DE3839057A1 - Gruppenstrahler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gruppenstrahler, ins­ besondere zur Untersuchung von menschlichem Gewebe, mit einer Vielzahl von Ultraschallwandlern, die jeweils einen Sender aus einem Ultraschall erzeugenden piezoelektrischen Material und einen Empfänger aus einem Ultraschall detektierenden piezoelektrischen Material aufweisen, wobei die Sender und die Empfänger jeweils Abmessungen in der Größenordnung der Ultra­ schallwellenlänge aufweisen.

Aus Ultrasound in Med. & Biol. Vol. 9, No. 2, S. 151-164 (1983) ist ein Gruppenstrahler der ein­ gangs genannten Art bekannt, bei dem zwei getrennte Gruppen von Ultraschallwandlern für das Senden von Ultraschall und das Empfangen von Ultraschallechos vorgesehen sind.

Die Empfängergruppe hat die Gestalt eines konischen Ringwandlers, der in mehrere Segmente unterteilt ist. Die Sendefunktion wird durch eine konzentrisch inner­ halb der Ringöffnung des Empfängers angeordnete Ringmatrix realisiert. Die Abstrahlung dieser Anord­ nung erfolgt nur senkrecht zur Apertur. Die Empfangs­ charakteristik ist ungleich der Sendecharakteristik. Ein elektronisches Schwenken des erzeugten Ultra­ schallbündels ist nicht möglich; daher wird die Sende- Empfänger-Einheit zum Erfassen eines dreidimensionalen Datensatzes für ein Meßobjekt, wie z. B. einer weib­ lichen Brust, auf einem Verschiebetisch verfahren.

Der Sender besteht aus piezoelektrischer Keramik, der Empfänger ist aus Piezofolie hergestellt.

Weiterhin ist aus der DE-OS 36 35 364 ein Gruppen­ strahler bekannt, der durch Phasenverzögerungs­ schaltungen ein elektronisches Schwenken des abge­ strahlten Ultraschallbündels in allen Ebenen des Raumes ermöglicht.

Schließlich sind aus IEEE Transactions on Biomedical Engineering Vol. BME-30, No. 8 (1983) S. 453-481 Gruppenstrahler bekannt, bei denen die einzelnen Ultraschallwandler sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeiten. Eine einzige Schicht eines Piezo­ materials wird von einer schnellen Elektronik perio­ disch in einem ersten Zeitabschnitt als Sender ange­ steuert. In einem zweiten Zeitabschnitt wirkt dieselbe Schicht als Empfänger. Für zufriedenstellende Ultra­ schallbilder von menschlichem Gewebe ist die erforder­ liche Ultraschallintensität hoch, was zu einer Be­ lastung des Patienten bei einer längeren Bestrahlung führt. Damit sind solche Ultraschallwandler für eine Langzeitapplikation nicht anwendbar.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Gruppenstrahler der eingangs genannten Art zu schaffen, der es bei einer hohen Auflösung erlaubt, die für eine gute Abbildungsqualität benötigte Schallintensität zu verringern und dadurch die Ultraschallbelastung für einen Patienten je Applikation zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Empfängerteil und das Sendeteil der Ultra­ schallwandler in Abstrahlrichtung übereinanderliegen.

Vorzugsweise sind die normal zur Abstrahlrichtung liegenden Seitenflächen des Senderteils des Ultra­ schallwandlers sowohl zu den normal zur Abstrahlrich­ tung liegenden Seitenflächen des Empfängerteils als auch zu einer Rückwand gleich groß und kongruent ausgestaltet. Dies ermöglicht eine enge Packungsdichte der einzelnen Ultraschallwandler und führt zu einer besseren Ortsauflösung.

Das Senderteil besteht aus einer oder zwei einzelnen piezoelektrischen Schichten, die im Falle von zwei Schichten über einen Mittelabgriff antiparallel zu­ einander beschaltet sind, wodurch ein höherer Wir­ kungsgrad bei der Abstrahlung von Ultraschall erreicht wird.

Das Empfängerteil ist von dem Senderteil durch eine isolierende Impedanzanpaßschicht vollständig elek­ trisch getrennt, das eine einfache elektrische An­ schaltung des Sender- und Empfängerteils ermöglicht.

Die das Empfängerteil aufbauende piezoelektrische Schicht weist vorzugsweise eine Dicke in der Größen­ ordnung von einem Viertel der mittleren Wellenlänge des ausgesandten Ultraschalls des Senders auf und unterstützt so wirkungsvoll die Impedanzanpassung des Ultraschallsendeteiles an ein zu untersuchendes Gewebe.

Das piezoelektrische Material des Senderteils ist beispielsweise aus Bleizirkonattitanat hergestellt, das piezoelektrische Material des Empfängerteils aus Polyvinylidendfluorid oder einem seiner Copolymere mit Trifluoräthylen.

Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik einen um eine Größenordnung kleineren und damit besseren Quotienten aus ausgestrahlter Ultraschall­ intensität und reflektierter, detektierter Schall­ intensität auf. Dennoch ist die Auflösung gegenüber den bisher bekannten Gruppenstrahlern nicht ver­ schlechtert.

Bei der Verwendung eines Empfängers mit einer Dicke in der Größenordnung von einem Viertel der Wellenlänge des ausgesandten Ultraschalls kann die Funktion von Impedanzanpaßschichten für den Sender durch das Empfängermaterial übernommen werden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines Grup­ penstrahlers anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen aus einer segmentierten Ringmatrix bestehenden Gruppenstrahler mit Ultra­ schallwandlern in der Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 einen Ultraschallwandler im Querschnitt in der Seitenansicht und

Fig. 3a & b einen Ultraschallwandler im Querschnitt in der Seitenansicht.

Die Fig. 1 zeigt einen aus einer segmentierten Ring­ matrix bestehenden Gruppenstrahler 1 mit Ultra­ schallwandlern 2 in der Draufsicht gemäß einem Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung. Der Gruppenstrahler 1 ist aus einer Vielzahl aus Ultraschallwandlern 2 auf­ gebaut, die in drei konzentrischen Kreisen um einen mittleren Ultraschallwandler 3 angeordnet sind. Jeder der Ultraschallwandler 2 sowie der mittlere Ultra­ schallwandler 3 weisen jeweils Abmessungen in der Größenordnung der Ultraschallwellenlänge auf und sind mit zeichnerisch nicht dargestellten Steuerleitungen an eine Steuerschaltung angeschlossen. Diese versorgt beim Senden die Ultraschallwandler 2 und 3 mit einer Vielzahl von unterschiedlich phasenverzögerten Be­ triebsspannungen, um die abgestrahlte Ultra­ schalleistung des Gruppenstrahlers 1 elektronisch im Raum zu schwenken sowie um den vorherbestimmten Fokal­ punkt des abgestrahlten Ultraschalls im Raum festzu­ legen.

Die Fig. 2 zeigt einen der Ultraschallwandler 2 oder 3 des Gruppenstrahlers 1 im Querschnitt in einer Seiten­ ansicht. Der Sende- und der Empfangsbereich des Ultra­ schallwandlers 2 sind auf einer Rückwand 4 angeordnet. Die Rückwand 4 besteht aus einem Verbund aus zwei Schichten, die die nach hinten abgestrahlte Energie absorbieren. Eine Backing-Schicht oder Dämpfungs­ schicht 5 aus Wolfram-Araldit schließt zusammen mit einem Absorber 6 aus Kautschuk den Ultraschallwand­ ler 2 nach hinten ab. Der Absorber 6 verfügt über eine Vielzahl von Pyramiden 7, deren Grundflächen die Basisplatte 8 des Ultraschallwandlers 2 bilden.

Alternativ wird die Dämpfungsschicht aus einem hoch­ absorbierenden Material geringer akustischer Impedanz, beispielsweise Polyurethan-Hartschaum hergestellt.

Auf dem Absorber ist eine elektrisch isolierende Hintergrundimpedanzanpassungsschicht 9 angeordnet, deren beide Grenzflächen im wesentlichen parallel zueinander und zur durch die Grundfläche der Pyrami­ den 7 gebildeten Basisplatte 8 verlaufen. Auf der Hintergrundimpedanzanpassungsschicht 9 sind zwei Piezokeramikschichten 10 angeordnet, die als Ultra­ schallsender arbeiten.

Die Piezokeramikschichten 10 bestehen jeweils aus Bleizirkonattitanat, das auch kurz mit PZT bezeichnet wird. Hierbei sind die unter den Namen PZT4, PZT5A und PZT5H bekannten Materialien geeignete piezoelektrische Werkstoffe. Es können auch andere piezoelektrische Materialien mit hoher Sendeeffizienz verwendet werden. Die Piezokeramikschichten 10 sind im wesentlichen gleich dick und jeweils parallel zur Basisplatte 8 angeordnet. Sie sind voneinander durch eine leitende mittlere Kontaktfläche 11 getrennt. Auf die beiden anderen Grenzflächen der Piezokeramikschichten 10 sind jeweils leitende äußere Kontaktflächen 12 aufgebracht. Die Kontaktflächen 11 und 12 sind über elektrische Zuleitungen mit der oben erwähnten Steuerschaltung verbunden.

Über die Zuleitungen ist an die äußeren Kontaktflä­ chen 12 jeder Piezokeramikschicht 10 der eine Pol der Betriebsspannung angelegt, während an die mittlere Kontaktfläche 11 beider Piezokeramikschichten 10 der andere Pol der Betriebsspannung angeschlossen ist, so daß sich durch die angelegte Betriebsspannung zwischen den Kontaktflächen 11 und 12 die Piezokeramik­ schichten 10 verformen und Schall im wesentlichen rechtwinklig zur Basisplatte 8 abstrahlen.

Der zur Basisplatte 8 hin abgestrahlte Anteil wird durch die Rückwand 4 absorbiert, so daß der Ultra­ schall sich im wesentlichen in Richtung des Pfeils 13 ausbreitet.

Mehrere dünne, elektrisch isolierende Impedanz­ anpaßschichten 14 bewirken eine gute Schallankopplung der Piezokeramikschichten 10 an zwei über ihnen angeordnete Piezofolien 15. Die beiden Piezofolien 15 bestehen aus Polyvinylidendifluorid, das auch kurz mit PVDF oder PVF₂ bezeichnet wird. Dieser Stoff ist ein piezoelektrisches Polymer und kann durch PZT-geladene Gummis oder Kunststoffe ersetzt werden. Die beiden Piezofolien 15 sind im wesentlichen gleich dick und parallel zur Basisplatte 8 angeordnet. Sie sind voneinander durch eine leitende mittlere Kontakt­ schicht 16 getrennt. Auf die jeweils von der mittleren Kontaktschicht 16 wegweisende Grenzfläche der Piezo­ keramikschichten 10 ist eine leitende äußere Kon­ taktschicht 17 aufgebracht. Die Kontaktschich­ ten 16 und 17 sind über elektrische Leitungen mit der oben erwähnten Steuerschaltung verbunden.

Ein im wesentlichen antiparallel zu dem Pfeil 13 einfallender Schallstrahl bewirkt eine Verformung der Piezofolien 15. Dies führt zu einer elektrischen Spannung zwischen der mittleren Kontaktschicht 16 und den äußeren Kontaktschichten 17, die über die elek­ trischen Leitungen einen Eingangsverstärker in der Steuerschaltung beaufschlagen.

Der Ultraschallwandler 2 ist durch eine akustische Linse 18 abgedeckt, die auf der von der Basisplatte 8 wegweisenden äußeren Kontaktschicht 17 angeordnet ist.

Sämtliche Schichten des Ultraschallwandlers 2, ins­ besondere die Rückwand 4, die Hintergrundimpedanz­ anpassungsschicht 9, die Piezokeramikschichten 10 mit ihrer mittleren Kontaktfläche 11 und den äußeren Kontaktflächen 12, die Impedanzanpaßschichten 14, die Piezofolien 15 mit der mittleren Kontaktschicht 16 und ihren äußeren Kontaktschichten 17 sowie die aku­ stische Linse 18 liegen deckungsgleich übereinander, so daß der Ultraschallwandler 2 im wesentlichen über zur Basisplatte 8 rechtwinklige Seitenflächen 19 ver­ fügt.

Ein periodischer Sende/Meßzyklus umfaßt zwei verschie­ dene Betriebsarten. In einer Sendebetriebsart und nur in dieser senden alle Ultraschallwandler 2 des Grup­ penstrahlers 1 infolge der elektrischen Anregung der Piezokeramikschichten 10 Ultraschall in ein zu unter­ suchende Gewebe aus, auf das der Gruppenstrahler 1 zur Untersuchung eines Patienten aufgesetzt ist. Dabei schaltet die Steuerschaltung die mittlere Kontakt­ schicht 16 und die äußeren Kontaktschichten 17 der Piezofolien 15 kurz.

In einer Empfangsbetriebsart wird das Ultraschallecho des vorangegangenen Sendezyklus detektiert. Die Zeitspanne, in der die Piezofolien 15 auf Detektion geschaltet sind, liegt zeitlich ungefähr um den Zeitpunkt, in dem ein am Fokalpunkt des ausgesandten Ultraschalls von dem Gewebe reflektiertes Ultraschall­ echo zurück in dem Gruppenstrahler 1 erwartet wird.

Die Abstrahlung des durch die Piezokeramikschichten 10 erzeugten Ultraschalls wird durch die Impedanzan­ passschichten 14 wirkungsvoll unterstützt. Besonders günstig ist die Gestaltung der Piezofolien 15, wenn sie eine Dicke aufweisen, die einem Viertel der Wellenlänge der mittleren Wellenlänge des ausgestrahl­ ten Ultraschalls entspricht. Die Piezofolien 15 wirken dann selbst als Impedanzanpassschicht.

Die Fig. 3a & b zeigen einen Ultraschallwandler 2 oder 3 im Querschnitt in einer Seitenansicht für weitere Ausführungsformen. Gleiche Merkmale tragen gleiche Bezugszeichen.

In der Fig. 3a sind zwei Piezokeramikschichten 10 angeordnet, die als Ultraschallsender arbeiten. Die Piezokeramikschichten 10 bestehen aus PZT. Die Piezo­ keramikschichten 10 sind im wesentlichen gleich dick und jeweils parallel zur Basisplatte 8 auf der Däm­ pfungsschicht 5 angeordnet. Sie sind voneinander durch die leitende mittlere Kontaktfläche 11 getrennt. Auf die beiden anderen Grenzflächen der Piezokeramik­ schichten 10 sind jeweils die leitenden äußeren Kontaktflächen 12 aufgebracht. Die Kontaktflä­ chen 11 und 12 sind über elektrische Zuleitungen mit der oben erwähnten Steuerschaltung verbunden.

Über die Zuleitungen ist an die äußeren Kontaktflä­ chen 12 jeder Piezokeramikschicht 10 der eine Pol der Betriebsspannung angelegt, während an die mittlere Kontaktfläche 11 beider Piezokeramikschichten 10 der andere Pol der Betriebsspannung angeschlossen ist, so daß sich durch die angelegte Betriebsspannung zwischen den Kontaktflächen 11 und 12 die Piezokeramik­ schichten 10 verformen und Schall im wesentlichen rechtwinklig zur Basisplatte 8 abstrahlen.

Der zur Basisplatte 8 hin abgestrahlte Anteil wird durch die Rückwand 4 absorbiert, so daß der Ultra­ schall sich im wesentlichen in Richtung des Pfeils 13 ausbreitet.

Mehrere dünne, elektrisch isolierende Impedanz­ anpaßschichten 14 bewirken eine gute Schallankopplung der Piezokeramikschichten 10 an die über ihnen an­ geordnete Piezofolie 15. Die Piezofolie 15 besteht aus Polyvinylidendifluorid, das auch kurz mit PVDF oder PVF₂ bezeichnet wird. Dieser Stoff ist ein piezoelektrisches Polymer und kann durch PZT-geladene Gummis oder Kunststoffe ersetzt werden. Die Piezo­ folie 15 ist parallel zur Basisplatte 8 angeordnet. Die normal zur Abstrahlrichtung 13 liegenden Ober­ flächen der Piezofolie sind mit elektrisch leitenden Kontaktschichten 16 und 17 versehen. Die Kontakt­ schichten 16 und 17 sind über elektrische Leitun­ gen mit der oben erwähnten Steuerschaltung verbunden.

Ein im wesentlichen antiparallel zu dem Pfeil 13 einfallender Schallstrahl bewirkt eine Verformung der Piezofolie 15. Dies führt zu einer elektrischen Spannung zwischen den Kontaktschichten 16 und 17, die über die elektrischen Leitungen einen Eingangsver­ stärker in der Steuerschaltung beaufschlagen.

Sämtliche Schichten des Ultraschallwandlers 2 liegen wie in dem im Zusammenhang mit dem in der Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel deckungsgleich übereinander, so daß der Ultraschallwandler 2 im wesentlichen über zur Basisplatte 8 rechtwinklige Seitenflächen 19 verfügt.

Die Aufeinanderfolge von Sende- und Meßzyklen bei dieser Ausführungsform gleicht den periodischen Sende-/Meßzyklen, die in dem im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel erläutert worden sind.

In der Fig. 3b ist die Hintergrundimpedanzanpaß­ schicht 9 auf der Dämpfungsschicht 5 angeordnet. Die einzige Sende-Piezokeramikschicht 10 ist auf der Hintergrundimpedanzanpassschicht 9 angeordnet. Die Piezokeramikschicht 10 besteht aus PZT. Auf die beiden Grenzflächen der Piezokeramikschicht 10 sind jeweils die leitenden Kontaktflächen 11 und 12 aufgebracht. Die Kontaktflächen 11 und 12 sind über elektrische Zuleitungen mit der oben erwähnten Steuerschaltung verbunden.

Der von der Piezokeramikschicht 10 zur Basisplatte 8 hin abgestrahlte Anteil des emittierten Ultraschalls wird durch die Rückwand 4 absorbiert, so daß der Ultraschall sich im wesentlichen in Richtung des Pfeils 13 ausbreitet.

Mehrere dünne, elektrisch isolierende Impedanz­ anpassschichten 14 bewirken eine gute Schallankopplung der Piezokeramikschichten 10 an die über ihnen an­ geordnete Piezofolie 15. Die Piezofolie 15 besteht aus PVDF oder PVF₂. Die Piezofolie 15 ist parallel zur Basisplatte 8 angeordnet. Die normal zur Abstrahlrich­ tung 13 liegenden Oberflächen der Piezofolie 15 sind mit elektrisch leitenden Kontaktschichten 16 und 17 versehen. Die Kontaktschichten 16 und 17 sind über elektrische Leitungen mit der oben erwähnten Steuer­ schaltung verbunden.

Ein im wesentlichen antiparallel zu dem Pfeil 13 einfallender Schallstrahl bewirkt eine Verformung der Piezofolie 15. Dies führt zu einer elektrischen Spannung zwischen den Kontaktschichten 16 und 17, die über die elektrischen Leitungen einen Eingangsver­ stärker in der Steuerschaltung beaufschlagen.

Sämtliche Schichten des Ultraschallwandlers 2 liegen wie in dem im Zusammenhang mit dem in der Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel deckungsgleich übereinander, so daß der Ultraschallwandler 2 im wesentlichen über zur Basisplatte 8 rechtwinklige Seitenflächen 19 verfügt.

Die Aufeinanderfolge von Sende- und Meßzyklen bei dieser Ausführungsform gleicht den periodischen Sende-/Meßzyklen, die in dem im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel erläutert worden sind.

Bei der oben beschriebenen Anordnung verfügt der Gruppenstrahler über Ultraschallwandler 2 in der Gestalt einer segmentierten Ringmatrix. Statt dessen können die Ultraschallwandler 2 auch in einer Matrix mit in der Draufsicht rechtwinkligen Ultra­ schallwandlern 2, die entlang von Zeilen und Spalten angeordnet sind, verteilt sein. Statt einer zweidi­ mensionalen Anordnung ist es auch möglich, die Ultra­ schallwandler 2 entlang einer einzigen Zeile anzuord­ nen, wobei die Breiten der Ultraschallwandler 2 gleich und ihre Länge verschieden sein können.

Claims (9)

1. Gruppenstrahler (1), insbesondere zur Unter­ suchung von einem Patienten, mit einer Vielzahl von Ultraschallwandlern (2), die jeweils einen Sender­ teil (10) aus einem Ultraschall erzeugenden piezoelek­ trischen Material und einen Empfängerteil (15) aus einem Ultraschall detektierenden piezoelektrischen Material aufweisen, wobei das Senderteil (10) und das Empfängerteil (15) jeweils Abmessungen in der Größen­ ordnung der Ultraschallwellenlänge aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfängerteil (15) und das Senderteil (10) der Ultraschallwandler (2) in Ab­ strahlrichtung (13) übereinanderliegen.

2. Gruppenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die normal zur Abstrahlrichtung (13) liegenden Seitenflächen (19) des Senderteils (10) des Ultraschallwandlers (2) gleich groß und kongruent sowohl zu den normal zur Abstrahlrichtung (13) liegen­ den Seitenflächen (19) des Empfängerteils (15) als auch zu einer Rückwand (4) sind.

3. Gruppenstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Senderteil (10) oder das Empfängerteil (15) oder beide jeweils aus zwei einzel­ nen piezoelektrischen Schichten bestehen, die jeweils über einen Mittelabgriff (11, 16) antiparallel zu­ einander beschaltet sind.

4. Gruppenstrahler nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfängerteil (15) von dem Senderteil (10) durch eine isolierende Impedanzanpaßschicht (14) vollständig elektrisch getrennt ist.

5. Gruppenstrahler nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfängerteil (15) in Abstrahlrichtung (13) über dem Senderteil (10) angeordnet ist.

6. Gruppenstrahler nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mindestens eine das Empfän­ gerteil (15) aufbauende piezoelektrische Schicht eine Dicke in der Größenordnung von einem Viertel der mittleren Wellenlänge des ausgesandten Ultraschalls des Senderteils (10) aufweisen.

7. Gruppenstrahler nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material des Senderteils (10) aus Bleizirkonattitanat hergestellt ist.

8. Gruppenstrahler nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material des Empfängerteils (15) aus Polyvinylidendifluorid hergestellt ist.

9. Gruppenstrahler nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material des Empfängerteils (15) aus einem Copolymer des Polyvinylidendifluorid mit Tri­ fluoräthylen hergestellt ist.