DE3334091A1

DE3334091A1 - Verfahren zur herstellung eines apodisierten ultraschallwandlers

Info

Publication number: DE3334091A1
Application number: DE19833334091
Authority: DE
Inventors: Pieter Johannes 92691 Mission Viejo Calif. t' Hoen
Original assignee: US Philips Corp; North American Philips Corp
Current assignee: Philips North America LLC
Priority date: 1982-09-22
Filing date: 1983-09-21
Publication date: 1984-03-22
Also published as: DE3334091C2; DE3334090A1; US4518889A; GB2129253B; GB8324982D0; CA1201824A; GB2129253A; JPS5977800A; JPS5977799A; DE3334090C2; GB2128055B; GB2128055A; JPH0365719B2; JPH0365720B2; CA1206588A; GB8324981D0

Description

PI-LA. 21 125 B /Z' 2.9.1983

Verfahren zur Herstellung eines apodisierten Ultrasch.aH-wandlers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines apodisierten Ultraschallwandlers, mit der Herstellung eines Wandlers mit einer wirksamen Oberfläche aus einer Platte aus piezoelektrischem keramischem Material und mit der selektiven Polarisation örtlicher Bereiche des keramischen Materials derart, dass das Polarisationsmass des keramischen Materials ein Profil hat, das von einem Zentralpunkt oder von einer Zentrallinie auf der wirksamen Oberfläche zu den Rändern der wirksamen Oberfläche hin abnimmt.

Die Echo-Ultraschalltechnik wird im allgemeinen zum Abbilden von Strukturen innerhalb des menschlichen Körpers verwendet. Einer oder mehrere Ultraschallwandler werden zum Projizieren von Ultraschallenergie im Körper verwendet. Die Energie wird von Impedanzdiskontinuitäten reflektiert', die Organgrenzen und anderen Strukturen im Körper zugeordnet sind; die sich ergebenden Echos werden von einem oder mehreren Ultraschallwandlern detektiert (die die gleichen Wandler sein können, die zum Energieübertragen verwendet werden). Die detektierten Echosignale werden unter Verwendung bekannter Techniken derart verarbeitet, dass Bilder der Körperstruktüren erhalten werden.

Der Spitzendruck im ausgestrahlten Ultraschall'-bündel steht mit der Graupegelverteilung im sich ergebenden Bild in bestimmtem Verhältnis. Der Querschnitt durch das von einem Wandler ausgesandte Ultraschallbündel wird von der Emissionsrichtgenauigkeitsfunktion beschrieben, die in jedem beliebigen Abstand vom Wandler als die Variation des Spitzendrucks abhängig vom lateralen Abstand zur Bündelachse definiert wird. Die Richtgenauigkeitsfunktion eines Wandlers wird zum Kennzeichnen seiner räumlichen Auflösung sowie seiner Empfindlichkeit für Artefakte verwendet. Die Hauptkeulenbreite des Bündels ist ein Massstab für die räumliche Auflösung des Wandlers und wird

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durch die volle Breite beim halben Maximum (FWHM) der Richtgenauigkeitsfunktion gekennzeichnet. Die Intensitätsverteilung ausserhalb der Achse ist ein Masstab für die Empfindlichkeit des Wandlers für Artefakte. Die Breite der Emissionsrichtgenauigkeitsfunktion bei -25 dB (mit FV25 bezeichnet) ist ein guter Masstab für die Intensitätsverteilung ausserhalb der Achse eines Wandlers in einem medizinischen Ultraschallabbildungssystem. Hiermit wird die Breite der Abbildung eines einzigen streuenden Elements angegeben.

^ Die Richtgenauigkeitsfunktion eines Wandlers steht

im Zusammenhang mit seiner Aperturfunktion (die die geometrische Verteilung von Energie auf die Apertur des Wandlers ist). Nach dem Stand der Technik wurde festgestellt, dass bei schmalbandigen Systemen die Richtgenauigkeitsfunktion

¹^ des weiten Felds der Fourier-Transformierten der Aperturfunktion entspricht. Dieser Zusammenhang ist für die Bildung von Bündeln in Radar- und Sonarsystemen verwendet. Dieser Zusammenhang gilt jedoch nicht in medizinischen Ultraschallsystemen, in denen ein kurzer Impuls und so ein breites ^ Frequenzspektrum verwendet wird und die meistens im nahen Feld des Wandlers arbeiten. Deshalb muss bei medizinischen Ultraschallanwendungen die Richtgenauigkeitsfunktion eines Wandlers sehr genau berechnet oder für jede Kombination von Wandlergeometrie und Aperturfunktion gemessen werden.

Die Richtgenauigkeitsfunktion eines Wandlers kann beispielsweise mit Hilfe eines Digital-Computers unter Verwendung der Annäherung berechnet werden, die in einer Veröffentlichung von Oberhettinger mit dem mit dem Titel "Transient solutions of the "baffled piston" problem", J.of Res.Nat.

Bur. Standards-B 65 B (1961) , 1-6, und in einem Artikel von Stepanishen mit dem Titel "Transient radation from pistons in an infinite planar baffle", J. Acoust.Soc. Am. 49 (1971) , 1629-1638, erläutert ist. Es wird eine Faltung ("Convolution') der Geschwindigkeitsimpulskennlinie des Wandlers mit der elektrischen Erregung und mit der Emissionsimpulskennlinie des Wandlers angewendet.

Ein Wandler 'cann apodisiert sein, d.h. seine Intensitätsverteilung aUHsorhalb ilor Achse lässt, sich duj-cJi die

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Verteilung von Schallenergie auf den Wandler zu einer gewünschten Aperturfunktion bilden. Für einen aus einer einzigen Scheibe bestellenden piezoelektrischen Wandler ist dies durch die Bildung des angelegten elektrischen Felds unter Verwendung verschiedener Elektrodengeometrien an einander gegenüberliegenden Seiten der Scheiben erreicht, wie beispielsweise nach der Beschreibung in einer Veröffentlichung von Martin und Breazeale mit dem Titel "A simple way to eliminate diffraction lobes emitted by ultrasonic transducers", J. Acoust. Soc. Am. 49, Nr. 5 ( 1971 ) 1668, 1669, oder durch Anlegen verschiedener Pegel elektrischer Erregung an benachbarte Wandlerelemente in einer Konfiguration. Das Verfahren von Martin und Breazeale beschränkt sich jedoch auf eine Anzahl einfacher Aperturfunktionen, und die Verwendung getrennter Oberflächenelektröden erfordert komplexe Wandlergeometrien und Schaltkreise.

Nach einem anderen Verfahren kann ein piezoelektrischer Ultraschallwandler durch Variation der Polarisation des piezoelektrischen Materials abhängig von der Lage auf der wirksamen Oberfläche des Wandlers apodisiert werden. Ein Wandlerelement kann beispielsweise dadurch apodisiert werden, dass die Polarisation abhängig vom Abstand zu einer Linie oder zu einem Punkt in der Mitte der wirksamen Oberfläche des Wandlers abnimmt. Ein derartiger Wandler kann beispielsweise nach der US-PS 2 928 O68 dadurch hergestellt werden, dass ein Muster zeitweiliger Elektroden auf der Oberfläche des Wandlers angebracht und die verschiedenen darunter liegenden Bereiche verschiedenen polarisierenden Spannungen ausgesetzt werden. Auch kann die Polarisation der darunter liegenden Gebiete durch das Anlegen einer Konstantspannung an die Elektroden in variierenden Zeiträumen variiert werden. Auch kann nach der US-PS 2 956 184 ein speziell geformter Körper aus einem Material mit vorteilhaften elektrischen Eigenschaften auf der Oberfläche des Wandlers in Serie mit der polarisierenden Spannung angebracht werden, um eine gleichmässig variierende Polarisationsverteilung auf einen Bereich des Wandlers zu erhalten.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem das Apodisieren ohne Verwendung eines speziell geformten Körpers oder zeitweiliger Elektroden erfolgt. Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemässen Verfahren dadurch gelöst, dass die selektive Polarisation des piezoelektrischen Materials einen ersten Schritt, der aus der gleichmässigen Polarisation des piezoelektrischen Materials besteht, und einen zweiten Schritt umfasst, der aus der Teildepolarisation der ausgewählten Gebiete des piezoelektrischen Materials besteht.

Beim zweiten Schritt kann beispielsweise den Rändern der Oberfläche des Wandlers Wärme zugeführt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Diagramm, in dem die Richtgenauigkeitsfunktionen von Wandlern mit verschiedenen Apertürfunktionen gekennzeichnet werden,

Fig. 2 eine Veranschaulichung eines Beispiels des erfindungsgemässen Verfahrens zum Formen eines Polarisationsprofils in einem Wandler, und

Fig. 3 eine Veranschaulichung der relativen Polarisation an verschiedenen Stellen in einem mit dem Verfahren nach Fig. 2 polarisierten Wandler.

Wandler für medizinische Ultraschallanwendungen sind meistens aus einer Platte aus piezoelektrischem keramischem Material aufgebaut. Die Platte kann ein einziges Wandlerelement enthalten oder auch aus einer Konfiguration elementarer Wandler in der Verbindung mit einer Elektrodenstruktur bestehen, die es ermöglicht, dass verschiedene elektrische Signale getrennten Wandlerelementen oder Elementgruppen zugeführt werden. Akustische Energie wird zunächst vom Wandler auf einer wirksamen Oberfläche der Platte und entlang einer akustischen Achse abgegeben und empfangen. Die akustische Achse eines einzigen Wandlerelements geht meistens durch die Mitte der wirksamen Oberfläche und verläuft iazu nahezu senkrecht. Es sind Techniken zum Verschieben der Signalphase bekannt, die es ermöglichen,

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dass die aku.s tische Achse einer Konfiguration von Vandlerelementen unter verschiedenen Winkeln mit der Oberfläche der Platte .s echt und dass die akustische Achse elektrisch gesteuert wird. Die Stelle des Schnittpunkts der akustisehen Achse mit; der wirksamen Oberfläche kann auch durch Ein- oder Ausschalten von Wandlerelementen in einer Konfiguration verschoben werden.

In dieser Beschreibung ist ein Wandler mit einem "in der Phase gedrehten Gefüge" ein Wandler, der so aufgebaut ist und betrieben wird, dass der Winkel zwischen der akustischen Achse und der Oberfläche der Platte Werte annimmt, die sich von etwa 90° unterscheiden, wobei jedoch ein fester Schnittpunkt der Achse mit der Oberfläche aufrechterhalten bleibt; ein Wandler mit einem "schrittweise erregten Gefüge" ist ein Wandler, der so aufgebaut ist und betrieben wird, dass der Schnittpunkt der akustischen Achse mit der wirksamen Oberfläche verschoben wird, während ein Wandler mit "linearem, schrittweise erregtem Gefüge" ein Wandler ist, der so aufgebaut ist und betrieben wird, dass der Schnittpunkt der akustischen Achse nur entlang einer

zentralen Linie auf der wirksamen Oberfläche verschoben wird. Das piezoelektrische Material wird in einer Richtung polarisiert, die nahezu senkrecht zur wirksamen Oberfläche der Platte verläuft. Die Platte kann gebogen werden, um eine mechanische Fokussierung des Bündels in einem gewählten Abstand entlang der akustischen Achse zur wirksamen Oberfläche zu erhalten. Auch können Elementarbereiche auf/ der wirksamen Oberfläche mit geeigneten Signalverzögerungen getrennt erregt werden, so dass eine konstruktive Interferenz des ausgesandten Bündels in einem gewählten Brennpunktabstand auf der akustischen Achse erfolgt. Der Wandler liefert jedoch auch Strahlung ausserhalb der Achse mit einer Geometrie, die zunächst durch die Apertürfunktion des Wandlers bestimmt wix^d.

Bekanntlich kann ausserhalb der Achse liegende strahlung des Wandlers herabgesetzt werden, wenn die Apertur des Wandlers apodisiert wird, d.h. die Erregung des Wandlers wird in Abhängigkeit vom Abstand zur akustischen Achse

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herabgesetzt. Apodisierung kann zu einer Verbesserung der Richtgenauigkeit ausserhalb der Achse führen, aber verringert die räumliche Auflösung. Auf diese Weise hat ein auf geeignete Weise apodisierter Wandler eine geringere FW25, aber ein grösseres FWHM als ein Wandler, der nicht apodisiert ist. Nach dem Stand der Technik wurde festgestellt, dass das weite Feld eines in einem schmalen Band arbeitenden, kontinuierlich erregten Wandlers mit einer Chebyshev-Polynomfunktion optimal apodisierbar ist. Ultra-

¹^ schallwandler für medizinische Abbildungszwecke werden jedoch im allgemeinen mit einem kurzen, breitbandigen Impuls erregt (typisch ein einziger Zyklus bei der Resonanzfrequenz des Wandlers).

Ein Wandler, in dem Apodisierung das optimale

'5 Kompromiss zwischen räumlicher Auflösung und Richtgenauigkeit ausserhalb der Achse zur Folge hat, lässt sich als Wandler mit optimaler Apertur für medizinische Ultraschallabbildung definieren. In Fig. 1 ist ein Diagramm der räumlichen Auflösung und der Richtgenauigkeitsfunktion ausserhalb der Achse eines linearen Gefüges von Wandlerelementen mit verschiedenen Aperturfunktionsapodisierungen dargestellt. Die räumliche Auflösung des Wandlers wird vom FWHM auf der horizontalen Achse und die Richtgenauigkeit ausserhalb der Achse von FW25 auf der vertikalen Achse dargestellt. Wandler mit nahe beim Ursprung liegenden Kennlinien eignen sich besser für medizinische Ultraschal!anwendungen als

Wandler, deren Kennlinien weiter vom Ursprung entfernt liegen. Der Punkt 1 gibt die Kennlinien einer rechteckigen (nicht apodisierten) Aperturfunktion an. Dieser Wandler

hat eine gute räumliche Auflösung und eine ziemlich mangelhafte Richtgenauigkeit ausserhalb der Achse. Die Punkte bis 11 geben das Ergebnis bereits veröffentlichter Apodisierungen an und stellen nacheinander eine Kosinus-Apodisierung 2, eine 50/^-Gauss-Apodisierung 3> eine Hamming-Apodisierung k, eine Hanning-Apodisierung 5» eine halbkreisförmige Apodisierung 9 und eine 10?o-Gauss-Apodisierung dar.

Der Erfinder hat festgestellt, dass eine 30%-Gauss-

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Apodidierung eine viel bessere Kombination der Kennlinien der räumlichen Auflösung und der Richtgenauigkeit ausserlialb der Achse als eine jede der bereits veröffentlichten Apercurfunktionen für medizinische Ui tr as challanwendungen darstellt. Wie in Fig. 1 bei 11 dargestellt, liegen die Kenndaten des Wandlers mit einer 30$-G-a.uss-Apodisierung viel näher beim Ursprung als die Kenndaten eines jeden der anderen Wandler.

Ein apodisierter piezoelektrischer Wandler kann dadurch hergestellt werden, dass die Polarisation einer piezoelektrischen keramischen Platte abhängig vom Abstand zu einer Zentralachse des Wandlers variiert. Wandler werden nach einem bekannten Verfahren während der Herstellung durch das Anlegen einer ziemlich hohen Gleichspannung an

'5 das keramische Material in einem vorgegebenen Zeitraum polarisiert. Die Polarisation des keramischen Materials variiert direkt mit der Stärke des angelegten elektrischen Felds und mit der Zeit, in der das Feld angelegt wird.

In Fig.2 ist das erfindungsgemässe Verfahren zum

^ Erhalten einer Polarisationsverteilung auf eine Wandleraper tür dargestellt. Eine Platte aus piezoelektrischem keramischem Material 100 wird unter Verwendung eines der Verfahren nach dem Stand der Technik polarisiert. Danach wird den Rändern der Platte Wärme- zugeführt, beispielsweise indem die Platte zwischen erhitzten Blöcken 102 eingeklemmt wird, um selektiv Material der Ränder der Platte zu depolarisieren. Der Umfang und die Verteilung der Depolarisatlon sind durch die Regelung der Temperatur und der Dauer der Wärmezufuhr regelbar. Das gewünschte Polarisationsprofil wix-d so auf eine äusserst einfache Weise erhalten.

In Fig. 3 ist die relative Polarisation der Platte

abhängig vom Abstand X zur Mitte C der Platte dargestellt. Diese Polarisation verläuft etwa nach einer Gauss—Funktion und der Wert am Rand der Platte 100 beträgt etwa 30$ vom Wert in der Mitte.

Claims

PHA 21 125 B ^ 2.9.1983 Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines apodisierten Ultraschall ν andl er s , mit der Herstellung eines Wandlers mit einer wirksamen Oberfläche aus einer Platte aus piezoelektrischem keramischem Material und mit der selektiven Polarisation örtlicher Bereiche des keramischen Materials derart, dass das Mass der Polarisation des keramischen Materials ein Profil hat, das von einem Zentralpunkt oder von einer Zentrallinie auf der wirksamen Oberfläche zu den Rändern der wirksamen Oberfläche hin abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die selektive Polarisation des piezoelektrischen Materials einen ersten Schritt, der aus der gleichmässigen Polarisation des piezoelektrischen Materials besteht, und einen zweiten Schritt umfasst, der aus der Teildepolarisation ausgewählter Bereiche des piezoelektrisehen Materials besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim zweiten Schritt den Randern der Oberfläche des Wandlers Wärme zugeführt wird.

3. Wandler in der Herstellung nach dem Verfahren nach

■ ' 20 Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisation des Materials derart abnimmt, dass die akustische Reaktion der wirksamen Oberfläche des Wandlers bei einer gleichmässigen elektrischen Erregung mit grosser werdendem Abstand zum Zentralpunkt oder zur Zentrallinie nach einer Gauss-Funktion abnimmt und die Reaktion an den Rändern der Oberfläche etwa '30$ von der Reaktion an der Stelle des Zentralpunkts oder der Zentrallinie beträgt.

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