DE2845791A1

DE2845791A1 - Wandlereinrichtung fuer ein ultraschallimpulsechogeraet

Info

Publication number: DE2845791A1
Application number: DE19782845791
Authority: DE
Inventors: Reuben Saul Mezrich; David Herman Rapha Vilkomerson
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1977-10-20
Filing date: 1978-10-20
Publication date: 1979-04-26
Also published as: DE2845791B2; JPS5470675A; GB2006434B; GB2006434A; FR2406833A1

Description

Wandlereinrichtung für ein Ultraschallimpulsechogerät

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wandlereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-OS 27 09 570 ist ein hochauflösendes Ultraschallimpulsechogerät bekannt, bei welchem unter Verwendung einer stationären Linse relativ großer Apertur ein Bild gewisser innerer Strukturen eines undurchsichtigen Objekts, wie Weichgewebe innerhalb des menschlichen Körpers, erzeugt werden kann. Das bekannte Gerät enthält eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ultraschallstrahles mit einer Wandlereinrichtung, die eine Folge von Ul traschall impulsen erzeugt, und eine Strahl ablenkeinrichtung zum Bestrahlen bestimmter innerer Strukturen durch eine fokussierende Linse mit einem abtastenden fokussierten Ultraschall impulsstrahl. Die Wandlereinrichtung ist im Abstand

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sowohl von der fokussierenden Linse als auch von der inneren Struktur angeordnet und dient dazu, einen Teil des Signales von dem fokussierten Strahl, der von der inneren Struktur reflektiert wurde und nach einer dem Abstand zwischen der Wandleranordnung*und der inneren Struktur proportionalen Zeitverzögerung zur Wandleranordnung zurückgekehrt ist, zu empfangen und wahrzunehmen.

Durch die vorliegende Erfindung soll die Wandlereinrichtung für ein Ultraschallimpulsechogerät der oben genannten Art verbessert werden, insbesondere hinsichtlich der erreichbaren Schärfentiefe.

Diese Aufgabe wird bei einer Wandlereinrichtung der eingangs genannten Art" erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Wandlereinrichtung gemäß der Erfindung.

Durch die vorliegende Erfindung läßt sich die Tiefe des Fokusfeldes des abtastenden fokussierten Strahles auf ein Mehrfaches der Brennfleckoder Fokusbereichgröße des abtastenden fokussierten Strahles vergrößern. Hierdurch wird es möglich, Strukturen, die eine beträchtliche Tiefenabmessung haben, jedoch eine Tiefenabmessung, die noch nicht größer ist als die Tiefe des Fokusfeldes, als B-Abtastung oder als dreidimensionale Darstellung mit hoher Auflösung darzustellen.

Die verbesserte Wandlereinrichtung gemäß der Erfindung kann in einem Ultraschall impulsechogerät der oben genannten Art verwendet werden, injdem die Linse entweder stationär oder beweglich ist. Die Wandlereinrichtung gemäß der Erfindung enthält eine Wandlereinheit mit einem mittleren Teil, der von einem getrennten ringförmigen Teil umgeben ist. Der mittlere Teil erfaßt nur einen ersten Anteil des reflektierten Signales, der durch einen nur kleinen Teil der vorgegebenen Apertur der fokussierenden Linse reflektiert wurde. Der ringförmige Teil erfaßt einen zweiten Anteil des Signals, der durch den Rest der vorgegebenen Apertur der fokussierenden Linse reflektiert wurde. Die Wandlereinrichtung enthält ferner einen zeit-

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lich gesteuerten Schalter, der mit dem mittleren und dem ringförmigen Teil gekoppelt ist und der Darstellungseinrichtung wahlweise nur den ersten Anteil des erfaßten Signales oder sowohl den ersten als auch den zweiten Anteil des erfaßten Signales weiterleitet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Figuren 1 und 1a ( die den Figuren 1 und 1a der DE-AS 27 09570 entsprechen) ein Ultraschallimpulsechogerät, bei dem eine Wandlereinrichtung gemäß der Erfindung Verwendung finden kann;

Figur 2 eine Wandlereinrichtung gemäß einer AusfUhrungsform der Erfindung, wie sie in der Ultraschallstrahlungsquelle und dem Ultraschallstrahlungsdetektor des Gerätes gemäß Fig. 1 verwendet werden kann;

Figur 3 eine erste Ausführungsform einer schaltbaren Ultraschall quellen- und Detektoranordnung der Wandlereinrichtung gemäß Fig. 2;

Figur 4 eine zweite Ausführungsform der schaltbaren Ultraschall quellen- und Detektoranordnung für die Wandlereinrichtung gemäß Fig. 2; und

Figur. 5 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Signalintensität, auf die bei der Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung gemäß Fig. 4 bezuggenommen wird.

In den Figuren 1 und 1a ist ein menschlicher Patient dargestellt, der auf einem wassergefüllten Tisch 200 liegt. In der Wasserfallung des wassergefüllten Tisches 200 befindet sich eine stationäre Ultraschalllinse 202, die durch einen Ultraschall strahl 204 mit im wesentlichen ebener Wellenfront von einer Ultraschallabtast- und Detektoranordnung 206 bestrahlt wird, welche im Abstand von der stationären Linse 202 angeordnet ist.

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Der Begriff "stationäre" Linse soll hier bedeuten, daß die effektive Lage der Apertur der Linse 202 bezüglich des auf dem wassergefüllten Tisch 200 liegenden Patienten während einer Bildabtastung im wesentlichen stationär bleibt. Bei der Wahl des speziellen Weichgewebes im Inneren des Patienten, das abzubilden ist, kann jedoch der Betriebsabstand zwischen der Linse 202 und dem Patienten gewünschtenfalls vor der Bildabtastung verändert werden, entweder durch Änderung der Höhe der Oberseite des wassergefüllten Tisches 200 bezüglich der Linse oder durch Änderung der Lage der Linse 202 bezüglich der Oberseite des wassergefüllten Tisches 200; dies soll also auch unter dem Begriff "stationäre" Linse fallen. Da außerdem eine Drehung einer kreissymmetrisehen Linse um ihre eigene Achse keinerlei Einfluß auf die Lage der Linsenaperatur oder die Wirkung der Linse auf die durch sie fallende Ultraschallstrahlung hat, sollen auch einfache Drehungen der Linse unter die Definition des Begriffes "stationäre" Linse fallen.

Die stationäre Linse 202 wandelt das mit ebener Wellenfront einfallende Ultraschallstrahlungsbündel 204 in ein konvergierendes Bündel 208 um, das dadurch in einen kleinen (innerhalb des Körpers des Patienten gelegenen) Fleck in einer Brennebene 210 der Linse 202 fokussiert wird.

Die vorliegende Erfindung wird zwar unten in Verbindung mit einem Gerät beschrieben, das mit einer stationären Linse arbeitet, sie läßt sich jedoch auch auf bekannte Geräte und Systeme anwenden, die mit einer beweglichen akustischen Linse arbeiten.

Figur 1 zeigt das beleuchtende oder bestrahlende Ultraschallstrahlungsbündel 204 ebener Wellenfront, während der Ablenkung in einer Stellung, in der die Ausbreitungsrichtung parallel zur akustischen Achse 212 der stationären Linse 202 verläuft. In diesem Falle wird das aus der stationären Linse 202 austretende konvergierende Ultraschallstrahlungsbündel 208 in einen Fleck fokussiert, der bezüglich eines Brennpunktes 214 in der Brennebene 210 der Linse 202 zentriert ist. Wenn jedoch das beleuchtende Bündel 204 ebener Wellenfront im Verlaufe der Abtastung eine Lage einnimmt, in der die Ausbreitungsrichtung des Bündels einen Winkel θ mit der akustischen Achse

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212 der Linse 202 bildet, wie es in Fig. 1a dargestellt ist, wird das aus der Linse 202 austretende konvergierende Bündel 208 in einen Fleck fokussiert, der bezüglich eines Punktes 216 in der Brennebene 210 der Linse 202 zentriert ist. Wie Fig. 1a zeigt, hat der Punkt 216 einen linearen Abstand d vom Brennpunkt 214. Wie aus der Optik bekannt ist, besteht zwischen dem Abstand d und dem Winkel θ die folgende Beziehung:

d = f9, (1)

wobei f die Brennweite der Linse 202 ist (siehe Fig. 1a) und der maximale Wert von θ so klein ist (was hier der Fall ist), daß er im Bogenmaß im wesentlichen gleich dem tan θ ist.

Aus Gleichung(i) ist ersichtlich, daß sich der Wert von d linear mit θ ändert. Ferner bleibt der Punkt, wie der Punkt 216, in dem das Strahlungsbündel 208 konvergiert, bei einer Änderung des Wertes von θ während einer Abstastung in der Brennebene 210. Dies gewährleistet bei Vernachlässigung etwaiger Abbildungsfehler der Linse eine im wesentlichen ebene Bildebene (Bildfeld).

Die Ultraschallabtaststrahlquellen- und Detektoranordnung 206 enthält zumindest 1. eine Wandlereinrichtung mit einer zugehörigen Steuerelektronik zum Erzeugen von Ultraschallabtastschwingungsimpulsen geeigneter Wiederholungsfrequenz, die von der Anordnung 206 als beleuchtendes Bündel 204 abgestrahlt werden, wie es im Prinzip bekannt ist; 2. eine Anordnung zum Steuern, Auswählen und/oder Ändern der winkelmäßigen Orientierung des abgestrahlten Bündels 204, um dadurch den Winkel θ , unter dem das Bündel 204 auf die stationäre Linse 202 fällt, steuern, wählen und/oder ändern zu können, und 3. einen Detektor, der mit dem Wandler gekoppelt ist oder zumindest einen Teil dieses Wandlers bildet und Echos der Abtastimpulse empfängt, die von der stationären Linse 202 erfaßt und von der Anordnung 206 empfangen worden sind. Zusätzlich zu diesen wesentlichen Elementen der Anordnung 206 kann diese, falls es erforderlich oder wünschenswert ist, noch andere Einrichtungen enthalten, wie eine Kollimatorlinse, eine Strahlquerschnitts-Vergrößerungseinrichtung, einen Mehrelement- Wandler mit geeigneter Steuerung zur Wahl von einzelnen Elementen oder einer

Untergruppe von Elementen, eine gegebenenfalls verstellbare Blende (die in der Nähe der stationären Linse 202 angeordnet sein kann) zur Einstellung der effektiven Apertur der stationären Linse oder irgendwelche anderen Einrichtungen, die die Funktionsfähigkeit der Ultraschal!abtaststrahlquellen- und Detektoranordnung 206 verbessern können.

Auf alle Fälle liefert die Anordnung 206 in üblicher Weise ein Ausgangssignal, das die erfaßten Echos darstellt und geeignete Abtastsynchronsignale, die dem Eingang einer Abbildungselektronik 218 zugeführt werden. Die Abbildungselektronik kann ebenfalls in üblicher Weise ausgebildet sein und Bereichstorschaltungen, Abtastwandler, Ablenkschaltungen, die mit der Abtastung des beleuchtenden Bündels 204 synchronisiert sind, usw. enthalten und Ausgangssignale liefern, die die relative Intensität für jeden Punkt des Bildes und eine oder mehrere räumliche Koordinaten für diesen Punkt darstellen. Diese Information wird in üblicher Weise dem Eingang einer Darstellungseinrichtung 220 zugeführt, bei der es sich um eine Kathodenstrahl-Bildröhre handeln kann. Die Darstellungseinrichtung erzeugt dementsprechend ein sichtbares Bild einer "Szene" in einem Bereich des Körpers des Patienten, der durch das konvergierende Ultraschallstrahlungsbündel 208 abgetastet wird.

Die kleineste Einzelheit des sichtbaren Bildes der Szene, die aufgelöst werden kann, ist sogar kleiner als der fokussierte Fleck in der Brennebene 210, da die stationäre Linse 202 nicht nur das ursprüngliche beleuchtende Bündel, sondern auch das zur Anordnung 206 reflektierte Echo beeinflußt. In quantitativer Hinsicht gelten für den Durchmesser Δ des fokussierten Fleckes bzw. die kleineste auflösbare Einzelheit ^'im Bild die folgenden Gleichungen:

Δ = 2,44 ^η^- (2)

Δ¹= 1,46 ^=- (3),

wobei λ die Wellenlänge der Ultraschallschwingungen und f bzw. A die Brennweite bzw. Apertur der stationären Linse 202 bedeuten, siehe Fig. 1a.

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Praktische Werte für die Apertur A und die Brennweite f der stationären Linse sind beispielsweise 125 mm bzw. 255 mm (5 Zoll bzw.10 Zoll). Wenn beispielsweise die Frequenz der Ultraschallschwingungen 3 MHz beträgt, haben die sich ausbreitenden Schwingungen eine Wellenlänge von etwa 0,5 mm. Setzt man diese beispielsweisen Werte in Gleichung (3) ein, so ergibt sich für den kleinsten auflösbaren Bildfleck ein Durchmesser δ¹ von 1,46 mm. Bei Verwendung einer stationären Linse 202 mit einer größeren numerischen Apertur (d.h. einem größeren Verhältnis A/F) und/oder bei Verwendung von Ultraschallschwingungen einer Frequenz über 3 MHz läßt sich das Auflösungsvermögen noch weiter erhöhen. Im allgemeinen läßt sich je nach dem speziellen Typ des abzubildenden Gewebes und der Tiefe des Gewebes eine optimale Auflösung im Bereich von 0,5 bis 2,5 mm durch eine geeignete Wahl der Werte der Parameter X ₅f und A der Gleichungen (2) und (3) erreichen.

Wie ebenfalls aus der Optik bekannt ist, ist die Schärfentiefe S durch die folgende Gleichung gegeben:

S= 4λ(£ ) ² (4)

Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, daß die Schärfentiefe eine inverse Funktion des Quadrates des Wertes der numerischen Apertur ist. In der Optik läßt sich diese Beziehung praktisch nicht verwerten, da infolge der sehr kleinen Wellenlänge des Lichts ( d.h. 0,47 bis 0,7 pm) die Schärfentiefe für eine Optik hoher numerischer Apertur sehr klein wird. In der Ultraschalltechnik, wo man mit Ausbreitungswellenlängen 'λ. im Bereich von 0,15 bis 1,5 mm (entsprechend Frequenzen von 1 bis 10 MHz) arbeitet, ergibt sich auch für Linsen relativ großer numerischer Apertur noch eine verhältnismäßig große Schärfentiefe. Bei dem oben diskutierten praktischen Beispiel, bei dem die Linse 202 eine Brennweite f von etwa 250 mm und eine Apertur A von etwa 125 mm hatte,und die Ausbreitungswellenlängex etwa 0,5 mm beträgt, zeigt die Gleichung(4) beispielsweise,daß die Schärfentiefe S immer noch den verhältnismäßig großen Wert von 8 mm hat. Dieser Wert beträgt mehr als das Fünffache des Bildfleckdurchmessers von 1,46 mm. Wie ferner aus einem Vergleich der Gleichung(4) mit den Gleichungen (2) und (3) ersichtlich ist, ändert sich die Schärfentiefe invers mit dem

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Quadrat der numerischen Apertur während sich der Fleckdurchmesser nur umgekehrt proportional (inverslinear ) mit der numerischen Apertur ändert. Gewünschtenfalls kann daher die Schärfentiefe mit nur relativ kleiner Einbuße an Auflösungsvermögen dadurch erheblich vergrößert werden, daß man den Wert der numerischen Apertur der Linse 202 verhältnismäßig geringfügig verkleinert.

Tatsächlich kann man durch Verwendung von Vorrichtungen, wie einer Irisblende zur Verringerung der effektiven Apertur einer Linse großer Apertur ein vorläufiges Bild großer Schärfentiefe und verhältnismäßig geringer Auflösung erzeugen, um die genaue Lage eines bestimmten Zielbereiches zu bestimmen und dann die Relativlage der Linse 202 bezüglich des Patentienten so einzujustieren, daß der gewünschte Zielbereich im wesentlichen mit der Brennebene der Linse 202 zusammenfällt. Nachdem diese Feineinstellung durchgeführt worden ist, kann die Irisblende dann voll geöffnet werden, um ein Bild hoher Auflösung des Zielbereiches zu erzeugen.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine neue Wandlereinrichtung für die Ultraschallabtaststrahlquellen- und Detektoranordnung 206 geschaffen, die ähnliche Funktionen ausübt, wie sie oben für die Irisblende beschrieben wurden. Wie Fig. 2 zeigt, enthält die Wandlereinrichtung eine Wandlereinheit 10, die mit einer schaltbaren Quellen- und Detektorvorrichtung 12 gekoppelt ist. Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Wandlereinheit 10 enthält eine zylindrische Scheibe aus einem piezoelektrischen Material 14, eine gemeinsame Elektrode 16, eine mittlere Elektrode 18 (Mittelelektrode) und eine ringförmige Elektrode 20 (Ringelektrode). Die gemeinsame Elektrode oder Gegenelektrode 16 bedeckt, wie dargestellt, die Vorderseite des piezoelektrischen Materials 14, die Mittel elektrode \8 bedeckt einen Mittel abschnitt der Rückseite des piezoelektrischen Materials 14 und die Ringelektrode 20, die ebenfalls auf der Rückseite des piezoelektrischen Materials 14 angeordnet ist, umgibt die Mittel elektrode 18, berührt diese jedoch nicht. Der Außendurchmesser der Ringelektrode 20 und der Durchmesser der Scheibe aus dem piezoelektrischen Material 14 liegen typischerweise in einem Bereich zwischen etwa 60 oder 63,5 mm bis etwas über 125 mm (2,5 bis etwas mehr als 5 Zoll). Der Durchmesser der Mittel elektrode 18 1st wesentlich kleiner, sie hat typischerweise einen Durchmesser im Bereich

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-13-zwisehen etwa 6 oder 6,35 mm bis etwa 50 mm.

Die Elektroden 16, 18 und 20 sind Über entsprechende Leitungen 22,24 und 26 mit der Vorrichtung 12 verbunden. Das Ausgangssignal der schaltbaren Quellen- und Detektoranordnung 12 stellt das Ausgangssignal des Blocks 206 in Fig. 1 dar und wird der Abbildungselektronik 218 zugeführt.

Ein erster Typ der schaltbaren Quellen- und Detektoranordnung 12 ist in Fig. 3 dargestellt. Diese Anordnung 12 enthält eine Impulsequelle 30, die eine Folge von Spannungsimpulsen liefert, welche jeweils elektrische Schwingungen der gewünschten Ul traschall frequenz enthalten. Die Spannungsimpulse von der Impulsquelle 30 werden über die Leitungen 24 und 22 zwischen die Mittel elektrode 18 und die Gegenelektrode 16 gelegt. Die Mittel elektrode 18 ist auiierdem über die Leitung 24 direkt mit dem Ausgang der Abbildungselektronik 218 gekoppelt.

Die Anordnung 12 gemäß Fig. 3 enthält ferner einen Schalter 32, der einen ersten (geöffneten ) und zweiten (geschlossenen) Betriebszustand (Schalterstellung) aufweist. Im ersten, geöffneten Betriebszustand ist die Ringelektrode 20 sowohl von der Impulsquelle 30 als auch von der Abbildungselektronik 218 getrennt. Im zweiten, geschlossenen Betriebszustand des Schalters 32 ist die ringförmige Elektrode 20 dagegen der Mittel elektrode 18 über die Leitungen 26 und 24 parallel geschaltet. Im zweiten Betriebszustand des Schalters 32 ist die ringförmige Elektrode also sowohl mit der Inipulsquelle 30 als auch mit der Abbildungselektronik 218 verbunden.

Bei der folgenden Beschreibung der Arbeitsweise der Wandlereinrichtung gemäß Fig. 2 soll angenommen werden, daß die schaltbare Quellen- und Detektoranordnung 12 dem in Fig. 3 dargestellten ersten Typ angehört. Wenn der Schalter 32 sich im zweiten (geschlossenen ) Betriebszustand befindet, so daß die Spannungsimpulse sowohl der Mittel elektrode 18 als auch der Ringelektrode 20 zugeführt werden, wirkt die ganze Wandlereinheit 10 bei der Erzeugung eines relativ breiten Ultraschall Strahlungsbündels mit, das durch zwei gestrichelte Linien 40-40 begrenzt ist.Das breite oder

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dicke Bündel 40-40 leuchtet bei der Abtastung durch eine nicht dargestellte Abtastvorrichtung praktisch die ganze Apertur der Linse 202 aus. Die Linse 202 hat eine verhältnismäßig große Apertur, typischerweise 100 bis 125 mm, und eine im Vergleich zur Apertur verhältnismäßig kurze Brennweite, typischerweise 250 mm. Ein typischer Wert für die Wellenlänge der Ultraschanschwingungen ist etwa 1 mm. Gemäß den oben angegebenen Gleichungen (2) und (3) ergibt sich dadurch eine hohe Auflösung. Gemäß Gleichung (4) ist andererseits die Schärfentiefe verhältnismäßig klein, typischerweise 25 mm oder weniger. Dies ist richtig für eine C-Abtastung, bei der die abzubildende Struktur eine verhältnismäßig geringe Tiefenabmessung hat und bei der die Querschnittsabmessungen sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung abgetastet werden. Im Falle einer B-Abtastung, bei der die Tiefe der abzubildenden Struktur in einer einzigen Querschnittsdimension abgetastet wird, braucht man jedoch eine verhältnismäßig große Schärfentiefe.

Eine verhältnismäßig große Schärfentiefe erhält man bei der vorliegenden Wandlereinrichtung einfach dadurch, daß man den Schalter 32 in seinen ersten (geöffneten) Betriebszustand umschaltet, in dem die Ringelektrode 20 abgeschaltet ist. In diesem Falle wirkt nur der mittlere Bereich der Wandlereinheit 20, der durch die Mittelelektrode 18 begrenzt ist, bei der Erzeugung der Ul traschall Strahlung mit, die ein verhältnismäßig schmales Bündel von Ultraschallschwingungsenergie bildet, das durch gestrichelte Linie 42-42 begrenzt ist.

Dieses schmale Ultraschallstrahlungsbündel beleuchtet nur einen kleinen Teil der Gesamtapertur der Linse 20 und nimmt verschiedene Bereiche der Linse ein, während das Strahlungsbündel die Apertur der Linse abtastet. Die Verwendung eines solchen schmalen Ul traschall Strahlungsbündels 42-42 hat den gleichen Zweck wie die oben beschriebene Verwendung einer Irisblende, nämlich die effektive Apertur der Linse 202 herabzusetzen.

Da die durch Gleichung (4) gegebene Schärfentiefe sich mit dem Quadrat des Verhältnisses von Brennweite zu effektiver Apertur ändert, erhält man auf diese Weise ohne Schwierigkeiten eine erhebliche Vergrößerung der Schärfen-

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tiefe, d.h. der Tiefe des Fokusbereiches. So kann z.B. die Schärfentiefe einer Linse mit einer Gesamtapertur von 100 mm einfach dadurch um den Faktor 16 erhöht werden, daß man lediglich eine Mittel elektrode 18 mit einem Durchmesser von 25 mm verwendet. Hierdurch wird zwar die Auflösung verringert, jedoch nur um den Faktor 4.

Wie oben erwähnt wurde, ist es manchmal wünschenswert, mit einer B-Abtastung ein vorläufiges Bild relativ geringer Auflösung zu erzeugen, das nur dazu dient, die genaue Lage des zu untersuchenden Zielbereiches zu bestimmen, so daß dann die Relativlage der Linse 202 bezüglich des Patienten derart genau eingestellt werden kann, daß während einer späteren C-Abtastung hoher Auflösung der gewünschte Zi el bereich im wesentlichen mit der Brennebene der Linse 202 zusammenfällt. In dem vorläufigen Bild brauchen nur große Orientierungsmerkmale im Körper beobachtet werden. Da die Auflösung in diesem Fall nicht kritisch ist, kann der Durchmesser der Mittel elektrode 18 gegebenenfalls bis auf 6,5 oder 6 mm verringert werden. Hierdurch ergibt sich dann im Vergleich zu einer Linse mit einer Gesamtapertur von 100 mm eine Erhöhung der Schärfentiefe um den Faktor 256, während die Auflösung nur um den Faktor 16 herabgesetzt wird.

Figur 4 zeigt einen zweiten Typ der schaltbaren Quellen- und Detektoranordnung 12, der eine zeitlich veränderliche effektive Apertur erzeugt, die für eine B-Abtastung bestimmter relativ tiefer Strukturen nützlich sein kann. Genauer gesagt wird der Bruchteil der Tiefe der untersuchten Struktur, der sich innerhalb des relativ kleinen Fokaloder Schärfenbereiches der relativ großen gesamten Linsenapertur befindet sowohl durch die Mittel elektrode 18 als auch durch die Ringelektrode 20 erfaßt. Dies gewährleistet die maximal verfügbare Auflösung innerhalb dieses kleinen Fokalbereiches. Der restliche Teil der untersuchten Struktur (der sich außerhalb des relativ kleinen Schärfentiefebereiches der gesamten Linsenapertur befindet) wird lediglich durch die Mittelelektrode ohne Verwendung der Ringelektrode 20 erfaßt.

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Bei dem in Fig. 4 dargestellten zweiten Typ der Quellen- und Detektoranordnung 12 werden die jeweiligen Spannungsimpulse von der Impulsquelle 30 jeweils sowohl durch einen Schwellenwertschalter 41 sowie Leiter 24 und 22 zwischen die Mittelelektfode 18 und die Gegenelektrode 16 als auch durch einen Schwellenwertschalter 43 sowie Leitungen 26 und 22 zwischen die Ringelektrode 20 und die Gegenelektrode 16 gelegt. Die Schwellenwertschalter 41 und 43 enthalten, wie dargestellt, jeweils ein Paar entgegengesetzt gepolter Halbleiterdioden. Die Schwellenwertschalter leiten jeweils bei positiven und negativen Polaritäten, solange der Absolutwert der Amplitude einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, der für die üblichen Halbleiterdioden 0,7 Volt beträgt. Die an die Gegenelektrode 16 angeschlossene Leitung kann, wie dargestellt, geerdet sein.

Die an die Mittelelektrode 18 angeschlossene Leitung 24 ist außerdem mit einem Ende einer ersten Primärwicklung 44 einer Signalvereinigungsvorrichtung 46 über einen normalerweise geöffneten Schalter 48 einer zeitlich gesteuerten Torschaltung 50 verbunden.Das andere Ende der ersten Primärwicklung 44 liegt an Masse. Die Leitung 24 ist außerdem mit dem Steuereingang der Torschaltung 50 verbunden. In entsprechender Weise ist die an die Ringelektrode 20 angeschlossene Leitung 26 mit einem Ende einer zweiten Primärwicklung 52 der Signalvereinigungsvorrichtung 46 über einen normalerweise geöffneten Schalter 54 einer zeitlich gesteuerten Torschaltung 56 verbunden. Das andere Ende der zweiten Primärwicklung 55 liegt an Masse. Die Leitung 26 ist ferner mit dem Steuereingang der Torschaltung 56 verbunden. Der Aufbau der zeitlich gesteuerten Torschaltungen 50 und 56 ist im wesentlichen gleich dem von üblichen Bereichstorschaltungen, wie sie sowohl in Sonar- als auch Radar-Geräten verwendet werden. Die Signalvereinigungsvorrichtung 56 enthält ferner eine mit den Primärwicklungen gekoppelte Sekundärwicklung 58, deren eines Ende an Masse liegt, während das andere Ende den Ausgang der Anordnung 24 bildet und mit der Abbildungselektronik 218 gekoppelt ist.

Bei der folgenden Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 4 dargestellten schaltbaren Quellen- und Detektoranordnung 12 wird auf das Diagramm in Fig. 5 Bezug genommen. Dabei soll beispielsweise angenommen werden, daß die Wellenlänge der Ultraschallstrahlung etwa 1 mm beträgt, da3 die Linse 202 eine

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Apertur von 100 mm sowie eine Brennweite von 250 mm hat, daß der Durchmesser der Mittel elektrode 18 im wesentlichen 25 mm beträgt und daß die Ringelektrode 20 einen Außendurchmesser von mindestens 100 mm hat.

Die Inipulsquelle 30 (Fig. 4) leitet im Zeitpunkt T_n die Erzeugung eines typischen Spannungsimpulses 60 ein. Der Spannungsimpuls 60 hat eine Amplitude, die um vieles größer ist als der Schwellenwert 62 der Schwellenwertschalter 41 und 43. Der Spannungsimpuls wird daher sowohl zwischen der Mittel elektrode 18 und der Gegenelektrode 16 als auch zwischen der Ringelektrode 20 und der Gegenelektrode 16 wirksam. Dies hat zur Folge, daß ein relativ breites Ultraschallstrahlungsbündel 40-40 (Fig. 2) erzeugt und auf die abzubildende Struktur gerichtet wird.

Der Spannungsimpuls 50 wird ferner den zeitlich gesteuerten Torschaltungen 50 und 56 als Steuerimpuls zugeführt. Als Reaktion hierauf schließt die zeitlich gesteuerte Torschaltung 50 nach einer geeigneten zeitlichen Verzögerung im Zeitpunkt T. den Schalter 48. Wie Figur 5 zeigt, tritt der Zeitpunkt T₁ etwa gerade dann auf, wenn Echos von der Linse 202 selbst, d.h. von einer Ebene, die 250 mm (der Brennweite f der Linse 202) vor der Brennebene der Linse 202 von der Wandlereinheit 10 empfangen werden. Die zeitlich gesteuerte oder verzögerte Torschaltung 56 schließt den Schalter 54 nach einer längeren Verzögerungszeit im Zeitpunkt T„. Wie Fig. 5 zeigt, tritt T₂ dann auf, wenn Echos von einer Ebene empfangen werden, die 25 mm vor der Brennebene der Linse 202 liegt. Die Torschaltung 56 hält den Schalter 54 bis zum Zeitpunkt T₃ geschlossen. Dieser Zeitpunkt liegt so, daß bei seinem Auftreten Echos empfangen werden, die von einer Ebene stammen, welche 25 mm hinter der Brennebene der Linse 202 liegt. Die Torschaltung 50 hält den Schalter 48 bis zum Zeitpunkt T. geöffnet, oder noch langer, falls gewünscht. Wie Fig. 5 zeigt, treffen im Zeitpunkt T₄ Echos von einer Ebene ein, die etwa 250 mm hinter der Brennebene der Linse 202 liegt.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, haben alle Echos eine Amplitude, die wesentlich kleiner als die Schwellenwertintensität 62 der Schalter 41 und 43 . Die Impulsquelle 30 ist also gegen die empfangenen Echos isoliert. Die Mittel elektrode 18 ist jedoch in der Lage, die innerhalb

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des schmalen Bündels 42-42 empfangenen Echos zu erfassen. Lediglich diejenigen Echos, die von der Mittel elektrode 18 erfaßt werden und im Zeitintervall zwischen T. und T- werden der Signalvereinigungsvorrichtung 46 über den geschlossenen Schalter 48 zugeführt und bilden einen ersten Anteil des empfangenen bzw. erfaßten Signal teil es.

Der Rest der empfangenen Echos, die sich außerhalb des schmalen Bündels 42-42 jedoch noch innerhalb des Breitenbündels 40-40 befinden, werden durch die Ringelektrode 20 erfaßt. Der Signalvereinigungsvorrichtung 46 werden durch den geschlossenen Schalter 54 jedoch nur diejenigen von der Ringelektrode 20 erfaßten, empfangenen Echos zugeführt, welche im Zeitintervall zwischen Tp und T₃ auftreten und diese Echos bilden einen zweiten Anteil des empfangenen Signalteiles. Der erste und der zweite Anteil des empfangenen Signalteiles werden durch die Signalvereinigungsvorrichtung kombiniert und das resultierende Signal wird der Abbildungs- oder BiIderzeugungselektronik 218 zugeführt.

Legt man die oben angegebenen Werte zugrunde, so beträgt die Schärfentiefe für die ganze, etwa 100 mm angenommene Apertur der Linse etwa ± 25 mm gerechnet von der Brennebene . Dieser Bereich stimmt mit dem dem Zeitintervall zwischen T^ und I entsprechenden Zeitintervall überein, in dem sowohl der erste als auch der zweite Anteil des empfangenen Signal teil es an die Signalvereinigungsvorrichtung 46 weitergegeben werden. In diesem Fokaloder Schärfentiefenbereich wird eine Auflösung von etwa 3 mm erreicht.

Aus der Gleichung (4) erhält man mit den angenommenen Werten für die Mittelelektrode 18 allein eine Schärfentiefe von etwa + 400 mm (genauer 406,4 mm) . Im Zeitintervall zwischen T. und T„ und dem Zeitintervall zwischen Τ, und T. ergibt die effektive Apertur also einen Schärfentiefebereich von etwa + 400 mm. Die Auflösung innerhalb dieser letzterwähnten Zeitintervalle beträgt etwa 12 mm.

Es ist einleuchtend, daß gewünschtenfalls mehr als nur eine ringförmige Elektrode verwendet werden kann, um die Einstellung der effektiven Apertur feiner steuern zu können. Man muß dabei jedoch zwischen der größeren

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Kompliziertheit, die sich bei der Verwendung mehrerer Ringelektroden ergibt,und dem erreichten höheren Auflösungsvermögen abwägen.

Für die Zwecke einer medizinischen Diagnose ergibt sich durch die vorliegende Erfindung der Vorteil, daß eine B-Abtastung mit geringer Auflösung über die gesamte Tiefe des Körpers ermöglicht wird, so daß der Arzt sich im Körper leicht zurechtfinden und charakteristische Merkmale im Körper lokalisieren kann, während gleichzeitig ein fokussiertes Volumen hoher Auflösung um den am meisten interessierenden Bereich des Körpers vorliegt. Für die Zwecke der Orientierung auf der Basis charakteristischer Merkmale ist die volle Apertur nicht wirklich erforderlich.

Dies gilt besonders für das darüber liegende Gewebe, das eine geringe Dämpfung der reflektierten Ultraschallschwingungen ergibt. Die volle Empfindlichkeit der gesamten Apertur ist also nicht erforderlich, um stärker empfangene Signale von diesem darüber liegenden Gewebe mittels des durch die Mittelelektrode 18 begrenzten mittleren Bereich der Wandlereinheit allein zu erhalten,

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Gerät ist die fokussierende Linse zwar stationär und im Abstand von der Wandlereinheit angeordnet, dies ist jedoch nicht notwendig. Die Erfindung läßt sich vielmehr auch dann mit Erfolg anwenden, wenn die fokussierende Linse an der Wandlereinheit angebracht und mit dieser beweglich ist, wie es z.B. aus der US -PS 39 58 559 bekannt ist.

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Claims

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20. Oktober 1978 RCA 71,352/ 71 Dr.v.B/E

RCA Corporation

New York N.Y. (V.St.A.)

Wandlereinrichtung für ein Ultraschallimpulsechogerät Patentansprüche

{ 1^-Wandlereinrichtung für ein Ultraschallimpulsechogerät, das eine Darstellungseinrichtung zum Erzeugen eines Bildes einer Struktur im Inneren eines mit Ultraschall abgetasteten, optisch opaken Objekts, ferner eine fokussierende akustische Linse, die eine vorgegebene Apertur einninmt, und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ultraschallstrahles enthält, welche die eine Folge von Ul traschall impulsen erzeugende Wandlereinrichtung und eine Strahlabtasteinrichtung zum Bestrahlen der inneren Struktur durch die fokussierende Linse mit einem fokussierten Ultraschall Abtaststrahl umfaßt, wobei die im Abstand von der inneren Struktur angeordnete Wandlereinrichtung einen von der inneren Struktur durch die Linse reflektierten Teil des fokussierten Ultraschall Strahls nach einer Zeitspanne empfängt, die dem Abstand zwischen der Wandlereinrichtung und der reflektierenden inneren Struktur proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung eine Wandlereinheit (10) mit einem mittleren Teil (unterhalb von 18) enthält, der von einem getrennten ringförmigen Teil (unterhalb von 20) umgeben ist und nur einen

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ersten Anteil der reflektierten Ultraschallstrahlung empfängt, der durch einen bestimmten, kleinen Teil (42-42) der Apertur (A) der Linse (202) reflektiert wurde, während der ringförmige Teil einen zweiten Anteil der reflektierten Ultraschall strahlung empfängt, der durch den übrigen Teil (40-42, 40-42) der Apertur der Linse reflektiert wurde, und daß die Wandlereinrichtung ferner eine zeitlich gesteuerte Schaltvorrichtung (12) enthält, die mit dem mittleren sowie dem ringförmigen Teil gekoppelt ist und der Darstellungseinrichtung entweder nur den ersten Anteil des empfangenen Signals oder sowohl den ersten als den zweiten Anteil des empfangenen Signals zuführt.
2. Wandlereinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Wandlereinheit ein piezoelektrisches Medium (14) enthält, auf dessen einer Seite eine gemeinsame Elektrode (16) und auf dessen anderer Seite eine Mittelelektrode (18), die von einer ringförmigen Elektrode (20) umgeben ist, angeordnet sind; daß die Schaltvorrichtung (12) die Elektroden derart wahlweise mit der Darstellungseinrichtung koppelt, daß in einer ersten Schalterstellung (geöffnet) nur das Signal zwischen der Mittel elektrode und der gemeinsamen Elektrode den ersten Anteil der reflektierten Ultraschallstrahlung darstellt, während in einer zweiten Schalterstellung (geschlossen) sowohl das Signal zwischen der Mittel elektrode und der gemeinsamen Elektrode als auch das Signal zwischen der ringförmigen Elektrode und der gemeinsamen Elektrode ein resultierendes Signal entsprechend dem ersten und dem zweiten Anteil des empfangenen Signals bilden.
3. Wandlereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung einen Schalter (32, Fig. 3) enthält, der zwischen die Mittelelektrode und die ringförmige Elektrode geschaltet ist, die Mittel elektrode in der ersten Schalterstellung von der ringförmigen Elektrode trennt und die ringförmige Elektrode in der zweiten Schalterstellung direkt mit der Mittel elektrode verbindet, und daß lediglich mit der Mittel elektrode eine Ausgangsklemme verbunden ist.

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4. Wandlereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der ringförmigen Elektrode mindestens das l,25fache des Durchmessers der Mittel elektrode beträgt.
5. Wandlereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Mittel elektrode zwischen 6 mm und 50 min beträgt.
6. Wandlereinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der ringförmigen Elektrode mindestens 63,5 nun beträgt.
7. Wandlereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Struktur des visuell opaken Objekts eine vorgegebene Tiefe hat; daß die akustische Linse (202)eine vorgegebene Brennweite hat; daß die Ultraschallimpulse die Linsenapertur (A) im wesentlichen ausfüllen; daß die Linsenbrennweite und die Apertur einen ersten Fokal bereich in der Struktur begrenzen, der eine Tiefe hat, die kleiner ist als die Tiefe der Struktur, und daß die Brennweite der Linse und ein bestimmter kleiner Teil der Apertur einen zweiten Fokalbereich einer zweiten Tiefe begrenzen, der die Tiefe der Struktur und damit die Tiefe des ersten Fokalbereiches umfaßt; daß die Schaltvorrichtung (50, 56) den ersten Anteil des empfangenen Signales an die Darstellungseinrichtung für ein erstes Zeitintervall T₁ bis T», Fig. 5) weiterleitet, während dessen der erste Anteil des Signals von der vorgegebenen Tiefe der Struktur empfangen wird, während der Schalter während eines zweiten Zeitintervalles (T„ bis T-) sowohl den ersten als auch den zweiten Anteil des Signales weiterleitet, während dessen das Signal von dem ersterwähnten Fokal bereich empfangen wird.
8. Wandlereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalteil während des zweiten Zeitintervalles von der gesamten ersten Tiefe empfangen wird.

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9. Wandlereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch g ekennze ichnet, daß die Wandlereinheit ein piezoelektrisches Medium mit einer gemeinsamen Elektrode (16) auf der einen Seite und einer Mittel elektrode (18), die den mittleren Teil bedeckt und von einer ringförmigen Elektrode (20) umgeben ist, die den ringförmigen Teil bedeckt, auf der anderen Seite, enthält und daß die Schaltvorrichtung einen ersten, normalerweise geöffneten und während des ersten Zeitintervall es geschlossenen Schalter (48) enthält, der mit der Mittel elektrode gekoppelt ist, so daß der erste Schalter nur während des ersten Zeitintervall es ein Ausgangssignal liefert, und daß die Schaltvorrichtung ferner einen zweiten normalerweise geöffneten und während des zweiten Zeitintervalles geschlossenen Schalter (54) enthält, der mit der ringförmigen Elektrode gekoppelt ist und ein Ausgangssignal nur während des zweiten Zeitintervall es liefert.
10. Wandlereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Impulsquelle (30) zum Erzeugen einer Reihe von Spannungsimpulsen (60) enthält, die jeweils elektrische Energie der Betriebsfrequenz der Ultraschall schwingungen enthalten und jeweils eine Amplitude haben, die eine vorgegebene Spannung (62) überschreitet; und ferner zwei Schwellenwertschalter (41, 43), von denen der erste (41) bei der vorgegebenen Spannung die Impulse zwischen die Mittelelektrode und die gemeinsame Elektrode legt, während der zweite (43) bei der vorgegebenen Spannung die Impulse zwischen die ringförmige Elektrode und die gemeinsame Elektrode legt; und daß das empfangene Signal an der Mittelelektrode und der ringförmigen Elektrode eine Spannungsamplitude bezüglich der gemeinsamen Elektrode hat, die immer unter der vorgegebenen Spannung liegt.
11. Wandlereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Schwellenwertschalter (41, 43) jeweils ein Halbleiterdiodenpaar enthält.

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