DE3621921A1 - Vorrichtung zum senden und empfangen von ultraschallimpulsen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen zur Ver­ wendung in einem nach dem Impuls-Echo-Verfahren arbei­ tenden Ultraschall-Bildgerät.

Sowohl im Bereich der medizinischen Diagnostik und der Werkstoffprüfung werden Ultraschallwellen für bild­ gebende Verfahren eingesetzt. Ein wesentlicher Teil der in der Sonographie verwendeten Verfahren basiert auf der Impuls-Echo-Technik, bei der eine kurze gedämpfte, von einem Ultraschall-Sender erzeugte Ultraschall­ schwingung in das zu untersuchende Medium eintritt und dort an Grenzflächen, an denen sich die akustische Im­ pedanz innerhalb des Mediums sprunghaft ändert, teil­ weise reflektiert und von einem Ultraschall-Empfänger registriert wird. Die empfangenen Echosignale werden durch eine nachgeordnete Elektronik und Bildverarbei­ tung zu einem Ultraschallbild des untersuchten Objekts zusammengefügt. Die erreichbare Bildqualität hängt zu einem wesentlichen Teil von den Sende- und Empfangs­ eigenschaften der eingesetzten Ultraschallwandler ab. Ein zentrales Bildqualitätskriterium ist die mit den Ultraschallimpulsen erreichbare Ortsauflösung. Darunter ist sowohl die Tiefenauflösung, d.h. die Auflösung axial in Richtung des Schallstrahls, als auch die Quer­ auflösung, d.h. die laterale Auflösung senkrecht zur Richtung des Schallstrahls zu verstehen. Während sich der zeitliche Verlauf des Ultraschallimpulses, beispiels­ weise dessen zeitliche Breite und dessen Steilheit der Anstiegs- und Abstiegsflanken, in erster Linie auf die axiale Auflösung auswirkt, ist die laterale Auflösung im wesentlichen durch die räumliche Breite des Ultra­ schallstrahles gegeben (F.J.Fry (Ed), Ultrasound: Its Application in Medicine and Biology, Amsterdam-Oxford- New York 1978, Vol. 3, Part II, Seiten 597-602).

Die axiale Auflösung ergibt sich für einen idealen rechteckigen Impuls mit der zeitlichen Breite Δ t zu Δ z=c×Δ t/2, wobei c die Schallgeschwindigkeit im untersuchten Medium ist. Je kürzer somit die Puls­ dauer des Ultraschallimpulses ist, desto größer ist die erreichbare Tiefenauflösung. Eine kurze Pulsdauer läßt sich jedoch nur mit einem Ultraschallwandler mit hoher Frequenzbandbreite erzeugen. Die in der medizinischen Diagnostik verwendeten piezokeramischen Wandler haben jedoch eine zu hohen Frequenzen hin begrenzte Band­ breite, die beispielsweise durch seine geometrischen Abmessungen, durch die Bandbreite des elektrischen Steuersignals und durch die akustischen Impedanzen der ihn umgebenden Medien verursacht ist. Durch Maßnahmen, die geeignet sind beispielsweise die Mehrfachreflexion an den Grenzflächen des Wandlers zu verringern, kann die Bandbreite des Wandlers erhöht und die Pulsdauer entsprechend verkürzt werden.

Aus der US-PS 44 27 912 ist beispielsweise ein Ultra­ schallwandler zur Verwendung in einem Ultraschall-Bild­ gerät bekannt, der aus mehreren aufeinander angeordneten Schichten aufgebaut ist. Eine Schicht besteht aus einem piezokeramischen Material und dient zum Erzeugen von Ultraschallwellen. Zwei weitere Schichten dienen als An­ passungsschicht an das Lastmedium, beispielsweise Ge­ webe oder Wasser, dessen akustische Impedanz sich von der akustischen Impedanz des piezokeramischen Sende­ materials um wenigstens eine Größenordnung unter­ scheidet. Die dem Lastmedium am nächsten liegende An­ passungsschicht ist aus einem piezoelektrischen Polymer und wird als Empfangsschicht für die im Lastmedium reflektierte Ultraschallwelle verwendet. Die beiden Anpassungsschichten sind erforderlich, um die Über­ tragung eines hinsichtlich des Frequenzspektrums mög­ lichst breitbandigen und somit kurzen Ultraschall­ signals in das Lastmedium zu ermöglichen. Dennoch ist auch bei diesem piezokeramischen Ultraschall-Wandler die Bandbreite begrenzt, so daß kurze Ultraschallim­ pulse mit steilen Impulsflanken nicht in befriedigender Weise erzeugt werden können.

In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung ist bereits bekannt Schallwellen durch Laserimpulse zu erzeugen (H.Krautkrämer, J. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Berlin-Heidelberg, 1975, Seiten 148-150). Dort wird ein Verfahren beschrieben, bei dem das zu untersuchende Werkstück direkt mit kurzen Laserimpulsen hoher Intensität bestrahlt wird. In einer Oberflächen­ schicht des Prüflings wird das auftreffende Licht ab­ sorbiert und die damit verbundene lokale Erwärmung führt zur Entstehung von Schallwellen, die sich im Werk­ stück ausbreiten. Ein solches Verfahren hat jedoch in der medizinischen Diagnostik keinen Eingang gefunden.

Aus der deutschen Patentschrift 25 38 960 ist außerdem eine Vorrichtung bekannt, bei der mittels eines Laser­ impulses, der in einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer fokussiert wird, Schockwellen erzeugt werden. Die Flüssigkeit befindet sich in einer rotations­ elliptischen Fokussierungskammer und der Fokus des Laserpulses fällt mit einem Brennpunkt des Rotations­ ellipsoids zusammen. Die Schockwelle wird im zweiten Brennpunkt der Fokussierungskammer fokussiert und kann dort zur Zerstörung von Konkrementen verwendet werden. Für die Verwendung in einem nach dem Impuls-Echo-Ver­ fahren arbeitenden Ultraschall-Bildgerät ist diese Vorrichtung jedoch nicht geeignet, da weder Maßnahmen zum Empfang des Echosignals getroffen sind, noch die räumliche Struktur des Schallfeldes zur Erzeugung von verwertbaren Echosignalen geeignet ist.

Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß sich mit Hilfe von kurzzeitigen Laserimpulsen in Wasser uni­ polare Schallimpulse erzeugen lassen, deren Intensität, sowie deren räumliche und zeitliche Signalform sich für die Anwendung in einem Ultraschall-Abbildungsverfahren besonders gut eignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zum Senden und Empfangen von Ultraschall­ impulsen mit variabler Fokuslage anzugeben, mit dem eine gegenüber bekannten Vorrichtungen erhöhte Orts­ auflösung erreicht werden kann.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Der fokussierte Laserimpuls erzeugt in der Flüssigkeit einen kurzen Ultraschallimpuls mit hoher Frequenzband­ breite, der sich, von einer nahezu punktförmigen Quelle ausgehend, kugelförmig ausbreitet. Mit Hilfe einer akustischen Abbildungsvorrichtung kann dieser Ultra­ schallimpuls je nach Lage des optischen Fokus ent­ weder auf eine bestimmte Tiefenlage im zu untersuchen­ den Medium fokussiert werden oder in einen Schall­ strahl mit annähernd ebener Wellenfront umgewandelt werden.

Zum Empfang der Echosignale wird eine piezoelektrische Polymerfolie verwendet, da diese den zeitlichen Verlauf des Ultraschallsignals nur minimal beeinflußt.

Durch eine Linearverschiebung des Lasers parallel zur Abbildungsachse der akustischen Abbildungsvorrichtung kann außerdem die Tiefenlage des akustischen Fokus im zu untersuchenden Körper auf einfache Weise verändert werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist auf die Zeichnung verwiesen, deren

Fig. 1 schematisch den zeitlichen Verlauf des von einem typischen piezokeramischen Wandler gesendeten Ultraschallsignals zeigt und in deren

Fig. 2 der zeitliche Verlauf des von einem Laser erzeugten Ultraschallimpulses exemplarisch dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen gemäß der Erfindung im Schnitt.

Entsprechend Fig. 1 hat der zeitliche Verlauf eines Ultraschallsignals in Wasser, wie es beispielsweise bei Verwendung von piezokeramischen Wandlern anzutreffen ist, die Gestalt eines bipolaren Wellenpakets. Die zeitliche Breite Δ t ₁ dieses Ultraschall-Wellen­ pakets ist in der Regel größer als 1 µs.

In Fig. 2 ist der Verlauf eines mittels eines Laser­ impulses im Wasser erzeugten Ultraschallimpulses dar­ gestellt. Der Ultraschallimpuls ist wenigstens an­ nähernd unipolar und hat eine zeitliche Halbwertsbreite Δ t ₂ von etwa 200 ns. Zur Erzeugung des Ultraschall­ impulses wurde ein Neodym-Glas-Laser verwendet, der einen Laserimpuls mit einer Pulsbreite von etwa 12 ns bei einer Leistung von etwa 2 MW erzeugt. Der Ultra­ schallimpuls geht vom annähernd punktförmigen Fokus des Laserstrahls im Wasser aus und die Druckamplitude be­ trägt ohne zusätzliche akustische Fokussierungsmaß­ nahmen in etwa 28 cm Abstand zum optischen Fokus etwa 2×10⁴ Pa. Der zeitliche Signalverlauf ist mathe­ matisch einfach zu beschreiben und ist somit besonders gut für mathematische Verfahren zur Rekonstruktion des Ultraschallbildes geeignet.

Gemäß Fig. 3 enthält eine Vorrichtung 2 zum Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen eine beispielsweise annähernd rechteckige Schallkammer 4, die mit einer schalltragenden Flüssigkeit 6, vorzugsweise Wasser, ge­ füllt ist. Eine Seitenwand ist als akustisches Fenster 8 ausgebildet und besteht beispielsweise aus einer Gummifolie um eine gute Anschmiegung an einen zu unter­ suchenden Körper 10 zu ermöglichen. In der Schallkammer 4 ist eine akustische Abbildungsvorrichtung 12 ange­ ordnet, deren Abbildungsachse 14 wenigstens annähernd senkrecht auf dem akustischen Fenster 8 steht. Die Abbildungsvorrichtung 12 kann beispielsweise ein Teil eines parabolischen Rotationskörpers aus einem schall­ harten Werkstoff, der als Hohlspiegel dient, sein. Vorzugsweise besteht die Abbildungsvorrichtung 12 aus einer akustischen bikonkaven Linse, die aus einem Material mit niedriger akustischer Impedanz, bei­ spielsweise Polymethacrylsäuremethylester PMMA oder Polystyrol PS besteht. Die Abbildungsvorrichtung 12 ist in einer Haltevorrichtung 16 angeordnet, die zugleich als Blende dient, um die in den zu untersuchenden Körper 10 abgestrahlte Schallintensität auf ein Niveau unterhalb der Schädigungsgrenze zu reduzieren.

Zwischen der Abbildungsvorrichtung 12 und dem akustischen Fenster 8 ist auf einem am Gehäuse der Schallkammer 4 befestigten Halterahmen 18 eine Folie 20 aus einem piezoelektrischen Polymer, vorzugsweise polarisiertem Polyvinylidenfluorid PVDF angeordnet, die an ihren gegenüberliegenden Flachseiten jeweils wenig­ stens teilweise mit einer leitfähigen Schicht versehen ist, die mit in der Figur nicht näher dargestellten elektrischen Zuführungen zum Aufnehmen elektrischer Signale verbunden ist. Die Folie 20 dient zum Empfan­ gen der im Körper 10 reflektierten Ultraschall-Echo- Signale. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Folie 20 direkt auf eine beispielsweise plankon­ kave Linse 20 aufgebracht werden.

Die Schallkammer 4 ist an einer ihrer parallel zur akustischen Abbildungsachse 14 verlaufenden Seitenwand mit einem Gehäuse 22 verbunden, in dem ein Laser 24 angeordnet ist, dessen Laserstrahl 26 im optischen Fokus F _o gebündelt ist. Der optische Fokus F _o ist dabei annähernd auf der Abbildungsachse 14 angeordnet. Der Laserstrahl 26 tritt durch ein optisches Fenster 28 in die Schallkammer 4 ein und erzeugt dort im optischen Fokus F _o ein Ultraschallimpuls 30, der sich vom optischen Fokus F _o ausgehend kugelförmig ausbreitet und von der akustischen Abbildungsvorrichtung 12 beispiels­ weise im akustischen Fokus F _a gebündelt wird. Durch eine Linearverschiebung des Lasers 24 oder der akustischen Abbildungsvorrichtung 12 parallel zur Abbildungsachse 14 kann die Tiefenlage des akustischen Fokus F _a den Erfordernissen entsprechend verändert werden.

Claims (4)

1. Vorrichtung (2) zum Senden und Empfangen von Ultra­ schallimpulsen zur Verwendung in einem nach dem Impuls-Echo-Verfahren arbeitenden Ultraschall-Bild­ gerät mit

• a) einer akustischen Abbildungsvorrichtung (12), die in einer mit einer schalltragenden Flüssigkeit (6) gefüllten Schallkammer (4) angeordnet ist und zur Abbildung eines von einer annähernd punktförmigen Ultraschallquelle ausgestrahlten Ultraschallimpulses (30) vorgesehen ist,
• b) einem Laser (24) zur Erzeugung eines fokussierten Laserpulses (26), dessen optischer Fokus (F _o) in dieser Schallkammer (4) wenigstens annähernd auf der Abbildungsachse (14) der akustischen Abbildungsvor­ richtung (12) liegt und
• c) einem Ultraschall-Empfänger 20 zum Empfangen eines Echosignals.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer akustischen Sammellinse als akustische Abbildungsvorrichtung.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 mit einer polari­ sierten piezoelektrischen Polymerfolie als Ultraschall- Empfänger (20), die im Strahlengang des fokussierten Ultraschallfeldes angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (24) parallel zur Abbildungsachse (14) der akustischen Abbildungsvorrichtung (12) verschiebbar angeordnet ist.