DE3737593C2

DE3737593C2 - Ultraschall-Sondenvorrichtung

Info

Publication number: DE3737593C2
Application number: DE3737593A
Authority: DE
Inventors: Kaoru Machida; Yusichi Kikuchi; Masayuki Takano; Noriyoshi Kobayashi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-11-06
Filing date: 1987-11-05
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2007-11-06
Also published as: DE3737593A1; US4977780A

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Sondenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine bisherige Ultraschall-Sondenvorrichtung mit einer Ultraschall-Sonde und einem Ultraschall-Koppler ist in den Fig. 12 und 13 dargestellt.

Die Ultraschall-Sondenvorrichtung 20 gemäß Fig. 12 umfaßt eine Ultraschall-Sonde 21 zum Aussenden von Ultraschall wellen und zum Empfangen von Ultraschallechos sowie einen Ultraschall-Koppler 22 mit einer Halterung 23, mit deren Hilfe er an der Sonde 21 montiert ist, sowie einer Fläche 24 zur Kontaktierung mit einer Oberfläche 25 (Fig. 13) eines zu untersuchenden Körpers M, wobei der Ultraschall- Koppler 22 ein akustisches Medium, wie Wasser, enthält. Der Koppler 22 liegt in Form eines Wasserbeutels oder eines weichen Behälters, der ein weiches kolloidales Material o. dgl. enthält, vor. Der Koppler 22 ist somit ausreichend flexibel oder biegsam, um seine Kontaktier- Fläche 24 eine flache symmetrische Form in bezug auf eine Mittellinie BMc in der Ebene, in welcher ein Ultraschall strahl BM zur Abtastung geführt wird, annehmen oder sich frei verformen zu lassen.

Die Ultraschall-Sonde 20 kann benutzt werden zur Gewinnung einer Doppler-Information (FFT-Doppler-Information, zweidimensionale Doppler-Farbinformation) von oder aus einem parallel zur Oberfläche des Körpers M verlaufenden peripheren Blutgefäß 26, z. B. einer Halsschlagader. Die wichtigste Doppler-Information von einem Mittelbereich des Ultraschallstrahls BM, d. h. einem Mittelteil eines Zielbereichs 27, kann dabei jedoch nicht genau gewonnen bzw. abgegriffen oder nicht vollständig gemessen werden. Dieser Umstand beruht auf dem Prinzip des Doppler-Effekts. Genauer gesagt: die Beziehung zwischen einer Doppler-Verschiebungs frequenz fd und einer Blut(strömungs)geschwindigkeit V läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:

In obiger Gleichung bedeuten: α = zwischen Ultraschallstrahl und Blutstrom festgelegter Winkel; f = Ansteuerfrequenz; und C = Schallgeschwindigkeit im untersuchten Körper. Da der Winkel α zwischen dem Blutstrom und dem Ultraschallstrahl BM im Zielbereich 27 dabei 90° beträgt, gilt fd = 0, so daß die Geschwindigkeit des Blutstroms nicht gemessen werden kann.

Eine andere Störungsursache liegt darin, daß die flache symmetrische Kontaktierfläche 24 des Ultraschall-Kopplers 22 eine Multiplex- oder Mehrfachreflexion des Ultraschall echos herbeiführt.

Mit der beschriebenen herkömmlichen Ultraschall-Sondenvorrichtung kann mithin keine genaue Doppler-Information für den Mittelteil des zu messenden (untersuchenden) Zielbereichs gewonnen werden.

Aus der gattungsbildenden Druckschrift GB 2009563 A ist es bekannt, eine gegenüber der Grundfläche des Wandlerarrays geneigte Anlagefläche vorzusehen. Hierbei verläuft die Neigung quer zur Abtastebene.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Ultraschallsonde so zu verbessern, daß die Genauigkeit einer Doppler-Information, die mit den Ultraschallstrahlen erhalten wird, erhöht und die Handhabung bei der Diagnose erleichtert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

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

Fig. 1 eine Vorderansicht einer Ultraschall-Sondenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines bei der Ultraschall- Sondenvorrichtung gemäß Fig. 1 vorgesehenen Ultraschall-Kopplers,

Fig. 3 eine Vorderansicht, welche die Art der Anwendung der Ultraschall-Sondenvorrichtung gemäß Fig. 1 verdeutlicht,

Fig. 4 einen Schnitt durch den Ultraschall-Koppler nach Fig. 2,

Fig. 5 und 6 Schnittansichten zur Erläuterung der Arbeitsweise der Ultraschall-Sondenvorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 7 eine teilweise im Schnitt gehaltene Vorderansicht einer Ultraschall-Sondenvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 eine Seitenansicht eines Ultraschall-Kopplers bei der Ultraschall-Sondenvorrichtung gemäß Fig. 7,

Fig. 9 eine Schnittansicht des Ultraschall-Kopplers nach Fig. 8,

Fig. 10 eine teilweise im Schnitt gehaltene Vorderansicht zur Verdeutlichung der Anwendung der Ultraschall-Sondenvorrichtung gemäß Fig. 7,

Fig. 11 eine teilweise im Schnitt gehaltene Vorderansicht einer Ultraschall-Sondenvorrichtung gemäß einer Abwandlung der Erfindung,

Fig. 12 eine Vorderansicht einer herkömmlichen Ultraschall-Sondenvorrichtung und

Fig. 13 eine Vorderansicht zur Verdeutlichung der Anwendung der herkömmlichen Ultraschall- Sondenvorrichtung.

Die Fig. 12 und 13 sind eingangs bereits erläutert worden.

Die in Fig. 1 dargestellte Ultraschall-Sondenvorrichtung 10 umfaßt eine Ultraschall-Sonde 1 zum Aussenden von Ultraschallwellen und zum Empfangen von Ultraschallechos sowie einen an der Sonde 1 montierten Ultraschall-Koppler C. Der Koppler C ist mit einem Träger oder einer Halterung 2 in Form zweier beabstandeter Haken 2a (Fig. 2) versehen. Der Koppler C ist an der Sonde 1 anbringbar, indem die Haken 2a in Einrasteingriff mit den gegenüberliegenden Seitenwänden am distalen Ende der Ultraschall-Sonde 1 gebracht werden.

Der Ultraschall-Koppler C weist eine Berührungs- oder Kontaktierfläche 3 auf, die unter einem Winkel (z. B. 60°) zur Mittellinie BMc eines von der Sonde 1 emittierten Ultraschallstrahls BM geneigt ist und die eine konvex gekrümmte oder gewölbte Form mit einer bestimmten Krümmung aufweist.

Gemäß Fig. 2 weist die Halterung 2 des Ultraschall-Kopplers C eine Breite W1 auf, während die Kontaktierfläche 3 eine Breite W2 besitzt, die kleiner ist als die Breite W1. Die Breiten W1, W2 liegen quer zu einer Richtung, in welcher die Ultraschall-Sonde 1 für die Abtastung eines Objekts bewegt wird. Gemäß Fig. 4 weist daher der Ultraschall- Koppler C eine Querschnittsform auf, die sich von der Halterung 2 aus längs des von der Sonde 1 emittierten Ultraschallstrahls BM zur Kontaktierfläche 3 hin fortlaufend verschmälert oder verjüngt.

Der Ultraschall-Koppler C weist eine äußere Schale oder ein äußeres Gehäuse aus z. B. einem Kunststoff auf und enthält ein akustisches Medium, wie Wasser oder eine andere Flüssigkeit. Wahlweise kann der Koppler C einen kolloidalen Feststoff und einen Halter dafür aufweisen. Wenn als akustisches Medium (Ankopplungsmedium) Wasser oder eine andere Flüssigkeit (in den Koppler) eingefüllt ist, besteht die Kontaktierfläche 3 aus einer Folie aus Silikonkautschuk.

Gemäß Fig. 4 weist der Ultraschall-Koppler C eine in die Halterung 2 eingesetzte akustische Linse 8 auf, deren Oberseite 8a einen dem Krümmungsradius einer akustischen Linse in der Ultraschall-Sonde 1 entsprechenden Krümmungsradius aufweist, während ihre Unterseite 8b mit einem kleineren Krümmungsradius ausgebildet ist. Der Brennpunkt P′ der Linse 8 liegt somit näher am Ultraschall-Koppler C als der Brennpunkt P der Ultraschall-Sonde 1 selbst. Vorzugsweise ist zwischen die Sonde 1 und die akustische Linse 8 ein geeignetes akustisches Ankopplungs- oder Koppelmittel, wie Gelatine eingefügt.

Arbeitsweise und Vorteile der beschriebenen Ultraschall- Sondenvorrichtung 10 sind nachstehend erläutert.

Gemäß Fig. 3 wird die Ultraschall-Sondenvorrichtung 10 zum Erfassen oder Gewinnen von Doppler-Information bezüglich z. B. einer Halsschlagader 6 benutzt, die parallel zur Oberfläche eines untersuchten Körpers M verläuft. Die Mittellinie BMc eines von der Sonde 1 emittierten Ultraschall strahls BM ist dabei gegenüber einem Zielbereich 7 der Halsschlagader 6 geneigt oder schräggestellt. Die Gesamt ausbildung des Ultraschall-Kopplers C ist in bezug auf die Mittelachse BMc des Ultraschallstrahls BM asymmetrisch. Infolgedessen kann die Doppler-Verschiebungsfrequenz fd bestimmt werden, weil der auf dem Doppler-Effekt basierende Winkel α nicht 90° beträgt. Außerdem sind die vom Zielbereich 7 reflektierten Echos keiner Multiplex- oder Mehrfachreflexion im Ultraschall-Koppler C unterworfen. Infolgedessen kann eine Doppler-Information vom Zielbereich 7 genau abgegriffen oder gewonnen werden.

Bei der allgemeinen Halsschlagaderdiagnose ist es wesentlich, Informationen bezüglich eines Bereiches, in welchem interne und externe Halsschlagader von einer gemeinsamen Halsschlagader abzweigen, und Informationen bezüglich der internen Halsschlagader zu gewinnen. Die Lagen eines solchen Bereichs und der internen Halsschlagader variieren von Körper zu Körper. In einigen Fällen liegen diese Stellen in einem erheblich höheren Abschnitt, d. h. im Unterkiefer, so daß der Ultraschallstrahl BM vom Hals aus schräg nach oben ausgestrahlt werden muß. Da die Kontaktierfläche 3 des erfindungsgemäß verwendeten Ultraschall- Kopplers C geneigt oder schräggestellt ist, kann damit der Ultraschallstrahl ohne weiteres schräg nach oben ausgestrahlt werden.

Da die in Berührung mit der Körperoberfläche 4 zu haltende Kontaktierfläche 3 mit einer bestimmten Krümmung konvex gewölbt ist, ist der Durchlaßgrad für den Ultraschallstrahl BM an der Kontaktierfläche 3 groß, während die reflektierten Echos schwach sind, wodurch eine Mehrfachreflexion an den Seiten des Ultraschall- Kopplers C vermindert wird. Da die Breite W2 der Kontaktierfläche 3 kleiner ist als die Breite W1 der Sonden-Halterung 2, kann die Kontaktierfläche 3 gut mit der Körperoberfläche 4 in Berührung gehalten werden. Insbesondere ermöglicht die schmälere Breite W2 der Kontaktierfläche 3 deren Bewegung auf der Körperoberfläche 4 in Richtung des Pfeils E (Fig. 5) mit verringerter Reibung. Wenn zudem die Ultraschall-Sondenvorrichtung 10 gemäß Fig. 6 um einen Punkt auf der Körperoberfläche 4 geschwenkt oder verdreht wird, kann die Ultraschall-Sonde 1 zur Herstellung eines ausreichenden Kontaktes mit der Körper oberfläche zügig oder ungehindert in den Körper eingedrückt werden.

Die akustische Linse 8 ist, wie erwähnt, in die Halterung 2 eingebaut. Der Krümmungsradius der Oberseite 8a der akustischen Linse 8 entspricht dem Krümmungsradius der akustischen Linse in der Sonde 1, während der Krümmungsradius ihrer Unterseite 8a kleiner ist, so daß der Brennpunkt P′ der akustischen Linse 8 näher am Ultraschall- Koppler C als der Brennpunkt P der Sonde 1 selbst liegt. Infolgedessen kann mittels der Ultraschall-Sonde 1 ein oberflächennahes Organ, wie Schilddrüse oder Halsschlagader, mit hoher Bildgüte und in einem weiten Sichtbereich beobachtet werden.

Die Fig. 7 bis 10 veranschaulichen eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultraschall-Sondenvorrichtung 10′ mit einer Ultraschall-Sonde 11 zum Aussenden von Ultraschallwellen und Empfangen von Ultraschallechos sowie einem an der Ultraschall-Sonde 11 montierten Ultraschall- Koppler C.

Die Ultraschall-Sonde 11 weist eine Anordnung aus Wandlerelementen zu einem Vibrator- oder Schwingerarray 11a in ihrem einen, im Koppler C positionierten Ende auf, wobei das Schwingerarray 11a unter einem Winkel α (z. B. 60°) zur Mittelachse Lo der Sonde 11 geneigt ist.

Gemäß Fig. 8 ist der Ultraschall-Koppler C mit einem Träger oder einer Halterung 12 in Form zweier beabstandeter Haken 12a versehen. Der Koppler C ist dabei an der Sonde 11 anbringbar, indem die Haken 12a in Einrasteingriff mit den gegenüberliegenden Seitenwänden am distalen Ende der Sonde 11 gebracht werden.

Der Ultraschall-Koppler C weist eine Berührungs- oder Kontaktierfläche 13 einer mit einer bestimmten Krümmung konvex gewölbten Form auf.

Gemäß Fig. 8 weist die Halterung 12 des Kopplers C eine Breite W1 auf, während seine Kontaktierfläche 13 eine Breite W2 besitzt, die kleiner ist als die Breite W1. Die Breiten W1, W2 liegen dabei quer zu einer Richtung, in welcher die Ultraschall-Sonde 11 für die Abtastung eines Untersuchungs-Objekts geführt wird. Der Ultraschall- Koppler C besitzt daher gemäß den Fig. 8 und 9 eine Querschnittsform, die sich längs des von der Sonde 11 emittierten Ultraschallstrahls BM in Richtung auf die Kontaktierfläche 13 von der Halterung 12 aus fortlaufend verschmälert oder verjüngt.

Der Koppler C weist ein äußeres Gehäuse aus z. B. Kunststoff auf und enthält ein akustisches Kopplungs-Medium, wie Wasser oder eine andere Flüssigkeit. Wahlweise kann der Koppler C einen kolloidalen Feststoff mit einem Halter dafür umfassen. Wenn als akustisches Medium Wasser oder eine andere Flüssigkeit (in den Koppler) eingefüllt ist, besteht die Kontaktierfläche 13 aus einer Folie aus Silikonkautschuk.

Gemäß Fig. 9 enthält der Ultraschall-Koppler C eine in die Halterung 12 eingebaute akustische Linse 18, die eine Oberseite 18a mit demselben Krümmungsradius wie dem einer akustischen Linse in der Ultraschall-Sonde 11 sowie eine Unterseite 18b eines kleineren Krümmungsradius aufweist. Der Brennpunkt P′ der Linse 18 liegt daher näher am Koppler C als der Brennpunkt P der Ultraschall-Sonde 11 selbst. Vorzugsweise ist zwischen Sonde 11 und Linse 18 ein geeignetes akustisches Ankopplungs- oder Koppelmittel, wie Gelatine eingefügt.

Arbeitsweise und Vorteile der beschriebenen Ultraschall- Sondenvorrichtung 10′ sind im folgenden erläutert.

Gemäß Fig. 10 dient die Ultraschall-Sondenvorrichtung 10′ zum Erfassen oder Gewinnen von Doppler-Informationen bezüglich z. B. einer Halsschlagader 6, die parallel zur Oberfläche eines untersuchten Körpers M verläuft. Die Mittellinie BMc eines von der Sonde 11 emittierten Ultra schallstrahls BM ist dabei gegenüber einem Zielbereich 7 der Halsschlagader 6 geneigt oder schräggestellt. Infolgedessen kann die Doppler-Verschiebungsfrequenz fd bestimmt werden, weil der auf dem Doppler-Effekt basierende Winkel α nicht 90° beträgt. Außerdem unterliegen die vom Zielbereich 7 reflektierten Echos keiner Multiplex- bzw. Mehrfach reflexion im Ultraschall-Koppler C. Infolgedessen kann eine Doppler-Information bezüglich des Zielbereichs 7 genau erfaßt oder gewonnen werden.

Bezüglich der allgemeinen Halsschlagaderdiagnose und den Lagen bzw. Stellen von interner und externer Halsschlagader gilt das vorher Gesagte. Da bei der dargestellten Ausführungsform das Schwingerarray 11a des Ultraschall- Kopplers C gemäß der Erfindung geneigt oder schräggestellt ist, kann der Ultraschallstrahl auf einfache Weise schräg nach oben, z. B. vom Hals zum Unterkiefer hin, ausgestrahlt werden.

Da die gegen die Körperoberfläche 4 haltbare Kontaktierfläche 13 mit einer bestimmten Krümmung konvex gewölbt ist, sind der Durchlaßgrad für den Ultraschallstrahl BM an der Kontaktierfläche 13 groß und die reflektierten Echos schwach, so daß eine verringerte Mehrfachreflexion an den Seiten des Kopplers C auftritt. Die Kontaktierfläche 13 kann somit einwandfrei in Berührung mit der Körperoberfläche 4 gehalten werden.

Fig. 11 veranschaulicht eine Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 5. Die Ultraschall-Sondenvorrichtung 10a gemäß Fig. 11 unterscheidet sich von der Vorrichtung nach Fig. 5 dadurch, daß der Ultraschall-Koppler C1 eine geneigte Fläche oder Schrägfläche 12b aufweist, die unter demselben Winkel wie das Schwingerarray 11a der Ultraschall- Sonde 11 geneigt ist.

Aufgrund dieser Ausgestaltung ist der Abstand zwischen der Schrägfläche 12b des Kopplers C1 und der Kontaktierfläche 13 in einer Richtung von einem dicht am Schwingerarray 11a liegenden Ende zum gegenüberliegenden, entfernten Ende fortlaufend größer.

Die Ultraschall-Sondenvorrichtung 10a bietet die folgenden zusätzlichen Vorteile: Ein Teil des von der Oberfläche 4 des untersuchten Körpers M reflektierten Ultraschallstrahls BM erreicht die Schrägfläche 12b und wird von dieser seitlich reflektiert, so daß das Ultraschallecho nicht in der Ebene verbleibt, in welcher der Ultraschall strahl für Abtastung geführt wird. Auf diese Weise können unerwünschte Artefakte weitgehend ausgeschaltet werden. Die Schrägfläche 12b bildet auch eine effektive Luftfblasenfalle für den Einschluß von Luftblasen, die in dem im Ultraschall-Koppler C1 enthaltenen Wasser entstehen.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 7 und 11 erlaubt das gegenüber der Mittelachse der Ultraschall-Sonde 11 geneigte bzw. schräggestellte Schwingerarray 11a der Sonde 11 eine genaue Erfassung oder Gewinnung von Doppler-Informationen im bzw. aus dem Mittelteil eines Zielbereichs.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen kann der Ultraschall- Koppler in die Ultraschall-Sonde einbezogen sein, so daß die Sondenvorrichtung einen einheitlichen Aufbau aufweist.

Claims

1. Ultraschall-Sondenvorrichtung (10, 10a) mit einer Ultra schall-Sonde (1, 11) zum Aussenden von Ultraschallwellen strahlen und zum Abtasten eines untersuchten Körpers, wobei die Ultraschall-Sonde (1, 11) ein Array (11a) aus Wandlerelementen aufweist, die nebeneinanderliegend parallel zueinander angeordnet sind zum Aussenden von Ultraschallwellenstrahlen in einer Abtastebene (BM, BMc), die durch die erste Richtung und die Senkrechte auf die Arrays (11a) definiert wird, und
mit einem Ultraschall-Koppler (C), der an der Ultraschall- Sonde (1, 11) angebracht ist und eine zur Kontaktierung mit der Oberfläche (4) des untersuchten Körpers dienende Kontakt fläche (3, 13) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (3, 13) des Ultraschall-Kopplers (C) in einer zweiten Richtung verläuft, die gegenüber der ersten Richtung geneigt ist und innerhalb der Abtastebene (BM, BMc) liegt, wobei die Kontaktfläche (3, 13) die Abtastebene (BM, BMc) unter einem rechten Winkel schneidet, und daß die Kontaktfläche (3, 13) in der Abtastebene (BM, BMc) konvex gekrümmt ist.

2. Ultraschall-Sondenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Koppler (C) einen in der Nähe der Ultraschall-Sonde (11) befindlichen Abschnitt (12b) aufweist, der bezüglich der Mittelachse (L₀) der Sonde (1, 11) in einem Winkel geneigt ist, der im wesentlichen dem Winkel zwischen der ersten und der zweiten Richtung entspricht.

3. Ultraschall-Sondenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Koppler (C) an der Ultraschall-Sonde (1, 11) angebracht ist.

4. Ultraschallsondenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Koppler (C) in die Sonde (1, 11) integriert ist.

5. Ultraschall-Sondenvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Ultra schall-Sonde (1, 11) und dem Ultraschall-Koppler (C) eine akustische Linse (8, 18) vorgesehen ist.