DE2545506A1

DE2545506A1 - Echotomographiegeraet

Info

Publication number: DE2545506A1
Application number: DE19752545506
Authority: DE
Inventors: Jean Bossaert
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1974-10-11
Filing date: 1975-10-10
Publication date: 1976-04-22
Also published as: FR2287205B1; US4006627A; GB1513935A; FR2287205A1

Description

THOMSON - CSF
173, Bd. Haussmann
75008 Paris / Frankreich

Unser Zeichen: T 1866

Echotomographiegerät

Die medizinische Echotomographie ist ein Untersuchungsverfahren zum Beobachten der Gewebe im Inneren eines
menschlichen Körpers. Bei diesem Verfahren wird ein impulsförmiger Ultraschallwellenzug von einem Wandler mit großer Richtwirkung ausgesandt. Das ausgesandte Bündel ist äußerst fein. Die Echos werden, wie beispielsweise bei einer Radaranlage, durch verschiedene Hindernisse zerstreut, die sich auf der Beobachtungslinie befinden. Diese Echos werden durch den Wandler empfangen und man erhält auf diese Weise ein Bild des von dem Bündel durchquerten Körperabschnitts. Dieses Bild wird im allgemeinen auf
einer Speicherröhre sichtbargemacht. Die Verschiebung des Wandlers längs des Körpers gestattet dann die Anfertigung einer Tomographie.

Dieses Verfahren weist mehrere Beschränkungen auf:

609817/0890

a) Die Tiefenauflösung (oder das Trennvermögen für zwei nebeneinanderliegende Hindernisse) ist direkt von der Dauer des impulsform!geη Wellenzuges abhängig. Diese bestimmt die Genauigkeit der Messung der Verzögerung zwischen Sendung und Empfang.

Dadurch, daß man sich auf eine Dauer des impulsförmigen Wellenzuges von zwei oder drei Halbperioden beschränkt, beträgt die Tiefengenauigkeit zwei oder drei Wellenlängen der Ultraschallwelle- Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls in dem Körper bei einer Länge von einem Meter in der Größenordnung von 1 500 m/s liegt, liegt die Tiefenauflösung in der Größenordnung von 3 cm.

b) Die Transversalauflösung ist mit dem Durchmesser des Ultraschallbündels verknüpft. Um aber ein Bündel von parallelen Strahlen zu erhalten, muß man einen Wandler haben, dessen Durchmesser gegenüber der Wellenlänge groß ist. Dieser Durchmesser soll in der Größenordnung von 20 Wellenlängen liegen.

Es ist somit praktisch nicht möglich, feine Bündel zu erhalten, wodurch die Transversalauflösung begrenzt wird.

Um ein vollständiges Bild zu gewinnen, muß man den Wandler verschieben, um ebensoviele impulsförmige Wellenzüge wie Zeilen zu erhalten. Die Taktfrequenz der Verschiebung ist durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen begrenzt und es ist schwierig, mehr als fünfzehn Bilder pro Sekunde zu erzielen.

Medizinische Untersuchungen erfordern aber häufig, eine Taktfrequenz in der Größenordnung von 100 Bilder/s.

Ziel der Erfindung ist es, eine Echotomographieeinrichtung zu schaffen, welche dieselbe Longitudinalauflösung wie die

809817/0890

3 - · 254b506

bekannten Geräte und eine sehr viel höhere Taktfrequenz der Erzielung von Bildern ermöglicht.

Die Ultraschall-Echotomographieeinrichtung nach der Erfindung ist von einer Bauart, bei welcher die Wandler auf den zu beobachtenden Körper aufgesetzt werden. Sie ist vor allem dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Reihenanordnung von Wandlern aufweist, die gleichzeitig impulsförmige Ultraschallwellenzüge aussenden können, wobei diese Wandleranordnung mit dem zu untersuchenden Körper gekoppelt ist und ein Ultraschallbündel aussendet, das im wesentlichen in einer Ebene liegt, und wobei elektrooptische Einrichtungen das zeilenweise Wiederherstellen des Bildes des rechteckigen Querschnittes parallel zu der Wandleranordnung gestatten.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschema eines Teils der Einrich

tung nach der Erfindung,

Fig. 2 elektrische Signale, die zur Bildung der

Tomographien des zu untersuchenden Körpers erforderlich sind,

Fig. 3 das Schema der Einrichtung nach der Er

findung ,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Teil der

Einrichtung von Fig. 3,

Fig. 5 die Echosignale, die auf die Signale von

Fig. 3 hin empfangen werden,

Fig. 6 · eine perspektivische Darstellung eines Teils

809817/0890

der Einrichtung nach der Erfindung, und

Fig. 7 eine Draufsicht auf einen weiteren Teil

der Einrichtung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung laus beispielsweise einhundert elektroakustischen Wandlern, die zu einem Raster geformt sind und durch einen Generator 2, der impulsförmige Wellenzüge erzeugt, in Phase gespeist werden. Die Dauer dieser Wellenzüge liegt in der Größenordnung von einer Mikrosekunde. Die Trägerwelle kann eine Frequenz in der Größenordnung von 1 MHz haben. Fig. 2 zeigt eine Aufeinanderfolge solcher Wellenzüge. Die entsprechende Wellenlänge soll gegenüber der Transversalabmessung der Wandler ausreichend klein sein, damit die Wandleranordnung eine Ultraschallschicht 3 mit geringer Dicke aussendet, deren Mitte in der Längssymmetrieebene der Anordnung 1 liegt.

Die Wandleranordnung 1 (Fig. 3) ist mit einem Wassersack 4 gekoppelt, der durch eine elastische Membran 5 verschlossen ist, an die sich der zu analysierende Körper 6 anlegt. Es wird angenommen, daß es sich bei diesem beispielsweise um einen Teil des menschlichen Körpers handelt. Es sei daran erinnert, daß die Schallgeschwindigkeit in dem menschlichen Körper in der Größenordnung von 1 500 m/s liegt, d.h. im wesentlichen dieselbe wie in Wasser ist, und daß infolgedessen keine Gefahr besteht, daß Reflexionen an der Trennwand zwischen dem Wassersack und dem menschlichen Körper auftreten.

Der zu analysierende Körper 6 und die zugeordnete Wandleranordnung sind in Fig. 4 in einer Schnittebene dargestellt, die zu der Ebene von Fig. 1 senkrecht ist.

Es ist zu erkennen, daß die Anordnung so ausgelegt ist, daß Zeile für Zeile L-, L₂, L die Informationen empfangen werden, die in einer genau festgelegten Querschnittsebene des zu analysierenden Körpers enthalten sind.

609817/0890

Demgemäß senden die Wandler 1 auf jede Folge von elektrischen Schwingungen hin impulsförmige ültraschallwellenzüge aus (Fig. 4). Daraus ergibt sich die Verschiebung von Wellenebenen in dem Körper 6 senkrecht zu der Ebene von Fig. 3 in der Richtung des Pfeiles. Diese Wellenebenen durchqueren den Körper entsprechend einer Serie von Zeilen L^ ... L .

In jeder Zeile sendet wieder jeder Punkt, der einer Inhomogenität des Körpers entspricht (Knochen oder jegliche Materie, in der die Schallausbreitungsgeschwindigkeit deutlich von der mittleren Geschwindigkeit in dem übrigen Teil des Körpers verschieden ist), durch Zerstreuung auf jeden impulsförmigen Wellenzug hin eine sphärische Welle Σ wieder zu den Wandlern 1 aus. Diese senden daraufhin somit die elektrischen Signale von Fig. 5.

Diese Wandler sind jeweils mit einem Eingang einer Gruppe von Verstärkern 7 verbunden (Fig. 3). Die Ausgänge der Verstärker sind jeweils mit einem Eingang von elektroakustischen Wandlern 8 verbunden, die an der Wand eines Parallelepipeds 9 angebracht sind, das aus einem Einkristall gebildet ist, beispielsweise aus Bleimolybdat. Dieser wird durch einen in Fig. 3 nicht dargestellten Laser 10 beleuchtet, der ein monochromatisches und kohärentes Licht aussendet, das in der schraffierten Zone 100 konzentriert ist.

Das Laserbündel wird durch den Einkristall aufgrund der Brechungsindexänderungen gebeugt, aufgefangen und für die tomographische Darstellung benutzt, wie anhand von Fig. 6 erläutert werden wird, die in perspektivischer Darstellung einen Teil der Anordnung von Fig. 1 zeigt und in der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.

In Fig. 6 sind drei Achsen dargestellt, und zwar die x-, die y- und die z-Achse. Die x-Achse ist die Achse, auf der sich die Ultraschallwellen bewegen. Die Kanten des Kristalls 9 sind auf die x- bzw. y- bzw. z-Richtungen ausgerichtet.

609817/0890

Seine Symmetrieebene ist zu der xz-Ebene parallel. Der Laser 10 sendet ein Lichtbündel von parallelen Strahlen in einer zu der xy-Ebene parallelen Ebene aus und sein Einfallswinkel auf dem Parallelepiped ist der Bragg¹ sehe Winkel Θ. Bekanntlich hängt dieser Bragg'sehe Winkel von dem Material des Kristalls und von der Wellenlänge der Laserstrahlung ab. Die Wandler 1 und 8 liegen in der xz-Ebene.

Demgemäß bewirkt das Aussenden eines impulsförmigen Wellenzuges durch die Wandler 1, der sich in der Pfeilrichtung ausbreitet, daß durch die Inhomogenitäten des Körpers 6 sich in umgekehrter Richtung ausbreitende impulsförmige Wellenzüge mit sphärischen Wellenflächen zurückgesandt werden.

Auf diese Weise sendet jeder Punkt M.. der x-Achse einen Wellenzug aus, von dem jede Wellenfront als eine Zylinderfläche Σ angesehen werden kann, deren Mantellinien zu der y-Achse parallel sind. Dieser Wellenzug wird durch die Wandler 1 empfangen und elektrisch zu den Wandlern 8 übertragen, wobei die relativen Phasen der von jedem Wandler empfangenen Strahlungen in den Wandlern 8 wiederhergestellt werden. Das alles spielt sich somit ab, wie wenn die durch den Punkt M₁ in dem zu untersuchenden Körper 6 ausgesandten Wellen durch einen Punkt M₂ ausgesandt worden wären, der in dem kristallinen Körper 9 liegt, wobei dieser Punkt M- umso weiter von der Eintrittsfläche des Körpers 9 entfernt ist, je weiter der Punkt M- von der Vorderseite der Wandler 1 entfernt ist. Diese Wellenfront

ZM₂ bewegt sich längs der x-Achse in der O-x-Richtung und kommt in dem Teil in dem Kristall- an, der durch den Laser beleuchtet ist. Die Krümmung der Wellenfront IM₁ ist in diesem Teil umso geringer, je weiter der Punkt M₁ und demzufolge der Punkt M„ von dieser Wellenfläche entfernt ist. Änderungen des Brechungsindexes mit dem Takt der Trägerfrequenz der Wellenzüge treten in dem Kristall auf. Es kann gezeigt werden, daß daraus eine Beugung der Laserlichtstrahlung folgt. Wenn man davon die Beugung erster

609817/0890

Ordnung nimmt, kann man zeigen, daß daraus die Bildung einer Lichtstrahlung resultiert, die als virtuellen Ursprung einen Punkt M_ hat, der ebenfalls in der xy-Ebene liegt, wobei es sich um eine kegelförmige Strahlung handelt, deren Achse D mit der y-Achse einen Winkel Θ¹ bildet und deren öffnungswinkel ΔΘ beträgt, wobei die Winkel Θ¹ + ΔΘ und Θ¹ - ΔΘ im wesentlichen gleich dem Bragg"sehen Winkel sind.

Daraus ergeben sich mehrere Konsequenzen:

a) alle Punkte M.. des Körpers, die auf der x-Achse liegen, bilden Beugungsstrahlen, welche als scheinbaren Ursprung Punkte M-, haben, die auf einer Achse liegen, welche mit der y-Achse den Winkel Θ¹ bildet;

b) je kleiner die Krümmung f der Wellenfläche bei der Durchquerung des Laserbündels ist, je näher liegt der Punkt M₃ dem Kristall;

c) die Punkte einer Linie L„^, die zu der z-Achse parallel ist, bilden ein virtuelles Bild L_M3, das zu der Achse D senkrecht ist.

Das Resultat ist, daß die Punkte, die am weitesten von den Wandlern 1 entfernt sind, virtuelle Bilder ergeben, die für einen die gebeugte Strahlung beobachtenden Beobachter näher erscheinen.

Die Linse 11, die auf der Achse D zentriert ist, wird reelle Bilder M^ der Punkte M₃ auf ihrer optischen Achse liefern, wobei diese Bilder der Linse umso näher sind, je weiter die virtuellen Punkte M₃ entfernt sind.

Es sei angemerkt, daß, da sich der Ultraschallimpuls mit einer endlichen Geschwindigkeit sowohl in dem zu unter-

609817/0890

25A5506

suchenden Körper wie auch in dem Kristall ausbreitet, das Laserbündel zuerst von den Echos der den Wandlern 1 am nächsten liegenden Punkte und dann von den Echos der entferntesten Punkte durchquert wird. Daraus folgt, daß die von der Linse 11 übertragene Strahlung eine in der xy-Ebene gelegene Fläche in der Richtung des Pfeiles abtasten wird. Die aufeinanderfolgenden Zeilen des Querschnitts werden nacheinander in der xy-Ebene in der Richtung des Pfeiles erscheinen, wobei die am weitesten entfernten Bildpunkte (das heißt die Bilder der von den Wandlern 1 am weitesten entfernten Punkte) als erste erscheinen.

Die Abtastzeit des Bildes L₁ L wird gleich dem Zweifachen der Laufzeit der Ultraschallwelle in dem Körper von dem Punkt M. zu dem Punkt P₁ sein. Das auf diese Weise erhaltene Bild ist schwierig auswertbar. Wenn man die Photokatode eines Vidikons in der xy-Ebene anordnen würde, würden nämlich die Lichtstrahlen streifend einfallen.Die Untersuchungszeile, die durch den Punkt M₁ hindurchgeht, ist durch die Zeit gekennzeichnet, die zwischen dem Aussenden und dem Zeitpunkt verstreicht, in welchem die entsprechende Wellenfront in das Laserlichtfeld eintritt. Daraus folgt, daß die verschiedenen Bilder der Zeilen des Schnittes zeitlich an derselben Stelle vorbeigehen. Zur Auswertung des Bildes benutzt man einen Schwingspiegel 20 (Fig. 7), der jede Zeile der Tomographie nacheinander im wesentlichen auf dieselbe Stelle·projiziert. Ein optisches Korrekturinstrument 21 berücksichtigt die Verschiebungen der Beobachtungszeile und seine Form ist derart gewählt, daß das Bild auf der Photokatode eines Vidikons gebildet wird. Eine Maske 14 beseitigt die nichtgebeugte Strahlung. Die Tomographie wird auf der Photokatode eines Vidikons 22 gebildet, dessen optische Achse zu der x-Achse parallel ist. Die Schwingungsperiode des Spiegels ist gleich dem Zweifachen der Laufzeit, die der Ultraschall benötigt, um von dem Punkt M₁ zu dem Punkt P₁ zu gehen, "die den beiden äußeren Enden der

809817/0890

2b4bbü6

Tomographie entsprechen.

Die einzige Beschränkung für die Anzahl der Bilder pro Sekunde ist die Schwingungsfrequenz des Schwingspiegels, der ein mechanisches Teil ist. Sie kann 1000 Perioden pro Sekunde erreichen. Schließlich kann das Trennungsvermögen der Tomographie, das durch eine optische Umwandlung des Bildes erzielt wird, vier Wellenlängen der Ultraschallwelle in dem zu untersuchenden Körper erreichen.

609817/0890

Claims

Patentansprüche :

1J Schnelle Ultraschall-Echotomographieeinrichtung, mit einem Generator zum Erzeugen von impulsförmigen Wellenzügen, mit einer ersten Anordnung von elektroakustischen. Wandlern, die durch den Generator in Phase gespeist werden und von denen Jeder Querabmessungen hat, die gegenüber der Wellenlänge der ausgesandten Ultraschallwelle groß sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler eine mit dem zu untersuchenden Körper gekoppelte erste Reihenanordnung bilden, so daß ein schichtförmiges Bündel ausgesandt wird, welches einen Querschnitt des zu untersuchenden Körpers durchquert, daß eine zweite Reihenanordnung von Wandlern mit der ersten Reihenanordnung elektrisch verbunden ist, so daß die Phase der von der ersten Reihenanordnung empfangenen Signale bewahrt wird, und mit einem kristallinen Medium gekoppelt ist, so daß daraufhin Ultraschallwellenflächen in dem Medium gebildet werden, wobei ein optisches System ein monochromatisches Bündel unter einem Einfallswinkel, der im wesentlichen gleich dem Bragg¹sehen Winkel ist, auf die von der zweiten Reihenanordnung von Wandlern ausgesandten Wellenflächen richtet, und wobei optische Einrichtungen eine der Beugungsordnungen des durch die Ultraschallwellenflächen gebeugten Bündels auffangen, das von dem optischen System ausgesandt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Medium ein rechtwinkeliges Parallelepiped ist und daß eine seiner äußersten Flächen die zweite Reihenanordnung trägt, wobei die zweite Reihenanordnung im wesentlichen zylindrische Wellenflächen erzeugt, die sich von dieser äußersten Fläche zu der entgegengesetzten Fläche' bewegen.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System ein Laser ist, der ein zylindrisches Bündel aussendet, dessen Achse in einer zu einer der äußersten Flächen

609317/0890

2546506

parallelen Ebene liegt/ und mit jeder Wellenebene einen Winkel bildet, der für die Wellenlänge, die er aussendet, im wesentlichen gleich dem Bragg¹sehen Winkel ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Einrichtungen Filtereinrichtungen zum Abschwächen der nichtgebeugten Strahlen und zum Empfangen einer bestimmten Beugungsordnung enthalten.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Einrichtungen eine Sammellinse enthalten, deren optische Achse in der Ebene liegt, die zu der äußersbenFläche parallel ist und die Achse des Laserbündels enthält,und unter dem der Beugungsordnung entsprechenden Bragg'sehen Winkel gerichtet ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Einrichtungen einen Schwingspiegel enthalten, der die von der Linse gelieferten Bilder auf die Photokatode eines Vidikons richtet.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schwingspiegel und der Photokatode des Vidikons optische Korrektureinrichtungen angeordnet sind.

609817/0890

Leerseite