DE3317576A1

DE3317576A1 - Ultraschalltransmissionssystem

Info

Publication number: DE3317576A1
Application number: DE3317576A
Authority: DE
Inventors: S. David Ramsey Jun.; Jon C. 94306 Palo Alto Calif. Taenzer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-05-17
Filing date: 1983-05-13
Publication date: 1983-11-17
Also published as: US4457175A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 82 P 8516 DE

Ultra schall transmiss! onssystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschalltransmissionssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches

Ein Ultraschalltransmissionssystem ist z.B. im US-Patent 3,937,066 und in einem Aufsatz von J.F. Havlice, P.S. Green, J.C. Taenzer und W.F. Mullen mit dem-Titel "Spatially and Temporally Varying Insonification for the Elimination of Spurious Detail in Acoustic Transmission Imaging" beschrieben. Der Aufsatz wurde in der Zeitschrift Acoustical Holography, Vol. 7, Plenum Publishing Corporation (1977), Seiten 291 - 305 veröffentlicht. Die Systeme des Standes der Technik sind Echtzeit-Transmissionssysteme, die eine orthographische Bilddarstellung ermöglichen. Die Bilder sind leicht interpretierbar und können, da die Bildgebung auf den Dämpfungseigenschaften der Gewebe eines zu untersuchenden Patienten beruht, wichtige diagnostische Information beinhalten.

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Im Aufsatz aus Acoustical Holography wird eine Bildgebung mit diffusem Schall vorgeschlagen. Ein ultraschallwellenerzeugender Schallkopf mit einer Mehrzahl von unabhängigen Ultraschallquellen, insbesondere ein Multielement-Sendearray, vermindert den Einfluß der durch die Bildlinse verursachten unechten Details. Die Kontrast- oder Ortsauflösung der akustischen Bilder der bekannten Ultraschalltransmissionssysteme ist allerdings noch nicht optimal. Ein Maß für den Grad der Ortsauflösung ist die sogenannte Modulations-

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VPA 82 P 8516 DE übertragungsfunktion (MÜF), die in der Bildwidergabetechnik gut bekannt ist. Es besteht Interesse, die Modulationsübertragungsfunktion bekannter Systeme zu verbessern.

Bei diffuser Beschallung gelangen Ultraschallwellen aus unterschiedlichsten Richtungen zur Untersuchungsebene, wobei Schatteneffekte, die von Objekten herrühren, die nicht in der Untersuchungsebene liegen, weitgehend eliminiert werden. Im Aufsatz in Acoustical Holography wird nachdrücklich betont, daß jeder Punkt der Objektebene "aus vielen Richtungen" beschallt wird. Um jedoch die Leistung dieses Systems zu verbessern, sollte die Gegenstandsebene vorzugsweise Ultraschallwellen aus allen Richtungen erhalten. Jeder Punkt im Bild sollte daher Informationen von jedem einzelnen Sendeelement des ultraschallwellenerzeugenden Schallkopfes beinhalten. Es wurde festgestellt, daß bei den Systemen des Standes der Technik noch nicht alle Vorteile der weiten Strahlenwinkel der Bildlinse voll ausgeschöpft sind.

Weiterhin wurde festgestellt,daß das Bildfeld nicht immer einheitlich bestrahlt wird. Deshalb beruht ein arideres Problem beim Stand der Technik auf der Tatsache, daß das in der Gegenstandsebene produzierte Bild einen starken Intensitätsabfall in Richtung der Ränder aufweist. In der Mitte ist das Bild also intensiver als an den Rändern (wenn kein Gegenstand vorhanden ist). Es wäre jedoch wünschenswert, ein Bild mit gleichmäßig verteilter Intensität zu erhalten. Akustische Linsensysteme, die in Flüssigkeitsbädern zum Aufbau akustischer Bilder eines Untersuchungsobjektes eingesetzt werden können, sind z.B. im US Patent 3,982,223 beschrieben.

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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Ultraschalltransmissionssystem aufzubauen, das bei verbesserter Gesamtleistung einen optimalen Bildkontrast für höherfrequente Ortsinformationen gewährleistet und das bei gleichförmiger Beschallung Bilder mit gleichförmiger Intensitätsverteilung liefert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs T gelöst.

Gemäß der Erfindung umfaßt das Ultraschalltransmissionssystem einen Ultraschallkollektor, der zwischen dem ultraschallwellenerzeugenden Schallkopf und der Untersuchungsebene angeordnet ist. Dieser Kollektor formt ein Ultraschallbild des ultraschallwellenerzeugenden Schallkopfes.. Das Schallkopf bild sollte in der Größenordnung der Apertur des bildgebenden Gerätes liegen.

Bei Benutzung eines Kollektors der zwischen der Ultraschallwelle und dem Untersuchungsobjekt liegt, durchläuft eine große Anzahl von Ultraschallwellen die Eingangsapertur des bildgebenden Gerätes und trägt damit zur Bildgebung des Untersuchungsobjektes bei. Jeder Punkt im Bild kann' nun Information von jedem Schallkopfelement des ultraschallwellenerzeugenden Schallkopfes ethalten. Somit wird eine Beschallung der Objektebene gewährleistet, bei der die Ultraschallstrahlen die verfügbare, durch den Winkel definierte Fläche füllen und die Gleichmäßigkeit in der Bildebene verbessern. Da nun praktisch die gesamte verfügbare, durch den Winkel definierte Fläche benützt wird, reagiert das bildgebende System empfindlicher auf hohe ßrtsfrequenzkomponenten. Die Modulationsübertragungsfunktion (MUF) des Systems wird im Vergleich zum Stand der Technik verbessert.

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Als Kollektor können bekannte Reflexions- oder Brechungs elemente benützt werden, wie z.B. ein Spiegel oder eine Linse. Ebenfalls können Kombinationen aus reflektierenden oder brechenden Elementen verwendet werden, um das s erwünschte Ziel zu erreichen. Vorzugsweise setzt sich der Kollektor aus einer ersten und einer zweiten Sammellinse und einer Zwischenschicht, die zwischen diesen beiden Linsen liegt, zusammen. Im Vergleich zur Füllung der Zwischenschicht, können die erste und die zweite Sammellinse eine hohe Ultraschallgeschwindigkeit haben.

Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen in Verbindung mit den Unteransprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung für C-Scan im Prinzipaufbau,

Fig. 2 ein Ausschnitt aus Figur 1, der verschiedene Strahlen im Detail wiedergibt,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für einen Kollektor aus zwei Sammellinsen und einer Zwischenschicht,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit einem Kollektor, der einen einzelnen, asymmetrisch zur Schall

bildachse liegenden Spiegel umfaßt.

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel mit einem Kollektor, der zwei Spiegel umfaßt, die symmetrisch zur Bildachse angeordnet sind.

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Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel mit einem Kollektor, der zwei, unsymmetrisch zur Achse liegende Spiegel umfaßt,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel mit einem Kollektor, der zwei Spiegel umfaßt, die konzentrisch zueinander und unsymmetrisch zu einer Bildachse angeordnet sind,

Fig; 8 ein Ausführungsbeispiel mit einem Kollektor,

der eine Mehrzahl von konzentrisch reflektierenden Ringen umfaßt, die Bestandteil von Ellipsoiden sind.

In den Figuren 1 und 2 ist ein C-Scan-Ultraschalltransmissionssystem dargestellt, das einen Kollektor umfaßt. Studien haben gezeigt, daß ein Kollektor im Strahlengang des C-Scan-Schallsenders ein wirksames Mittel zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit in der Bildebene und zur Erhöhung des Bildkontrastes bei hohen Ortsfrequenzinformationen ist. In Figur 1 ist ein Kollektorkonzept für ein Ultraschalltransmissionssystem dargestellt, das hauptsächlich für medizinische Zwecke verwendet wird. Die Ausführungsform gemäß den Figuren 1 und 2 hat eine gerade akustische Achse.

Zur Ausstrahlung von Ultraschallwellen dient eine ultraschallwellenerzeugende Quelle oder ein Schallkopf 12. Der Schallkopf 12, der durch einen Pfeil gekennzeichnet ist, hat einen Durchmesser S. Vorzugsweise ist der Schallkopf 12 eine ausgedehnte, inkohärente Quelle, die zur diffusen Beschallung ausgebildet ist. Der Schallkopf kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, aus einer größeren Anzahl von kleinen, kontinuierlich in-

3b kohärenten Elementen zusammengesetzt sein.

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In den Figuren 1 und 2 wird von oben nach unten beschallt. Die vom Schallkopf 12 abgestrahlten Ultraschallwellen werden von einem Kollektor 14 gesammelt. In Figur 1 sind z.B. zwei Ultraschallstrahlenbündel 13a und 13b dargestellt. Die Strahlen eines jeden Bündels 13a, 13b verlaufen zufällig parallel zueinander. Selbstverständlich liegt eine diffuse Beschallung vor, und der Schallkopf 12 strahlt Ultraschallwellen ■ nach allen Richtungen ab. Der Kollektor 14 umfaßt vorzugsweise eine Kollektivlinse 15 und ist zwischen dem Schallkopf 12 und einer Untersuchungsebene 16 angeordnet. In der Untersuchungsebene 16 befindet sich ein Untersuchungsobjekt, z.B. interessierende Schnittebene eines Patienten während einer medizinischen Untersuchung. Die Untersuchungsebene wird vom Ultraschallkopf 12 über den Kollektor 14 beschallt. Es ist ersichtlich, daß alle Punkte in der Untersuchungsebene 16 von jedem Punkt im Schallkopf 12 bestrahlt werden.

Der Kollektor 14 hat eine Apertur A. Die nutzbare Fläche der Untersuchungsebene ist mit 0 angedeutet. Somit bestimmt 0 die maximal zu erfassende Objektgröße. Daneben ist ein bildgebendes Gerät 18 vorgesehen, das die Ultraschallwellen von der Untersuchungsebene 16 empfängt. Das bildgebende Gerät 18 umfaßt zumindest eine Apertur vorgegebener Größe zum Durchlaß von Ultraschall. In der vorliegenden Ausführung besteht das bildgebende Gerät 18 aus einem bekannten Linsensystem, das zwei Linsen umfaßt, von denen die eine durch ihre Hauptlinsenebene 20 und die andere durch ihre Hauptlinsenebene 22 gekennzeichnet ist. Die Aperturen dieser Linsen sind mit P1 und P2 angedeutet. Zwischen den Linsen 20 und 22 kann beispielsweise auch ein Abtastsystem aus z.B. zwei gegen-

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sinnig rotierenden Prismen angeordnet sein (nicht dargestellt, da nicht wesentlich für die vorliegende Erfindung). Ein solches Paket aus Linsen und Prismen ist z.B. im US-Patent 3,913,061 beschrieben.

Die Ultraschallwellen des Schallkopfes 12 werden vom Kollektor 14 gesammelt und zwischen den Hauptlinsenebenen 20 und 22 fokussiert. Es entsteht'· also ein Ultraschallbild 12' des ultraschallwellenerzeugenden Schallkopfes 12. Dieses Ultraschallbild 12' befindet sich in der Apertur des .bildgebenden Gerätes 18 und hat einen Durchmesser S¹. In der dargestellten Ausführungsform befindet sich das Bild 12' ungefähr auf halbem Weg zwischen den Linsen mit den Hauptlinsenebenen 20 und 22. Die Anordnung ist dabei derart, daß das projektierte Bild 12' des Schallkopfes 12 innerhalb der Öffnung des bildgebenden Gerätes 18 erscheint. Das Bild des Schallkopfes füllt also die Öffnung des bildgebenden Gerätes 18 voll aus.

Das bildgebende Gerät 18 erzeugt ein Bild 24 des Gegenstandes in der Untersuchungsebene 16. Die Bildgröße ist mit I angegeben. In der Bildebene befindet sich ein handelsüblicher Ultraschall-Empiangsschallkopf 26. Vorzugsweise kann dieser gekrümmt sein. Zur übersichtlicheren Darstellung ist der Empfangsschallkopf 26 zeichnerisch aus der Bildebene 24 herausbewegt. Der Empfangsschallkopf 26 setzt das vom bildgebenden Gerät 18 erhaltene akustische Bildfeld in elektrische Signal ρ um.

In den Figuren 1 und 2 befindet sich der Fokus des bildgebenden Systems 18 in einem Abstand 2f von der Untersuchungsebene 16, wobei f die Brennweite des y? bildgebenden Geratet: 18 ist. Das Bild 24 des Objektes

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in der Untersuchungsebene 16 befindet sich im Abstand 2f auf der dem Fokus des bildgebenden Gerätes 18 gegenüberliegenden Seite. Dies führt zu einer Einheitsvergrößerung 0:1 = 1:1 zwischen dem Objekt in der Untersuchungsebene 16 und dessen Bild 24 und vereinfacht das Ultraschallsystem. Es können jedoch auch andere Größenverhältnisse 0:1 gewählt werden.

Der Durchmesser A des Kollektors 14 wird durch die Randstrahlen 28 bestimmt, die die Umrandungen der Untersuchungsebene 16 und des Linsensystems des bildgebenden Gerätes 18 tangieren. Für das in den Figuren 1 und 2 dargestellte Sendesystem, ist die maximale Apertur des bildgebenden Gerätes 18 gleich dem Bild 22' der Apertur P2 der zweiten Linse 22, so wie es von der ersten Linse 20 abgebildet wird. Das virtuelle Bild 22' mit der größeren Apertur P2¹ ist gestrichelt eingezeichnet. Dieses virtuelle Bild 22· bestimmt die Größe und die Position der Apertur P2, wie sie durch die Linsen 20 und 22 gesehen wird.

Ein wichtiges Merkmal des Kollektors 14 ist, daß jeder Punkt des Objektes in der Untersuchungsebene 16 von jedem Element des Schallkopfs 12 beschallt wird. Da das Bild 22' des Sendeschallkopfs 12 gerade die Öffnung des Empfangslinsensystems 18 füllt, wird sichergestellt, daß jeder Strahl vom Schallkopf 12, der. durch einen Punkt der Untersuchungsebene 16 geht, zum Bild 24 des Objektes in der Untersuchungsebene 16 beiträgt. Zusätzlich erfolgt mit Hilfe des Kollektors 14 eine verstärkte Winkelbeschallung. Dies stellt sicher, daß der Bildkontrast bei allen Frequenzen im Grunde genommen nur durch das die Linsen 20 und umfassende bildgebende Gerät 18 limitiert wird. Die Uniformität der Objektbeschallung wird verbessert,

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3 a T/ b V b

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da jeder Punkt in der Objektebene 16 durch jedes Element des Schallkopfes 12 bestrahlt wird. Außerdem werden die Schallwellen des Schallkopfes 12 vom Kollektor 14 so ausgerichtet, daß die vorhandene Schallkopfenergie optimal ausgenutzt wird. Beispielsweise wird nur ein sehr geringer Anteil der Energie, welche die Objektebene 16 passiert vom Linsensystem 18 nicht erfaßt und geht damit für den Bildaufbau verloren.

Wie bekannt, kann das Cbjsktan der Untersuchungsebene 16 in einer Ultraschall-Leitflüssigkeit (nicht dargestellt) plaziert sein, die hinsichtlich der Schallgeschwindigkeit dieselben Bedingungen wie das Untersuchungsobjekt hat. So kann zum Beispiel der zu unter suchende Patient auch zwecks Ankopplung des Ultraschalls in einen Wassertank eintauchen. Soweit die physikalischen Parameter des Systems betroffen sind, muß auch noch eine andere Überlegung berücksichtigt werden. Die Untersuchungsebene 16 sollte sich in einem gewissen Abstand vom Kollektor 14 befinden, um das zu untersuchende Objekt bequemer plazieren zu können und einen gewissen Bewegungsspielraum zu ermöglichen.

In Figur 1 umfaßt der Kollektor 14 ein einzelnes brechendes Element oder Linse 15. Diese Linse 15 entspricht im Aufbau einer optischen Streulinse. Es kann z.B. eine Fresnel'sehe Linse benützt werden.

Es können jedoch auch Systeme, die sich aus mehreren Linsen zusammensetzen, als Kollektor 14 eingesetzt werden. Diese Möglichkeit wird im nachfolgenden anhand der Figur 3 noch detaillierter beschrieben. Der Ultraschallkollektor 14 kann auch aus einem den Ultraschall sammelnden Spiegel oder einer Linsen-

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Spiegelkombination bestehen. Es können verschiedene Linsen und/oder Spiegelmaterialien verwendet werden. Falls große Brechungskoeffizienten erwünscht sind, kann Aluminium als Linsenmaterial verwendet werden, da seine akustische Geschwindigkeit grüß ist.

Aluminiumlinsen lassen sich leicht herstellen. Andere brauchbare Materialien sind Polystyrole und Beryllium. Als Spiegelmaterial kann ein engzeiliger Kunatschaumstoff eingesetzt werden. Wie bereits erwähnt, kann auch statt eines einzelnen Linsenelements 15 gemäß Figur 1 ein System von Linsenelementen verwendet werden. Figur 3 zeigt ein Beispiel eines solchen Kollektivlinsensystems, welches nachfolgend näher erläutert wird.

Prinzipiell kann zum Zweck der vorliegenden Erfindung ein Kollektivlinsensystem benutzt werden, das sich aus zwei oder mehreren Linsenelementen zusammensetzt. Das dargestellte System 30 ist ein zur akustischen Achse 10 symmetrisches Linsensystem. Es umfaßt zwei Sammellinsen 32 und 34 mit einer dazwischen liegenden Füllung 36. Die Linsen 32 und 34 können identisch sein. Der Zwischenraum zwischen den Linsen 32 und 34, welcher von der Füllung 36 eingenommen wird, entspricht in der Form einem optischen Vergrößerungsglas. Aufgrund ihrer Formgebung und ihrem Brechungskoeffizient bildet die Füllung 36 eine bikonvexe Linse, d.h. eine Sammellinse. Die Linsen 32 und 34 sind aufgrund ihrer Formgebung und ihrem hohen Brechungskoeffizienten bikonkave Linsen, die gleichfalls Sammelelemente sind. Folglich sind die Ultraschallbrechungskoeffizienten so gewählt, daß das Gesamtsystem 32 bis 36 ein Sammellinsensystem bildet. Vorzugsweise umfaßt das Drei-Linsen-System gemäß Figur 3 zwei Aluminium-Sammellinsen 32 und 34 und als Füllung 36 eine Fluor-Karbon-Verbindung, speziell

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fluorinierten Kohlenwasserstoff. Eine Flüssigkeit, die sich gut als Füllung 36 in Verbindung mit den Aluminiumlinsen 32 und 34 verwenden läßt, wird unter dem Namen FC-75 von der Firma 3M Co., USA vertrieben. 5

In dem in Figur 3 dargestellten Drei-Linsen-System passieren die Ultraschallwellen nacheinander ein Kollektor material hoher Ultraschallgeschwindigkeit, ein Kollektormaterial niedriger Ultraschallgeschwindigkeit und schließlich wieder ein KoUektcrmaterial hoher Ultraschallgeschwindigkeit. Aufgrund der großen Unterschiede der Brechungsexponenten an den Grenzlinien zwischen den drei Materialien werden an jeder Grenzlinie Ultraschallwellen stark abgelenkt. Aus diesem Grund kann das Linsensystem 30 verhältnismäßig kleine Abmessungen haben. Damit kann die Dicke d relativ klein sein, während das Linsensystem immer noch eine ausreichend starke Brechung als Sammellinse gemäß vorliegender Erfindung hat. Beispielsweise wurde für Testzwecke ein Kollektor 14 gemäß Figur 3 entworfen, der eine Brennweite von 64.1 cm, einen Durchmesser von 55.3 cm, und eine Gesamtkantendicke von 15 cm besitzt. Zur Herabsetzung von Reflexionen sind an .der Oberfläche Schichten angeordnet, die einer Viertelwellenlänge des Ultraschalls entsprechen. Diese Anpassungsschichten (nicht dargestellt) haben akustische Impedanzwerte von Z = 5 an der Wasser/Aluminiumoberfläche und von Z = 4.3 an der Aluminium/Kohlenwasserstoffoberfläche. Die Einfallswinkel an den Refraktionsflächen werden so klein wie möglich gehalten, um möglicherweise entstehende Schubwellen zu unterdrücken. Verluste werden zu einem bestimmten Grad durch die erhöhte Schallkopfleistung kompensiert. Dabei ist zu berücksichtigen, daß sich die Verluste als eine Funktion des Linienradius aufgrund der sich ändernden Refraktionswinkel erhöhen.

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VPA H2 P Li¹Ji 6 DE

Die Figuren 1 und 2 beschreiben ein symmetrisch zur Achse liegendes Ultraschallsystem. Dieser, System ist jedoch nur eine von mehreren Möglichkeiten. In Figur 4 wird ein Ultraschalltransmissiorissystem gezeigt, das einen akustischen, unsymmetrisch zur Achse liegenden Spiegel 40, insbesondere einen sphärischen Spiegel, als Kollektor 24 benützt. Der Kollektor 14 eliminiert die meisten Weite mode- Wandlung en und kritischen Winkelprobleme, die mit Refraktionskomponenten auftreten können. Es eliminiert ebenfalls die dicken Querschnitte an den Rändern der einzelnen Linsenelemente und verhindert die Möglichkeit von Mehrfachreflexionen zwischen den Linsenoberflachen. Als Ausgleich muß der Reflektor 40 aber verhältnismäßig groß sein und in der Untersudmngsebene 16 muß möglicherweise leichte Abschattung in Kauf genommen werden.

Gemäß Figur 4 wird der Reflektor oder Spiegel 40 vom ausgedehnten Schallkopf diffus beschallt. Die Schallwellen verlaufen in Figur 4 von links unten zum Reflektor 40 und werden von diesem nach rechts oben abgelenkt. Die Figur 4 stellt das Ultraschalltransmissionssystem entweder in Seiten- oder in Draufsicht dar. Das bedeutet, daß zwei verschiedene Ausführungsformen möglich sind. Der zu untersuchende Patient befindet sich wieder in der Untersuchungsebene 16. Der Ultraschallkollektor 14 lenkt die Ultraschallwellen vom Schallkopf 12 durch die Untersuchungsebene 16 zum bildgebenden Gerät 18. Auch bildet der Kollektor 14 wiederum ein Ultraschallbild 12' des Schallkopfes 12. Dieses Schallkopfbild 12' befindet sich ungefähr auf halbem Weg zwischen den Aperturen P1 und P2 des bildgebenden Gerätes 18. Das Bild der Untersuchungasbene trägt wieder die Kennziffer 24. Der Spiegel 40 besitzt eine Ausgangsapertur 42, die bezüglich der Haupt- oder

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VPA 82 P 8516 DE akustischen Achse 10 symmetrisch ist. Der Aperturdurchmesser 42 ist mit A bezeichnet. Der ausstrahlende Schallkopf 12 befindet sich links unterhalb der Ausgangsapertur 42. Der Raum zwischen dem Kollektor 14 [j und bildgebendem Gerät 18 kann mit einer Flüssigkeit, z.B. mit Wasser, gefüllt werden. Wände, die den Unter-.-juchungsraum definieren, können Wände eines FLiissigkeitsbehalters sein. Diese Wände sind mit 44, 4b gekennzeichnet. Der Patient taucht in die Flüssigkeit ein, die sich im Zwischenraum zwischen der Ausgangsapertur 42 und dem bildgebenden Gerät 18 befindet!. Falls Figur 4 eine Seitenansicht ist, kann im Flüssigkeitsbehälter eine Plattform 46 als Sitz- oder Stehfläche für den Patienten angeordnet sein. Die Plattform 46 ist nach oben oder nach unten verstellbar, wie durch die Doppelpfeile 48 angedeutet ist. Der Spiegel 40 kann Teil der Behälterwand 45 sein.

V/ie schon erwähnt, kann der Spiegel 40 ein sphärischer, unsymmetrisch zur Achse liegender Spiegel sein. Jedoch kann der Spiegel 40 auch von parabolischer oder ellipsenähnlicher oder anderer konkaver Form sein, die sicherstellt, daß die Ultraschallwellen zwischen den Öffnungen P1 und P2 des bildgebenden Gerätes 18 fokussiert sind. Falls eine sllipsenähnliche Anordnung gewählt wird, kann sich ein Fokuspunkt des Ellipsoids in Mitte des Schallkopfes 12 befinden, während der andere Fokuspunkt in Mitte des Schallkopfbildes 12' angeordnet ist. Der Kollektor 14 der Figur 4 ist gegenüber jenem der Figuren 1 bis 3 besonders kompakt ausgeführt. Beispielsweise wurde für Testzwecke ein Kollektor 14 nach Figur 4 aufgebaut, der zum Einsatz in Verbindung mit dem im US Patent3,931,066 beschriebenen Ultraschalltransmissionssystem bestimmt ist. Der Reflektor 40 hat eine sphärische Oberfläche' mit einem Durch-

^VPA 32 ^ρ 8516 DE messer von 102 cm und einem Krümmungsradius von 105 cm. Die akustische Eingangs- und Ausgangsachse des Reflektor:·, bilden einen Winkel von 70.2°. Der Reflektor AO selbst kann aus Aluminiumblech gefertigt sein, das mit einer dünnen, engzelligen Schaumstoffschicht zur Bildung der reflektierenden Oberfläche überzogen ist.

Ein gemäß Figur 4 geformter Kollektor 14 gewährleistet, daß nur Strahlen, die vom Reflektor 40 abgelenkt wurden, zur Apertur kl gelangen können. Eine Übertragung von Streustrahlung wird weitgehend verhindert. Ein weiterer Vorteil des in Figur 4 dargestellten Kollektors 14 besteht darin, daß keine Viertelwellenanpassungsschichten erforderlich sind. Mehrfachreflexionen können nicht auftreten.

Das aus einer Sammellinse 15 gemäß Figur 1 oder aus dem Reflektor 40 gemäß Figur 4 austretende Schallfeld kann auch von einem Ultraschall-Array-Schallkopf mit entsprechenden elektronischen Verzögerungsschaltungen gebildet sein, welche anstelle der Linse oder des Reflektors folgen. Trotz größeren mechanischen und elektronischen Aufwandes wäre eil solches Array-System noch kompakter als ein Linsen- oder Spiegelsyste.

Figur 5 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform eines Ultraschalltransmissionssystems mit Schallkollektor. Hier umfaßt der Kollektor 14 ein zur Strahlungsachse 10 symmetrisches Doppelspiegel-System 50, 52 aus einem kleinen konvexen Spiegel 50 und einem großen konkaven Spiegel 52. In Figur 5 verläuft die Schallrichtung von rechts nach links. Der große konkave Spiegel .52 hat eine Öffnung 54, durch welche die Ultraschallwellen vom Schallkopf 12 zur konvexen Rückfläche des kleineren Spiegels ¹^O geleitet werden. Von dort werden

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VPA 82 P 8516 DE die Ultraschallwellen zur konkaven Innenfläche des größeren Spiegels 52 reflektiert. Von der konkaven Innenfläche des Spiegels werden die Ultraschallwellen durch die Gegenstandsebene 16 gelenkt und es entsteht ο Ln Bild 12' dec Schallkopf er, 12 symmetrisch Achse 10.

Die Anordnung der zwei Spiegel 50 und 52 in Figur 5 entspricht dem gewöhnlich bei Teleskopen verwendeten sogenannten "Cassagranian System". Wie in der Optik können der größere Spiegel 52 ein parabolischer und der kleinere Spiegel 50 ein hyperbolischer Spiegel sein. Bei einem solchen symmetrischen System ergibt sich dann ein aufrechtes Bild 12'.

Ein Ultraschalltransmissionssystem mit einer noch anderen Ausführungsform eines Kollektors 14 ist in Figur 6 dargestellt. Dieses System ist ein unsymmetrisch zur Achse 10 liegendes Doppelspiegelsystem mit einem konvexen Spiegel 60 und einem konkaven Spiegel 62. Der Schallkopf 12 strahlt Ultrawellen aus, die vom konvexen Spiegel 60 zum konkaven Spiegel 62 reflektiert werden. Der konkave Spiegel 62 fokussiert die Ultraschallwellen nach Übertragung durch die Untersuchungsebene 16 zum Bild 12' des Schallkopfes 12. Beschallungsrichtung ist wieder von rechts nach links.

Figur 7 zeigt eine Ausführungsform mit einem unsymmetrisch zur Achse liegenden Doppelspiegelsystem 70, 72 mit Zwischenbild. Dieses System hat gute fokussierende Eigenschaften und stellt ein scharfes Bild des Schallkopfes 12 zur Verfügung. Das Doppelspiegelsystem umfaßt einen größeren sphärischkonkaven Spiegel 70 und einen kleineren sphärisch- konvexen Spiegel 72. Beide Spiegel 70, 72 sind kon-

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VPA 82 P 8516 DE zeritrisch zu einem Mittelpunkt 74 angeordnet. Im querschnitt der Figur 7 sind beide Spiegel 70 und 72 Segmente von Kreisen um den Mittelpunkt 74. Der Schallkopf 12 sowie das Schallkopfbild 12' liegen auf einer durch den Mittelpunkt 74 gehenden Geraden. Die Figur 7 kann wieder entweder Seiten- oder Draufsicht des Ultraschalltransmiss ionssysteins as in. Falls Figur 7 eine Seitenansicht darstellt, kann wieder ein Gestell 76 für den Patienten vorhanden sein.

Dieses Gestell 76 kann innerhalb des Flüssigkeitsbehälters plaziert sein, der den Patientenraum 78 darstellt. In dieser Ausführungsform ist der Schallkopf 12 unterhalb des Patienten angeordnet. Die Ausführungsform gemäß Figur 7 hat die Eigenschaft, daß ein Zwischenbild 79 des Schallkopfes 12 auf der Innenwand des größeren Spiegels 70 erzeugt wird. Dieses Zwischenbild 79 ist leicht verzerrt. Trotz leicht verzerrtem Zwischenbild 79 zwischen Spiegel 72 und Spiegel 70 wird aber ein qualitativ gutes Bild 12' des Schallkopfes 12 erzeugt.

In Figur 8 wird eine Ausführungsform eines Systems gezeigt, welches ebenfalls symmetrisch zur Achse 10 ist. Dieses umfaßt eine Anzahl (z.B. drei in Figur 8) von Spiegeln 80, 82, 84, die Ausschnitte von Ellipsoiden in Ringform sind. Die Ellipsoide erstrecken sich in Richtung der akustischen Achse 10. Die Ringausschnitte 80 bis 84 liegen konzentrisch zur akustischen Achse Der Außenring 80 ist schmaler als der Mittelring Der Mittelring 82 wiederum'ist schmaler als der Innenring 34. Der gemeinsame Mittelpunkt aller Ringe 80, und 34 ist mit 84 gekennzeichnet. Alle drei Ringe bis 84 haben den gleichen ersten Fokus F1 und den gleichen zweiten Fokus F2. Bei dieser Ausführungsform befindet sich der Schallkopf 12 im ersten Fokus F1.

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Das Schallkopfbild 12' liegt entsprechend im zweiten Fokus F2. Die Ausführungsform von Figur 8 hat den Vorteil, daß keine Rückstrahlungen auftreten und daß sich ein besonders kompakter und symmetrischer Aufbau ergibt.

Systeme der beschriebenen Art gewährleisten gleichförmigere Intensitätsdichte im Bild des abzubildenden Objektes. Die Laufzeitunterschiede verschiedener

IJ Ultraschallwellen sind gering. Damit ergibt sich kaum Verzögerung im Bildaufbau, d.h. das System gewährleistet kürzere Bildaufbauzeiten. Objekte, die sich nicht in der Fokusebene befinden, sind unscharf und werden damit eliminiert. Die Modulationsübertragungsfunktion (Mt)F) des bildgebenden Ultraschallgerätes wird verbessert. Der Bildkontrast ist aber für hohe Ortsfrejuenzinformafionen besser als bei Systemen ohne Kollektor.

Die vorstehend beschriebenen Ultraschalltransmissionssysteme sind zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Die Erfindung ist aber nicht auf diene Ausführungsformen beschränkt. Es können selbstverständlich beliebig-viele Veränderungen durchgeführt werden,

2'j ohne daß dabei der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

12 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims

VPA 82 P 8516 DE Patentansprüche

1. Ultraschalltransmissionssystem zur Objektuntersuchung mit einem ültraschallwellenerzeugenden Schallkopf zur Ausstrahlung von Ultraschallwellen, einer Untersuchungsebene für das Untersuchungsobjekt, die vom Schallkopf Ultraschallwellen empfängt und einem bildgebenden Gerät mit einer Öffnung von vorgegebener Größe zum Durchlaß von Ultraschall, das Ultraschallwellen von der Untersuchungsebene empfängt, da durch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schallkopf (12) und der Untercuchungsebene (16) ein Kollektor (14) für Ultraschallwellen angeordnet ist, der im bildgebenden Gerät (18) in dessen Öffnung ein Ultraschallbild (12') des Schallkopfes (12) erzeugt.

2. Ultraschalltransmissionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallkollektor (14) mindestens eine Ultraschallsammellinse umfaßt.

3. Ultraschalltransmissionssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallkollektor (14) eine Anordnung von mehreren Ultraschallinsen umfaßt.

4. Ultraschalltransmissionssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallkollektor (14) eine erste und zweite Ultraschallsammellinse (32, 34) und eine schalleitende Füllung (36) zwischen erster und zweiter Linse umfaßt.

5. Ultraschalltransmissionssystem nach Anspruch 4, dadurch gek~ennzeicb.net, daß

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die erste und zweite Sammellinse eine hohe Ultraschallgeschwindigkeit im Vergleich zur Füllung haben.

6. Ultraschalltransmissionssystem nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß jede der Sammellinsen Aluminium und die Füllung einen fluorinierten Kohlenwasserstoff enthält.

7. Ultraschalltransmissionssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen entlang einer geraden optischen Achse angeordnet sind.

8. Ultraschalltransmissionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallkollektor (14) wenigstens einen Ultraschallreflektor umfaßt.

9. Ultraschalltransmissionssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallkollektor (14) ein Sammelspiegel (40) ist.

10. Ultraschalltransmissionssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallkollektor (14) eine Gruppe von Spiegeln umfaßt, die parabolische, ellipsenähnliche oder sphärische Oberflächenformen haben.

11. Ultraschalltransmissionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß das bildgebende Gerät (18) ein Bildlinsensystem umfaßt, das zwei konvergierende Linsen (20, 22) umfaßt, die das Ultraschallbild (12') des Schallkopfes (12) zwischen den konvergierenden Linsen bildet.

ORIGINAL INSPECTED

- 20— VPA 82 P 8516 DE

12. Ultraschalltransrnissionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß der ultraschallwellenerzeugende Schallkopf (12) eine Mehrzahl von unabhängigen Ultraschallwandlern umfaßt.