DE3889252T2

DE3889252T2 - Ultraschall-Echographiegerät mit mindestens einem, mit einem Zufallsphase-Schirm verbundenen, piezoelektrischen Wandler und Verfahren zur Untersuchung eines Mediums mittels eines solchen Echographiegerätes.

Info

Publication number: DE3889252T2
Application number: DE3889252T
Authority: DE
Inventors: Mathias Societe Civile S Fink
Original assignee: Etat Francais; Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1987-06-04
Filing date: 1988-06-01
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2008-06-02
Also published as: EP0293996B1; US4938225A; CN1030302A; EP0293996A1; FR2616229A1; FR2616229B1; DE3889252D1; AU1699488A; AU609483B2; CN1014641B; IL86598A0; JPH01139045A; IL86598A

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Echographiegerät für die Kennzeichnung von Organgeweben oder von Werkstoffen mit wenigstens einem piezoelektrischen Wandler zur Gewährleistung der Emission und/oder des Empfangs eines Ultraschall-Untersuchungsbündels, in dem dem piezoelektrischen Wandler ein erster Zufallsphasenschirm zugeordnet ist, der in Form einer Werkstoffplatte verwirklicht ist, deren Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit abweicht von der des Wassers und die sich im Ultraschall-Untersuchungsbündel befindet.
Die Erfindung bezieht sich ebenfälls auf ein Verfahren zum Untersuchen eines Mediums durch Ultraschall-Echographie mit Hilfe eines derartigen Echographiegeräts.
Die Erfindung kann insbesondere vorteilhaft im medizinischen Bereich und dabei besonders zum Abbilden von Organen und zur Kennzeichnung von Geweben dieser Organe sowie im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung diffusiver Werkstoffe verwendet werden. Wenn es sich um Feststoffe handelt, sind es normalerweise alle Werkstoffe mit einer Korn- oder Faserstruktur, insbesondere zusammengesetzte Werkstoffe mit großen Titankörnern. Wenn es sich um Weichmaterialien handelt, sind sie landwirschaftliche Lebensmittelprodukte, wie z.B. Milchprodukte, insbesondere Käse und Fleisch.
Im ärztlichen Bereich besteht das mit einem Ultraschall-Echographiegerät nach obiger Beschreibung zu lösende allgemein technische Problem normalerweise darin, daß einerseits eine möglichst genaue Abbildung des untersuchten Mediums erhalten wird, sowohl hinsichtlich seines Umrisses als auch seiner spiegelnden Wände, wie die darin vorhandenen Adern, während andererseits ein zuverlässiges pathologisches Studium der Gewebe desselben Organs durch die genaue Messung ihres Ultraschalwellen-Abschwächungsparameters möglich sein muß.
Ähnlich besteht im Bereich der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung das technische Problem einerseits aus der Detektion von Unregelmäßigkeiten, wie z.B. Lamellenrisse, im Echographenrauschen der diffusiven Werkstoffe durch Unterscheidung einer Entlaminierung aus einer hochporosen Zone, während es andererseits möglich sein soll, eine quantitative Messung durchzuführen, die durch genaues Messen des Ultrawellen-Abschwächungsparameters für die Zerstörungsfreie Prüfüng wichtig ist.
Bereits wurden verschiedene Lösungen für dieses allgemein technische Problem beschrieben. Insbesondere im Arkel von M. Fink "Imagerie ultrasonore", nach der Veröffentlichung in Journal de Physique Appliqueé 18 (1983), S. 527...556, in dem auf erschöpfende Weise Analysen aller Aspekte der Echographenabbildung beschrieben werden, und in der französischen Patentschrift Nr. 2 514 910, in der die Messung des Abschwächungsparameters beschrieben wird.
Alle bekannten Lösungen nach dem Stand der Technik haben jedoch Nachteile und Einschränkungen, obgleich sie oft zu zufriedenstellenden Ergebnissen führen.
Zunächst wird die Bestimmung der Umrisse von Organen oder die Detektion von Fehlern in den Werkstoffen und allgemeiner der festen spiegelnden Wänden im Zusammenhang mit dem kohärenten Charakter der vom piezoelektrischen Wandler übertragenen Ultraschallwelle durch die konstruktiven und destruktuven Störungen der Echos gestört, die in den Multidiffusoren in dem untersuchten Medium erzeugt werden. Im akustischen Bereich ist dieses parasitäre Phänomen analog der unter "Tüpfel" bekannten Bezeichnung im optischen Feld, wobei Lichtkörner erzeugt werden, die oft bei Laserübertragungen festgestellt werden.
Jedoch macht es die Messung des Abschwächungsparameters auf der Basis der Analyse echographischer Signale aus Multidiffusoren, die in dem untersuchten Medium willkürlich verteilt sind, die Aufzeichnung einer großen Anzahl echographischer Linien und Spektren auf der Basis der Echos aus den Multidiffusoren in einem verhältnismäßig großen Volumen notwendig, so daß der piezoelektrische Wandler bei der Messung verschoben werden muß, und diese Verschiebung verursacht einen wesentlichen Rückgang der räumlichen Auflösung. Außerdem beeinflussen spiegelnde Wände in dem untersuchten Medium wesentlich die Echos aus den Multidiffusoren und daher die Bestimmung des gewünschten Abschwächungsparameters. Nur eine genaue räumliche Ortung der spiegelnden Reflektoren würde eine Verringerung ihres nachteiligen Effekts auf die Analyse der Signale aus den Multidiffusoren ermöglichen.
Ein erfindungsgemäß zu lösendes Problem ist das Anordnen eines Ultraschall-Echographiegeräts, das wenigstens einen piezoelektrischen Wandler für die Übertragung und/oder für den Empfang eines Ultraschall-Abtastbündels enthält und sowohl eine verbesserte tüpfelfreie Echographieabbildung der untersuchten Medien als auch eine genaue Bestimmung des Abschwächungsparameters ohne die erforderliche Verschiebung des piezoelektrischen Wandlers und daher ohne Verlust in der räumlichen Auflösung bietet.
Dieses technische Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste Zufallsphasen-Schirm in bezug auf die Achse dieses Bündels verschiebbar ist, wobei der Wandler in Translation nicht bewegbar ist, daß Mittel zum Aufzeichnen einer echographischen Linie e(t) für jede Position des Zufallsphasen-Schirms vorgesehen sind, um die Summierung der echographischen Linien e(t) durchzuführen, und daß erste Zufallsphasen-Schirm wenigstens ein Fläche enthält, die eine Zufallskörnungsunebenheit aufweist. "Verschiebbar in bezug auf die Achse des Ultraschall-Abtastbündels" sei hier derart verstanden, daß er in bezug auf das Ultraschall-Bündel unter dem Einfluß einer relativen axial-translatorischen, drehenden oder drehend/translatorischen Bewegung verschiebbar sein kann. Der technische Haupteffekt eines Zufallsphasen-Schirms auf den Ultraschall-Bündelweg besteht im Aufbrechen der Kohärenz der Weile durch den Schirm hindurch.
In der Praxis wird der Zufallsphasen-Schirm durch eine Werkstoffplatte verwirklicht, deren Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit sich von der der Koppelflüssigkeit (Wasser, Öl, usw.) unterscheidet, und von der wenigstens eine Oberfläche eine Zufallskörnungsunebenheit aufweist. Dieser Werkstoff muß eine Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit haben, die sich von der der Kopplungsflüssigkeit unterscheidet, um Zufallsphasenunterschiede bezüglich der Körnung zu erzeugen. Zum Gewährleisten einer geeigneten Empfindlichkeit besitzt der Werkstoff des Zufallsphasen-Schirms andererseits vorzugsweise eine akustische Impedanz in der Nähe von der der Koppelflüssigkeit.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllenden der für die verschiedenen Stellungen des Zufällsphasen-Schirms aufgezeichneten echographischen Linien summiert werden, um daraus die spiegelnden Reflexionszonen zu bestimmen. Die Höchstwerte dieser Umhüllenden in bezug auf die spiegelnden Reflexionen liegen immer in denselben Bereichen, während die Höchstwerte bezüglich der Multidiffusoren willkürlich verschoben werden, so daß die Summierung der Umhüllenden für eine große Anzahl von Aufzeichnungen (beispielsweise 100) im wesentlichen die Höchstwerte durch die spiegelnden Reflexionen erhöht und damit die Ortung von Organwänden, Werkstoffehlern oder anderen spiegelnden Wänden äußerst genau erfolgt. In diesem Sinne gibt die Erfindung eine neuartige Durchführung echographischer Abbildung mit verringertem echographischem "Tüpfel" im Vergleich zum Stand der Technik an.
Im Bereich zerstörungsfreier Werkstoffprüfung kann also eine Entlaminierung von einer wesentlichen Porosität unterschieden werden.
Nach dem Feststellen des Fehlers auf herkömmliche Weise erhöht tatsächlich das Summieren der Umhüllenden der für die verschiedenen Stellungen des Zufallsphasen-Schirms aufgezeichneten echographischen Linien die Höchstwerte für eine Entlaminierung (spiegelnder Reflektor); dies ist nicht der Fall, wenn der Fehler durch eine wesentliche Porosität erzeugt wird (mehrere kleine Diffusoren).
Es sei bemerkt, daß in der amerikanischen Patentschrift US-A 4 153 894 eine Zufallsphasen-Schirm zwischen einem Wandler und einem zu beschallenden Objekt zum Verringern des Tüpfels bekannt ist. Jedoch wird dieser Schirm drehend am Platz gehalten, wobei seine Anwendung insbesondere die Abbildung und nicht die Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung betrifft.
Weiter ist aus der Veröffentlichung Ultrasonics, Vol. 18, Nr. 6, November 1980, S. 273...276, IPC Business Press, Guildford, GB; U. Röder et al.: "Scattered ultrasound for incoherent insonification in transmission imaging" eine Beschallungsversuchsaufstellung im Übertragungsbetrieb bekannt, in der ein Zufallsphasen-Schirm zwischen einem eindeutigen Sendewandler und einem Kleinobjekt eingeführt wird. Es handelt sich dabei wiederum um Abbildungen, wobei die Abbildung durch statische Wellen an der Oberfläche eines Bades gebildet wird. Das Objekt soll klein sein, weil sonst das Rauschen jede Genauigkeit des im Übertragungsbetrieb erhaltenen Bildes und nicht im Reflexionsbetrieb nimmt, und bei dieses Zerstörungsfreie Werkstoff-Prüfverfahren nur wenig Vorteil bietet.
Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Ultraschall-Echographiegeräts und des Verfahrens bezieht sich auf die Bestimmung des Abschwächungsparameters β des untersuchten Mediums, das mit α(F) = βF definiert wird, worin α(F) die Abschwächung und β der Abfall der Abschwächung abhängig von der Frequenz ist. Bekanntlich wird der Parameter β auf der Basis der mittleren Spektralleistung
ausgewertet, woraus für eine vorgegebenen Abtasttiefe z die Energie des Echographiesignals abhängig von der Ultraschallfrequenz F abgeleitet wird. Wenn die Zentralfrequenz (z) von
für die Tiefe z bekannt ist, kann ß versuchsweise aus die Änderungen in (z) mit z durch Verwendung der nachstehenden Gleichung abgeleitet werden (siehe die französische Patentschrift Nr 2 514 910):
worin (z) die Spektialbreite von
für die Tiefe z ist. In der Praxis ändert sich (z) nur wenig in bezug auf z. Daher wird β mit der Flanke von (z) abhängig von z verknüpft.
Dieses Verfahren zum Messen des Parameters β macht das Aufzeichnen einer ausreichend großen Anzahl echographischer Linien notwendig, während in der klassischen Technik diese Linien durch mechanisches Verschieben des Wandlers in bezug auf die untersuchte Zone erhalten werden. Diese Bedingung wird erfindungsgemäß dadurch erfüllt, daß die für die verschiedenen Positionen des Zufallsphasen- Schirms aufgezeichneten echographischen Linien durch ein Analysefenster kumulativ analysiert werden, das entlang der echographischen Linien verschoben wird, um daraus der Abschwächungsparameter β des untersuchten Mediums abhängig von der Zentralfrequenz (z) und von der Spektralbreite (z) der mittleren Spektralleistung
abzuleiten. Das Analysefenster isoliert um den Punkt t (äquivalent mit einer Tiefe z=ct/2) herum eine Zeitzone mit einer Breite Δt der Echographielinie e(t) und entsprechend einer Dicke Δz=cΔt/2, worih c die Geschwindigkeit der Ultraschallwelle ist.
Der Zufallsphasen-Schirm ermöglicht also die Vervielfachung der Meßpunkte und bedeutet im wesentlichen, daß für jede seiner Stellungen die Multidiffusoren gegeneinander auf willkürliche Weise fiktiv verschoben werden. Also ist es nicht länger notwendig, den piezoelektrischen Wandler selbst zu verschieben, und dies bietet den Vorteil einer verbesserten räumlichen Auflösung für die Messung der mittleren Spektralleistung.
Da die genaue Stellung der Spiegelreflexionszonen entlang der Echographielinie also bekannt ist, ist es verhältnismäßig einfach, ihre parasitäre Auswirkung auf die Bestimmung der Mengen (z) und (z) zu beseitigen. Daher wird das Analysefenster auf den Echographielinien verschoben, während die Spiegelreflexionszonen vermieden werden.
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Elementar-Spektralleistungen A²z(F) der Echographielinien e(t) für jede Stellung des Zufallsphasen-Schirms durch Fourier-Transformation berechnet und im Inneren des Analysefensters in allen Stellungen des Zufallsphasen-Schirms zum Erhalten der mittleren Spektralleistung
summiert.
In einer einfacheren Ausführungsform wird die Zentralfrequenz (z) der Spektren der Echographielinien für eine vorgegebene Stellung des Analysefensters durch den Mittelwert der Anzhl von Nulldurchgängen bestimmt, die für alle Stellungen des Zufallsphasen-Schirms gesammelt sind, wobei die Spektalbreite (z) auf der Basis von Echos auf einer Reflexionsebene des übertragenen Ultraschallsignals gemessen wird, wobei die Echos für alle Stellungen des Zufallsphasen-Schirms akkumuliert werden. Diese vorteilhafte Aufstellung berücksichtigt die Tatsache, daß (z) im wesentlichen von z unabhängig ist, und daß die Anzahl der Nulldurchgänge proportional der Zentralfrequenz (z) ist (siehe den Artikel "Attenuation estimation with the zero-crossing technic phantom studies" Ultrasonic Imaging Vol. 7, S. 122...132 (1985)).
In einem anderen Ausführungsform werden die Echographielinien mit Hilfe eines Schmalbanddurchlaßfilters gefiltert, das um die Frequenz F zentriert ist, und für diese Frequenz F wird die Summe der Umhüllenden einer logarithmischen Wandlung unterworfen, um daraus die Abschwächung α(F) abzuleiten, die durch die Frequenz F geteilt wird, um den Abschwächungsparameter entsprechend der Gleichung α(F)=βF zu erhalten. Bekanntlich beträgt in diesem Fall die auf diese Weise berechnete Umhüllende exp (-α(F)ct/2).
Nicht einschränkende Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Prinzips des Wandlerabschnitts eines Echographiegeräts nach der Erfindung.
Fig. 2a, 2b und 2c die Ableitbarkeit der Stellung der Spiegelreflexionszonen aus den Echographielinien mit Hilfe des erfindungsgemäßen Echographiegeräts,
Fig. 3a, 3b, 3c und 3d die Ableitbarkeit des Abschwächungsparameters β aus den Echographielinien mit Hilfe des erfindungsgemäßen Echographiegeräts,
Fig. 4 ein Diagramm des Abschnitts eines erfindungsgemäßen Echographiegeräts, das zum Detektieren der Umhüllenden der Echographielinien dient,
Fig. 5a, 5b das Schaltbild von zwei Ausführungsbeispielen des Abschnitts eines erfindungsgemäßen Echographiegeräts, das zum Bestimmen des Abschwächungsparameters dient,
Fig. 6 und 7 Querschnitte durch zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Echographiegeräts.
In Fig. 1 ist eine Prinzipschaltung in perspektivischer Darstellung des Wandlerabschnitts eines Ultraschall-Echographiegeräts zum Untersuchen eines Mediums (Organ oder Werkstoff) 21 gezeigt, das aus einer Wand 22, aus Spiegelreflektoren 23, wie z.B. eine Ader oder einen Fehler, und aus Multidiffusoren 24 besteht, die im objekt 21 verteilt sind. Das erfindungsgemäße Echographiegerät enthält einen piezoelektrischen Wandler 10 für die Übertragung und den Empfang eines Ultraschall- Abtastbündels 20. Wie mit weiteren Einzelheiten in Fig. 4 und 5 dargestellt, ist dieser piezoelektrische Wandler mit Übertragungs- 100 und Empfängerstufen 200 für die Ultraschallsignale verbunden. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß mit dem in diesem Fall stationären piezoelektrischen Wandler 10 ein Zufallsphasen-Schirm 11 verknüpft ist, der in einem Ultraschall-Abtastbündel 20 angeordnet und in bezug auf die Achse eines Ultraschall-Bündels verschiebbar, in diesem Fall drehbar ist. Im Fall nach Fig. 1 kann der Zufallsphasen-Schirm 11 um seine Achse gedreht werden, wobei jede seiner Stellungen (beispielsweise 100 Stellungen) einen Winkel α einschließen; für jede der Stellungen des Zufallsphasen-Schirms wird eine Echographielinie aufgezeichnet. Allgemein gesagt, ist der Zufallsphasen-Schirm 11 in Form einer Werkstoffplatte hergestellt, deren Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit sich von der der Koppelflüssigkeit unterscheidet und wenigstens eine Oberfläche mit einer willkürlichen Körnungsunebenheit enthält. Aus den Werkstoffen, die in diesem Zusammenhang verwendbar sind, werden vorzugsweise jene Werkstoffe gewählt, deren akustische Impedanz der der Koppelflüssigkeit annähert, um geeignete Empfindlichkeit zu gewährleisten. Geeignete Werkstoffe sind in dieser Beziehung Gummiprodukte, die eine Schallgeschwindigkeit haben, die niedriger als die des Wassers ist, aber eine größere Dichte haben. Jedoch sind sie nicht sehr fest und führen wesentliche Signalabschwächung ein. Vorgegebenene feste Werkstoffe sind fester und führen weniger Abschwächung ein, insbesondere jene Werkstoffe, die im Handel als TPX bekannt sind und eine Schallfortpflazungsgeschwindigkeit haben, die höher als die des Wassers ist und eine geringere Dichte haben. Bezüglich der Körnung des Werkstoffs müßte die Korngröße vorzugsweise derart sein, daß die Kohärenzlänge die Wellenlänge der akustischen Welle überschreitet oder einige zehn Millimeter beträgt. Die Dicke der Körner soll dabei ausreichen, um Phasenunterschiede zur Größe von π zu ermöglichen.
Also besteht der wesentliche Vorteil der Erfindung in der Vervielfachung der dekorrelierten Meßpunkte um den Faktor gleich der Anzahl der Stellungen des Zufallsphasen-Schirms 11, ohne daß dabei die Verschiebung des piezoelektrischen Wandlers 10 erforderlich und damit ohne Verlust räumlicher Auflösung ist.
In Fig. 2a, 2b und 2c ist veranschaulicht, wie eine Analyse der Umhüllende der Echographielinien, die mit Hilfe des erfindungsgemäen Geräts erhalten wurden, sehr genaue Bestimmung des Bildes des Mediums 21 nach Fig. 1 sowohl hinsichtlich seiner Wand 22 und seiner Spiegelreflektoren (Innenwandung) 23 ermöglicht. In Fig. 2a ist eine Echographielinie e(t) dargestellt, die für eine vorgegebene Stellung α des Zufallsphasen-Schirms aufgezeichnet ist. Diese Echographielinie enthält Echos 31, die die Multidiffusoren 24 ausgelöst haben, und Echos 30, die die Spiegelreflexionen an den Hindernissen vom Typ der Wandungen 22 und 23 auslösten. Die Umhüllende E(t) der Echographielinie e(t) enthält also Höchstwerte, von denen einige mit den Multidiffusoren verknüpft sind und deren Amplitude so hoch ist, daß sie die Ortung der Spiegelreflexionszonen 30 stört. In dieser Phase könnte die Analyse der Umhüllende eine bestimmte Ungenauigkeit im echographischen Bild des untersuchten Objekts ergeben. In Fig. 2b ist die Aufzeichnung der Echographielinie e(t) für eine andere Stellung α+Δα des Zufällsphasen-Schirms 11 dargestellt, worin Δα beispielsweise der Drehschritt des Zufallsphasen-Schirms ist. Diese Echographielinie hat eine Struktur, die der nach Fig. 2a analog ist, sei es, daß die Höchstwerte der Umhüllende E(t) bezüglich der Multidiffusoren sich nicht in gleichen Abständen auf der Echographielinie befinden. Jedoch erscheinen die Höchstwerte von E(t), die sich auf die Spiegelreflexionen beziehen, an denselben Stellen. Wie aus Fig. 2c ersichtlich ist, und wenn alle Umhüllenden E(t) der für alle Stellungen α des Zufallsphasen-Schirms aufgezeichneten Echographielinien summiert sind, werden daher die Höchstwerte bezüglich der Spiegelreflexionen linear addiert, während die Höchstwerte bezüglich der Multidiffusoren durch die willkürliche Art ihrer Verteilung nur quadratisch addiert werden. Für die 100 unterschiedenen Stellungen des Zufallsphasen-Schirms wird also die Genauigkeit der Bestimmung der Spiegelreflexionszonen 30 um [100] = 10 erhöht, was eine bedeutende Verbesserung ist, und eine außergewöhnlich hohe Qualität der Organbilder gibt.
In Fig. 3a, 3b, 3c und 3d ist veranschaulicht, wie der Abschwächungsparameter β aus der Aufzeichnung der Echographielinien e(t) bei einer Fourier-Transformationsanalyse bestimmt werden kann.
Aus Fig. 3a ist ersichtlich, daß die für jede Stellung α des Zufallsphasen- Schirms 11 aufgezeichneten Echographielinien e(t) kumulativ durch ein Analysefenster 40 analysiert werden, das auf den Echographielinien e(t) verschoben wird. Das Analysefenster 40 definiert eine Zeitzone mit einer Breite von Δt, die einer Gewebedicke Δz=cΔt/2 entspricht. Die Bestimmung des Abschwächungsparameters β basiert auf der Analyse der von den Multidiffusoren 24 emittierten Echos 31, wobei die Multidiffusoren im untersuchten Medium 21 verteilt sind. In diesem Sinne entsprechen die Spiegelreflexionszonen 30 parasitären Signalen. Die anhand der Fig. 2a, 2b und 2c beschriebene Verarbeitung ermöglicht die Beseitigung nachteiliger Effekte der Spiegelreflexionszonen. Da diese Spiegelreflexionszonen 30 in den Echographielinien vorzüglich geortet sind, reicht es tatsächlich aus, wie aus Fig. 3a ersichtlich, das Analysefenster 40 auf den Echographielinien zu verschieben, wobei die bekannten Spiegelreflexionszonen vermieden werden.
Für eine vorgegebene Stellung des Analysefensters 40 auf der Echographielinie e(t), wobei diese Stellung durch die Zeit t gekennzeichnet wird, d.h. auch durch die Tiefe z=ct/2, und für eine vorgegebenen Stellung α des Zufallsphasen- Schirms 11 wird die entsprechende Spektralleistung Δ²z(F) berechnet, im Fall nach Fig. 3b, durch Fourier-Transformation. Diese Leistung selbst ist allgemein von geringer Qualität und schwer verwendbar für eine genaue Bestimmung des Abschwächungsparameters β, da sie durch die verschiedenen Echos aus Diffusoren im Analysefenster viele Unregelmäßigkeiten enthält. Jedoch ist es ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, daß, wenn die elementaren Spektralleistungen A²z(F), die für alle Stellungen des Zufallsphasen-Schirms berechnet werden, im selben Analysefenster 40 summiert werden, die geglättete mittlere Spektralleistung
(Fig. 3c) mit hoher Güte erhalten wird, wodurch insbesondere die genaue Bestimmung der Zentralfrequenz (z) für jede Tiefe z und der Spektralbreite (z) der mittleren Spektralleistung
ermöglicht. Es sei bemerkt, daß diese Verbesserung ohne Verschiebung des piezoelektrischen Wandlers 10 erhalten wird, d.h. ohne Zerstörung der räumlichen Auflösung.
Die Änderungen in (z) und (z) abhängig von z (Fig. 3d) sind bekannt und dabei wird daraus der gewünschte Abschwächungsparameter β mit Hilfe nachstehender Gleichung abgeleitet:
Ein anderes Verfahren zum Berechnen von (z) und (z) ohne Anwendung der Fourier-Transformationstechnik, deren Durchführung immer schwierig ist, besteht in der Bestimmung der Zentralfrequenz (z) auf der Basis des über alle Stellungen α des Zufallsphasen-Schirms genommenen Mittelwerts der Anzahl von Nulldurchgängen der Echographielinien im Analysefenster 40, das um t (oder z=ct/2) zentriert ist. Es ist bekannt, daß die Anzhl der Nulldurchgänge proportional der Zentralfrequenz (z) ist. Bezüglich der Spektralbreite (z) läßt sich auf vorteilhafte Weise ableiten, daß sie kaum mit der Tiefe z abweicht und ein für allemal auf der Basis der Aufzeichnung von Echos auf einer Reflektorfläche des übertragenen Ultraschallsignals berechenbar ist, wobei diese Echos in allen Stellungen α des Zufallsphasen- Schirms 11 kumuliert werden.
Außerdem können für alle betreffenden Ausführungsbeispiele die Diffraktionseffekte mit Hilfe eines Verfahrens berücksichtigt werden, das in der französischen Patentschrift Nr. 2 554 238 beschrieben wird und im wesentlichen aus der Aufzeichnung der mittleren Diffraktionskurve
des piezoelektrischen Wandlers im voraus besteht, der den Zufällsphasen-Schirm 11 für jede Abtasttiefe z enthält und für alle Stellungen α des Zufallsphasen-Schirms 11 summiert ist.
In Fig. 4 ist schematisch der Abschnitt eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Echographiegeräts dargesteilt, das zum Detektieren der mittleren Umhüllenden (t) der Echographielinien e(t) dient. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß der Wandler 10 einerseits mit einer Übertragerstufe 100, die im wesentlichen auf herkömmliche Weise einen elektrischen Anregungssignalgenerator enthält, und andererseits mit einer Empfängerstufe 200 verbunden ist, der in Verbindung mit seinem Eingang einen Hf- Verstärker 201 enthält, der Verstarkungsausgleich abhängig von der Tiefe umfaßt. Dem Verstärker 201 sind zwei Parallelverarbeitungskanäle nachgeschaltet, von denen einer mit einer Stufe 210 für die Detektion von Umhüllenden verbunden ist, wobei der andere Kanal mit einer Stufe 220 zum Messen des Abschwächungsparameters β verbunden ist. Die Stufe 210 für die Detektion der Umhüllenden enthält einen Gleichrichter 211, der mit einem Tiefpaßfilter 212 verbunden ist. Das auf diese Weise gleichgerichtete und gefilterte Signal entspricht der Umhüllende E(t) der echographischen Linien e(t) für eine Stellung des Zufallsphasen-Schirms. Zum Erhalten von (t), wobei dieser Wert aus der Kumulation der Messungen für alle Stellungen des Zufallsphasen-Schirms abgeleitet wird, wird das umhüllende Signal E(t) aus dem Tiefpaßfilter 212 von einem Addierer 213 summiert, der einen Analog/Digital-Wandler 214 und einen Digitalspeicher 215 enthält, in dem die Digitalsignale aus dem Wandler 214 addiert werden. Schließlich wird die Umhüllende (t) in Digitalform mit Hilfe des Digital/Analog-Wandlers 216 in ein Analogsignal umgesetzt.
In Fig. 5 sind zwei Ausführungsformen des Abschnitts 220 des Ultraschall-Echographiegeräts nach Fig. 4 dargestellt, und dieser Abschnitt dient zum Bestimmen des Abschwächungsparameters β. In der Ausführungsform bezüglich Fig. 3a bis 3d (siehe Fig. 5a) werden für jede Position des Zufallsphasen-Schirms die Echographielinien e(t) in einem Gleitfenster 40 analysiert, das ein Fenstergenerator 221 erzeugt. Die Elementar-Spektralleistungen A²z(F) werden darauf in einer Schnell-Fourier- Transformationstufe 222 berechnet. Danach werden die Elementar-Spektralleistungen A²z(F) für alle Stellungen α des Zufallsphasen-Schirms in einem Addierer 223 summiert, der dem Addierer 215 nach Fig. 4 analog ist. Die Verrrbeitungseinheit 224 berechnet darauf die Parameter (z) und (z) der mittleren Spektralleistung
aus dem Ausgang des Addierers 223, wodurch schließlich β aus den Änderungen von (t) und (z) abhängig von z abgeleitet werden kann.
In der Ausführungsform b) nach Fig. 5 wird das Echographiesignal aus dem Vestärker 201 bei der Frequenz F von einem Schmaldurchlaßbandfilter 225 gefiltert, das auf F zentriert ist. Die mittlere Umhüllende des gefilterten Signals wird mit Hilfe eines Umhüllendendetektors 226 vom Typ nach der Beschreibung anhand der Fig. 4 berechnet. Die auf diese Weise erhaltene mittlere Umhüllende ist eine abfallende Exponentialkurve exp (-α(F)ct/2), worin α(F) die Abschwächung für eine Frequenz F ist. Der logarithmische Verstärker 227 transformiert diese Exponentialkurve in eine gerade Linie mit einem Gefälle -α(F)c/2. Durch die Messung dieses Gefalles mit Hilfe der Differenzierstufe 228 wird die Abschwächung α(F) erhalten. Durch die Änderung der Zentralfrequenz F des Bandpaßfilters 225 können die Änderungen von α(F) abhängig von F studiert werden und β kann daraus mit β=α(F)/F abgeleitet werden.
In Fig. 6 ist ein Querschnitt durch ein besonderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Geräts dargestellt, in dem der piezoelektrische Wandler 10 mit zwei Zufallsphasen-Schirmen 11 und 12 verknüpft ist. Insbesondere bildet der erste statische Zufallsphasen-Schirm 11 das Fenster eines Behälters 50, der mit einer Flüssigkeit 51 für akustischen Ausgleich gefüllt ist und den piezoelektrischen Transistor 10 einschließt, der selbst mit einem zweiten Zufallsphasen-Schirm versehen ist. Der piezoelektrische Wandler 10 und der Zufallsphasenschirm 12 werden um ihre Achse mit einem Motor 60 gedreht. Der Vorteil von zwei Zufallsphasen-Schirmen, die gegeneinander bewegbar sind, besteht in der Verkleinerung des erforderlichen Drehwinkels zum Erhalten dekorrelierter Echographielinien, wodurch die Verwendung viel kleinerer Verschiebungsschritte des mobilen Zufallsphasen-Schirms ermöglicht wird, so daß die Anzahl dekorrelierter Meßpunkte weiter vergrößert werden kann. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines statischen Wandlers 10, der den Phasenschirm 12 getrennt vom Wandler dreht und den Phasenschirm 11 immer stationär hält.
Im Gegensatz zum Beispiel in Fig. 6, die einen piezoelektrischen Wandler 10 darstellt, der sowohl die Übertragung als auch den Empfang des Ultraschallbündels 20 versorgt, enthält das Gerät nach Fig. 7 zwei piezoelektrische Wandler 13 und 10, wobei der erste Wandler 13 die Übertragung des einfallenden Teils 24 des Ultraschallbündels 20 versorgt, während der zweite Wandler 10 zum Empfangen des reflektierten Teils 25 des Ultraschallbündels dient. Zum Verhindern der Zerstörung des einfallenden Bündels 24 durch einen Zufällphasen-Schirm in seinem Weg ist nur der zweite piezoelektrische Wandler 10 mit einem Zufällsphasen-Schirm 11 verknüpft, der im reflektierten Teil 25 des Ultraschallbündels verschiebbar ist. Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, kann ein zweiter Zufallsphasenschirm 12, der in bezug auf das reflektierte Bündel 25 stationär ist, ebenfalls mit dem piezoelektrischen Wandler 10 verknüpft werden. Im Ausführungsbeispiel nach der Figur haben der piezoelektrische Wandler 10 und die Zufallsphasen-Schirme 11 und 12 eine Ringform. Derselbe Grundsatz kann auch für Zufallsphasen-Schirme verwendet werden, die nur vor dem Wandler 13 statt des Wandlers 10 angeordnet werden können.
Außerdem können die Wandler 13 und 10 flache Wandler oder fokussierte Wandler in Form einer sphärischen Kuppe sein.

Claims

1. Ultraschall-Echographiegerät für die Kennzeichnung von Organgeweben oder von Werkstoffen mit wenigstens einem piezoelektrischen Wandler (10) zur Gewährleistung der Emission und/oder des Empfangs eines Ultraschall-Untersuchungsbündels (20), in dem dem piezoelektrischen Wandler (10) ein erster Zufällsphasen- Schirm (11) zugeordnet ist, der in Form einer Werkstoffplatte verwirklicht ist, deren Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit abweicht von der des Wassers und die sich im Ultraschall-Untersuchungsbündel (20) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zufallsphasen-Schirm in bezug auf die Achse dieses Bündels verschiebbar ist, wobei der Bündelwandler in Translation nicht bewegbar ist, daß Mittel zum Aufzeichnen einer echographischen Linie e(t) für jede Position (α) des Zufallsphasen-Schirms vorgesehen sind, um die Summierung der echographischen Linien e(t) durchzuführen, und der erste Zufallsphasen-Schirm (11) wenigstens ein Fläche enthält, die eine Zufallskörnungsunebenheit aufweist.

2. Ultraschall-Echographiegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körnung des Zufallsphasen-Schirms (11) maximale Phasenunterschiede gleich π induziert.

3. Ultraschall-Echographiegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des Zufallsphasen-Schirms (11) derart ist, daß die Kohärenzlänge größer ist als die Wellenlänge des Ultraschallbündels (20).

4. Ultraschall-Echographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (10) fest steht und der erste Zufallsphasen-Schirm (11) im Ultraschallbündel (20) bewegbar ist.

5. Ultraschall-Echographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem piezoelektrischen Wandler (10) ein zweiter Zufällsphasen- Schirm (12) verknüpft ist, der in bezug auf das Ultraschall-Untersuchungsbündel (20) fest steht.

6. Ultraschall-Echographiegerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem mit einer akustischen Ausgleichsflüssigkeit (51) gefüllten Gehäuse den piezoelektrischen Wandler, der mit einem zweiten Zufallsphasen-Schirm (12) versehen ist, den ersten Zufallsphasen-Schirm (11), der fest steht, aber in bezug auf den sich das Bündel verschiebt und der ein Fenster im Gehäuse bildet, und einen Motor (60) zum Drehen des piezoelektrischen Wandlers (10) und den zweiten Zufallsphasen-Schirm (12) um ihre Achse enthält.

7. Ultraschall-Echographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster piezoelektrischer Wandler (13) vorgesehen ist, der die Emission des auffallenden Teils (24) des Ultraschall-Untersuchungsbündels (20) gewährleistet, sowie ein zweiter piezoelektrischer Wandler (10) vorgesehen ist, der den Empfang des reflektierten Teils (25) des Ultraschall-Untersuchungsbündels (20) gewährleistet, und daß nur der zweite piezoelektrische Wandler (10) mit dem ersten Zufallsphasen-Schirm (11) verknüpft ist, in bezug auf den sich das Ultraschallbündel verschiebt.

8. Ultraschall-Echographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (211, 212) zum Detektieren der Umhüllenden (E(t)) der Echographielinien (e(t)), die für die verschiedenen Positionen (α) des ersten Zufallsphasenschirms (11) aufgezeichnet sind, und Mittel (213) zum Summieren der Umhüllenden zum Bestimmen der spiegelnden Reflexionszonen (30) vorgesehen sind.

9. Ultraschall-Echographiegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (221) zum kumulativen Analysieren der für die verschiedenen Positionen (α) des ersten Zufallsphasen-Schirms (11) aufgezeichneten Echographielinien (e(t)) durch ein Analysefenster (40), das sich auf den Echographielinien (e(t)) verschiebt, und Mittel (222, 223, 224) zum Ableiten des Abschwächungsparameters β des untersuchten Mediums abhängig von der mittleren Frequenz (z) und von der Spektralgröße (z) der mittleren Spektralleistung

vorgesehen sind, der die Amplitude des Echographiesignals im Inneren des Analysefensters (40) für eine vorgegebene Untersuchungstiefe z liefert.

10. Ultraschall-Echographiegerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es eine schnelle Fourier-Transformationsstufe (222) aufweist zum Berechnen der der Elementar-Spektlleistungen A²z(F) der Echographielinien e(t) für jede Stellung des Zufallsphasen-Schirms sowie eine Addierstufe (223) zum Summieren der Elementar- Spektralleistungen im Inneren des Analysefensters (40) in allen Stellungen (α) des ersten Zufallsphasen-Schirms (11) zum Erhalten der mittleren Spektralleistung

11. Ultraschall-Echographiegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf eine Frequenz F zum Filtern der Echographielinien (e(t)) zentriertes Filter (225) mit schmalen Durchlaßband vorgesehen ist, dem ein Umhüllendendetektor mit Addierer (226), ein logarithmischer Verstärker (227) und eine Differenzierstufe (228) derart, daß sie für diese Frequenz F die Abschwächung α(F) daraus ableitet, sowie Mittel zum Teilen dieser Abschwächung durch die Frequenz F zum Erhalten des Abschwächungsparameters (β) nachgeschaltet sind.

12. Ultraschall-Echographieverfahren zum Untersuchen von Medien durch den Einsatz eines Ultraschall-Echographiegeräts nach Anspruch 1 mit folgenden Schritten:

- mit Hilfe eines Wandlers ein Ultraschallbündel nach einem zu untersuchenden Medium anhand eines Durchmessers dieses Mediums aussenden,

- mit Hilfe des Wandlers ein Echo des Ultraschallbündels nach seiner Wechselwirkung mit dem Medium einfangen,

- eine Anzahl von Zufallsphasenverschiebungen zwischen 0 und π im Bündel mittels eines im Bündel angeordneten Zufallsphasen-Schirms für jede der mehreren Positionen (α) dieses Schirms in bezug auf das Bündel sequentiell einführen, wobei der Zufallsphasen-Schirm (11) in Form einer Platte eines Werkstoffs verwirklicht wird, dessen Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit von der des Wassers abweicht, und von der wenigstens eine Fläche eine Zufallskörnungsunebenheit aufweist, daurch gekennzeichnet, daß die ausgehend vom empfangenen Bündel erzeugten Echographielinien (e(t)) für jede Position des Schirms aufgezeichnet werden, wobei der Wandler in Translation fest steht, und daß die Umhüllenden (E(t)) der für die verschiedenen Stellungen des Zufallsphasen-Schirms (11) aufgezeichneten echographlschen Linien (e(t)) summiert werden, um daraus die spiegelnden Reflexionszonen (30) zu bestimmen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die für die verschiedenen Positionen (α) des ersten Zufallsphasen-Schirms (11) aufgezeichneten Echographielinien (e(t)) durch ein Analysefenster (40), das sich auf den Echographielinien (e(t)) verschiebt, derart kumulativ analysiert werden, daß der Abschwächungsparameters β des untersuchten Mediums abhängig von der mittleren Frequenz (z) und von der Spektralgröße (z) der mittleren Spektralleistung

abgeleitet wird, der die Amplitude des Echographiesignals im Inneren des Analysefensters (40) für eine vorgegebene Untersuchungstiefe z liefert.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Analysefenster (40) sich auf den Echographielinien (e(t)) unter Vermeidung der spiegelnden Reflexionszonen (30) verschiebt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die spektralen Elementarleistungen (A²z(F)) von Echographielinien (e(t)) für jede Position des ersten Zufallsphasen-Schirms durch eine Fourier-Transformationsstufe (222) berechnet und im Inneren des Analysefensters (4) in allen Positionen (α) des ersten Zufallsphasen-Schirms (11) summiert werden, um die mittlere Spektralleistung

zu erhalten.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Frequenz (z) der Spektren echographischer Linien (e(t)) für eine vorgegebene Position des Analysefensters (40) durch den Mittelwert der Anzahl in allen Positionen (α) des ersten Zufallsphasen-Schirms (11) kumulierter Nulldurchgängen bestimmt wird, während die spektrale Größe (z) ausgehend von den Echos auf einer Reflektorebene des ausgesandten Ultraschallsignals gemessen wird, und diese Echos in allen Positionen (α) des ersten Zufallsphasen-Schirms (11) kumuliert werden.

17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Echographielinien (e(t)) mit Hilfe eines auf eine Frequenz F zentriertes Filter (225) mit schmalen Durchlaßband gefiltert werden, und daß für diese Frequenz F die Summe der Umhüllenden eine logarithmische Wandlung zum Ableiten der Abschwächung α(F) erfährt zum Erhalten des Abschwächungsparameters (β) durch die Frequenz F geteilt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Diffraktionskurve

des piezoelektrischen Wandlers mit dem ersten Zufallsphasen-Schirm (11) im voraus für jede Untersuchungstiefe (z) aufgezeichnet und in allen Positionen (α) des ersten Zufallsphasenschirms (11) summiert werden.