NL8300070A - Het collimeren van een lineaire rangschikking van ultrasone transducenten. - Google Patents

Description

. P & c #> a

N 2348-1218 Ned.M/LdB

Korte aanduiding: Het collimeren van een lineaire rangschikking van ultrasone transducenten.

De uitvinding heeft betrekking op het verbeteren van het bundelpatroon 5 van een lineaire rangschikking van transducenten, gebruikt bij ultrasone afbeeldingssystemen.

Ultranone gefaseerde aftasters van een rangschikkingssector vereisen een wijde angulaire gezichtshoek, bijvoorbeeld * 45°, voor medisch diagnostische en klinische toepassingen. Om aan dit vereiste .10 te voldoen worden ultrasone rangschikkingen geconstrueerd uit een groot aantal elementen, die elk een wijde acceptatiehoek vertonen. Het bundelpatroon voor een individueel rangschikkingelement, dat de ideale toestand weergeeft voor afbeeldingstoepassingen (zie figuur 1) is zodanig dat de bundel van gelijkmatige amplitude is over het acceptatiegebied en = 0 15 buiten dit gebied. In de praktijk wordt het ideale patroon benaderd door het buigingspatroon voor een straler(element) met een dimensie die vergelijkbaar is met een ultrasone golflengte. Een typerend bundelpatroon van een werkelijk, praktisch rangschikkingselement (fig. 2) vertoont de gewenste eigenschap dat de amplitude nagenoeg gelijkmatig is tot ca. 40° 20 maar heeft eveneens de ongewenste eigenschap dat belangrijke energie gericht wordt buiten het nominale acceptatiegebied.

Een aanzienlijke inspanning is gericht geweest op het ontwikkelen van ultrasone rangschikkingen, waarvan de elementen bundelpatro-nen vertonen, die het ideale patroon van fig. 1 benaderen. Echter eerder 25 werk om het bundelpatroon pasklaar te maken vanuit individuele rang- schikkingselementen, is toegespitst op het veranderen van de parameters die de buigingspatronen beïnvloeden.

Verbeterde ultrasone lineaire rangschikkingen worden gerealiseerd waarvan de elementen de gewenste angulaire responsie vertonen en de 30 ideale bundeleigenschappen benaderen. Collimering via kritische hoekeffec-ten wordt gebruikt om de bundeleigenschappen van individuele rangschikkings-elementen te wijzigen. De opwekking van belangrijke ultrasone energie buiten het aangewezen acceptatiegebied wordt geëlimineerd, terwijl niet in belangrijke mate de bundeleigenschappen binnen het acceptatiegebied ge-35 wijzigd worden. De ter illustratie dienende uitvoeringsvorm is een gefaseerde rangschikking van transducenten in een aftastsector van het afbeeldingssysteem, dat wijde hoek (70°) sectoraftastingen uitvoert.

De transducenten rangschikking bezit een collimator in de vorm van een vel polyetheen met een dikte van bij benadering 1 golflengte bij de 40 laagste bruikbare emissiefrequentie. Akoestische golven, waarvan de 8300070 4 \ - 2 - invalshoek kleiner is dan de kritische hoek (47-55 voor menselijk weefsel) worden doorgelaten, en golven, waarvan de invalshoek groter is dan de kritische hoek, worden totaal gereflecteerd. Het angulaire bereik van doorgelaten golven is gelijk aan of groter dan de angulaire uitgebreidheid 5 van de sector van het lichaam, dat af getast en afgebeeld wordt door het systeem. De kritische hoek is bij benadering gelijk aan de maximale aftasthoek van de afbeeldingsinrichting.

De uitvinding zal hieronder aan de hand van enige in de figuren der bijgaande tekeningen weergegeven uitvoeringsvoorbeelden nader worden 10 toegelicht.

Figuur 1 toont de ene helft van het bundelpatroon van een ideaal rangschikkingselement;

Figuur 2 toont een helft van het bundelpatroon van een praktisch rangschikkingselement, dat geconstrueerd is; 15 Figuur 3 geeft een eenvoudig diagram van een gefaseerde rang- schikkingssector aftaster; _ . .

de doorlating

Figuren 4A en 4B ilïustrerenVvarf een akoestische golf door de collimator, en de totale reflectie, indien de golf invalt onder een hoek groter dan de kritische hoek; 20 Figuur 5 is een aanzicht in perspectief van een transducenten- rangschikking, die een collimator in de vorm van een dun vel bezit; en

Figuur 6 tootn het gemeten bundelpatroon van een individueel element met en zonder een polyetheen collimator.

Het collimeren van ultrasone golven verschaft een onafhankelijke 25 techniek voor het pasklaar maken van de ultrasone bundel, gebruikt bij afbeeldingssystemen, waar de eigenschappen van de bundel voornamelijk bepaald worden door buigingseffecten. Dientengevolge kan collimatie worden gebruikt' om sommige van de door buiging teweeggebrachte, ongewenste eigenschappen van ultrasone bundels te elimineren. Deze speciale techniek 30 maakt gebruik van dunne vellen polyetheen ter begrenzing van de accepta-tiehoek van gefaseerde rangschikkingssector aftasters, gebruikt bij de medische afbeelding tot ca. een ± 50° sector, terwijl een bescheiden in-brengverlies over het acceptatiegebied geleden wordt.

Het op sectorenaftasting berustende real time afbeeldingssysteem, 35 dat in vereenvoudigde vorm in fig. 3 geïllustreerd is, wordt gedetailleerd beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4,155.260. De lineaire transducenten- öf omzetterrangschikking 10 bestaat uit een groot aantal piezoelectrische omzetter elementen 11, die worden bekrachtigd door aanstootpulsen in een lineaire tijdsvolgorde ter vorming van een ultra-40 sone bundel 12 en die de bundel dirigeren in een voorgeselecteerde 8300070 * % - 3 - azimuthrichting om een ultrasone puls over te dragen. Teneinde de bundel electrisch uit te sturen tot een hoek 0vanaf de normaal naar de rangschikking bij het oorsprongspunt van de sector, wordt achtereenvolgens een toenemende tijdsvertraging toegevoegd aan elk omzetter aanstootsignaal 5 wanneer men zich verplaatst langs de rangschikking omlaag vanaf het ene einde naar het andere om voor tijdsverschillen langs de voortplantingsbaan te compenseren. Door geleidelijk de tijdsvertraging te wijzigen tussen opeenvolgende aanstootpulsen wordt de hoek aan de ene zijde van de normaal door incrementéh gewijzigd en ter vorming van een akoestische bundel 10 aan de andere zijde van de normaal wordt de tijdsbepaling van de aanstootpulsen omgekeerd. De totale sector aftasthoek aangegeven door o o stippellijnen 13 is ca. 90 . De afbeeldingsinrichting 14 voor de 90 beeldsector 15 is een cathode straalbuis. De uitzendende en ontvangende kanalen en andere afbeeldingselectronica is algemeen aangegeven met 16.

15 Elk omzetter element 11 is een voor alle richtingen gevoelige inrichting en straalt geluid uit naar elk punt in het voorwerp. De-ultrasone energie buiten de 90° sector, die afgetast en afgeheeld wordt, kan vreemde verschijnselen produceren in het beeld, omdat door voorwerps-kenmerken gereflecteerde echo’s buiten de 90° sector kunnen worden ont-20 vangen door de omzettter elementen. Het bundelpatroon van een praktische rangschikkingsinrichting werd besproken aan de hand van fig. 2. Deze kan vlak gemaakt worden over de afbeeldingssector, teneinde het ideale bundelpatroon in fig. 1 te benaderen door in de electronica te compenseren, door versterking toe te voegen daar, waar de amplitude omlaag gegaan is. Echter, 25 kan de electronica geen compensatie bieden voor energie buiten de maximale aftasthoek vanaf de normaal van 45°. De verbeterde gefaseerde rang-schikkingsomzatter met collimator elimineert het opwekken van belangrijke ultrasone energie buiten het - 45° acceptatiegebied, en wijzigt niet in belangrijke mate de bundeleigenschappen binnen het acceptatiegebied.

30 Het grondprincipe van collimatie of bundeling via kritisch hoek- effecten, wordt geïllustreerd in figuren 4A en 4B. Indien de invallende golf op de collimator 17 valt onder een hoek 6 minder dan de kritische hoek 0 , zoals weergegeven in fig. 4A, dan owrdt de golf door het C3T2. tl collimerende materiaal doorgelaten. Daarentegen, indien de invallende golf 35 op het collimerende materiaal valt onder een hoek groter dan de kritische hoek, zoals weergegeven in fig. 43, dan wordt de invallende golf totaal gereflecteerd, en wordt geen energie doorgelaten door de collimator.

Aldus laat deze eenvoudige op kritische hoekeffekten gebaseerde methode signalen door binnen een zeker angulair bereik en verwerpt signalen buiten 40 dat bereik.

8300070 - 4 -

Om deze gedachte praktisch uit te voeren zijn materialen gevonden, die eenvoudige kritische hoekeffekten vertonen, en minimale verliezen over het acceptatiegebied vertonen. In het algemeen kunnen eenvoudige kritische hoekeffekten voor longitudinale golven slechts verkregen worden 5 indien het voor de collimator gebruikte materiaal geen afschuifgolven ondersteunt. Bij afwezigheid van afschuifgolven wordt de kritische hoek gegeven door de uitdrukking 9Crit“ ar° ü)

10 VV

waarin = de geluidssnelheid van de longitudinale golf in het voorwerp, zoals het menselijke lichaam, C2 = de geluidssnelheid van een longitudinale golf in de collimator.

De geluidssnelheid in de collimator moet zodanig gekozen worden, dat de kritische hoek iets groter is dan het acceptatiegebied, de * 45 sector van het afbeeldingssysteem. Aldus kan het voor collimatie gekozen materiaal geen afschuifgolven ondersteunen, en voor medische toepassingen resulteert de geluidssnelheid van een longitudinale golf in een kritische 2Q hoek van ca. 50°. Polyetheen is een vaste stof, die zwakjes een afschuif- golf ondersteunt, en bezit een geluidssnelheid voor een longitudinale golf van ongeveer 1950 m/sec. Dientengevolge benadert polyetheen de eenvoudige kritische hoekeigenschappen, weergegeven in figuren 4A en 4b met een kritische hoek tussen 47° en 55° voor menselijk weefsel.

22 Ofschoon polyetheen de geschikte eigenschappen vertoont voor het collimeren van ultrasone omzetters, gebruikt in real time gefaseerde rangschikkingsafbeeldingssystemen, is het een zeer verliesrijk materiaal.

Voorts kan de aankomsttijd van uitgezonden ultrasone pulsen verschillend zijn. Teneinde de verliezen over het acceptatiegebied zo klein mogelijk 30 te maken en teneinde niet de aankomsttijd te wijzigen, worden dunne lagen polyetheen gebruikt. Indien echter de lagen te dun worden gemaakt, zullen zijn niet kritische hoekeffecten vertonen. De plaat is bij benadering 1 golflengte dik bij de laagste bruikbare emissiefrequentie van de omzetter om te verzekeren dat het polyetheen als een collimator werkt. Bij voorbeeld, 35 indien de laagste frequentie die gebundeld moet worden it MHz is, dan is de dikte van een halve golf lengteplaat ongeveer 10,16 ƒ!. Voor deze dikten zullen kritische hoekeffecten de gewenste bundel collimeren, maar het tweeweg insteekverlies zal slechts 3-5 dB zijn over het acceptatiegebied.

o

Een afbeeldingsssyteem dat bijvoorbeeld een 60 sector aftasting 40 uitvoert, heeft een collimator, die gemaakt is uit een verschillend materiaal.

'33 0 0 0 7 0 - 5 -

Wetende dat de longitudinale geluidssnelheid in weefsel 1500-1600 m/s bedraagt, en dat de kritische hoek gelijk is aan tenminste de maximale aftasthoek van 30° of een beetje groter, geeft de oplossing van vergelijking (1) de waarde C^, zijnde de geluidssnelheid van een longitudinale golf 5 in de collimator. Een geschikt materiaal wordt vervolgens geselecteerd.

Figuur 5 illustreert de voorkeurs uitvoeringsvorm van de verbeterde gefaseerde rangschikkingomzetter, die een collimator bezit, en waarvan de elementen de gewenste angulaire responsie vertonen, teneinde zeer dicht de in fig.1 weergegeven ideale bundeleigenschappen te benaderen.

10 De rangschikking zelf wordt gedetailleerd beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4,211.948. Deze rangschikking heeft een hoge gevoeligheid en een wijd gezichtsveld. Zij bestaat uit een groet aantal piezoelectrische omzetterelementen 18, die electrodenl9 en 20 bezitten aan tegenover gelegen vlakken en een breedte in de orde van 1 golflengte bij de emissie-15 frequentie. Volledig doorgesneden \/4 impedantie aanpassingslagen 21 en 22 van pyrex en plexiglas, zijn aan elk element bevestigd. De collimator 23, zijnde een continu dun vel van polyetheen, bevindt zich nabij de voorvlakken van de tweede aanpassingslaag en wordt bedekt door de slijtageplaat 24. Anderzijds wordt het collimerende veld 23A(weergegeven met stippellijnen) 20 gehecht aan het voorvlak van de slijtageplaat. De slijtageplaat is gemaakt van materiaal, zoals gevulde siliconenrubber, waarbij de longitudinale geluidssnelheid gelijk is aan of minder dan die in het menselijk lichaam en waarbij de akoestische impedantie voor longitudinale geluidsgolven bij benadering gelijk is aan die van het lichaam.

25 Deze gefaseerde rangschikkingsomzetter draagt ultrasone pulsen over bij vele verschillende aftasthoeken teneinde een volledige 90° sector van het menselijk lichaam af te tasten. Ultrasone golven, opgewekt door elk omzetter-element 18, worden geleid door impedantie aanpassingslagen 21 en 22, en vallen op collimator 23. Akoestische golven, waarvan de invals-30 hoek kleiner is dan de kritische hoek (* 50°) worden doorgelaten door de collimator en slijtageplaat, enakoestische golven, waarvan de invalshoek groter is dan de kritische hoek, worden totaal gereflecteerd. Onbelangrijke ultrasone energie wordt opgewekt buiten de - 45° sector, die wordt afgetast en afgebeeld, en bundeleigenschappen binnen de afgetaste sector 35 worden niet gewijzigd. Beeldkwaliteit wordt verbeterd omdat er geen beeld "rommel" is afkomstig van buiten de sector.

In fig. 6 worden de resultaten van metingen, die de praktische toepassing van een polyetheen collimator demonstreren, weergegeven. De met een volle lijn getrokken kromme geeft het bundelprofiel weer, gemeten aan 40 het element van een rangschikking, die geconstrueerd was. De gestippelde 8 3 0 0 0 7 Ö - 6 - kromme geeft de resultaten weer van metingen, verkregen aan het zelfde rangschikkingselement, nadat een polyetheenplaat met een dikte van 10,16 yUm, werd gebonden aan de voorzijde van de slijtageplaat pp de omzetter. De polyetheenplaat, die werkzaam is als een collimator, beperkt 5 het acceptatiegebied tot ongeveer - 45°. De plaat voerde een tweeweg insteekverlies in van enkel 3 dB over het acceptatiegebied.

Raster lineaire rangschikkingen worden eveneens verbeterd door het toevoegen van een collimator.

Ofschoon de uitvinding in het bijzonder weergegeven en beschreven 10 is aan de hand van de voorkeurs uitvoeringsvorm ervan zal het duidelijk zijn dat een deskundige op dit vakgebied diverse veranderingen kan aanbrengen in de vorm en details van de inrichting zonder echter daarmede buiten de beschermingsomvang van de uitvinding te geraken.

15 8300070

Claims (11)

1. Ultrasone omzetter voor een afbeeldingsstelsel, bevattende - een lineaire rangschikking van omzetterelementen; welke bundels ultrageluid opwekt en welke een sector van een voorwerp aftast; en - middelen voor het collimeren van de door individuele rangschikkings-5 elementen doorgelaten akoestische golven en voor het overbrengen naar het voorwerp van enkel diê akoestische golven binnen een gegeven hoek-bereik, welke bij benadering overeenkomt met de angulaire uitgestrektheid van de afgetaste sector, en voor het verwerpen van die akoestische golven, die gelegen zijn buiten het gegeven amplitudebereik.

2. Ultrasone omzetter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de collimerende middelen gevormd worden door een continue laag, waarmede het voorwerp kritische hoekeffecten vertoont.

3. Ultrasone omzetter volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de laag een dikte bezit van ongeveer 1 golflengte bij de laagste 15 bruikbare frequentie van het geëmitteerde ultrageluid.

4. Ultrasone omzetter volgens ocnclusie 2, met het kenmerk, dat de laag gemaakt is uit het materiaal dat longitudinale golven ondersteunt en niet in nagenoeg gelijke zin afschuifgolven ondersteunt.

5. Ultrasone omzetter volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat 20 het materiaal polyetheen is.

6. Ultrasone gefaseerde rangschikkingsomzetter voor een op sectoraftasting berustend afbeeldingssysteem, bevattende - een lineaire omzetter rangschikking, die ultrasone pulsen doorlaat onder verschillende aftasthoeken, teneinde een sector van het 25 menselijk lichaam af te tasten en bestaat uit een aantal omzetter elementen, die elk ultrasone golven opwekken en waaraan volledig doorgesneden impedantie aanpassingslagen gehecht zijn; en - een continue collimator aan de voorzijde van de rangschikking, die de door elk element uitgezonden akoestische golven doorlaat, waarvan 30 de invalshoek kleiner is dan een kritische hoek en deze akoestische golven totaal reflecteert, waarvan de invalshoek groter is dan de kritische hoek, welke kritische hoek ongeveer gelijk is aan de maximale aftasthoek; - waarbij onbelangrijke ultrasone energie wordt opgewekt buiten de 35 sector, die door het systeem afgetast en afgebeeld wordt.

7. Ultrasone omzetter volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat 8300070 - 8 - de collimator een dikte heeft van ca. 1 golflengte bij de laagste bruikbare emissiefrequentie van de rangschikking.

8, Ultrasone omzetter volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de collimator gemaakt is uit een materiaal, dat een longitudinale 5 geluidssnelheid heeft van ongeveer 1950 m/s.

9. Ultrasone omzetter volgens conclusie8, met het kenmerk, dat de collimator een vel van polyetheen is.

10. Ultrasone omzetter volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de collimator zich bevindt bij de aanpassingslagen en bedekt is door 10 een slijtageplaat.

11. Ultrasone omzetter volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de collimator zich bevindt bij de slijtageplaat. 15 8300070