DE7202218U - Fokussierter Ultraschallwandler - Google Patents

Description

Fokussierter Ultraschallwandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen fokussierten Ultraschallwandler mit einem Signalauswerter für von bestimmten Stellen eines Körpers ausgehende Ultraschallsignale und Mitteln zur Veränderung des Fokusabstandes,

Ultraschallwandler dieser Art werden z.B. in der Medizin zur Darstellung von Grenzflächen Verwendet, Sie dienen dabei zum Empfang eines von einer Grenzfläche reflektierten Signals(Echos) und erfassen die Laufzeit des jeweils empfangenen Signals. Aas ' dieser Laufzeit können Rückschlüsse auf die Lage von Grenz- : flächen und damit die Lage von Organen oder Körperteilen gezogen werden,

Für diesen Zweck ist eine Anordnung bekannt, bei der der Ultra- : schallwandler schwach gekrümmt ist und einen schwach ausgeprägten Fokus besitzt. Die verhältnismäßig schwache Ausprägung des Fokusses ist erforderlich, damit innerhalb des gewünschten Ab-

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tasttiefenbereichs das Auflösungsvermögen an den Bereichsgrenzen nicht zu sehr abnimmt. Eine Steigerung der Auflösung in der Nähe des Fokusses ist möglich, wenn der Fokus stärker ausgeprägt

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d.h. Signale, die von Bereichen reflektiert werden, deren Abstand vom Fokus ein bestimmtes Maß überschreitet, werden weniger gut erfaßt und verwaschener dargestellt. Die Ausprägung des Fokusses ist daher beim Stand der Technik so gewählt, daß die Auflösung an Jeder Stelle des gewünschten Abtastbereichs noch innerhalb vorbestimmter, für einen einwandfreien Empfang erforderlicher Grenzen liegt.

Ein fokussierter Ultraschallwandler kann auch zur Ermittlung von Strömungsgeschwindigkeiten, z.B. der Blutflußgeschwindigkeit in einem Blutgefäß, benutzt werden, wenn die wegen des

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auftretende Frequenzverwerfung zwischen der ge-

sendeten und der empfangenen Frequenz der Ultraschallimpulse als Maß für die Geschwindigkeit des strömenden Mediums benutzt wird. Auch in diesem Fall ist es erwünscht, daß der Fokus des Ultraschallempfängers in dem abzutastenden Bersich des die Ultraschallwellen reflektierenden Körpers liegt. Damit verschiedene Körperbereiche auf diese Weise abgetastet werden j können, ist es erwünscht, daß der Fokusabstand, d.h. der Ab- j stand des Fokusses vom Ultraschallwandler, , verändert werden ! kann. j

Zur Veränderung des Fokusabstandes eines Ultraschallwandlers ist. prinzipiell die Anwendung einer bekannten akustischen Linse mög-j lieh, deren Brennweite z.B. durch Veränderung des Drucks einer ' die Linse ausfüllenden Flüssigkeit verändert werden kann. Nach- j teilig ist dabei jedoch, daß die Veränderung der Brennweite j nicht mit einer für alle Anwendungsfälle erforderlichen Schnei- , ligkeit möglich ist, und daß an solchen Linsen Mehrfachreflexio-: nen auftreten können, die das Untersuchungsergebnis verfäl- ; sehen« .'■... "* :

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Aufgabe der Erfindung ist es, einen fokussierten Ultraschall- :

wandler der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der Ab- ■

stand des Fokusses in einfacher Weise schnell geändert werden ■

kann und bei dem die Mittel zur Veränderung des Fokusses die !

empfangenen Signale nicht beeinflussen. :

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine dem gewünschten Auflösungsvermögen entsprechende Anzahl von räumlich neben- ! einanderliegenden Wandlerelementen für die Ultraschallsignale, j die über steuerbare Laufzeitglieder am Signalauswerter ange- j schlossen sind und eine Steuereinrichtung für die Laufzeitglie- | der, durch die die Ausgangssignale der Wandlerelemente im Sinne \ I des jeweils gewünschten Fokusabstaiides verzögerbar sind. Beim Er-' findungsgegenstand ist im Gegensatz zum Stand der Technik nicht j nur ein einziges Wandlerelement für die Ultraschallsignale, j j sondern eine Vielzahl von solchen Wandlerelementen vorhanden. j Durch geeignete Verzögerung der Ausgangssignale dieser Wandler= i elemente kann der jeweilige Fokusabstand sagest eilt werden· j Durch kontinuierliche oder stufenweise Veränderung dieser Ver- j zögerung kann dabei auch eine Bewegung des Fokusses während
des Empfangs erreicht werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen· Es
zeigen: '

Fig. 1 eine Ultraschallsende- und Empfangsanlage mit einem ; Ultraschallwandler gemäß der Erfindung und ^:

Fig. 2 bis 4 die Ausbildung der Ultraschallwandlerelemente :

bei der Anlage gemäß Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, j

Die in der Fig. 1 dargestellte Anlag? umfaßt Ultraschallwandler- _i elemente 1 bis 5$ von denen ULe Elemente 1 bis 4 auf einer Ku- j.

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gelkalotte als konzentrische Ringe angeordnet sind, und von denen das Element 5 im Zentrum dieser Kugelkalotte liegt. Die !Elemente 1 'bis 5 dienen zur Aussendung und zum Empfang von Ultra-[schallimpulsen. Zur Erzeugung der Ultraschallimpulse dient ein ι j Sender 6_t welcher über Sendeimpuisübertrager· 7 bis 11 an die , Elemente 1 bis 5 angekoppelt ist und von einem zentralen Takt- _; geber 12 gesteuert wird. Die Elemente 1 bis 5 sind an Laufzeit- · gliedern 13 bis 17 angeschlossen, deren Ausgänge mit dem Ein- : gang eines Signalauswerters 18 verbunden sind. Der Signalauswerter "18 .#ird vom Taktgeber 12 über eine Dämpfungsausgleichseinrichtung 19 gesteuert.

Die in der Fig, 1 dargestellte Anlage arbeitet nach dem Impulsreflexionsverfahren. Der Taktgeber 12 bewirkt, daß alle Elemente 1 bis 5 zunächst gleichzeitig einen Ultraschallsendeimpuls, welcher durch den Sender 6 erzeugt wird, aussenden. Dieser Ultraschallsendeimpuls durchläuft den zu untersiichenden. Körper und wird an jeder Grenzschicht teilweise reflektiert.

Nach dem Ende des Ultraschallsendeimpulses bewirkt aor Taktgeber 12 die Abschaltung des Senders 6 und die Umschaltung auf Empfang. Die besten Empfangserp;ebnisse werden erzielt, wenn dann, wenn ein von einer Grenzschicht reflektierter Ultraschallimpuls an den Elementen 1 bis 5 eintrifft, der Fokus der die Elemente 1 bis 5 umfassenden Ultraschallantenne 20 in diejenige Grenzschicht, fällt, die diesen Impuls reflektiert hat. Wenn also ein Körper mit mehreren hintereinanderliegenden Grenzschichten untersucht werden soll, wird die größte Empfangsempfindlichkeit und maximale Auflösung erzielt, wenn der Fokus dem Eintreffen der reflektierten Ultraschallimpulse entsprechend wandert, d«h. der Fokusabstand entsprechend verändert wird.

Eine Veränderung des Fokusabstandes ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch möglich, daß die Laufzeitglieder

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bis 17 von der Steuereinrichtung 21 der gewünschten Abstands- ; änderung vies Fokusses entsprechend beeinflußt werden. Die Steuereinrichtung 21 wird vom Taktgeber 12 über eine Verzö- i gerungseinrichtung 22 nach dem Ende eines Ultraschallsendeimpulses eingeschaltet und verändert die Laufzeiten der Lauf- \ zeitglieder 13 bis 17 während des Empfangs so, daß der Fokus \ von einer Anfangsposition 23, die der ersten Grenzfläche des ; untersuchten Gegenstandes bzw. der Hautoberfläche des Patienten entspricht, bis zu einer Endposition 24 läuft, die durch : die geometrische Ausbildung der Ultraschallantenne 20 bestimmt ist. Die Endposition 24 erreicht der Fokus dann, wenn der letzte, der reflektierten Ultraschallimpulse die Antenne 20 erreicht. ■ Da jeder empfangene Ultraschallimpuls den Weg zwischen der Antenne 20 und der entsprechenden Grenzschicht zweimal durch- ; läuft, muß der Fokus von seiner Position 23 bis zu seiner Position 24 mit der halben Schallgeschwindigkeit bewegt werden, damit er immer dann an einer Grenzschicht ankommt, wenn der von dieser Grenzschicht reflektierte Ultraschallimpuls die Antenne 20 erreicht. In diesem Fall wird die größte Empfindlichkeit und Auflösung erzielt. Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Fokusses von der halben Sehallgeschwindigkeit in dem zu untersuchenden Körper abweicht,, wird nur ein Teil der reflektierten Ultraschallimpulse mit der maximalen Empfindlichkeit empfangen. Die Folge davon ist, daß dann, wenn des Signal aus wert er 18 z.B. ein Sichtgerät ist, ein Teil der Grenzschichten scharf und ein anderer Teil unscharf abgebildet wird.

Die Anlage gemäß Fig. 1 bietet gegenüber einer bekannten Anlage zur Untersuchung eines Körpers mittels Ultraschall, bei der die an den Grenzflächen reflektierten Ultraschallimpulse empfangen und daraus ein Bild des durchstrahlten Körpers auf einem Sichtgerät gewonnen wird und bei der die Ultraschallantenne einen nur schwach ausgeprägten ortsfesten Fokus besitzt, des-

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Ι sen Ausbildung dem zu untersuchenden Körperbereich entspricht, j folgende Vorteile ι

;Die Auflösung ist in beiden zur Strahlrichtung senkrechten Rich-I tungen wesentlich verbessert; weil eine wesentlich schärfere Bündelung in den abgetasteten Bereichen wegen des scharfen, bewegten Fokusses erfolgt. Wegen dieser scharfen, mitlaufenden Bündelung werden Störsignale und Mehrfachreflexionen weitgehend unterdrückt. Die Eindringtiefe wird gegenüber dem Stand der Technik erhöht, insbesondere dann, wenn der geometrisch bedingte Fokus mit der größten abzubildenden Tiefe übereinstimmt. Die reflektierten Ultraschallimpulse v^Terden innerhalb eines größeren Raumwinkels erfaßt, Schräglagen der abgetasteten Reflexionsflächen in bezug auf den Zentralstrahl der Ultraschillantenne spielen praktisch keine Rolle.

Die in der Fig. 1 dargestellte Anlage erlaubt es, ein Bild des durchstrahlten Körpers im On-line-Betrieb darzustellen, da keine nachträgliche Signalverarbeitung durchgeführt werden muß* Die Anlage ist daher unempfindlich gegenüber körperinternen Bewegungsvorgängen.

Beim Stand der Technik werden Echos nur nach Richtung und Laufzeit ausgewertet« Es werden also Störechos, die durch •Mehrfachreflexionen innerhalb der Empfangscharakteristik der Ultraschallantenne entstehen, ebenfalls angezeigt« Bei der Anlage gemäß Fig. 1 erfolgt eine solche Anzeige nicht, weil der Fokus der Antenne dem Eintreffen der Nutzechos an der Antenne entsprechend wandert. Wegen des verhältnismäßig großen Raumwinkels, innerhalb dessen eine Aussendung und Auswertung der reflektierten UltraschalliHpulse (Echos) erfolgt, ist es möglich, auch Grenzflächen zu erfassen, die hinter verhältnismäßig stark schalldämpfenden Objekten, z.B. Rippen,*liegen«

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• ·. I ι Λ .

!Die Antenne 20 gemäß Fig. 1 ist so ausgebildet, daß die Position 24 des Fokusses, die dem geometrischen Fokus entspricht, [gleich der maximalen Eindringtiefe ist. Dadurch wird unter anderem erreicht, daß die Zunahme des Empfangsfokusses mit der Tiefe durch die Abnahme des Durchmessers des Sendeimpulses kompen- '' siert wird. Die Auflösung ist daher im gesamten. Abbildungsbereich annähernd konstant. Durch Veränderung der Laufzeiten der I Lauf zeitglieder .13 bis 17 wird darm die Bewegung des Fokusses bis zu seiner Endposition 24 mit halber Schallgeschwindigkeit erreicht. Da die Energiedichte des Sendeimpulses infolge der star¹· ^jken Fokussierung mit zunehmender Tiefe ebenfalls zunimmt, wird i dadurch bereits ein Teil der Dämpfung der Ultraschallschwingun- i gen in dem durchstrahlten Körper ausgeglichen. Der Restaus- i gleich erfolgt in bekannter Weise durch nichtlineare Anhebung j der Verstärkung im Impulsauswerter 18 in Abhängigkeit von der j Fokusbewegung durch die Dämpfungsausgleichseinrichtung 13. . j

Die Laufzeiten der Laufzeitglieder 13 bis 17 müssen zur Bewe- , j gung des Fokusses der Ultraschallantenne 20 nicht stufenlos ver-j änderbar sein. In der Praxis ist es ausreichend, wenn die Ände- | rung dieser Laufzeiten in genügend kleinen Stufen eyfolgt. Die j Stufenzahl wird dabei dem gewünschten Auflösungsvermögen ent- ;

sprechend gewählt. ;

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Wenn der Fokus der Ultraschallantenne 20, wie beschrieben, immer^; dann auf einer Grenzfläche liegt, wenn ein von dieser Grenzflä- ; ehe reflektierter Ultraschallimpuls die Ultraschallantenne 20 erreicht, ist die Empfindlichkeit der Ultraschallantenne 20 ', zwar sehr groß, Nachbarbereiche der gerade erfaßten Grenzfläche werden aber nur sehr schlecht abgebildet. Damit auch Nachbarbereiche mit erfaßt werden, kann es zweckmäßig sein, die Auflösung elektronisch zu verändern, indem zwischen dem Fokus der Ultraschallantenne 20 und der jeweiligen Entfernung derJenigen Grenzflächen, die den bei der Ultraschal!antenne 20 an- !

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kommenden Ultraschallsignalen entsprechen, ein einstellbarer Abstand vorgesehen wird. Dies kann z.B. beim orientierenden Aufsuchen bestimmter Grenzflächen vorteilhaft sein.

^! In den Fig. 2 und 3 ist die Ultraschallantenne 20 gemäß Fig. 1 genauer dargestellt. Die Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Wandlerteils der Ultraschallantenne 20 von der konvexen Seite und die Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Ultras. lallantenne 20. Auf der konvexen Se^ ce der kalottenförmigen Ultraschallantenne 20 sind die Elemente 1 bis 5 ringförmig angebracht. Diese Elemente bestehen aus piezoelektrischem Material, welches mit einem Dämpfungskörper 21 verbuxiden ist. In der Fig. 2 sind nur die beiden Elemente 1 und 2 dargestellt. Die übrigen Elemente 3 bis 5 liegen konzentrisch zu den Elementen 1 und 2. Mit 31 bis 35 sind die elektrisch aktiven Elektroden der Ultraschallantenne 20 bezeichnet. Jeweils zwei benachbarte Elemente sind durch Zwischenräume voneinander getrennt. Die Zwischenräume sind mit elektrisch und akustisch isolierendem Material ausgefüllt. Es kann dazu das Material des Dämpfungskörpers verwendet werden. Die gemeinsame Masseelektrode 23 der Ultraschallantenne 20 ist auf der konkaven Seite der Elemente 1 bis 5 an-

! geordnet.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist ein kugelkalottenförmiger Wandlerkörper 24 vorhanden, auf dessen Rückseite die aktiven Elektroden 31 bis 35 in Form konzentrischer Ringe aufgebracht sind. Durch den Dämpfungskörper 21 wird die gegenseitige Beeinflussung der konzentrischen Ringe reduziert. Unter Umständen ist es sinnvoll, zur besseren Trennung Rillen in den verbleibenden Zwischenstegen vorzusehen und diese mit dem Dämpfungsmaterial auszufüllen, wie dies in der Fig. 4 dargestellt ist.

Der Erfindungsgegenstand ist in Verbindung mit den Fig· 1 bis anhand des Impulsreflexionsverfahrens zur Untersuchung veλ Kör-

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!pern mittels Ultraschall beschrieben. Er ist aber allgemein immer dort anwendbar, wo eine Fokussierung des Ultraschallwandlers j erfolgen soll und wo der Fokusabstand, d.h. der Abstand des

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!Erfindungsgegenstand ist z.B. auch zur Bestimmung von Strömungs-ίgeschwindigkeiten von strömenden Medien mittels der auftretenden ι FrequenzVerwerfung infolge des Dopplereffekts anwendbar, wenn ! die Ultraschallantenne unterschiedlichen Verhältnissen, d.h. unterschiedlichen Abständen der Leitungen für die strömenden Medien im Körper von der Ultraschallantenne angepaßt werden soll. Die Anwendung kann in der Medizin zur Untersuchung von Patienten aber auch auf anderen Gebieten,, z.B. zur zerstörungs- ■ freien Materialprüfung oder bei Unterwasserschalluntersuchungen j erfolgen.

j Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 kann das Laufzeitglied "J5. j auch entfallen; weil eine gestaffelte Verzögerung der von den ι ! Elementen 2 bis 5 gelieferten Ausgangssignale gegenüber den ; j Signalen ausreicht, die von dem am Rande der Kugelkalotte lie- ; S genden Element 1 erzeugt werden· j

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Claims (6)

Siemens Aktiengesellschaft Erlangen, 12e März 1975 Henkestraße 12? Akt.Z.: G 72 022 18.5 VPA 72/5007 Kue/Kli - 10 - Schutzansprüche

1. !Okulierter Ultraschallwandler mit einem Signalauswerter für von bestimmten Stellen eines Körpers ausgehende Ultraschallsignale und Mitteln zur Veränderung des Fokusabstandes, gekennzeichnet durch eine dem gewünschten Auflösungsvermögen entsprechende Anzahl von räumlich nebeneinanderliegenden Wandlerelementeii (1 bis 5), von denen jedes mit einem Anschluß für steuerbare Laufzeitglieder (13 bis 17) versehen ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (1 bis 5) auf einer Kugelkalotte angeordnet sind, deren Krümmung der maximalen E-Ix-dringtiefe des Ultraschallwandlers entspricht.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (1 bis 5) auf der Kugelkalotte als konzentrische Ringe angeordnet sind.

4.. Ultraschailwandler nach Anspruch 3, mit piezoelektrischen Zellen als Wandlerelemente, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Masseelektrode (23) auf der konkaven Seite und elektrisch aktive Elektroden (31 bis 35. auf der konvexen Seite der auf einer Kugelkalotte angeordneten Wandlerelemente (1 bis 5) angeordnet sind.

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5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den aktiven Elektroden Nuten in einem die Wandlerelemente (1 bis b) bildenden Wandlerkörper (24) angeordnet sind, die Jiiit elektrisch und akustisch isolierendem Material ausgefüllt sind.

6. Ultraschallwandler nach einem der Anspr' ^he 1 bis 5, dadurch gekennzeichr, t_} daß zwischen dem Fokus und der jeweiligen Entfernung derjenigen Flächen im Körper, die den beim Wandler ankommenden Ultraschallsignalen zugeordnet sind, ein 3instellbarer Abstand vorhanden ist.

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