DE3689736T2 - Ultraschall-Abbildungsgerät. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Abbildungsgerät mit einer Wandleranordnung mit einer Platte aus piezoelektrischem keramischem Material, die zwei Hauptflächen enthält, einer ersten Leitelektrode, die auf der ersten der einander gegenüberliegende Hauptflächen als Basiselektrode dient, und einer zweiten Leitelektrode, die auf der zweiten der Hauptflächen als aktive Elektrode dient. Die Wandleranordnung kann ein lineares oder ein phasengesteuertes Gebiet sein.
• Die allgemeinen Merkmale diagnostischer Ultraschall-Wandler sind sehr wohl aus dem Stand der Technik bekannt. In der Patentschrift DE-A-2 718 772 ist ein derartiger Wandler nach dem Stand der Technik beschrieben. Da die Feldtiefe heutiger mechanischer Linsen sehr beschränkt ist, wurden Linsen beschrieben, die unter Verwendung von zwei Wandlertypen für verschiedene Anwendungen zu nahe oder zu weit vom abgetasteten Objekt abbildeten. Daneben wurden reinelektronische Lösungen beschrieben. In der US-Patentschrift 4 371 805 ist eine Ultraschall-Wandleranordnung beschrieben, deren Frequenz in einem bestimmten Bereich zum Verwirklichen verbesserter Abbildungsbedingungen frei wählbar ist, insbesondere zum Verwirklichen einer besseren Auflösung bei der Erzeugung von Bildern eines abgetasteten Raums. In dieser Patentschrift ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben, in dem elektronisches Fokussieren sowohl in der Längsrichtung als auch in der Querrichtung des Wandlers ebenfalls möglich sein soll. Der Hauptnachteil des Wandlers dieser Patentschrift ist die erforderliche komplizierte Elektronik zum Ermöglichen der Funktionierung des Entwurfs. In der britischen Patentschrift 1 514 050 ist eine ringförmige Wandleranordnung mit einer festen Geometrie statt mit gestuften Elektroden angegeben. Dabei wird eine Scheibe statt einer Zylinderlinse verwendet und sie ist nicht in phasengesteuerten Gebieten verwendbar. In der US-Patentschrift Nr. 4 242 912 ist ein Verfahren zum Fokussieren eines Ultraschallbündels unter Verwendung zeitverschobener Pulsierung benachbarter Wandlerelemente beschrieben.
• In einem Ultraschall-Abbildungssystem wird die Leistung des Wandlers wesentlich bestimmt durch die Form des akustischen Bündels sowohl in der Richtung der Abtastung (nachstehend der Längsrichtung) und senkrecht auf der Abtastung (d. h. dem Aufriß, im weiteren der Querrichtung). Eine mechanische Linse gewährleistet das Fokussieren linearer und phasengesteuerter Gebiete in der Richtung senkrecht auf das Blickfeld. Jedoch ist die mechanische Linse vom Typ mit konstanter Brennweite und daher liefert sie eine sehr beschränkte Tiefenschärfe. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Tiefenschärfe der Aufrißfokussierung zu verbessern, ohne daß sehr komplexe Elektronik erforderlich ist.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Gerät in Anspruch 1 definiert.
• Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
• Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der elektronisch einstellbaren mechanischen Linse der Erfindung,
• Fig. 2 eine Draufsicht auf die Rückflächenelektrode der elektronisch einstellbaren mechanischen Linse nach Fig. 1,
• Fig. 3 ein Blockschaltbild der elektronischen Konfiguration einer elektronisch einstellbaren mechanischen Linse mit einer Apertur von 16 Elementen in der Längsrichtung und 3 Elementen in der Querrichtung,
• Fig. 4 eine graphische Darstellung der Auflösung der mechanischen Bezugslinse,
• Fig. 5 eine graphische Darstellung mit der Einweg-Richtwirkungsfunktion bei Z = 150,0 mm,
• Fig. 6 eine graphische Darstellung mit der Einweg-Richtwirkungsfunktion bei Z = 30,0 mm,
• Fig. 7 eine graphische Darstellung mit den Einweg- Richtwirkungsfunktionen bei Z = 80,0 mm,
• Fig. 8 eine graphische Darstellung mit dem Vergleich der Auflösung bei Z = 30,0, 80,0 und 150,0 mm.
• In Fig. 1 ist in übertrieben perspektivischer Darstellung die Profilansicht der elektronisch einstellbaren mechanischen Linse für Ultraschall-Linearfeld- und Phasensteuerfeldabbildung nach der Erfindung dargestellt. Diese Linse enthält ein piezoelektrisches kristallines Material 12 in einer Platten- oder Streifenform, eine aktive Elektrode 14 an einer Seite und eine Basiselektrode 16 an der anderen Seite. Eine mechanische Linse 18 ist auf der Basiselektrode 16 derart angeordnet, daß die mechanische Linse und die Basiselektrode sich an der Patientenseite des Wandlers befinden. Elektronisches Fokussieren in der Längsrichtung ist herkömmlich, die aktive Elektrode 14 wird dabei in Querrichtung in Segmente (a, b, c, . . . ) nach Fig. 2 aufgeteilt.
• Erfindungsgemäß wird die aktive Rückflächenelektrode 14 ebenfalls in der Längsrichtung in Streifen verteilt, vorzugsweise in drei Streifen 4, 5 und 6. Mit dieser Verteilung kann die mechanische Linse aus Linearfeldern und phasengesteuerten Feldern die Fokussierung in der Querrichtung senkrecht auf die Blickfeldrichtung gewährleisten. In dieser Figur dienen die Elemente 4a, 4b, 4c, 4d, . . . auf der Rückfläche der piezoelektrischen Elektrode als die Zentralelektroden und die Elemente 5a, 5b, . . . , und 6a, 6b, . . . als Seitenelektroden. Zum Erhalten einer erweiterten Tiefenschärfe in dieser Ebene werden elektronische Verzögerungen für die Signale eingeführt, die auf das abgetastete Objekt übertragen werden und aus dem abgetasteten Objekt durch die Zentralelektroden 4a, 4b, 4c, . . . empfangen werden, um Phasenfehler zu korrigieren, die normalerweise auftreten würden, wenn die mechanische Linse unscharf ist. Diese Erhöhung der Anzahl von Elektroden erfordert demgemäß zusätzliche Schaltelektronik, obgleich weniger Bauelemente als nach dem Stand der Technik verwendet werden. Da zusätzliche Schaltelektronik zum Herstellen des Kontakts mit den Elektroden der einstellbaren mechanischen Linse erforderlich ist, wird bevorzugt, daß die Anzahl der mechanischen Linsenelektroden auf drei beschränkt wird, d. h. auf einen Zentralstreifen und zwei Seitenstreifen. Da mit mehr als drei Elektroden in der Querrichtung eine bessere Leistung erhältlich ist, darf die Erhöhung in der Schaltelementzahl nicht kostenerhöhend wirken. Die beste Fokussierung mit einer beschränkten Anzahl von Streifen wird durch Minimisierung des Phasenfehlers je Streifen erhalten. Daher wird die Breite der drei Streifen derart gewählt, daß der Laufzeitunterschied zwischen dem inneren und dem äußeren Rand der Seitenstreifen gleich dem Laufzeitunterschied auf den Zentralstreifen ist. Die Laufzeitunterschiede werden für eine bestimmte Fokussiertiefe berechnet. Jedoch gibt es für alle praktischen Zwecke dieselbe Streifenverteilung, welche auch die Fokussiertiefe oder der Krümmungsradius der mechanischen Linse sei.
• Die Elektronik (Schalter, Multiplexer, usw.) kann sich im Abtastkopf befinden, wodurch sich im Kabel eine verringerte Anzahl von Leitungen befindet, oder die Elektronik kann sich im Grundgerät befinden, wodurch genauso viele Leitungen im Kabel erforderlich sind, wie es akustische Elemente gibt.
• In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild der Konfiguration der elektronischen Basischaltung für die einstellbare mechanische Linse nach der Erfindung mit einem 16- Element-Längsapertur dargestellt. Die Elemente 4a, 4b, 4c, . . . 4k sind akustische Elemente (Wandler) unterhalb der Elektroden mit der gleichen Bezugszahl. Die Elemente 7a . . . 7k und 8a . . . 8k sind Verzögerungen zum longitudinalen Fokussieren. Die Elemente 9a und 9b stellen die Summierung der empfangenen Signale dar und das Element 10 ist eine Verzögerung zum Einstellen des Taktes in der Querrichtung, die eine positive oder eine negative Verzögerung sein kann. Wenn das Element 10 beim Empfang der Echos dynamisch geändert wird, kann die sog. Verfolgungsfokussierung erhalten werden. Die Verzögerungen 8a, 8b, . . . 8k sind mit je zwei Elementen 5a/6a, 5b/6b usw. verbunden, da die Phasenbedingungen dieser gruppierten Elemente die gleichen sind. Anhand der Fig. 3 wurde die Fokussierung beim Empfang beschrieben. Dieselbe Struktur ist auch für die Übertragung verwendbar. Dies ermöglicht die Querfokussierung in jeder Tiefe.
• Bezüglich Fig. 4 bis 8 wird die erfindungsgemäße elektronisch einstellbare mechanische Linse am besten durch eine Beschreibung der Merkmale einer mechanischen Bezugslinse, wie sie allgemein in Wandlern nach dem Stand der Technik verwendet wird, und der Auswirkung elektrischer Fokussierung einer derartigen erfindungsgemäßen Linse erläutert. Sämtliche Daten werden in Millimeter ausgedrückt, wenn nicht anders angegeben.
• Die Merkmale der Bezugslinse sind wie folgt:
• Mechanischer Krümmungsradius: 50,0 mm mit einer Ultraschall- Fortpflanzungsgeschwindigkeit von 1,0 mm pro us, daher einen Ultraschall- Krümmungsradius gleich 100,0 mm,
• Breite: 15,0 mm,
• Resonanzfrequenz: 3,0 mHz, mittlere Beschichtung und 1-Viertelwellen- Anpaßschicht, wodurch eine typische Kurzimpulsbeantwortung entsteht, und mit einer Doppelresonanzimpulsanregung, d. h. zwei Kurzimpulse um eine halbe Wellenlänge und eine Wellenlänge auseinander. Die Apertur des Wandlers besteht aus 16 Elementen mit einem Mittenabstand von 0,95 mm. Die elektronische Brennweite zum Fokussieren in der Längsrichtung beträgt 80,0 mm.
• In Fig. 4 ist das FWHM (volle Breite bei halbem Maximum) der Hauptkäule der Richtwirkungsfunktion der mechanischen Linse dargestellt, d. h. senkrecht auf die Bildebene abhängig von der Tiefe Z. Die Kurve ist dadurch kennzeichnend, daß die beste Auflösung bei 80,0 mm gefunden wird, und daß Defokussierung zu geringerer Auflösung bei geringeren und größeren Tiefen führt.
• Der Entwurf der erfindungsgemäßen Linse dient der Verbesserung der Auflösung sowohl im nahen Bereich als auch weiter nach außen. Als Beispiel wird die Richtwirkung bei einer Tiefe Z = 30,0 mm und Z = 150,0 mm analysiert. FOCZm bezeichnet den natürlichen Ultraschall-Krümmungsradius der mechanischen Linse. Der Wert FOCZm = 100,0 wird in Fig. 4 angegeben. FOCZl bedeutet die elektronisch eingestellte Brennweite der mechanischen Linse.
Tiefe 30,0 mm
• Einweg-Richtwirkungsfunktionen bei Z = 30,0 mm sind in Fig. 6 angegeben (normalisierter Maximaldruck Pmax abhängig von der Querrichtung Y zur Bündelachse).
• Die Kurve (Fig. 6) für keine externe Fokussierung FOCZm = 100,0 zeigt die kräftige Auswirkung der Defokussierung in diesem Abstand. Bei FOCZm = 80,0 oder 60,0 mm und FOCZl = 30,0 mm werden viel bessere Ergebnisse erhalten. Bei FOCZm = 100,0 und FOCZl = 30,0 wird eine geringere Verstärkung erhalten. Offensichtlich sollte zum Erhalten guter Ergebnisse bei Z = 30,0 mm FOCZm näher herangeführt werden als bei dem Originalwahl von FOCZm = 100,0.
Tiefe 150,0 mm
• Einweg-Richtwirkungsfunktionen bei Z = 150,0 mm sind in Fig. 5 angegeben (normalisierter Maximaldruck Pmax abhängig von der Querrichtung Y zur Bündelachse). Hier wird bei der Übergang auf externe Fokussierung bei FOCZm= 100,0 einige Verstärkung gewonnen. Wie oben bereits angegeben, kann die Auflösung bei Z = 30,0 mm wesentlich verbessert werden, vorausgesetzt FOCZm wird kleiner gewählt. In Fig. 5 ist jetzt dargestellt, daß vergleichbare Auflösungen bei Z = 150,0 mm erhalten werden, wenn FOCZm auf 80,0 mm oder sogar auf 60,0 mm verkleinert wird.
Tiefe 80,0 mm
• Äquivalente Auflösungen (Fig. 7) werden für folgende Situationen erhalten: FOCZm = 100,0 mm/keine externe Fokussierung, FOCZm = 80,0 mm/keine externe Fokussierung und FOCZm = 60,0 mm/FOCZl = 80,0 mm. Dies läßt sich voraussehen, die Phasenfehler sind klein. Daher ist die Wahl von FOCZm im Mittelbereich des Bildes nicht kritisch.
• Typische FWHM-Werte sind in Fig. 8 verglichen. Ersichtlich ist, daß wesentliche Verstärkung in der Auflösung in den geringeren Tiefen erhalten wird, wobei die aktive Elektrode in drei Streifen in der Längsrichtung aufgeteilt ist und die Linse in der Querebene nach der Erfindung elektronisch fokussiert wird.

Claims (1)

1. Ultraschall-Abbildungsgerät mit einer Wandleranordnung mit

   einer Platte (12) aus piezoelektrischem keramischem Material, die zwei einander gegenüberliegende Hauptflächen enthält,

   einer ersten Leitelektrode (16), die auf der ersten der Hauptflächen als Basiselektrode dient,

   einer zweiten Leitelektrode (14), die auf der zweiten der Hauptflächen als aktive Elektrode dient, die in eine Anzahl aktiver Wandlerelektroden verteilt und in der Querrichtung in eine Anzahl von Spalten (a, b, c . . . ) durch Aufschneiden der Elektrode unterteilt wird,

   einer zylindrischen Konvexlinse (18) über einer der Elektrodenflächen, Schalt- und Schaltungsmitteln zum Pulsieren der Wandlerelemente unterhalb der Wandlerelektroden und zum Empfangen der nach den Wandlern zurückkehrenden Impulsechos,

   ersten Verzögerungsmitteln (7a . . . 7k; 8a . . . 8k) zum Fokussieren der Wandleranordnung in der Längsrichtung durch Steuerung der Pulsierung und des Empfangs der Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvexlinse (18) über der ersten Oberfläche (16) positioniert ist,

   die aktive Elektrode in der Längsrichtung durch wenigstens zwei Schnitte verteilt wird, so daß die Spalte (a, b, c . . . ) wenigstens drei Wandlerelektroden (4, 5, 6), d. h. eine Hauptelektrode (4) und zwei Seitenelektroden (5, 6), enthält, wobei die Breite der drei Elektroden so groß ist, daß der Läufzeitunterschied zwischen der Innen- und der Außengrenze der Seitenelektroden mit dem Laufzeitunterschied an der Hauptelektrode für alle betreffenden Fokussiertiefen vergleichbar ist,

   die ersten Verzögerungsmittel ein Verzögerungselement (7a . . . 7k) für jede Hauptelektrode (4a . . . 4k) und ein Verzögerungselement für jedes Seitenelektrodenpaar (5a, 6a; . . . 5k, 6k) enthalten, das in bezug auf eine Hauptelektrode (4a . . . 4k) symmetrisch angeordnet ist,

   das Gerät außerdem zweite Verzögerungsmittel (10) ein einziges Verzögerungselement für jedes ganze Seitenelektrodenpaar (5a, 6a; . . . 5k, 6k) enthält, das in bezug auf eine Hauptelektrode (4a . . . 4k) und im gleichen Abstand davon angeordnet ist, um die Wandleranordnung durch Steuerung der gesamten Seitenelektroden (5, 6) in bezug auf die gesamten Hauptelektroden (4) in Querrichtung zu fokussieren.