DE3722942A1 - Koppler fuer ultraschallwandler-sonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Koppler zur Verwendung bei einer Ultraschallwandler-Sonde für das Aussenden oder Empfangen von Ultraschallwellen zu bzw. von einem Zielbe­ reich in einem Prüfling oder Untersuchungsobjekt.

Wenn ein lebender menschlicher Körper zu medizinischen Diagnose- oder Untersuchungszwecken für die Beobachtung eines oberflächennahen Organs, wie Schilddrüse oder (große) Halsschlagader, mit einem von einer Sektortyp-Ultraschall­ wandlersonde emittierten sektorförmigen Strahl untersucht wird, muß der Fokussierpunkt einer am Spitzen(vorder)ende der Sonde angebrachten Linse in der Nähe des Untersuchungs­ bereichs positioniert werden. Aus diesem Grund ist an der Ultraschallwandler-Sonde ein Koppler angebracht, um die Sonde in einem vorgeschriebenen Abstand von der Oberfläche des untersuchten lebenden Körpers zu halten. Ein solcher Koppler ist in den Fig. 8 und 9 dargestellt, von denen Fig. 8 den Koppler in Schnitt-Vorderansicht in der als Ab­ tastebene bezeichneten Ebene zeigt, während Fig. 9 den Koppler in Schnitt-Seitenansicht in einer senkrecht zur Abtastebene liegenden Ebene zeigt. Dabei ist ein Koppler C am Vorderende einer Sektorabtast-Ultraschallwandler­ sonde 11 angebracht. Der Koppler C weist eine Anbaufläche 2, die mit der Sonde 11 verbunden ist, und eine Anlage­ fläche 3 auf, die gegen ein Untersuchungsobjekt (in Be­ rührung damit) gehalten wird. Der Koppler C ist insgesamt in Form eines Rechteck-Parallelpipedons oder -Quaders aus­ gebildet und besitzt eine Höhe h, eine Länge L in der Ab­ tastebene und eine Breite W in der Ebene senkrecht zur Ab­ tastebene.

Bei Anwendung des Kopplers C liegt der Fokussier- oder Brennpunkt P der Linse der Sonde 11 um die Höhe h dichter am Untersuchungsbereich im Vergleich zur Lage des Brenn­ punkts P ohne Verwendung eines solchen Kopplers C.

Wenn der zu beobachtende Zielbereich nicht tief unterhalb der Oberfläche des lebenden Körpers bzw. Untersuchungs­ objekts liegt, muß ein Koppler einer größeren Höhe h be­ nutzt werden, um den Brennpunkt P in Übereinstimmung mit dem Untersuchungs- oder Beobachtungsbereich zu bringen. Dies wirft die folgenden Probleme auf:

Ein erstes Problem besteht darin, daß sich mit einer Ver­ größerung der Koppler-Höhe h auch Länge L und Breite W des Kopplers vergrößern, was zu einem Koppler großer Ab­ messungen führt, der sich nicht einfach handhaben läßt.

Das zweite Problem ist anhand von Fig. 10 erläutert, welche die Beziehung zwischen der Verstärkung oder dem Übertra­ gungsfaktor (gain) der Sonde und der Kopplerhöhe entspre­ chend einer STC-Kurve (Nahechodämpfungs-Kurve) für ein mittels der Sonde empfangenes Signal zeigt. Wenn ein menschlicher Körper mittels einer Ultraschallwandler-Sonde untersucht wird, ist ein durch die Sonde von einem Beob­ achtungsbereich empfangenes Signal allgemein um so schwächer, je tiefer der Bereich im Körper liegt, d.h. je größer die Tiefe des Bereichs ist. Ein solcher Signalpegel wird unter Heranziehung der STC-Kurve zum Korrigieren des empfangenen Signals kompensiert. Das Innere des Kopplers ist gewöhnlich mit Wasser gefüllt, in welchem die Ultraschallenergie nicht wesentlich gedämpft (abgeschwächt) wird. Bei Verwendung von Kopplern C 1, C 2 unterschiedlicher Höhen h 1 bzw. h 2 wird durch den Koppler C 1 kleinerer Höhe h 1 kein Problem aufgeworfen, weil sein(e) Gewinn oder Verstärkung (oder auch Übertragungsfaktor) (gain) G 1 klein ist. Die größere Verstärkung G 2 des Kopplers C 2 mit der größeren Höhe h 2 verstärkt jedoch Mehrfachreflexion in einem an der Ober­ fläche des mit dem Untersuchungsobjekt in Berührung stehen­ den Kopplers C positionierten Element. Diese verstärkte Mehrfachreflexion führt zu einem Artefakt im reproduzierten Bild, wodurch eine einwandfreie Auswertung des Bilds be­ hindert wird. Ein Koppler für eine Ultraschallwandler-Sonde sollte daher keine große Höhe aufweisen.

Das JP-Gm 57-1 36 304 beschreibt eine in Fig. 11 gezeigte Linearabtast-Ultraschallwandlersonde 11′ mit einer Ultra­ schallwellen-Sende/Empfangsfläche 15 in Kombination mit einem Umsetzer 12 mit einer (in Anlage) gegen die genannte Sende/Empfangsfläche 15 gehaltenen akustischen Linse 16. Mit dieser bisherigen Anordnung kann aber nur der Brenn­ punkt der ausgesandten und empfangenen Ultraschallwellen verschoben werden; sie basiert jedoch nicht auf dem Grund­ gedanken, die Sonde und ein Untersuchungsobjekt in einem vorgeschriebenen Abstand voneinander zu halten.

Im Hinblick auf die geschilderten Mängel des Stands der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Koppler für eine Ultraschallwandler-Sonde zu schaffen, durch welchen der Brennpunkt einer Linse der Sonde in ge­ naue Übereinstimmung mit einem mittels der Sonde beobachteten oder untersuchten Bereich bringbar ist.

Dieser Koppler soll zudem einfach zu handhaben sein und Bilder (Abbildungen) in einem weiten Sehfeld liefern können.

Die obige Aufgabe wird bei einem Koppler zur Verwendung zwischen einer Ultraschallwandler-Sonde und einem Unter­ suchungsobjekt, um Ultraschallwandler-Sonde und Unter­ suchungsobjekt in einem vorgeschriebenen gegenseitigen Abstand zu halten, erfindungsgemäß gelöst durch eine akustische Linse in einem Bereich, der von einem Ultra­ schallsignal von der Ultraschallwandler-Sonde passiert wird. Da dieser Koppler mit einer akustischen Linse ver­ sehen ist, kann der Fokussier- oder Brennpunkt einer Linse der Sonde zu einer gewünschten Stelle verlegt werden. Da diese Sonde und das Untersuchungsobjekt in einem vorbe­ stimmten gegenseitigen Abstand angeordnet sind, kann ein Beobachtungsbereich auf einem Bildschirm mit einem weiten Sehfeld positioniert (wiedergegeben) werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er­ findung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines für eine Ultraschallwandler-Sonde vorgesehenen Kopplers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Vorderansicht des Kopplers nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Kopplers nach Fig. 1,

Fig. 4A einen Schnitt durch den Koppler nach Fig. 1,

Fig. 4B einen Schnitt durch einen Koppler gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4C eine Schnittansicht einer anderen akustischen Linse, die beim Koppler gemäß Fig. 4B verwendbar ist,

Fig. 5 eine schematische, teilweise im Schnitt gehaltene Darstellung der Anwendungsweise des erfindungs­ gemäßen Kopplers,

Fig. 6 eine Darstellung zur Verdeutlichung der Form des Vorderendes (tip end) des Kopplers,

Fig. 7 eine Seitenansicht zur Darstellung einer anderen Anwendungsweise des erfindungsgemäßen Kopplers,

Fig. 8 eine im Teilschnitt gehaltene Vorderansicht eines herkömmlichen Kopplers,

Fig. 9 eine im Teilschnitt gehaltene Seitenansicht des Kopplers nach Fig. 8,

Fig. 10 eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung eines beim herkömmlichen Kopplers auftretenden Problems und

Fig. 11 eine teilweise weggebrochene perspektivische Dar­ stellung eines bekannten Kopplers.

Nachstehend ist eine erste Ausführungsform der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben.

Der Koppler 1 umfaßt einen hohlen Hauptkörper 1 a eines trapezförmigen Querschnitts und ein Anbauelement 1 b für seine Anbringung an einer Ultraschallwandler-Sonde. Das Anbauelement 1 b weist eine als Anbau- oder Montagefläche 2 dienende Oberseite auf. Der Hauptkörper 1 a weist eine Unterseite auf, die als Kontaktfläche 3 zum Inberührung­ bringen mit einem Prüfling oder Untersuchungsobjekt, z.B. einem zu untersuchenden menschlichen Körper dient. Das An­ bauelement 1 b ist mit zwei beabstandeten Seitenwänden (oder -flanschen) 2 a versehen, die an ihren oberen Enden je­ weils nach innen gerichtete Haken aufweisen. Gemäß Fig. 2 ist die Ultraschallwandler-Sonde 10 mit ihrem distalen (vorderen bzw. unteren) Ende zwischen die Seitenwände 2 a eingesetzt und durch diese verspannt.

In einer Ebene (Fokussierebene) senkrecht zur Richtung des Pfeils A (Fig. 2), in welcher mittels eines Ultraschall­ strahls abgetastet bzw. letzterer zur Abtastung geführt wird, weist die Kontaktfläche 3 eine Breite W 3 auf, die kleiner ist als die Breite W 2 des Anbauelements 2.

Gemäß Fig. 4A ist an der Anbaufläche 2 eine akustische Linse 5 angebracht, die eine Oberseite 5 a mit einem Krümmungsradius entsprechend dem einer akustischen Linse der Sonde 10 und eine Unterseite 5 b mit einem Krümmungs­ radius, der kleiner ist als derjenige der Oberseite 5 a, aufweist. Die akustische Linse 5 besitzt daher einen Fo­ kussier- oder Brennpunkt P′, der näher an der Sonde 10 liegt als der Brennpunkt P der Linse der Sonde 10. An den beiden gegenüberliegenden Enden 5 c der akustischen Linse 5 kann (je) ein geeigneter akustischer Dämpfer zur Verkleine­ rung der Apertur D und damit zur Vergrößerung der Auf­ lösung eines aus einem flachen Bereich im Untersuchungs­ objekt empfangenen Signals angeordnet sein. Zwischen der Sonde 10 und der akustischen Linse 5 kann ein akustisches Kopplungsmittel, z.B. ein Ultraschall-Gel, angeordnet sein, um die ungestörte Übertragung von Ultraschallwellen zwischen beiden Teilen zu gewährleisten.

Die Kontaktfläche 3 des Kopplers 1 besitzt eine mit einem bestimmten Krümmungsradius konvex gekrümmte Form. Der Krümmungsradius der Kontaktfläche 3 kann so gewählt sein, daß ein von der Sonde 10 emittierter Ultraschallstrahl B (Fig. 7) die Kontaktfläche 3 an jeder Stelle derselben unter einem rechten Winkel oder praktisch unter einem rechten Winkel beaufschlagt, weil der so auftreffende Strahl B durch die Kontaktfläche 3 einwandfrei übertragen werden kann und ein reflektierter Strahl in seinem Durch­ messer verkleinert wird.

Der Koppler 1 kann entweder als äußere Schale aus Kunst­ stoff, die ein akustisches Medium, wie Wasser oder eine andere Lösung, enthält, oder als Halter (Aufnehmer), der eine feste kolloidale Masse enthält, ausgebildet sein. Wenn die Außenschale des Kopplers 1 mit einem akustischen Me­ dium, wie Wasser oder sonstige Lösung, gefüllt ist, be­ steht die Kontaktfläche 3 aus einer Membran aus Silikon­ gummi bzw. -kautschuk. Das akustische Medium wird in den Koppler 1 über einen Einlaß 4 (Fig. 1 und 2) eingefüllt.

Der Hauptkörper 1 a des Kopplers 1 besitzt eine Höhe h 3 (Fig. 4A), die kleiner ist als die Höhen h 1, h 2 der her­ kömmlichen Koppler C 1 bzw. C 2 (Fig. 10), und eine Länge L 2 (Fig. 3), die ebenfalls kleiner ist als die Länge L 1 (Fig. 8) des herkömmlichen Kopplers C. Dies ist deshalb der Fall, weil der erfindungsgemäße Koppler 1 aufgrund der akustischen Linse 5 in seinen Gesamtabmessungen kleiner sein kann, obgleich er wirkungsmäßig den herkömmlichen Kopplern entspricht.

Fig. 4B veranschaulicht einen Koppler gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung mit einer an einer Kontakt­ seite oder -fläche 3 zur Kontaktierung mit einem Unter­ suchungsobjekt angeordneten akustischen Linse 5 a. An einer an der Sonde 10 anliegenden Kontaktfläche 2 ist eine Membran 8 aus Silikongummi angeordnet. Die akustische Linse 5 a weist eine flache Innenseite und eine konvexe Außenseite auf. Wahlweise kann die beim Koppler nach Fig. 4B zu ver­ wendende akustische Linse 5 b gemäß Fig. 4C eine konkave Innenseite und eine flache Außenseite aufweisen.

Der Koppler wird wie folgt benutzt:

Gemäß Fig. 5 wird ein Koppler 1 mit einem in einem Be­ obachtungsbereich 7 liegenden Brennpunkt gewählt und an der Ultraschallwandler-Sonde 10 angebracht. Sodann wird der Koppler 1 in Berührung mit einem Untersuchungsobjekt 6 gehalten, während von der Sonde 10 Ultraschallwellen zum Untersuchungsobjekt 6 hin ausgesandt werden und ein re­ flektierter Ultraschallstrahl von der Sonde 10 empfangen wird. Während dieser Benutzung oder Bedienung des Kopplers 1 wird er an die Oberfläche des Untersuchungsobjekts 6 auf die in Fig. 6 gezeigte Weise angedrückt, so daß der Beobachtungsbereich 7 unmittelbar betrachtet werden kann (Schwenkabtastung).

Der Koppler 1 mit der beschriebenen Ausbildung und Wir­ kungsweise bietet die folgenden Vorteile:.

• a) Die akustische Linse 5 ist an der Anbaufläche 2 für die Anbringung an der Sonde 10 angeordnet, wobei der Krümmungsradius der Oberseite 5 a der akustischen Linse 5 demjenigen der akustischen Linse der Sonde 10 entspricht, während der Krümmungsradius der Unterseite 5 b der aku­ stischen Linse 5 kleiner ist als derjenige ihrer Ober­ seite 5 a, so daß der Brennpunkt P′ der akustischen Linse 5 näher an die Sonde 10 heran verlegt ist als der Brenn­ punkt der Linse der Sonde 10 selbst. Der Koppler 1 er­ möglicht mithin die Abbildung eines oberflächennahen Organs, wie Schilddrüse oder Halsschlagader, mit hoher Abbildungsgüte und hoher Auflösung sowie mit einem weiten Sehfeld. Da der Koppler 1 keine vergrößerten Abmessungen aufzuweisen braucht, läßt er sich einfach handhaben. Da der Koppler 1 eine kleine Höhe h 2 aufweist, wird ein et­ waiges, durch Mehrfachreflexion an der Kontaktfläche oder am Fensterelement 3 hervorgerufenes Artefakt so verringert, daß es die Diagnose oder Bildauswertung nicht beeinträchtigt.
• Da der Brennpunkt P′ der akustischen Linse 5 in einer be­ liebigen Lage liegen kann, ist der Entwurfsfreiheitsgrad für die Form des Kopplers erheblich erweitert.
• b) Da die Kontaktfläche 3 für die Berührung mit der Ober­ fläche eines Untersuchungsobjekts 6, z.B. eines men­ schlichen Körpers, mit einem vorgeschriebenen Krümmungs­ radius konvex gekrümmt ist, wird eine etwaige Mehrfach­ reflexion an den Seiten des Kopplers 1 verringert, und der Koppler 1 kann "satt aufliegend" oder angeschmiegt gegen die Oberfläche des Untersuchungsobjekts 6 gehalten werden. Die herkömmlichen Koppler besitzen die Form eines Wasser­ beutels oder eines nachgiebigen festen Körpers, z.B. einer kolloidalen Masse, mit einer flachen oder beliebig verform­ baren Kontaktfläche für die Berührung mit der Oberfläche eines Zielbereichs (z.B. der Oberfläche eines menschlichen Körpers). Wenn dabei die Oberfläche über dem Zielbereich flach (eben) ist, erhält die Kontaktfläche ebenfalls eine flache Form. Die Unterseite 3 und die gegenüberliegenden Seitenflächen 31 des Kopplers C verursachen daher gemäß Fig. 8 Reflexionen, die für die mehrfach reflektierten Bil­ der oder Artefakte auf dem Monitor eines Ultraschall-Ab­ bildungsgeräts verantwortlich sind und die Diagnose oder Bildauswertung (image reading) behindern.
• Erfindungsgemäß ist dagegen die Kontaktfläche 3 des Kopplers 1 mit einem vorgeschriebenen Radius konvex gekrümmt, so daß der Durchlaßgrad (transmittivity) der Kontaktfläche 3 für Ultraschallstrahlen vergrößert ist, während reflek­ tierte Strahlen abgeschwächt werden. Infolgedessen werden Mehrfachreflexionen an den Seiten des Kopplers 1 herab­ gesetzt und damit auch der Einfluß von mehrfach reflek­ tierten Bildern auf dem Monitor eines Ultraschall-Abbil­ dungsgeräts gemildert, so daß die Diagnose oder Bildaus­ wertung ungestört vorgenommen werden kann.
• Aufgrund der konvex gekrümmten Kontaktfläche 3 kann der Koppler 1 "satt aufliegend" oder angeschmiegt (snugly) mit der Körperoberfläche 6 in Berührung gehalten werden.
• c) Die Breite W 3 der Kontaktfläche 3 in einer Richtung senkrecht zur Abtastrichtung A der Sonde 10 ist kleiner als die entsprechende Breite der Kontaktfläche bei den herkömmlichen Kopplern. Dies ist insofern vorteilhaft, als die Kontaktfläche 3 bei der Führung über die Körperober­ fläche 6 auf die in Fig. 5 gezeigte Weise einer geringeren Reibung unterworfen ist und zügig bewegt werden kann; wenn der Koppler 1 um einen Drehpunkt auf der Körperoberfläche 6 gemäß Fig. 6 über einen Winkel bewegt wird, kann die Kontaktfläche 3 ohne weiteres an die Körperoberfläche 6 angepreßt und gegen diese gehalten werden.

Der herkömmliche Koppler gemäß den Fig. 8 und 9 weist da­ gegen sowohl in Abtastrichtung A als auch senkrecht dazu jeweils einen rechteckigen Querschnitt auf, so daß die Breite W 1 der Kontaktfläche vergleichsweise groß ist. Wenn dieser Koppler über eine Körperoberfläche geführt wird, unterliegt er einer großen Reibung und kann daher nicht zügig bewegt werden. Bei einer Abwinkelung um einen Dreh­ punkt auf der Körperoberfläche kann der Koppler dabei nicht ausreichend in die Körperoberfläche eingedrückt werden, so daß seine Berührung mit der Körperoberfläche (oder Auf­ lage auf ihr) mangelhaft ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Koppler wird daher die eingangs genannte Aufgabe voll und ganz gelöst.

Die Erfindung ist nicht nur auf einen Koppler für eine Sektorabtast-Ultraschallwandlersonde, sondern auch auf einen Koppler für eine in Fig. 1 dargestellte Linearabtast- Ultraschallwandlersonde anwendbar.

Claims (6)

1. Koppler zur Verwendung zwischen einer Ultraschallwandler- Sonde und einem Untersuchungsobjekt, um Ultraschall­ wandler-Sonde und Untersuchungsobjekt in einem vorge­ schriebenen gegenseitigen Abstand zu halten, gekenn­ zeichnet durch eine akustische Linse in einem Bereich, der von einem Ultraschallsignal von der Ultraschallwandler-Sonde passiert wird.

2. Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Anbaufläche für die Anbringung an der Ultra­ schallwandler-Sonde aufweist und die akustische Linse an der Anbaufläche angeordnet ist.

3. Koppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Linse eine gegen die Anbaufläche gehal­ tene bzw. an dieser anliegende erste Fläche mit einem zweiten Krümmungsradius, der kleiner ist als der erste Krümmungsradius, aufweist.

4. Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine in Anlage gegen das Untersuchungsobjekt halt­ bare Kontaktfläche aufweist und die akustische Linse an der Kontaktfläche angeordnet ist.

5. Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein flüssiges akustisches Medium enthält.

6. Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen kolloidalen festen Körper und einen diesen enthaltenden oder aufnehmenden Halter aufweist.