DE3805268A1

DE3805268A1 - Ultraschall-diagnosevorrichtung

Info

Publication number: DE3805268A1
Application number: DE3805268A
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Nagasaki
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1987-02-20
Filing date: 1988-02-19
Publication date: 1988-09-01
Also published as: US5014711A; US4945915A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschall- Diagnosevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 6 bzw. 10. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Ultraschall-Diagnosevorrichtung, welche einen Ultraschallimpuls auf einen zu untersuchenden Zielkörper abstrahlt, von dem Zielkörper ein Echoimpuls empfängt und ein tomographisches Bild des Körpers darstellt, wobei sich die vorliegende Erfindung im speziellen mit einer Verbesserung eines Ultraschallimpuls- Sende/Empfangssystems befaßt.

Die hauptsächlich verwendeten Vorrichtungen zur Darstellung eines tomographischen Bildes eines Zielkörpers unter Verwendung von Ultraschallimpulsen sind sogenannte B-Modus-Ultraschallvorrichtungen, wie beispielsweise in "Ultrasonic Pulse Technical Handbook", Seiten 810 bis 813, von Nikkan Kogyo oder "Ultrasonic Diagnosis", Seite 81 bis 84, von Igaku Shoin beschrieben.

B-Modus-Ultraschall-Diagnosevorrichtungen sind in der Lage, ein tomographisches Bild eines scheibenförmigen Abschnittes eines Zielkörpers entlang der Auspflanzungsrichtung eines Ultraschallstrahls darzustellen. Genauer gesagt, diese Vorrichtungen führen eine einzelne Beleuchtung mit einem Ultraschallstrahl durch, so daß ein Bild von einer einzelnen Abtastlinie entlang der Auspflanzungsrichtung der Ultraschallwelle erhalten wird, wonach eine lineare Abtastung oder sektorweise Abtastung entlang der Fortpflanzungsrichtung des Ultraschallstrahls durchgeführt wird, so daß ein tomographisches Bild für einen Bildschirm erzeugt wird.

Da Ultraschallimpulse im allgemeinen die Eigenschaft einer allmählichen Diversion entlang der Fortpflanzungsrichtung haben, kann der Querschnitt eines jeden Ultraschallimpulses nicht kleiner gemacht werden als die Größe einer Sonde. Daher haben die B-Modusvorrichtungen eine geringe Azimut-Auflösung (Auflösung in einer Richtung senkrecht zur Verpflanzungsrichtung des Ultraschallstrahls).

Wenn die Spitze der Ultraschallsonde eine zurückgesetzte Oberfläche aufweist, wird der Ultraschallstrahl nahe des Brennpunktes zunächst konvergiert, bevor er divergiert. Dies stellt sicher, daß der erhaltene Strahl im Nahbereich des Brennpunktes schmaler ist als die Apertur eines Übertragers oder Transducers, so daß die Azimut-Auflösung in diesem Bereich verbessert wird. Dieses Verfahren verringert jedoch den Fokussierungsbereich (der Bereich, innerhalb dem der Durchmesser des Ultraschallstrahles kleiner als ein festgelegter Wert ist) in Tiefenrichtung (Fortpflanzungsrichtung des Ultraschallstrahls) und ist somit nicht praktikabel.

Um dieses Problem zu umgehen, wird momentan ein System verwendet, welches seinerseits einen Übertrager mit einer kleinen Apertur zur Übertragung und zum Empfang einer Ultraschallwelle derart verwendet, daß eine nahezu konstante Konvergenz (Azimutauflösung) bezüglich einer gewissen Tiefe von der Haut des Zielkörpers und ein relativ größerer Fokussierungsbereich erhaltbar sind.

Obwohl der Übertrager mit einer kleinen Apertur den Vorteil hat, daß die Strahlkonvergenz verringert wird und somit der Fokussierungsbereich erhöht wird, liegt hier der Nachteil vor, daß die Azimutauflösung abgeschwächt ist.

Als Alternative hierzu wurden C-Modus-Vorrichtungen vorgeschlagen, welche eine Anzahl von B-Modus-Tomographiebildern zu gegebenen Intervallen aufnehmen, um ein dreidimensionales Bild zu erzeugen, wonach aus dem aufgenommenen Bild nur die Teile der Bildinformationen extrahiert werden, welche in der gleichen Tiefe des Zielkörpers liegen (vorzugsweise nahe dem Brennpunkt), um ein tomographisches Bild eines streifenförmigen Ziels entlang einer Richtung senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung des Ultraschallstrahls zu rekonstruieren. Dies bedeutet jedoch, daß eine Anzahl von B-Modusbildern nötig ist, um ein einzelnes C-Modusbild zu erzeugen, was zeitaufwendig und im tatsächlichen Gebrauch nicht praktikabel ist, insbesondere dann, wenn sich das Ziel in Bewegung befindet.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ultraschall-Diagnosevorrichtung derart auszubilden, daß die Azimut-Auflösung erheblich verbessert werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 bzw. 6 bzw. 10.

Die jeweiligen Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ultraschall-Diagnosevorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Hauptabschnittes der Ultraschalldiagnosevorrichtung,

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips der Abtastung einer Linie auf einer Zielscheibe mit einem Ultraschallstrahl,

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung eines Querschnittes eines Ultraschall-Bildaufnehmerelementes,

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung eines Schaltkreises zum Auslesen eines Signals aus dem Ultraschall- Bildaufnahmeelement,

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung einer ersten Abwandlung des Ausleseschaltkreises gemäß Fig. 5,

Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung einer zweiten Abwandlung des Ausleseschaltkreises gemäß Fig. 5,

Fig. 8 ein Diagramm zur Darstellung einer ersten Abwandlung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 9 ein Diagramm zur Darstellung einer zweiten Abwandlung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 10 ein Blockschaltbild einer Ultraschall-Diagnosevorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 11 ein Blockdiagramm eines Hauptteiles der Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform,

Fig. 12 ein Blockdiagramm eines Verstärkungs-Steuersignalgenerators gemäß Fig. 11 und

Fig. 13 Signalwellenformen zur Darstellung der Arbeitsweise der Ultraschall-Diagnosevorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 weist die Ultraschall-Diagnosevorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im wesentlichen eine Sonde 100 und eine Diagnosevorrichtung 200 auf. Mit dem Bezugszeichen 300 ist ein Zielkörper bezeichnet. Am Spitzenbereich der Sonde 100, der dem Zielkörper 300 gegenüberliegt, ist ein Faltenbalg 1 angeordnet, der den Spitzenbereich der Sonde umgibt, so daß die Sonde in feste Anlage mit der Oberfläche des Zielkörpers 300 gebracht werden kann. Innerhalb des Faltenbalgs 1 ist ein Schallabsorber angeordnet, der unregelmäßige Reflektionen eines Ultraschallstrahls verhindern soll. Der Faltenbalg 1 beinhaltet weiterhin ein akustisches Medium 2, beispielsweise Wasser. Da die Schallgeschwindigkeit in Wasser abhängig von dessen Temperatur ist, ist die Sonde 100 weiterhin mit einem Temperaturkontrollmechanismus zur Konstanthaltung der Temperatur und einem Bläschenentfernungsmechanismus (beide nicht dargestellt) ausgestattet.

Am Spitzenbereich der Sonde 100 ist ein Ultraschallsender 3 angeordnet. Dieser Sender 3 weist ein linear angeordnetes Feld von Übertragern auf, die in einer Richtung senkrecht zur Ebene von Fig. 1 angeordnet sind und strahlt einen Ultraschallstrahl schräg bezüglich einer Zielscheibe 4 ab, deren tomographisches Bild erhalten werden soll. Somit unterscheidet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Strahlaussenderichtung von herkömmlichen B-Modus-Vorrichtungen, die einen Ultraschallstrahl parallel zur Scheibe 4 (für gewöhnlich innerhalb der Scheibenoberfläche) ausstrahlen.

Im Mittenbereich der Spitze der Sonde 100 ist eine Ultraschallinse 5 mit einer großen kreisförmigen Apertur annähernd parallel zur Scheibe 4 angeordnet. Die Linse 5 konvergiert ein Ultraschallecho von dem Zielkörper 300 und bildet ein Ultraschallbild der Scheibe 4 auf der Oberfläche eines Ultraschallbild-Aufnahmeelementes 6 ab, welches innerhalb der Sonde annähernd parallel zur Linse 5 angeordnet ist. Die Linse 5 ist aus einem Material, welches ähnlich zu dem akustischen Medium 2 hinsichtlich der akustischen Impedanz ist, unterscheidet sich aber hiervon in der Schallausbreitungsgeschwindigkeit. Wenn das akustische Medium 2 Wasser ist, wird die Linse 5 aus einem Kunststoffmaterial, wie beispielsweise Acrylharz, gefertigt. Wenn ein derartiges Kunststoffmaterial verwendet wird, kann eine asphärische Linse problemlos hergestellt werden. Die Winkelapertur der Linse 5 liegt ungefähr zwischen 60 bis 70 mΦ. An beiden Seiten der Linse 5 ist eine akustische Anpassungsschicht 5 a angeordnet. Die Linse 5 kann weiterhin entweder eine Einfachlinse oder eine kombinierte Linse sein und kann weiterhin mit einem Mechanismus zur Eliminierung von Aberrationen, einem Zoommechanismus oder einer Brennweiteneinstellvorrichtung versehen sein, um die Vertikallage der darzustellenden Scheibe 4 variieren zu können.

Die Lage der Scheibe 4 wird primär auf der Grundlage der Brennweite der Linse 5 bestimmt. Die Tiefe der Scheibe 4 kann wahlweise durch Variierung des Abstandes zwischen der Linse 5 und dem Zielkörper 300 durch Dehnen oder Komprimieren des Faltenbalges 1 definiert werden. Da die Schallgeschwindigkeit im Wasser als akustisches Medium 2 als annähernd gleich der in dem Zielkörper 300 betrachtet wird, entsteht kein Echo an der Grenzfläche zwischen dem Wasser und dem Zielkörper 300.

Die Sonde 100 ist in zwei Abschnitte unterteilt, nämlich in einen vorderen Abschnitt und einen rückwärtigen Abschnitt. Das Ultraschallbild-Abnahmeelement 6 ist im vorderen Abschnitt angeordnet, in welchem auch das akustische Medium 2 eingesiegelt ist. Das Aufnahmeelement 6 wandelt die Schalldruckverteilung eines an seiner Aufnahmeoberfläche empfangenen Ultraschallstrahles in eine Folge von elektrischen Signalen (tomographische Signale) um.

Innerhalb des rückwärtigen Abschnittes der Sonde 100 ist ein Multiplexer 7 angeordnet, um die Reihenfeld-Wandler des Senders 3 anzuwählen. Ein Multiplexer 8 (Y-Richtung) und ein Multiplexer 9 (X-Richtung) sind vorgesehen, um sequentiell die elektrischen Signale von dem Aufnahmeelement 6 auszulesen. Der gemeinsame Anschluß des Multiplexers 9 ist mit einem Vorverstärker 10 verbunden, und der gemeinsame Anschluß des Multiplexers 8 ist auf Masse gelegt. Ein tomograpisches Signal für jede Abtastzeile, das von dem Multiplexer 9 ausgegeben wird, wird in dem Vorverstärker 10 verstärkt, dessen Verstärkungsfaktor mit der Zeit anwächst, was durch die Steuerung eines Zeit- Verstärkungssteuerers 11 erfolgt, während ein Signal für eine einzelne Abtastzeile ausgelesen wird.

Die Diagnosevorrichtung 200 weist gemäß Fig. 2 einen Pulser 12 auf, dessen Ausgang (Übertragungsimpuls) dem Multiplexer 7 über eine Mehrzahl von Verzögerungsleitungen 13₁, 13₂, . . . 13 _n mit verschiedenen Verzögerungszeiten zugeführt wird. Der Multiplexer 7 liefert dann wahlweise Übertragungsimpulse von den Verzögerungsleitungen 13₁, 13₂, . . . 13 _n an n Übertrager.

Der Ausgang des Vorverstärkers 10 wird über einen logarithmischen Verstärker 16, einem Amplitudendetektor 17, einem Addierer 18, einem Schwarzfilterschaltkreis 19 (black clip circuit) und einem Multiplizierer 23 einem Rahmenspeicher 24 zugeführt. Der Ausgang des Schaltkreises 19 wird über einen Integrator 20, einen Komparator 21 und einen Selektor 22 dem Addierer 18 zugeführt. Der Ausgang des Rahmenspeichers 24 wird auf einem Monitor 26 bildlich dargestellt.

Fig. 3 zeigt den Sender 3 im Detail. Der Sender 3 weist eine akustische Linse 31, eine akustische Anpassungsschicht 32, ein elektrisch/akustisches Übertragungselement 33 und ein Dämpfungsteil 34 auf, die fest miteinander verbunden sind, um einen Ultraschallstrahl mit einer gleichförmigen Intensitätsverteilung in der Y-Richtung auf die Scheibe 4 abzustrahlen. Der Sender 3 (Übertragungselement 33) weist eine Anzahl von Übertragereinheiten in X-Richtung und senkrecht zur Y-Richtung auf.

Wenn eine Übertragergruppe 3 a, die aus n Übertragern besteht, von dem Multiplexer 7 ausgewählt wird, und die einzelnen Übertrager mit Übertragungsimpulsen von den Verzögerungsleitungen 13₁ bis 13 _n versorgt werden, werden die Ultraschallimpulse von den Übertragern mit den entsprechenden Verzögerungen abgestrahlt. Wenn die Verzögerungen für die Verzögerungsleitungen 13₁ bis 13 _n derart bestimmt werden, daß die Verzögerungsleitung 13 _n/2 die größte Verzögerung hat, wobei die Verzögerungen für die anderen Verzögerungsleitungen in Richtung der Leitungen 13₁ oder 13 _n kleiner werden, konvergieren die Ultraschallimpulse, die von den einzelnen Übertragern ausgesandt werden in X-Richtung, so daß die Impulse auf eine einzelne Abtastlinie 4 a in einer überlagerten Weise auftreffen. Wenn der Ultraschallstrahl schräg bezüglich der Zielscheibe ausgestrahlt wird, kann die Ausleuchtung des Strahls bezüglich der Scheibe in X-Richtung gleichförmig werden; der Strahl wird jedoch auf eine einzelne Linie konvergiert, um ein Geisterecho zu unterdrücken, das durch ungleichförmige Reflektionen oder Mehrfachreflektionen des Strahls erzeugt wird.

Da die Strahlübertragungsrichtung des Senders 3 bezüglich zur Scheibe 4 (Linie 4 a) geneigt ist, wird der Ultraschallstrahl auf der Linie 4 a vom nächsten Punkt bezüglich des Senders 3 bis zu dessen weitesten ausgesendet. Dies heißt, daß die Beleuchtung zunächst an einem Punkt M erfolgt und danach die Punkte N, L usw. beleuchtet werden. Auf diese Art und Weise wird die Linie 4 a der Scheibe 4 abgetastet.

Echos von den Punkten M, N, L . . . auf der Linie 4 a der Scheibe 4 werden durch die Linse 5 mit ihren entsprechenden Verzögerungen auf Punkte m, n, l . . . auf eine einzelne Linie des Aufnahmeelementes 6 entsprechend der Linie 4 a konvergiert.

Fig. 4 zeigt den Querschnittsaufbau des Bildaufnahmeelementes 6. Auf einer Grundplatte 61, die als akustischer Dämpfer dient, sind schichtweise übereinander eine Signalelektrode 62, ein elektrisch/akustisches Wandlerelement 63, eine Masseelektrode 64 und eine akustische Anpassungsschicht 65 befestigt. Die akustische Anpassungsschicht 65 weist in die Richtung, aus der ein Ultraschallstrahl kommt. Die Signalelektrode 62 und die Masseelektrode 64 sind jeweils in eine Mehrzahl von Segmenten unterteilt, wobei die Aufteilungsrichtungen zueinander entgegengesetzt sind. Der Kreuzungspunkt zwischen einzelnen Segmenten entspricht hierbei einem Pixel. Ein Material wie beispielsweise PVDF oder PVF₂, welches in Lateralrichtung eine kleinere Schallkopplung hat, ist vorteilhaft zur Herstellung des Wandlerelementes 63, da dann das Element 63 einer Pixelteilung einfach durch Teilung der Elektroden 62 und 64 unterworfen werden kann. Wenn im Gegensatz hierzu PTZ für das Wandlerelement 63 verwendet wird, muß ein mechanisches Einschneiden des Elementes 63 zusätzlich zur Aufteilung der Elektroden durchgeführt werden.

Fig. 5 zeigt den Aufbau eines Schaltkreises zum Auslesen eines elektrischen Signals aus dem Bildaufnahmeelement 6. Die Signalelektrode 62 ist in eine Mehrzahl von Segmenten in X-Richtung (vgl. Fig. 3) unterteilt, wobei jedes Segment sich in Y-Richtung erstreckt. Die Masseelektrode 64 ist in Segmente in Y-Richtung unterteilt, wobei sich jedes Segment in X-Richtung erstreckt. Jedes Signal der Signalelektrode 62 ist mit dem Multiplexer 9 verbunden, wohingegen jedes Segment der Masseelektrode 64 mit dem Multiplexer 8 verbunden ist. Der Multiplexer 8 weist seinen gemeinsamen Anschluß 8 a auf, der auf Masse gelegt ist, wobei der Multiplexer 9 seinen gemeinsamen Anschluß 9 a aufweist, der mit dem Vorverstärker 10 verbunden ist.

Da, wie bereits erläutert, der Ultraschallstrahl schräg ausgesendet wird, kann ein Bildsignal für jede Abtastlinie Pixel für Pixel dadurch erhalten werden, daß der Multiplexer 8 in Übereinstimmung mit den Zeiten (Intervalle von ungefähr 200 ns), die von den Ultraschallimpulsen benötigt werden, um vom Sender 3 zu den Punkten m, n, l, . . . des Bildaufnahmeelementes 6 zu gelangen, nachdem sie an den entsprechenden Punkten M, N, L, . . . reflektiert wurden, geschaltet wird. Ein Bildsignal für die nächste Abtastzeile oder -linie kann Pixel für Pixel durch Schalten der Übertragergruppen durch den Multiplexer 7 erhalten werden, um die mit einem Ultraschallstrahl zu beleuchtende Zeile in Y-Richtung zu bewegen, wobei gleichzeitig die Detektionszeile des Aufnahmeelementes durch den Multiplexer 9 weitergeschaltet wird. Auf diese Art und Weise kann ein Bildsignal von einer gewünschten Scheibe in dem Zielkörper durch zweidimensionales Abtasten unter Schalten der Multiplexer 8 und 9 erhalten wurden.

Somit kann bei dieser Ausführungsform die Zielscheibe mittels eines Ultraschallstrahles dadurch abgetastet werden, daß der Strahl schräg auf die einzelnen Abtastzeilen der Scheibe gerichtet wird, und das Echo wird von dem Bildaufnahmeelement unter Verwendung der Ultraschallinse derart gewandelt, daß der Schalldruck des Echos in elektrische Signale für jedes Pixel umgesetzt wird, so daß ein Ultraschalltomographiebild erzeugt wird. Im Vergleich zu herkömmlichen B-Modusvorrichtungen kann die vorliegende Erfindung ein tomographisches Ultraschallbild mit verbesserter Azimut-Auflösung erzeugen.

Die Auflösung des Bildaufnahmeelementes wird in der Zielscheibe durch die Winkelapertur der Linse 5 und die Frequenz der Ultraschallimpulse wie folgt bestimmt:

2,44 F/D λ ,

wobei F die Brennweite der Linse 5, D der Durchmesser der Linse und λ die Wellenlänge der Impulse ist.

Die Auflösung in einer Richtung senkrecht zur Scheibe ist proportional zur Impulsbreite multipliziert mit 1/sin R, wobei R der Beleuchtungswinkel der Ultraschallimpulse auf der Scheibe ist.

Genauer gesagt, die Auflösung in X-Richtung ist proportional zur Konvergierungsverteilung der Linse 5 in Azimutrichtung multipliziert mit der Direktivität der Übertragungsimpulse. Es sei hier festgehalten, daß der Sender 3 einen Ultraschallstrahl abstrahlt, der auf eine Linie konvergiert. Die Auflösung in Y-Richtung ist proportional zur Auflösungsverteilung der Linse 5 in Azimutrichtung multipliziert mit der Hüllkurvenwellenform der Impulse und 1/cos R. Die Auflösung in Richtung senkrecht zur Scheibe ist proportional zur Hüllkurvenwellenform multipliziert mit 1/sin R und der Konvergierungsverteilung der Linse 5 in axialer Richtung.

Die Azimutauflösungen, die aus den obigen Gleichungen in dieser Ausführungsform hergeleitet werden können, sind ungefähr siebenmal größer als bei bisher bekannten Vorrichtungen.

Im folgenden soll die Verarbeitung eines empfangenen Signals erläutert werden.

Der Vorverstärker 10, der einen guten Rauschfaktor hat, verstärkt das empfangene Signal auf einen ausreichend hohen Pegel, um eine Abschwächung des Signal/Rausch-Abstandes in einer späteren Schaltkreisstufe zu verhindern. Da Echos von Punkten M und N verschiedene Entfernungen zurücklegen müssen, obwohl sie auf der gleichen Linie liegen, verändert sich die Dämpfung in dem Zielkörper in Abhängigkeit von der zurückgelegten Wegstrecke, wenn der Verstärkungsfaktor konstant gesetzt wird. Dies verursacht Änderungen in der Empfindlichkeit. Hierfür ist erfindungsgemäß der Steuerer 11 vorgesehen, der diese Variantionen kompensiert, d. h. die Verstärkung wird stufenweise erhöht während der Empfangszeit für die einzelnen Zeilen.

Der logarithmische Verstärker 16 verstärkt das Eingangssignal in Abhängigkeit mit dem Dynamikbereich (ungefähr 60 dB) des Ultraschallechos logarithmisch.

Der Detektor 17 erfaßt die Amplitude des Ultraschallechos, um ein Bildsignal zu erzeugen.

Der Addierer 18 addiert dieses Bildsignal und eine Verstärkungssteuerungsspannung V 1 von dem Selektor 22, und der Schaltkreis 9 trennt eine Spannung unterhalb 0 V ab. Die Verstärkungssteuerspannung V 1 kann wie folgt erhalten werden. Der Ausgang vom Schaltkreis 19 wird in den Integrator 20 integriert, um einen Durchschnittswert des Bildsignals für einen Rahmen oder ein Bild zu erhalten. Dieser Durchschnittswert wird mit einer automatischen Verstärkungsnetzspannung V 2 mittels des Komparators 21 verglichen, und die erhaltene Differenz wird ebenfalls hier verstärkt. Der Ausgang (automatische Verstärkungssteuerspannung) V 3 des Komparators 21 und eine manuelle Verstärkungssteuerspannung V 4 werden von dem Selektor 22 geschaltet, so daß eine von diesen als Verstärkungssteuerspannung V 1 verwendet werden kann. Das Bildsignal, das den obenerwähnten Verstärkungssteuerprozeß durchlaufen hat, wird in dem Multiplizierer 23 mit einer Dynamikbereich-Steuerspannung V 5 zur Steuerung des Anzeigebereiches multipliziert, und das sich ergebende Signal wird in den Rahmenspeicher 24 geschrieben. Der Rahmenspeicher 24 wandelt das Bildsignal in ein Signal mit einer Frequenz entsprechend der Abtastfrequenz für Standard-TV-Systeme und addiert ein Synchronisationssignal zu dem gewandeten Signal. Der Ausgang des Rahmenspeichers 24 wird dann auf dem Monitor 26 dargestellt. Im folgenden sollen Abwandlungen des Systems zum Auslesen der Signale aus dem Aufnahmeelement erläutert werden. Der Signalausleseschaltkreis in der bereits beschriebenen Ausführungsform führt die Signalauslesung für jede Zeile durch; in der ersten Abwandlung wird jedoch die Signalauslesung für zwei Zeilen gleichzeitig durchgeführt. Diese erste Abwandlung weist gemäß Fig. 6 den Multiplexer 8 für die Richtung Y auf, der in einer Doppelstruktur vorliegt und zwei Multiplexer 81 und 82 umfaßt, die jeweils mit der Masseelektrode 64 verbunden sind. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist der gemeinsame Anschluß des Multiplexers 9 auf Masse gelegt und die gemeinsamen Anschlüsse der Multiplexer 81 und 82 sind mit dem Vorverstärker 10 in Verbindung. Somit hat der Schaltkreisaufbau vom Vorverstärker 10 zum Multiplizierer 23 Doppelstruktur.

Diese Abwandlung ist besonders dann wirksam, wenn eine Ultraschall-Diagnosevorrichtung eingesetzt wird, welche eine sogenannte Chirp-Welle verwendet, wie beispielsweise in der US-Patentanmeldung Nr. 1 07 497 mit dem Titel "Pulse compression apparatus for ultrasonic image processing" beschrieben ist. Da die Chirp-Wellen eine lange Dauer haben, kann die Bildaufnahmezeit durch gleichzeitiges Lesen der Bildsignale von zwei Zeilen verringert werden.

Die Doppelstruktur macht nötig, daß der Sender 3 einen Ultraschallstrahl aussendet, der zur gleichzeitigen Abtastung von zwei Zeilen geeignet ist. Daher ist es nötig, die Verzögerungszeiten der Verzögerungsleitungen 13₁ bis 13 _n zu variieren, um die Konvergenz des Ultraschallstrahles in X-Richtung zu verringern.

Bei der zweiten Abwandlung gemäß Fig. 7 hat der Multiplexer 9 für die X-Richtung eine Doppelstruktur, so daß zwei Multiplexer 91 und 92 jeweils mit der Signalelektrode 62 verbunden sind. Die gemeinsamen Anschlüsse der Multiplexer 91 und 92 sind mit dem Vorverstärker 10 verbunden. Wie in der ersten Abwandlung hat auch die zweite Abwandlung einen Doppelstruktur-Schaltkreisaufbau zwischen dem Vorverstärker 10 und dem Multiplexer 23.

Diese zweite Abwandlung kann die Schaltzeit der Multiplexer 91 und 92 auf die Hälfte verkürzen.

Im folgenden werden Abwandlungen der gesamten ersten Ausführungsform erläutert. Da Ultraschallstrahlen kohärent sind, besteht die hohe Wahrscheinlichkeit, daß auf dem Bildschirm ein Fleckenmuster entsteht. Die Verwendung eines Ultraschallstrahles in Impulsform wie in der ersten Ausführungsform kann dieses Fleckenmuster wesentlich verringern, es aber nicht vollständig eliminieren. Fig. 8 zeigt die erste Abwandlung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche das Fleckenmuster vollständig eliminieren kann und die Auflösung weiterhin erhöhen kann. In Fig. 8 bezeichnet das Bezugszeichen 73 einen Ultraschallsender, 74 eine Ultraschallinse und 75 ein Bildaufnahmeelement. Nach einer Vervollständigung der Bildaufnahme für einen Schirm werden die Ultraschallinse 74 und das Bildaufnahmeelement 75 in Pfeilrichtung bewegt und dieser Vorgang wird mehrfach wiederholt. Die Linse 74 und das Bildaufnahmeelement 75 werden nach ihrer Verschiebung in eine andere Lage so ausgerichtet, daß sie ein Bild der gleichen Scheibe aufnehmen können.

Die Informationen einer Mehrzahl der so erhaltenen tomographischen Bilder wird von einem Verstärker 76 verstärkt und über einen Signalverbesserer 77 einem Akkumulator 78 zugeführt, der einen Rahmenspeicher und einen Addierer aufweist, um einen Mittelwert zu erhalten. Somit kann das Fleckenmuster vollständig eliminiert werden. Der Signalverbesserer 77 ist vorgesehen, um Signalverzerrungen zu korrigieren, die durch die von dem Akkumulator 78 durchgeführte Akkumulation hervorgerufen werden können.

Somit kann diese Modifikation Fleckenmuster entfernen und die Auflösung und auch das Signal/Rausch-Verhältnis verbessern. Die Bewegung der Ultraschallinse 74 und des Bildaufnahmeelementes 75 kann zweidimensional, aber auch eindimensional sein, um die Anzahl der Bildaufnahmevorgänge zu erhöhen. Als Alternative zur Bewegung der Linse 74 des Bildaufnahmeelementes 75 kann eine Mehrzahl von Ultraschallinsen 74 und Bildaufnahmeelementen 75 vorgesehen werden, wie in Fig. 9 dargestellt, so daß diese Komponenten nacheinander durchgeschaltet werden, um den gleichen Effekt wie in der vorhergehenden Abwandlung zu erzeugen.

Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun im folgenden erläutert. In Fig. 10 ist diese zweite Ausführungsform in einem Blockdiagramm dargestellt. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten in zwei Punkten. Der erste Unterschied ist, daß bei der zweiten Ausführungsform der Ultraschallsender 3 nicht vorgesehen ist, sondern vielmehr das Ultraschallbild- Aufnahmeelement 6 sowohl als Sender als auch als Empfänger dient. Der zweite Unterschied ist, daß ein Übertragungsschaltkreis 80 (entsprechend dem Pulser 12 und dem Verzögerungsschaltkreis 13 in der ersten Ausführungsform) in der Sonde 100 vorgesehen ist, und der Ausgang dieses Schaltkreises 80 wird über den Multiplexer 9 dem Bildaufnahmeelement 6 zugeführt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Linse aus einer Kombination von zwei Linsen 5 und 5′.

Fig. 11 zeigt den detaillierten Aufbau der Diagnosevorrichtung 200. Die Diagnosevorrichtung 200 entspricht der Vorrichtung in der ersten Ausführungsform, wobei jedoch noch ein zweidimensionaler Verstärkungssteuersignalgenerator 82 vorgesehen ist. Der Ausgang des Steuersignalgenerators 82 wird mit dem Ausgang des Selektors 22 in einem Addierer 84 addiert, dessen Ausgang wiederum dem Addierer als Verstärkungssteuersignal zugeführt wird.

Fig. 12 zeigt den Steuersignalgenerator 82 im Detail. R 1 bis R 9 sind Widerstände, die zweidimensional an einem Bedienungspult an der oberen Oberfläche der Diagnosevorrichtung 200 vorgesehen sind, und ihre Widerstände werden in Abhängigkeit mit den gewünschten Verstärkungsfaktoren entsprechend der Lagen auf dem Bildschirm (oben rechts, oben Mitte etc.) eingestellt. Einer der Widerstände R 1 bis R 9 wird von einem Multiplexer 90 ausgewählt und über einen A/D-Wandler 92 einem Interpolationsschaltkreis 94 zugeschaltet, der neun Widerstände pro Bildschirm interpoliert, um den Widerstand für jedes Pixel des Bildaufnahmeelementes zu erhalten und der weiterhin die sich ergebenden Daten in einen Rahmenspeicher 96 schreibt. Dies heißt, der Rahmenspeicher 96 speichert den Widerstandswert zur Bestimmung des Verstärkungsfaktors für jedes Pixel auf dem Bildaufnahmeelement. Der Ausgang des Rahmenspeichers 96 wird über einen D/A-Wandler 98 dem Addierer 84 zugeführt. Der verbleibende Rest dieser zweiten Ausführungsform weist den gleichen Aufbau wie die erste Ausführungsform auf. In der zweiten Ausführungsform sind die Multiplexer 8 und 9 wie in der ersten Ausführungsform mit dem Bildaufnahmeelement 6 verbunden. Der Multiplexer 9 wählt ein Signalelektrodensegment 62 des Bildaufnahmeelementes 6 aus, und der Multiplexer 8 wählt sequentiell Pixel m, n, l, . . . an dem Signalelektrodensegment 62 und liefert ein Übertragungssignal über den Multiplexer 9 an das ausgewählte Signalelektrodensegment 62. Somit werden Ultraschallimpulse sequentiell von den Pixeln m, n, l, . . . auf dem Signalelektrodensegment 62 abgegeben.

Die ausgesendeten Ultraschallstrahlen werden an den entsprechenden Punkten M, N, L, . . . der Scheibe 4 reflektiert und von den Pixeln m, n, l, . . . des Bildaufnahmeelementes 6 aufgenommen. Wenn daher die Pixel m, n, l, . . . eines Signalelektrodenelementes 62 des Bildaufnahmeelementes wieder sequentiell ausgewählt werden, nachdem die Strahlen von den Pixeln m, n, l, . . . an den Punkten M, N, L, . . . reflektiert wurden und wieder zu den Originalpixeln m, n, l, . . . zurückgekehrt sind, wird das Bildsignal für jedes Pixel in die Diagnosevorrichtung 200 über den Vorverstärker 10 eingegeben.

Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen Strahlübertragungs- und Empfangszeitpunkten an den einzelnen Pixeln m, n, l, . . . Wie dargestellt, hat eine Periode T 0 zum Erhalt eines Bildsignals für eine Zeile eine Übertragungsperiode von T 1 und eine Empfangsperiode von T 2, und jedes Pixel ist wieder bereit für einen Empfang nach einer gegebenen Periode T 3 vom Zeitpunkt der Übertragung an. Diese Periode T 3 ist für jedes Pixel anders. Wenn das letzte Pixel z für diese Abtastlinie seine Strahlübertragung und den Empfang beendet hat, wählt der Multiplexer 9 das nächste Signalelektrodensegment (Abtastlinie), und ein ähnlicher Vorgang läuft danach wieder ab. In Fig. 13 sind die hohen Pegel der Signalwellenformen die Zeitdauern, während denen die einzelnen Pixel von dem Multiplexern 8 und 9 ausgewählt werden.

Da die Differenz T 3 zwischen Strahlübertragungs- und Empfangszeiten dem Abstand zwischen der Scheibe 4 und dem Bildaufnahmeelement 6 entsprechen, kann die Tiefe der Scheibe 4 von der Haut des Zielkörpers 300 ohne Dehnen oder Komprimieren des Faltenbalges 1 geändert werden, indem nur die Empfangszeit T 3 geändert wird. In diesem Falle wird jedoch die Auflösung verschlechtert, so daß ein Fokussierungsmechanismus oder dergl. vorzugsweise vorgesehen werden sollte. Hinsichtlich der Bildsignalverarbeitung in der Diagnosevorrichtung 200 unterscheidet sich die zweite Ausführungsform von der ersten nur hinsichtlich der Verstärkungssteuerung. In der zweiten Ausführungsform werden die Verstärkungssteuerungs-Widerstände aus dem Rahmenspeicher 96 synchron mit einem Bildsignal für jedes Pixel, das in die Diagnosevorrichtung 200 eingegeben wurde, ausgelesen, so daß das Bildsignal für die Position eines jeden Pixels verstärkungsgesteuert ist. Da die zweite Ausführungsform die Linse 5 sowohl für Strahlübertragung als auch Strahlempfang verwendet, kann sie eine höhere Auflösung als die erste Ausführungsform erzielen. Die Auflösung in der Scheibe 4 wird durch den Aperturwinkel der Linse 5 und der Frequenz eines Ultraschallimpulses wie folgt gegeben: 1,6 F/D λ (wobei 1,6 ungefähr =√ ist.

Wie beschrieben wird bei der zweiten Ausführungsform ein Ultraschallstrahl auf jedes Pixel einer Scheibe gelenkt, so daß die Scheibe mit dem Strahl abgetastet wird. Das Ultraschallecho wird unter Verwendung der Ultraschallinse auf das Bildaufnahmeelement konvergiert, so daß der Schalldruck des Echos in ein elektrisches Signal für jedes Pixel umgewandelt wird, so daß hierdurch ein tomographisches Bild erhalten wird. Im Vergleich zu herkömmlichen B-Modusvorrichtungen kann somit die zweite Ausführungsform ein tomographisches Ultraschallbild mit weitaus verbesserter Auflösung erzeugen.

Die zweite Ausführungsform kann wie die erste Ausführungsform sein System zu Lesen eines Signals von dem Bildaufnahmeelement gemäß den Fig. 6 und 7 modifizieren oder kann selbst modifiziert werden, wie in den Fig. 8 und 9 dargestellt, um mögliche Fleckenmuster zu eliminieren.

Wie erläutert, wird bei der vorliegenden Erfindung ein Ultraschallstrahl auf eine Zielscheibe aus einer Richtung quer zur Scheibe gerichtet, um die einzelnen Pixel der Scheibe sequentiell abzutasten; die Ultraschallechos von den einzelnen Pixeln werden auf korrespondierende Pixel auf dem Ultraschall-Aufnahmeelement durch eine Linse konvergiert, und diese Echos werden sequentiell aus dem Bildaufnahmeelement ausgelesen, um Tomographiebild-Informationen zu erzeugen. Somit ist es möglich, eine Ultraschall- Diagnosevorrichtung zu schaffen, die ein tomographisches Bild mit verbesserter Azimut-Auflösung erzeugen kann.

Claims

1. Ultraschall-Diagnosevorrichtung, gekennzeichnet durch:
Strahlübertragungseinrichtungen (3, 6) zur Übertragung eines Ultraschallstrahles auf einen scheibenförmigen Bereich eines Zielkörpers aus einer Richtung anders als einer Richtung parallel zu der Scheibe; und
ein Bildaufnahmeelement (6) zum Empfang eines von der Scheibe reflektierten Ultraschallstrahls, um ein Bild aufzusammeln, welches eine Ultraschall-Charakteristik der Scheibe darstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlübertragungseinrichtungen Strahl-Abstrahleinrichtungen (3, 7) zum sequentiellen Abstrahlen eines Ultraschallstrahles auf eine Mehrzahl von parallelen Linien auf der Scheibe aus einer geneigten Richtung, welche die Linien in einem gegebenen Winkel schneidet, aufweist, so daß der Ultraschallstrahl sequentiell auf einzelne Pixel, welche jeweils die Zeilen bilden, auftrifft; und
daß die Bildaufnahmeeinrichtung aufweist: ein Ultraschallbild- Aufnahmeelement (6) mit einer Gruppe von Ultraschall/Elektro-Wandlerelementen, welche der Scheibe gegenüberliegen und zweidimensional angeordnet sind; eine Ultraschallinse (5), welche der Scheibe gegenüberliegt, um den von jedem der Pixel auf der Scheibe reflektierten Ultraschallstrahl auf ein zugehöriges der Ultraschall/Elektro-Wandlerelemente zu konvergieren; und Signalausleseeinrichtungen (8, 9) zum sequentiellen Auslesen von elektrischen Signalen von den Ultraschall/Elektro-Wandlerelementen in Abhängigkeit von einer Reihenfolge, in der die Pixel von dem Ultraschall beleuchtet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschallbild-Aufnahmeelement (6) aufweist: eine elektroakustische Wandlerelementplatte (63), eine Mehrzahl von Signalelektroden (62), die auf einer Oberfläche der elektroakustischen Wandlerelementplatte mit gegebenen Abständen zueinander angeordnet sind und eine Mehrzahl von Masseelektroden (64), die in gegebenen Abständen zueinander auf der anderen Oberfläche der elektroakustischen Wandlerelementplatte in einer Richtung senkrecht zu den Signalelektroden angeordnet sind; und
wobei die Signalausleseeinrichtungen einen ersten Multiplexer (9), der mit den Signalelektroden verbunden ist und einen zweiten Multiplexer (8) aufweisen, der mit den Masseelektroden verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlübertragungseinrichtung aufweist: ein Ultraschallbild-Aufnahmeelement (6) mit einer Gruppe von Ultraschall/Elektro-Wandlerelementen, die der Scheibe gegenüberliegen und zweidimensional angeordnet sind, Einrichtungen (80) zur Zufuhr eines Übertragungsimpulses an jedes der Ultraschall/Elektro- Wandlerelemente zum sequentiellen Aussenden von Ultraschallstrahlen von den Ultraschall/Elektro- Wandlerelementen, und eine Ultraschallinse (5), welche der Scheibe gegenüberliegt, zum Konvergieren der von den Ultraschall/Elektro-Wandlerelementen ausgesendeten Ultraschallstrahlen auf zugehörige Pixel auf der Scheibe und zum Konvergieren von von den Pixeln auf der Scheibe reflektierten Ultraschallstrahlen auf zugehörige Ultraschall/Elektro- Wandlerelemente; und
wobei die Bildaufnahmeeinrichtung Signalausleseeinrichtungen (8, 9) aufweist zum sequentiellen Auslesen elektrischer Signale aus den Ultraschall/Elektro- Wandlerelementen in Abhängigkeit einer Reihenfolge, in der die Pixel von dem Ultraschallstrahl beleuchtet werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschallbild-Aufnahmeelement eine elektroakustische Wandlerelementplatte (63), eine Mehrzahl von Signalelektroden (62) auf einer Oberfläche der elektroakustischen Wandlerelementplatte mit gegebenen Abständen zueinander und eine Mehrzahl von Masseelektroden (64) mit gegebenen Abständen zueinander auf der anderen Oberfläche der elektroakustischen Wandlerelementplatte in einer Richtung senkrecht zu den Signalelektroden aufweist; und
wobei die Signalausleseeinrichtung einen ersten Multiplexer (9), der mit den Signalelektroden und einen zweiten Multiplexer (8), der mit den Masseelektroden verbunden ist, aufweist.

6. Ultraschall-Diagnosevorrichtung, gekennzeichnet durch:
eine Strahlübertragungseinrichtung (3) zum sequentiellen Aussenden eines Ultraschallstrahles auf parallele Linien auf einer Scheibe eines Zielkörpers in einer schrägen Richtung, welche die Linien schneidet, so das sequentiell der Ultraschallstrahl auf einzelne Pixel auf jede der Linien gerichtet wird;
eine Ultraschallinse (5) zum Konvergieren eines von den einzelnen Pixeln auf der Scheibe reflektierten Ultraschallstrahls auf zugehörige Punkte in einer spezifizierten Ebene;
eine Ultraschallbild-Aufnahmevorrichtung (6), die in der spezifizierten Ebene angeordnet ist, zum Umwandeln eines Ultraschallstrahles, der auf die zugehörigen Punkte durch die Ultraschallinse konvergiert wurde in elektrische Signale in Abhängigkeit eines Schalldruckes des Ultraschallstrahles;
Signalausleseeinrichtungen (8, 9) zum sequentiellen Auslesen eines elektrischen Signals aus der Ultraschallbild- Aufnahmeeinrichtung, welches einem Ultraschallstrahl entspricht, der von jedem der Pixel auf der Scheibe reflektiert wurde; und
eine Abbildungseinrichtung (200), welche Bildinformationen der Scheibe aus dem elektrischen Signal, welches aus der Ultraschallbild-Aufnahmeeinrichtung ausgelesen wurde, erzeugt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlübermittlungseinrichtung aufweist:
eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern (3), die in eine Richtung senkrecht zu den Linien angeordnet sind und Wandleroberflächen aufweisen, welche bezüglich der Linien geneigt sind;
eine Anzahl von n Verzögerungsschaltkreisen (13) mit jeweils verschiedenen Verzögerungszeiten; und
eine Übertragungseinrichtung (7) zur Zuführung eines Übertragungsimpulses durch die n Verzögerungsschaltkreise an jeweils n Ultraschallwandler von einem Ende der Mehrzahl von Ultraschallwandlern, wobei die Verzögerungszeiten derart bestimmt sind, daß ein Ultraschallstrahl von den n Ultraschallwandlern auf eine der Linien konvergiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallbild-Aufnahmeeinrichtung eine Gruppe von Ultraschall/Elektro-Wandlerelementen aufweist, welche zweidimensional in Übereinstimmung mit jedem der Pixel auf der Scheibe angeordnet sind; und
daß die Signalausleseeinrichtung einen ersten Multiplexer (9) zum sequentiellen Auswählen von Reihen der Ultraschall/Elektro-Wandlerelemente entsprechend jeder der Linien und einen zweiten Multiplexer (8) aufweist zum sequentiellen Auswählen der Ultraschall/ Elektro-Wandlerelemente in jeder der Linien.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilderzeugungseinrichtung eine Verstärkungsfaktorsteuereinrichtung (10, 11) aufweist, zum Verstärken eines Signals von jedem der Pixel in Übereinstimmung mit einem Abstand zwischen jedem der Pixel und der Strahlübertragungseinrichtung.

10. Ultraschall-Diagnosevorrichtung, gekennzeichnet durch:
eine Ultraschall/Elektro-Wandlereinrichtung (6), welche einem scheibenförmigen Bereich eines Zielkörpers gegenüberliegt;
eine Ultraschallinse (5) zum Konvergieren eines von der Ultraschall/Elektro-Wandlereinrichtung übertragenen Ultraschallstrahls auf die Scheibe und zum Konvergieren eines von der Scheibe reflektierten Ultraschallstrahles auf die Ultraschall/Elektro- Wandlereinrichtung;
Signalausleseeinrichtungen (8, 9) zum sequentiellen Auslesen eines elektrischen Signals aus der Ultraschall/ Elektro-Wandlereinrichtung, welches einem von jedem der Pixel auf der Scheibe reflektierten Ultraschallstrahl entspricht; und
eine Abbildungseinrichtung (200) zum Erzeugen von Bildinformationen der Scheibe aus dem elektrischen Signal, welches aus der Ultraschall/Elektro-Wandlereinrichtung ausgelesen wurde.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall/Elektro-Wandlereinrichtung eine Gruppe von Ultraschall/Elektro-Wandlerelementen aufweist, welche zweidimensional in Übereinstimmung mit jedem der Pixel auf der Scheibe angeordnet sind; und
daß die Signalausleseeinrichtungen einen ersten Multiplexer (9) zum sequentiellen Auswählen von Reihen der Ultraschall/Elektro-Wandlerelemente entsprechend jeder der Linien auf der Scheibe und einen zweiten Multiplexer (8) aufweisen zum sequentiellen Auswählen der Ultraschall/Elektro-Wandlerelemente in einer der Linien.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilderzeugungseinrichtung eine zweidimensionale Verstärkungsfaktor-Steuereinrichtung (82, 84, 18) aufweist, um ein Signal von jedem der Pixel in Übereinstimmung mit einer Lage jedes der Pixel auf der Scheibe zu verstärken.