DE4438672C2

DE4438672C2 - Ultraschallabbildungssystem mit phasengesteuertem Array und dynamischer Höhenfokussierung

Info

Publication number: DE4438672C2
Application number: DE4438672A
Authority: DE
Inventors: Stephen M Grenon; Gregory G Vogel
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1994-02-22
Filing date: 1994-10-28
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2014-10-29
Also published as: GB9503497D0; US5349262A; DE4438672A1; JPH07270522A; GB2286676B; GB2286676A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Ultraschallabbildungssy steme, die eine Strahlsteuerung und -Fokussierung mit pha sengesteuertem Array verwenden, und insbesondere auf eine Ultraschallwandlerkonfiguration, die eine dynamische Höhen fokussierung, ebenso wie eine dynamische Fokussierung in der lateralen Richtung erleichtert.

Bei einem Ultraschallabbildungssystem mit phasengesteuertem Array umfaßt ein Ultraschallwandler ein Array von Wandler elementen. Das System schließt einen Mehrkanalsender und ei nen Mehrkanalempfänger, die mit dem Wandler verbunden sind, ein. Jeder Sendekanal veranlaßt ein ausgewähltes Wandler-Ar rayelement, einen Ultraschallimpuls in ein Objekt, das abge bildet wird, typischerweise den menschlichen Körper, zu sen den. Die gesendete Ultraschallenergie wird durch Anlegen ge eigneter Verzögerungen an die Impulse, die von jedem Wand ler-Arrayelement gesendet werden, gesteuert und fokussiert, so daß sich die gesendete Energie sich an einem gewünschten Brennpunkt konstruktiv überlagert. Die Ultraschallenergie wird durch verschiedene Strukturen und Gewebe in dem Körper teilweise zu dem Wandlerarray zurückreflektiert.

Die Steuerung und Fokussierung der empfangenen Ultraschall energie wird auf eine umgekehrte Art und Weise bewirkt. Die von einem Objekt oder einer Struktur reflektierte Ultra schallenergie erreicht die Arrayelemente zu unterschiedli chen Zeiten. Die empfangenen Signale werden in getrennten Empfangskanälen verstärkt und verzögert und danach in einer Empfangsstrahlbildungseinrichtung summiert, um einen Emp fangsstrahl zu bilden. Die Verzögerung für jeden Kanal wird derart ausgewählt, daß der Empfangsstrahl in einen gewünsch ten Winkel gesteuert und auf eine gewünschte Tiefe fokus siert wird. Die Verzögerungen müssen dynamisch variiert wer den, um den Strahl auf fortschreitend zunehmende Tiefen ent lang einer Abtastlinie zu fokussieren, während die Ultra schallenergie empfangen wird. Der gesendete Strahl wird ab tastmäßig über eine Region des Körpers bewegt, und die Si gnale, die von der Strahlbildungseinrichtung erzeugt werden, werden verarbeitet, um eine Abbildung der Region zu erzeu gen.

Um eine Abbildung höchster Qualität zu erhalten, sollten so wohl der Sendestrahl als auch der Empfangsstrahl auf jeden Punkt in dem Bereich, der abgebildet wird, fokussiert sein. Jedoch wäre die erforderliche Zeit, um eine Abbildung auf diese Art und Weise zu erhalten, untragbar. Bei den meisten bekannten Systemen ist der Sendestrahl typischerweise auf eine einzige Brennweite fokussiert, während der Empfangs strahl nur in Azimutrichtung, der Richtung, die senkrecht zu den Einteilungen zwischen den Elementen des Wandlerarrays ist, dynamisch fokussiert ist. Sowohl für den Sende- als auch den Empfangs-Strahl wird die Höhenfokussierung durch eine Ultraschall-Linse, die auf dem Wandler befestigt ist, erreicht. Folglich ist der Sendestrahl an Punkten, die aus dem Sendebrennpunkt verschoben sind, nicht im Brennpunkt. Der Empfangsstrahl ist mit Ausnahme des festen Brennpunkts in der Höhenrichtung nicht im Brennpunkt. Diese Faktoren bewirken, daß Teile der Abbildung, die aus den Brennpunkten verschoben sind, eine schlechtere Qualität aufweisen.

Die U.S.-Patente Nr. 4,359,767 und 4,670,683 offenbaren Ultraschallwandler mit Reihen und Spalten von Wandlerelemen ten. Die offenbarten Wandlerkonfigurationen sind dazu be stimmt, eine Höhenfokussierung bei unterschiedlichen Tiefen zu ermöglichen.

Der U.S.-PS 5 349 262 der Anmelderin der vorliegen den Anmeldung offenbart einen Ultraschallwandler mit Reihen und Spalten von Wandlerelementen. Zwei oder mehr Ultra schallimpulse werden mit dem gleichen Steuerwinkel gesendet, jedoch mit unterschiedlichen Brennweiten. Die empfangenen Signale in der Region jedes Sendebrennpunkts werden "zusam mengefügt", um mit jedem Steuerwinkel eine einzelne Emp fangslinie zu bilden. Die gesendeten Impulse sind durch Er regen unterschiedlicher Wandlerelemente mit unterschiedli chen Brennweiten sowohl in Höhenrichtung als auch in Azimut richtung fokussiert.

Die DE 33 04 666 C2 betrifft einen Ultraschallwandler mit Ab stufung, der einen linearen phasengesteuerten Ultraschall- Reihenwandler mit X- und Y-Achsenabstufung umfaßt. Der Ul traschallwandler bewirkt eine Unterdrückung der Nebenlappen des Strahlprofils in die X- und die Y-Achse. Dieser Ultra schallwandler umfaßt Wandlerelemente, die unterschiedliche Elementlängen haben.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ultra schallabbildungssystem zu schaffen, bei dem sowohl der Sen destrahl als auch der Empfangsstrahl in Höhe und Azimut fo kussiert sind.

Diese Aufgabe wird durch einen Ultraschallwandler mit pha sengesteuertem Array gemäß Patentanspruch 1, sowie einem Ultraschallscanner mit phasengesteuertem Array gemäß Patent anspruch 5 und Patentanspruch 10 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A eine schematische Draufsicht eines Ultraschallwand lers mit phasengesteuertem Array gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 1B eine schematische Draufsicht eines Ultraschallwand lers mit phasengesteuertem Array gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 die Nah- und Fern-Feldöffnungen und die entsprechen den Strahlmuster in der Höhenrichtung für den Ultra schallwandler von Fig. 1A;

Fig. 3 einen Graph, der die Kompensation der lateralen Apo disierung des Ultraschallwandlers von Fig. 1A zeigt;

Fig. 4 einen Graph, der das Apodisierungsprofil des Ultra schallwandlers von Fig. 1A in Höhenrichtung zeigt.

Fig. 5 einen Graph der gemessenen Strahlfläche als eine Funktion der Tiefe für den Ultraschallwandler von Fig. 1B und für einen bekannten Ultraschallwandler;

Fig. 6 ist eine auseinandergezogene Ansicht des Ultra schallwandlers von Fig. 1A, die ein Beispiel einer geeigneten Herstellungstechnik zeigt;

Fig. 7 ein Blockdiagramm eines Ultraschallabbildungssystems mit phasengesteuertem Array, das die vorliegende Er findung verkörpert;

Fig. 8 eine schematische Draufsicht einer Öffnung eines Ul traschallwandlers mit phasengesteuertem Array gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 9 eine schematische Draufsicht einer Öffnung eines phasengesteuerten Ultraschallwandlers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1A ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers mit phasengesteuertem Array 10 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Wandler 10 wird typischerweise sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Ultraschallenergie verwendet. Der Wandler schließt eine Mehrzahl von Wandlerelementen 121, 122, . . . 12 _N ein. Die Wandlerelemente 12₁, 12₂, . . . 12 _N sind in einer lateralen Richtung nebeneinander angeordnet, um ein Array zu bilden, wie in Fig. 1A gezeigt ist. Wie gezeigt ist, ist die late rale Richtung die Richtung, die senkrecht zu den Untertei lungen zwischen den Wandlerelementen ist. Die Anzahl N der Wandlerelemente hängt von der Anwendung ab, liegt jedoch typischerweise in einem Bereich von etwa 64 bis 256. Im Gegensatz zu Höhenfokussierungstransistoren, die eine Spalte von Wandlerelementen an jedem Ort entlang der lateralen Achse einschließen, umfaßt der Wandler 10 der vorliegenden Erfindung nur einen einzelnen Wandler an jedem Ort entlang der lateralen Achse.

Die Wandlerelemente 12₁, 12₂, . . . 12 _N sind typischerweise durch Teilen eines Wandlersubstrats in eine Mehrzahl von Elementen gebildet. Das Teilen des Wandlers in Elemente kann durch Vorsehen ordnungsgemäß segmentierter Elektroden für einen Einheitsblock des Wandlermaterials erreicht werden. Andernfalls können die Elemente durch Einkerben oder ander weitiges Bilden einzelner Wandlerelemente unter Verwendung bekannter Verfahren gebildet werden. Techniken zum Herstel len von Ultraschallwandlern mit phasengesteuertem Array sind in der Technik allgemein bekannt und werden nicht detail liert beschrieben, mit Ausnahme der Merkmale, die nur die vorliegende Erfindung betreffen.

Gemäß der Erfindung weist der Wandler 10 eine Öffnungsform auf, die beim Ultraschallabbilden mit phasengesteuertem Ar ray einen sehr vorteilhaften Betrieb liefert. Die Öffnung ist die Fläche des Wandlers 10, durch die Ultraschallenergie gesendet und empfangen wird. In dem Wandler 10, der in Fig. 1A gezeigt ist, ist eine Öffnung 14 durch eine linke Grenze 16, eine rechte Grenze 18, eine obere Grenze 20 und eine un tere Grenze 22 definiert. Die linke Grenze 16 und die rechte Grenze 18 sind typischerweise gerade Linien. Die obere und die untere Grenze 20 und 22 sind derart konfiguriert, daß eine Höhe h der Öffnung 14 zwischen dem Mittelpunkt 30 und den Enden 32 und 34 der Öffnung 14 zunimmt. Die Höhe h ist die Abmessung der Öffnung 14 in einer Höhenrichtung, die senkrecht zu der lateralen Richtung ist.

Der Wandler 10, der in Fig. 1A gezeigt ist, ist aufgrund seiner Ähnlichkeit mit einer Fliege als "Fliegen"-Wandler bekannt. Über dem Wandler 10 ist vorzugsweise eine Ultra schall-Linse (nicht gezeigt) angeordnet. Die Ultraschall- Linse wird verwendet, um in der Höhenrichtung eine feste Fokussierung zu liefern, und besitzt in der Höhenrichtung typischerweise einen konvexen Querschnitt. Ultraschallener gie wird durch die Öffnung 14 oder einen Abschnitt der Öff nung 14 gesendet und empfangen. Eine Region 36 des Wandlers 10 über der oberen Grenze 20 und eine Region 38 unter der unteren Grenze 22 senden und empfangen nur wenig oder keine Ultraschallenergie. Im Prinzip könnten die Regionen 36 und 38 von dem Wandler 10 entfernt werden. Jedoch verwendet der Wandler 10 bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein rechteckiges Array von Wandlerelementen, wobei die Regionen 36 und 38 von einem Blockiermaterial bedeckt sind, um das Senden und den Empfang von Ultraschallenergie zu verhindern. Die Verwendung des Blockiermaterials ist detaillierter nach folgend erörtert.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1A nimmt die Höhe h kontinuierlich zwischen dem Mittelpunkt 30 und jedem Ende 32, 34 der Öffnung 14 zu. Die obere Grenze 20 und die untere Grenze 22 der Öffnung 14 können z. B. Segmente eines Kreisbo gens sein. Ein zweites Ausführungsbeispiel des Wandlers ge mäß der Erfindung ist in Fig. 1B gezeigt. Ein Wandler 10′ besitzt eine Öffnung 14′, die durch eine linke Grenze 16, eine rechte Grenze 18, eine obere Grenze 20′ und eine untere Grenze 22′ definiert ist. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1B umfassen die obere und die untere Grenze 20′ und 22′ einen gekrümmten Abschnitt 21 in der Nähe des Mittelpunkts der Öffnung 14′, in dem die Höhe der Öffnung 14′ mit zuneh mender Entfernung vom Mittelpunkt des Wandlers zunimmt, und Abschnitte 23 mit einer konstanten Höhe in der Nähe der En den der Öffnung 14′. Bei einem bevorzugten Ausführungsbei spiel ist der gekrümmte Abschnitt 21 ein Segment eines Kreisbogens. Vier bis sechs Wandlerelemente in der Nähe je des Endes der Öffnung 14′ besitzen die volle Höhe.

Bei einem Beispiel des Fliegen-Wandlers war die Wandleröff nung wie in Fig. 1B gezeigt geformt. Der Wandler bei diesem Beispiel besitzt 96 Elemente, wobei die Öffnungsabmessung in der lateralen Richtung 20.5 mm beträgt. Die Höhe h ändert sich von 8 mm am Mittelpunkt der Öffnung 14 auf 12 mm an de ren Enden.

Weitere Ausführungsbeispiele des Wandlers der Erfindung sind in den Fig. 8 und 9 gezeigt und nachfolgend beschrieben. Das Ausführungsbeispiel von Fig. 8 besitzt einen gestuften Aufbau, während das Ausführungsbeispiel von Fig. 9 eine li neare Änderung der Höhe aufweist.

Im allgemeinen können die obere Grenze 20 und die untere Grenze 22 der Wandleröffnung eine beliebige gewünschte Form aufweisen, die an den Enden des Wandlers eine größere Höhe erzeugen als am Mittelpunkt. Außerdem können die obere und die untere Grenze unterschiedliche Formen aufweisen. Folg lich können die obere und die untere Grenze der Wandleröff nung gekrümmt, linear, gestuft und Kombinationen derselben sein. Außerdem können Abschnitte der Wandleröffnung eine konstante Höhe aufweisen. Die Form der Öffnung ist gewählt, um gewünschte Strahlformen bei interessierenden Betriebs tiefen zu erzeugen.

Beim Senden und Empfangen von Ultraschallenergie ist es mög lich, nur einen Teil der vollen Wandleröffnung zu verwenden, wie nachfolgend beschrieben ist. Dies wird erreicht, indem nur ausgewählte Wandlerelemente aktiviert werden. Um Verwir rung zu vermeiden, wird der Ausdruck "aktive Sendeöffnung" verwendet, um den Abschnitt der Wandleröffnung zu bezeich nen, der zum Senden von Ultraschallenergie verwendet wird. Der Ausdruck "aktive Empfangsöffnung" wird verwendet, um den Abschnitt der Wandleröffnung zu bezeichnen, der zum Empfan gen von Ultraschallenergie verwendet wird.

Der Betrieb des Ultraschallwandlers der Erfindung ist nach folgend bezugnehmend auf Fig. 1A erörtert. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß die Erörterung ebenfalls für die Aus führungsbeispiele der Fig. 1B, 8 und 9 gilt.

Der Betrieb des Fliegen-Wandlers ist bezugnehmend auf Fig. 2 dargestellt, die die Öffnung 14 des Wandlers 10 zeigt. Ul traschallenergie wird durch eine aktive Sendeöffnung gesen det, die alle oder nur einige der Wandlerelemente einschlie ßen kann. Ähnlich kann eine aktive Empfangsöffnung zum Emp fangen von Ultraschallenergie alle oder ausgewählte der Wandlerelemente einschließen. Da alle Wandlerelemente Ultra schallenergie empfangen, wird die aktive Empfangsöffnung durch Dämpfen oder Aufhalten der empfangenen Signale von Wandlerelementen außerhalb der aktiven Empfangsöffnung de finiert.

Der Betrieb des Wandlers 10 ist wie folgt. Eine ausgewählte Gruppe von Wandlerelementen sendet Ultraschallenergie in ein Objekt, das abgebildet wird. Speziell sendet jedes ausge wählte Wandlerelement einen Ultraschallimpuls. Die gesendete Ultraschallenergie wird durch Anlegen geeigneter Verzögerun gen an die Impulse, die von den Wandlerelementen gesendet werden, gesteuert und fokussiert, so daß sich die gesendete Energie bei gewünschten Brennweiten konstruktiv überlagert. Die Ultraschallenergie wird durch verschiedene Strukturen und Gewebe in dem Körper teilweise zu dem Wandler zurückre flektiert.

Der Empfang der Ultraschallenergie unter Verwendung von dy namischer Empfangsfokussierung ist in Fig. 2 dargestellt. Nach dem Senden der Ultraschallenergie empfängt der Wandler 10 reflektierte Ultraschallenergie von zunehmend anwachsen den Tiefen. Wie nachfolgend beschrieben wird, wird der Emp fangsstrahl in zunehmend anwachsenden Tiefen entlang einer gewünschten Abtastlinie sowohl in der lateralen Richtung als auch in der Höhenrichtung dynamisch fokussiert. Anfangs wird eine aktive Nahfeld-Empfangsöffnung 40, die eine ausgewählte Anzahl von Wandlerelementen einschließt, in der Nähe der Mitte der Öffnung 14 zur Nahfeld-Fokussierung verwendet. Die Nahfeldöffnung 40 kann z. B. etwa die Hälfte oder die gesamte Anzahl der Wandlerelemente einschließen. Die Nahfeldöffnung 40 besitzt eine wirksame Höhe, die relativ gering ist, da nur die Wandlerelemente in der Nähe der Mitte der Öffnung 14 in die Nahfeldöffnung 40 eingeschlossen sind. Obwohl sich die Höhe über der Breite der Nahfeldöffnung 40 etwas ändert, kann eine wirksame Höhe, die zwischen der maximalen und der minimalen Höhe liegt, definiert werden. Die Nahfeldöffnung 14 erzeugt ein Empfangsstrahlmuster 46, wie in Fig. 2 ge zeigt ist, in der Höhenrichtung mit einem flachen Brennpunkt 48 und einer schnellen Divergenz über den Brennpunkt 48 hi naus. Wenn jedoch Ultraschallenergie aus Tiefen, die dem Brennpunkt 48 entsprechen, empfangen wird, ist der Empfangs strahl fokussiert und im Nahfeld wird eine Abbildung hoher Qualität erhalten.

Die aktive Empfangsöffnung wird mit der Zeit von der Nah feldöffnung 40 zu einer aktiven Fernfeld-Empfangsöffnung vergrößert, die die gesamte Öffnung 14 oder weniger als die gesamte Öffnung 14 einschließen kann. Die aktive Empfangs öffnung wird durch aufeinanderfolgendes Hinzufügen von Wandlerelementen zu der Öffnung dynamisch vergrößert. Ein Zwischenstrahlmuster 57, während die Öffnung anwächst, ist durch die gestrichelten Linien in Fig. 2 gezeigt. Während die Breite der aktiven Empfangsöffnung vergrößert wird, ver größert sich wegen der Form der Öffnung 14, die oben be schrieben ist, auch die wirksame Höhe. Die Vergrößerung der wirksamen Höhe der aktiven Empfangsöffnung bewirkt, daß der Brennpunkt in der Höhenrichtung tiefenmäßig zunimmt. Ein Empfangsstrahlmuster 54 in der Höhenrichtung für die Fern feldöffnung 14 ist in Fig. 2 gezeigt. Die Fernfeldöffnung 14 besitzt einen relativ tiefen Brennpunkt 56. Das Empfangs strahlmuster 54 divergiert bei Brennweiten über den Brenn punkt 56 hinaus relativ langsam. Folglich kann die Fern feldöffnung 14 für Brennweiten bei oder über die Tiefe des Brennpunktes 56 hinaus verwendet werden. Es ist zu sehen, daß die Höhe des Strahlmusters 54 bei einer Tiefe, die dem Brennpunkt 48 entspricht, relativ groß ist. Folglich würde das Empfangsstrahlmuster beim Fehlen der dynamischen Höhen fokussierung bei flachen Tiefen nicht fokussiert sein, und die Abbildungsqualität würde verschlechtert sein.

Die dynamische Höhenfokussierung wurde oben in Verbindung mit der Fliegen-Wandlerkonfiguration beschrieben. Die dyna mische Höhenfokussierung findet aufgrund der Veränderung der wirksamen Höhe des Wandlers statt, während die Breite der aktiven Empfangsöffnung erhöht wird. Es ist offensichtlich, daß die dynamische Empfangsfokussierung in lateraler und in der Höhen-Richtung gleichzeitig bewirkt werden. Die dynami sche Empfangsfokussierung in der lateralen Richtung verwen det bekannte Techniken des dynamischen Änderns der Verzöge rungen, die auf von jedem Wandlerelement empfangene Signale angewendet werden, so daß der Empfangsstrahl entlang einer Abtastlinie bei einem ausgewählten Steuerwinkel dynamisch fokussiert ist. Folglich ist der Empfangsstrahl sowohl in der Höhen- als auch in der lateralen Richtung dynamisch fo kussiert, um über den Bereich vom Nahfeld zum Fernfeld einen besser fokussierten Empfangsstrahl zu erzeugen. Das Verfah ren wird für eine vorgeschriebene Anzahl von Abtastlinien wiederholt. Die empfangenen Signale werden verarbeitet, um eine Ultraschallabbildung zu erzeugen. Durch einen besser fokussierten Empfangsstrahl bei allen interessierenden Brennweiten wird eine Abbildung hoher Qualität erhalten.

Bezugnehmend auf Fig. 1A ist zu sehen, daß die Wandlerele mente in der Nähe der Enden der Öffnung 14 für eine gegebene elektrische Anregung mehr Ultraschallenergie senden, als die Wandlerelemente in der Nähe der Mitte der Öffnung 14, da die äußeren Wandlerelemente größere Oberflächenbereiche besit zen. Ähnlich haben die äußeren Wandlerelemente im Empfangs modus wegen ihrer größeren Oberflächenbereiche eine größere Empfindlichkeit als die Wandlerelemente in der Nähe der Mit te der Öffnung 14. Dieser Effekt ist durch Kurve 64 in Fig. 3 dargestellt, die entweder die gesendete Ultraschallinten sität oder die empfangene Signalamplitude als eine Funktion des Wandlerelements in lateraler Richtung zeigt. Die Verän derung, die durch die Kurve 64 dargestellt ist, ist eine Eigencharakteristik der Wandlerform und kann als laterale Wandlerapodisierung bezeichnet werden. Das Ergebnis der Veränderung, die durch Kurve 64 dargestellt ist, besteht darin, daß die lateralen Sende- und Empfangs-Strahlmuster verglichen mit einem rechtwinkligen Wandler-Array etwas verschlechtert sind. Während der Hauptstrahl für den Flie gen-Wandler etwas schmaler ist, sind die Seitenzipfel ver größert. Wie in der Technik bekannt ist, ist dies ein uner wünschter Zustand.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Ver schlechterung des Strahlmusters unter Verwendung einer elek tronischen Kompensation der lateralen Wandlerapodisierung, die durch Kurve 64 dargestellt ist, überwunden. Speziell wird die elektronische Kompensation verwendet, um die gesen dete Ultraschallenergie, die empfangenen Signale oder beide für jedes Wandlerelement zu steuern, um ein gewünschtes la terales Apodisierungsprofil zu erzeugen. Die elektronische Kompensation als eine Funktion des Wandlerelements, um ein konstantes laterales Apodisierungsprofil zu erzeugen, typi scherweise durch eine Verstärkungssteuerung, ist durch Kurve 66 in Fig. 3 dargestellt. Es ist zu sehen, daß die elektro nische Kompensation der Kurve 66 im wesentlichen die Inverse der lateralen Wandlerapodisierungsfunktion von Fig. 64 ist. Somit erzeugt die elektronische Kompensation eine geringe oder keine Dämpfung des gesendeten und/oder empfangenen Si gnals in der Nähe der Mitte der Öffnung 14 und erzeugt die größte Dämpfung der gesendeten und/oder empfangenen Signale an den Enden der Öffnung 14. Die Form der elektronischen Kompensationskurve 66 kann angepaßt sein, um ein resultie rendes laterales Apodisierungsprofil 68 zu erzeugen, das über die Elemente des Wandlers konstant ist, oder das eine beliebige andere gewünschte Form besitzt. Außerdem sind verschiedene elektronische Kompensationskurven für unter schiedliche Öffnungsformen erforderlich. Es ist offensicht lich, daß eine zusätzliche Apodisierungsfunktion, wie z. B. die, die für die dynamische Empfangsfokussierung verwendet wird, mit dem resultierenden lateralen Apodisierungsprofil 68 überlagert werden kann. Außerdem können die Apodisie rungsprofile als eine Funktion der Tiefe verändert werden. Vorzugsweise wird die elektronische Kompensation für jedes Wandlerelement gemäß dem Verhältnis der Höhe des mittleren Elements zu der Höhe des neuen Elements bestimmt. Durch Verwenden der elektronischen Kompensation der gesendeten und/oder empfangenen Signale können die lateralen Strahlmu ster des Fliegen-Wandlers im wesentlichen äquivalent zu de nen gemacht werden, die durch einen rechteckigen Wandler erzeugt werden.

Das Fliegenhöhen-Apodisierungsprofil ist durch Kurve 72 in Fig. 4 dargestellt. Das Apodisierungsprofil 72 in der Hö henrichtung ist beim Reduzieren von Höhenseitenzipfeln auf grund seines weichen Übergangs von der Mittenöffnung 73 mit voller Leistung zu den Endöffnungen 74 und 75 mit reduzier ter Leistung vorteilhaft.

Ein Vergleich der gemessenen Strahlfläche eines Fliegen- Ultraschallwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung und eines bekannten rechteckigen Wandlers mit den gleichen Ab messungen, wobei jedoch die Regionen 36 und 38 nicht mit einem Blockiermaterial bedeckt sind, ist in Fig. 5 gezeigt. Die Strahlfläche in Quadratmillimeter ist als eine Funktion der Tiefe aufgezeichnet. Die Grenze der Strahlfläche ist als der Ort von Punkten definiert, an dem die Strahlintensität 20 dB von ihrem maximalen Wert entfernt ist. Kurve 80 stellt das Verhalten eines Fliegen-Wandlers mit 96 Wandlerelementen dar, wobei sich die Höhe von 8 mm in der Mitte auf 12 mm an den Enden ändert. Die Kurve 82 stellt das Verhalten eines rechteckigen Wandlers mit 96 Elementen und einer konstanten Höhe von 12 mm dar. Der rechteckige Wandler besitzt einen festen Höhenbrennpunkt, wohingegen der Fliegen-Wandler mit einer dynamischen Höhenfokussierung, die oben beschrieben ist, verwendet wurde. Aus Kurve 80 in Fig. 5 kann gesehen werden, daß die Fläche des Nahfeld-Strahlmusters, das durch den Fliegen-Wandler erzeugt wird, im wesentlichen kleiner ist als die Fläche des Strahlmusters, das durch den recht eckigen Wandler erzeugt wird. Der Strahl mit der kleineren Fläche ist stärker fokussiert und hat eine verbesserte Nahfeld-Abbildungsqualität zur Folge. Bei Tiefen größer als etwa 6 cm erzeugt der Fliegen-Wandler ein Strahlmuster mit einer etwas größeren Fläche als der rechteckige Wandler. Es wurde jedoch herausgefunden, daß dieser Unterschied die Abbildungsqualität im Fernfeld nicht wesentlich beeinflußt.

Ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Ultraschallabbildungs systems, das einen Fliegen-Wandler verkörpert, ist in Fig. 7 gezeigt. Ein Sender 90 umfaßt eine Sendestrahlbildungsein richtung 92 und Regelverstärker 94₁ 94₂, . . . 94 _N. Zu jedem der Elemente 12₁, 12₂, . . . 12 _N des Wandlers 10 gehört einer der Regelverstärker. Die Senderausgänge sind über einen Sen de-/Empfangsschalter (nicht gezeigt) einer in der Technik bekannten Art mit den jeweiligen Elementen des Wandlers 10 gekoppelt. Der Sender 90 erregt ausgewählte Elemente des Wandlers 10, um Ultraschallenergie in ein Objekt, das ab gebildet wird, zu senden. Durch die Sendestrahlbildungs einrichtung 92 werden auf die gesendeten Ultraschallimpulse geeignete Verzögerungen angewendet, so daß die Ultraschall energie in einen gewünschten Steuerwinkel gerichtet und auf eine gewünschte Brennweite fokussiert ist. Die Regelver stärker 94₁, 94₂, . . . 94 _N werden durch eine Sendesteuerung 96 gesteuert. Die Sendesteuerung 96 legt an jeden Regelver stärker ein Verstärkungssteuerungssignal an, um das laterale Sendeapodisierungsprofil und die laterale Sendeöffnung zu steuern. Kanäle außerhalb der lateralen Sendeöffnung sind deaktiviert und senden keine Ultraschallenergie.

Die von verschiedenen Strukturen in dem Objekt, das abge bildet wird, reflektierte Ultraschallenergie wird durch jedes Element des Wandlers 10 in elektrische Signale umge wandelt, die an die Eingänge eines Empfängers 100, der Re gelverstärker 102₁, 102 ₂, . . . 102 _N und eine Empfangsstrahl bildungseinrichtung 106 einschließt, angelegt. Die Ausgangs signale der Regelverstärker werden an die Empfangsstrahl bildungseinrichtung 106 angelegt. Die Empfangsstrahlbil dungseinrichtung 106 verzögert die empfangenen Signale der jeweiligen Wandlerelemente. Die verzögerten Signale werden summiert, um ein Signal zu bilden, das einen Empfangsstrahl mit einem gewünschten Steuerwinkel darstellt. Das System führt typischerweise eine Sektorabtastung durch. Ein Sektor abtastmuster umfaßt eine Mehrzahl von Abtastlinien, die ih ren Ursprung in einem einzelnen Punkt haben, der typischer weise in der Mitte des Wandlers liegt. Das Ausgangssignal der Empfangsstrahlbildungseinrichtung wird einem Abtastwand ler 108 angelegt, der die Sektorabtastung in ein XY-Abbil dungsformat wandelt. Das Ausgangssignal des Abtastwandlers 108 wird einer Anzeigeeinheit 110, wie z. B. einem Videoan zeigebildschirm, zugeführt. Die Empfangsstrahlbildungsein richtung 106, der Abtastwandler 108 und die Anzeigeeinheit 110 sind in der Technik bekannt. Beispiele dieser Einheiten können z. B. in dem Ultraschallabbildungssystem Somos 1000, hergestellt und verkauft von der Hewlett-Packard Company, gefunden werden.

Die Regelverstärker 102₁, 102₂, . . . 102 _N werden durch eine Empfangssteuerung 112 gesteuert. Die Empfangssteuerung 112 legt an jeden Regelverstärker ein Verstärkungssteuerungs signal an, um das laterale Wandlerapodisierungsprofil elek tronisch zu kompensieren und ein resultierendes laterales Apodisierungsprofil einer gewünschten Form zu erzeugen. Bei dem Fliegen-Wandler reduziert die Steuerung 112 die Ver stärkung der Verstärker, die zu den Wandlerelementen in der Nähe der Enden des Wandlers 10 gehören, relativ zu der Ver stärkung der Verstärker, die zu den Elementen in der Nähe der Mitte des Wandlers 10 gehören. Alternativ oder zusätz lich zu der Kompensation, die durch die Regelverstärker an gewendet wird, kann der Sender 90 Anregungssignale geringe rer Amplitude an die Wandlerelemente in der Nähe der Enden des Wandlers 10 relativ zu den Erregungssignalen, die er an die Elemente in der Nähe des Mittelpunktes des Wandlers 10 anlegt, anlegen, indem die Verstärkung der Regelverstärker 94₁, 94₂, . . . 94 _N gesteuert wird. Jedes dieser Apodisierungs profile kann als eine Funktion der Tiefe geändert werden.

Die Empfangsstrahlbildungseinrichtung 106 wendet Verzöge rungen auf die empfangenen Signale an, um den Empfangsstrahl aufzunehmend ansteigende Tiefen entlang einer gewünschten Abtastlinie dynamisch zu fokussieren. Der dynamische Brenn punkt wird durch Verändern der Verzögerungen während des Empfangs der Ultraschallenergie beeinflußt, um die Brenn weite des Empfangsstrahls zu erhöhen. Außerdem erhöht die Empfangsstrahlbildungseinrichtung 106 die aktive Empfangs öffnung von der anfänglichen Nahfeldöffnung 40 zu der Fern feldöffnung 14 dynamisch, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Größe der aktiven Empfangsöffnung ist durch die Anzahl der Wandlerelemente, die zum Strahlbildungseinrichtungs-Aus gangssignal beitragen, bestimmt. Die empfangenen Signale von Wandlerelementen außerhalb der gewünschten aktiven Empfangs öffnung sind deaktiviert oder werden anderweitig ignoriert. Die aktive Empfangsöffnung wird durch zunehmendes Aktivieren empfangener Signale von den Wandlerelementen vergrößert, bis die aktive Fernfeld-Empfangsöffnung erreicht ist. Die Höhe der aktiven Empfangsöffnung nimmt aufgrund der Geometrie des Fliegen-Wandlers automatisch zu, wenn die laterale Abmessung der aktiven Empfangsöffnung vergrößert wird. Folglich ist das Strahlmuster aufzunehmende Tiefen fokussiert, sowohl in lateraler als auch in Höhen-Richtung.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Flie gen-Wandler in Verbindung mit Sende-Zusammenfügungs-Techni ken (transmit splice techniques) verwendet werden, bei wel chen zwei oder mehr Ultraschallstrahlen nacheinander entlang einer gegebenen Abtastlinie gesendet werden. Die zwei gesen deten Strahlen weisen unterschiedliche Brennweiten auf. Die empfangenen Signale von jedem gesendeten Strahl werden ge speichert. Die empfangenen Signale in der Nähe des Brenn punktes jedes Sendestrahls werden zusammengefügt, um ein zu sammengesetztes empfangenes Signal für die Abtastlinie zu bilden. Da die gesendete Ultraschallenergie sowohl im Nah feld als auch im Fernfeld fokussiert ist, ist die Abbil dungsqualität verbessert.

Beim Anwenden dieser Technik auf den Fliegen-Wandler wird ein erster Sendestrahl mit einer aktiven Nahfeld-Sende öffnung, die der Nahfeldöffnung 40, die in Fig. 2 gezeigt ist, entsprechen kann, gesendet. Dies hat zur Folge, daß die gesendete Energie im Nahfeld fokussiert ist. Danach wird ein zweiter Sendestrahl mit einer aktiven Fernfeld-Sendeöffnung, die der vollen Öffnung 14 des Wandlers 10 entsprechen kann, gesendet. Dies hat zur Folge, daß die gesendete Ultraschall energie im Fernfeld fokussiert ist. Die empfangenen Signale beider Sendestrahlen werden gespeichert. Die empfangenen Signale im Nahfeld, die zu dem ersten gesendeten Strahl ge hören, werden mit den empfangenen Signalen im Fernfeld, die zu dem zweiten Sendestrahl gehören, kombiniert, um ein zu sammengesetztes empfangenes Signal für die Abtastlinie zu erzeugen. Es ist zu sehen, daß die wirksame Höhe der aktiven Sendeöffnung anwächst, wenn die Größe der aktiven Sendeöff nung zunimmt. Folglich ist der gesendete Strahl in der Hö henrichtung auf unterschiedliche Tiefen fokussiert.

Zum Herstellen des Wandlers, der in Fig. 1 gezeigt und oben beschrieben ist, können unterschiedliche Techniken verwendet werden. Im allgemeinen besteht die Anforderung darin, einen Wandler herzustellen, bei dem die wirksamen Höhen der Wand lerelemente in der Nähe der Mitte des Wandlers kleiner sind als die wirksamen Höhen der Wandlerelemente in der Nähe der Enden des Wandlers. Vorzugsweise ist der Wandler als ein herkömmlicher rechtwinkliger Wandler hergestellt, wobei eine Schicht von Ultraschallblockiermaterial der gewünschten Form die oberen und unteren Grenzen der Wandleröffnung definiert. Die Blockierschicht ist eine Schicht eines dünnen, akustisch streuenden und/oder absorbierenden Materials, das in der Lage ist, das Senden oder den Empfang von Ultraschallenergie von den Wandlerelementen im wesentlichen zu blockieren. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Material ein 0,0762-0,127 mm (3-5 mil) dickes ausgedehntes Polytetra fluorethylen (PTFE), das von W. L. Gore und Assoc. kommer ziell erhältlich ist. Im allgemeinen erfordert das Blockier material einen hohen eingeschlossenen Luftgehalt in einer Zufallsmatrix, die als akustisches Streumedium wirkt.

Ein geeigneter Wandleraufbau ist in auseinandergezogener Form in Fig. 6 dargestellt. Die herkömmlichen Komponenten des Wandlers umfassen eine Trägerschicht 130, einen Wandler kristall 132, eine Anpassungsschicht 134 und eine Grund fläche 136. Die Abschnitte der Anpassungsschicht 132, die außerhalb der gewünschten Wandleröffnung liegen, sind weg gefräst, um die Sende- und Empfangs-Effizienz der darunter liegenden Wandlerelemente zu reduzieren. Eine Blockier schicht 138 ist dann in den gefrästen Regionen plaziert, um die gesendete und empfangene Energie in diesen Regionen wei ter zu reduzieren. Die Blockierschicht 138 ist automatisch in den Aussparungen, die durch den Fräsprozeß gebildet wer den, positioniert.

Gemäß einer weiteren geeigneten Herstellungstechnik werden die Trägerschicht, der Wandlerkristall, die Anpassungs schicht und die Grundfläche in einer herkömmlichen Form her gestellt, wobei die Anpassungsschicht nicht gefräst wird. Eine Schicht Blockiermaterial, die auf die gewünschte Form zugeschnitten ist, wird über der Grundfläche plaziert. Da nach wird eine Mylar-Barriere zum Schutz über der Blockier schicht plaziert. Zusätzliche Details, die die Herstellung eines Ultraschallwandlers mit einer Blockierschicht be treffen, sind in der U.S.-Anmeldung 07/871,495, die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist, offenbart.

Im Prinzip könnten die Abmessungen der Wandlerelemente in der Höhenrichtung verändert werden, um die gewünschte Wand leröffnung zu liefern. Jedoch ist dieser Lösungsansatz weni ger wünschenswert als die Lösungsansätze, die oben beschrie ben sind, da sich die Impedanzen der Wandlerelemente über der Wandleröffnung ändern würden, was folglich eine Impe danzanpassung erfordern würde, die sich mit dem Wandlerele ment ändern würde. Techniken zur Ultraschallwandlerabdunke lung sind im U.S.-Patent Nr. 4,460,841 beschrieben.

Ein drittes Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers gemäß der Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt. Ein Wandler 150 besitzt einen Mittenabschnitt mit einer Höhe h₁ und Regionen 154 und 156 an entgegengesetzten Enden desselben mit einer Höhe h₂, die größer ist als h₁. Der Wandler 150 besitzt schrittweise Vergrößerungen der Höhe zwischen der mittleren Region 152 und den Endregionen 154 und 156. Es ist offensichtlich, daß mehr als ein höhenmäßiger Schritt zwi schen der Mitte und jedem Ende des Wandlers verwendet werden kann.

Ein viertes Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers gemäß der Erfindung ist in Fig. 9 dargestellt. Ein Wandler 160 besitzt einen mittleren Abschnitt mit einer Höhe h₃ und entgegengesetzte Enden mit einer Höhe h₄, die größer ist als h₃. Die Höhe des Wandlers 160 nimmt zwischen dem mittleren Abschnitt und den entgegengesetzten Enden linear zu.

Wie oben gezeigt ist, kann der Wandler der vorliegenden Er findung eine Kombination der gezeigten und hierin beschrie benen Öffnungsformen verwenden. Z.B. kann die obere und/oder die untere Grenze der Wandleröffnung gemäß den Fig. 1A und 1B leicht gekrümmt sein, kann Schritte gemäß der Fig. 8 aufweisen und kann sich gemäß Fig. 9 linear ändern. Ferner kann die Wandleröffnung Abschnitte einer konstanten Höhe gemäß den Fig. 1B und 8 aufweisen. Schließlich können die oberen und unteren Grenzen der Wandleröffnung unterschiedli che Formen aufweisen.

Der Betrieb der Wandler 150 und 160 ist im wesentlichen der gleiche wie der Betrieb des Wandlers 10, der oben beschrie ben ist. Für den Nahfeldempfang von Ultraschallenergie wird eine aktive Empfangsöffnung mit einer kleinen wirksamen Höhe verwendet, während die volle Öffnung mit einer größeren wirksamen Höhe für den Fernfeldempfang von Ultraschallener gie verwendet wird. Somit ist eine dynamische Höhenfokussie rung geschaffen. Sende-/Zusammenfüge-Techniken, wie oben beschrieben, können ebenfalls mit den Wandlern 150 und 160, die in den Fig. 8 und 9 gezeigt sind, verwendet werden.

Claims

1. Ultraschallwandler mit phasengesteuertem Array (10, 10′, 150, 160), der folgendes Merkmal aufweist:
eine Mehrzahl von Wandlerelementen (12₁, 12₂, . . . 12 _N), die entlang einer lateralen Achse angeordnet sind, wobei der Wandler eine Öffnung (14) mit einer Höhe (h) paral lel zu einer Höhenachse aufweist, die sich zwischen einem Mittelpunkt (30) der Öffnung entlang der lateralen Achse und jedem Ende (32, 34) der Öffnung entlang der lateralen Achse ändert,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Höhe (h) zwischen einem Mittelpunkt (30) der Öffnung entlang der lateralen Achse und jedem Ende (32, 34) der Öffnung entlang der lateralen Achse zunimmt.

2. Ultraschallwandler mit phasengesteuertem Array (10) ge mäß Anspruch 1, bei dem die Höhe der Öffnung zwischen dem Mittelpunkt der Öffnung entlang der lateralen Achse und jedem Ende der Öffnung entlang der lateralen Achse kontinuierlich zunimmt.

3. Ultraschallwandler mit phasengesteuertem Array (150) ge mäß Anspruch 1, bei dem die Höhe der Öffnung zwischen dem Mittelpunkt der Öffnung entlang der lateralen Achse und jedem Ende der Öffnung entlang der lateralen Achse in einem oder mehreren Schritten zunimmt.

4. Ultraschallwandler mit phasengesteuertem Array (10′) gemäß Anspruch 1, bei dem die Höhe der Öffnung über einem ersten Abschnitt der Öffnung zunimmt und in der Nähe jedes Endes der Öffnung konstant ist.

5. Ultraschallscanner mit phasengesteuertem Array, der fol gende Merkmale aufweist:
einen Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4;
einen Sender (90) zum Senden von Ultraschallenergie mit dem Wandler entlang einer Sendelinie; und
einen Empfänger (100) zum Empfangen der reflektierten Ultraschallenergie mit einer aktiven Empfangsöffnung des Wandlers und zum Bilden eines Empfangsstrahls.

6. Ultraschallscanner mit phasengesteuertem Array gemäß An spruch 5, bei dem der Empfänger (100) eine Einrichtung zum dynamischen Erhöhen der Anzahl der Wandlerelemente (12₁, 12₂, . . . 12 _N) der aktiven Empfangsöffnung ein schließt, so daß die Höhe der aktiven Empfangsöffnung wirksam zunimmt und der Empfangsstrahl höhenmäßig wäh rend des Empfangs der reflektierten Ultraschallenergie von zunehmend anwachsenden Tiefen dynamisch fokussiert wird.

7. Ultraschallscanner mit phasengesteuertem Array gemäß Anspruch 5 und 6, bei dem der Sender (90) eine Ein richtung zum Senden von Ultraschallenergie mit einer ersten aktiven Sendeöffnung des Wandlers (10) mit einer ersten Brennweite und zum Senden von Ultraschallenergie mit einer zweiten aktiven Sendeöffnung des Wandlers (10) bei einer zweiten Brennweite einschließt, wobei die zweite aktive Sendeöffnung eine größere Anzahl von Wand lerelementen und eine größere wirksame Höhe als die er ste aktive Sendeöffnung besitzt.

8. Ultraschallscanner mit phasengesteuertem Array gemäß ei nem der Patentansprüche 5 bis 7, bei dem der Empfänger (100) eine Einrichtung (112) zum elektronischen Reduzie ren der empfangenen Signale von Wandlerelementen in der Nähe jedes Endes der Öffnung (14) relativ zu den empfan genen Signalen der Wandlerelemente in der Nähe des Mit telpunkts der Öffnung (14) einschließt.

9. Ultraschallscanner mit phasengesteuertem Array gemäß ei nem der Patentansprüche 5 bis 8, bei dem der Sender (90) eine Einrichtung (96) zum elektronischen Reduzieren der gesendeten Ultraschallenergie von Wandlerelementen in der Nähe jedes Endes der Öffnung (14) relativ zu der ge sendeten Ultraschallenergie von Wandlerelementen in der Nähe des Mittelpunkts der Öffnung (14) einschließt.

10. Ultraschallscanner mit phasengesteuertem Array, der fol gende Merkmale aufweist:
einen Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4;
einen Sender (90) zum Senden von Ultraschallenergie mit dem Wandler; und
einen Empfänger (100) zum Empfangen von reflektierter Ultraschallenergie mit einer aktiven Empfangsöffnung von dem Wandler und zum Bilden eines Empfangsstrahls, wobei der Empfänger Einrichtungen (102, 106, 112) zum dynami schen Erhöhen der aktiven Empfangsöffnung während des Empfangs der reflektierten Ultraschallenergie von zu nehmend anwachsenden Tiefen einschließt, so daß die Höhe der aktiven Empfangsöffnung wirksam anwächst.