DE3917003C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallwandlersonde und ein Verfahren zum Betrieb eines phasengesteuerten Ultraschallsystems.

Bei bilderzeugenden Ultraschallgeräten werden Ultraschallwellen in ein abzubildendes Volumen gesendet und reflektierte Ultraschallwellen aus diesem Volumen empfangen. Die reflektierten Ultraschallwellen werden in elektrische Signale umgesetzt, die dann für die Steuerung eines Videodisplays verarbeitet werden. Bei elektronisch gesteuerten Sektor-Scannern, also Einrichtungen mit sektorweiser Abtastung, werden die Ultraschallwellen durch eine Vielzahl von Wandlerelementen abgestrahlt und empfangen, welche getrennt erregt werden und in einer Gruppierung oder einem Array, insbesondere einer regelmäßigen Anordnung, auf einer Sonde angeordnet sind. Elektronisch gesteuerte Sonden umfassen Typen wie lineare Arrays, zweidimensionale Arrays, gekrümmte Phasenarrays und ringförmige Phasenarrays, die mit dem Sammelbegriff "Phasenarrays" bezeichnet werden soll.

Es sind Phasenarray-Scanner bekannt, die Bilder mit einer elektronischen Fokussierung zum Richten von Ultraschallenergie längs einer Linie (d. h. einem Vektorwinkel) und durch Empfangen von Echos von dieser Linie erzeugen. Die Fokussierung wird durch selektive Signalverzögerung während des Sendens und des Empfangens durch die jeweiligen Wandlerelemente im Phasenarray bewirkt. Die Signale längs des Vektorwinkels interferieren dabei konstruktiv, während bei Signalen von anderen Stellen eine auslöschende Interferenz auftritt. Der abtastende Ultraschallstrahl wird dadurch in die verschiedenen Vektorwinkel gelenkt, daß die Signale entsprechend der Weglängendifferenz zwischen den verschiedenen Wandlerelementen und den verschiedenen Punkten auf der Strahllinie selektiv verzögert werden. Typischerweise ist hierfür jeder Wandler mit einem entsprechend gesteuerten Verzögerungselement verbunden. Beim Empfang werden die Ausgangssignale von den Verzögerungselementen zu einem Echosignal kohärent summiert.

Die durch die jeweiligen Verzögerungselemente eingeführte Verzögerungsdauer wird durch eine Steuereinrichtung bestimmt, typischerweise einen Computer oder Mikroprozessor. Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, die erforderlichen Signalverzögerungen zu realisieren. Aus der US-PS 42 85 011, Sato, ist es beispielsweise bekannt, analoge Schaltvorrichtungen, die mit Abgriffen vieler Verzögerungsleitungen verbunden sind, durch eine Zentralprozessoreinheit CPU zu steuern.

In einer prioritätsälteren deutschen Patentanmeldung entsprechend der nicht vorveröffentlichten DE 38 31 537 A1 sind ein Verfahren und eine Anordnung zum adaptiven Reduzieren von Phasenfehlern beschrieben, die bei der Ausbreitung eines Ultraschallstrahles in einem inhomogenen Medium entstehen. Dabei werden Test-Ultraschallstrahlen in das zu untersuchende Medium gesendet und der aus dem Medium zurückgestreute Ulraschall durch eine Anordnung von Wandlerelementen empfangen. Die dabei von benachbarten Wandlerelementen erzeugten Signale werden kreuzkorreliert, um Zeitkorrektursignale für die Kompensation der durch die Inhomogenität des Mediums verursachten Laufzeitfehler zu erzeugen. Die Korrektursignale werden in einem Speicher gespeichert und bei den anschließenden Untersuchungen der Laufzeitkorrektur der von den verschiedenen Wandlerelementen erzeugten Signale verwendet.

Laufzeitfehler, die durch unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten in einem inhomogenen Medium verursacht werden, sind jedoch nicht die einzigen Zeitfehler, die bei bilderzeugenden Ultraschallgeräten zu einer Beeinträchtigung der Bilderzeugung führen können. Aus fertigungstechnischen Gründen läßt sich eine gewisse Streuung der Verzögerungszeiten, die den individuellen Wandlerelementen eines Arrays eigen sind, nicht vermeiden. Diese unterschiedlichen, fertigungsbedingten Verzögerungen gehen in die Zeitverzögerung des betreffenden Kanales des Arrays ein, so daß die tatsächliche Verzögerung von der theoretisch zu erwartenden Verzögerung abweicht. Dies setzt den Dynamikbereich des aus den empfangenen Signalen rekonstruierten Bildes herab.

Es ist bisher nicht möglich gewesen, die Ursache der Verzögerungsfehler irgendwelchen speziellen elektrischen oder mechanischen Parametern der Wandlerelemente zuzuordnen. Es ist daher bisher auch nicht möglich, die Streuung der individuellen Verzögerungen der Wandlerelemente durch verbesserte Herstellungsverfahren zu beseitigen.

Auch mit dem in der obenerwähnten prioritätsälteren deutschen Patentanmeldung vorgeschlagenen Verfahren läßt sich die fertigungsbedingte Streuung der Verzögerungszeiten der individuellen Wandlerelemente nicht kompensieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt als erstes die Aufgabe zugrunde, die Beeinträchtigung des Dynamikbereiches von phasengesteuerten Ultraschallabbildungssystemen zu vermeiden, die durch eine fertigungsbedingte Streuung der Verzögerungszeiten der einzelnen Wandlerelemente einer mit dem Ultraschallabbildungssystem gekoppelten Ultraschallwandlersonde verursacht wird.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes des Patentanspruchs 1 sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die vorliegende Erfindung soll ferner ein Verfahren zum Betrieb eines phasengesteuerten Ultraschallsystems geschaffen werden, das den Einfluß einer fertigungsbedingten Streuung der Verzögerungszeiten der einzelnen Wandlerelemente einer Ultraschallwandlersonde des Ultraschallsystems zu kompensieren gestattet.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei werden noch weitere Merkmale und Vorteile der Er­ findung zur Sprache kommen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ultra­ schallsystems mit einem linearen Phasenarray;

Fig. 2 bis 6 graphische Darstellungen von Schwingungsfor­ men wie sie bei dem Ultraschallsystem gemäß Fig. 1 auftreten können;

Fig. 7 eine vollständige, mit einem Ultraschallsystem verbundene Sondenanordnung gemäß einer Ausführungs­ form der Erfindung, und

Fig. 8 eine Einrichtung zum Bestimmen der inhärenten Zeit­ verzögerungsfehler eines Wandlerarrays.

Fig. 1 zeigt ein Phasenarray-Ultraschallsystem, bei dem die vorliegende Erfindung verwirklicht ist. Das System enthält ein Array, d. h. eine regelmäßige Anordnung von Wandlerelementen (11) in einem Gehäuse (17). Die Wandlerelemente (11) sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einem linearen Array angeordnet; zur Vereinfachung der Darstellung sind nur fünf Wandlerelemente dargestellt. Mit dem Wandler­ array (11) ist eine Empfangsschaltung verbunden, welche ein entsprechendes Array von gesteuerten Verzögerungsele­ menten (12), eine Empfangssteuereinheit (13) und eine Summierschaltung (14) enthält. An die Summierschaltung (14) ist eine Bildgenerator- und Displayeinheit (15) ange­ schlossen. Das Gehäuse (17) bildet typischerweise einen Teil einer abnehmbaren Sonde, während die Empfangsschaltung in einer Konsole des Systems untergebracht ist.

Das Wandlerarray (11) enthält individuelle Wandlerelemente (21 bis 25), die jeweils mit individuellen Verzögerungsele­ menten (31 bis 35) eines Verzögerungselement-Arrays (12) verbunden sind. Die Verzögerungselemente (31 bis 35) sind jeweils individuell mit der Empfangssteuereinheit (13) verbunden, um von dieser einen Verzögerungszeitwert entsprechend einem speziellen Vektorwinkel zu erhalten.

Die Konsole des Systems enthält außerdem eine Sendeschal­ tung (18), welche vorzugsweise eine Sendesteuerung, Sende­ verzögerungselemente und individuelle Pulsgeneratoren zum Anschluß an die verschiedenen Wandlerelemente (21 bis 25) des Arrays (11) enthält. Alternativ können die Verzögerungselemente (31 bis 35) auch sowohl für die Sende­ schaltung als auch die Empfangsschaltung gemeinsam verwen­ det werden. Während des Sendens werden die Wandlerelemente durch die entsprechenden Pulsgeneratoren in einer vorgegebe­ nen zeitlichen Relation erregt, so daß die Abstrahlung längs eines vorgegebenen Vektorwinkels erfolgt.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise des bisher beschriebenen Systems soll der Empfang von Ultraschallwellen von einer punktförmigen Quelle (10) betrachtet werden. Die relative Eintreffzeit des Maximums oder Peaks des vom Punkt (10) ausgehenden Signals hängt von der Wegstrecke zwischen dem jeweiligen Wandlerelement (21 bis 25) und dem Punkt (10) ab. Die unterschiedlichen Eintreffzeiten sind in Fig. 2 dargestellt. Die Verzögerungselemente (31 bis 35) kompensieren die Wegstreckenunterschiede so, daß theoretisch eine zeitliche Ausrichtung aller Kanaleingangssignale der Summierschaltung (14) bewirkt wird, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Die Summierung aller getrennter Kanalsig­ nale ergibt das in Fig. 4 dargestellte Signal, welches wegen der phasengleichen Summierung der Signale von allen Kanälen eine maximale Amplitude und eine minimale Pulsdauer aufweist.

Wegen der den einzelnen Wandlerelementen (21 bis 25) eigenen Zeit­ verzögerungsfehler ergeben sich die in Fig. 5 dargestellten Eintreffzeiten der Signale an der Summierschaltung (14). Das nach der Summierung resultierende Signal hat, wie Fig. 6 zeigt, daher eine wesentlich schlechtere Schwingungs­ form als das in Fig. 4 dargestellte ideale Signal. Das letztlich aus einem solchen schlechten Signal erzeugte Bild hat einen dementsprechend reduzierten Dynamikbereich. Bei den bekannten Ultraschallgeräten wird also keine voll­ ständige konstruktive Interferenz erreicht und die aus­ löschende Interferenz (Unterdrückung von Signalen) von Zielen außerhalb des Empfangsvektors ist nicht optimal, was zu einem nichtoptimalen Signal/Rausch-Verhältnis führt.

Durch die vorliegende Erfindung können die Zeitverzögerungs­ fehler, die den einzelnen Wandlerelementen von Natur aus eigen sind, also die Streuung der Verzögerungswerte korrigiert werden, so daß man beim Empfang Schwingungsformen erhält, wie sie in Fig. 3 und 4 dargestellt sind, und man beim Senden einen gewünschten Strahl erhält, indem man den Verzögerungsfehler für jeden einzelnen Kanal bestimmt und dann diesen Fehler durch Programmierung der Zeit­ verzögerungen im Abtastsystem kompensiert. Die Schaltungs­ anordnung gemäß Fig. 1 enthält dementsprechend zusätzlich einen Speicher (16) im Gehäuse (17), in dem Werte ent­ sprechend den den Wandlerelementen eigenen Zeitverzögerungsfehlern gespeichert sind. Der Speicher (16) ist mit der Empfangs­ steuereinheit (13) und der Sendeschaltung (18) gekoppelt. Nachdem die Empfangssteuereinheit (13) oder die Sende­ schaltung (18) den theoretischen Wert der Verzögerung für die jeweiligen Wandlerelemente beim Empfangen oder Senden bestimmt haben, erhalten sie außerdem einen vorgegebenen Fehlerkorrekturwert für die verschiedenen Wandlerelemente vom Speicher (16) und addieren diesen Korrekturwert zu dem betreffenden theoretischen Verzögerungswert. Alternativ können alle Werte vom Speicher (16) anfänglich in einen internen Speicher der Empfangssteuereinheit (13) oder der Sendeschaltung (18) für den Gebrauch bei späteren Berechnungen übertragen werden. Die im Speicher (16) gespei­ cherten Werte sind vorzugsweise auf den einem speziellen Wandlerelement eigenen Verzögerungsfehler normiert, z. B. das Wandlerelement in der Mitte des Array (d. h. das Wandlerelement (23) oder das Wandlerelement mit dem negativsten oder kleinsten Ver­ zögerungsfehler.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer Wandlersonde gemäß der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Die Sonde enthält einen Halter oder einen Griff (40), der ein Array von Wandlerelementen (41) trägt. Der Verzögerungsfehlerspeicher kann im Griff (40) untergebracht sein, wie es bei 42A dargestellt ist, oder er kann sich auch in einem anderen Teil der Probenanordnung befinden, z. B. bei 42B im An­ schlußende (44) der Sonde. Das Wandlerarray (41) und der Speicher (42A oder 42B) sind über einen Satz von Leitungen (43) mit einem Ultraschallgerät (45) verbunden, welches eine Gerätkonsole und einen Monitor enthält. Typischerweise werden für jedes spezielle Ultraschallgerät viele verschie­ dene Sonden verwendet, die jeweils ihre eigenen Verzöge­ rungsfehler aufweisen. Bei der in Fig. 7 dargestellten Konfiguration liest, nachdem eine spezielle Sondenanordnung mit dem Bilderzeugungssystem verbunden worden ist, die Steuereinrichtung (d. h. der Systemcomputer) die Werte aus dem Speicher ab und modifiziert dann anschließend die betreffenden Verzögerungszeiten durch den Verzögerungs­ fehler-Korrekturwert für das jeweiligen Wandlerelement. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Speicher (42) ein programmierbarer Lesespeicher (PROM).

Im folgenden soll nun unter Bezugnahme auf Fig. 8 ein bevorzugtes Verfahren zum Bestimmen der relativen Zeit­ verzögerungsfehler für ein Array beschrieben werden. Das Verfahren ist ähnlich dem, das an anderer Stelle be­ schrieben ist (Anmeldungen entsprechend der DE 38 31 537 A1 und der US 49 89 143.

Das Wandlerarray (41) wird in einem mit Wasser gefüllten Tank (50) so angeordnet, daß seine Stirnfläche parallel zu einem optisch ebenen Target (51) verläuft, das ebenfalls im Wassertank (50) in einem Abstand angeordnet ist, der im wesentlichen gleich der Nennbrennweite des Array (41) ist. Zur Bestimmung des Zeitverzögerungsfehlers der ver­ schiedenen Wandlerelemente bezüglich des Zeitverzögerungs­ fehlers eines bestimmten ausgewählten Wandlerelements, im vorliegenden Falle des mittleren Elements, wird wie folgt verfahren:

Die Anschlußvorrichtung (44) der Sonde wird mit einem Multiplexer (52) verbunden, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. Unter Steuerung durch eine Datenakquisitions-Zentral­ prozessoreinheit (CPU 53) werden die jeweiligen Wandler­ elemente selektiv mit einem Pulsgenerator (54) und einem Empfänger (55) verbunden. In einem speziellen Referenzzeit­ punkt (t₀) wird der Pulsgenerator ausgelöst, um eine akustische Welle von einem Wandlerelementen zu erzeugen. Die akustische Welle wandert zu dem ebenen Target (51) und von diesem zurück innerhalb einer gewissen Zeitspanne 2R/v, wobei R der Abstand von der Oberfläche des Array (41) zum Target (51) ist und v die Schallgeschwindigkeit im Tankmedium (d. h. im Wasser) bedeutet. Diese feste Zeitspanne ist für alle Arrayelemente konstant. Jedes Wandlerelement weist jedoch noch infolge von Herstellungs­ toleranzen eine zusätzliche Zeitverzögerung e_n auf, die von Element zu Element verschieden sein kann.

Als nächstes wird der Zeitverzögerungsfehler bezüglich eines speziellen Elements (d. h. im vorliegenden Falle bezüglich des mittleren Elements) für die jeweiligen Elemen­ te bestimmt, indem die Echowellenform des betrachteten Elements mit der Echowellenform des speziellen Referenzele­ ments (also hier des mittleren Wandlerelements) durch Kreuzkorrelation verglichen wird. Das Signal vom mittleren Element wird hierzu zeitlich bezüglich des Signals von dem jeweils betrachteten Wandlerelement verschoben und für die jeweiligen Verschiebungswerte wird der Kreuzkorre­ lationskoeffizient berechnet. Der Verzögerungsfehler des im speziellen betrachteten Elements ist der Betrag, um den das Signal des Referenzelements beim Maximum des Korre­ lationskoeffizienten verschoben ist. Beispielsweise zeigt ein positiver Wert der Zeitverschiebung an, daß das Echo an einem betrachteten Wandlerelement nach dem Echo am mitt­ leren Element eintrifft, während ein negativer Wert bedeu­ tet, daß es vor dem Echo des mittleren Kanals oder Referenz­ elements eintrifft.

Die Datenakquisitions-CPU normiert vorzugsweise alle Zeit­ verzögerungswerte ein so, daß alle Korrekturwerte größer oder gleich 0 sind, um einen Zustand zu vermeiden, bei dem die Summe aus dem theoretischen Verzögerungswert und dem Korrekturwert negativ ist (d. h. daß man in der Zeit zurückgehen müßte). Vorzugsweise wird der negativste Ver­ zögerungsfehler (oder der kleinste positive Verzögerungs­ fehler, wenn keiner negativ ist) gleich 0 gesetzt und alle anderen Werte werden auf diesen bezogen. Die CPU (53) überträgt eine Verzögerungskorrekturkarte oder -liste an eine PROM-Einspeichervorrichtung (56), wie eine Einbrenn­ vorrichtung, um die Werte in einem PROM zu speichern, das dann z. B. im Griff (17) oder dem Anschlußteil (44) der Sonde montiert wird.

Bei Verwendung der in der oben beschriebenen Weise bestimm­ ten Zeitverzögerungsfehler-Korrekturwerte kann ein Ultra­ schallstrahl mit größerem Dynamikbereich und Signal/Rausch- Verhältnis gesendet und empfangen werden.

Die oben beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele lassen sich selbstverständlich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu über­ schreiten.

Claims (6)

1. Ultraschallwandlersonde, die austauschbar mit einem phasengesteuerten Ultraschallabbildungssystem gekoppelt ist, mit einem Array (11, 41) aus einer Vielzahl von Wandlerelementen (21 bis 25) und einer Leitungsanordnung zum elektrischen Verbinden der Wandlerelemente (21 bis 25) mit dem Ultraschallabbildungssystem, wobei der Ultraschallwandlersonde eine durch die Leitungsanordnung mit dem Ultraschallabbildungssystem koppelbare Speichereinrichtung (16; 42A; 42B) zum Speichern von einzelnen Korrekturwerten zugeordneten ist, mit denen jeweils die voneinander verschiedenen, den einzelnen Wandlerelementen (21 bis 25) fertigungsbedingt innewohnenden Verzögerungszeiten korrigiert werden.

2. Ultraschallwandlersonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung (16; 42A; 42B) einen programmierbaren Lesespeicher (PROM) enthält.

3. Ultraschallwandlersonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturwerte jeweils einen Zeitverzögerungsfehler bezüglich des Zeitverzögerungsfehlers eines bestimmten Wandlerelements (21 bis 25) darstellen.

4. Ultraschallwandlersonde nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Array (11; 41) ein lineares Phasenarray ist.

5. Ultraschallwandlersonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Sondenstruktur (43), welche das Array (41), die Speichereinrichtung (42A; 42B) und eine Verbindungsvorrichtung (44) enthält.

6. Verfahren zum Betrieb eines phasengesteuerten Ultraschallarraysystems, welches eine Ultraschallwandlersonde mit einem Array von Wandlerelementen, einzelne einem Wandlerelemente jeweils zugehörige Verzögerungselemente und ein Ultraschallabbildungssystem aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten

• a) vor Inbetriebnahme des Ultraschallsystems werden die einzelnen, jedem Wandlerelement fertigungsbedingt jeweils innewohnenden Zeitverzögerungsfehler bezüglich eines Referenzwertes ermittelt und aus jedem Zeitverzögerungsfehler wird zu dessen Kompensation der jeweils zugehörige Korrekturwert ermittelt,
• b) die Korrekturwerte werden in einer Speichereinrichtung gespeichert;
• c) eine Vielzahl von einzelnen, einem Wandlerelement jeweils zugeordneten theoretischen Verzögerungswerten wird bestimmt, die jeweils einem gewünschten Abtastvektorwinkel eines Ultraschallstrahls bezüglich des Arrays entspricht, und
• d) jeder theoretische Verzögerungswert wird mit dem Korrekturwert des jeweils zugehörigen Wandlerelements korrigiert.