NL8004975A - Ultrasone beeldinrichting voor het vormen van dwarsdoorsnedebeelden. - Google Patents

Description

'» VO 8504 -1- f 4 ültrasone beeldinrichting voor het vormen van dwarsöoorsnedebeelden.

De uitvinding heeft betrekking op een ultrasone beeldinrichting voor het vormen van dwarsdoorsnedebeelden, welke inrichting volgens de pulsechomethode werkt en voorzien is van een omzetinrichting, die uit een stationaire langwerpige reeks aan elkaar grenzende omzet-5 elementen bestaat, in welke inrichting groepen van aan elkaar grenzende omzetelementen van de omzetinrichting na elkaar cyclisch worden gebruikt, om een ultrasone stralingsbundel in wezen in een aftastvlak naar een heterogeen lichaam over te dragen en/of echo's op te nemen, die door een discontinuïteit in het lichaam worden gereflecteerd, en 10 een elektrisch echosignaal in responsie op de ontvangen echo's op te wekken.

Voor het verschaffen van ultrasone afbeeldingen ter vorming van dwarsdoorsnedebeelden wordt in het algemeen een ultrasone omzetter mechanisch bewogen. Dit heeft verschillende bezwaren. Wanneer de cmzet-15 ter met de hand wordt bewogen vindt de aftasting langzaam plaats en is deze afhankelijk van de vaardigheid van de bedienende persoon. Wanneer de omzetter door een motor wordt bewogen, is in het algemeen een waterbad nodig, dat relatief zwaar is. De extra weg door het waterbad leidt bovendien tot een reductie van de maximaal mogelijke beeldfrequentie.

20 Om deze bezwaren te elimineren zijn derhalve ultrasone beeldinrichtingen met elektronische aftasting ontwikkeld, waarbij de ultrasone bundel lineair met de tijd wordt verschoven.

In de cardiologie levert de ultrasone afbeelding met rotatie van de bundel betere resultaten dan die bij lineaire bundelverschui-25 ving. De reden daarvoor is het kleinere akoestische venster, door welk venster de afbeelding dient plaats te vinden. Het venster wordt door 2 borstbeen en long begrensd en de afmetingen bedragen ongeveer 2 x 7 cm .

Bovendien bemoeilijken de ribben de afbeelding van het hart. Een sec- 2 tor-scanner vereist slechts een opening van enige cm en is derhalve 30 optimaal geschikt. Een lineaire scanner daarentegen heeft tenminste een lengte van meer dan 1 cm en wordt slechts slecht benut.

De tot nu toe bekende sector-scanners werken of volgens het principe van de fazebestuurde omzetinrichting J. Kisslo, Ot. v. Ramm, F.L. Thurstone, "A phased array ultrasound system for cardiac imaging",

ft η n /. q 7 R

-2-

Proceedings of the Second European Congress on Ultrasonics in Medicine, München, 12-16 mei 1975, pag. 67-74, geredigeerd door Ξ. Kazner, M. de Vlieger, H.R. Müller, V.R. McCready, Excerpta Medica Amsterdam - Oxford 1975 of als mechanische contact-scanners (A. Shaw, J.S. Paton, N.L.

5 Gregory, D.J. Wheatley, "A real time 2-dimensional ultrasonic scanner for clinical use”, Ultrasonic, januari 1976, pag. 35-40).

De uitvinding stelt zich ten doel een ultrasone beeldinrich-ting te verschaffen, waarbij met een geringer aantal onderdelen dan tot dusver een sector-scan met een stationaire omzetinrichting mogelijk 10 is.

Daartoe kunnen volgens de uitvinding groepen van aan elkaar grenzende omzetelementen van de omzetinrichting na elkaar cylclisch worden ingeschakeld om een ultrasone stralingsbundel in het aftastvlak over te dragen en/of echo's op te nemen en een elektrisch echosignaal in respon-15 sie op de ontvangen echo's op te wekken, waarbij de inrichting voorts is voorzien van twee omzetinrichtingen, waarvan met de eerste omzetinrichting, waarvan het midden zich bij benadering in het centrum van de met de vorm van de omzetinrichting overeenkomende boog bevindt, en waarvan de elementen bij benadering evenwijdig aan die van de omzet-20 inrichting zijn opgesteld, een met een groep van omzetelementen van de omzetinrichting opgewekte ultrasone bundel kan worden ontvangen en de hiermede overeenkomende elektrische signalen aan de tweede omzetinrichting kunnen worden toegevoerd, die daarop een overeenkomstige ultrasone bundel uitstraalt, of uit de tweede omzetinrichting elek-25 trische signalen kunnen worden ontvangen, die met hiermede ontvangen echogolven overeenkomen en een met de laatstgenoemde elektrische signalen overeenkomende ultrasone bundel op een groep van de omzet-elementen van de omzetinrichting kan worden gericht.

8004975 J Λ -2a-

Met de beeldinrichting volgens de uitvinding is het moge lijk met een vereenvoudigde elektrische schakeling een sector-scan uit te voeren.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder 5 verwijzing naar de tekening. Daarbij toont: fig. 1 een perspectivisch aanzicht van een omzetinrichting van de bovengenoemde, bekende ultrasone beeldinrichting; fig. 2 de in dwarsdoorsnede schematisch weergegeven vorm van de stralingskarakteristiek van een groep omzetters volgens de uit-10 vinding, vergeleken met de stralingskarakteristiek van een groep omzetters van de omzetinrichting volgens fig. 1; fig. 3 een schematische dwarsdoorsnede van een voorkeursuitvoeringsvorm van een omzetter van de omzetinrichting volgens fig. 1; fig. 4 een achteraanzicht van een groep omzetters met vier 15 omzetelementen; fig. 5 diagrammen van de zendsignalen, die volgens de uitvinding aan de elektrodensegmenten van de groep omzetters volgens fig. 3 worden toegevoerd; fig. 6 schematisch onder verwijzing naar een evenwijdig aan 25 het QS-vlak in fig. 1 gelegen dwarsdoorsnede, een voor een zwakke focus-sering van de ultrasone bundel in de Q-richting geschikte uitvoeringsvorm van het uitstraaloppervlak van de omzetinrichting volgens fig. 3; 8004975 -3- fig. 7 een achteraanzicht van een uitvoeringsvorm van de omzetinrichting volgens fig. 3, met welke uitvoeringsvorm de met het concave uitstraaloppervlak volgens fig. 6 verkregen zwakke focussering in de Q-richting met een plat uitstraaloppervlak wordt verkregen; 5 fig. 8ai 8b, 8c een gunstige uitvoering van omzettergroepen, die cyclisch na elkaar worden gekozen; fig. 9a een achteraanzicht van een omzettergroep, die zeven elektrodensegmenten bevat en bij een tweede uitvoeringsvorm van de ultrasone beeldinrichting volgens de uitvinding wordt toegepast; 10 fig. 9b in dwarsdoorsnede de vorm van het uitstraaloppervlak van de omzetgroep volgens fig. 9a; fig. 10 diagrammen van de zendsignalen, die aan de elektrodensegmenten van de omzetgroep volgens fig. 9a worden aangelegd; fig, 11a een achteraanzicht van een omzetgroep met zeven 15 elektrodensegmenten, die bij een voorkeursuitvoeringsvorm van de ultrasone beeldinrichting wordt toegepast; fig. 11b in dwarsdoorsnede een voorkeursuitvoeringsvorm van het uitstraaloppervlak van de omzetgroep volgens fig. 11a; 20 fig. 12 diagrammen van de zendsignalen, die aan de elektro densegmenten van de omzetgroep volgens fig. 11a worden aangelegd; fig. 13 een blokschema ter toelichting van een voorkeursuitvoeringsvorm van een ultrasone beeldinrichting; fig. 14 een blokschema ter toelichting van de zendsignaal-25 generator in de inrichting volgens fig. 13; fig. 15 diagrammen van de door de pulsgever (fig. 13) opgewekte puls en de gepulseerde sinusgolf, die uit deze puls wordt afgeleid; fig. 16 een blokschema ter toelichting van de echosignaal-30 ontvanger bij de inrichting volgens fig. 13; fig. 17 het principe van een voorkeursuitvoeringsvorm van de elementkiesaandrijfschakelaar bij de inrichting volgens fig. 13; ter-wille van de duidelijkheid wordt hiermede dit principe voor een omzetgroep met slechts vier elementen toegelicht, ofschoon bij de inrichting 35 volgens fig. 13 omzetgroepen met steeds 7 elementen worden toegepast; fig. 18 en 19 ter toelichting de dimensionering van een omzetgroep en de elementen daarvan; 8004975

0 A

-4- fig. 20 een schematische voorstelling van het met een sector-scan af te tasten gebied; fig. 21 een schematische voorstelling van het met een lineaire bundelverschuiving af te tasten gebied; 5 fig. 22 een schematische voorstelling van het met een boog vormige omzetinrichting (niet afgebeeld) af te tasten gebied; fig. 23 een schematische dwarsdoorsnede van een toonkop met een boogvormige omzetinrichting volgens de uitvinding; fig. 24 en 25 ter toelichting van het opwekken van een cilin-10 drisch golffront met twee varianten volgens de uitvinding; fig. 26 het gebruik van een boogvormige omzetinrichting volgens de uitvinding voor het verkrijgen van een fazebestuurde ultrasone omzetinrichting; en fig. 27 en 28 ter toelichting van de dimensionering van een 15 boogvormige omzetinrichting volgens de uitvinding.

Zoals aangegeven in fig. 1, bestaat de omzetinrichting 11 van de uit het Amerikaanse octrooischrift 3.881,446 bekende ultrasone beeldinrichting uit een stationaire, langgerekte reeks van aan elkaar grenzende omzetelementen 12. De omzetelementen van deze bekende omzet-20 inrichting worden in op elkaar volgende groepen van A bij elkaar gelegen omzetelementen achtereenvolgens door pulsen aangestoten. Elke van de op elkaar volgende groepen van A elementen is in de lengterichting over B elementen ten opzichte van de plaats van de direkt voorafgaande groep verschoven. De verschuiving van de ultrasone bundel 13 vindt 25 plaats in de richting van de pijl L, zoals dit door de reeks gearceerde rechthoeken 14 wordt weergegeven, die de momentane tijdpositie van de bundel 13 na gelijke tijdintervallen aangeven. Er wordt op gewezen, dat elke omzetgroep van de bekende omzetinrichting 11 een niet-gefocusseerde ultrasone bundel 13 opwekt, aangezien alle A elementen 30 van de omzetgroep tegelijkertijd worden aangestoten voor het leveren van pulsen. De niet-gefocusseerde stralingskarakteristiek 22 van de ultrasone bundel 13 volgens fig. 1 is aangegeven in fig. 2.

In fig. 1 is een orthogonaal coördinatenstelsel door drie pijlen Q, L en S bepaald. De pijl L bevindt zich langs de lengteas 35 van het uitstraaloppervlak van de omzetinrichting 11. De pijl S is evenwijdig aan de hoofdas van de ultrasone bundel 13. De pijl Q staat loodrecht op het door de pijlen L en S bepaalde vlak. De positie fin o i 9 7 5 -5- van de in de figuren aangegeven dwarsdoorsneden en aanzichten wordt onder verwijzing naar dit coördinatenstelsel gedefinieerd.

Pig. 3 toont in een gedeeltelijke dwarsdoorsnede de opbouw van een voorkeursomzetinrichting 38 voor het toepassen van de werkwijze 5 volgens de uitvinding. De orazetinrichting bestaat uit een gehele elektrode 36, die geaard is en waarvan één oppervlak 37 als uitstraal-oppervlak wordt gebruikt, een piëzo-elektrische laag 35 en elektrode-segmenten 31-34 waarvan de achterzijde in fig. 4 is aangegeven.

Uit de bovenstaande toelichting op de omz etinri chting 38 10 blijkt, dat de omzetelementen volgens de uitvinding gemeenschappelijke delen, zoals de piëzo-elektrische laag 38 of de gehele elektrode 36, kunnen bezitten. Voor een bedrijven volgens de uitvinding van de omzet-inrichting 38 is het voldoende, dat deze aan één zijde elektrodeseg-menten bezit, waaraan de naar de tijd verschoven zendsignalen worden 15 toegevoerd en waaruit echosignalen kunnen worden afgenomen. Elk elek-trodesegment definieert derhalve een omzetelement volgens de uitvinding.

De volgens de uitvinding verkregen werking, d.w.z. het verkrijgen van een grotere dwarsdefinitie, wordt hoofdzakelijk bereikt 20 door een nieuwe wijze van werken van de omzetinrichting. Deze zal nu onder verwijzing naar de fig. 2, 4 en 5 nader worden toegelicht.

Fig. 4 toont elektrodesegmenten 31-34 van een omzetgroep 21 volgens de uitvinding. Voor het opwekken van een ultrasone bundel volgens de uitvinding worden aan de elektrodesegmenten 31-34 de in 25 fig. 5 aangegeven, ten opzichte van elkaar naar de tijd verschoven zendsignalen 41, 42 toegevoerd, waarbij de zendsignalen voor de buitenste elektrodesegmenten 31, 34 van de omzetgroep in faze voorijlen. Daardoor wordt een zwak gefocusseerde ultrasone bundel 23 (fig. 2) opgewekt.

30 Bij een voorkeursuitvoeringsvorm volgens de uitvinding worden niet slechts de zendsignalen, doch ook de met de afzonderlijke omzetelementen van de omzetgroep ontvangen echosignalen ten opzichte van elkaar naar de tijd verschoven. De in fig. 4 afgebeelde omzetgroep 21 zendt en ontvangt met vier elementen, waarbij de zendsignalen resp.

35 de naar de tijd verschoven echosignalen van de buitenste elementen met 90° in faze voorijlen. Deze fazevoorijling is volgens de uitvinding ten opzichte van een periode (360°) van het hoogfrequente draaggolf- 8004975 * * -6- signaal (b.v. 2 MHz) gedefinieerd, welke in impulsen met een herhalings-freguentie van b.v. 2 kHz en met een geschikte fazehoek aan de elektrodensegmenten van de op elkaar volgende omzetgroepen wordt toegevoerd.

De met dit bedrijven volgens de uitvinding van de omzet-5 groep 21 verkregen werking kan door de volgende extra maatregelen worden verbeterd: 1) Het is gunstig gebleken voor de buitenste elementen van de omzetgroep de volgende combinaties van de fazevoorijling te kiezen: zendsignalen echosignalen 10 of ca. 90° ca. 45° öf ca. 45° ca. 90°

Door deze verschillende waarden van de fazevoorijling voor de zend- en echosignalen wordt de stralingskarakteristiek 23 volgens de uitvinding (fig. 2) over een bepaalde diepte nog smaller.

15 2) Het is van voordeel de zend- resp. echosignalen te wegen.

Zoals in fig. 5 is aangegeven, worden daarbij de binnenste elektrodensegmenten 32, 33 met het zendsignaal met de grootste amplitude aQ aan-gestctsn. Op een soortgelijke wijze worden bij de ontvangst de door de binnenste elektrodensegmenten geleverde echosignalen met een grotere 20 gewichtsfactor vermenigvuldigd dan de door de buitenste elementen geleverde echosignalen. Bij deze weging blijkt een verhouding van 2 : 1 zowel voor de zendsignalen als voor de echosignalen gunstig te zijn.

3) Het is eveneens van voordeel ook in de Q-richting in fig. 1 een zwakke focussering uit te voeren, b.v. doordat gebruik wordt 25 gemaakt van een omzetinrichting met een zwak gekromd uitstraaloppervlak 37 (zie fig. 6).

De zwakke focussering in de Q-richting kan ook elektronisch worden verkregen. Daartoe wordt gebruik gemaakt van een omzetinrichting, zoals weergegeven in fig. 7, waarbij elk van de elektrodensegmenten 30 in de Q-richting in drie segmentdelen a, b en c is gesplitst. Zoals uit fig. 7 blijkt, worden slechts de gearceerde delen van de elektrodensegmenten voor het zenden resp. voor het ontvangen gebruikt. Daarbij worden de binnenste segmentdelen 32b, 33b met het zendsignaal 41 en de overige actieve segmentdelen met het zendsignaal 42 geëxciteerd.

35 Deze oplossing is elektronisch kostbaarder dan een omzetinrichting met gekromd uitstraaloppervlak, doch vereist slechts één omzetinrichting 8004975 -7- met een plat uitstraaloppervlak, welke inrichting goedkoop is.

Bij de bekende omzetinrichting 11 volgens fig. 1 kan de ultrasone bundel 13 na elke zend-ontvangperiode over de breedte van een omzetelement 12 worden verschoven. Het aantal lijnen in het beeld 5 en het oplossend vermogen kunnen echter worden vergroot wanneer de ultrasone bundel steeds over een kleinere afstand zou worden verschoven, • b.v. een halve elementbreedte. Dit kan natuurlijk door een halvering van de elementbreedte worden verkregen. Deze oplossing leidt echter tot een dubbel aantal elementen en dientengevolge tot een meer complexe 10 bouw.

Bij een voorkeursuitvoeringsvorm volgens de uitvinding (fig. 8a, 8b en 8c) wordt de verschuiving van de ultrasone bundel over een halve elementbreedte verkregen doordat na elkaar gekozen omzet-groepen 71, 72, 73 afwisselend een even en een oneven aantal omzetele-15 menten bevatten, waarbij de op elkaar volgende omzetgroepen afwisselend door een reductie van het aantal elektxodensegmenten in één richting en door een vergroting van het aantal elektrodensegmenten in de tegengestelde richting worden gevormd. De amplituden en fazen van de zend-signalen, resp. de naar de tijd verschoven echosignalen worden zodanig 20 gekozen, dat onafhankelijk van het aantal elementen van de omzetgroep de vorm van de ultrasone bundel zo gelijk mogelijk blijft. De volgende combinaties van amplituden en fazen leveren b.v. bij het afwisselend gébruik van vier en drie elementen, een sterk overeenkomende bundel vorm: Met 4 elementen: 25 Element 31 32 33 34 {Amplitude 0,5 1 1 0,5 _ _Λο Λ0 no -Λο

Faze 90 0 0 90 f Amplitude 0,5 1 1 0,5

Ontvangen ( Pa2e 45° Qo „o 4Jo 30 Met. 3 elementen:

Element 32 33 34 {Amplitude 111 _ . -O -O . co

Faze 45 0 45 t Amplitude 1 11 35 0nt7ans,m (raze 22,5° 0° 22,5° 8004975 • * -8-

Een tweede uitvoeringsvorm volgens de uitvinding zal thans onder verwijzing naar fig. 9a, 9b en 10 worden beschreven. Het is uit het Zwitserse octrooischrift 543.313 bekend, dat een goede bundeling van de ultrasone bundel over een grote diepte wordt verkregen wan-5 neer een ultrasone golf met een kegelvormig golffront wordt uitgezonden.

Een dergelijk golffront wordt b.v. door een kegelvormige ultrasone omzetter uitgezonden. Een kegelvormig uitstraaloppervlak kan volgens de uitvinding worden benaderd doordat men voor de zendsignalen 101-104 in fig. 9a voor de naar de tijd verschoven echosignalen 202-208 (fig.16) 10 een lineaire toename van de fazehoek tf met de afstand van de omzetele-menten 92-98 tot het midden van de omzetgroep gebruikt. Fig. 10 toont deze lineaire toename van de fazehoek ^ . Met de in fig. 9b onder verwijzing naar een dwarsdoorsnede aangegeven, vormgeving van het uitstraaloppervlak 37 wordt een lineaire toename van de fazehoek van de uitge-15 zonden ultrasone golven ook in de Q-richting verkregen. De stippellijn 107 in fig. 9a stelt het punt met constante faze aan het uitstraaloppervlak van de omzetinrichting voor, waarbij ter vereenvoudiging een faze wordt aangenomen, die continu in de L-richting verandert en niet stapsgewijs zoals in het betreffende uitvoeringsvoorbeeld. Terwijl 20 bij een kegelvormig golffront de meetkundige plaats van constante faze een cirkel is, betreft het hier rechte secties 107.

Een betere benadering van een kegelvormig golffront kan met de onder verwijzing naar fig. 11a, 11b en 12 hierna toe te lichten uitvoeringsvorm volgens de uitvinding worden verkregen. Bij deze uit-25 voeringsvorm is de faze-afhankelijkheid van de zendsignalen resp. de naar de tijd verschoven echosignalen van de positie van de betreffende omzetelementen in het midden van de omzetgroep kwadratisch en bij de rand lineair. Een geschikte faze-afhankelijkheid in de Q-richting wordt met de in fig. 11b onder verwijzing naar een dwarsdoorsnede van de 30 omzetinrichting aangegeven vormgeving van het uitstraaloppervlak 34 verkregen. De hyperbool is een voorkeurskromme voor de lijn 37 in fig. 11b. Een dergelijke kromme verloopt in het centrale gebied 127 cirkelvormig, doch aan de rand lineair. De met deze uitvoeringsvorm verkregen verbetering blijkt daaruit, dat de in fig. 11a aangegeven 35 meetkundige plaats met constante faze 106 afgeronde hoeken bezit.

Er wordt op gewezen, dat de uitzendende omzetgroepen van de uitvoeringsvoorbeelden volgens fig. 9a en 11a een groter oppervlak heb- 8004975 -9- ben dan bij de uitvoeringsvorm volgens fig. 4. Door dit grotere oppervlak wordt een dienovereenkomstig grotere opening verkregen, welke nodig is om een beter oplossend vermogen te verkrijgen.

Evenals bij de andere uitvoeringsvoorbeelden is het ook bij . 5 de laatstgenoemde uitvoeringsvormen van voordeel, dat het binnenste gedeelte van de uitzendende omzetgroep met een grotere amplitude zendt, resp., dat bij de ontvangst de daar ontvangen echosignalen met een grotere gewichtscoëfficient worden vermenigvuldigd. Daardoor wordt het dichtbij gelegen veld verbeterd.

10 De dimensionering van de omzetgroepen 21 en de omzetelemen- ten 31-34 volgens fig. 4 voor het opwekken van een zwak gefocusseerde ultrasone bundel 23 volgens fig. 2 zal eerst onder verwijzing naar fig. 18 en 19 nader worden toegelicht. Kenmerkend voor een goede, zwak focusserende omzetgroep is, dat de breedte w en de lengte _1 daarvan 15 15-30 golflengten bedragen. De kromtestraal R (fig. 19) van het golffront wordt ongeveer gelijk aam de halve diepte van het te onderzoeken lichaam gekozen, bij voorkeur iets kleiner. Voor een omzetgroep met 4 omzetelementen wordt de breedte van de individuele cmzet-elementen zodanig gekozen, dat het fazeverschil tussen de door naast 20 elkaar gelegen elementen uitgezonden golven niet veel meer dan 90° bedraagt. Hoe meer men deze waarden van de kromtestraal en het fazeverschil overschrijdt, des te slechter wordt de bundelvorm en daardoor ook de dwarsdefinitie. Een zwakke focussering in de zin van de uitvinding kan echter, tenminste in principe, worden verkregen met een 25 tussen 30° en 180° liggende waarde van het fazeverschil.

De dimensionering van de omzetelementen zal nu onder verwijzing naar een concreet voorbeeld worden toegelicht (zie fig. 18 en 19). Zoals aangegeven in fig. 18, zenden de twee binnenste elementen van de omzetgroep met de faze 0° en de beide buitenste elementen met de o 30 faze 90 . Uit fig. 19 en het stel koorden verkrijgt men dj2 - 2R .Δ ... (1) waarbij d1 = de laterale verschuiving, welke"tot de gewenste fazeverschuiving van 90° leidt, R = de kromtestraal van het golffront, en 35 Δ = de afstand, welke overeenkomt met een fazeverschuiving van 90°.

8004975 -10-

In het beschouwde geval is 4 = (2) waarbij A de golflengte is.

Wanneer men nu R = 80 mm (bij benadering de halve diepte van het te onderzoeken lichaam) enX= 0,75 mm (welke golflengte over-5 eenkomt met een frequentie van 2 MHz) kiest, dan verkrijgt men d^ - 5,48 mm. Wanneer men de elementbreedte gelijk aan 4 mm kiest, dan heeft het midden van het buitenste element een afstand - 6 mm van het midden van de omzetgroep. Deze waarde van d£ komt ongeveer overeen met de boven berekende afstand .

10 Fig. 13 toont een blokschema van een ultrasone beeldinrich- ting volgens de uitvinding, waarbij voor het zenden en ontvangen omzet-groepen met steeds 7 omzetelementen worden gebruikt, zoals weergegeven in fig. 11a. In het blokschema volgens fig. 13 is 38 de omzetinrichting volgens fig. 3, 131 een pulsgever, 132 een door de pulsgever 131 gele-15 verd signaal, 133 een zendsignaalgenerator, 134 zendsignalen, die door de zendsignaalgenerator 133 via geleiders 135 aan elementkies-aandrijf-schakelaars 138 worden toegevoerd, 136 een met de pulsgever 131 verbonden elementteller en decodeerinrichting voor het besturen van de ele-mentkies-aandrijfschakelaar 138, 142 echosignalen, die door een omzet-20 groep worden geleverd, 143 een echosignaalontvanger, 144 het gecombineerde echosignaai aan de uitgang van de echosignaalontvanger, 145 een tijdgevoelige versterker, 146 een detector, 147 een signaal-gereedmaak-inrichting, 148 het uitgangssignaal van deze inrichting 147, 151 een X-afbuiggenerator, 154 een door deze generator geleverd afbuigsignaal, 25 152 een Y-trapfunctiegenerator, 155 een door deze generator geleverd trapfunctiesignaal en 156 een weergeefoscillograaf met drie ingangen, X, Y en Z.

De pulsgever 131 wekt periodieke pulsen 132 op, die het zenden van een ultrasoon signaal en het opwekken van de vereiste synchro-30 nisatiesignalen tot stand brengen. In de zendsignaalgenerator 133 worden vier elektrische zendpulsen 121-124 (zie fig. 14) opgewekt. Drie van deze zendsignalen 122, 123, 124 ijlen overeenkomstig een faze van het draaggolfsignaal met +30°, +100° en +180° ten opzichte van het signaal 121, waarvan de faze met 0° is aangeduid, voor. Deze zendsignalen 35 worden aan de geleiders 134 toegevoerd. In de rechthoek 138 (element-kies-aanwijsschakelaar) worden deze zendsignalen toegevoerd aan zeven voedingsgeleiders, waarop de zendsignalen de fazen +180°, +100°, +30°, 8004975 -11- 0°, +30°, +100°, +180° hebben. De elementteller en decodeerinrichting 136 schakelt via de elementkles-aandrijfschakelaar 138 de gewenste zeven elementen in, zowel voor het zenden als voor het ontvangen. Na. elke puls wordt de configuratie volgens fig. 11a over één element 5 in de L-richting verschoven. Tegelijkertijd worden op de voedingsgelei-ders de zendsignalen met de verschillende fazen cyclisch zodanig verwisseld, dat elk element het betreffende zendsignaal met de juiste faze verkrijgt. De echosignalen 142 bereiken uit de zeven ingeschakelde elementen de echosignaalontvanger 143. Daar worden de signalen op ver-10 - schillende wijzen vertraagd en met verschillende gewichtsfaktoren vermenigvuldigd en daarna opgeteld. Het uitgangssignaal 144 van de echosignaalontvanger. passeert de tijdgevoelige versterker 145, die de demping van het lichaamsweefsel compenseert. Daarop wordt het signaal in de detector 146 gelijkgericht en bereikt het signaal via de signaalge-15 reedmakingsinrichting 147 de Z-ingang van de weergeefoscillograaf 156. De inrichting 147 comprimeert het dynamische gebied van het door de detector 146 geleverde signaal.

De X-afbuiggenerator 151 wekt een spanning op, welke evenredig is met de tijd, die sedert het zenden van de laatste puls is ver-20 streken. De Y-trapfunctregenerator 152 wekt een spanning op, welke evenredig is met de positie van de centrale as van de ingeschakelde omzetgroep.

De opbouw en de werking van de zendsignaalgeneratoren 133 zal nu onder verwijzing naar fig. 14 en 15 worden toegelicht. De puls 25 132 schakelt een gepulseerde hoogfrequentiegenerator 161 in, waarvan het uitgangssignaal 162 (gepulseerd draaggolfsignaal) in de afgetakte vertragingslijn 163 zodanig wordt vertraagd, dat men vier signalen met de fazen 0°, 30°, 100° en 180° verkrijgt. In de gewichtseenheden 164-167 worden deze signalen met de betreffende gewichtsfaktoren ver-30 menigvuldigd.

Fig. 16 toont de echosignaalontvanger 143 gedetailleerd.

De echosignalen 142 worden in de gewichtseenheden 171-177 met de betreffende gewichtsfaktoren vermenigvuldigd. Daarop worden de echosignalen met fazedraaiers 181-185, zoals aangegeven, vertraagd en vervolgens 35 in een optelinrichting 186 bij elkaar opgeteld.

Het principe van een voorkeursuitvoeringsvorm van de 8004975 -12- elementkies-aandrijfschakelaar 138 in de inrichting volgens fig. 13 zal nu onder verwijzing naar fig. 17 worden toegelicht. Terwille van de duidelijkheid zal dit principe worden toegelicht voor een omzet-groep met slechts vier elementen, ofschoon bij de inrichting volgens 5 fig. 13 omzetgroepen met steeds zeven elementen worden toegepast.

Het in deze figuur aangegeven schema maakt het mogelijk een groep van vier omzetelementen te besturen en te verschuiven. Daarbij worden steeds de twee binnenste elementen van de groep (b.v. 32 en 33 van de groep I) met het zendsignaal 41 volgens fig. 5 en de twee buitenste elementen 10 (b.v. 31 en 34 van de groep I) met het zendsignaal 42 volgens fig. 5 bestuurd. In fig. 17 zijn de omzetelementen door de overeenkomstige elektrodensegmenten 31, 32, 33,enz. voorgesteld. De omzetelementen kunnen over een schakelinrichting 191 cyclisch op vier voedingslijnen 192-195 worden aangesloten. Deze vier voedingslijnen zijn over een 15 schakelinrichting 196 aangesloten op twee voedingslijnen 197, 198 waaraan de zendsignalen 41, 42 met de in fig. 5 aangegeven amplituden en fazen worden toegevoerd. In fig. 17 zijn schakelaarposities voor twee op elkaar volgende omzetgroepen I (getrokken) en II (gestippeld) aangegeven. De besturing van de schakelinrichting 191 behoeft geen nadere 20 toelichting. Voor het besturen van een nieuwe groep II neemt bij de schakelinrichting 196 elke schakelaar (b.v. 213) de stand in, welke de bovenste schakelaar (b.v. 212) voor het besturen van de voorafgaande groep I had. De bovenste schakelaar 211 neemt daarbij de voorafgaande stand van de onderste schakelaar 214 over. Men kan dezelfde schakelaars 25 voor zenden en ontvangen gebruiken indien de elektronische uitvoering van de. schakelinrichtingen daarvoor geschikt is. Wanneer men voor het zenden en ontvangen verschillende elektronische schakelaars wenst te gebruiken, dan kan de schakeling volgens fig. 17 dubbel worden uitgevoerd met afzonderlijke voedingslijnen voor zenden en ontvangen.

30 Thans zullen uitvoeringsvormen worden beschreven, die een rotatie van de bundel en derhalve een sector-scan mogelijk maken.

De kern van de boog-scanner bestaat uit een lineair "array”, waarvan de segmenten niet op een rechte lijn, doch op een cirkelboog zijn gelegen. Het daarmede af te tasten gebied is weerge-35 geven in fig. 22. De omzetinrichting moet men zich - zoals reeds in fig. 20 en 21 is aangegeven - boven in het beeld denken. Wanneer men nu de bovenste helft van het gebied als voorloop gebruikt en slechts de fl η n t o 7 ς -13- onderste helft voor het afbeelden benut, verkrijgt men een stelsel met bundelrotatie, als in fig. 20 is aangegeven. De complete toonkop van een elektronische boog-scanner is weergegeven in fig. 23. In het bovenste gedeelte van het huis 301 bevindt zich de boogvormige, piëzo-kera-5 mische omzetter 302 aan de bovenzijde waarvan de afzonderlijke elektroden 303 zijn aangegeven. De naar boven uitgezonden ultrasone signalen worden in de absorptieinrichting 304 geëlimineerd- Het onderste gedeelte van het huis is bekleed met geluiddempend materiaal 305 en gevuld met een ultrasone signalen overdragend medium 306. Naar onderen toe 10 is de toonkop afgesloten door een membraan 307. Dit membraan bevindt zich in het midden van de cirkelboog, die de omzetinrichting vormt, d.w.z. bij de smalste plaats van het af te tasten gebied (zie fig. 22). Om storende, meervoudige reflecties tussen membraan en een omzetinrichting uit de afbeelding te elimineren, dient de looptijd tussen de om-15 zetter en het membraan juist even groot te zijn als tussen het membraan en het meest veraf gelegen objekt, dat juist nog moet worden afgebeeld. Bij water als voorloop betekent dit, dat de straal van de boog van de omzetinrichting juist moet overeenkomen met de maximale indringdiepte, aangezien het menselijk lichaam en water ongeveer dezelfde snelheid voor 20 geluid (ongeveer 1500 m/sec) hebben.

De bundelvorm kan net zoals bij de bovenbeschreven lineaire aftasting optimaal worden gemaakt. Wanneer men alle segmenten van een omzetgroep, die gelijktijdig zijn ingeschakeld, met dezelfde faze bedrijft, dan wordt de bundel in het midden van de boog, derhalve bij het 25 membraan, gefocusseerd. Bij toenemende indringdiepte wordt de bundel steeds breder en daardoor wordt de laterale definitie van het stelsel steeds slechter. Men verkrijgt een grote verbetering wanneer men het brandpunt niet in het midden van de boog legt, doch in een punt, dat zich op ongeveer twee-derde van de maximale afbeeldingsdiepte van het 30 membraan 307 af bevindt. Men bereikt dit door een geschikte fazekeuze van de afzonderlijke omzetelementen bij het zenden en ontvangen. De fazekeuze heeft hier een tegengesteld voorteken ten opzichte van de bovenbeschreven lineaire scanner. De reden daarvoor is voor het geval van de zender in fig. 24, 25 verduidelijkt: bij een lineaire scanner 35 (fig. 24) wordt uit een oorspronkelijk vlak golffront (getrokken lijn) een cilindrisch golffront (gestippelde boog) gemaakt. Des te verder men zich van de bundelas verwijdert des te sterker moet het signaal 8 0 0 4 ö 7 5 -14- voorijlen. Bij een boog-scanner (fig. 25) daarentegen wordt uit een sterk gekromd golffront (getrokken) een zwak gekromd golffront (gestippeld) gemaakt. Het signaal moet derhalve bij toenemende asafstand steeds sterker naijlen. Voor het geval van ontvangen gelden soortgelijke 5 overwegingen. Of een apodisatie, d.w.z. een verzwakking van de ampli-tuden van de buitenste elementen bij het zenden en ontvangen de bundel-vorm verder verbetert, hangt af van de speciale dimensionering van de omzetgroep. Vooral het aantal verschillende fazen, dat voor de focusse-ring wordt toegepast, speelt een beslissende rol.

10 Tot nu toe is slechts sprake geweest van de bundelvorming in de aftastrichting. Het is echter van· voordeel ook in de daarop loodrecht staande richting zwak te focusseren. Het brandpunt kiest men bij voorkeur in hetzelfde punt als bij de eerste richting, nl. bij tweederde van de maximale afbeeldingsdiepte. De focussering verkrijgt men 15 óf door een geschikt gekromde vorm van de omzetinrichting óf door een vóór de omzetinrichting aangebrachte akoestische lens. Het is duidelijk, dat ook in deze richting - zoals bij de bovenbeschreven lineaire scanner - de bundeling ook eventueel elektronisch kan worden verkregen wanneer men een meer complexe bouw van het stelsel op de koop toeneemt. 20 Een extra apodisatie schijnt, blijkens numerieke berekeningen, geen verdere verbetering van de bundelvoxm te veroorzaken. Ziet men echter af van een focussering in de tweede richting, hetgeen neerkomt op een aanmerkelijke vereenvoudiging in constructie, dan is een apodisatie van voordeel. Men bereikt deze b.v. met behulp van segmenten, die naar 25 buiten toe steeds smaller worden (zie fig. 28).

Elektronisch biedt de boog-scanner alle voordelen, die ook de lineaire scanner bezit. Een bezwaar van de boog-scanner is de vereiste watervoorloop, welke de toonkop zwaar en onhandelbaar maakt en een halvering van de maximale beeldfrequentie ten opzichte van een 30 scanner zonder voorloop vereist. De voorloop en daardoor de toonkop kunnen worden verkleind wanneer men in plaats van water een materiaal gebruikt, dat een kleinere geluidssnelheid bezit. Een gehele reeks van organische vloeistoffen en ook vele siliconrubbermaterialen hebben geluidssnelheden in de buurt van 1000 m/sec. Dit betekent een ver-35 korting van de voorloop met 1/3 en een verkleining van het toonkop-volume met tenminste de helft. Men moet daarbij echter een versterkte reflectie en een buiging van de bundel aan het grensvlak tussen voorloop 8 η 0 L 9 7 5 -15- en lichaamsweefsel op de koop toenemen.

Een verdere, aanmerkelijke verkleining van de toonkop kan men verkrijgen wanneer men de boog-scanner niet als toonkop gebruikt, doch als signaalprocessor voor een fazebestuurde ultrasone amzetinrich-5 ting. In fig. 26 is deze toepassingsmogelijkheid afgebeeld. De omzet-groep 401 bestaande uit een aantal segmenten van de boogvormige omzet-inrichting 402 zendt een ultrasone bundel 403 uit, welke in het midden van de boog een fazebestuurde ultrasone omzetinrichting 404 treft, waarvan de segmenten evenwijdig aan die van de boogvormige omzetin-10 richting 402 zijn opgesteld. Hiermede wordt het toonveld segmentsge-wijs fazegevoelig gedetecteerd en overgedragen naar een tweede fazebestuurde ultrasone omzetinrichting 405, die de eigenlijke toonkop vormt, en het toonveld ter plaatse van de eerste fazebestuurde ultrasone omzetinrichting reconstrueert, en een geschikte ultrasone bundel 406 uit-15 zendt. De inrichting kan, zoals gemakkelijk kan worden ingezien, ook in omgekeerde richting worden bedreven. De inrichting is derhalve zowel voor zenden als voor ontvangen geschikt. Bij voorkeur wordt tussen de beide fazebestuurde ultrasone omzetinrichtingen per segment steeds een zend- en een ontvangtussenversterker aangebracht. In fig. 26 zijn 20 deze versterkers terwille van de duidelijkheid niet weergegeven.

Nog wordt opgemerkt, dat het door de tweede fazebestuurde ultrasone omzetinrichting 405 uitgezonden toonveld niet identiek behoeft te zijn aan het door de eerste fazebestuurde ultrasone omzetinrichting 404 gedetecteerde veld. De signalen van elk segment kunnen met behulp 25 van de bovengenoemde tussenversterkers in faze en amplitude worden veranderd. Men kan ook de tweede fazebestuurde ultrasone omzetinrichting 405 een andere vorm geven dan de eerste en op deze wijze het toonveld veranderen. Daardoor heeft men een extra mogelijkheid de bundeling van de bundel en daardoor het laterale oplossend vermogen van het stelsel 30 te verbeteren.

Het voordeel van deze constructie ten opzichte van een gebruikelijke fazebestuurde ultrasone omzetinrichting is daarin gelegen, dat de hoekafbuiging van de bundel met eenvoudige middelen wordt verkregen. Strikt genomen geldt dit in hoofdzaak voor het bedrijf als ont-35 vanger. Bij het zenden kan de hoekafbuiging betrekkelijk eenvoudig digitaal worden verwezenlijkt, doch voor het ontvangen had men tot dusverre een groot aantal vertragingslijnen en schakelaars nodig.

8004975 -16-

Er is derhalve een hybrideoplossing, waarbij de fazebestuurde ultrasone omzetinrichting bij het zenden direkt wordt bedreven en de boog-scanner slechts als ontvangsignaalprocessor wordt gebruikt.

Tot slot wordt nog een eenvoudig voorbeeld van een boog-5 scanner voor cardiologische toepassingen beschreven (zie fig. 27 en 28). Voor het stelsel gelden de volgende gegevens:

Frequentie 2 MHz maximale indringdiepte 15 cm af te tasten hoek 50-60° 10 aantal segmenten 64 te gebruiken fazen 0°, 90° voorloop water focussering slechts in één richting.

Onder deze randvoorwaarden wordt onder gebruik van door een 15 'rekeninrichting berekende toonvelden een optimeringsproces uitgevoerd, dat tot de volgende dimensionering leidt.

Zoals in fig. 27 is aangegeven, vormt de omzetinrichting 302 een cilinder sectie. De straal R daarvan bedraagt 15 cm, de breedte B daarvan 2 cm en de booglengte daarvan 17,6 cm, overeenkomende met 20 een hoek Θ = 67,2°. De omzetter is verdeeld in 64 segmenten met een breedte S = 2,75 mm. Men gebruikt voor het zenden en ontvangen steeds twaalf elementen tegelijkertijd. Een dergelijke groep is weergegeven in fig. 28. De randen van de afzonderlijke elementen 411 worden door cirkelbogen gevormd. Deze vormgeving leidt tot de gewenste apodisa-25 tie en verbetering van de bundelvorm. Bij het zenden en ontvangen laat men de signalen van de buitenste zes elementen over 90° ten opzichte van die van de binnenste zes elementen naijlen. Dit komt overeen met een focussering in een punt, dat op een afstand van ongeveer 25 cm van de omzetinrichting is gelegen. Tegelijkertijd worden bij het zenden 30 en ontvangen de signaalamplituden van de buitenste zes elementen met een faktor 0,5 en die van de binnenste zes elementen met een faktor 1 gewogen.

Met deze omzetinrichting verkrijgt men in het aftastvlak in het gehele bruikbare gebied een oplossend vermogen van tenminste 4 mm. In de daarop loodrecht staande richting is het oplossend vermogen in verband met de ontbrekende focussering met een faktor 1,5 slech- 8004975 -liter. Zoals boven reeds is vermeld, kan men ook in deze richting een beter oplossend vermogen door een extra focussering verkrijgen.

8004975

Claims (5)

1. Ultrasone beeldinrichbing voor het vormen van dwarsdoorsnede- heelden, welke inrichting volgens de pulsechomethode werkt en voorzien is van een omzetinrichting, die uit een stationaire langwerpige reeks aan elkaar grenzende omzetelementen bestaat, in het aftastvlak boog-5 vormig is en in een huis met een, het ultrasone geluid goed geleidend overdrachtsmedium is ondergebracht, met het kenmerk, dat groepen van aan elkaar grenzende omzetiementen van de omzetinrichting na elkaar cyclisch kunnen worden ingeschakeld om een ultrasone stralingsbundel in het aftastvlak over te dragen en/of echo’s op te nemen en een elektrisch 10 echosignaal in responsie op de ontvangen echo's op te wekken, waarbij de inrichting voorts is voorzien van twee omzetinrichtingen (It0h,h05), waarvan met de eerste omzetinrichting (hOh), waarvan het midden zich bij benadering in het centrum van de met de vorm van de omzetinrichting (U02) overeenkomende boog bevindt, en waarvan de elementen bij benadering even-15 wijdig aan die van de omzetinrichting zijn opgesteld, een met een groep (kOl) van omzetelementen van de omzetinrichting opgewekte ultrasone bundel (h-03) kan worden ontvangen en de hiermede overeenkomende elektrische signalen aan de tweede omzetinrichting (^05) kunnen worden toegevoerd, die daarop een overeenkomstige ultrasone bundel (^06) uitstraalt, of uit 20 de tweede omzetinrichting (h05) elektrische signalen kunnen worden ontvangen, die met hiermede ontvangen echogolven overeenkomen en een met de laatstgenoemde elektrische signalen overeenkomende ultrasone bundel op een groep (^01) van de omzetelementen van de omzetinrichting kan worden gericht.

2. Inrichting volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat voor het focusseren van de met elke omzetgroep van de omzetinrichting opgewekte ultrasone stralingsbundel de, aan de omzetelementen toegevoerde echo-signalen ten opzichte van elkaar naar de tijd kunnen worden verschoven, waarbij de fasehoek (*p) van de zendsignalen resp. de naar de tijd ver-30 schoven echosignalen door een functie van de afstand van het betreffende omzetelement ten opzichte van het midden van de omzetgroep zodanig wordt bepaald, dat bij naast elkaar gelegen omzetelementen het zendsignaal resp. het naar de tijd verschoven echosignaal van het omzetelement, dat op de grootste afstand tot het midden van de omzetgroep is gelegen, in fase 35 naijlt. 8004975 -19-

3. Inrichting volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de elementen van de omzetinrichting (U02) zijn voorzien van een uitzendoppervlak, dat in een loodrecht op de aftastrichting staande richting en vanuit de lengteas van de omzetinrichting naar buiten toe reeds smaller wordt. 5 b. Inrichting volgens conclusie 3 met het kenmerk, dat de randen van de afzonderlijke elementen uit cirkelbogen bestaan.

5. Inrichting volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat het overdrachtsmedium (306) voor het overdragen van de ultrasone golven in het huis (301) bestaat uit een materiaal, waarin de geluidssnelheid kleiner 10 is dan die in water.

6. Inrichting volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de afstand tussen de boogvormige omzetinrichting (U02) en het brandpunt van het daarmede opgewekte ultrasone veld bij benadering gelijk is aan de lengte van de voorloop in het overdrachtsmedium, vermeerderd met ongeveer 2/3 15 van de maximale afbeelddiepte. 8004975