DE3241978C2 - Schall-Bildgerät - Google Patents

Abstract

In einem mit Oberflächenschallwelle arbeitenden Schall-Bildgerät ist eine Vielzahl interdigitaler Elektroden an einem Kopplungsmittel für die Oberflächenschallwelle entweder linear oder kreisförmig angeordnet. Diese Elektroden sind mittels eines Multiplexers wahlweise mit einer Sendesignalquelle verbindbar. Entsprechende Verzögerungsleitungen haben solche Verzögerungszeiten, daß die von den gewählten Elektroden erzeugten Oberflächenschallwellen in einem Brennpunkt am Kopplungsmittel gebündelt werden. Die Wahl der Elektroden und der Verzögerungszeiten der Verzögerungsleitungen kann so geändert werden, daß der Brennpunkt zweidimensional über die Oberfläche des Kopplungsmittels bewegt wird. Die an den Brennpunkten reflektierten Oberflächenschallwellen werden von den gewählten Elektroden empfangen und deren elektrische Signale über die Verzögerungsleitungen summiert, um ein Bildsignal vom entsprechenden Brennpunkt abzuleiten. Auf diese Weise wird eine Tomographie einer Probe in der Nähe ihrer mit dem Kopplungsmittel in Berührung stehenden Oberfläche erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schall-Bildgerät mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Ein derartiges Schall-Bildgerät ist aus der DE-OS 05 344 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Verfahren zur Messung der Ermüdung eines Prüflings mittels Ultraschall wird eine Probe (dort der Prüfling) mit einem Koppelungsmittel (dort zwei Quarz-Körper) in Kontakt gebracht. Der Prüfling wird periodisch gebogen und die Rißbildung an seiner Oberfläche wird mittels der über die Quarz-Körper angekoppelten bzw. gemessenen Oberflächen-Schallwellen verfolgt. Es wird dort also ein Zustand der Proben-Grenzfläche, nämlich deren Rißbildung, in seiner zeitlichen Entwicklung aufgezeichnet, Impedanzänderungen an der Probenoberfläche werden zur Ermittlung der Materialermüdung ausgewertet.

Aus der US-PS 42 12 206 ist eine Meßvorrichtung bekannt, bei der ein Probenkörper in eine Flüssigkeit eingetaucht wird.

In der GB-PS 20 11 075 wird ein zweidimensionales akustisches Abbildungssystem beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schail-Bildgerät der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art zu schauen, welches bei Verwendung von Oberflächenschallwellen ein hohes Auflösungsvermögen hat und sich überdies durch kleine Abmessungen und einen einfachen Aufbau auszeichnet.

Ein diese Aufgabe lösendes Schall-Bildgerät ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Schall-Bildgerät kann so klein gestaltet werden, daß es in das distale Ende eines Endoskops eingesetzt werden kann. Es läßt sich mit Vorteil während chirurgischer Eingriffe benutzen.

Da die Oberflächenschallwelle eine kleinere Geschwindigkeit hat als die Longitudinalwelle, läßt sich eine hohe Auflösung erzielen.

Die Frequenz und Reichweite von Oberflächenschallwellen ist allein durch die Gestalt der Oberflächenschallwellen-Elektroden bestimmt, so daß die Frequenz und Reichweite leicht variierbar sind. Im folgenden ist die Erfindung anhand in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. IA, IB und IC Ansichten zur Erläuterung des Aufbaus einer Oberflächenschallwellen-Elektrode;

Fig. 2A, 2B und 2C Ansichten eines ersten Ausführungsbeispieis eines Schall-Bildgeräts;

Fig. 3A, 3B und 3C Ansichten eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Schall-Bildgeräts;

Fig. 4A und 4B Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Schall-Bildgeräts.

Zunächst soll das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip anhand von Fig. IA näher erläutert werden. Wie Fig. IA zeigt, steht ein Koppelungsmittel 17 für die Oberflächenschallwelle mit einer Probe 18 in Berührung, und die sich längs der Oberfläche des Kopplungsmittels 17 ausbreitende Oberflächenschallwelle wird von einer Grenzfläche zwischen dem Kopplungsmittel 17 und der Probe 18 wegen der unterschiedlichen Schallimpedanz der beiden reflektiert. Der Betrag der reflektierten Oberflächenschallwelle ist proportional zu der genannten Differenz. Die Oberflächenschallwelle klingt während ihrer Ausbreitung unter der Probe weiter ab. Das Ausmaß der absorbierten Schallenergie ist umgekehrt proportional zu der genannten Differenz. Die Erfindung macht sich diese Erscheinung zunutze, um eine zweidimensionale Verteilung der akustischen Impedanz über die Grenzfläche zwischen dem Kopplungsmittel 17 und der Probe 18 zu erhalten. Bei Auswertung der reflektierten Oberflächenschallwelle kann eine Abbildung der Probe 18 ähnlich wie beim Radar oder mit gewöhnlichen akustischen Diagnosevorrichtungen erhalten werden, während bei Auswertung der

übertragenen Oberflächenschallwelle eine Abbildung ähnlich wie im Fall der Computertomographie gezeigt werden kann. Da die Oberflächenschallwelle im Vergleich zu Längs- und Querwellen eine sehr geringe Geschwindigkeit und eine kürzere Wellenlänge hat, kann eine hohe Auflösung erreicht werden. Die Geschwindigkeit der im bekannten Beobachtungsgerät verwendeten Longitudinalwelle in Wasser ist 1 530 m/s, während die Obtiflächenschallwelle im Kopplungsmittel 17 aus Polyäthylen eine Geschwindigkeit von 490 m/s hat.

Fig. 1 zeigt in Draufsicht eine Elektrode 19 in Doppelkammausführung zum Erzeugen der Oberflächenschallwelle. Die Elektrode 19 ist an einem piezoelektrischen Glied vorgesehen, welches auch als Ausbreitungsmittel für die Oberflächenschallwelle dient. Die Wellenlänge λ der Oberflächenschallwelle ist vom Teilungsabstand d der kammartigen Elektrode 19 bestimmt und wird ausgedrückt als λ — 2d, und der Frequenzbereich B ist proportional zur Länge / der Elektrode. Auf diese Weise kann eine hohe Frequenz bis zu einigen Gigahertz benutzt und folglich eine sehr hohe Auflösung erreicht werden. Wenn die Abbildung gemäß dem Refiexionsverfahren angezeigt wird, kann eine Elektrode 19' mit abnehmendem Teilungsabstand benutzt werden, die in Fig. 1 C gezeigt und den Anpassungselektroden ähnlich ist, die für die Impulskompression benutzt werden. Deshalb kann das bekannte Impuiskompressionsverfahren (Frequenzkompositionstechnik) so wie es ist angewandt werden, was die Entfernungs- oder Bereichsauflösung weiter erhöht.

Wenn ähnlich wie bei der Computertomographie die durchgelassene Oberflächenschallwelle zum Erhalt der Abbildung herangezogen wird, kann die Auflösung im gewünschten Ausmaß verbessert werden, wenn die Grobe der reproduzierten Fläche und die Anzahl der Parameter erhöht wird, auch wenn die zum Erhalt des vollständigen Bildes nötige Zeit langer ist.

In Fig. 2 A ist die Gesamtanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Geräts schematisch gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Serie von Oberflächenschallwellen-Elektroden 22 mit großer Reichweite an einem piezoelektrischen Körper 21 vorgesehen, wie in Fig. 3 B und 3 C gezeigt. Eine Gruppe von Elektroden 22-/ bis H-k wird mittels eines Multiplexers 23 ausgewählt, und ein Übertragungsimpuls einer Übertragungsschaltung 24 wird über entsprechende Verzögerungsleitungen oder Phasenverschieber 25-/ bis 25-k so an entsprechende Elektroden angelegt, daß die übertragenen Oberflächenschallwellenimpulse in einem Brennpunkt 27 auf einer zu untersuchenden Probe 26 gebündelt werden. Anders ausgedrückt heißt das, daß die Verzögerungsleitungen 25-/ bis 25-k derartige Verzögerungszeiten haben, daß die von den Elektroden 22-/ bis 22-k erzeugten Oberflächenschallwelleninnpulse im Brennpunkt 27, dem Punkt, der untersucht werden soll, konzentriert werden. Die von der Probe 26 am Brennpunkt 27 reflektierten Oberflächen-Schallwellenimpulse werden von den Elektroden 22-/ bis 22-k, von denen die Oberflächenschallwellenimpuise ausgesandt wurden, auch wieder empfangen und in Reflexionssignale umgesetzt. Diese Reflexionssignale werden wiederum von den Verzögerungsleitungen 25-/ bis 25-k verzögert und dann summiert. Auf diese Weise kann ein sogenannter im-Brennpunkt-Empfang realisiert werden. Wenn der Grad der Verzögerung in den Verzögerungsleitungen 25-/ bis 2S~k und die Anzahl der vom Multiplexer ausgewählten Elektroden geändert werden, kann der Brennpunkt 27 in Richtung senkrecht zur Elektrodenreihe verlagert werden, wobei der Fokussierungsgrad beibehalten bleibt. Ferner kann durcii Bewegen der Stellung der vom Multiplexer 23 auszuwählenden Elektroden der Brennpunkt 27 auf der Probe 26 bewegt werden, um eine zweidimensionale Abtastung durchzuführen. Das an den jeweiligen Brennpunken erhaltene Umlenkungssignal wird in einer Verarbeitungschaltung 28 festgestellt und verstärkt. In dieser Verarbeitungsschaltung 28 wird nur das Refbxionssignal des Brennpunktes gespeichert und dann weiter entsprechend der Dämpfung korrigiert. Das weiterverarbeitete Ablenksignal wird mittels eines Abtastumsetzers 29 in ein Fernsehsignal umgewandelt, welches auf einem Bildschirmmonitor oder Fernsehmonitor 30 angezeigt bzw. wiedergegeben wird. Wie am besten in Fig. 3 B und 3 C zu erkennen ist, ist der piezoelektrische Körper 21 von einem Rahmen 31 umgeben, der aus einem die Oberflächenschallwelle absorbierenden Material besteht, welches die gleiche akustische Impedanz hat wie der piezoelektrische Körper 21. Da bei diesem Ausführungsbeispiel der piezoelektrische Körper 21 sehr klein sein kann, läßt er sich ohne weiteres in ein Endoskop einsetzen, um ein Gastroskop, Hysteroskop oder verschiedene andere Arten von Spiegelinstrumenten zu erhalten.

In Fig. 3 A, 3 B und 3 C ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Schall-Bild-Geräts gezeigt, bei dem auf einem scheibchenförmigen piezoelektrischen Körper 41 Oberflächenschallwellen-Elektroden 42 von großer Reichweite ringartig angeordnet sind. Von diesen Elektroden werden k Elektroden 42-/ bis 42-/c mittels eines Multiplexers 43 ausgewählt, und ein von einem Sendeschaltkreis 44 erzeugter Übertragungsimpuls wird über Verzögerungsleitungen oder Phasenverschieber 45-/ bis 4S-k an die Elektroden 42-/ bis 42-k geliefert, um Oberflächenschallwellenimpulse zu erzeugen. Die Verzögerungszeiten der Verzögerungsleitungen 45-/ bis 45-fc sind-so gewählt, daß die Oberflächenschallwellenimpulse in einem Brennpunkt 47 auf einer Probe 46 gebündelt werden. Die von der Probe 46 im Brennpunkt 47 reflektierten Oberlächenschallwellenimpulse werden von den Elektroden 42-/ bis 42-ifc empfangen, die auch die Oberflächenschallwellenimpulse erzeugt haben, um Reflexionssignale zu erhalten. Diese P.eflexionssignale werden von den Verögerungsleitungen 45-/ bis 45-k verzögert und dann summiert. Das Summensignal wird von einem Verstärker 48 wahrgenommen und verstärkt und weiter in einer Verarbeitungsschaltung 49 gespeichert, in der das Abklingen der Welle in bezug auf die Entfernung ausgeglichen wird, um eine Zeitgewinnsteuerung zu verwirklichen. Das verarbeitete Umlenksignal wird dann in einem Speicher 50 gespeichert.

Die Position der vom Multiplexer 43 ausgewählten Elektroden wird einzeln der Reihe nach geändert, z. B. 42-2 zu 42-(Jt + 1); 42-3 zu 42-(fc + 2), usw. Während dieser Operation werden die Verzögerungszeiten der Verzögerungsleistungen 45-/ bis 45-A: so geändert, daß die Oberflächenschallwellenimpulse immer im Brennpunkt 47 gebündelt sind. Das kann mittels bekannter Maßnahmen, z. B. mit Hilfe eines Computers, bewirkt werden. Danch wird das Reflexionssignal mit dem während der Messung zuvor im Speicher 50 gespeicherten Signal in einer Korrelationsschaltung 51 verglichen und ein Summendurchschnitt, Produktdurchschnitt usw. erzeugt. Das erhaltene Durchschnittssignal wird erneut im Speicher 50 gespeichert. Der oben beschriebene Vorgang wild wiederholt, während gleichzeitig die Position der Elektroden der Reihe nach verschoben wird. Wenn die Elektroden 42 einmal angesteuert worden sind, wird der zu untersuchende Brennpunkt 37 durch Ändern der Verzögerungszeiten der Verzögerungsleitungen 45-/ bis 4\S-k sukzessive zweidimensional um ein Ausmaß verschoben, welches einer Hälfte der Auflösung entspricht. Die dabei der Reihe nach erhaltenen

und gespeicherten Signale werden mittels eines Abtastumsetzers 52 in ein Fernsehsignal umgewandelt, welches dann einem Femsehmonitor 53 zugeführt wird. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist der piezoelektrische Körper 41 von einem die Oberflächenschallwelle absorbierenden Glied 54 umgeben, um unerwünschte Reflexionen auszuschließen.

Obwohl bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel das System kompliziert und die zum Erhalt der kompletten Abbildung benötigte Zeit lang ist, kann eine Abbildung erhalten werden, die eine außerordentlich hohe Auflösung und Qualität im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel aufweist, weil hier die Seitenkeulen und Überlagerung wirksam ausgeschaltet sind. Da die Bildqualität durch elektrische Behandlungen entsprechend einem Anpassungsfilter verbessert werden kann, läßt sich die Auflösung noch weiter erhöhen.

Fig. 4 A und 4 B zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel eines Schall-Bild-Geräts, bei dem, im Prinzip ähnlich wie bei der Computertomographie, die von der Probe durchgeiassene Oberflächenschallwelle empfangen und eine Abbildung gezeigt wird. Eine Auflösung in Richtung senkrecht zur Oberfläche des piezoelektrischen Körpers braucht nicht berücksichtigt zu werden. Deshalb kann der Algorithmus für die Computertomographie so angewandt werden, wie er ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Oberflächenschallwellen-Elektroden 62 von großer Reichweite auf einem scheibchenförmigen piezoelektrischen Körper 61 in Ringform mit einer gegebenen Teilung angeordnet. Eine mittels eines Multiplexers 63 ausgewählte Gruppe von Elektroden 62-/ bis 62-Jt wird mit Sendeimpulsen erregt, die von einem Sendeschaltkreis 64 über Phasenverschiebungselemente oder Verzögerungsleitungen 65-/ bis 65-k zugeführt werden. Die Verzögerungszeiten der Verzögerungsleitungen 65-/ bis 65-/c sind so bestimmt, daß die Oberflächenschallwellenimpulse in einem Brennpunkt 67 gebündelt werden. Es wird nun angenommen, daß von diesem Brennpunkt 67 die Oberflächenschallwelle in Fächerform projiziert wird. Die Oberflächenschallwelle wird absorbiert, während sie sich unter einer Probe 66 ausbreitet. Dann wird die Welle von den Elektroden 62-m bis 62-« aufgenommen, die den Elektroden 62-/ bis 62-k gegenüber auf der anderen Seite der Probe angeordnet sind, von denen die Oberflächenschallwellenimpulse ausgesendet wurden. Die an den Elektroden 62-m bis 62-n erhaltenen übertragenen Signale werden von einem Verstärker 68 empfangen und verstärkt und dann von einem Analog-Digital-Umsetzer 69 in digitale Signale umgewandelt. Die erhaltenen digitalen Signale werden zeitweilig in einer Magnetplatte 70 gespeichert und in einen Rechner 71 eingegeben. Danach wird der vorstehend beschriebene Vorgang wiederholt, wobei jeweils die Senderelektroden und die Empfängerelektroden der Reihe nach verschoben werden, z. B. 62-2 zu 62-(A: + 1); 62-3 zu 62-(k + 2); . . . 62-{m + 1) zu 62-(n + 1); 62-(m + 2) zu 62-(/i + 2) . . ., während die Verzögerungszeiten der Verzögerungsleitungen 65-/ bis 65-k konstant bleiben. Wenn die nach dem Abtasten in einer Runde erhaltenen Daten für die Schaffung einer Abbildung nicht ausreichen, wird der Brennpunkt 67 durch Ändern der Verzögerungszeiten der Verzögerungsleitungen 65-/ bis 65-Ä: um ein kleines Stück, welches kürzer ist als die Auflösung, in radialer Richtung bewegt und der vorstehend beschriebene Vorgang durchgeführt. Die hier beschriebenen aufeinanderfolgenden Schritte werden wiederholt, bis die vom Rechner 71 abgeleitete Lösung in Übereinstimmung mit dem Wiedergabealgorithmus umgewandelt wird. Das mit Hilfe des Rechners 71 reproduzierte Bildsignal wird einmal auf der Magnetplatte 70 gespeichert und dann mittels eines Digital-Analog-Umsetzers 72 in ein analoges Bildsignal umgewandelt. Das erhaltene analoge Bildsignal wird auf einem Fernsehmonitor 73 gezeigt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist der piezoelektrische Körper 61 von einem Rahmen 74 umgeben, der aus einem die Oberflächenschallwelle absorbierenden Material besteht.

Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele können in verschiedener Hinsicht abgewandelt werden. So können z. B. in Fig. 2 die Oberflächenschallwellen-Elektroden im Kreis und in Fig. 3 linear angeordnet werden, während die Elektroden gemäß Fig. 4 in zwei einander gegenüberliegenden Reihen angeordnet sein können. Ferner kann die Korrelationsbehandlung auch bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2 und 4 angewandt werden. Schließlich kann eine Tomographie der Probe auch durch Empfang sowohl der reflektierten als auch der durchgelesenen Oberflächenschallwellen erhalten werden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schall-Bildgerät zur Erzeugung einer zwerdimensionalen Abbildung einer zu untersuchenden Probe (26; 46; 66). mit einem Koppelungsmittel (21; 41; 61) für Oberflächen-Schallwellen, wie beispielsweise einem piezoelektrischen Körper, welches mit der Probe in Berührung steht und einer Vielzahl von auf dem Koppelungsmittel angeordneten Elektroden (22; 42; 62) zur Erzeugung und zum Empfang von Oberflächen-Schallwellen im Koppelungsmedium, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (26; 46; 66) mit ihrer die zweidimensionale Abbildung definierenden Fläche mit dem Koppelungsmittel (21; 41; 61) in Kontakt steht und dadurch Impedanzänderungen für Oberflächen-Schallwellen im Koppelungsmittel im Bereich dieser Kontaktfläche erzeugt, wobei die im Bereich dieser Kontaktfläche reflektierten bzw. durch diese Fläche transmittierten und von den Elektroden empfangenen Oberflächen-Schallwellen zur Erzeugung der zweidimensionalen Abbildung mittels einer elektronischen Steuer- und Auswerteeinheit (28, 29, 30; 49, 50, 51; 71) dienen und daß das Koppelungsmittel von einem Rahmen (31; 54; 74) umgeben ist, dessen Material die gleiche akustische Impedanz wie das Koppelungsmedium aufweist.

2. Schall-Bildgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (22; 42; 62) mittels Schalt- und Verzögerungskreisen (23, 24, 25; 43,44,45; 63, 64, 65) derart erregt werden, daß die Oberflächenwelien in einem Brennpunkt (27; 47; 67) fokussiert sind.

3. Schall-Bildgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Elektroden mittels der Schalt- und Verzögerungskreise (23, 24, 25; 43, 44, 45; 63, 64, 65) derart gesteuert ist, daß der Brennpunkt (27; 47; 67) zwei-dimensional über das Koppelungsmedium (21; 41; 61) bewegt wird.

4. Schall-Bildgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenzen der Schallwellen derart eingestellt sind, daß sich die akustischen Oberflächenwellen aus unterschiedlichen Richtungen fortpflanzen, wobei der Brennpunkt (27; 47; 67) stationär bleibt, und daß die von den die modulierten akustischen Oberflächenwellen empfangenden Empfangselektroden (22; 42; 62) abgegebenen elektrisehen Signale derart korreliert werden, daß eine Abbildung für den jeweiligen Brennpunkt gewonnen wird.

5. Schall-Bildgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugenden und empfangenden Elektroden (62-/ und 62-m; 62-k und 6l-n) in bezug auf die Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen auf beiden Seiten der Probe (66) gegenüberliegend angeordnet sind.

6. Schall-Bildgerät nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (22) linear angeordnet sind und sowohl zum Erzeugen als auch zum Empfangen von Schallwellen geeignet sind.

7. Schall-Bildgerät nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (42; 62) ringförmig angeordnet sind.