DE4405504B4

DE4405504B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Abbilden eines Objekts mit einem 2-D-Ultraschallarray

Info

Publication number: DE4405504B4
Application number: DE4405504A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr. Bartelt; Ekkert Bartosch; Peter Dr. Krämmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-02-21
Filing date: 1994-02-21
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2014-02-22
Also published as: DE4405504A1; US5563346A

Abstract

Verfahren zum Abbilden eines Objekts mit Ultraschall mit Hilfe eines zweidimensionalen Arrays (2) von Wandlerelementen (E_ij), bei dem
a) Wandlerelemente (E_ij) des Arrays (2) für einen Sendemodus und einen darauf folgenden Empfangsmodus gruppenweise zu einer vorgegebenen Konfiguration von Unterarrays (G_k) zusammengeschaltet werden und
b) die Wandlerelemente (E_kl) jedes Unterarrays (G_k)
b1) im Sendemodus jeweils mit gleicher Zeitverzögerung angesteuert werden zum Senden eines auf das Objekt richtbaren Ultraschallstrahls sowie
b2) im Empfangsmodus den vom Objekt reflektierten Ultraschall in elektrische Empfangssignale umwandeln und gemeinsam ausgelesen werden, und bei dem
c) im Empfangsmodus ferner die jeweiligen gemeinsamen Empfangssignale jedes Unterarrays (G_k) einer Signalverarbeitung zugeführt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
d) mittels einer Konfigurationsänderung bei vorgegebener quantisierter Zeitverzögerung zwischen den einzelnen Unterarrays (G_k) ein in einem vorgegebenen Raumwinkel schwenkbarer Ultraschallstrahl erzeugt wird, wobei
d1) die entsprechenden Konfigurationen von Unterarrays (G_k) alle Wandlerelemente (E_ij) des Arrays (2) umfassen...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abbilden eines Objekts mit Ultraschall gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 5. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind beispielsweise aus "IEEE Transactions an Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control", Vol. 38, No. 2, March 1991, Seiten 100 bis 108 bekannt.
In der medizinischen Ultraschalldiagnostik wird ein Raumgebiet des menschlichen Körpers mit Ultraschallpulsen beschallt und aus den reflektierten Ultraschallechopulsen wird von einer Signalverarbeitungseinheit in einem Hauptgerät ein Ultraschallbild auf einem Monitor aufgebaut, das einem zweidimensionalen (2-D) Schnitt durch den Körper entspricht. Zum Senden und Empfangen der Ultraschallpulse werden bislang eindimensionale (1-D)-Phased-Arrays eingesetzt. Das sind Arrays von piezoelektrischen Wandlerelementen, die von einer elektronischen Steuereinheit mit vorgegebenen Zeitverzögerungen (oft als Phasenverzögerungen bezeichnet) angesteuert werden. Mit solchen zeitverzögert angesteuerten Arrays können in einer von der Normalen zur Arrayoberfläche und der Längsrichtung des Arrays aufgespannten Ebene schwenkbare und fokussierbare Ultraschallstrahlen gesendet und empfangen werden. Der relativ zur Normalen gemessene Schwenkwinkel für den Ultraschallstrahl ist im allgemeinen um so größer, je kleiner die Wandlerelemente sind. Der Abstand der Wandlerelemente wird im allgemeinen etwa gleich der Hälfte der Wellenlänge des Ultraschalls gewählt, um zusätzliche Beugungsmuster (Nebenkeulen) zu vermeiden, und beträgt beispielsweise bei einer Untersuchungsfrequenz von 3,5 MHz etwa 0,2 mm. Andererseits ist eine bestimmte Mindestlänge des Arrays erforder lich, um eine hinreichende Schallamplitude und ein genaues Fokussieren des Strahls zu erreichen. Aus diesen beiden Forderungen des maximalen Abstands der Wandlerelemente und der Mindestlänge des Arrays folgt eine Mindestanzahl von typischerweise 64 Wandlerelementen für das Array, die nicht unterschritten werden sollte.
Nun sind für die Diagnose neben den vorstehend beschriebenen bekannten 2-D-Schnittbildern dreidimensionale (3-D)-Ultraschallabbildungen besonders wertvoll. Es sind Prototypen von 3-D-Ultraschallabbildungssystemen bekannt mit einem 2-D-Wandlerarray, das als N×M-Matrix aus einzelnen, im allgemeinen rechteckigen Wandlerelementen aufgebaut ist. Steuert man nun diese Wandlerelemente mit entsprechend vorgegebenen Zeitverzögerungen an, so kann man im Gegensatz zu den 1-D-Arrays einen nicht nur in einer, sondern in zwei Winkelrichtungen schwenkbaren und fokussierbaren Ultraschallstrahl erzeugen und detektieren. Um einen hinreichend großen Raumwinkelbereich mit dem Ultraschallstrahl durchfahren zu können, müssen in Analogie zu den 1-D-Arrays wieder die Bedingungen eines Maximalabstandes von typischerweise etwa 0,2 mm der Wandlerelemente voneinander und einer Mindestfläche (Apertur) des 2-D-Arrays von typischerweise etwa 20 × 20 mm² bei einem quadratischen Array, d. h. N = M, und 3,5 MHz Untersuchungsfrequenz erfüllt sein. Damit ist eine Mindestanzahl von Wandlerelementen auch für das 2-D-Array erforderlich, die beispielsweise 64 × 64 = 4096 betragen kann.
Probleme bereiten bei einer so großen Anzahl von Wandlerelementen und den erforderlichen kleinen Abmessungen die Herstellung und Kontaktierung der Wandlerelemente und die zum Übertragen der Steuersignale und der Bildsignale erforderliche Anzahl von Steuer- bzw. Datenleitungen sowie die parasitären Kapazitäten der Datenleitungen. Es sind daher Wege gesucht worden, wie man die Anzahl der Wandlerelemente verrin gern kann, ohne die Strahlcharakteristik des 2-D-Arrays wesentlich zu verschlechtern.
Aus "IEEE Transactions an Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control", Vol. 38, No. 4, July 1991, Seiten 320 bis 333 ist eine Ultraschallwandlermatrix mit einer für die Kardiographie typischen quadratischen Apertur von 10 × 10 mm² bekannt. Die Wandlerelemente der Ultraschallwandlermatrix haben die Gestalt von Quadraten einer Seitenlänge von dem 0,35fachen der Wellenlänge des Ultraschalls und sind bezüglich ihrer Mittelpunkte äquidistant in einem Abstand von jeweils dem 0,45fachen der Wellenlänge zueinander angeordnet. Bei einer Wellenlänge von 0,33 mm lassen sich somit 65 × 65 = 4225 Wandlerelemente auf der Apertur von 10 × 10 mm² unterbringen. Da der Abstand der Wandlerelemente kleiner ist als die halbe Wellenlänge, sind Nebenkeulen in der Strahlcharakteristik dieser Wandlermatrix praktisch vollständig unterdrückt. Ausgehend von einer solchen Ausführungsform einer Ultraschallwandlermatrix mit quadratischer Apertur sind zwei Möglichkeiten angegeben, wie die Anzahl der Wandlerrelemente reduziert werden kann. Bei der ersten Möglichkeit werden die in den Ecken der Matrix liegenden Wandlerelemente entfernt, so daß ein Wandlerarray mit kreisförmiger Apertur mit einem der Seitenlänge des ursprünglichen Quadrats entsprechenden Durchmesser von 10 mm entsteht. Dadurch wird die ursprüngliche Anzahl von 4225 Wandlerelementen auf 3209 reduziert. Die Abstände der Wandlerelemente bleiben dabei gleich, so daß die Nebenkeulen weiterhin unterdrückt sind. Jedoch wird die Hauptkeule etwas breiter und damit die laterale Auflösung schlechter. Die zweite Möglichkeit besteht darin, aus dem Matrixarray durch eine statistische Auswahl Wandlerelemente zu entfernen. Dadurch vergrößert sich der mittlere Abstand der Wandlerelemente, und die Intensität der Nebenkeulen steigt mit abnehmender Anzahl von in dem Array verbliebenen Wandlerelementen. Außerdem sinkt die Leistung des Wandlerarrays.
Aus "IEEE Transactions an Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control", Vol. 38, No. 2, March 1991, Seiten 100 bis 108 ist ein Ultraschallabbildungssystem mit einem 2-D-Wanderarray mit 32 × 32 Wandlerelementen bekannt. Das 2-D-Wandlerarray ist über 32 mit jeweils einem Sendepulsgeber ausgestattete Sendekanale mit einer Steuereinheit für den Sendemodus und über 32 mit jeweils einem Vorverstärker versehene Empfangskanale mit einer Signalverarbeitungseinheit zum Bildaufbau auf einem Monitor verbunden. Es sind somit maximal 32 Wandlerelemente gemeinsam ansteuerbar oder auslesbar. Für das 2-D-Wandlerarray sind mittels Computersimulation einige unterbesetzte (undersampled) Ausführungsformen mit zwei voneinander unabhängigen Unterarrays von jeweils 32 Wandlerelementen für den Sendemodus bzw. den Empfangsmodus ermittelt worden. Das Empfangsunterarray ist dabei mit den Diagonalelementen der beiden Diagonalen des quadratischen Wandlerarrays gebildet. In der ersten Ausführungsform ist das Sendeunterarray kreuzförmig mit einer zentralen Zeile und einer zentralen Spalte des 2-D-Wandlerarrays gebildet und in einer zweiten Ausführungsform mit den inneren, zu einer annähernd kreisförmigen Apertur zusammengesetzten Wandlerelementen des 2-D-Arrays. Das Sendeunterarray und das Empfangsunterarray weisen räumlich unterschiedliche Nebenkeulen (off-axis energy) auf, wodurch die Dynamik des Ultraschallabbildungssystems verbessert werden soll. Bei dieser bekannten Ausführungsform sind jedoch die Freiheitsgrade bei der Bewegung des Ultraschallstrahls erheblich eingeschränkt. Außerdem ist die Anzahl der Wandlerelemente für praktische Anwendungen deutlich zu gering.
Aus der DE 30 19 409 A1 ist eine Ultraschall-Wandlermatrix bekannt, bei der die Wandlerelemente auf den beiden gegenüber liegenden Flachseiten der Matrix unterschiedlich, jedoch in fest vorgegebener Weise miteinander verschaltet sind. Auf einer Flachseite der Matrix sind zueinander parallele Reihen der Wandlerelemente angeordnet. Ein in einem Raumwinkelbereich schwenkbarer Ultraschallstrahl wird erzeugt, indem alle Matrixreihen mit einer linearen variablen Zeitverzögerung angesteuert werden. Der Schwenkwinkel wird dabei mit einer Veränderung der Größe der linearen Zeitverzögerung verändert.
Aus der DE 36 90 124 T1 ist eine Ultraschall-Abbildungseinrichtung bekannt, bei der ein Ultraschalltransducer zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen ausgestaltet ist. Dabei werden Echosignale aus einer Bereichszone, die relativ zum Transducer hinter seinem Brennpunkt liegt, von einem Integrierer integriert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abbilden eines Objekts mit Ultraschall mittels eines 2-D-Arrays anzugeben, bei denen die Anzahl der im Sendefall benötigten unterschiedlichen Zeitverzögerungen und der Einfluss parasitärer Kapazitäten auf die Empfangssignale im Empfangsfall deutlich verringert sind.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 8.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass zum Bewegen eines Ultraschallstrahls in einem Raumwinkel jeweils von einer Gruppe von Wandlerelementen des 2-D-Arrays gebildete Unterarrays jeweils mit gleicher Zeitverzögerung angesteuert werden können. Gemäß der Erfindung werden die Wandlerelemente des 2-D-Arrays gruppenweise zu einer vorgegebenen Konfiguration von Unterarrays zusammengeschaltet und die Wandlerelemente jedes Unterarrays werden im Sendemodus mit einer bestimmten Zeitverzögerung angesteuert und im Empfangsmodus gemeinsam ausgelesen. Dabei wird mittels einer Konfigurationsänderung bei vorgegebener quantisierter Zeitverzögerung zwischen den einzelnen Unterarrays ein in einem vorgegebenen Raumwinkel schwenkbarer Ultraschallstrahl erzeugt, wobei die entsprechenden Konfigurationen von Unterarrays alle Wandlerelemente des Arrays umfassen und die Konfigurationsänderung eine Änderung der Anzahl der mit gleicher Zeitverzögerung angesteuerten Wandlerelemente jedes Unterarrays umfasst. Vorzugs weise werden für den Empfangsmodus beim Auslesen die gleichen Zeitverzögerungen für die Unterarrays eingestellt wie für den Sendemodus. Durch die Zusammenfassung mehrerer Wandlerelemente erhält man de facto ein größeres effektives Wandlerelement, und die parasitären Kapazitäten der Signalleitungen bezogen auf das Gesamtsignal im Empfangsmodus werden verringert. Ferner kann die Anzahl der Zeitverzögerungen verringert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren
1 der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung zum Abbilden eines Objekts mit Ultraschall,
2 bis 4 zweidimensionale Ultraschallarrays der Vorrichtung mit in Abhängigkeit von der Richtung des abgestrahlten Ultraschallstrahls unterschiedlich zusammengeschalteten Unterarrays jeweils in einer Draufsicht und
5 und 6 zwei Ausführungsformen eines Schaltnetzwerkes zur Verschaltung der Wandlerelemente des Arrays schematisch dargestellt sind. Einander entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In dem Aufbau gemäß 1 umfaßt die Ultraschallabbildungsvorrichtung ein zweidimensionales Array 2 von Wandlerelementen E_ij, ein Schaltnetzwerk 3 und eine Einheit 4 zum zeitverzögerten Ansteuern der Wandlerelemente E_ij in einem Sendemodus zum Senden eines auf ein abzubildendes Objekt richtbaren Ultraschallstrahls und zur Signalverarbeitung von durch den vom Objekt reflektierten Ultraschall erzeugten Empfangssignalen der Wandlerelemente E_ij in einem Empfangsmodus. Der Index i läuft dabei von 1 bis M und der Index j von 1 bis N. Es sind nur das erste Wandlerelement E₁₁ und das letzte Wandlerelement E_MN des Arrays 2 dargestellt. Jedes Wandlerelement E_ij ist über wenigstens eine und im allgemeinen mehrere Verschaltungsleitungen SE_ij mit dem Schaltnetzwerk 3 verbunden. Das Array 2 ist zum Ansteuern und Auslesen seiner Wandlerelemente E_ij über eine Anzahl Q von Signalleitungen Z mit der Einheit 4 verbindbar. Das Schaltnetzwerk 3 ist in diese Signalleitungen Z zwischen das Array 2 und die Einheit 4 geschaltet und vermag aus der Gesamtheit der Signalleitungen Z durch Zusammenfassen eine geringere Anzahl K < Q von Signalleitungen Z_k zu bilden, über die das Array 2 im Betrieb dann nur noch mit der Einheit 4 verbunden ist.
Über die Verschaltungsleitungen SE_ij kann das Schaltnetzwerk 3 die Wandlerelemente E_ij zu in 1 nicht dargestellten Unterarrays G_k zusammenschalten. Die Zahl K der Unterarrays G_k mit 1 ≤ k ≤ K, ihre Verteilung über das gesamte Array 2 und die Anzahl L_k ≥ 1 der Wandlerelemente E_kl jedes Unterarrays G_k mit 1 ≤ l ≤ L_k sind unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Gesamtzahl M·N der Wandlerelemente E_ij des gesamten Arrays 2 dabei frei wählbar.
Vorzugsweise sind die einzelnen Unterarrays G_k zusammenhängend ausgebildet, d. h. zu jedem ihrer jeweiligen Wandlerelemente E_kl gibt es ein unmittelbar benachbartes Wandlerelement E_kl+1 desselben Unterarrays G_k.
Im Betrieb der Vorrichtung wird nun für einen Sendemodus und einen darauffolgenden Empfangsmodus eine bestimmte Konfiguration G₁ bis G_K von Unterarrays G_k hergestellt, d. h. es werden die Zahl K der Unterarrays G_k und ihre jeweiligen Wandlerelemente E_kl innerhalb des Arrays 2 festgelegt.
Im Sendemodus wird nun jedes Unterarray G_k von der Einheit 4 über die Signalleitungen Z_k mit gleicher Zeitverzögerung angesteuert. Damit werden alle Wandlerelemente E_kl jedes Unterarrays G_k zumindest annähernd zur gleichen Zeit zu Schwingungen angeregt. In der Überlagerung (Interference) aller Ultraschallwellen der einzelnen Wandlerelemente E_ij wird so im Sendemodus ein Ultraschallstrahl erzeugt, der auf ein abzubildendes Objekt richtbar ist und vorzugsweise auch fokussiert werden kann.
Dieselbe Konfiguration G₁ bis G_K wird auch für den darauffolgenden Empfangsmodus verwendet, bei dem die von dem Objekt reflektierten und auf das Array 2 auftreffenden Ultraschallwellen von den Wandlerelementen E_ij detektiert und in elektrische Empfangssignale umgewandelt werden. Die Empfangssignale aller Wandlerelemente E_kl jedes Unterarrays G_k werden auf jeweils eine Signalleitung Z_k geschaltet. Das Verhältnis der effektiven Wandlerkapazität zu der parasitären Kapazität der zugehörigen Signalleitung Z_k ist durch diese Maßnahmen wesentlich günstiger, d. h. größer, als bei einer einzelnen Verdrahtung jedes Wandlerelements E_ij mit jeweils einer zugehörigen Signalleitung Z. Dadurch werden die Empfangsempfind lichkeit und das Signal-Rausch-Verhältnis im Empfangsmodus deutlich gesteigert. Die Zahl aller Signalleitungen Z ist wenigstens so groß wie die Anzahl K von Unterarrays G_k, die während des Betriebs der Ultraschallabbildungsvorrichtung benötigt werden.
Durch die Anzahl K und die Lage der Unterarrays G_k innerhalb des Arrays 2 können die Strahleigenschaften des gesendeten Ultraschallstrahls gesteuert werden. Solche Strahleigenschaften sind beispielsweise die Ausrichtung des Strahls unter gewünschten Schwenkwinkeln gegen eine Referenzachse und die Fokussierung des Strahls auf einen Punkt in einem vorgegebenen Abstand vom Array 2. Die jeweilige Anzahl der in den Unterarrays G_k zusammengefaßten Wandlerelemente E_ij ist abhängig von einer Quantisierung der Zeitansteuerung.
Diese Zusammenhänge sollen anhand der Ausführungsbeispiele gemäß den 2 bis 4 nochmals verdeutlicht werden. Zu diesen Ausführungsbeispielen wurden für ein quadratisches Array 2 mit 64 × 64 Wandlerelementen E_ij, 220 μm Rastermaß, d. h. Abstand der Wandlerelemente E_ij zueinander, und 14 mm Seitenlänge bei einer vorgegebener Zeitquantisierung von 40 ns rechnerisch die Flächen A_k gleicher Zeitverzögerung (sog. Phasenflächen) des Arrays 2 ermittelt, die in ihrer Summe einen auf einen Fokuspunkt im Abstand von 50 mm von der Arraymitte fokussierten Ultraschallstrahl für unterschiedliche Richtungen erzeugen. Es sind eine von einem Eckpunkt des Arrays 2 entlang einer der Seitenkanten des Arrays 2 verlaufende Achse mit x und eine durch denselben Eckpunkt senkrecht zur x-Achse verlaufende Achse mit y bezeichnet.
In der Ausführungsform gemäß 2 sind die Flächen A_k gleicher Zeitverzögerung für einen auf der durch den Mittelpunkt des Arrays 2 verlaufenden Normalen zur Arrayoberfläche liegenden, zentralen Fokuspunkt berechnet worden. Der Azimutwinkel φ und der Elevationswinkel θ sind somit beide 0°. Der Azimutwinkel φ ist dabei definiert als Winkel zwischen der Flächennormalen zur Arrayoberfläche und der Projektion der Strahlrichtung des Ultraschallstrahls auf die von der Flächennormalen und der y-Achse aufgespannte Ebene, und der Ele vationswinkel θ ist definiert als Winkel zwischen der Flächennormalen und der Projektion der Strahlrichtung auf die von der Flächennormalen und der x-Achse aufgespannte Ebene. Es ergaben sich eine kreisscheibenförmige Zentralfläche A₁ mit dem Arraymittelpunkt als Mittelpunkt M und 15 konzentrisch um die Fläche A₁ liegende Kreisringe A₂ bis A₁₆, wobei die Differenz zwischen Außen- und Innenradius der Kreisringflächen A_k von zum Rand des Arrays 2 immer weiter abnimmt und der Rand des Arrays 2 die Grenze der Kreisringe bildet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist der Fokus des Ultraschallstrahls zum rechten Rand des Arrays 2 hin verschoben. Dies entspricht einem Azimutwinkel φ = 7,5° und einem Elevationswinkel θ = 0°. Die zentrale Fläche A₁ ist nun mitsamt den konzentrischen Kreisringen A_k mit k ≥ 2 zum Rand verschoben. Der gemeinsame Mittelpunkt M aller Flächen A_k liegt nun fast auf dem Rand des Arrays 2. Die Anzahl der wiederum nach außen dünner werdenden Kreisringe A₂ bis A₃₈ ist auf 37 gestiegen.
In der Ausführungsform gemäß 4 liegt der gemeinsame Mittelpunkt M der Flächen A_k gleicher Zeitverzögerung auf einer Ecke des Arrays 2. Die zentrale Fläche A₁ hat die Gestalt einer Viertelkreisscheibe. Hier sind es nun 58 weitere Kreisringe A₂ bis A₅₈ um die Fläche A₁. Diese Konfiguration der Phasenflächen A_k erzeugt einen Ultraschallstrahl mit einem Azimutwinkel φ = 7,5° und einem Elevationswinkel θ = 7,5°.
Eine Vergrößerung des Fokusabstandes und/oder eine feinere Zeitquantisierung führen in allen Ausführungsformen zu einer Zentralfläche A₁ mit einem kleineren Radius und entsprechend mehr und engeren Kreisringen A_k mit k > 1 um diese Zentral fläche A₁ und damit zu einer besseren Fokussierung auch im Bereich um den Mittelpunkt M.
Analoge Berechnungen zu unfokussierten Ultraschallstrahlen ergaben geradlinig begrenzte, parallele Flächen gleicher Zeitverzögerung. Es sind natürlich auch Mischformen mit Teilfokussierung und komplizierteren Flächenmustern möglich.
Ausgehend von der Beobachtung, daß sich beim Schwenken des Ultraschallstrahls in einem Raumwinkel immer Flächenkonfigurationen mit im allgemeinen zusammenhängenden Flächen ergeben, die mit gleicher Zeitverzögerung im Sendemodus angesteuert werden, werden nun die – in den 2 bis 4 nicht dargestellten – Wandlerelemente E_ij des Arrays 2 derart zu Unterarrays G_k zusammengeschaltet, daß jedes Unterarray G_k im wesentlichen innerhalb einer Fläche A_k gleicher Zeitverzögerung zu liegen kommt. Diese Flächen A_k gleicher Zeitverzögerung können vorab für die gewünschten Schwenkwinkel θ und φ und – falls gewünscht – auch für verschiedene Fokusabstände ermittelt werden. Je größer die Anzahl der Wandlerelemente E_ij und je feiner das Rastermaß, d. h. ihr Abstand zueinander, desto genauer lassen sich die Unterarrays G_k in die Flächen A_k einpassen (fitting). Der Abstand der Wandlerelemente E_ij ist dabei abhängig von der Wellenlänge des abgestrahlten Ultraschalls und beträgt beispielsweise bei 3,5 MHz etwa 200 μm. Die Abmessungen der Wandlerelemente E_ij hängen idealerweise ab von dem gewünschten Raumwinkel für den Ultraschallstrahl und betragen bei ±45° Schwenkwinkel bezogen auf die Flächennormale in allen Richtungen etwa 200 × 200 μm² für quadratische Wandlerelemente E_ij.
Die 5 zeigt eine mögliche Verschaltung der Wandlerelemente E_ij des Arrays 2 anhand eines Randausschnittes des Ultraschallarrays 2 aus 4 im Bereich der Ecke mit dem Mittelpunkt M der Phasenflächen A_k. Das Array 2 ist als Matrix ausgebildet, in der die Wandlerelemente E_ij zeilen- und spaltenweise angeordnet sind. In den Zeilen und den Spalten der Matrix sind zwischen benachbarten Wandlerelementen E_ij und E_ij+1 bzw. E_ij und E_i+1j jeweils ein Schalter S geschaltet. Bei einem N×N-Array 2 sind somit 2N²–2N Schalter S notwendig. Die Schalter S sind in einer bevorzugten Ausführungsform in einem Backing für das Array 2 integriert, so daß das Schaltnetzwerk 3 und das Array 2 eine Baueinheit bilden. Die Schaltleitungen SE_ij zwischen den Wandlerelementen E_ij und den mit ihnen elektrisch verbundenen Schaltern S sind dann besonders kurz und haben damit eine kleinere Kapazität. Die Schalter S bilden einen Teil des Schaltnetzwerkes 3.
Über Steuerleitungen C werden die Schalter S nun so angesteuert, daß sie die Wandlerelemente E_ij des Arrays 2 gruppenweise zu Unterarrays G_K verbinden. Die Anzahl dieser Steuerleitungen C ist mit 2N²–2N zwar vergleichsweise hoch, doch müssen nur digitale Steuersignale zum Schalten übertragen werden, die bezüglich Dynamik, Frequenzbereich und Signal-Rausch-Verhältnis vergleichsweise robust sind. Die Ansteuerung der Schalter S kann mit Hilfe einer Look-up-Table erfolgen. Es sind nur zwei Unterarrays G₁ und G₂ dargestellt. Das Unterarray G₁ entspricht im wesentlichen der Fläche A₁ und das Unterarray G₂ im wesentlichen der Fläche A₂ der Ausführungsform gemäß 4, wobei die Zahl der Wandlerelemente E_kl jedes Unterarrays G_k zur besseren Übersichtlichkeit in 5 verringert wurde. Bei einer maßstäblichen Übertragung des Randausschnitts von 4 ergäbe sich noch eine wesentlich bessere Anpassung der Unterarrays G_k an die idealen Flächen A_k.
Jedes Unterarray G_k wird nun vorzugsweise über ein Randelement des Arrays 2 im Sendemodus angesteuert und im Empfangsmodus ausgelesen. Die Randelemente E₁₁ bis E_1N, E₂₁ bis E_N1, E_N2 bis E_NN und E_2N bis E_N–1N des Arrays 2 sind dazu jeweils mit einer Signalleitung Z kontaktiert. In der dargestellten Ausführungsform wird ein mit 10 bezeichnetes Randelement für das Unterarray G₁ und ein mit 20 bezeichnetes Randelement für das Unterarray G₂ vorgesehen. Ein nicht dargestellter weiterer Teil des Schaltnetzwerkes 3 wählt aus den im Falle des quadratischen Arrays 2 im allgemeinen 4(N – 1) und bei 64 × 64 Wandlerelementen E_ij 252 Signalleitungen lediglich K = 59 Signalleitungen Z_k zum zeitverzögerten Ansteuern aller Wandlerelemente E_ij des Arrays 2 aus. Bei einer Ausführungsform gemäß 2 oder 3 mit einem Schaltnetzwerk 3 gemäß 5 ist die Zahl K der ausgewählten Signalleitungen Z_k mit 16 bzw. 38 bei der dort vorgegebenen Quantisierung und Fokussierung sogar noch geringer.
Bei kleinen Schwenkwinkeln θ und φ ergeben sich zentrale Unterarrays G_K, beispielsweise G₁ bis G₂ entsprechend den Flächen A_l bis A₇ im Ausführungsbeispiel gemäß 2 mit θ = φ = 0°, die den Rand des Arrays 2 nicht berühren. Will man auch diese Unterarrays G₁ bis G₇ vom Rand her ansteuern, so kann man einen durchgehenden Verbindungspfad über nicht in der Fläche A_k liegende Wandlerelementen E_ij, beispielsweise in einer Zeile oder einer Spalte der Matrix, bis zu einem Randelement des Arrays 2 schalten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Array 2 aus kleineren Arrays mit kontaktierten Randelementen aufzubauen, beispielsweise das quadratische Array 2 in vier Quadranten bezüglich seines Mittelpunktes zu zerlegen. Jedes zusammenhängende Unterarray G_k kann dann aus vier Teilen in den jeweiligen Quadranten zusammengesetzt werden.
In 6 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung dargestellt. Das Schaltnetzwerk 3 umfaßt in dieser Ausführungsform für jedes Wandlerelement E_ij des Arrays 2 eine Anzahl Q von einzelnen Schaltern S'_ij, über die jedes Wandlerelement E_ij mit jeder der Q Signalleitungen Z zwischen dem Schaltnetzwerk 3 und der nicht dargestellten Einheit 4 verbunden werden kann. Die Schalter S'_ij sind dazu jeweils mit einer Verschaltungsleitung SE_ij elektrisch verbunden, die ihrerseits mit dem entsprechenden Wandlerelement E_ij kontaktiert ist. Die Gesamtzahl der Schalter S'_ij ist bei einem solchen Schaltnetzwerk 3 gleich der Anzahl Q der Signalleitungen Z multipliziert mit der Gesamtzahl der Wandlerelemente E_ij des Arrays 2. Jeder Schalter S'_ij ist über eine nicht dargestellte Steuerleitung anzusteuern. Ein derart aufgebautes Schaltnetzwerk 3 wird vorzugsweise zusammen mit der Einheit 4 als Baueinheit integriert.
Das Schaltnetzwerk 3 kann in allen Ausführungsformen sowohl mit der Einheit 4 als auch mit dem Array 2 baulich integriert werden. Außerdem kann das Schaltnetzwerk 3 auch als beispielsweise steckbares Schaltmodul zwischen dem 2-D-Array 2 und einem konventionellen Ultraschallgerät mit einer verglichen mit der Zahl der Wandlerelemente E_ij des Arrays 2 kleinen Zahl von Sende- und Empfangskanälen als Einheit 4 verwendet werden.
Die Ausgestaltung des Schaltnetzwerkes 3 zur Verschaltung der Unterarrays G_k ist dabei nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen beschränkt.

Claims

Verfahren zum Abbilden eines Objekts mit Ultraschall mit Hilfe eines zweidimensionalen Arrays (2) von Wandlerelementen (E_ij), bei dem a) Wandlerelemente (E_ij) des Arrays (2) für einen Sendemodus und einen darauf folgenden Empfangsmodus gruppenweise zu einer vorgegebenen Konfiguration von Unterarrays (G_k) zusammengeschaltet werden und b) die Wandlerelemente (E_kl) jedes Unterarrays (G_k) b1) im Sendemodus jeweils mit gleicher Zeitverzögerung angesteuert werden zum Senden eines auf das Objekt richtbaren Ultraschallstrahls sowie b2) im Empfangsmodus den vom Objekt reflektierten Ultraschall in elektrische Empfangssignale umwandeln und gemeinsam ausgelesen werden, und bei dem c) im Empfangsmodus ferner die jeweiligen gemeinsamen Empfangssignale jedes Unterarrays (G_k) einer Signalverarbeitung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass d) mittels einer Konfigurationsänderung bei vorgegebener quantisierter Zeitverzögerung zwischen den einzelnen Unterarrays (G_k) ein in einem vorgegebenen Raumwinkel schwenkbarer Ultraschallstrahl erzeugt wird, wobei d1) die entsprechenden Konfigurationen von Unterarrays (G_k) alle Wandlerelemente (E_ij) des Arrays (2) umfassen und d2) die Konfigurationsänderung eine Änderung der Anzahl (L_k) der mit gleicher Zeitverzögerung angesteuerten Wandlerelemente (E_kl) jedes Unterarrays (G_k) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Unterarrays (G_k) zusammenhängende Phasenflächen (A_k) ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jede Konfiguration von Unterarrays (G_k) eine zentrale Phasenfläche (A₁) und wenigstens eine konzentrisch um die zentrale Phasenfläche (A₁) angeordnete ringförmige Phasenfläche (A_k, mit k ≥ 2) ausbildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die jeweiligen Konfigurationen von Unterarrays (G_k) so gesteuert werden, dass ein fokussierter Ultraschallstrahl erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle Wandlerelemente (E_kl) wenigstens eines Unterarrays (G_k) zumindest mittelbar miteinander elektrisch verbunden werden und wenigstens ein Wandlerelement (10, 20) unmittelbar auf eine Signalleitung (Z₁, Z₂) für das gesamte Unterarray (G₁, G₂) geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem alle Wandlerelemente (E_kl) wenigstens eines Unterarrays (G_k) unmittelbar auf die Signalleitung (Z_k) geschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem als unmittelbar auf die Signalleitung (Z₁, Z₂) schaltbares Wandlerelement (10, 20) ein Randelement des Arrays (2) verwendet wird.
Vorrichtung zum Abbilden eines Objekts mit Ultraschall mit a) einem zweidimensionalen Array (2) von Wandlerelementen (E_ij) und b) einer mit den Wandlerelementen (E_ij) des Arrays (2) über ein Schaltnetzwerk (3) elektrisch verbindbaren Einheit (4), bei der c) das Schaltnetzwerk (3) in einem Sendemodus und einem anschließenden Empfangsmodus Wandlerelemente (E_kl) des Arrays (2) zu einer vorgegebenen Konfiguration von Unterarrays (G_k) zusammenschaltet und d) die Einheit (4) d1) die Wandlerelemente (E_kl) jedes Unterarrays (G_k) im Sendemodus mit gleicher Zeitverzögerung ansteuert zum Erzeugen eines auf das Objekt richtbaren Ultraschallstrahls und im Empfangsmodus gemeinsam ausliest sowie d2) die jeweiligen gemeinsamen Empfangssignale aller Unterarrays (G_k) auswertet, dadurch gekennzeichnet, dass e) mittels des Schaltnetzwerks (3) jeweils alle Wandlerelemente (E_ij) des Arrays (2) zu der entsprechenden Konfiguration der Unterarrays (G_k) zusammenschaltbar sind, wobei f) mittels einer Änderung der Anzahl (L_k) der mit gleicher Zeitverzögerung angesteuerten Wandlerelemente (E_kl) jedes Unterarrays (G_k) bei quantisierter Zeitverzögerung zwischen den einzelnen Unterarrays (G_k) ein in einem vorgegebenen Raumwinkel schwenkbarer Ultraschallstrahl erzeug bar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Unterarrays (G_k) zusammenhängende Phasenflächen (A_k) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der jede Konfiguration von Unterarrays (G_k) eine Zentralfläche (A₁) und wenigstens eine konzentrisch um die Zentralfläche angeordnete ringförmige Fläche (A_k, mit k ≥ 2) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die jeweiligen Konfigurationen von Unterarrays (G_k) so steuerbar sind, dass ein fokussierter Ultraschallstrahl erzeugbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der das Schaltnetzwerk (3) zwischen die Wandlerelemente (E_ij) des Arrays (2) geschaltete Schalter (S) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der a) das Schaltnetzwerk (3) und die Einheit (4) über Signalleitungen (Z) elektrisch verbunden sind und b) das Schaltnetzwerk (3) zwischen die Wandlerelemente (E_ij) des Arrays (2) und die Signalleitungen (Z) geschaltete Schalter (S') umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei der das Schaltnetzwerk (3) und das Array (2) eine Baueinheit bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei der das Schaltnetzwerk (3) mit der Einheit (4) eine Baueinheit bildet.