SE445009B - Ultraljudsbildanordning for alstring av tversnittsbilder - Google Patents

Description

8000837-8 2 McCreády, Excerpta Medica Amsterdam - Oxford l975) eller såsom mekanisk kontakt-scanner (A. Shaw, J.S. Paton, N.L. Gregory, D.J. Wheatley, "A real time 2-dimensional ultra-sonic scanner for clinical use", Ultrasonic, januari 1976, sid 35 - 40L En anordning av den inledningsvis nämnda typen är känd genom holländska patentansökan nr 76.02288. En nackdel vid denna anordning består däri, att dess ljudhuvud är relativt stort och tungt, vilket försvårar användningen av anordningen.

Uppfinningen syftar till att undanröja denna nackdel.

Lösningen enligt uppfinningen av detta syftemål känne- tecknas av att bildanordningen dessutom innefattar två mellan- omvandlaranordningar, från vilka med den första mellanomvand- laranordningen, vars medelpunkt approximativt befinner sig i centrum för formen av den mot den bågformiga omvandlar- anordningen svarande bågen och vars element är approximativt parallellt anordnade med elementen i denna omvandlaranordning, a) en med en grupp av till varandra gränsande omvandlarele- ment av den bågformiga omvandlaranordningen alstrad ultraljudstråle kan mottagas och mot denna svarande elektriska signaler kan tillföras den andra mellanomvand- laranordningen, vilken därefter utstrålar en motsvarande ultraljudstråle, eller b) att elektriska signaler kan mottagas av den andra mellan- omvandlaranordningen, vilka svarar mot med denna emot- tagna ekovågor, och att en mot de sistnämnda elektriska signalerna svarande ultraljudstråle kan riktas mot en grupp av till varandra gränsande omvandlarelement av den bågformiga omvandlaranordningen.

Fördelaktiga utföringsformer av bildanordningen enligt uppfinningen är angivna i de osjälvständiga kraven 2 - 6.

Med bildanordningen enligt uppfinningen är det möjligt att eliminera den ovan nämnda nackdelen.

I det följande kommer med ledning av bifogade ritningar några utföringsexempel av uppfinningen att beskrivas.

Fig.l visar en perspektivvy av omvandlaranordningen av ovannämnda ultraljudsbildanordning enligt teknikens stånd- punkt.

Fig. 2 visar den i tvärsnitt schematiskt framställda for- 8000857-8 3 men av strålningskarakteristik 23 hos en omvandlargrupp enligt uppfinningen i jämförelse med strålningskarakteristiken 22 hos en omvandlargrupp i omvandlaranordningen enligt fig. 1.

Fig.3 visar ett schematiskt tvärsnitt av en föredragen utföringsform hos omvandlarorganet 38 i omvandlaranordningen 11 enligt fig. 1.

Fig. 4 visar en vy bakifrån av en omvandlargrupp 22 med 4 omvandlarelement.

Fig. 5 visar diagrammet hos sändningssignalerna 41, 42 som enligt uppfinningen lägges på elektrodsegmenten 31-34 hos omvandlargruppen 21 i fig. 3.

Fig. 6 visar schematiskt med ledning av ett parallellt med QS-planet i fig. 1 liggande tvärsnitt, en för svag fokuse- ring av ultraljudsstrålknippet i Q-riktningen lämplig form av strålningsytan 37 hos omvandlaranordningen 38 enligt fig. 3.

Fig. 7 visar en vy bakifrån av en utföringsform av om- vandlaranordningen 38 enligt fig. 3, med vilken utföringsform man uppnår den med den konkava strålningsytan enligt fig.6 uppnådda svaga fokuseringen i Q-riktningen med en plan strål- ningsyta.

Fig. 8a, 8b, 8c visar en fördelaktig utformning av om- vandlargrupper 71, 72, 73, vilka cykliskt utväljes efter var- andra.

Fig. 9a visar en vy bakifrån av en omvandlargrupp 91, vilken innehåller 7 elektrodsegment och i en andra utförings- form användes i den uppfinningsenliga ultraljudsbildanordning- en.

Fig. 9b visar i tvärsnitt utförandet av strålningsytan hos omvandlargruppen 91 enligt fig. 9a.

Fig. 10 visar diagram av sändningssignalerna som lägges på elektrodsegmenten 92-98 i omvandlargruppen 91 enligt fig. 9a.

Fig. lla visar en vy bakifrån av en omvandlargrupp med 7 elektrodsegment, vilka användes i en föredragen utföringsform av ultraljudsbildanordningen.

Fig. llb visar i tvärsnitt en föredragen utföringsform av strålningsytan hos omvandlargruppen enligt fig. lla.

Fig. 12 visar diagram över sändarsignalen som lägges på 8000837-8 4 elektrodsegmenten 112-118 i omvandlargruppen lll enligt fig. lla.

Fig. 13 visar ett schematiskt blockschema för beskrivning av en föredragen utföringsform av ultraljudsbildanordningen.

Fig. 14 visar ett blockschema för beskrivning av sänd- ningssignalgeneratorn 133 i utrustningen enligt fig. 13.

Fig. 15 visar diagram för den framställda taktpulsen 132 från taktgivaren 131 och den pulsade sinusvågen 162 som avleds från taktpulsen.

Fig. 16 visar ett blockschema för beskrivning av ekosig- nalmottagaren 143 i utrustningen enligt fig. 13.

Fig.17 visar principen hos en föredragen utföringsform av elementvalsdrivningsomkopplaren 138 i utrustningen enligt fig. 13. För att lättare åskådliggöra beskrives härmed denna princip för en omvandlargrupp med bara 4 element, fastän ut- rustningen enligt fig. 13 använder omvandlargrupper med var- dera 7 element.

Fig. 18 och 19 tjänar som beskrivning av dimensioneringen av en omvandlargrupp och dess element.

Fig. 20 visar en schematisk framställning av det avsök- ningsbara området med en sektor-scan.

Fig. 21 visar en schematisk framställning av det med en linjär strålförskjutning avsökningsbara området.

Fig. 22 visar en schematisk framställning av det med en bågformad omvandlaranordning (ej visad) avsökningsbara området.

Fig. 23 visar ett schematiskt tvärsnitt av ett ljudhuvud med en bågformig omvandlaranordning enligt uppfinningen.

Fig. 24 och 25 avser beskrivningen av framställningen av en cylindrisk vågfront med två varianter av uppfinningen.

Fig. 26 visar användningen av en bågformad omvandlaran- ordning för framställning av "phased arrays".

Fig. 27 och 28 är avsedda för beskrivning av dimensione- ringen av en uppfinningsenlig bågformad omvandlaranordning.

Som framgår av fig.l består omvandlaranordningen 11 av den kända ultraljudsbildanordningen (US-PS 3 881 466) av en fast längsgående rad av till varandra angränsande omvandlar- element 12. Omvandlarelementen i den kända omvandlaranord- ningen exciteras successivt till pulser i på varandra följande 8000837-8 5 grupper från A till varandra näraliggande omvandlarelement. Var och en av de på varandra följande grupperna av A-element förskjutes i längdriktníngen för B-elementen från punkten till den omedelbart föregående gruppen. Förskjutningen av ultra- ljudsstrålknippena 13 sker i riktningen för pilen L, som visas med raden av de streckade fyrkanter 14, vilka ger det momenta- na tidsläget hos strålknippena 13 i jämna tidsintervall. Det bör påpekas att varje omvandlargrupp enligt den kända omvand- laranordningen 11 framställer ett ofokuserat ultraljudsstrål- knippe 13, eftersom samtliga A-element i omvandlargruppen sam- tidigt exciteras för pulsavgivning. Den ofokuserade strål- ningskarakteristiken 22 hos ultraljudsstrålknippet 13 i fig. 1 visas i fig. 2.

I fig. l definieras ett ortogonalt koordinatsystem genom de 3 pilarna Q, L och S. Pilen L ligger utefter längdaxeln hos strålningsytan i omvandlaranordningen ll. Pilen S ligger pa- rallellt med huvudaxeln hos ultraljudsstrålknippet 13. Pilen Q ligger vinkelrätt mot den plana ytan som definieras av pilarna L och S. Läget av de i de bifogade figurerna visade tvärsnit- ten och vyerna definieras med hjälp av detta koordinatsystem.

Fig. 3 visar ett deltvärsnitt av uppbyggnaden-hos en före- dragen omvandlaranordning 38 för genomförande av metoden enligt uppfinningen. Omvandlaranordningen består av en hel elektrod 36 som är jordad och vars ena yta 37 används som strålningsyta, ett piezoelektriskt skikt 35 och av elektrodsegment 31-34 vars baksida visas i fig. 4.

Det framgår ur föregående beskrivning av omvandlaranord- ningen 38 att de uppfinningsenliga omvandlarelementen kan om- fatta gemensamma delar såsom det piezoelektriska skiktet 38 eller hela elektroden 36. För uppfinningsenlig funktion hos omvandlaranordningen 38 är det tillräckligt att den ensidigt består av elektrodsegment, till vilka de i tiden förskjutna sändningssignalerna anbringas och ur vilka ekosignaler kan uttagas. Varje elektrodsegment definierar således ett omvand- larelement enligt uppfinningen.

Den med föreliggande uppfinning uppnådda effekten, dvs. målet att uppnå högre tvärupplösning, kommer huvudsakligen att uppnås genom ett nytt funktionssätt hos omvandlaranordningen. i ....._.í_..._..._.í_.____.. 8000837-s 6 Detta kommer härnäst närmare att beskrivas med hjälp av fig. 2, 4 och 5.

Fig. 4 visar elektrodsegment 31-34 hos en omvandlargrupp 21 enligt uppfinningen. För framställning av ett ultraljudsstrålknip- pe enligt uppfinningen pålägges på elektrodsegmenten 31-34 de i fig. 5 visade, mot varandra i tiden förskjutna sändningssignalerna 41, 42, varvid sändníngssignalerna för de yttre elektrodsegmenten 31, 34 löper före omvandlargruppen i fas. Därigenom kommer ett svagt fokuserat ultraljudsstrålknippe 23 (fig. 2) att framställas. _ I en föredragen utföringsform av uppfinningen kommer inte bara_sändnings:*flnalerna utan också de med de enstaka omvandlar- elementen i omvandlargruppen mottagna ekosignalerna att förskjutas i förhållande till varandra i tiden. Den i figu 4 visade omvand- largruppen 21 sänder och mottager med 4 element, varvid sändnings- sígnalerna respektive de i tiden förskjutna ekosignalerna hos de yttre elementen kommer att ligga 900 före i fas. Denna positiva fasvridning är enligt uppfinningen definierad med avseende på en period (360°)av den högfrekventa bärvågssigna1en(t.ex.2 MHzL vilken i pulsform med en följdfrekvens av t.ex. 2 KHz och med lämplig fasvinkel påföres elektrodsegmenten i de på varandra föl- jande omvandlargrupperna.

Den med denna uppfinningsenliga drift av omvandlargruppen 21 uppnådda verkan kan förbättras genom följande ytterligare åtgärder: 1) Det har visat sig gynnsamt att för de yttre elementen hos en omvandlargrupp välja följande kombination av positiv fas- förskjutning: _ Sändningssignaler Ekosígnaler antingen ca. 90° I ca. 450 eller _ ca. 450 ca.- 900 Genom dessa olika värden hos den positiva fasförskjutning för sändnings- och ekosignalerna blir strålningskarakteristiken 23 en- ligt uppfinningen (fig. 2) över ett visst djup ännu smalare. 2) 'Det är fördelaktigt att företa en viktning av sändnings- respektive ekosignalerna. Som visas i fig. 5 kommer därvid de inre elektrodsegmenten 32, 33 att exciteras med en sändningssignal av den större amplituflen ao- På liknande sätt kommer vid mottagandet 8000857-8. 7 de av de inre elektrodsegmenten avgivna ekosignalerna att multi- pliceras med en större viktningsfaktor än de av de yttre elementen avgivna ekosignalerna. Vid denna viktning har det visat sig gynn- samt med ett förhållande av 2:1 för såväl sändningssignalerna som för ekosignalerna. 7 I 3) Det är likaledes fördelaktigt att man if)-riktningen i fig. l fokuserar svagt, t.ex. på så sätt att en omvandlaranordning med en svagt krökt strålningsyta 37 (se fig. 6) användes.

Den svaga fokuseringen i Q-riktningen kan också uppnås elekt- roniskt. Till detta användes en omvandlaranordning som i fig.7, vid vilken varje elektrodsegment i Q-riktningen är uppdelat i 3 segmentdelar a, b och c. Som framgår ur fig. 7 kommer endast de streckade delarna av elektrodsegmenten för sändning respektive mottagning att användas. Därvid kommer de inre segmentdelarna 32b, 33b att aktiveras med sändningssignalen 41 och de övriga aktiva segmentdelarna kommer att aktiveras med sändningssignalen 42.

Denna lösning är elektroniskt mer påkostad än en omvandlar- anordning med krökt strålningsyta, men det behövs endast en om- vandlaranordning med en plan strålningsyta, vilket är billigare.

Vid den kända omvandlaranordningen ll enligt fig. l kan ultraljudsstrålknippet 13 efter varje sändnings-mottagningsperiod förskjutas med en bredd av ett omvandlarelement 12. Linjetalet i bilden och upplösningen kan dock höjas när ultraljudsstrålknippet i varje ögonblick förskjutes mindre, t.ex. en halv elementbredd.

Detta kan naturligtvis uppnås genom halvering av elementbredden.

Denna lösning leder emellertid till fördubbling av element och motsvarande större komplexitet.

I en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning (fig. 8a, 8b och Bc) uppnås förskjutningen av ultraljudsstrålknip- pet för en halv elementbredd därigenom, att på varandra utvalda omvandlargrupper 71, 72, 73 omväxlande innehåller ett jämnt och ett udda antal omvandlarelement, varvid de på varandra följande omvandlargrupperna omväxlande bildas genom minskning av antalet elektrodsegment i en riktning och genom höjning av antalet elektrodsegment i den motsatta riktningen. Amplituderna och faser- na hos sändningssignalerna respektive de i tiden förskjutna eko- signalerna väljes på så sätt att oavsett antalet element i omvand- largruppen formen hos ultraljudsstrålknippet förblir onn möjligt 8000837-3 8 densamma. Följande kombination av amplituder och faser resulterar t.ex. i den omväxlande användningen av 4 och 3 element i en mycket snarlik strålform: Med 4 element: _ Element 31 3 2 33 34 Sändande Amplitud 0, 5 1 l O, 5 “ Fas 9o° o° o° 9o° Mottagande { Amplitud O, 5 1 _l O, 5 Fas 4s° of” o° 4s° Med 3 element : Element 32 3 3 34 Sändande Amplitud 1 1 l Fas 4s° o° 450 Mo ttagande Amplitud l 1 Fas 22.5° o° 22,50 En andra utföringsform av uppfinningen kommer härnäst att be- skrivas med hjälp av fig. Ba, 9b och 10. Det är känt (den schweiz- iska patentskriften nr 543 313), att en välfokuserad ultraljuds- stråle nåröver stort djup, varvid ultraljudsvågen strålar ut med en kägelformig vågfront. En sådan vågfront utstrålas t.ex. av en konformad ultraljudsomvandlare. En konformad-strålningsyta kan uppfinningsenligt approximeras på så sätt att man för sändnings- signalerna 101-104 i fig. 9a för de i tiden förskjutna ekosigna- lerna 202-208 (fig. 16) planerar en linjär ökning av fasvinkelnf med avlägsnandet av omvandlarelementen 92-98 från mitten av om- vandlargruppen. Fig. 10 visar denna linjära ökning med fasvinkeln f. Med den i fig. 9b med hjälp av ett tvärsnitt visade formgivnin- gen av strålningsytan 37 kommer en linjär ökning av fasvinkeln hos den utstrålade ultraljudsvågen likaså att uppnås i Q-riktningen.

Den streckade linjen_107 i fig. 9a beskriver orten med konstant fas på utstrålningsytan hos omvandlaranordningen varvid för för- enkling en fas antas som ändrar sig kontinuerligt i L-riktningen och inte stegvis som i föreliggande utföringsexempel. Medan vid en 8000837-8 9 konformig vågfront orten för konstant fas är en cirkel, rör det sig här om raka avsnitt 107.

En bättre approximation av en konformig vågfront kan med hjälp av fig.lla, och llb och l2 uppnås med följande beskrivna utföringsform av uppfinningen. I denna utföringsform är fasberoen- det hos sändningssignalerna respektive de i tiden förskjutna eko- 'signalerna av positionen hos motsvarande omvandlarelement i mitten av omvandlargruppen kvadratiskt och vid randen linjärt. Ett mot- svarande fasberoende i Q-riktningen uppnås med den i fig. llb med hjälp av ett tvärsnitt genom omvandlaranordning visade formgiv- ningen av stråïningsytan 34. Hyperbeln är en föredragen kurva för linjen 37 i fig.llb.En sådan kurva förlöper i det mellersta om- rådet 127 cirkelformigt, vid randen däremot linjärt. Den med denna utföringsform uppnådda förbättringen framgår därav att den i fig. lla visade orten för konstant fas 106 uppvisar avrundade hörn.

Det bör påpekas att de utstrålande omvandlargrupperna i ut- föringsexemplen enligt fig. 9a och lla har en större yta än hos utföringsexemplet enligt fig. 4. Genom denna större yta kommer en motsvarande större öppning att erhållas vilket är nödvändigt för att uppnå bättre upplösning. " Som i de andra utföringsexemplen är det också vid de sist nämnda utföringsformerna av fördel att de inre delarna av de utstrålande omvandlargrupperna sänder med större amplitud respek- tive att vid mottagningen de där mottagna ekosignalerna multipli- ceras med en större viktskoefficient. Därigenom förbättras när- fältet.

Dimensioneringen hos omvandlargruppen 21 och omvandlarelemen- ten 31-34 enligt fig. 4 för framställning av ett svagt fokuserat ultraljudsstrålknippe 23 enligt fig. 2 kommer härnäst att beskri- vas med hjälp av fig. 18 och 19. Kännetecknande för en god, svagt fokuserande omvandlargrupp är, att dess bredd 3 och längd l upptager 15 till 30 våglängder. Krökningsradien R (fig. 19) hos vågfronten väljes ungefär lika med halva djupet av den kropp som skall undersökas, företrädesvis något mindre. För en omvandlar- grupp med 4 omvandlarelement väljes bredden hos de individuella omvandlarelementen så att fasskillnaden mellan de av de närliggan- de elementen utstrålade vågorna inte uppgår till mer än 900. Ju mer man överskrider dessa värden på krökningsradien och fasskill- 8000857-8 10 naden desto sämre blir strålformen och därmed också tvärupplösnin- gen. En svag fokusering i föreliggande uppfinningsanda kan dock åtminstone i princip uppnås med ett värde mellan 300 och 1800 för fasskillnaden.

Dimensioneringen av omvandlarelementen kommer nu att beskrivas med hjälp av ett konkret exempel (se fig. 18 och 19).

Som visas i fíg. 18 sänder de två inre elementen hos omvandlar- gruppen med fasen OO och de båda yttre elementen med fasen 900. Ur fig. 19 och kordasatsen erhåller man 2: al 2R.A (1) vari dl = den laterala förskjutningen som för till den önskade fasför- skjutningen 900, _ krökningsradien hos vågfronten och R_= A = avståndet som motsvarar 900 fasförskjutningi I föreliggande fall Å =- ...2 A 4 <> med.Å = våglängden.

Väljer man nu R = 80 mm (ungefär halva djupet hos den under- sökta kroppen) och7\ = 0,75 mm (denna våglängd motsvarar en frek- vens av 2MHz) så erhåller man dl = 5,48 mm. Väljer man element- bredden till 4 mm, så har mitten hos de yttre elementen avståndet 112 -- 6 mm från mitten hos om-vandlargruppen. Detta värde av C12 mot- svarar ungefär den ovan beräknade distansen dl.

Fig. 13 visar blockschemat över en ultraljudsbildanordning enligt uppfinningen, vilken för sändning och mottagning använder omvandlargrupper med vardera 7 omvandlarelement, som framställs i fig. lla. I blockschemat enligt fig. 13 betyder 38 omvandlaranord- ningen enligt fig. 3, 131 en taktgivare, 132 en av taktgivaren 131 avgíven taktsignal, 133 en sändningssignalgenerator, 134 sänd- ningssignaler, som via sändningssignalgeneratorn 133 över lednin- garna 135 tillföres elementväljarväxlingsomkopplaren 138, l36 en med taktgivaren 131 förbunden elementräknare och_dekoder för styr- ning av elementväljarväxlingsomkopplare 138, 142-ekosignaler som avges av en omvandlargrupp, 143 en ekosignalmottagare, 144 den kombinerade ekosignalen vid utgången av ekosignalmottagaren, 145 en tidskänslig förstärkare, 146 en detektor, 147 en signalkoncen- 8000837-8 ll trator, 148 utgångssignalen hos signalkoncentratorn 147, 151 en X- avlänkningsgenerator, 154 en av denna generator avgiven avlänk- ningssignal, 152 en Y-stegfunktionsgenerator, 155 en av denna ge- nerator avgiven stegfunktionssignal och 156 en återgivningsoscil- lograf med tre ingångar X, Y och Z. _ Taktgivaren 131 framställer periodiska taktpulser 132, vilka utlöser sändningen av en ultraljudssignal för framställning av den nödvändiga synkronisationssignalen. I sändningssignalgeneratorn 133 framställes fyra elektriska sändningspulser 121-124 (se fig. 123, 124 löper före i fas, motsvarande en fas av bärvågssignalen på +30°, +l0O° och 14). Tre av dessa sändningssignaler 122, +l80° gentemot en signal 121, vars fasläge betecknas med OO. Dessa sändningssignaler matas ut på ledningarna 134. I blocket 138 (elementväljarväxlingsomkopplare) ges dessa sändningssignaler på sju försörjningsledningar på vilka sändningssignalen har faserna +1so°, +1oo°, +3o°, o°, +3o°, +1oo°, +1ao°. Elementräknaren och dekodern 136 kopplar via elementvalsväxlingsomkopplaren 138 in de önskade sju elementen såväl för sändning som för mottagning. Efter varje puls kommer konfigurationen enligt fig. lla ett element att förskjutas i Iwriktningen. Samtidigt kommer på försörjnings1ed~ ningarna sändningssignalerna med de olika faserna cykliskt att växlas på så sätt att varje element erhåller motsvarande sänd- ningssignal med det korrekta fasläget. Ekosignalerna 142 når från de sju inkopplade elementen till ekosignalmottagaren 143. Där blir signalerna olika fördröjda och multiplicerade olika viktsfaktorer och därefter adderade. Utgångssignalen 144 hos ekosignalmottagaren går igenom den tidskänsliga förstärkaren 145, vilken kompenserar för dämpningen i kroppsvävnaden. Därpå blir den likriktad i detek- torn 146 och når via signalkoncentratorn 147 till Z-ingången hos återgivningsoscillografen 156. Signalkoncentratorn 147 komprimerar det dynamiska området hos den från detektorn 146 avgivna signalen.

X-avlänkningsgeneratorn 151 framställer en spänning som är proportionell mot tiden, vilken sedan utsändningen av den sista pulsen har förflutit. Y-stegfunktionsgeneratorn 152 framställer en spänning som är proportionell mot läget hos mittaxeln av den in- kopplade omvandlargruppen.

Uppbyggnaden och verkningssättet hos sändningssignalgenera- torn 133 kommer härnäst att beskrivas med hjälp av fig. 14 och 15. -8000837-8 12 -Taktpulsen 132 utlöser en pulsad högfrekvensgenerator 161, vars utgängssignal 162 (pulsad bärvågssignal) i den avtappade fördröj- ningsledningen 163 blir fördröjd på så sätt att man erhåller fyra signaler med faserna Oo, 300, 100° och 1800. I viktningsenheterna 164 - 167 kommer dessa signaler att multipliceras med motsvarande viktfaktorer. 1 _ _ Fig. 16 visar ekosignalmottagaren 143 i detalj. Ekosignalerna 142 multipliceras i viktningsenheterna 171 - 177 med de motsvaran- de viktsfaktorerna. Därpå fördröjes de som visas med fasvridnings- länkarna 181 - 185 och därefter adderas de i en adderare 186.

'Principen för en föredragen utföringsform av elementväljar- växlingsomkoppolare 138 i anordningen enligt fig. 13 kommer härnäst att beskrivas med hjälp av fig. 17. För att åskådliggöra detta kommer härvid denna princip för en omvandlargrupp med endast fyra element att beskrivas, trots att utrustningen enligt fig. 13 använder omvandlargrupper med vardera sju element. Det i denna figur visade kopplingsschemat gör det möjligt att styra och förskjuta en fyrgrupp av omvandlarelement. Därvid kommer i varje tidpunkt de två inre elementen hos gruppen (t.ex. 32 och 33 i gruppen I) att styras med sändningssignalen 41 enligt fig. 5 och de två yttre elementen (t.ex. 31 och 34 i gruppen I) styras med sändningssignalen 42 enligt fig. 5. I fig. 17 visas omvandlarele- menten genom sina motsvarande elektrodsegment 31, 32, 33. Omvand- Iarelementen är via en växlingsanordning 191 cykliskt anslutna .till de fyra försörjningslinjerna 192 - 195. Dessa fyra försörj- ningslinjer är via en växlingsanordning 196 anslutna till två för- sörjningslinjer 197, 198 till vilka sändningssignalerna 41, 42 med de i fig. 5 visade amplituderna och faserna är anslutna. I fig. 17 visas växlingslägena för två på varandra följande omvandlargrupper I (heldragen) och II (streckade). Styrningen av växlingsanordning- _ en 191 behöver ingen förklaring. För styrning av en ny grupp II intager hos växlingsanordningen 196 varje växlare (t.ex. 213) "läget som den övre växlaren (t.ex. 212) hade för styrning av den föregående gruppen I. Den översta växlaren 211 övertager därvid det föregående läget hos den understa växlaren 214. Man kan använ- da samma växlare för sändning och mottagning i den händelse att det elektroniska utförandet av växlingsanordningen är avsedd för detta. I den händelse att man önskar använda olika elektroniska ,..._.._... ,.__,.._.,..._.._..._,_ f ..._ _..____.__ 8000837-8 13 växlare för sändning och mottagning, så kan kopplingen enligt fíg. 17 utföras dubbelt med separata försörjningsledningar för sändning och mottagning. så erhåller man ett 20. huvudet hos en elektronisk våg-scanner är framställt i fig. 23. I den övre delen av huset 301 ligger den vågformiga piezokeramiska system med strålvridning som i fig. Det kompletta ultraljuds- Med vatten som medium betyder detta att omvandlarbagens radie måste motsvara det maxima- eftersom den mänskliga kroppen och vattnet har ungefär samma ljudhastighet (ungefär 1 500 m/s). strålformen kan optimeras helt i enlighet med den ovan be- skrivna linjära avkänningen. Om man använder alla segment i en om- så fokuseras Med til l- och därmed blir den laterala upplösningen hos systemet allt sämre. förbättring erhåller man, vandlargrupp, som inkopplas samtidigt med samma fas, ljudstrålen i centrum av bågen, alltså på membranet. tagande inträngningsdjup blir den allt bredare, En avsevärd om man inte lägger brännpunkten i båg- centrum, utan i en punkt som befinner si från membranet 307 å . g P ungefär 2/3 av det maximala avbildningsdjupet. Detta uppnår man _.- _ _....._.___ ,.._.______..__.____....- W..- V- - -f--W 800083748 14 via en motsvarande fasbeläggning på det enstaka omvandlarelementet vid sändning och mottagning. Fasläget har här omvänt förtecken i förhållande till den ovan beskrivna linjära scannern. Orsaken här- till är i fig. 24, 25 för fallet hos sändaren förtydligat: Vid den linjära scannern (fig. 24) göres ur en ursprungligen jämn vågfront (heldragen linje) en cylindrisk (streckad båge). Ju längre man av- lägsnar sig från strålaxeln, desto starkare måste signalen fas- vridas. Vid båg-scannern (fig. 25) däremot erhålles ur en starkt böjd vågfront (heldragen) en svagt krökt (streckad). Signalen måste alltså med tilltagande axelavstånd allt starkare följa efter. I fallet för mottagaren gäller helt lika resonemang. Huru- vida en apodisation, dvs. en försvagning av amplituden hos de yttre elementen vid sändning och mottagning, vidare förbättrar Kstrålformen beror på den speciella dimensioneringen av omvandlar- gruppen. Framför allt spelar antalet olika faser som används för fokusering en avgörande roll. ” _ Hittills har endast strålbildningen i avlänkningsriktninqen varit diskutérad. Det är dock fördelaktigt att också i den därtill vinkelräta riktningen ge en svag fokusering. Brännpunkten väljer man ändamålsenligt på samma plats som i den första riktningen, nämligen vid 2/3 av det maximala avbildningsdjupet. Fokuseringen uppnår man antingen genom en motsvarande krökt form hos omvandla- ren eller genom en av för omvandlaren konstruerad akustisk lins.

Eventuellt låter sig naturligtvis också i denna riktning - som vid .den ovan beskrivna linjära scannern - förtätningen uppnås elektro- niskt, om man tager med en större komplexitet hos systemet i be- räkningen. En tillagd apodisation visar sig som följd av numeriska beräkningar inte ge en ytterligare förbättring av strålformen.

Avstår man emellertid från en fokusering i den andra riktningen, vilket betyder en väsentlig förenkling av uppbyggnaden, så är en apodisation fördelaktig. Man uppnår denna till exempel med hjälp av segment, vilka blir allt smalare utåt (se fig. 28).

.Elektroniskt sett erbjuder håg-scannern alla fördelar, som även uppvisas av den linjära scannern. Dess nackdel är det nödvän- diga vattenmediet, vilket gör ljudhuvudet tungt och ohanterligt och betingar en halvering av den maximala bildfrekvensen gentemot en scanner utan medium. Mediet och därmed ljudhuvudet låter sig göras mindre, om man i stället för vatten använder en substans, 8000857-8 15 som har lägre ljudhastighet. Ett ansenligt antal av organiska vätskor och även åtskilliga typer av silikongummi har ljudhastig- heter omkring l 000 m/s. Detta betyder en förkortning av mediet av omkring 1/3 och en minskning av ljudhuvudsvolymen med åtminstone hälften. Man måste därvid visserligen ta med i beräkningen en för- stärkt reflexion och en böjning av ljudstrålen i gränsytan mediet- kroppsvävnaden.

En ytterligare ganska avsevärd Eörminskning av ljudhuvudet låter sig förverkligas, om man inte använder båg-scannern som ljudhuvud, utan som signalprocessor för en “phased array". I fig. 26 är denna användningsmöjlighet framställd. Omvandlargruppen 401 vilken består av flera segment hos den bågformiga omvandlaren 402 sänder ut en ultraljudsstråle 403, som i centrum av bågen träffar en "phased array" 404, vars segment är anordnade parallellt med den bågformiga omvandlaren 404. Med denna kommer ljudfältet seg- mentvís att detekteras faskänsligt och överföras på en andra "phased array" 405, som bildar det egentliga ljudhuvudet och re- konstruerar ljudfältet vid punkten av nämnda första "phased array" och strålar ut en motsvarande ultraljudsstråle 406. Anordningen låter sig som lätt kan förstås drivas i omvänd riktning. Den läm- par sig alltså för sändning och mottagning. Man kan lämpligen mel- lan de båda “phased arrays“ för varje segment bygga in en sänd- nings- och mottagningsmellanförstärkare. För att ge bättre över- sikt utelämnades förstärkarna i fig. 26.

I detta läge bör nämnas att det ur nämnda andra "phased array" 405 utstrålade ljudfältet ej behöver vara identiskt med det av nämnda första “phased array" detekterade. signalerna för varje segment kan med hjälp av den ovan nämnda mellanförstärkaren vara fas- och amplitudförändrade. Man kan också tilldela nämnda andra "phased array" en annan form än den första och på så sätt ändra ljudfältet. Därmed har man en ytterligare möjlighet att förbättra fokuseringen och därmed den laterala upplösningen hos systemet.

Fördelen hos denna anordning gentemot ett konventionellt “phased array"-system består däri, att vinkelavböjningen hos ljud- strålen ernås med enkla medel. Strängt taget gäller det huvudsak- ligen för användningen som mottagare. Vid sändning låter sig vin- kelavböjningen relativt enkelt förverkligas digitalt, för mottag- ningen har man dock hittills behövt ett avsevärt antal fördröj- 8000857-s ii 16 ningsledningar och omkopplare. Det erbjuder sig därvid en hybrid lösning, som använder sig av en "phased array" som vid sändning drivs direkt, och båg-scannern utnyttjas som mottagningssignalpro- cessor.

Slutligen kommer ännu ett enkelt exempel av en båg-scanner för kardiologisk användning att beskrivas (se fig. 27 och 28% Följande data gäller för systemet: Frekvens 2 MHZ ïMaxima1t inträngningsdjup _ _l5 cm Avlänkningsvinkel SQK- d0° KSegmenttal _ 54 Änvändbara faser OO, 900 .Medium 7 vatten Fokusering endast i en riktning Under dessa randvillkor genomföres med hjälp av datorberäkna- de ljudfält en optimeringsprocess, vilken ger följande dimensione- ring.

Såsom visas i fig. 27 bildar omvandlaranordningen 302 ett cy- linderavsnitt. Dess radie R uppgår till 15 cm, dess bredd B = 2 cm och dess båglängd 17,6 cm, vilket motsvaras av en vinkel 9 N 67,20. Omvandlaren är uppdelad i 64 segment av bredden S 2,75 mm. Man använder sig vid sändning och mottagning av vardera 12 element samtidigt. En sådan grupp är avbildad i fig. 28.

Kanterna hos de enstaka elementen 411 bildas av cirkelbågar. Denna formgivning leder till den önskade apodisationen och förbättring av strålformen. Vid sändning och mottagning låter man signalerna hos de yttre 6 elementen löpa efter 90° jämfört med de inre 6 elementen. Detta motsvarar en fokusering i en punkt som ligger på .ungefär 25 cm avstånd från omvandlaren. Samtidigt kommer vid sänd- ning och mottagning signalamplituderna hos de yttre 6 elementen att viktas med en faktor 0,5 och de inre elementen 6 med en faktor 1.

Med denna omvandlare uppnår man i avsökningsplanet i det hela användbara området en upplösning av åtminstone 4 mm. I den mot detta vinkelräta riktningen är upplösningen på grund av felande fokusering med en faktor 1,5 gånger sämre. Som ovan redan nämnts, är det även i denna riktning möjligt att ernå en bättre upplös- ning genom en tillagd fokusering.

Claims (6)

8000837-8 l7 PATENTKRAV

1. l. Ultraljudsbildanordning för alstring av tvärsnittsbilder, vilken anordning arbetar enligt pulsekoförfarandet och inne- fattar en omvandlaranordning, som består av en stationär längsgående rad av till varandra gränsande omvandlarelement, är bågformig i avkänningsplanet och är anordnad i ett hus med ett överföringsmedium med god ledningsförmåga för ultraljud, samt vid vilken anordning omvandlaranordningens omvandlarele- ment är cykliskt inkopplingsbara efter varandra för att över- föra en ultraljudstråle till avkänningsplanet och/eller upp- taga ekon och alstra en elektrisk ekosignal såsom gensvar på mottagna ekon, k ä n n e t e c k n a d av att bildanord- ningen dessutom innefattar två mellanomvandlaranordningar (404, 405), från vilka med den första mellanomvandlaranordnin- gen (404), vars medelpunkt approximativt befinner sig i centrum för formen av den mot den bågformiga omvandlaranord- ningen (402) svarande bågen och vars element är approximativt -parallellt anordnade med elementen i denna omvandlaranordning, a) en med en grupp (401) av till varandra gränsande omvand- larelement av den bågformiga omvandlaranordningen alstrad ultraljudstråle (403) kan mottagas och mot denna svarande elektriska signaler kan tillföras den andra mellanomvand- laranordningen (405), vilken därefter utstrålar en mot- svarande ultraljudstråle (406), eller b) att elektriska signaler kan mottagas av den andra mellan- omvandlaranordningen (405), vilka svarar mot med denna emottagna ekovågor, och att en mot de sistnämnda elekt- riska signalerna svarande ultraljudstråle kan riktas mot en grupp (401) av till varandra gränsande omvandlarele- ment av den bågformiga omvandlaranordningen.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att i och för fokusering av det med varje omvandlargrupp alstrade ultraljudstrålknippet resp. mottagningskdrakteristi- ken, de på omvandlarelementen pålagda sändninqssignalerna 8ÛÛÛ837-8 I 18 respektive de av omvandlarelementen avgivna ekosignalerna är ömsesidigt tidsförskjutna, varvid fasvinkeln för sändningssig- nalerna respektive de tidsförskjutna ekosignalerna genom en funktion av avståndet för ifrågavarande omvandlarelement från omvandlargruppens mitt är så bestämd att vid intilliggande om- vandlarelement sändningssignalen resp. den tidsförskjutna eko- signalen från det omvandlarelement som uppvisar det största avståndet från omvandlargruppens mitt ligger efter i fas.

3. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den bågforfliga omvandlaranordningens (402) element uppvi- sar en utstrålningsyta, som utåt avsmalnar i den till avkän- ningsriktningen vinkelräta riktningen och från omvandlaran- ordningens längdaxel.

4. Anordning enligt krav 3, k ä n n e t e c'k n a d av att de enskilda elementens kanter utgöres av cirkelbågar.

5.- Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att överföringsmediet (306) består av en substans, i vilken ljudhastigheten är lägre än i vatten.

6. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att avståndet mellan den bågformiga omvandlaranordningen (402) och brännpunkten för det med anordningen alstrade ultraljuds- fältet uppgår till approximativt längden av den sträcka strå- len tillryggalägger i överföringsmediet plus ca. 2/3 av det maximala avbildningsdjupet.