DE19625140C2 - Wandleranordnung für ein Ultraschallabbildungsgerät - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich eine Wandleranordnung für ein Ultraschallabbildungsgerät mit einem eindimensionalen Wand­ lerarray und einem diesem vorgeschalteten Fokussierungs­ element.

Echoverfahren zum Abbilden mittels Ultraschall für die me­ dizinische Diagnose sind bekannt. Üblicherweise weist ein Ultraschallgerät eine elektronische Anordnung zur Fern­ erregung eines Ultraschallwandlerarrays oder einer Sonde auf, um Querschnittsabbildungen der inneren Organe entlang einer Vielzahl von Ebenen zu erhalten.

Das Wandlerarray kann ein lineares Array, ein gekrümmtes li­ neares Array oder ein phasengesteuertes Array sein. Die Grundstruktur jedes Arrays umfaßt eine Mehrzahl von Wandler­ elementen, welche entlang einer Oberfläche aneinander an­ grenzend angeordnet sind. Die Erregungssequenz der Wandler ist unterschiedlich. Bei einem linearen Array werden die Wandler sequentiell erregt, wobei nach einer vollständigen Abbildung ein rechteckiges Bildfeld oder "Fenster" erhalten wird. Typischerweise wird ein Multiplexer innerhalb der Son­ de verwendet, um die sequentielle Erregung der Wandlerele­ mente zu bewirken. Ein phasengesteuertes Arraysystem verwen­ det eine nicht-sequentielle Erregung der Wandlerelemente, wobei die aus einem phasengesteuerten Arraywandler resultie­ rende Abbildung typischerweise sektorförmig ist. Der phasen­ gesteuerte Arraywandler erzeugt üblicherweise eine Abbil­ dung, die sich von einem Punkt aus, der üblicherweise der Mittelpunkt des Arrays ist, auffächert. Die Verwendung eines phasengesteuerten Arraywandlers macht es beispielsweise möglich, daß eine Transthorax-Sonde von einem Punkt zwischen den Rippen aus das Herz abbildet.

Die Brennweite des Wandlerarrays kann durch selektives Ak­ tivieren der Elemente des Arrays verändert werden. In dem Fall eines eindimensionalen Arrays (eine Reihe von Elemen­ ten) kann eine Brennweitenänderung lediglich nur in einer Ebene erreicht werden, indem die Erregung der Elemente se­ lektiv zeitlich gesteuert wird. Ein zweidimensionales Array (drei oder mehr Reihen von Elementen) kann durch selektive zeitliche Steuerung in zwei Ebenen dynamisch fokussiert wer­ den. Ein derartiges Array ist viel komplizierter, benötigt viel mehr Verbindungen mit den zusätzlichen Elementen und ist in der Herstellung teuerer.

Üblicherweise wird die Fokussierung senkrecht zur Mittel­ linie der eindimensionalen Reihe von Elementen durch eine zylindrische Linse aus einem Material mit einer zur Schall­ geschwindigkeit des Körpergewebes unterschiedlichen Schall­ geschwindigkeit bewirkt. Diese Linse weist eine feste Brenn­ weite auf, befindet sich üblicherweise in einem vorgegebenen Abstand zentral bezüglich des abgebildeten Bereichs und hat senkrecht zur Verbindungslinie der Einzelelemente des Arrays einen konstanten Krümmungsradius. Eine solche Wandleranord­ nung ist in P. Fish, "Physics and Instrumentation of Diagnostic Medical Ultrasound", 1990, Seiten 89-94, be­ schrieben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Wandleranordnung für ein Ultraschallabbildungsgerät mit ei­ nem eindimensionalen Wandlerarray und einem diesem vorgeschalteten Fokussierungselement zu schaffen, das eine vergleichsweise gute Detailauflösung aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Wandleranordnung gemäß An­ spruch 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß für eine bes­ sere Detailauflösung im Objektinneren die senkrecht zu einer Verbindungslinie der Einzelwandler gemessene Krümmung der zum Ultraschallfeld hin gerichteten Oberfläche des Fokus­ sierungselements ungleichmäßig ist, um für unterschiedliche Fokustiefen geeignet zu sein.

Bei einer Wandleranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung variiert die Brennweite eines akustischen Wandlerarrays durch die Krümmung der dem Ultraschallfeld zugewandten Ober­ fläche des Fokussierungselements. Die Fokussierungseinrich­ tung besteht aus einem ungleichmäßig gekrümmten Fokussie­ rungselement, d. h. einem Fokussierungselement mit einem Krümmungsradius, der entlang der Verbindungslinie der Ein­ zelwandler des Wandlerarrys variiert, wodurch der Wandler elektronisch und/oder mechanisch manipuliert werden kann, um die Brennweite für den interessierenden Bereich zu optimie­ ren. Das Fokussierungselement kann eine Linse für einen linearen oder einen gekrümmten linearen Wandler sein, wobei in Richtung der Verbindungslinie der Einzelwandler ein Krümmungsradius an einem Ende des Wandlerarrays größer als der Krümmungsradius an dem anderen Ende des Arrays ist. Wenn der interessierende Bereich tiefer wird, kann der Wandler derart geschoben oder gerollt werden, daß der optimale Krümmungsradius über dieser Position positioniert ist. Da das Abtastmuster für die meisten linearen Wandler eine beträchtliche Breite aufweist, kann der interessierende Bereich betrachtet werden, selbst wenn Abschnitte der Abbildung neben dem interessierenden Bereich weniger gut definiert sein sollten.

Für einen phasengesteuerten Arraywandler wird der Linsen­ radius entsprechend der Zunahme des Abstandes von der Mitte des Arrays zu den Enden desselben in Richtung der Verbin­ dungslinie der Einzelwandler vergrößert. Für kleinere Tiefen werden nur die mittleren Elemente des Arrays benötigt. Diese sind daher durch den kleineren Radius in der Mitte der Linse auf eine kleinere Tiefe fokussiert. Für größere Tiefen kann das gesamte Array verwendet werden, wodurch die größeren Radien an den Enden des Arrays für einen tieferliegenden Fokus vorteilhaft ausgenutzt werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen detaillierter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Wandleranordnung mit einem ungleichmäßig gekrümmten Fokussierungselement;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Wandleranordnung mit einem ungleichmäßig gekrümmten Fokussierungselement;

Fig. 3A bis 3C die unterschiedlichen Brennweiten für das zweite Ausführungsbeispiel; und

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Wandleranordnung mit einem ungleichmäßig gekrümmten Fokussierungselement.

Fig. 1 stellt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Wandleranordnung mit einem ungleichmäßig gekrümmten Fokussierungselement dar. Das Fokussierungselement 10 ist eine über einer Wandleranordnung 12 angeordnete Linse. Die Linse kann ein linearer oder ein gekrümmter linearer Ultra­ schallwandler sein. Der Krümmungsradius an einem Ende des Wandlers ist größer als an dem anderen Ende desselben. Wenn der interessierende Bereich tiefer liegt, kann die Wandler­ anordnung 12 derart geschoben oder gerollt werden, daß der optimale Krümmungsradius für diese Tiefe über dem in­ teressierenden Bereich liegt. Da das Abtastmuster für die meisten linearen Wandler eine beträchtliche Breite aufweist, kann der interessierende Bereich untersucht werden, selbst wenn Abschnitte der Abbildung außerhalb dieser Region weni­ ger gut definiert sein sollten.

Das ungleichmäßige Fokussierungselement kann aus einem gieß­ baren Material, wie z. B. Silikongummi, mit einer kleineren Geschwindigkeit als Körpergewebe hergestellt werden. Die Ge­ schwindigkeit im Körpergewebe befindet sich in der Größen­ ordnung von 1500 m/s, während Silikongummi etwa die Ge­ schwindigkeit von 1000 m/s aufweist.

Fig. 2 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Wandleranordnung mit ungleichmäßig gekrümmtem Fokussierungselement dar. Das Fokussierungselement 10 ist eine Linse, die über einem phasengesteuerten Ultraschallar­ raywandler 12 positioniert ist. Die Linse weist einen klei­ neren Radius in der Mitte des Arrays auf, wobei der Radius zu den Enden in Richtung der Verbindungslinie der Array­ elemente allmählich größer wird. Der Radius an den Enden ist für die maximal verwendbare Arbeitstiefe des Wandlers opti­ miert. Diese kann bei einer Neonatalsonde ein paar Zentime­ ter betragen, dieselbe kann jedoch bei einem Wandler für Erwachsene auch bis zu 16 Zentimeter oder mehr betragen.

Die Fig. 3A-3C stellen die unterschiedlichen Brennweiten für das zweite Ausführungsbeispiel dar. In Fig. 3A ist für Nahfeld-Brennweiten der Mittenabschnitt aktiv. Für mittlere Brennweiten, wie sie in Fig. 3B gezeigt sind, ist ein Zwi­ schenbereich, der den mittleren Abschnitt des Wandlerarrays umfaßt, aktiv. Das gesamte Array und die Linse werden, wie es in Fig. 3C dargestellt ist, für Fernfeldtiefen verwendet.

Fig. 4 stellt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Wandleranordnung dar. Die Elementlängen des Wandlerarrays sind an die Sehnenlängen der Linse angepaßt, wobei die Sehnen zu der Mitte hin kürzer werden. Diese An­ ordnung tendiert dahin, die für den interessierenden Fokus verfügbare Ultraschall-Leistung anzupassen, da für größere Tiefen mehr Elemente aktiviert werden.

Claims (4)

1. Wandleranordnung für ein Ultraschallabbildungsgerät mit einem eindimensionalen Wandlerarray (12) und einem die­ sem vorgeschalteten Fokussierungselement (10), dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung einer Verbindungslinie der Einzelwand­ ler die senkrecht zu dieser Verbindungslinie gemessene Krümmung der dem Ultraschallfeld zugewandten Oberfläche des Fokussierungselements (10) variiert.

2. Wandleranordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die senkrecht zu der Verbindungslinie gemesse­ nen Krümmungen der dem Ultraschallfeld zugewandten Oberfläche des Fokussierungselements (10) an den beiden Enden des eindimensionalen Wandlerarrays (12) unter­ scheiden.

3. Wandleranordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Krümmungsradius der senkrecht zu der Verbin­ dungslinie gemessenen Krümmung der dem Ultraschallfeld zugewandten Oberfläche des Fokussierungselements (10) an den beiden Enden des Wandlerarrays größer als in der Mitte des Wandlerarrays ist.

4. Wandleranordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Elementlängen der Einzelelemente des Wandler­ arrays (12) an die Sehnenlängen des Fokussierungsele­ ments (10) angepaßt sind.