DE2851417C2

DE2851417C2 - Ultraschall-Diagnosegerät

Info

Publication number: DE2851417C2
Application number: DE2851417A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Fukukita; Akira Kawasaki Fukumoto; Masami Kawabuchi; Kiyotaka Nagai; Jun-Ichi Sato
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1978-05-30
Filing date: 1978-11-28
Publication date: 1982-03-18
Also published as: US4224829A; GB2021767A; DE2851417A1; GB2021767B; CA1129984A; JPS6242616B2; JPS54155683A

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

f) die piezoelektrischen Körper in an sich bekannter Weise

f.t) ein Breite/Dicke-Verhältnis, das kleiner oder gleich 0,8 ist, und

f.2) in Dickenrichtung einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten nahe dem Wert des Kopplungskoeffizienten Arn oder kii, waben,

g) der Sender (16) üher ein Ourchschaltnetzwerk (11, 15) mit der jeweils anzuregenden Gruppe piezoelektrischer Wandler verbindbar ist und eine Einrichtung (21, 22, 24, 25, 27) zur Abgabe amplitudenmodulierter, phasenverschobener Ultraschall-lmpulsbündel aufweist und

h) der Empfänger (19) eine Einrichtung (22,31,32, 33, 34) zur Phasenverschiebung und Amplitudenmodulation der Echosignale aufweist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchschaltnetzwerk (11,15) ein erstes Durchschaltnetzwerk (11) zur getakteten Herstellung einer leitenden Verbindung zwischen mehreren Eingangsanschlüssen (IN) und der jeweiligen Anregungsgruppe piezoelektrischer Wandler und ein zweites Durchschaltnetzwerk (15) zur Herstellung einer leitenden Verbindung zwischen dem Sender (16) und den Eingangsanschlüssen (IN) des ersten Durchschaltnetzv.'erkes (11) aufweist, und der Echosignal-Empfänger (19) mit den Eingangsanschlüssen (IN) des ersten Durchschaltnetzwerkes (11) verbunden ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der piezoelektrischen Wandler (10) einen Körper aus keramischem Material, das durch Anlegen eines elektrischen Felds polarisierbar ist, ein Paar von Plattenelektroden, die an einander gegenüberliegenden Seiten des keramischen Körpers senkrecht zur Polarisationsrichtiing befestigt sind, und ein Impedanzanpassungselement aufweist, das an einer der Elektroden angebracht ist.

4. Gerät nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material Pb(MgI iNb;, j)Oj. PbTiOi und/oder PbZrCh enthält.

5. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Durchschaltnetzwerk (11) eine der Anzahl der piezoelektrischen Wandler (10) der erregten Gruppe gleiche Anzahl von Analog-Multiplexern aufweist, von -, denen jeder die gleiche Anzahl von Ausgangsanschlüssen hat, wobei die entsprechenden Ausgangsanschlüsse der jeweiligen Multiplexer mit jeweils aufeinanderfolgenden Elementen der piezoelektrischen Wandler verbunden sind.

κι 6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Durchschaltnetzwerk (15) eine der Anzahl der Analog-Multiplexer des ersten Durchschaltnetzwerks (11) gleiche Anzahl von Analog-Multiplexern aufweist, von denen jeder mit

ii einem Ausgangsanschluß an den Eingangsanschluß (IN) des entsprechenden Multiplexers des ersten Durchschaltnetzwerks angeschlossen ist und mit einer Mehrzahl von Eingangsanschlüssen mit den Eingangsanschlüssen der anderen Multiplexer des zweiten Durchschaltnetzwerks verbunden ist.

7. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Durchschaltnetzwerk (11) und die Reihe von piezoelektrischen Wandlern (10) in einem gemeinsamen

>> Gehäuse untergebracht ist.

8. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Durchschaltnetzwerk aus integrierten CMOS-Halbleiterelementen gebildet ist.

μ 9. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausgleichseinrichtung (40, 45), die den exponentiell ansteigenden Verlust an von den piezoelektrischen Elementen in einen zu untersuchenden menschlichen Körper

r> gesandter Ultraschall-Energie kompensiert.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichseinrichtung einen durch das Ausgangssignal des Empfängers (19) angesteuerten Regelverstärker (40) und eine Generatoreinrichtung

jo (45) aufweist, die im Absprechen auf jeden der Taktimpulse ein Amplitudenmodulier-Signal zur Steuerung der Verstärkung des Regelverstärkers erzeugt.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Diagnosegerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Gerät, das auch als Diagnosegerät mit B-Abtastung (Winkel-Entfernungs-Darstellung) bezeichnet wird ergibt auf einer Kathodenstrahlröhre bildliche Darstellungen von zweidimensionalen Querschnitten durch einen biologischen Körper, um Informationen über die Innenstruktur des Körpers zu gewinnen.

Ein Gerät dieser Art ist aus der DE-OS 27 22 823 bekannt. Dieses bekannte Ultraschall-Diagnosegerät weist eine Reihe nebeneinander angeordneter piezoelektrische Wandler mit plattenariigen piezoelektrischen Körpern auf. Ferner ist bei diesem bekannten Gerät eine Einrichtung zur gruppenweisen elektrischen Anregung mehrerer nebeneinander angeordneter piezoelektrischer Wandler mittels eines Senders und somit Abstrahliing eines Haupt-Ultraschallstrahlenbündels in den Körper eines Patienten vorgesehen. Das bekannte Gerät umfaßt ferner eine Einrichtung zur getakteten stufenweisen Verschiebung der Anregungsgruppe, und somit des Haupt-Ultraschallstrahlenbündels urn einen

piezoelektrischen Wandler in Abtastrichtung pro Taktsignal sowie einen Echosignal-Empfänger und eine Echosignalsichtanzeige. Die in der genannten Schrift angegebene Lehre geht von der Aufgabe aus, ein Ultraschall-Diagnosegerät dieser Art so zu verbessern, daß sein Auflösungsvermögen erhöht wird. Nach der vorbekannten Lehre wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Zu- und Abschalten der Randelemente jeder Gruppe zeitlich versetzt durchgeführt wird.

Bei dem be'-.annten Diagnosegerät wird zwar das Auflösungsvermögen gegenüber anderen Sonden — bezogen auf gleiche Wandlerbreite — verdoppelt. Die Länge des Strahles, innerhalb derer er noch ausreichend schmal ist, reicht aber in vielen Fällen für diagnostische Zwecke nicht aus.

In den letzteren Jahren wurden große Anstrengungen unternommen, die bei der medizinischen Diagnose verwendeten Ultraschall-Verfahren zu verbessern. Während sich als diagnostische Hilfsmittel für einige Teile des Körpers das eindimensionale A-Abtastungs-Verfahren (Entfernungs-Darstellung) als sehr brauchbar erwiesen hat, hat diesem gegenüber in verschiedener Hinsicht, das zweidimensionale B-Abtast Verfahren (Winkel-Entfernungs-Darstellung) Vorteile gezeigt. Bei einem bekannten B-Abtast-Verfahren wird ein von J. C. Sommer in »Ultrasonics«, Juli 1962, Seiten 153 bis 159 beschriebener Sektor-Abtaster verwendet, bei welchem ein von einer geraden Aufreihung elektromechanischer Wandler ausgesendeter Strahl um einen Winkel mittels einer elektrisch veränderbaren Verzögerungsschaltung abgelenkt wird, mit der eine als Funktion der Zeit veränderbare Verzögerungszeit herbeigeführt wird. Diese Sektorabtastung ermöglicht es, Ultraschallenergie durch enge Abstände zwischen den Knochenstrukturen benachbarter Rippen hindurch in das Herz zu senden, um dessen vertikale Querschnitte zu untersuchen.

Bei einem weiteren B-Abtast-Verfahren wird ein Linear-Abtaster gemäß der Beschreibung in der US-PS 38 8.1 466 verwendet, bei welchem ein von einer gewählten Gruppe von Wandlern gesendeter Ultraschall-Strahl linear durch eine gerade Aufreihung dieser Wandler hindurch verschoben wird. Die bekannten Abtaster haben sich jedoch hinsichtlich der Auflösung und des Signal-Störungs-Verhältnisses als nicht zufriedenstellend erwiesen.

Aus der DE-OS 27 18 772 ist eine Sonde für eine Ultraschall-Diagnosevorrichtung bekannt, die aus einem Tragelement und einer Anzahl von in Reihe nebeneinander angeordneten piezoelektrischen Wandlern besteht. Der dieser Entgegenhaltung entnehmbaren Lehre Hegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Sonde derart zu verbessern, daß zwischen (benachbarten) piezoelektrischen (elektroakustischen) Wandlern eine erheblich verminderte akustische Kopplung vorhanden ist. Nach der vorbekannten Lehre gemäß dieser Druckschrift wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß — anstelle einer Beschichtung der Wandleroberseiten mit einem Epoxydharz — eine flexible bzw. elastische Folie so an den elektroakustischen Wandlern befestigt ist, daß sie zumindest einen Teil der Spalte zwischen den jeweiligen, einander benachbarten Wandlern verschließt. Ferner sind in der vorbenannten Diagnosevorrichtung ein Taktimpulsgerieralor sowie Verzögerungsstufen vorgesehen, um über Impulsgcneratorern die elektroakustischer! Wandler getaktet zeitverzögert anregen zu können. Die in dieser Druckschrift dargestellten elektoakuUischen Wandler bestehen jeweils aus einem piezoelektrischen Element mit zwei auf einander gegenüberliegenden Seiten angeordneten Elektroden. Das aus den Zeichnungen dieser Druckschrift hervorgehende Breiten/Dicken-Verhältnis für die piezoelektrischen Elemente ist größer ode\ gleich 1. Aus der DE-OS 27 27 691 ist ein Ultraschallsender für Ultraschalluntersuchungsgeräte bekannt, der jeweils mehrere aus einer rechteckigen Platte aus piezoelektrischem Material aufgebaute Wandlerelemente aufweist,

in wobei die Platten jeweils ein Breite/Dicke-Verhältnis haben, das kleiner oder gleich 0,8 ist. Ferner weist diese bekannte Ultraschallsonde zur Abtastung für die Erregung der piezoelektrischen Wandlerelemente eine Treiberschaltung und zur Verarbeitung eines von den

Γ) Wandlerelementen empfangenen reflektierten Signals, das zu einem Sichtgerät oder zu einem Aufzeichnungsgerät übertragen wird, eine Empfängerschaltung auf. Schließlich ist es aus dieser Druckschrift bekannt in Dickenrichtung einen elektro-mechanischen Kopp-

2" lungskoeffizienten nahe dem Wert des Kopplungskoeffizienten kn oder A^Jj3 für die piezoelr'-arischen Elemente vorzusehen, Mi? dem bekannten Uitraschall-Diagnosegerät wird die Aufgabe gelöst, eine nahezu ideale Kolbenschwingung der Wandlerelemente in ihrer

:j Grundschwingungsart ohne Vorkopplung mit unerwünschten Schwingungsarten zu erzielen.

Aus der DE-OS 22 02 989 ist ein fokussierter Ultraschallwandler bekannt, bei dem die Wandlerelemente über steuerbare Laufzeitglieder am Signalaus-

i'i werter angeschlossen sind und eine Steuereinrichtung für die Laufzeitglieder vorgesehen ist. Die Laufzeitglieder dienen als Einrichtungen zur Phasenverschiebung. Bei dieser Druckschrift wird von der Aufgabe ausgegangen, einen fokussierten Ultraschallwandler mit

r> einem Signalauswerter für von bestimmten Stellen des Körpers reflektierte Ultraschallsignale derart weiterzuentwickeln, daß die Mittel zur Veränderung des Fokus die empfangenen Signale nicht beeinflussen und der Abstand des Fokus in einfacher Weise schnell

4Ii veränderbar ist. Nach der bekannten Lehre wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine — dem gewünschten Ai flösungsvermögen entsprechende — Anzahl von räumlich nebeneinander liegenden Wandlerelemcnten für die Aussendung und den Empfang der Ultraschalisi-

r, gnale über steuerbare Laufzeitglieder am Signalauswerter angeschlossen sind und eine Steuereinrichtung für die Laufzeitglieder vorgesehen ist, durch welche die von den bestimmten Stellen des Körpers bereits reflektierten Ausgangssignale der Wandlerelemente im Sinne

v) eines jeweils gewünschten Fokusabstandes verzögerbar sind. Im einzelnen bewirkt ein hierfür vorgesehener Taktgeber, daß alle Wandlerelemente zunächst gleichzeitig einen von einem Sender erzeugten Ultraschallsend.tfimpuls aussenden. Dieser Ultraschallsendeimpuls

V) durchläuft dann den zu untersuchenden Körper und wird an den Grenzschichten teilweise reflektiert. Die reflektierten Echosignale werden dann über die steuerbaren Laufzeitglieder im Sinne einer Fokusänderung verzögert und danach den nunmehr als Empfanges

hn dienenden WandLrelementen zugeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das einleitend genannte Ultraschall-Diagnosegerpt derart zu verbessern, das es möglichst schmale, scharf gebündelte Ultraschallstrahlen abgibt.

h-) Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden 'itil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteran-

Sprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild des Ul traschall-Diagnosegeräts;

Fig. 2 ist eine Darstellung von Einzelheiten einer Sendereinheit des Geräts nach Fig. 1:

F i g. 3 ist eine graphische Darstellung der Auswirkung einer Phasenabstufung auf die Strahlenbündelseite;

F i g. 4 ist eine graphische Darstellung der Auswirkung einer Amplitudenabstufung auf die Strahlenbündelbreite;

F i g. 5 ist eine Darstellung von Einzelheiten einer F.mpfängereinheit des Geräts nach Fig. I:

F i g. 6 ist eine Darstellung vom Einzelheiten einer Sichtanzeigeeinheit des Geräts nach F i g. I;

F i g. 7 zeigt die Arbeitskennlinie einer Verstärkungssieiicrschaltung der Einheit nach F i g. 6.

Das in F-' i g. 1 gezeigte llltraschall-Diagnoscgenit bzw. -System weist eine Wandlereinheit IO mit einer Anordnung bzw. Aufreihung von 128 piezoelektrischen Wandlern für die Aussendung von Ultraschallimpulsen und den Empfang der rückkehrenden Echosignale auf. Eine Mehrzahl von Analog-Multiplexern bzw. Analog-Schalteinrichtungen 11-1 bis 11-16 ist vorgesehen, die jeweils acht Ausgangsanschlüsse haben, welche mit den einzelnen Wandlerelementen in der Weise verbunden sind, daß die Ausgangsanschlüsse Nc 1 der Multiplexer 11-1 bis 11-16 jeweils mit den WandlertL .,Linen Nu. 1 bis 16. die Ausgangsanschlüsse No. 2 jeweil- mit den Elementen No. 17 bis 32 usw. verbunden sind, so ΔΜ die Ausgangsanschlüsse No. 8 jeweils mit den Wandlern 113 bis 128 verbunden sind. Ferner sind Zähler 12-1 bis 12-16 vorgesehen, die durch ein von einem 16-Bit-Schieberegister 13 abgegebenes Ausgangssignal angesteuert werden, das durch von einer Taktquelle bzw. einem Taktgenerator 14 empfangene Taktimpuls: mit einer Wiederholungsfrequenz von 3 bis 4 kHz erzeugt wird, die von der Tiefe eines zu untersuchenden Körpers abhängt. Das Ausgangssignal des Schieberegisters 13 wird entsprechend den Taktimpulsen von der am weitesten links dargestellten Bit-Stufe bis zur am weitesten rechts dargestellten Bit-Stufe verschoben, bis die am weitesten rechts 'liegende Bit-Stufe für das 16. Bit erreicht ist. woraufhin dieser Vorgang wiederholt wird, bis alle Zähler 12 mittels eines Rücksetzsignals gelöscht werden, das mittels eines Rücksetzzählers 18 erzeugt wird, wenn dieser den !28. Taktimpuls empfängt. Nach dem Rücksetzvoigang wird der Betriebsablauf erneut wiederholt. Auf ein jeweiliges Eingangssignal aus dem Schieberegister 13 gibt jeder Zähler 12-1 bis 12-16 ein Ausgangssignal. das eine Binärdarstellung der Anzahl der empfangenen Impulse in 3 Bits ist. Die 3-Bit-Binärdarstellung bezeichnet eine entsprechende Adresse bzw. einen gewählten Ausgangsanschluß der acht (2³) Ausgangsanschlüsse des zugeordneten Multiplexers 11-1 bis 11-16. Jeder Multiplexer bildet daraufhin einen Signalzugangsweg oder Signalzugriffsweg von f'.iem Eingangsanschluß /Λ/ zu dem gewählten Ausgarjsanschluß, um das zugeordnete Wandlerelement einzuschalten; dieser Zugangsweg wird bis zum nächsten Taktimpuls beibehalten. Die Ausgangsanschlüsse der jeweiligen Multiplexer 11-1 bis 11-16 werden in Aufeinanderfolge von der am weitesten links liegenden bis zu der am weitesten rechts liegenden Bit-Stelle geschaltet, so daß im Ansprechen auf einen 16.

Taktimpuls die Wandler No. I bis No. 16 gleichzeitig angeregt werden und im Ansprechen auf einen 17. Taktimpuls der Zähler 12-1 sein binäres Ausgangssignal wechselt, während die anderen Zähler 12-2 bis 12-16 unverändert bleiben, so daß die Wandlerelemente No. 2 bis No. 17 gleichzeitig eingeschaltet werden. Dieser Betriebsvorgang wird bis zum Auftreten des 128. Taktimpulses wiederholt, auf den hin die Wandler No. 11.3 bis No. 128 gleichzeitig angeregt werden. Daraus ist ersichtlich, daß auf einen jeweiligen Taktimpuls einer der Multiplexer 11-1 bis 11-16 seinen Signal-7.ugangsweg auf den nächsten Zugangsweg wechselt, so daß eine Gruppe von aufeinanderfolgend angeordneten sechzehn Wandler während des zwischen aufeinanderfolgenden Taktimpiilsen liegenden Intervalls gleich/eilig eingeschaltet wird und die eingeschaltete Gruppe pro Taktimpuls um die Breite eines Wamllerclcments nach rechts verschoben wird.

Ferner ist eine zweite Gruppe von Anaiog-Muitipiexcrn bzw. Analog-Durchschalteinrichtungen 15-1 bis 15-16 vorgesehen, leder dieser Multiplexer 15 hat einen einzigen Ausgangsanschluß, der mit dem jeweiligen Fingangsanschluß IN der Multiplexer 11-1 bis 11-16 verbunden ist. und einen Sat/ von 16 .Signaleingangsanschlüssen, die als Vielfach mit den Signaleingangsanschlüsr.en //Vder anderen Multiplexer 15 geschaltet und mit den Ausgangsanschlüssen eines Senders 16 verbunden sinu. Diese Multiplexer empfangen jeweils einzeln einen 4-Bit-Adressiercode aus einem Festspeicher 17. um Verbindungen zwischen den Ausgangsanschlüssen des Senders 16 und den eingeschalteten Elementen aus den Wandlerelementen zu bilden. Wie nachstehend erläutert wird, erzeugt der Sender 16 einen Satz von Ultraschallimpulsen. die in der Weise amplitudenmoduliert und phasenverschoben sind, daß sich an dem Hauptstrahl eine Amplituden- und Phasen-Verjüngung bzw. -Stufung ergibt, so daß die ausgestrahlte Strahlbreite mit einem Brennpunkt in einer gewählten Tiefe von der Eintrittsfläche weg verengt ist. Der als Speichereinheit dienende Festspeicher 17 ist so programmiert, daß er für jede Gruppe eingeschalteter Wandlerelemente an den eingeschalteten Wandlerelementen die Aussendung von Ultraschallimpulsen mit der gleichen Richtcharakteristik ermöglicht.

Durch jeden Taktimpuls aus dem Taktgenerator 14 wird ein Satz von 16 Ultraschallimpulsen erzeugt, die in den untersuchten Körper gesandt werden: innerhalb des Intervalls zwischen aufeinanderfolgenden Taktimpuisen werden die Rückkehrsignale mittels der einj. schalteten Wandler empfangen und an eine Empfängereinheit bzw. einen Empfänger 19 angelegt. Wie noch beschneben wird, werden die empfangenen Signale entsprechend einem vorgewählten Muster phasenverschoben und amplitudenmoduliert und dann an eine Sichtanzeige 20 angelegt.

In der Fig. 2 sind Einzelheiten des Senders 16 mit einem Datenwähler 21 gezeigt, der Taktimpulse aus einer Taktquelle bzw. einem Taktgenerator 27 erhält, welcher Taktimpulse von dem ersten Taktgenerator 14 aufnimmt, um auf jeden Taktimpuls aus dem Taktgenerator 14 eine Folge von Taktimpuisen höherer Wiederkehrgeschwindigkeit mit 20-ns-Intervallen zu erzeugen, und der die schnelleren Taktimpulse bzw. die Taktimpulse höherer Frequenz dem als Zeitsteuerschaltung dienenden Datenwähler 21 zuführt. Dieser Datenwähler empfängt auch Zeitsteuerungssignale aus einer Zentraleinheit 22 eines Universalrechners. Der Datenwähler 21 gibt mit Intervallen, die durch die

Steuersignale aus der Zentraleinheit 22 bestimmt sind ein Freigabesigna! >in einen aus einer Mr'vzali' \c impulsgesteuerten Ivw. unpiilsgctakteten Oszillatoren 21-1 bis 23-16 ab. Diese Zeitsteuerung wird in der Weise bewerkstelligt, dat. der als Sfieichereinheii dienende Festspeicher 17 ^o programmiert wird, daß der Datenwähler 2t ein Ausgr.ngssignal bei einer vnrbes;>imten Anzahl ('er Taktimpulse höherer I requen/ erzeugt. Die Zeitintervalle /wischen aufeinanderfolgenden Freigabe- oder Finsc haltimpulsen sind daher ein ganzz.ahligcs Vielfaches der 20-ns-Dauer. Die Verzöge rungszeit Ti für einen jeweils eingeschalteten Wandlei wird duii.li die folgende Gleichung bestimmt, bei welcher der Zusat/ »/«eine ganze Zahl im Bereich von I bis lh ist und die Lage des Wandlers in bezug auf eine Bezugslage darstellt:

Ti

ι ■'■■

wobei

C die Schallgeschwindigkeit im menschlichen kopei

ist.
η die Anzahl L'leich/.·>;ιι: eingeschalteter Wandler zur Bildung e:;ies llaiiptstrahls ist (bei diesem Λ iicführiino*.K*M^ riii>l tr I ^* w*H lh ("-!).

/' der Brennpunktabstawl des I latipistrahls ist und t/ der Mittenabst.md zwischen den Wandern ist.

Die Oszillatoren ⁷i werden durch die Freigabe Iw. F in si halt impulse .< is dem Da ten'.v ahler 21 so ge ν halte¹ daß ein Satz von lh Sippalbuni'·, !n nut I'ItraschalHi e einen/ erzeugt wird die .in jeweilige 'V'iplitudenmodu l.itoren 24-1 bi^ 24-1κ .lngeifi.·! wurden ιιπ·. f.w Schaffung der Air,j¹iiiiden'-tufii!:L .in dem llauptsotide strahl bzw. der H-iuptseHekeuic in Übereinstimmung mit Spannungsausgangssianalen ,ms Digital-Analog b w. DA-Umsetzern 25-1 bis 25-16 amplitiidcnmodu iiert zu werden.die zur Aufnahmt- v.m licw-jrtungsfaisto ren darstellenden Daten geschattet sind, welche in dem Festspeicher 17 gespeichert sind. Die amplitudenmndu lierten Signale werden über Puf'erverstärker 2b an die Fingangsanschlüsse der Multiplexer 15 angelegt. I >ies·· Amplituden-Phaser.stufung ergib; eine Strahlenbunde; bzw. Keulenbreite. wie sie in I'ig 3 t'."iphivh a^ Funktion der Tiefe on der Oberfläche des .ritersuchien menschlichen Körpers weg darkVMellt ist. Die Kurve Λ zeigt die Richtcharakteristik des Geräts bei einem ßrennpunktabstami Fson 70 mm. während die K:;r\e H die Richtcharakteristik mit dem Brennpunktübstand ,>oo« darstellt. Wie aus der F i g. J ersichtlich ist. besteh·, bei dem Strahlenbündel im Bereich von Tiefen vor! ■■veniger als 40 mm die Tendenz zu einer breite, die größer als die bei größeren Tiefen ist. Diese Strahlenbündelverbrsiterung im Bereich geringer liefe wird durch die Amplituden- unci Phasenstuuing in der Fmpfängereinheit 19 kompensiert.

Zur Bildung einer Verteilung c!τ Beν "nungsfaktoren kann eine Vielzahl von Verfahren in Betrach' gezogen werden. Beispielsweise werden die Bewertungsfaktoren aufgrund eines Tschebyscheff-Polynoms verteilt. Die F i g. 4 zeigt die Auswirkung der Verteilung nach dem Tschebyscheff-Polynom auf die Strahlenbündelbreite des phasengestuften Strahls als Funktion der Tiefe von der Eintrittsfläche weg. wobei die Vertikalachse die Strahlenbündel- bzw. Keulenbreite bei den -20-dB-Punkten darstellt während die horizontale Achse die Tiefe darstellt Die Kurve A zeigt die Charakteristik eines phasengestuften Strahls ohne Amplitudenstufung. während die Kurven B. C und D die Charakteristiken von Strahlenbündeln mit Phasen- und Amplitudenstufung mit unterschiedlichen Nebenkeulen-Pegeln zeigen. GcniäB der Darstellung sind im Vergleich mit der Kurve A die Kurven B, Cund Dim Hinblick auf die Bereiche geringer Tiefe und großer Tiefe vorteilhaft

In der I i g. 5 ^!si die Fmpfängcrcinheil '9 in F.in/elhoiteri gezeigt. Innerhalb des Intervalls zwischen aufeinanderfolgenden Taktimpulsen der Taktquelle h/w. des Taktgenerator 14 wird die ausgesendete I Itraschallenergie um im Körper des Patienten vorhandenen Diskontinuitäten reflektiert und mittels WitnrUp

rf:»Ut

ill« Pr

elektrische Signale umsetzen, welche über die Multiplexer Il an die Fmpfängereinheit bzw. den F.mpfänger 19 angelegt werden. Die Rückkehrsignale werden an eine Mehrzahl von Phasenschiebern 30-1 bis .50-16 angelegt. in welchen sie Phasenverschiebungen entsprechend der vorstehend beschriebenen Gleichung (1) unterzogen werden. Di-"; wird mittels einer Mehrzahl von I)-Λ-Umsetzern 31-1 Ins 31-16 erzielt, die auf gleiche Weise wie d;e unter Bezugnahme auf Fi g. 2 beschriebenen mit der Zentraleinheit 22 verbunden sind. In diesem Fall wird jedoch der Brennpunktabstand /so gewählt. d : ' die Strahlenbündelbreite für Tiefen von weniger als ■jiigelähr 40 mn: verringert wird. Die phasenverschobenen Signale werden dann an Amplitudenmodulatoren 32-1 bis 32-1 'S angelegt, in welchen die Signale in Übereinstimmung mit über D-A-Umsetzer .33-1 bis 33-16 geleiteter Befehlen aus der Zentraleinheit 22 in der Weise ampli'udenrnodiiliert werden, daß die i^:.-iipfangsoffni;ngswcite der Wandlereinheit 10 als Funktion der 7eit verändert wird, um einen verringer-ι ^ η Nebenkeulenpceei /w erzielen, so daß das ■Vuflösiing^vcmogen in seitlicher Richtung verbessert wrd. Die ph.isen- 'ir.d ,mplitudenmodulierten Signale werden an einen Addierer 34 und von diesem an die Sichtanzeige 20 angelegt.

Gemäß der Darstellung in F ι g. b wird das Ausgangssignal des Empfängers 19 an einen Rcgelverstärker 40. von dort an ein Bandpaßfilter 41 und ferner über einen logarithmischen Ve^r tärker 42 an einen Detektor bzw. Gleichrichter 43 angelegt. Eine Taktimpulsquelle bzw. ■.vn Taktimpulsgenerator 44 dient zur Zufuhr von Taktimpulsen zu einer Verstärkungsregelschaltung 45. die durch einen von dem Taktimpulsgenerator 44 zugeführten Taktimpuls ein gemäß der Darstellung in F i g. 7 als Funktion der Zeit verändertes Spannungssignal erzeugt. Hierdurch wird die als Funktion der Tiefe exponentiell ansteigende Dämpfung des ausgesandten Ultraschalls kompensiert. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel, bei dem die Ultraschallfrequenz 2.5 MHz ist ist der Regelverstärker 40 so ausgelegt, daß er einen Regelbereich von 60 dB hat. um den bei einer Tiefe von 200 mm auftretenden Verlust zu kompensieren, da im menschlichen Körper ein Ultraschall mit der Frequenz 1 MHz beim Durchlaufen einer Strecke von 10 mm einen Verlust bzw. eine Dämpfung von 1 dB erfährt. Das Bandpaßfilter 41 ist zum Abhalten von Störungen auf die Frequenz des üliraschaiis abgestimmt. Der logarithmische Verstärker 42 dient als Signalkompressor, um den Dynamikbereich des Signals

so zu verringern, dall ei' mit dein Dvnaimkbereieh einer Kathodenstrahlröhre 46 übereinstimmt.

Das Taktsignal aus dem Taktimpulsgenerator 44 wini auch an einen Bezugssignalgenerator 47 angelegt, der so ausgelegt ist, daß er einen Sat/ unterschiedlicher Bezugssignale wie Markiersignale, Horizontal- und Vertikal-Austastsignale und Graiiskalensignale erzeugt. Diese Signale werden in einem Addierer 48 algebraisch mit dem Ausgapg!,signal des Gleichrichters 43 kombiniert, mittels eines Verstärkers 49 verstärkt und an das .Steuergitter der Kathodenstrahlröhre 46 angelegt. Der Taktimpuls aus dem Taktimpulsgenerator 44 wird auch an eine Horizontal- und Vertikal-Ablunksehaltung 50 zur Bildung einer Rechteckrasters an dem Kathodenstrahlröhren-Bildschirm angelegt.

Einzelheiten der piezoelektrischen Wandler bzw. Wandlerelemente sind in der IIS-Palentanmeldung 8 07 600 vom 17. Juni 1977 beschrieben, jeder der Ultraschall-Wandler weist ein Paar von piezoelektrischen Elementen auf, die jeweils eine rechteckige Platte eines aus Pb(Mg, ,Nb. ₃)O,. PbTiO, und PbZrO, gebildeten Keramikmaterials sind, wobei an der vorderen und der hinteren Fläche jeweils ein vorderer bzw. ein hinterer F.lektrodenfilm befestigt ist. Die piezoelektrische Platte wird in Richtung der Dicke polarisiert, hat ein Breite/Dicke-Verhältnis, das gleich oder kleiner als 0.8 ist. und einen beachtlich großen elektromagnetischen Kopplungskoeffizienten kn oder k Ί] in Richtung ihrer Dicke. Mit jedem dieser Kopplungskoeffizienten hat das piezoelektrische Element im wesentlichen keine Nebenschwingungsarten. Die Elektroden sind senkrecht zur Polarisationsrichtung angeordnet. An einer der Elektroden ist ein Impedanzwandler angeschlossen. Die piezoelektrischen Elemente gemäß der Beschreibung in dieser vorstehend genannten US-Patentanmeldung benötigen nur eine sehr geringe Antriebsleistung. Dies erlaubt die Verwendung integrierter CMOS-Halbleiterelemente für das aus den M'iltipiexern Il und 15 besiehende Durchsehaltnetzwerk. Dadurch wiH die Steuerschaltung kompakt. Dies wiederum ermöglicht es. einen Teil der Steuerschaltung (uler die ganze Steuerschaltung in einem Gehäuse zusammen mit der Wandlereinheit 10 unterzubringen und folglich die Anzahl der Verbindungsleitungen /wischen der Ultraschallsonde und der Sichtanzeige wesentlich /u verringern, so daß daher der Diagnose vrgang erleichtert wird.

Mit der Erfindung ist ein Ultraschall-Diagnosegerät angegeben, das eine lineare Anordnung bzw Aufreizung von piezoelektrischen Wandlern oder Platten mit einem Breite/Dicke-Verhältnis von weniger als 0.8 sowie eine Steuerschaltung aufweist, die einen Sender und einen Empfänger enthält. Der Sender hat eine Mehrzahl von Sendekanälen mit jeweils einem Eestos /illator zur Erzeugung eines llltraschallimpulses im Ansprechen auf ein Taktsignal. Die Gruppe derartiger Ultraschallimpulse wird über ein Durchschaltnei/wcrk an eine gewählte Gruppe aufeinanderfolgend angeordneter piezoelektrischer Wandler angelegt, um in einen menschlichen Körper einen Strahl bzw. ein Strahlenbündel von Ultraschallenergie zu senden. Jeder der Ultraschallimpiilse wird in bezug auf die Ultraschallimpulse der anderen Sendekanäle phasenverschoben und amplitudenmoduliert, um eine Phasen- und Amplitudenstufung herbeizuführen, die ein enges Strahlenbündel durch die Tiefe des Körpers hindurch ergibt. Die von Diskontinuitäten bzw. Sprungstellen zwischen unterschiedlichen Geweben zurückgeworfene Ultraschallenergie wird von den Wandlern erfaßt und über das Durchschaltnetzwerk dem Empfänger zugeführt, in welchem jedes der Rückkehrsignale in bezug auf die anderen Signale zur Bildung eines Ausgangssignals phasenverschoben und amplitudenmoduliert wird, das an einem Kathodenstrahlröhren-Bildschirm dargestellt wird.

Ilier/u 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Diagnosegerät mit

a) in Reihe nebeneinander angeordneten piezoelektrischen Wandlern mit plattenartigen piezoelektrischen Körpern,

b) einer Einrichtung zur gruppenweisen elektrischen Anregung mehrerer nebeneinander angeordneter piezoelektrischer Wandler mittels eines Senders, und somit Abstrahlung eines Haupt-Ultraschallstrahlenbündels in den Körper eines Patienten,

c) einer Einrichtung zur getakteten, stufenweisen Verschiebung der Anregungsgruppe, und somit des Haupt-Ultraschallstrahlenbündels, um einen piezoelektrischen Wandler in Abtastrichtung pro Taktsignal,

d) einem Echosignal-Empfänger und

e) einer Echosignal-Sichtanzeige,