DK147751B - Apparat til frembringelse af tvaersnitsbilleder ved hjaelp af ultralyd - Google Patents

Description

i 147751 o

Opfindelsen angår et apparat til fremstilling af tværsnitsbilleder ved hjælp af ultralyd, således som nærmere angivet i krav l*s indledning.

I kardiologien synes ultralyd-afbildning med 5 drejning af strålen, se fig. 1, at give bedre resultater end med lineær stråleforskydning, se fig.l. Grunden dertil er det lille akustiske vindue, gennem hvilket afbildningen må foretages. Det begrænses af brystben og lunge og måler omtrentligt 2 x 7 cm. Desuden vanskeliggør 10 ribbenene afbildningen af hjertet. En såkaldt sektor-scanner (sektor-afsøger) kræver kun en åbning på få kvadratcentimeter og er derfor optimalt velegnet. En lineær scanner har derimod en længde, som oftest overstiger 10 cm, og udnyttes derfor kun dårligt. Til frembringelse af 15 ultralyd-afbildninger, der frembringer tværsnitsbilleder, bevæges i almindelighed en ultralydomsætter mekanisk. Det har forskellige ulemper. Bevæges omsætteren med hånden, bliver afsøgningen langsom og afhængig af den betjenende persons dygtighed. Bevæges ultralydomsætteren derimod af 20 en motor, er det i almindelighed nødvendigt med et vandbad, som er forholdsvis tungt. Den yderligere vejstrækning gennem vandbadet medfører endvidere en reduktion af den størst mulige billedfrekvens.

Til at afhjælpe disse ulemper er der derfor ud-25 viklet ultralyd-billedapparater med elektronisk afsøg ning, i hvilke ultralydstrålen forskydes lineært med tiden.

Hidtil kendte scannere arbejder enten efter princippet med fasestyrede omsætterbatterier, jfr. J. Kisslo, 30 OT. V. Ramm, F.L. Thurstone: "A phased array Ultrasound system for cardiac imaging", Proceedings of the second European Congress on Ultrasonics in Medicine, Munich, 12-16 May 1975, pp. 67-74, edited by E. Kazner M. de

Vilieger, H.R. Muller, V. R. Mccready, Excerpta Medica 35

Amsterdam - Oxford 1975, eller som mekaniske kontakt -scannere, jfr. A. Shaw, J. S. Pato N. L. Gregory, D. J.

147751 2 o

Wheatley: "A real time 2-dimensional ultrasonic scanner for clinical use", Ultrasonic, January 1976, pp. 35-40.

Et apparat af den indledningsvis omtalte art er kendt fra hollandsk patentansøgning nr. 7.602.288. En 5 ulempe ved dette apparat består i at dets lydhovede er forholdsvis stort og tungt, hvilket vanskeliggør appara-tets anvendelse.

Fra tysk offentliggørelsesskrift nr. 2.215,001 kendes endvidere et ultralydapparat med et omsætterbat-10 teri, i hvilket grupper af indbyrdes tilstødende omsætterelementer i omsætterbatteriet kan indkobles cyklisk efter hinanden.

I det følgende beskrives en bue-scanner, der arbejder efter samme princip som en lineær scanner og har 15 ensektor-scanneres affølingsområde.

Det er på baggrund heraf opfindelsens formål at anvise udformningen af et apparat af den indledningsvis angivne art, der afhjælper ovenfor omtalte ulempe og hvorved der på enklere måde end hidtil kan opnås en sektor-20 -afsøgning, og dette formål opnås ved et apparat, som ifølge opfindelsen tillige udviser de i krav 1's kendetegnende del angivne træk.

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret under henvisning til tegningen, på hvilken 25 fig. 1 viser skematisk det område, der kan afføles med en sektor-scan, fig. 2 skematisk det område, der kan afføles med en lineær stråleforskydning, fig. 3 skematisk det område, der kan afføles med 30 en ikke vist, bueformet omsætterindretning, fig. 4 skematisk og i tværsnit et lydhoved med en bueformet omsætterindretning, fig. 5 viser en lineær scanner til dannelse af en cylindrisk bølgefront, 35 fig. 6 viser en bue-scanner til dannelse af en svagt krummet bølgefront, 147751

O

3 fig. 7 viser en bueformet omsætterindretning til at tilvejebringe et fasestyret ultralydomsætterapparat, fig. 8 tjener til forklaring af dimensioneringen af en bueformet omsætterindretning ifølge opfindelsen, 5 fig. 9 viser en bueformet omsætterindretning, hvis segmenter afsmalner udefter.

Fig. 1 og 2 viser skematisk det område, der kan afsøges med en sektor-scan henholdsvis en lineær stråleforskydning. Kernen i bue-scanneren består af et lineært "array", 10 hvis segmenter ikke er anbragt på en ret linie, men på en cirkelbue. Det område, der kan afføles dermed, er vist i fig. 3. Omsætteren må man, som det allerede var tilfældet i fig. 1 og 2, tænke sig foroven i billedet. Hvis man nu anvender den øverste halvdel af området som forudløb og kun 15 benytter den nederste halvdel til afbildningen, får man et system med stråledrejning som vist i fig. 1. Det komplette lydhoved i en elektronisk bue-scanner er vist i fig. 4.

I den øvre del af et hus 301 ligger en bueformet, piezoke-ramisk omsætter 302, på hvis overside de enkelte elektroder 20 303 er antydet. Den i retning opefter udstrålede ultralyd tilintetgøres i absorberen 304. Den nedre del af huset er beklædt med lydabsorberende materiale 305 og fyldt med et medium 306, som overfører ultralyd. I retning nedad er lydhovedet lukket med en membran 307. Denne befinder sig 25 i centrum af den cirkelbue, som omsætteren danner, dvs. pa det smalleste sted af det område, der kan afføles, se fig.

3, For at eliminere flerdobbelte reflektioner mellem membran og omsætter fra afbildningen bør løbetiden mellem membran og omsætter være nøjagtigt lige så stor som mellem 30 membranen og det fjerneste objekt, der netop skal indgå i afbildningen. Med vand som forudløb betyder dette, at omsættercirklens radius præcist skal svare til den maksimale indtrængningsdybde, da det menneskelige legeme og vand omtrentligt har samme lydhastighed, nemlig ca. 1500 m/sec.

35

O

147751 4

Stråleformen kan optimeres. Aktiverer man alle segmenter i en omsættergruppe, der er indkoblet samtidig med samme fase, fokuseres lydstrålen i buens centrum, altså ved membranen. Med tiltagende indtrængningsdybde bli-5 ver den stadig bredere, og dermed bliver systemets laterale opløsning stadig ringere. En betydelig forbedring opnår man, idet man ikke lægger brændpunktet i buens centrum, men i et punkt, der befinder sig i en afstand fra membranen 307, der svarer til ca. 2/3 af den maksimale 10 afbildningsdybde. Dette opnår man ved en tilsvarende fase-tildeling af de enkelte omsætterelementer ved sending og modtagning. Fasetildelingen har her det modsatte fortegn af det, der var tale om ved den ovenfor beskrevne lineær scanner. Grunden hertil er for senderens vedkommende tyde-15 liggjort i fig. 5 og 6: Ved den lineære scanner, se fig. 5 dannes der af en oprindeligt lige bølgefront, som er vist med optrukne linier, en cylindrisk, der er vist med stiplede linier. Jo længere man fjerner sig fra stråleaksen, desto stærkere må signalet løbe fasemæssigt foran. Ved bue-20 -scanneren derimod, se fig. 6, dannes der af en stærkt krummet bølgefront, som er vist med optrukne linier, en svagt krummet, der er vist med stiplede linier. Signalet må altså med tiltagende akseafstand løbe stadig mere bagefter. For modtagningens vedkommende gælder ganske 25 tilsvarende betragtninger. Hvorvidt en apodisation, dvs. en afsvækkelse af de ydre elementers amplituder ved sending og modtagning, yderligere forbedrer stråleformen, •afhænger af omsættergruppens specielle dimensionering.

Fremfor alt spiller antallet af de forskellige faser, som 30 benyttes til fokuseringen, en afgørende rolle.

Hidtil har der kun været tale om stråleformningen i affølingsretningen. Det er imidlertid fordelagtigt også at fokusere svagt i retning vinkelret derpå. Brændpunktet vælger man hensigtsmæssigt på samme sted som i den første 35 retning, nemlig ved 2/3 af den maksimale afbildningsdybde. Fokuseringen opnår man enten ved en tilsvarende krum- 147751

O

5 met form af omsætteren eller ved hjælp af en foran omsætteren bygget akustisk linse. Eventuelt kunne bundtningen naturligvis også i denne retning opnås elektronisk som ved den lineære scanner, hvis man affinder sig med, 5 at systemet bliver mere kompliceret. Ud fra numeriske beregninger lader det ikke til, at man ved desuden at apo-disere opnår nogen yderligere forbedring af stråleformen. Renoncerer man imidlertid på en fokusering i den anden retning, hvad der er ensbetydende med en væsentlig forenk-10 ling af konstruktionen, er en apodisation fordelagtig.

Man opnår den eksempelvis ved hjælp af segmenter, som i retning udad bliver stadig smallere se fig. 9.

I elektronisk henseende frembyder bue-scanneren alle de fordele, som også er knyttet til den lineære scan-15 ner. Ulempen ved den er det fornødne vand-forudløb, der gør lydhovedet tungt og uhåndterligt, og som i sammenligning med en scanner uden forudløb resulterer i en halvering af den maksimale billedfrekvens. Forudløbet og dermed lydhovedet lader sig formindske, hvis man i stedet for vand 20 anvender en substans, der har en lavere lydhastighed. En hel del organiske væsker og også mange silikonkautsjukker har lydhastigheder omkring 1000 m/sec. Det betyder en forkortelse af forudløbet med 1/3 og reduktion af lydhovedets volumen med mindst halvdelen. Man må ganske vist i så fald 25 affinde sig med en forstærket refleksion og en bøjning af lydstrålen i grænsefladen mellem forudløb og legemsvæv.

En yderligere, ganske betydelig formindskelse af lydhovedet kan opnås, hvis man ikke benytter bue-scanneren som lydhoved, men som signalprocessor for et "phased array".

30 Fig. 7 illustrerer denne anvendelsesmulighed. En omsættergruppe 401, som består af flere segmenter af en bueformet omsætter 402, udsender en ultralydstråle 403, som i buens centrum rammer et "phased array" 404, hvis segmenter er anbragt parallelt med den bueformede omsætter 404's. Dermed 35 bliver lydfeltet segmentvis fasefølsomt detekteret og over-

O

6 14775! ført til et andet "phased array" 405/ som danner det egent-, lige lydhoved og rekonstruerer lydfeltet på stedet for det første "phased array" og udstråler en tilsvarende ultralydstråle 406. Dette arangement kan, som det let vil indses, 5 også anvendes i den modsatte retning. Det egner sig altså til sending og modtagning. Der er formålstjenligt mellem dé to "phased arrays" pr. segment i hvert enkelt tilfælde at indbygge en sende- og en modtagemellemforstærker. I fig.

7 er disse forstærkere udeladt af hensyn til overskuelig-10 heden.

På dette sted må det endnu nævnes, at det fra det andet "phased array" 405 udstrålede lydfelt ikke behøver at være identisk med det af det første "phased array" 404 detekterede. Hvert segments signaler kan ved hjælp af 15 de ovenomtalte mellemforstærkere ændres i fase- og amplitudemæssig henseende. Dermed har man en yderligere mulighed for at forbedre lydstrålens bundtning og dermed systemets opløsning i sideretningen.

Fordelen ved dette arrangement i sammenligning 20 med et raditionelt "phased array"-system ligger i, at lydstrålens vinkelafbøjning opnås med enkle midler. Strengt taget gælder dette hovedsagelig for driften som modtager.

Ved sending lader vinkelafbøjningen sig relativt simpelt realisere digitalt, men for modtagelsen har det hidtil 25 været nødvendigt at præstere en betydelig indsats i form af forsinkelsesledninger og kontakter. Der frembyder sig derfor en hybrid løsning, ved hvilken det "phased array" drives direkte ved sendingen, og bue-scanneren kun anvendes som modtagelsessignalprocessor.

30 Afslutningsvis vil endnu et simpelt eksempel på en buescanner til kardiologiske anvendelser blive beskrevet, se fig. 8 og 9. Om systemet gives følgende oplysninger:

Frekvens 2 MHz maksimal indtrængningsdybde 15 cm 35 aftastningsvinkel 50-60° segmentantal 64 147751

O

7 faser, som skal benyttes 0°, 90° forudløb vand forkusering kun i én retning.

Under disse grænsebetingelser gennemføres der ved 5 hjælp af computerberegnede lydfelter en optimeringsproces, som leverer den efterfølgende dimensionering.

Som vist i fig. 8 danner omsætterindretningen 302 et cylinderafsnit. Dets radius R er 15 cm, dets bredde B = 2 cm og dets buelængde 17,6 cm svarende til en vinkel på 10 Θ = 67,2°. Omsætteren er opdelt i 64 segmenter med en bredde S = 2,75 mm. Man benytter til sending og modtagning i hvert enkelt tilfælde 12 elementer samtidig. En sådan gruppe er vist i fig. 9. Randene af de enkelte elementer 411 dannes af cirkelbuer. Denne formgivning fører til den øn-15 skede apodisation og forbedring af stråleformen. Ved sending og modtagning lader man de ydre seks elementers signaler løbe 90° efter de indre seks elementers. Dette svarer til en fokusering i et punkt, som ligger i en afstand af ca. 25 cm fra omsætteren. Samtidig afvejes ved sending og 20 modtagning af de ydre seks elementers amplituder med en faktor 0,5 og de indre seks elementers med en faktor 1.

Med denne omsætter opnår man i affølingsplanet i hele det område, der kan anvendes, en opløsning på mindst 4 mm. I retningen vinkelret derpå er opløsningen på grund 25 af den manglende fokusering 1,5 gange ringere. Som allerede omtalt ovenfor kan der også i denne retning opnås en bedre opløsning ved hjælp af en supplerende fokusering.

Claims (2)

147751 O Patentkrav .

1. Ultralyd-billedapparat til frembringelse af tværsnitsbilleder, hvilket apparat arbejder efter impuls-ekkoprincippet og indeholder et omsætterbatteri (302) be- 5 stående af en fast langstrakt række indbyrdes tilstødende omsætterelementer, i hvilket afsøgningsplanet er bueformet, og som er anbragt i et hus, der indeholder et overføringsmedium (306), som leder ultralyden godt, og i hvilket apparat de indbyrdes tilstødende omsætterelementer i 10 omsætterbatteriet kan indkobles cyklisk efter hinanden med henblik på at overføre en ultralyd-stråle i et afsøgningsplan og/eller at modtage ekkoer, samt som reaktion på de modtagne ekkoer at frembringe et elektrisk ekkosignal, kendetegnet ved to mellemomsætterbatterier 15 (404,405), hvoraf det første mellem-omsætterbatteri (404), hvis midtpunkt tilnærmelsesvis er beliggende i krumningscentret for den til det bueformede omsætterbatteris (402) form svarende bue, og hvis omsætterelementer er anbragt tilnærmelsesvis parallelt med omsættereleraenterne i det 20 bueformede omsætterbatteri (402), enten a) kan modtage en ultralyd-stråle (403), der er frembragt af en gruppe (401) indbyrdes tilstødende omsætterelementer i det bueformede omsætterbatteri (402), og føre til strålen svarende elektriske signaler til det andet mellem-om- Λ{· sætterbatteri (405), som herudfra udstråler et tilsvarende ultralydstråle (406), eller b) fra det andet mellem-omsætterbatteri (405) kan modtage elektriske signaler, der svarer til af dette andet batteri (405) modtagne ekkosignaler, og rette et til sidstnævn- 30 te elektriske signaler svarende ultralyd-stråle (403) imod en gruppe (401) indbyrdes tilstødende omsætterelementer i det bueformede omsætterbatteri (402).

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved en sådan indretning, at der med henblik på fokusering 35 af det ved hjælp af hver af det bueformede omsætterbatteris omsættergruppe frembragte ultralyd-strålebundt, hen-