DE3241814C2 - Ultraschallmikroskop - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallmikroskop, bei dem eine in einem Medium (2) liegende Probe (1) mit einer fokussierten Ultraschallwelle von einem Fokussier-Ultraschall-Sendeelement (13) bestrahlt wird, und die fokussierte Ultraschallwelle wird durch ein Fokussier-Ultraschall-Empfangselement (6) erfaßt. Die Probe (1) oder das Fokussier-Sendeelement (13) und das Fokussier-Ultraschall-Empfangselement (6) ist bzw. werden in der X-Y-Ebene bewegt, und entweder das Fokussier-Sendeelement (13) oder das Fokussier-Ultraschall-Empfangselement (6) wird zur Probe (1) oder entlang der Strahl achse in Schwingungen versetzt. Hierdurch werden die Erfassungswirksamkeit und Handhabbarkeit verbessert.

Description

be (1), die K-Achsenposition der Ultraschallwelle bezüglich der Probe (1) und das Interferenzsignal anzeigt.

Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschallmikrodiiueroar.

Nachfolgend werden Beispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines bereits durch die Erfinder vorgeschlagenen Ultraschallmikroskops,

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Ultraschallmikroskops nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Rg. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der Betriebsart des in Fig. 2 gezeigten Ultraschallmikroskops,

Rg. 4 ein Blockdiagramm eines Ultraschallmikroskopa nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Rg. 5 ein Blockdiagramm eines Ultraschallmikroskops nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ein bereits von den Erfindern vorgeschlagenes Mikroskop wird im folgenden näher erläutert Fig. 1 ist sin Blockdiagratflm dieses Ultraschallmikroskops. In Rg. 1 liegt eine Probe 1 in einem Medium 2. Ein ebenes Ultraschall-Sendeelement 3 ist schräg bezüglich der senkrechten Achse der Probe 1 angeordnet Ein kontinuierliches elektrisches Signal bzw. ein elektrisches Dauerstrichsignal von einem Hochfrequenzoszillator 4 wird in einen Hochfrequenzimpuls durch einen Impulsmodulator 5 umgesetzt Der Hochfrequenzimpuls vom Impulsmodulator 5 wird an das ebene Ultraschall-Sendeelement 3 abgegeben, so daß dieses die Ultraschallwellen auf die Probe 1 abstrahlt Ein Fokussier-Ultraschall-Empfangselement 6 liegt gegenüber dem ebenen Ultraschall-Sendeelement 3, wobei die Probe 1 dazwischen angeordnet ist Das Fokussier-Ultraschall-Empfangselement 6 ist mit einem X- Y-Abtaster 7 gekoppelt, der entlang der X- und der K-Achse abhängig von einem Signal von einer Abtastschaltung 8 bewegt wird. Das Signal von der Abtastschaltung 8 wird auch an eine Elektronenstrahlröhre (im folgenden auch kurz "CRT genannt) 9 abgegeben. Die Ultraschallwellen, die die Probe 1 durchsetzt haben, werden durch das Fokussiyr-Ullraschall-Empfangselement 6 empfangen und in ein elektrisches Signal umgesetzt, das vom Hochfrequenzoszillator 4 erzeugt wird. Das elektrische Signal wird dann durch einen Mischer 11 mit einem Bezugssignal gemischt, das durch ein Dämpfungsglied 10 auf den Pegel des elektrischen Signals vom Fokussier-Ultraschall-Empfangselement 6 gedämpft wird. Das zusammengesetzte oder gemischte Signal, d. h., das Interferenzsignal vom Mischer 11 wird durch einen Detektor 12 gleichgerichtet und zu einem Intensitäts- bzw. Stärke-Modulationseingangsanschluß fZ-Achse) der Elektronenstrahlröhre 9 gespeist, um dadurch angezeigt zu werden.

Da in einem Ultraschallmikroskop mit dem oben beschriebenen Aufbau der Abstrahlbereich des ebenen Ultraschall-Sendeelementes 3 groß bzw. weit ist wird der elektrische Energieverbrauch gesteigert, und die Strahlung idealer ebener Wellen ist schwierig (zu erzielen). Weiterhin neigt das Schallwellenfeld zu Ungleichmäßigkeiten, und die Einstellung des Neigungswinkels des ebenen Ultraschallwandlers ist zeitaufwendig. Zusätzlich tritt leicht eine Interferenz zwischen der flachen Probe 1 und dem ebenen Ultraschall-Sendeelement 3 auf.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm eines Ultraschallmikroskops nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Rg. 2 werden für einander entsprechende Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in Fig. I. Jedoch wird in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Fokussier-Ultraschall-Sendeelement 13 anstelle des ebenen Ultraschall-Sendeelementes 3 benutzt. Das Fokussier-Ultraschall-Sendeelement 13 wird zusammen mit dem Fokussier-Ultraschall-Empfangselement 6 in der X- Y- Ebene durch den X- Y-Abtaster 7 bewegt. Das Fokussier-Ultraschall-Sendeelement 13 wird in der Richtung auf die Probe 1 zu, d. h., entlang der Z-Achse durch einen Vibrator oder Schwinger 15 in Schwingungen versetzt bzw. gerüttelt, wobei der Schwinger 15 durch ein Niederfrequenzsignal von einem Niederfrequenzosz'illator 14 angetrieben ist

Im Ultraschallmikroskop dieses Ausführungsbeispiels mit dem oben beschriebenen Aufbau wirken sich die relativen Änderungen zwischen dsr Probe 1 und dem Ultraschallstrahl wie eine Neigung der Abstrahlfläche des Fokussier-UItraschall-Sendeelementes 13 bezüglich der Probe 1 aus, wie dies durch Strichlinien in Rg. 2 gezeigt ist falls die Geschwindigkeit des Ultraschall-Strahles entlang der X-Achse, die sich durch die gleichmäßig dicke Probe 1 ausbreitet die im Ausbreitungsweg der Ultraschallwellen liegt mit der Änderung im Abstand zwischen dem Fokussier-Ultraschall-Sendeelement 13 und der Probe 1 synchronisiert ist, d. h. mit der Änderungsrate in der durch den Schwinger 15 bestimmten Länge c^s Ausbreitungsweges der Ultraschallwellen. Auf diese Weise wird das Interferenzmuster der Ultraschallwellen auf dem Schirm der Elektronenstrahlröhre 9 in herkömmlicher Weise angezeigt Das heißt die Oberfläche der Probe 1 wird durch den Ultraschallstrahl entlang der A"-Achse abgetastet Der Schirm der Elektronenstrahlröhre wird entlang der X-Achse (horizontale Achse) in Übereinstimmung mit dem Abtasten der Probe 1 abgetastet. Das Ausgangssignal des Mischers 11 wird zum Z-Achsen-Anschluß (Slärke-Modulationsachse) der Elektronenstrahlröhre 9 gespeist. Der Ultraschall wird weiterhin entlang der V-Achse abgetastet, um die Probe 1 rastermäßig abzutasten. Dann schwanken die auf dem Schirm 9' der Elektronenstrahlröhre 9 angezeigten Interferenzstreifen 16 in der in Fig. 3 dargestellten Art teilweise. Die zweidimensionale Verteilung der Schallgeschwindigkeit in der Probe 1 kann aus der Schwankung gemessen werden.

Im folgenden wird ein von den Erfindern durchgeführter Versuch näher erläutert.

Die Frequenz der Ultraschallwellen betrug 100 MHz. Die Probe war ein Teil eines myokardialen Gewebes, das eine Dicke von 20 μπι hatte. Zwei konkave Ultraschallwandler mit zwei aus Zinkoxid (ZnO) bestehenden piezoelektrischen Filmen wurden für das Fokussier-Ultraschall-Sendeelement 13 und das Fokussier-Ultraschall-Empfangselement 6 benutzt. Beide Elemente hatten eine Brennweite von 1500 μπι, um so einen gemeinsamen Brennpunkt zu besitzen. Die Probe 1 wurde mechanisch sinusförmig mit einer Frequenz von 50 Hz durch eine elektrische Spule mit einer Abtastamplitude B von 1 mm für das X-Achsen-Abtasten in Schwingungen versetzt. Synchron mit dem X-Achsen-Abtasten wurde das Fokussier-Ultraschall-Empfangselement durch den Schwinger 15 mit einer Frequenz von 50 Hz entlang der Z-Achse mit einer Amplitude A von ± 100 μπι in Schwingungen versetzt, wobei der Gleichgewichtspunkt die Mitte bildete. Die Länge des Ausbreitungsweges zwischen dem Fokussier-Sendeelement und dem Empfangselement wurde verändert. Weiterhin wurde die Befestigung der elektrischen Spule für das X-Achsen-Abtasten entlang der V-Achse um 2 mm innerhalb einer Zeitdauer von etwa 10 s bewegt, um zweidimensional die Probe mit dem Ultraschallstrahl abzutasten. Die auf dem Schirm der Elektronenstrahlröhre angezeigten Interferenzstreifen wurden an der Grenze zwischen Wasser als Bezugsmedium (Schallgeschwindigkeit v= 1510 m/s) verschoben. Die Verschiebung der Inter^ferenzstreifen auf dem Schirm der Elektronenstrahlröhre wurde mit Δχ—32 μπι gemessen, wenn diese abhängig vom Abstand auf der Oberfläche der Probe gemäß dem Multiplikationsfaktor ausgedrückt wurde. Wenn / die Dicke der Probe, Vo und vi die Schalige-

5

schwindigkeit im Bezugsmedium bzw. in der Probe und ΔΖ den Änderungsbetrag in der Länge des Ausbreitungsweges bedeuten, dann gilt: ) JZ=/(I - V₀Zv₁) ι Daraus folgt: 5 \ _Vl = _Voi(l - z/l) , mit

ΔΖ = Δχ χ (A/B) = 3,2

/ = 20 um ^

ergibt sich für die Schallgeschwindigkeit an der Grenz- io ^

fläche zwischen Probe und Wasser: ^lf,

v, = 1510/(1 - 3,2 χ 10-V20 χ ΙΟ-⁶) = 1800(m/s) "

Auf diese Weise kann die Verteilung der Schalige- <*

schwindigkeit am Innenteil der Probe entfernt von der i$

Grenzfläche zwischen der Probe und Wasser einfach t5 fjj

aus der Verschiebung der Interferenzstreifen gemessen ρ

werden. '}

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm eines Ultraschallmikroskops nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die Probe 1 innerhalb derA"- Y-Ebene durch den X-Y-Abtaster 7 bewegt Das Ultraschall-Sendeelement 13 wird durch den Schwinger 15 in Schwingungen versetzt, oder es wird das Ultraschall-Empfangselement 6 durch einen in Strichlinien angedeuteten Schwinger oder Vibrator 15' entlang der Z-Achse in Schwingungen versetzt. Da die Betriebsart und die Wirkungen dieses Ausführungsbeispiels die gleichen sind wie diejenigen des vorhergehenden Ausführungsbeispiels, kann von einer näheren Beschreibung abgesehen werden.

Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm eines Ultraschallmikroskops nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Fokussier-Ultraschall-Empfangselement 6 oder das Fokussier-Ultraschall-Sendeelement 13 innerhalb der X-Y-Ebene durch den X- Y-Abtaster 7 bewegt, und das Fokussier-Ultraschall-Sendeelement 6 wird durch den Schwinger 15' entlang der Z-Achse bewegt. Die Betriebsart und die Wirkungen dieses Ausführungsbeispiels sind die gleichen wie diejenigen der vorherigen Ausführungsbeispiele, so daß von einer näheren Erläuterung abgesehen werden kann.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das kontinuierliche elektrische Signal vom Hochfrequenzoszillator 4 in einen Hochfrequenzimpuls durch den Impulsmodulator 5 moduliert. Jedoch braucht die in das Medium (Wasser) 2 abgestrahlte Ultraschallwelle nicht eine gepulste Ultraschallwelle zu sein, und es kann (auch) eine kontinuierliche Ultraschallwelle verwendet werden.

Da bei der Erfindung die Abstrahlung der Ultraschallwellen durch das Fokussier-Ultraschall-Sendeelement erfolgt, ist die Wirksamkeit des Mikroskops hervorragend, und die Eingangsleistung kann herabgesetzt werden. Weiterhin kann der effektive Neigungswinkel frei und einfach verändert werden, indem elektrisch das Verhältnis der Schwingungsamplitude des Fokussiersende- oder -empfangselementes entlang der Z-Achse zur Schwingungsamplitude der Probe entlang der X-Achse geändert wird. Da fokussierte Ultraschallwellen benutzt werden, tritt eine Stehwelleninterferenz nicht auf. was ein wirksames Ultraschallmikroskop liefert

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche

1. Ultraschallmikroskop zum Abtasten einer Probe (1), die in einem Medium (2) liegt mit einem auf das Medium (2) einwirkenden Fokussier-Ultraschall-Sendeelement (13) zum Erzeugen einer fokussierten Ultraschallwelle für das Bestrahlen eines kleinen Teils der Probe (1) infolge eines Ansteuersignals mit Ultraschallfrequenz, mit einem mit dem Medium (2) verkoppelten Fokussier-Ultraschall-Empfangselement (6) zum Erzeugen eines Empfangssignals infolge der Ultraschallwelle, die durch das Sendeelement (13) erzeugt wurde und durch den kleinen Teil der Probe (1) weitergeleitet wurde, mit einem Bezugssignalgenerator (4) zum Erzeugen eines Bezugssignals mit Ultraschallfrequenz, einer Treiberstufe (5), die in Abhängigkeit von dem Bezugssignal das Ansteuersignal mit Ultraschallfrequenz erzeugt, um das Sendeelement (13) anzusteuern, und mit einem A"-K-Abtaster (7), der ein Abtasten oder Kreuzen der Probe (1) in einer Koordinatenebene bewirkt, die im wesentlichen senkrecht zu einer Linie ist, die sich zwischen dem Sendeelement (13) und dem Empfangselement (6) erstreckt, während diese Elemente (13,6) in gegenseitiger Ausrichtung längs dieser Linie verbleiben, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mischer (11) vorgesehen ist, der das Empfangssignal mit dem Bezugssignal verknüpft, um ein Interferenzsignal zu erzeugen, und daß ein Schwinger (15) vorgesehen ist, der das Sendeelement (13) oder das Empfangselement (6) längs der Richtung der sich zwischen dem Sendeelement (13) und dem Empfangselement (6) erstreckenden Linie synchron mit der Abtastung der Probe (1) durch den X- Y-Abtaster (7) in Schwingungen versetzt, wobei die Ultraschallwelle derart auf der Probe (1) auftrifft, als ob die Strahlungsoberfläche des Sendeelements (13) bezüglich der sich zwischen dem Sendeelement (13) und dem Empfangselement (6) erstreckenden Linie geneigt wäre und wobei die auftretende Neigung der Strahlungsoberfläche durch Veränderung der Amplitude der Schwingung des Schwingers (15) relativ zur Amplitude beim Abtasten durch den X- K-Abtaster (7) veränderbar ist.

2. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der X- V-Abtaster (7) die Probe (1) bewegt, iid daß das Sendeelement (13) und das Empfangselement (6) keine Abtastbewegung in X-Y- Richtung aufweisen.

3. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansteuersignal als ein kontinuierliches Wellensignal ausgebildet ist.

4. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansteuersignal als Impulssignal ausgebildet ist.

5. Ultraschallmikroskop nach einem der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (9) vorgesehen ist, die gleichzeitig die A'-Ach- eo

rs5.~h = !!-.i,^!!i bcZÜgiiCn der Fluskop gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Ultraschallmikroskop ist aus der DE-OS 25 54 898 bekannt Bei diesem bekannten Ultraschallmi kroskop ist ein Sendeelement als ein Fokussier-Ultraschall-Sendeelement ausgebildet, und ein Empfangselement ist als ein Fokussier-Ultraschall-Empfangselement ausgebildet Eine zu messende Probe ist mittels eines Mikrometers in und aus der Brennebene heraus längs der Z-Achse einstellbar. Außerdem ist die Probe in der ΛΎ-Ebene mittels eines Lautsprechers, an dessen Trichter die Probe befestigt ist und mittels einer hydraulischen Vorrichtung verschiebbar. Synchron mit der Bewegung in der ΛΎ-Ebene wird eine Elektronenstrahlröhre angesteuert die eine Abbildung der Probe zeigt

Bei diesem bekannten Ultraschallmikroskop ist das Fokussier-Ultraschall-Sendeelement nicht gegen die Ebene der Probe geneigt, und außerdem wird die Abbildung der Probe nicht unter Verwendung eines Interferenzsignals erzeugt, und schließlich werden die Probe, das Sendeelement und/oder das Empfangselement nicht in Schwingungen in Richtung zueinander versetzt.

Die Erfinder haben bereits ein verbessertes herkömmliches Ultraschallmikroskop vorgeschlagen (vergl. US-Patentanmeldung 5 31 902), das als Em pfangseiement ebenfalls ein Fokussier-Ultraschall-Empfangselement benutzt Bei diesem Ultraschallmikroskop wird als Ultraschall-Sendeelement ein ebenes Sendeelement benutzt

Da jedoch bei diesem Ultraschallmikroskop der Abstrahlbereich des ebenen Ultraschallwandlers weit ist, steigt die erforderliche elektrische Energie an. Weiterhin ist Strahlung idealer ebener Wellen nicht einfach zu verwirklichen, und das Schallwellenfeld neigt aufgrund von Beugung zu Unregelmäßigkeiten. Das Einstellen des Neigungswinkels des ebenen Ultraschallwandlers ist zeitaufwendig, und es wird leicht eine Interferenz zwischen einer flachen Probe und dem Ultraschallwandler· hervorgerufen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallmikroskop anzugeben, bei dem das vom Ultraschallsendeelement abgegebene Schallwellenfeld gegen die Probe geneigt ist und bei dem der effektive Neigungswinkel der vom Ultraschallwandler abgegebenen Ultraschallwellen frei und einfach veränderbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem Ultraschallmikroskop nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die in dem kennzeichnenden Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung sieht also ein Ultraschallmikroskop vor, bei dem einerseits ein Mischer vorgesehen ist, der das Empfangssignal des Ultraschall-Empfangselements mit einem Bezugssignal verknüpft und bei dem andererseits ein Schwinger vorgesehen ist, der das Sendeclcment und/oder das Empfangselement derart in Schwingungen versetzt, daß die Ultraschallwelle derart auf der Probe auftrifft, als ob die Strahlungsoberfläche des Sendeelements geneigt wäre, und die auftretende Neigung der Strahlungsoberfläche ist durch Veränderung der Amplitude der Schwingung des Schwingers relativ zur Amplitude beim Abtasten durch den A'V-Abtasier ver-