DE3334091C2 - - Google Patents

Description

Verfahren zur Herstellung eines apodisierten Ultraschallwandlers und Ultraschallwandler, der nach dem Verfahren hergestellt ist.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen eines apodisierten Ultraschallwandlers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und betrifft einen Ultraschallwandler nach Anspruch 1.

Die Echo-Ultraschalltechnik wird im allgemeinen zum Abbilden von Strukturen innerhalb des menschlichen Körpers verwendet. Einer oder mehrer 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 Körperstrukturen erhalten weden.

Der Spitzendruck im ausgestrahlten Ultraschallbündel besteht mit der Graupegelverteilung im sich ergebenden Bild in bestimmtem Verhältnis. Der Querschnitt durch das von einem Wandler ausgesandte Ultraschallbündel wird durch die Strahlungscharakteristik beschrieben, die in jedem beliebigen Abstand vom Wandler als die Variation des Spitzendrucks abhängig vom lateralen Abstand zur Bündelachse definiert wird. Die Strahlungscharakteristik eines Wandlers wird zum Kennzeichenen seiner räumlichen Auflösung sowie seiner Empfindlichkeit für Artefakte verwendet. Die Hauptkeulenbreite des Bündels ist ein Maßstab für die räumliche Auflösung des Wandlers und wird durch die volle Breite beim halben Maximum (FWHM) der Strahlungscharakteristik gekennzeichnet. Die Intensitätsverteilung außerhalb der Achse ist ein Maßstab für die Empfindlichkeit des Wandlers für Artefakte. Die Breite der Strahlungscharakteristik bei - 25 dB (mit FW25 bezeichnet) ist ein guter Maßstab für die Intensitätsverteilung außerhalb der Achse eines Wandlers in einem medizinischen Ultraschallabbildungssystem. Hiermit wird die Breite der Abbildung eines einzigen streuenden Elements angegeben.

Die Strahlungscharakteristik 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 Strahlungscharakteristik des Feinfeldes der Fourier-Transformierten der Aperturfunktion entspricht. Dieser Zusammenhang wird für die Bildung von Bündeln in Radar- und Sonarsystemen ausgenutzt. Dieser Zusammenhang gilt jedoch nicht in medizinischen Ultraschallsystemen, in denen ein kurzer Impuls und ein breites Frequenzspektrum verwendet wird und die meisten im nahen Feld des Wandlers arbeiten. Deshalb muß bei medizinischen Ultraschallanwendungen die Strahlungscharakteristik eines Wandlers sehr genau berechnet oder für jede Kombination von Wandlergeometrie und Aperturfunktion gemessen werden. Die Strahlungscharakteristik eines Wandlers kann beispielsweise mit Hilfe eines Digital-Computers unter Verwendung der Annäherung berechnet werden, die in einer Veröffentlichung von Oberhettinger mit dem Titel "Transientsolutions of the 'baffled piston' problem", J. of Res. Nat. Bur. Standards-B 65 B (1961), 1-6, und in einem Artikel von Stephanishen 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 kann apodisiert sein, d. h. seine Intensitätsverteilung außerhalb der Achse läßt sich durch die Beeinflussung der Verteilung von Schallenergie auf den Wandler entsprechend einer gewünschten Aperturfunktion verbessern. Für einen aus einer einzigen Scheibe bestehenden piezoelektrischen Wandler wird dies durch die Gestaltung des angelegten elektrischen Feldes mittels verschiedener Elektrodengeometrien an einander gegenüberliegenden Seiten der Scheiben erreicht, beispielsweise gemäß der Veröffentlichung von Martin und Bearzeale mit dem Titel "A simple way to eliminate diffraction lobes emitted by ultrasonic transducers", J. Acoust. Soc. Am. 49, Nr. 5 (1971) 1668, 1969, oder durch Anlegen verschiedener Pegel elektrischer Erregung an benachbarte Wandlerelemente in einem Wandler- Array. Das Verfahren von Martin und Breazeale beschränkt sich jedoch auf eine Anzahl einfacher Aperturfunktionen, und die Verwendung getrennter Oberflächenelektroden 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 29 28 068 dadurch hergestellt werden, daß zeitweilig ein Muster Elektroden auf der Oberfläche des Wandlers angebracht und die verschiedenen darunter liegenden Bereiche verschiedenen polarisierten 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 29 56 184 ein speziell geformter Körper aus einem Material mit vorteilhaften elektrischen Eigenschaften auf der Oberfläche des Wandlers in Serie mit der polarisierenden Spannung angebracht weden, um eine gleichmäßig variierende Polarisationsverteilung auf einen Bereich des Wandlers zu erhalten. Schließlich ist es aus der FR-PS 24 31 189 bekannt, eine ortsabhängige Polarisation dadurch hervorzurufen, daß eine konstante Spannung an einem Wandler mit ortsabhängiger Feldstärke angelegt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art, sowie einen Ultraschallwandler zu schaffen, bei dem das Apodisieren ohne Verwendung eines speziell geformten Körpers oder zeitweilig angelegter Elektroden erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem eingangs genannten 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 despiezoelektrischen Materials besteht.

Beim zweiten Schritt kann beispielsweise den Rändern der Oberfläche des Wandlers Wärme zugeführt werden. Die Lösung hinsichtlich des Ultraschallwandlers ist im Anspruch 3 angegeben. Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß es bekannt ist, durch Depolarisation des piezoelektrischen Materials den planaren Kopplungsfaktor zu verbessern (GB-PS 14 69 238) bzw. den Remanenzzustand eines ferroelektrischen Werkstoffbausteins zu stabilisieren (DE-OS 2 52 005).

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

Fig. 1 ein Diagramm, in dem die Strahlungscharakteristiken von Wandlern mit verschiedenen Aperturfunktionen gekennzeichnet werden,

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

Fig. 3 eine Darstellung 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 einem Array von Wandlerelementen in Verbindung mit einer Elektrodenstruktur bestehen, die es ermöglicht, daß verschiedene elektrische Signale getrennten Wandlerelementen oder Elementgruppen zugeführt werden. Akustische Energie wird vom Wandler hauptsächlich 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 dazu nahezu senkrecht. Es sind Techniken zum Verschieben der Signalphase bekannt, die es ermöglichen, daß die akustische Achse eines Array von Wandlerelementen unter verschiedenen Winkeln mit der Oberfläche der Platte steht und daß die akustische Achse elektrisch gesteuert wird. Die Lage des Schnittpunkts der akustischen Achse mit der wirksamen Oberfläche kann auch durch Ein- oder Ausschalten von Wandlerelementen in einem Array verschoben werden.

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 Aperturfunktion des Wandlers bestimmt wird.

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 herabgesetzt. Apodisierung kann zu einer Verbesserung der Richtgenauigkeit außerhalb der Achse führen, verringert aber 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 Fernfeld eines in einem schmalen Band arbeitenden, kontinuierlich erregten Wandlers nach einer Chebyshev- Polynomfunktion optimal apodisierbar ist. Ultraschallwandler 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 die Apodisierung einen optimalen Kompromiß zwischen räumlicher Auflösung und Abstrahl 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 Strahlungscharakteristik außerhalb der Achse eines linearen Gefüges von Wandlerelementen mit verschiedenen Aperturfunktionsapodisierungen dargestellt. Die räumliche Auflösung des Wandlers wird durch FWHM auf der horizontalen Achse und die Abstrahlung außerhalb der Achse durch FW25 auf der vertikalen Achse repräsentiert. Wandler mit nahe beim Ursprung liegenden Kennlinien eignen sich besser für medizinische Ultraschallanwendungen 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 ziemlich mangelhafte Abstrahleigenschaften außerhalb der Achse. Die Punkte 2 bis 11 geben das Ergebnis bereits veröffentlichter Apodisierung an und stellen nacheinander eine Kosinus-Apodisierung 2, eine 50%-Gauß-Apodisierung 3, eine Hamming-Apodisierung 4, eine Hanning-Apodisierung 5, eine halbkreisförmige Apodisierung 9 und eine 10%-Gauß- Apodisierung 10 dar.

Der Erfinder hat festgestellt, daß eine 30%-Gauß-Apodisierung eine viel bessere Kombination der Kennlinien der räumlichen Auflösung und der Richtgenauigkeit außerhalb der Achse als eine jede der bereits veröffentlichten Aperturfunktionen für medizinische Ultraschallanwendungen darstellt. Wie in Fig. 1 bei 11 dargestellt, liegen die Kenndaten des Wandlers mit einer 30%-Gauß-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. Die Wandler werden nach einem bekannten Verfahren während der Herstellung durch das Anlegen einer ziemlich hohen Gleichspannung an das keramische Material in einem vorgegebenen Zeitraum polarisiert. Die Polarisation des keramischen Materials variiert direkt mit der Stärke des angelegten elektrischen Feldes und mit der Zeit, in der das Feld angelegt wird.

In Fig. 2 ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Erhalten einer Polarisationsverteilung auf eine Wandlerapertur 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 Depolarisation sind durch die Regelung der Temperatur und der Dauer der Wärmezufuhr regelbar. Das gewünschte Polarisationsprofil wird 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 (3)

1. Verfahren zum Herstellen eines apodisierten Ultraschallwandlers mit einer wirksamen Oberfläche aus einer Platte aus piezoelektrischem keramischem Material, wobei örtliche Bereiche des keramischen Materials derart selektiv polarisiert werden, 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 piezoelektrischen Materials besteht.

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

3. Ultraschallwandler, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisation des Materials derart abnimmt, daß der akustische Wirkungsgrad der wirksamen Oberfläche des Wandlers bei einer gleichmäßigen elektrischen Erregung mit größer werdendem Abstand zum Zentralpunkt oder zur Zentrallinie nach einer Gauß- Funktion abnimmt und der Wirkungsgrad an den Rändern der Oberfläche etwa 30% von dem Wirkungsgrad an dem Zentralpunkt oder der Zentrallinie beträgt.