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Den Gegenstand der Erfindung bilden hauptsächlich eine Ultraschall-Echographiesonde,
eine eine solche Sonde verwendende Bilderzeugungseinrichtung und ein Verfahren, das
eine solche Einrichtung verwendet.
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Es sind verschiedene Typen von Ultraschall-Echographiesonden bekannt. Einerseits sind
Sonden mit sektorieller Abtastung bekannt, also Sonden, die entweder eine oszillierend
bewegte Einrichtung umfassen oder mehrere elektroakustische Wandler, die an einem Rad
montiert sind und bei ihrer Vorbeibewegung vor einem Emissionsfenster umgeschaltet
werden. Die vorteilhaften Eigenschaften dieser Sonden sind ihre Erfassungsschnelligkeit
und die Einfachheit ihres Prinzips, die verhältnismäßig einfache und billige
Signalverarbeitungsmittel zur Folge hat. Die Kopplungsfläche der Schallwellen ist
verhältnismäßig klein, wodurch es möglich ist, die Sonde für Herzbeobachtungen
zwischen zwei Rippen eines Patienten anzuordnen. Dagegen ist die Lebensdauer dieser
Sonden begrenzt.
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Andererseits sind Sonden bekannt, die mehrere elektroakustische Wandler enthalten. Von
diesen kommt insbesondere die Einrichtung mit linearer Abtastung zum Einsatz, die eine
lineare Anordnung mit beispielsweise 64 elementaren elektroakustischen Wandlern
aufweist. Die Abtastung wird ausgeführt, indem für jeden Wellenstoß, d.h. für jede
Emission von Ultraschallwellen, die Gruppe der aktiven Wandler verschoben wird. Dieser
Typ einer linearen Anordnung weist aufgrund der geringen Anzahl von gleichzeitig
verwendeten Wandlern eine geringe Auflösung auf.
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Wenn bei den linearen Anordnungen der Strahl durch elektronische Abtastung unter
Verwendung von für den Ausgleich von Wegunterschieden bestimmten Verzögerungen
fokussiert wird, ist der Abtastwinkel begrenzt. Darüber hinaus ist diese Lösung schwer zu
verwirklichen und teuer, weil Elemente benötigt werden, die unter Aufrechterhaltung der
Kohärenz des Signals große Verzögerungen erzeugen.
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Ein Lösungsversuch für diese Probleme ist mit konvexen Anordnungen gemacht worden,
d.h. mit Anordnungen, bei denen der Wandler auf einer gekrümmten Linie angeordnet
wird, wobei die strahlende Fläche einer solchen Anordnung konvex ist. Eine solche
Anordnung ist insbesondere im Europäischen Patent Nr. 69 677 beschrieben. Dennoch ist
die Auflösung einer solchen Anordnung noch immer nicht ausreichend.
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Ein weiterer Lösungsversuch ist im Dokument US-A-457 6045 beschrieben. Es beschreibt
eine gekrümmte Anordnung. Sämtliche Wandler einer solchen Anordnung können jedoch
nicht in sämtlichen Azimutwinkeln Schall abstrahlen.
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Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der Tatsache, daß sämtliche
Wandler verwendet werden, die eine Richtung beschallen können, um ein diesem Bereich
entsprechendes Bild zu formen. Die Fokussierung wird durch elektronische Abtastung
unter Verwendung von Verzögerungselementen erhalten. Die zu verwirklichenden
Verzögerungen sind aufgrund der Geometrie der gekrümmten Anordnung weniger groß als
im Falle einer linearen Anordnung. Darüber hinaus ist der Abtastwinkel weit größer und
geht beispielsweise von 90º bis 150º.
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Es ist möglich, daß für die Erzeugung eines Bildes mehr Wandler für das Zentrum als für
die Ränder verwendet werden. Daraus folgt, daß das Bild im Zentrum eine bessere
Auflösung als an den Rändern besitzt. Dies ist nicht besonders störend, weil bei einer
Bilderzeugung im medizinischen Bereich das Bild auf dem Punkt von Interesse zentriert
wird, während die Ränder hauptsächlich dazu dienen, das interessierende Element
gegenüber anderen Organen zu lokalisieren. Somit schafft ein sehr großes
Beobachtungsfeld für den mit der Diagnostik beschäftigten Arzt einen großen Komfort,
wobei eine sehr hohe Auflösung im Zentrum eine genaue Diagnostik ermöglicht.
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Die Erfindung hat eine Einrichtung zum Gegenstand, wie sie in den Ansprüchen
beschrieben ist.
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Die Erfindung wird besser verständlich anhand der folgenden Beschreibung und der
beigefügten Figuren, die als nichtbeschränkende Beispiele gegeben werden und von denen:
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- die Fig. 1 ein Schema eines ersten Ausführungsbeispiels von Sonden gemäß
der vorliegenden Erfindung ist;
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- die Fig. 2 ein erläuterndes Schema des Funktionsprinzips der Sonde gemäß
der vorliegenden Erfindung ist;
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- die Fig. 3 ein Schema eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Sonde
gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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- die Fig. 4 ein erläuterndes Schema der Funktion der Sonden gemäß der
vorliegenden Erfindung ist;
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- die Fig. 5 ein erläuterndes Schema der Funktion der Sonden der
vorliegenden Erfindung ist;
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- die Fig. 6 ein Schema eines ersten Ausführungsbeispiels einer
Bilderzeugungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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- die Fig. 7 ein Schema eines zweiten Ausführungsbeispiels einer
Bilderzeugungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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- die Fig. 8 ein Schema eines dritten Ausführungsbeispiels einer
Bilderzeugungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
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In den Fig. 1 bis 3 werden dieselben Bezugszeichen verwendet, um dieselben Elemente zu
bezeichnen.
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In Fig. 1 ist eine Echographiesonde 1 gezeigt, die mehrere elektroakustische Wandler 2
enthält, die vorteilhafterweise regelmäßig verteilt sind. In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel
besitzt die Sonde die Form eines Kreisbogens. Selbstverständlich wird mit anderen Formen
wie z.B. einer Hyperbel, einem Ellipsenbogen oder einer Parabel der Umfang der
vorliegenden Erfindung nicht verlassen.
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Die Sonde 1 besitzt eine Symmetrieachse 3. Bei Bilderzeugungen ist es von Vorteil, den
Punkt von Interesse auf der Achse 3 zu positionieren. Die Sonde 1 kann in einem auf der
Achse 3 zentrierten Sektor Bilder erzeugen. Die sektorielle Abtastung wird dadurch
erhalten, daß den Wandlern 2 veränderliche Verzögerungen erteilt werden.
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In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel weist die Sonde 1 gegenüber der Achse 3 keine
Wandler auf. Solche Wandler könnten nämlich niemals zum Bild eines auf der Achse 3
zentrierten Sektors beitragen. Die elektroakustischen Wandler sind vorzugsweise
piezoelektrische Wandler.
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In Fig. 2 ist ein erläuterndes Schema der Erzeugung des Bildes eines durch die Punkte A
und E begrenzten Sektors gezeigt. Die Sonde 1 umfaßt mehrere elektroakustische Wandler
2, die in dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel auf einem Kreis regelmäßig
angeordnet sind. In dem von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Verfahren wird
ein Punkt beschallt, indem die Ultraschallenergie durch eine elektronische Ablenkung
fokussiert wird, d.h. daß den von den Ultraschallwandlern 2 erzeugten Signalen
Verzögerungen verliehen werden, derart, daß die Wegunterschiede ausgeglichen werden.
Einerseits besitzen daher die elektroakustischen Wandler 2 eine eigene Richtwirkung,
andererseits erlaubt die Geometrie der Sonde 1 nicht, daß sämtliche elektroakustischen
Wandler 2 sämtliche Punkte des zu beobachtenden Gegenstandes bestrahlen. In der
Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden ausschließlich die
elektroakustischen Wandler 2 verwendet, die einen Punkt beschallen können, um daraus
ein Bild zu gewinnen. Dieses Prinzip gilt ebenso für eine zweidimensionale elektronische
Ablenkung, bei der jede Emission einer Zeile des Bildes entspricht, wie auch für eine
dreidimensionale Ablenkung, bei der jede Emission einem Bildpunkt entspricht.
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Daher werden für jeden der Punkte A, B, C, D und E sämtliche elektroakustischen
Wandler 2 betrieben, deren Orientierung und Richtwirkung die Beschallung dieser Punkte
erlauben.
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In Fig. 2 sind anhand der Sektoren 3A, 3B, 3C, 3D und 3E jeweils Wandler gezeigt, die
den Punkt oder die durch die Punkte A, B, C, D bzw. E verlaufenden Linien beschallen
können.
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In Fig. 3 ist eine Kugelkalotte gezeigt, die als Träger einer Sonde 1 dienen kann. Die
Verteilung der in Fig. 3 nicht gezeigten elektroakustischen Wandler 2 auf einer
Kugelkalotte erlaubt eine dreidimensionale Fokussierung des Schallenergie-Strahls. Die
Strahlen können gelenkt werden, indem entweder eine dreidimensionale elektronische
Ablenkung ausgeführt wird oder die Wandler ringförmig gruppiert werden und diesen
Ringen Adressierungsmittel zugeordnet werden, die den verschiedenen Bereichen des zu
untersuchenden Raums entsprechen. Dieses letztere Verfahren ist in dem Patent Nr. 83
016550 beschrieben worden, das am 18. Oktober 1983 von der Gesellschaft CGR
ULTRASONIC eingereicht wurde.
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In den Fig. 4 und 5 ist der Einfluß des Einfallswinkels, bei dem eine Zeile des Bildes
erzeugt wird, auf die Auflösung dieses Bildausschnitts gezeigt.
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In Fig. 4 ist das Prinzip der Erzeugung des Bildes einer Zeile gezeigt, die durch einen in
der Nähe der Achse der Sonde 1 befindlichen Punkt A verläuft. Sämtliche
elektroakustischen Wandler, die zu der schraffierten Zone 7 gehören, tragen zur
Erzeugung der durch den Punkt A verlaufenden (in der Figur 4 nicht gezeigten) Zeile des
Bildes bei. Sämtliche elektroakustischen Wandler, die zur Zone 7 gehören, können den
Punkt A beschallen. Die durch den Punkt A verlaufende Zeile bildet bei der Anzeige eine
Zeile der Bildmitte. Die Erzeugung dieser Zeile geschieht mittels einer Zone 7, die eine
maximale Anzahl von elektroakustischen Wandlern besitzt. Daher ist die Auflösung der
Bildmitte, wo sich beispielsweise für den Arzt das Zentrum des Interesses befindet, sehr
groß.
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In Fig. 5 ist das Prinzip der Erzeugung des Bildes einer Zeile gezeigt, die durch einen von
der Achse der Sonde 1 entfernten Punkt B verläuft. In diesem Fall ist die Zone 7 der in
der Figur nicht gezeigten elektroakustischen Wandler, die den Punkt B beschallen können,
weniger groß als im Falle von Fig. 4. Mit zunehmender Annäherung an den Rand des
Bildes wird die Zone 7 und mit ihr die Auflösung des Bildes kleiner. Am Rand des Bildes
wird eine verringerte Auflösung erhalten, die der Auflösung von Systemen des Standes der
Technik entspricht.
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Dagegen erlaubt die Verwendung einer elektronischen Ablenkung in Verbindung mit einer
gekrümmten Anordnung, die Erzielung eines größeren Aufnahmewinkels, der
beispielsweise von 90º in Einrichtungen bekannten Typs bis 150º geht.
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Somit wird bei der medizinischen Bilderzeugung ein Bild erhalten, dessen Zentrum eine
sehr hohe Auflösung besitzt und einen großen Aufnahmewinkel aufweist. In der
medizinischen Bilderzeugung dienen die Ränder hauptsächlich der gegenseitigen
Lokalisierung der Organe und benötigen daher für diese Orientierung keine sehr hohe
Auflösung. Daher wird das zu untersuchende Organ im Bildzentrum angeordnet, wofür
eine maximale Auflösung benötigt wird. Häufig wird der die Einrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung verwendende Arzt die verringerte Auflösung am Rand nicht
einmal wahrnehmen.
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Selbstverständlich ist es möglich, die Sonde 1 zu verlängern, um beispielsweise einen
nahezu vollständigen Kreis zu bilden, wie in Fig. 1 gezeigt ist, ohne daß vom Umfang der
vorliegenden Erfindung abgewichen wird. In diesem Fall ist die Auflösung im Zentrum
und am Rand des Bildes gleich, jedoch um den Preis einer Erhöhung der Anzahl der für
den Betrieb der Sonde erforderlichen Wandler. Darüber hinaus gestattet dies die
Vergrößerung des Aufnahmewinkels.
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Für eine gegebene Anzahl von Wandlerelementen, beispielsweise 128 oder 256, erlaubt
dagegen ein begrenzter Bogen die Erhöhung der Auflösung im Zentrum.
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In Fig. 6 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Echograhieeinrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Einrichtung umfaßt mehrere elektroakustische
Wandler 2. Zur Vereinfachung der Figur sind die elektroakustischen Wandler 2 in einer
Linie gezeigt. Selbstverständlich kann jede gewünschte Geometrie wie beispielsweise eine
konvexe Strahlungsfläche gewählt werden, um die Einrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung zu verwirklichen. Die elektroakustischen Wandler 2 empfangen über eine
Multiplexeinrichtung 60 und eine Einrichtung für variable Verzögerung 4 elektrische
Energie. Die elektroakustischen Wandler 2 sind über Verzögerungseinrichtungen 4 und
Multiplexer 60 und einen Empfänger 8 verbunden. Der Empfänger 8 ist mit einer
Signalverarbeitungseinrichtung 9 verbunden. Die Signalverarbeitungseinrichtung 9 ist mit
einer Auswertungseinrichtung 10 wie beispielsweise einer Anzeigeeinrichtung verbunden,
die beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre, einen Bildspeicher, eine Einrichtung zur
Speicherung von Bildern oder eine Bildverarbeitungseinrichtung enthält. Eine
Steuereinrichtung 5 ist mit der Verzögerungseinrichtung 4 über Verbindungen 52, mit dem
Multiplexer 60 über einen Bus 53 und mit dem Sender 6 über eine Steuerleitung 51
verbunden.
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Die Steuereinrichtung 5 bestimmt für jede Zeile des Bildes den in Betrieb zu setzenden
elektroakustischen Wandler 2, steuert die Einstellung des Multiplexers 60, die diese
Inbetriebsetzung ermöglicht, und die Einstellung einer Verzögerungseinrichtung 4, um die
gewünschte Fokussierung zu erhalten. Lediglich diejenigen Ultraschallwandler, die an
einer Emission teilhaben sollen, werden vom Sender 6 über den Multiplexer 60 mit
Leistung versorgt.
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Beim Empfang werden wenigstens diejenigen Wandler, die zur Emission beigetragen
hatten, über den Multiplexer 60 mit dem Empfänger 8 verbunden.
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Die Steuereinrichtung 5 gewährleistet über die Leitung 51 die Synchronisation zwischen
dem Sende- und dem Empfangsvorgang. Es ist nämlich wichtig, daß der Sender 6 während
des Empfangs nicht sendet, damit das Signal des Senders 6 die Funktion des Empfängers 8
nicht stört. Wenn nämlich keine Vorkehrungen getroffen werden, besteht die Gefahr, daß
das Signal des Senders 6 den Empfänger 8 übersteuert.
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Der Multiplexer 60 enthält beispielsweise einen kaskadenartigen Aufbau von analogen
Multiplexern wie etwa den analogen Multiplexer, der von der Gesellschaft SILICONIX
unter der Bezeichnung DG 507 in den Handel gebracht wird.
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Selbstverständlich liegt die Verwendung eines digitalen Multiplexers innerhalb des
Umfangs der vorliegenden Erfindung.
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Die Verzögerungselemente 4 sind beispielsweise Verzögerungsleitungen, wobei die
Verzögerung durch Umschalten eines Weges der Signaldaten in den
Verzögerungsleitungen gewählt wird.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung 9 umfaßt beispielsweise Signalprozessoren, Filter,
Vervielfacher, Addierer und/oder Rechner für schnelle Fourier-Transformationen.
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Die Steuereinrichtung 5 gewährleistet die richtige Funktionsweise der Einrichtung gemäß
der vorliegenden Erfindung. Sie führt die Adressierung und die Synchronisation der
Sende- und der Empfangsvorgänge aus. Es können verschiedene Typen von
Steuereinrichtungen 5 verwendet werden. Beispielsweise wird eine Steuereinrichtung 5
verwendet, die eine Ablaufsteuerung aufweist, die Zähler umfaßt, die einen Speicher
adressieren, worin die zu aktivierenden Adressen gespeichert sind. Vorzugsweise umfaßt
die Steuereinrichtung 5 wenigstens eine Rechen- und Logikeinheit, die beispielsweise in
einem Mikroprozessor enthalten ist, einen das Programm enthaltenden Festwertspeicher
und einen leeren Arbeitsspeicher.
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Vorzugsweise empfängt die Steuereinheit 5 über einen Steuerbus 55 Steuerbefehle des
Benutzers.
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In Fig. 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Einrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 sind der Sender 6 und der
Empfänger 8 mit dem elektroakustischen Wandler 2 über eine Reihenschaltung aus einer
Verzögerungseinrichtung 13, dem Multiplexer 60 und einer Umschalteinrichtung 14
verbunden. Die Steuereinheit 5 ist über einen Bus 52 mit der Verzögerungseinrichtung 13,
über einen Bus 53 mit dem Multiplexer 60 und über einen Bus 12 mit der
Umschalteinrichtung 14 verbunden. Andererseits ist die Steuereinheit 5 mit dem Sender 6
verbunden. Die Verzögerungseinrichtung 13 umfaßt Verzögerungsleitungen, die
hintereinander und/oder parallel geschaltet werden können. Somit erlaubt die
Verzögerungseinrichtung 13 die gleichzeitige Gewinnung der verschiedenen
Verzögerungswerte, die für die Funktion der Sonde erforderlich sind. Die dem
Multiplexer 60 zugehörige Umschalteinrichtung 14 erlaubt die Verbindung der richtigen
Verzögerungselemente mit dem richtigen elektroakustischen Wandler 2. Die Einrichtung,
wie sie in Fig. 7 gezeigt ist, besitzt den Vorteil, daß sie die für den richtigen Betrieb der
Einrichtung erforderliche Anzahl der Verzögerungsleitungen verringert.
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In Fig. 8 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Einrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt. In dem in Fig. 8 gezeigten Beispiel ist jedem elektroakustischen
Wandler 2 ein Sender 6 und ein Verzögerungselement 130 zugeordnet. Die
Steuereinrichtung 5 ist über Steuerleitungen 51 mit den Sendern 6 und über
Steuerleitungen 52 mit den Verzögerungselementen 130 verbunden.
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Die elektroakustischen Wandler 2 sind über dazwischengeschaltete Verzögerungselemente
130 mit einem Empfänger 8 verbunden. Der Empfänger 8 ist mit einer
Signalverarbeitungseinrichtung 9 verbunden. Die Signalverarbeitungseinrichtung 9 ist mit
einer Auswertungseinrichtung 10 wie etwa einer Anzeigeeinrichtung verbunden.
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Die Erfindung findet Anwendung bei der Bilderzeugung, die Schallwellen wie
beispielsweise Ultraschallwellen ausnutzt. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung
bei der nichtzerstörenden Prüfung mit Gewinnung von Bildern im Inneren von
Flüssigkeiten wie beispielsweise von Unterwasserbildern.
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Die Erfindung findet hauptsächlich bei der Ultraschall-Bilderzeugung im medizinischen
Bereich Anwendung.