frequenzdämpfung des gesendeten Ultraschallsignals im Objekt geändert, wobei diese Frequenzdämpfung entweder erfaßt wird oder bei der Systemauslegung angenommen wurde. Wie im Fall einer linearen Anordnung erhöht sich die Anzahl der eingesetzten Elemente 202-1 bis 202-X mit zunehmender Tiefe innerhalb des untersuchten Objekts.

Die folgende Auflistung ist ein Programm zur Berechnung der Mittenfrequenz eines Ultraschallspektrums bei einer bestimmten Tiefe im Gewebe und kann für die Auswahl einer Anzahl von Sende- und/oder Empfangswandlerelementen gemäß der Erfindung genutzt werden. Das Programm läuft in einem Kleinrechner PDP 11/40 von Digital Equipment ab.

■Λ * χ

- 22 -

5 ! ΡΞΡ.Κ

10 ί ΠSSLiE RTTZH EFFECT ON CENTER FREQ 30 INPUT "RTTEN (DB^CM^MHZ)"jfl

50 ? "5* j "FR "j "RMW

IOo'fDR Xf=¹H Tu 4 STEP .5 103 RM=O

105 FDR FR=.S5 TC 15 :7ΞΡ .23 HO Ai=.0496·<FR-9.75>*<FR-9.?5> 12ö βB- >23*h»-F^*]>

130 R=EXPC-^l-RS)

140 IF R>RM THEN SM-R :FM=FI?

150 HEXT FR

\55 7 ""

160 ? D-PMjRM
170 NEXT D

Die nachfolgende Auflistung ist ein Programm für einen Tischrechner HP-85 von Hewlett-Packard, der Ultraschallspektren bei verschiedenen Tiefen im Gewebe errechnet und aufzeichnet, und das Programm dient der weiteren Unterstützung bei der Auswahl einer Anzahl vo Sende- und/oder Empfangs-Wandlerelementen gemäß der Erfindung.

1 ft^l"¹	GOSUB	1Θ00	IHlT
lie	GOSUB	2888	INPUT
128	GOSUB	4888	PLOT SET-UP
130	GOSUB	3888	CRLCULflTEicPLOT
148	GOSUB	5Ö00	COPY
1 68	GOTO 1	10

ΙβΘΘ > IHIT

1818 FU=IO ! HHz XDUCER CENTER F

REQ

10-20 Fl=O ! MIN FREQ 1830 F2=15 ! MfiX FREQ 1048 F3=.£5 ! £F
1058 B1=48 ! fcBflNDWIDTH 1068 B=Bl*.81 ! FRflC BRNOMIDTH 1070 K=.€ ! dß/cm/MHz 10S0 21=6 ! DEPTH INTO TISSUE-;cm

1850 22=1 ! Δ2 FOR PLOTTING 118Ö CLEFlR

1118 DISP "ORTE" & INPUT DS* 199S RETURN
2609 ! INPUT

2865 20 18

2 Κ 2 Π 2838 204 θ 2 ft 5 Γ» 2Θ60

2878 2880

210Θ 21 18 2120 2*99 3 »3 θ 8 3883 3'Λ t» 7 3003 3-IU 8 3029 303Θ 304Θ

3058 3055

3Θ β θ 3065

3Θ7Θ 3080 3? S 3 40 Θ Θ 4810 4028 4Θ48 4058 4060 4870 4838 4885 4098 4188

"F=";FÖ;"MHz XDUCER FR

"B="; Bl; "JiBHHDWIDTH" "K=";Ki"dB/cw/MHζ" "ZHHX=";21;"cm DEEP"

e Disp

"TYPE, VHLUE¹¹;!?

CLcHR DISP EC" DISP DISP DISP DISP DISP

IF TS=¹¹F" IF T$="B" *B1 IF Ti=¹¹K" IF T$="2" IF Ti="0" GOTO 2005 RETURN

! CHLCULHTE FOR 2=Θ TO PENUP INPUT T

THEH THEN

THEN THEN THEN

F0=V Bl=V S B=. 01

K=V

Zl=V

RETURN

STEP

FOR F=Fl TO F2 STEP F3

L=H+T

IF L>Y1 THEN PLOT F,L β Q=I IF L<Y1 HND Q>8 THEN LflBEL

VHL$<2> e PENUP β Q=2 NEXT F

IF Q#2 THEN IMOVE .25,8 S L

HBEL VHLi-<2> PENUP NEXT Z RETURN

! PLOT SET-UP

CLfFiR

GCLEflR

Yl=-S8 ! YMIH

Y2=0 ! YMHX

SCHLE Fl-I,F2+1,Υ1-18.Υ2+1Ο

XHXIS Yl,1/F1,F2

XHXIS Y2,1,F1,F2

XHXIS -4Θ,1,F1,F2

YHXIS Fl, 10.. Yl, Y2

YHXIS F2,10,Y1,Y2

-2A-

4110 YflXIS 5,1Θ,Yl,Υ2

4115 YflXIS 18*18,Yl,Υ2

412Θ FOR P=Fl TO F2 STEP 5

413Θ MOVE .95#F,Y1-18 S LflBEL Vfi

L*<F> 4140 HEXT F

4998 PEHUP

4999 RETURH 5988 ! COPY

5Θ05 PRIHT "DBTE IS ">09t 6 PRIH

• T
5818 PRIHT "XDUCER FR£Q=";F8i"MH

z"

5828 PRIHT
5Θ30 PRIHT Ki "3
5040 PRIHT "DEPTHS FROM 8 TO";21

; "cm"

5858 PRIHT β PRIHT
506Θ GRflPH e COPY
5878 PRIHT e PRIHT 6 PRIHT 6 PRI

HT 6 PRIHT 5599 RETURH

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß eine Ultraschall-Abbildungseinrichtung angegeben wurde, die die eingangs angegebene Aufgabe lösen kann. In bezug auf die stufengesteuerten Anordnungen nach den Fig. 3 und 4 wird eine verbesserte Bildauflösung dadurch erreicht, daß die Öffnungsgröße auf der Grundlage der Abnahme der Mittenfrequenz infolge der Signaldämpfung erhalten wird. Bei der Auslegung der Wandleranordnung für solche Einrichtungen nach dem Stand der Technik wird die Anzahl der Elemente, die die Öffnungsgröße bestimmen, nur proportional zur Tiefenschärfe erhöht. Es wird angenommen, daß die Auflösung bei jeder Tiefe konstantgehalten wird, weil die Mittenfrequenz als tiefenunabhängig angenommen wird. Da jedoch die Mittenfrequenz tatsächlich in der Abbildung verringert wird, wird die Bildauflösung in der Tat tief in der Abbildung der bekannten Einrichtungen verschlechtert.

Die Vergrößerung der Öffnungsgröße durch Erhöhung der Anzahl der in jeder stufengesteuerten Gruppe zu verwendenden Wandlerelemente umgekehrt proportional zu der Signalverschlechterung ermöglicht dagegen die Aufrechterhaltung einer hohen Bildauflösung bei tiefer Feldfokussierung. Ein Filtern des Signals ist nicht erforderlich, und der Rauschabstand braucht nicht verschlechtert zu werden. Das gleiche Prinzip gilt für niederfrequente lineare Anordnungen, z. B. solche, die für eine 3,5 MHz-Sendefrequenz zur Bauchabtastung ausgelegt sind. Das Prinzip gilt auch für eine kreisförmige Anordnung, indem eine größere Gruppe von kreisförmigen Wandlerelementen tief in der Abbildung eingesetzt wird, die auf der Grundlage der Verringerung der Mittenfrequenz infolge der Signaldämpfung ausgewählt sind.

Claims

Patentansprüche

1. Ultraschall-Abbildungseinrichtung, gekennzeichnet durch eine Anordnung (10; 100; 200) von Wandlerelementen (14; 104; 202-1 bis 202-X), die Ultraschallsignale mit einer ersten vorbestimmten Mittenfrequenz in ein Objekt (12) senden, das unter Nutzung der von innerhalb des Objekts (12) reflektierten und von der Einrichtung erfaßten Sendesignale zu untersuchen ist, wobei die von der Einrichtung erfaßten reflektierten Signale eine zweite Mittenfrequenz haben, die infolge der Signaldämpfung durch das Objekt (12) niedriger als die erste Mittenfrequenz ist; und

- Einheiten (70, 62; 150, 152-1 bis 152-X), die so geschaltet sind, daß sie auf der Grundlage der zweiten Mittenfrequenz eine Anzahl Wandlerelemente (14; 104; 202-1 bis 202-X) zum Senden der Ultraschallsignale auswählen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Wandlerelement-Anordnung eine lineare stufengesteuerte Anordnung (10; 100) ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelement-Anordnung eine kreisförmige Anordnung. (200) ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelement-Anordnung (10; 100; 200) die vom Objekt (12) reflektierten Sendesignale auch empfängt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einheit (28), die so geschaltet ist, daß sie auf der Grundlage der zweiten Mittenfrequenz eine Anzahl Wandler (14) in der Wandlerelement-Anordnung (10) für die Erfassung der reflektierten Signale auswählt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einheit (70; 150) zum Bestimmen der zweiten Mittenfrequenz, wobei die Frequenzbestimmungseinheit so geschaltet ist, daß sie die Sendewandler-Auswahleinheit (62) und die Empfangswandler-Auswahleinheit (28) steuert.

7. Einrichtung nach Anspruch· 1, gekennzeichnet durch eine Einheit (70; 150) zum Bestimmen der zweiten Mittenfrequenz, wobei die Frequenzbestimmungseinheit so geschaltet ist, daß sie die Sendewandler-Auswahleinheit (62) steuert.

8. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Mittenfrequenz auf der Grundlage einer Tiefe innerhalb des untersuchten Objekts (12) errechenbar ist.

9. Ultraschall-Abbildungseinrichtung, gekennzeichnet durch

- eine Anordnung (10; 100; 200) von Wandlerelementen (14; 104; 202-1 bis 202-X), die Ultraschallsignale mit einer ersten vorbestimmten Mittenfrequenz in ein Objekt (12) senden zwecks Untersuchung desselben durch Nutzung der von innerhalb des Objekts reflektierten und von der Wandlerelementanordnung (10; 100; 200) erfaßten Sendesignale, wobei die reflektierten Signale eine zweite Mittenfrequenz haben, die aufgrund der Signaldämpfung durch das Objekt (12) niedriger als die erste Mittenfrequenz ist; und

Einheiten (70, 28; 150), die so geschaltet sind, daß sie auf der Grundlage der zweiten Mittenfrequenz eine Anzahl Wandlerelemente der Wandlerelementanordnung (10; 100; 200) für die Erfassung der reflektierten Signale auswählen.

10. Einrichtung nach Anspruch 9,
gekennzeichnet durch

eine Einheit zum Bestimmen der zweiten Mittenfrequenz, wobei die Frequenzbestimmungseinheit (70) so geschaltet ist, daß sie die Empfangswandler-Auswahleinheit (28) steuert.

11. Einrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Mittenfrequenz auf der Grundlage einer Tiefe innerhalb des untersuchten Objekts errechenbar ist.

12. Ultraschall-Abbildungseinrichtung, gekennzeichnet durch

- eine Anordnung (10; 100; 200) von Wandlerelementen {14; 104; 202-1 bis 202-X) zum Senden von Ultraschallsignalen mit eine« ersten vorbestimmten Frequenzspektrum in ein Objekt ("2), das durch Nutzung der innerhalb des Objekts (12) reflektierten und von der Einrichtung erfaßten Sendesignale zu untersuchen ist, wobei die von der Einrichtung erfaßten reflektierten Signale ein zweites Frequenzspektrum haben, das infolge der Signaldämpfung durch das Objekt (12) von dem ersten Frequenzspektrum verschieden ist; und

- Einheiten (70, 62; 150, 152-1 bis 152-X), die so geschaltet sind, daß sie auf der Grundlage des zweiten Frequenzspektrums eine Anzahl Wandler in der Wandlerelement-Anordnung (10; 100; 200) zum Senden der Ultraschallsignale auswählen.

13. Einrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Wandlerelementanordnung eine lineare stufengesteuerte Anordnung (10; 100) ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13,
gekennzeichnet durch

eine Einheit (28), die so geschaltet ist, daß sie auf der Grundlage des zweiten Frequenzspektrums eine Anzahl Wandlerelemente der Wandlerelementanordnung (10; 100) zur Erfassung der reflektierten Signale auswählt.

15. Einrichtung nach Anspruch 14,
gekennzeichnet durch

eine Einheit zum Bestimmen wenigstens eines Parameters des zweiten Frequenzspektrums, wobei die Frequenzspektrum-Bestimmungseinheit (70; 150) die Sendewandler-Auswahleinheit (62) und die Empfangswandler-Auswahleinheit (28) steuert.

16. Einrichtung nach Anspruch 13,
gekennzeichnet durch

eine Einheit zum Bestimmen mindestens eines Parameters des zweiten Frequenzspektrums, wobei diese Einheit (70; 150) die Sendewandler-Auswahleinheit (62) steuert.

17. Einrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,

daß mindestens ein Parameter der zweiten Mittenfrequenz auf der Grundlage einer Tiefe innerhalb des untersuchten Objekts (12) errechenbar ist.

18. Einrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Wandlerelementanordnung eine kreisförmige Anordnung (200) ist.

19. Ultraschall-Abbildungseinrichtung, gekennzeichnet durch eine Wandlerelementanordnung (10; 100; 200) zum Senden von Ultraschallsignalen mit einem ersten vorbestimmten Frequenzspektrum in ein Objekt (12), das durch Nutzung der von innerhalb des Objekts reflektierten und von der Wandlerelementanordnung erfaßten Sendesignale zu untersu-

chen ist, wobei die reflektierten Signale ein zweites Frequenzspektrum haben, das sich infolge der Signaldämpfung durch das Objekt von dem ersten Frequenzspektrum unterscheidet; und

Einheiten (70, 28; 150), die so geschaltet sind, daß sie auf der Grundlage des zweiten Frequenzspektrums eine Anzahl Wandlerelemente in der Wandlerelementanordnung (10; 100; 200) zum Erfassen der reflektierten Signale auswählen.

20. Einrichtung nach Anspruch 19,
gekennzeichnet durch

eine Einheit zum Bestimmen mindestens eines Parameters des zweiten Frequenzspektrums, wobei diese Einheit (70) die Empfangswandler-Auswahleinheit (28) steuert.

21. Einrichtung nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,