DE68908307T2

DE68908307T2 - Ultrasound arrangement with improved coupling fluid.

Info

Publication number: DE68908307T2
Application number: DE1989608307
Authority: DE
Inventors: Alan Paul Greenstein
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1988-09-16
Filing date: 1989-09-13
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2009-09-14
Also published as: JPH02116356A; DE68908307D1; EP0359546A2; EP0359546A3; EP0359546B1

Description

Die gegenwärtige Erfindung betrifft Ultraschall und, genauer gesagt, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Liefern einer verbesserten Ultraschallkopplung zwischen einem Ultraschallwandler und einem Ultraschallabtastkopffenster.The present invention relates to ultrasound and, more particularly, to an apparatus and method for providing improved ultrasonic coupling between an ultrasonic transducer and an ultrasonic scanhead window.

Ultraschallabbilden wird vielfach zur Analyse von inneren Strukturen von Organismen verwendet. Beispielsweise wird Ultraschall häufig verwendet, um den Status eines Fötus einer schwangeren Frau zu charakterisieren. Ultraschallabbilden basiert auf dem Erfassen von Reflexen von Ultraschallwellen an Grenzschichten, die durch ungleiche Impedanzen gekennzeichnet sind. Solche Grenzschichten können Knochen, Organgrenzen, Änderungen im Gewebetyp, etc. darstellen.Ultrasound imaging is widely used to analyze internal structures of organisms. For example, ultrasound is often used to characterize the status of a fetus of a pregnant woman. Ultrasound imaging is based on detecting reflections of ultrasound waves at interfaces characterized by unequal impedances. Such interfaces can represent bones, organ boundaries, changes in tissue type, etc.

Typischerweise wird das Ultraschallabbilden unter Benutzung eines Ultraschallabtastkopfes durchgeführt, der elektrisch mit einem Elektronikmodul verbunden ist. Der Abtastkopf umfaßt im allgemeinen einen Körper, der als Griff dient, einen Deckel oder ein Fenster, welches gegen die Haut eines abgebildet werdenden Patienten gedrückt werden kann, und einen elektroakustischen Ultraschallwandler, der von dem Gehäuse und dem Fenster umschlossen ist. Das Elektronikmodul erzeugt elektrische Impulse, die in Ultraschallpulse umgewandelt werden sollen, die sich durch das Fenster und in den Patienten ausbreiten.Typically, ultrasound imaging is performed using an ultrasound scan head that is electrically connected to an electronics module. The scan head generally includes a body that serves as a handle, a cover or window that can be pressed against the skin of a patient being imaged, and an electroacoustic ultrasound transducer enclosed by the housing and window. The electronics module generates electrical pulses to be converted into ultrasound pulses that propagate through the window and into the patient.

Ein einzelner Ultraschallpuls kann zu vielen Reflexen führen, wenn viele Impedanzgrenzschichten entlang seines Ausbreitungsweges vorhanden sind. Da diese Reflexe von den Abtastkopf detektiert werden, werden sie durch den Ultraschallwandler in ein elektrisches Signal umgewandelt, dessen Zeitverhalten Tiefe und dessen Amplitude Impedanzfehlanpassungen darstellt. Das Elektronikmodul analysiert dieses Signal, um die Bildinformation zu gewinnen, die dann angezeigt und/oder aufgezeichnet werden kann, wie gewünscht.A single ultrasonic pulse can result in many reflections if there are many impedance interfaces along its propagation path. As these reflections are detected by the scanning head, they are converted by the ultrasonic transducer into an electrical signal whose timing, depth and amplitude impedance mismatches. The electronics module analyzes this signal to obtain image information, which can then be displayed and/or recorded as desired.

Die Qualität des erhaltenen Bildes hängt sehr von der Empfindlichkeit ab, mit welcher der Abtastkopf Reflexe erfassen kann. Ein erheblicher Anteil der Energie eines Ultraschallpulses wird durch den Abtastkopf oder den Körper absorbiert. Die verbleibende Energie ist auf viele Reflexe aufgeteilt. Nur ein kleiner Anteil jedes Reflexes ist auf den Abtastkopf gerichtet, und eine große Menge dieses kleinen Anteils wird vor dem Erreichen des Ultraschallwandlers absorbiert. Der Ultraschallwandler muß daher fähig sein, das Auftreten und die Amplitude dieser Reflexe zu erfassen, trotz des kleinen Energieanteils jedes Reflexes.The quality of the image obtained depends very much on the sensitivity with which the scanning head can detect reflexes. A significant proportion of the energy of an ultrasound pulse is absorbed by the scanning head or the body. The remaining energy is divided into many reflexes. Only a small proportion of each reflex is directed towards the scanning head, and a large amount of this small proportion is absorbed before reaching the ultrasound transducer. The ultrasound transducer must therefore be able to detect the occurrence and amplitude of these reflexes, despite the small energy content of each reflex.

Empfindlichkeit ist eine Funktion der Apertur oder Energiesammelfläche des Ultraschallwandlers. Ein Ultraschallwandler mit einer großen Apertur kann eine größere Menge der reflektierten akustischen Energie empfangen. Andererseits bedeutet eine größere Apertur eine kleinere Schärfentiefe. Ein Ultraschallwandler ist so ausgestaltet und/oder wird so bedient, daß bei irgendeiner gegebenen Zeit eine einzige Tiefe vorhanden ist, in welcher das Auflösungsvermögen des Ultraschallwandlers maximal ist. Tatsächlich ist nicht die maximale Auflösung notwendig, aber ein Auflösungsschwellenwert unterhalb dieses Maximums kann für viele Abbildungsanwendungen gefordert werden. Wenn ein Ultraschallwandler mit einer kleinen Apertur verwendet wird, ist der Bereich der Tiefen, für welche ein gegebener Schwellenwert erreicht oder überschritten wird, größer als der entsprechende Bereich der Tiefen, die zugänglich sind, wenn eine große Apertur verwendet wird.Sensitivity is a function of the aperture or energy collection area of the ultrasonic transducer. An ultrasonic transducer with a large aperture can receive a larger amount of reflected acoustic energy. On the other hand, a larger aperture means a smaller depth of field. An ultrasonic transducer is designed and/or operated so that at any given time there is a single depth at which the resolving power of the ultrasonic transducer is maximum. In fact, maximum resolution is not necessary, but a resolution threshold below this maximum may be required for many imaging applications. When an ultrasonic transducer with a small aperture is used, the range of depths for which a given threshold is met or exceeded is greater than the corresponding range of depths accessible when a large aperture is used.

Wenn der Tiefenbereich von Interesse größer als die Schärfentiefe eines Abtastkopfes ist, ist es notwendig, Bildinformationen unter Ausnutzung von Brennpunkten in aufeinanderfolgenden Tiefen zu erhalten. Feinere Abstimmungen zwischen Brennpunkten werden bei größeren Aperturen benötigt. Im Anschluß wird das Verfahren zum Verändern der Brennweite eines Abtastkopfes während dem Aufnehmen eines Bildes als "Zoomen" bezeichnet.When the depth range of interest is greater than the depth of field of a scanhead, it is necessary to obtain image information using focal points at successive depths. Finer adjustments between focal points are required at larger apertures. Hereinafter, the process of changing the focal length of a scanhead while acquiring an image is referred to as "zooming."

Das Zoomen ermöglicht das Abbilden hoher Auflösung entlang einer einzigen Bahn. Um eine zweidimensionale Abbildung einer "Scheibe" eines Patienten zu erhalten, muß die Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls geschwenkt, das heißt, transversal verschwenkt oder "umgelenkt" werden. Diese Umlenkhandlung gibt vielen Ultraschallbildern ihre fächerförmige Gestalt. Im Anschluß wird Umlenken und Zoonen zusammen als "abtastendes Verfahren" bezeichnet.Zooming enables high resolution imaging along a single path. To obtain a two-dimensional image of a "slice" of a patient, the direction of propagation of the ultrasound must be swung, that is, swung transversely or "deflected". This deflection action gives many ultrasound images their fan-shaped form. Hereinafter, deflection and zooming are referred to together as the "scanning process".

Das abtastende Verfahren wird unterschiedlich mit Hilfe verschiedener Abtastkopftypen durchgeführt. Ein Abtastkopf mit schmaler Apertur und einem sphärischen Ultraschallwandler kann sich auf einen festgesetzten Brennpunkt und mechanisches Lenken zum Abbilden stützen. Theoretisch könnte ein einziges Ultraschallwandlerelement mechanisch verformt werden, um das Zoomen zu verwirklichen und, daher, größere Aperturen zu erreichen. Jedoch sind ringförmige Felder von Ultraschallwandlern entwickelt worden, in welchen Zeitverzögerungen zwischen konzentrischen Elementen die Zoomfunktion liefern; ein ringförmiges Feld von Ultraschallwandlern benötigt im allgemeinen mechanische Umlenkmittel. Genauso wie phasengesteuerte Geräte in der Radartechnik benutzt werden, ist es möglich, ein rechteckiges Feld von Ultraschallwandlern zu verwirklichen, in welchem jegliches abtastendes Bewegen elektronisch durchgeführt wird. Solche rechteckigen Felder bringen eine beträchtliche Verarbeitungskomplexität mit sich und werden nicht häufig verwendet. Lineare Phasensteuerung von Feldern ist einfacher zu verwirklichen und erlaubt elektronisches Zoomen und Lenken; jedoch ist die Höhenauflösung (transversal zur Tiefe und Schwenkrichtung) schwach.The scanning process is carried out differently using different types of scanheads. A narrow aperture scanhead with a spherical ultrasonic transducer can rely on a fixed focus and mechanical steering for imaging. Theoretically, a single ultrasonic transducer element could be mechanically deformed to achieve zooming and, hence, larger apertures. However, annular arrays of ultrasonic transducers have been developed in which time delays between concentric elements provide the zoom function; an annular array of ultrasonic transducers generally requires mechanical deflection means. Just as phased arrays are used in radar, it is possible to realize a rectangular array of ultrasonic transducers in which all scanning is done electronically. Such rectangular arrays involve considerable processing complexity. and are not commonly used. Linear phase control of fields is easier to implement and allows electronic zooming and steering; however, the height resolution (transverse to depth and pan direction) is poor.

Während jede Abtastkopfausgestaltung ihre Vorteile aufweist, sticht das ringförmige Feld heraus, da es eine hohe Auflösung beim Abbilden in allen Richtungen ermöglicht, während es weniger Aufwand beim Verarbeiten fordert, um ein Bild aus den empfangenen Reflexen zu erzeugen. Das Zoomen kann elektronisch mit einer sehr hohen Geschwindigkeit für jede mechanisch kontrollierte Schwenkstellung durchgeführt werden.While each scanhead design has its advantages, the annular array stands out because it allows high resolution imaging in all directions while requiring less processing to create an image from the received reflections. Zooming can be done electronically at a very high speed for each mechanically controlled pan position.

Eine Herausforderung beim Gestalten von Ultraschallwandlern, die mechanisch abtastend verfahren werden und große Aperturen aufweisen, wie Ultraschallwandler in einem ringförmigen Feld, ist, die Ultraschallübertragung zwischen dem Abtastkopf und dem Patienten zu optimieren. Aus offensichtlichen Gründen, die den Komfort des Patienten enthalten, können sich bewegende Ultraschallwandler nicht in innigen Kontakt mit dem Patienten sein. Statt dessen wird ein Abtastkopffenster in innigen Kontakt mit dem Patienten gebracht. Das Material des Fensters ist so ausgewählt, daß es sicher, angenehm, steif und durchlässig für Ultraschallenergie ist. Ein subtileres Kriterium ist die Forderung, daß der akustische Brechungsindex bei Ultraschallfrequenzen dem des abgebildet werdenden Patienten einigermaßen entspricht. In anderen Worten, die Ultraschallgeschwindigkeiten des Fensters und des Patienten sollten übereinstimmen. Der Zweck dieser Übereinstimmung ist, Bildverzerrungen aufgrund von Änderungen der Richtung der Welle an der Patient-Fenster-Grenzfläche zu minimieren.A challenge in designing ultrasound transducers that are mechanically scanned and have large apertures, such as annular array ultrasound transducers, is to optimize ultrasound transmission between the scanhead and the patient. For obvious reasons, including patient comfort, moving ultrasound transducers cannot be in intimate contact with the patient. Instead, a scanhead window is placed in intimate contact with the patient. The material of the window is selected to be safe, comfortable, rigid, and transparent to ultrasound energy. A more subtle criterion is the requirement that the acoustic refractive index at ultrasound frequencies reasonably match that of the patient being imaged. In other words, the ultrasound velocities of the window and the patient should match. The purpose of this match is to minimize image distortions due to changes in the direction of the wave at the patient-window interface.

Zusätzlich ist es wünschenswert, die Ultraschallimpedanz des Fensters an die des Patienten anzupassen, um Reflexionen an der Grenzfläche zu minimieren. Die entsprechenden Reflexe enthalten keine nützlichen Informationen, führen zu Reflexionen innerhalb des Abtastkopfes, was mit der Klarheit des Bildes interferieren kann, und dispergieren Energie, welche ansonsten zu den nützlichen Reflexen beitragen könnte. Jedoch wird in gewisser Weise ein Kompromiß bezüglich der Impedanzanpassung toleriert, um andere Kriterien, insbesondere die Steifigkeit des Fensters, zu erhalten.In addition, it is desirable to adapt the ultrasound impedance of the window to that of the patient in order to avoid reflections at the interface. The corresponding reflections do not contain any useful information, lead to reflections within the scanning head which may interfere with the clarity of the image, and disperse energy which could otherwise contribute to the useful reflections. However, a certain compromise in terms of impedance matching is tolerated in order to maintain other criteria, in particular the stiffness of the window.

Ein flüssiges Medium wird typischerweise zwischen einem mechanisch verschwenkbaren Ultraschallwandler und das entsprechende Abtastkopffenster angeordnet, um eine gesteuerte Bewegung zu ermöglichen, während eine geeignete Ultraschallkopplung zwischen dem Ultraschallwandler und dem Fenster und Patienten bereitgestellt wird. Die Anforderungen an die Kopplung enthalten das Anpassen der Übertragungsgeschwindigkeit und -impedanz zwischen der Flüssigkeit, dem Fenster und dem Patienten aus den gleichen Gründen, wie bereits hinsichtlich der Anpassung des Fensters an den Körper diskutiert worden ist. Zusätzlich muß die Dämpfung der Flüssigkeit berücksichtigt werden, um die Bedingung der effizienten Übertragung von Ultraschall und die Benötigung der Dämpfung von Reflexionen innerhalb des Abtastkopfes, die Abbildungsartifakte erzeugen oder anderweitig die Qualität der Abbildung erniedrigen würden, auszubalancieren.A liquid medium is typically placed between a mechanically pivotable ultrasound transducer and the corresponding scanhead window to allow controlled movement while providing appropriate ultrasound coupling between the ultrasound transducer and the window and patient. The coupling requirements include matching the transmission speed and impedance between the liquid, window and patient for the same reasons as discussed above regarding matching the window to the body. In addition, the attenuation of the liquid must be considered to balance the requirement of efficient transmission of ultrasound and the need to attenuate reflections within the scanhead that would create imaging artifacts or otherwise degrade the quality of the image.

Diese Anforderungen schränken im allgemeinen die Auswahl des Materials des Mediums ein, das eine in einer Kammer eingeschlossene Flüssigkeit ist, wobei die Kammer durch den Körper und das Fenster des Abtastkopfs festgelegt ist. Es ist schwierig, den Bereich von Kopplungsflüssigkeiten, die in mechanisch, abtastend bewegten Abtastköpfen benutzt werden, zu bestimmen, da viele derselben Monopolerzeugnisse sind. Verschiedene organische Flüssigkeiten sind ausprobiert worden.These requirements generally limit the choice of the material of the medium, which is a liquid enclosed in a chamber, the chamber being defined by the body and window of the scanhead. It is difficult to determine the range of coupling fluids used in mechanically scanning scanheads, since many of them are monopoly products. Various organic fluids have been tried.

Häufig werden Materialien im Rahmen eines Versuchs vermischt, um die Charakteristiken jeder Komponente miteinander zu verbinden. Jedoch sind die Wechselwirkungen der Komponenten miteinander in solchen Kombinationen meistens nicht linear, was das Ergebnis einer Mischung unvorhersehbar macht. Obwohl Tabellen für Dämpfung und Impedanz zugänglich sind, ist die Auswahl einer Kopplungsflüssigkeit ein empirisches Verfahren.Often, materials are mixed in an experiment to combine the characteristics of each component. However, the interactions of the components in such combinations are usually non-linear, making the result of a mixture unpredictable. Although tables for attenuation and impedance are available, the selection of a coupling fluid is an empirical process.

Ein Problem bei bekannten Kopplungsflüssigkeiten ist, daß es schwierig ist, einen Parameter von Interesse, beispielsweise, die Impedanz, zu variieren, ohne daß ein anderer Parameter, beispielsweise, die Geschwindigkeit, davon betroffen wird. Oft ist es nicht möglich, eine Flüssigkeitsmischung so zu "kitzeln", daß die gewünschten Eigenschaften erhalten werden. Überdies müssen diese Eigenschaften innerhalb einer akzeptablen Toleranz über einen Bereich von Betriebstemperaturen aufrechterhalten werden, was weitere, ansonsten akzeptable Kopplungsflüssigkeiten ausscheiden läßt.A problem with known coupling fluids is that it is difficult to vary a parameter of interest, such as impedance, without affecting another parameter, such as velocity. Often it is not possible to "tickle" a fluid mixture to obtain the desired properties. Moreover, these properties must be maintained within an acceptable tolerance over a range of operating temperatures, which eliminates other otherwise acceptable coupling fluids.

Eine Anzahl von unterschiedlichen Materialien, beispielsweise, Öl auf Siliziumbasis oder Mischungen aus Glycerin mit Propylenglykol, wurden erfolgreich verwendet als Kopplungsflüssigkeiten für Abtastköpfe mit kleinen Aperturen. Jedoch sind Abbildungen, die mit Abtastköpfen mit großer Apertur unter Verwendung der gleichen Flüssigkeiten hergestellt wurden, von Artefakten befallen, die offensichtlich von inneren Reflexionen herrühren. Es besteht der Bedarf nach einer Ultraschallvorrichtung und nach einem Ultraschallverfahren zum Herstellen klarer Abbildungen, wenn Abtastköpfe mit großen Aperturen verwendet werden. Vorzugsweise würde solch eine Vorrichtung und solch ein Verfahren eine Kopplungsflüssigkeit verwenden, für welche ein Parameter von Interesse angepaßt werden kann, ohne daß die anderen Parameter signifikant verändert werden. US-A-4194150 offenbart einen Ultraschallabtaster, der Glycerin als Kopplungsflüssigkeit verwendet.A number of different materials, for example, silicon-based oil or mixtures of glycerin with propylene glycol, have been used successfully as coupling fluids for small aperture scanheads. However, images produced with large aperture scanheads using the same fluids are affected by artifacts apparently resulting from internal reflections. There is a need for an ultrasonic apparatus and method for producing clear images when using large aperture scanheads. Preferably, such an apparatus and method would use a coupling fluid for which one parameter of interest can be adjusted without significantly changing the other parameters. US-A-4194150 discloses an ultrasonic scanner using glycerin as a coupling fluid.

Die gegenwärtige Erfindung, wie sie in den Ansprüchen 1 und 5 gegeben ist, basiert auf einem Verfahren zum Gestalten eines Abtastkopfes, welches, eher als die Durchlässigkeit zu maximieren, die Dämpfung der Kopplungsflüssigkeit innerhalb eines ausgewählten Bereiches optimiert, um die Amplituden der inneren Reflexionen zu den Zeitpunkt, an welchem Reflexen von Interesse zu dem Ultraschallwandler des Abtastkopfes zurückkommen, bedeutungslos zu machen. Die Kopplungsflüssigkeit zwischen dem Ultraschallwandler und einem Abtastkopffenster enthält eine Mischung aus 1-Butanol und Glycerin, wobei das Verhältnis von 1-Butanol zu Glycerin zwischen 23% und 37% liegt. Die Dämpfung kann durch Aufnehmen einer geeigneten Menge von 2-Hydroxyethylether in die Mischung kontrolliert reduziert werden. Die Erfindung wird vorteilhaftesterweise in einem mechanisch, abtastend verfahrbaren Abtastkopf mit einem Ultraschallwandler mit großer Apertur verwendet. Jedoch ist die Erfindung auch anwendbar bei anderen Ultraschallabtastköpfen, die eine Kopplungsflüssigkeit benutzen.The present invention, as set out in claims 1 and 5, is based on a method of designing a scanhead which, rather than maximizing transmissivity, optimizes the attenuation of the coupling fluid within a selected range to render the amplitudes of the internal reflections irrelevant at the time reflections of interest return to the scanhead's ultrasonic transducer. The coupling fluid between the ultrasonic transducer and a scanhead window contains a mixture of 1-butanol and glycerin, the ratio of 1-butanol to glycerin being between 23% and 37%. The attenuation can be reduced in a controllable manner by including an appropriate amount of 2-hydroxyethyl ether in the mixture. The invention is most advantageously used in a mechanically scanned scanhead with a large aperture ultrasonic transducer. However, the invention is also applicable to other ultrasonic scanning heads that use a coupling fluid.

Die Bedeutung der Dämpfung durch die Kopplungsflüssigkeit ist besonders bei Abtastköpfen mit großen Aperturen sehr entscheidend. In einem Abtastkopf mit schmaler Apertur ist sowohl der Abstand zwischen dem Ultraschallwandler und dem Fenster sowie die Länge des mittleren freien Wegs des Ultraschalls, das heißt, akustische Energie mit einer Frequenz von ungefähr 20 Kilohertz (kHz) oder größer, durch das Medium relativ klein. Dies führt zu relativ vielen Reflexionen pro Zeiteinheit. Jede Reflexion wird begleitet von irgendeiner Dämpfung und irgendeiner Dispersion oder irgendeinem Verlust aufgrund der Übertragung; Reflexionen an dem Ultraschallwandler sind besonders dämpfend. Zu dem Zeitpunkt, an welchem ein Reflex von Interesse an dem Ultraschallwandler ankommt, hat eine ausreichende Anzahl von inneren Reflexionen stattgefunden, so daß die Energie der inneren Reflexe auf ein akzeptables Niveau reduziert ist.The importance of the attenuation by the coupling fluid is particularly critical in scanheads with large apertures. In a scanhead with a narrow aperture, both the distance between the ultrasonic transducer and the window and the length of the mean free path of the ultrasound, that is, acoustic energy with a frequency of about 20 kilohertz (kHz) or greater, through the medium are relatively small. This leads to relatively many reflections per unit time. Each reflection is accompanied by some attenuation and some dispersion or loss due to transmission; reflections at the ultrasonic transducer are particularly attenuating. By the time at which a reflection of interest arrives at the ultrasonic transducer, a sufficient number of internal reflections have occurred so that the energy of the internal reflections is reduced to an acceptable level.

Bei einem Abtastkopf mit großer Apertur ist die mittlere freie Weglänge größer, und daher treten pro Zeiteinheit weniger Reflexionen auf. Mit anderen Worten, die Kopplungsflüssigkeit spielt in einem Abtastkopf mit großer Apertur eine relativ wichtigere Rolle für die Dämpfung innerer Reflexe. Aus diesem Grund liefert die gegenwärtige Erfindung eine Kopplungsflüssigkeit, die stärker dämpft als die normalerweise in Ultraschallabtastköpfen benutzten Flüssigkeiten.In a large aperture scanhead, the mean free path is longer and therefore fewer reflections occur per unit time. In other words, the coupling fluid plays a relatively more important role in damping internal reflections in a large aperture scanhead. For this reason, the present invention provides a coupling fluid that is more dampening than the fluids normally used in ultrasonic scanheads.

Wichtiger ist noch, daß die gegenwärtige Erfindung eine präzisere Kontrolle der Dämpfung durch die Kopplungsflüssigkeit ermöglicht. Da die Kopplungsflüssigkeit in einem Abtastkopf mit großer Apertur einen relativ wichtigen Beitrag zu der Dämpfung innerer Reflexe liefert, folgt es, daß die Arbeitsweise der diese Kopplungsflüssigkeit enthaltenden Ultraschallvorrichtung empfindlicher auf das Ausmaß der Dämpfung, die von der Kopplungsflüssigkeit herrührt, reagiert. Aus diesem Grund ist es wichtig, daß die Dämpfung genau auf ein optimales Niveau eingestellt wird.More importantly, the present invention allows for more precise control of the attenuation provided by the coupling fluid. Since the coupling fluid in a large aperture scan head makes a relatively important contribution to the attenuation of internal reflections, it follows that the operation of the ultrasonic device containing this coupling fluid will be more sensitive to the amount of attenuation provided by the coupling fluid. For this reason, it is important that the attenuation be precisely adjusted to an optimum level.

Es ist herausfordernd, dieses optimale Niveau zu bestimmen. Dieses optimale Niveau variiert, so daß es immer noch schwierig ist, Eigenschaften aus dem Aufbau und der Geometrie eines Abtastkopfes vorherzusagen. Außerdem kann diese optimale Niveau, für einen gegebenen Abtastkopf, abhängig von den Tiefen von Interesse und dem Gewebetyp oder anderen Materialien, die erforscht werden, variieren. Daher werden Kopplungsflüssigkeiten normalerweise empirisch ausgewählt. Dieses empirische Auswählen kann sehr ermüdent sein. Im allgemeinen verändern Abstimmungen einer Flüssigkeitsmischung zum Ändern der Dämpfung die Geschwindigkeit und/oder die Impedanz, was innerhalb von vorherbestimmten Grenzen gehalten werden muß. Flüssigkeitscharakteristiken kombinieren im allgemeinen nicht linear, so daß es schwierig ist, die Werte einer Mischung, ohne Versuche durchzuführen, vorherzusagen. Daher muß eine Mischung, die für einen bestimmten Abtastkopf und eine bestimmte Anwendung geeignet ist, nicht für einen etwas anderen Abtastkopf oder eine etwas andere Anwendung modifizierbar sein.It is challenging to determine this optimal level. This optimal level varies, so it is still difficult to predict properties from the design and geometry of a scanhead. In addition, this optimal level, for a given scanhead, may vary depending on the depths of interest and the type of tissue or other materials being explored. Therefore, coupling fluids are usually selected empirically. This empirical selection can be very tedious. In Generally, adjustments to a fluid mixture to change the damping will alter the velocity and/or impedance, which must be kept within predetermined limits. Fluid characteristics generally do not combine linearly, so it is difficult to predict the values of a mixture without conducting experiments. Therefore, a mixture that is suitable for a particular scanhead and application may not be modifiable for a slightly different scanhead or application.

Die gegenwärtige Erfindung spricht dieses Problem für einen Abtastkopf an, der eine Kopplungsflüssigkeit enthält, dessen Dämpfung genau einstellbar ist, ohne die Anpassung der Geschwindigkeit und der Impedanz zu verschlechtern. Das Verhältnis von 1-Butanol in Glycerin liefert eine relativ dämpfende Flüssigkeit. Niedrigere Dämpfungen werden erreicht durch Zufügen von 2-Hydroxyethylether. Kleine Änderungen der Geschwindigkeit und der Impedanz können durch Anpassen des Verhältnisses von 1-Butanol in Glyzerol ein wenig kompensiert werden.The present invention addresses this problem for a readhead containing a coupling fluid whose damping is precisely adjustable without compromising the velocity and impedance match. The ratio of 1-butanol to glycerol provides a relatively damping fluid. Lower dampings are achieved by adding 2-hydroxyethyl ether. Small changes in velocity and impedance can be somewhat compensated for by adjusting the ratio of 1-butanol to glycerol.

Die gegenwärtige Erfindung liefert eine Ultraschallvorrichtung, die wirtschaftlich ist und eine hohe Leistungsfähigkeit aufweist. Die Wirtschaftlichkeit ergibt sich aus der sehr reduzierten Konstruktionszeit, die notwendig ist, um eine geeignete Kopplungsflüssigkeit zum Erhalten unterschiedlicher Dämpfungen zu finden. Die Komponenten sowie die benötigten Proportionen der Flüssigkeit sind bekannt, um ein bestimmtes Dämpfungsniveau zu erhalten. Dies reduziert erheblich das Ausmaß des Herumexperimentierens, das nötig ist, um eine optimale Arbeitsweise eines Abtastkopfes zu erreichen. Die Leistungsfähigkeit des Abtastkopfes ist erhöht, da Abtastköpfe mit größeren Aperturen anwendbarer gemacht werden und die Dämpfung besser an die Charakteristiken und die Anwendungen eines Abtastkopfes angepaßt werden kann. Dies und andere Merkmale sowie Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die anhängenden Zeichnungen deutlich.The present invention provides an ultrasonic device which is economical and has high performance. The economy results from the greatly reduced design time required to find a suitable coupling fluid to obtain different attenuations. The components as well as the proportions of fluid required to obtain a particular level of attenuation are known. This greatly reduces the amount of experimentation required to achieve optimum performance of a scanhead. The performance of the scanhead is increased because scanheads with larger apertures are made more applicable and the attenuation is better adapted to the characteristics and the applications of a scanning head. This and other features and advantages will become clear from the following description with reference to the attached drawings.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Abtastkopf in Ubereinstimmung mit der gegenwärtigen Erfindung.Fig. 1 is a longitudinal section through a scanning head in accordance with the present invention.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die den Effekt des Hinzufügens von 2-Hydroxyethylether zu einer Mischung aus 1-Butanol in Glycerol in Übereinstimmung mit der gegenwärtigen Erfindung auf die Dämpfung und die Geschwindigkeit aufzeigt.Figure 2 is a graph showing the effect of adding 2-hydroxyethyl ether to a mixture of 1-butanol in glycerol in accordance with the present invention on attenuation and rate.

Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zum Übertragen von Ultraschallenergie von einen mechanisch, abtästend verfahrbaren Ultraschallgenerator zu einem Ultraschallfenster in Übereinstimmung mit der gegenwärtigen Erfindung darstellt.Figure 3 is a flow chart illustrating a method for transmitting ultrasonic energy from a mechanically scannable ultrasonic generator to an ultrasonic window in accordance with the present invention.

Eine Ultraschallvorrichtung 101 enthält ein Elektronikmodul 103 und einen Abtastkopf 105, die schematisch in Fig. 1 gezeigt sind. Das Elektronikmodul 103 enthält eine Übertragungselektronik 107 und eine Empfangselektronik 109, die über ein Kabel 111 angeschlossen sind. Das Kabel 111 enthält Leitungen zum Anlegen von Energie und einem Erdpotential an den Abtastkopf 105, zum Liefern von Impulsen von der Übertragungselektronik 107 an den Abtastkopf 105 und zum Liefern von von dem Abtastkopf 105 empfangenen Signalen an die Empfangselektonik 109.An ultrasonic device 101 includes an electronics module 103 and a scanning head 105, shown schematically in Fig. 1. The electronics module 103 includes transmitting electronics 107 and receiving electronics 109, connected by a cable 111. The cable 111 includes lines for applying power and a ground potential to the scanning head 105, for delivering pulses from the transmitting electronics 107 to the scanning head 105, and for delivering signals received by the scanning head 105 to the receiving electronics 109.

Ein Gehäuse 113 des Abtastkopfes 105 enthält ein Abtastkopfvorderteil 115, ein Abtastkopfhinterteil 117 und einen Abtastkopfgriff 119. Das Vorderteil 115 ist mit dem Griff 119 über einen Griffträger 121 verbunden. Ein Abtastkopffenster 123 ist fest an dem Vorderteil 115 angebracht. Das Fenster 123, das Vorderteil 115 und das Rückteil 117 bilden zusammen eine Kammer 125, welche mit einer Kopplungsflüssigkeit 127 gefüllt ist. Ein Ultraschallwandler 131 ist in einem kugelförmigen Rahmen 133 angebracht, der drehbar an das Vorderteil 115 über Lager 129 angebracht ist. Ein Motor 135 ist in dem Griff 119 mittels einer Motorhalterung 137 eingebaut. Der Motor 135 treibt über eine Welle 141 ein Getriebe 139 an. Eine Wellendichtung 143 verhindert, daß die Flüssigkeit 127 in den Griff 119 entweichen kann. Antriebsbänder 145 übertragen die Bewegung des Getriebes, um eine Führung des Rahmens 133 und somit des Ultraschallwandlers 131 bereitzustellen. Die Bänder 145 sind mit Schrauben 147 an dem Rahmen 133 angebracht, wobei nur eine der beiden Schrauben 147 gezeigt ist. Ein optisches Codiergerät 149 liefert Informationen über die Verschwenkposition, die notwendig zur Herstellung eines Ultraschallbildes sind, an die Empfangselektronik 109.A housing 113 of the scanning head 105 contains a Scanning head front part 115, a scanning head rear part 117 and a scanning head handle 119. The front part 115 is connected to the handle 119 via a handle support 121. A scanning head window 123 is fixedly attached to the front part 115. The window 123, the front part 115 and the rear part 117 together form a chamber 125 which is filled with a coupling fluid 127. An ultrasonic transducer 131 is mounted in a spherical frame 133 which is rotatably attached to the front part 115 via bearings 129. A motor 135 is installed in the handle 119 by means of a motor mount 137. The motor 135 drives a gear 139 via a shaft 141. A shaft seal 143 prevents the fluid 127 from escaping into the handle 119. Drive belts 145 transmit the motion of the gear box to provide guidance of the frame 133 and thus the ultrasound transducer 131. The belts 145 are attached to the frame 133 by screws 147, only one of the two screws 147 being shown. An optical encoder 149 provides information about the pivot position necessary to produce an ultrasound image to the receiving electronics 109.

Die Ultraschallvorrichtung 101 ist typisch für Ultraschallvorrichtungen, die eine ringförmige, phasengesteuerte Ultraschallanordnung benutzen, mit der Ausnahme der Änderungen, die das Einbauen eines Ultraschallwandlers 131 mit einer relativ großen Apertur zum Erhöhen der Empfindlichkeit und die Auswahl der dämpfenden Kopplungsflüssigkeit 127 zum Kompensieren von Rauschproblemen, die aufgrund einer vergrößerten Aperturgröße eingeführt werden, betreffen. Die Apertur des Ultraschallwandlers 127 ist ungefähr 3 Zentimeter (cm), was im Vergleich zu einer typischeren Apertur von 1,5 cm groß ist. Die Kopplungsflüssigkeit 127 ist im wesentlichen eine Zweikomponenten-Mischung, die hauptsächlich aus 1-Butanol (Butylalkohol) in Glycerin besteht, wobei das Verhältnis von 1-Butanol zu Glycerin zwischen 23% und 37% liegt. Diese Zweikomponenten-Mischung ist charakterisiert durch eine Geschwindigkeit von 1540 m/s, eine Impedanz von 1,7 Mrayls und eine Dämpfung von 4,1 dB/cm bei 4,5 MHz. Die Temperaturempfindlichkeit wird durch die Steigung der Geschwindigkeit von -2,4 m/s pro ºC und die Steigung der Dämpfung von -0,1 dB/cm pro ºC gegeben. Sowohl die Geschwindigkeit als auch die Dämpfung nimmt mit höherer Prozentzahl von Butanol ab.The ultrasonic device 101 is typical of ultrasonic devices using an annular phased array ultrasonic device, except for the modifications involving the incorporation of an ultrasonic transducer 131 with a relatively large aperture to increase sensitivity and the selection of the attenuating coupling fluid 127 to compensate for noise problems introduced due to an increased aperture size. The aperture of the ultrasonic transducer 127 is approximately 3 centimeters (cm), which is large compared to a more typical aperture of 1.5 cm. The coupling fluid 127 is essentially a two-component mixture consisting primarily of 1-butanol (butyl alcohol) in glycerine, with the ratio of 1-butanol to glycerine ranging from 23% to 37%. This two-component mixture is characterized by a velocity of 1540 m/s, an impedance of 1.7 Mrayls and an attenuation of 4.1 dB/cm at 4.5 MHz. The temperature sensitivity is given by the gradient of the velocity of -2.4 m/s per ºC and the gradient of the attenuation of -0.1 dB/cm per ºC. Both the velocity and the attenuation decrease with increasing percentage of butanol.

Bei einer anderen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung wird 2-Hydroxyethylether zu der Mischung zum Reduzieren der Dämpfung hinzugefügt. Die Effekte durch dieses Hinzugeben sind für eine beispielhafte Mischung in Fig. 2 dargestellt. Der Ausgangspunkt ist eine 1-Butanol/Glycerin-Mischung mit einer Geschwindigkeit von 1500 m/s, wie durch die Linie 201 angezeigt, und mit einer Dämpfung von 4,1 dB/cm, wie durch die Linie 202 angezeigt. Durch das Hinzufügen von 8 Gew.-% von 2-Hydroxyethylether tritt eine nicht bedeutende Änderung in der Dämpfung und eine kleine Änderung in der Geschwindigkeit, die 1526 m/s wird, auf. Bei einer Mischung mit 11 Gew.-% von 2-Hydroxyethylether ist die Dämpfung drastisch auf 2,9 dB/cm gesunken, während die Geschwindigkeit sich nur wenig verändert hat und 1530 m/s beträgt. Bei einer Mischung mit 15 Gew.-% ist die Dämpfung auf 2,3 dB/cm gesunken, während die Geschwindigkeit auf 1534 m/s ansgestiegen.In another embodiment of the present invention, 2-hydroxyethyl ether is added to the mixture to reduce attenuation. The effects of this addition are shown for an exemplary mixture in Figure 2. The starting point is a 1-butanol/glycerin mixture with a velocity of 1500 m/s as indicated by line 201 and an attenuation of 4.1 dB/cm as indicated by line 202. By adding 8 wt% of 2-hydroxyethyl ether there is an insignificant change in attenuation and a small change in velocity which becomes 1526 m/s. For a mixture with 11 wt% of 2-hydroxyethyl ether the attenuation has dropped dramatically to 2.9 dB/cm while the velocity has changed little and is 1530 m/s. For a mixture with 15 wt.%, the attenuation dropped to 2.3 dB/cm, while the velocity increased to 1534 m/s.

Anders betrachtet kann durch Reduzieren der Prozentzahl von 2-Hydroxyethylether in der Mischung von 15 % zu 8 % ein 78 %iger Anstieg der Dämpfung erreicht werden, während die Geschwindigkeit nur um ein halbes Prozent sinkt. Daher ist eine signifikante Dämpfungskontrolle gewährleistet, während die Geschwindigkeit innerhalb eines schmalen Bereiches konstant gehalten wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß wenige Flüssigkeiten die gewünschte Qualität besitzen, die es ermöglicht, die Dämpfung zu verändern, ohne die Geschwindigkeit aus einem erlaubten Bereich hinauszufahren. Zu Vergleichszwecken sei darauf hingewiesen, daß ein Verändern des Verhältnisses von 1-Butanol zu Glycerin, um das gleiche Niveau der Dämpfung zu erhalten, zu einer nicht akzeptablen Geschwindigkeit von ungefähr 1400 m/s führen würde.Viewed another way, by reducing the percentage of 2-hydroxyethyl ether in the mixture from 15% to 8%, a 78% increase in damping can be achieved while the speed drops by only half a percent. Therefore, significant damping control is ensured while the speed is kept constant within a narrow range. It should be noted that few Liquids have the desired quality that allows the damping to be changed without driving the speed outside of an acceptable range. For comparison purposes, it should be noted that changing the ratio of 1-butanol to glycerine to obtain the same level of damping would result in an unacceptable speed of approximately 1400 m/s.

Fig. 3 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens in Übereinstimmung mit der gegenwärtigen Erfindung. Der erste Schritt 301 ist das Mischen von 1-Butanol in Glycerin, zum Anpassen der Geschwindigkeit und der Impedanz. Der nächste Schritt 302 ist das Hinzufügen, wenn nötig, von 2-Hydroxyethylether, um die Dämpfung auf ein geeignetes Niveau zu erniedrigen. Diese Flüssigkeit ist, in dem Schritt 303, in das Vorderteil des Ultraschallabtastkopfes einzuschließen. Das Fenster des Abtastkopfes muß in dem Schritt 304, auf einen Patienten gedrückt werden, und der Ultraschallwandler des Abtastkopfes muß, in dem Schritt 305, mechanisch, relativ zu dem Patienten abtastend bewegt werden. Ultraschallpulse werden, in dem Schritt 306, von dem Ultraschallwandler durch die Flüssigkeit, durch das Fenster und in den Patienten übermittelt. Zumindest einige der Ultraschallreflexe von den Patienten werden durch das Fenster und die Flüssigkeit übermittelt und, in dem Schritt 307, durch den Ultraschallwandler in elektrische Signale umgewandelt. Diese elektrischen Signale werden dann, in dem Schritt 308, analysiert, um ein Bild zu erzeugen, daß den Patienten charakterisiert.Fig. 3 is a flow diagram of a method in accordance with the present invention. The first step 301 is mixing 1-butanol in glycerin to adjust the velocity and impedance. The next step 302 is adding, if necessary, 2-hydroxyethyl ether to lower the attenuation to an appropriate level. This liquid is to be enclosed in the front of the ultrasound scan head in step 303. The window of the scan head must be pressed onto a patient in step 304 and the ultrasound transducer of the scan head must be mechanically scanned relative to the patient in step 305. Ultrasound pulses are transmitted from the ultrasound transducer through the liquid, through the window and into the patient in step 306. At least some of the ultrasound reflections from the patient are transmitted through the window and fluid and converted into electrical signals by the ultrasound transducer in step 307. These electrical signals are then analyzed in step 308 to produce an image characterizing the patient.

Das Obengesagte ist eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung. Außerdem sind andere Dimensionierungen und Geometrien eines Abtastkopfes möglich. Eine Vielzahl von Übertragungs- und Empfangselektronik steht zur Verfügung, wobei die Elektronik sowohl auf digitaler als auch auf analoger Basis arbeiten kann. Unterschiedliche Ultraschallwandlertypen und -geometrien stehen auch zur Verfügung. Der Körper, der den Ultraschallwandler trägt kann irgendeine der unzähligen Formen und Charakteristiken haben. Eine Vielzahl von Gehäuse und Fenstertypen sowie Materialien können verwendet werden. Das Antriebssystem zum Lenken des Ultraschallwandlers kann eine Vielzahl von Konfigurationen annehmen. Zusätzlich zu den obenbeschriebenen Komponenten kann die Kopplungsflüssigkeit andere Komponenten beinhalten, welche nicht sehr kritische Charakteristiken verändern oder diese Charakteristiken nicht beeinflussen, aber einer zusätzlichen Funktion dienen. Andere Modifikationen und Veränderungen werden durch die gegenwärtige Erfindung, deren Gebiet lediglich durch die folgenden Ansprüche beschränkt ist, bereitgestellt.The above is a description of the preferred embodiments of the present invention. In addition, other dimensions and geometries of a scanning head are possible. A variety of transmit and receive electronics are available, whereby the electronics can operate on both a digital and analog basis. Different ultrasonic transducer types and geometries are also available. The body carrying the ultrasonic transducer can have any of a myriad of shapes and characteristics. A variety of housing and window types and materials can be used. The drive system for steering the ultrasonic transducer can take on a variety of configurations. In addition to the components described above, the coupling fluid can include other components which do not alter very critical characteristics or do not affect those characteristics but serve an additional function. Other modifications and variations are provided by the present invention, the scope of which is limited only by the following claims.

Claims

1. An ultrasonic scanning head (101) comprising a coupling fluid (127) disposed between an ultrasonic transducer (131) and a scanning head window (123), said coupling fluid containing glycerin, characterized in that said coupling fluid further contains 1-butanol, the ratio of 1-butanol to glycerin being between 23% and 37%.

2. Device according to claim 1, characterized in that said ultrasonic transducer (131) converts electrical pulses into ultrasonic energy and ultrasonic energy into electrical signals, the device further comprising transmission electronics (107) connected to said ultrasonic transducer for supplying said electrical pulses to said ultrasonic transducer and reception electronics (109) connected to said ultrasonic transducer for evaluating said electrical signals.

3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a body (113) carrying said ultrasonic transducer (131) so that the translational position of the ultrasonic transducer can be controlled by moving the body, said casing (115) is fixedly connected to said body, and drive means (135) moves said ultrasonic transducer relative to said body so that the ultrasonic energy emitted by said ultrasonic transducer can be sensed relative to said body.

4. Device (101) according to any one of the preceding claims, characterized in that said liquid (127) also contains 2-hydroxyethyl ether.

5. A method for coupling acoustic energy into an ultrasonic system contained in a scanning head (105) having an ultrasonic generator (131) and an ultrasonic window (123), characterized by filling (303) the space between said ultrasonic generator (131) and said ultrasonic window (123) of said scanning head (105) with a coupling fluid containing glycerin, and characterized in that said coupling fluid further contains 1-butanol, the ratio of 1-butanol to glycerin in said coupling fluid being between 23% and 37%.

6. A method according to claim 5, characterized in that it further comprises the steps of: pressing (304) said ultrasonic window (123) against an organism; scanning (305) the ultrasonic generator (131) relative to said organism; transmitting (306) a series of electrical pulses to said ultrasonic transducer (131) so that a series of ultrasonic pulses are generated; transmitting (306) said ultrasonic pulses from said coupling fluid (127) through said window (123) and into said organism, through said window and through said fluid to said ultrasonic transducer to produce electrical signals; and analyzing (308) said signals to characterize said organism.