DE3382720T2

DE3382720T2 - Elektroakustischer Wandler und eine Sonde oder ein diagnostisches Ultraschallgerät mit einem solchen Wandler.

Info

Publication number: DE3382720T2
Application number: DE89123763T
Authority: DE
Inventors: Hajime C O Fujitsu Ltd Hayashi; Atsuo Iida; Kenji Kawabe; Narutaka Nakao; Fumihiro Namiki; Takaki Shimura
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1982-12-30
Filing date: 1983-12-29
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2003-12-30
Also published as: DE3382209D1; EP0113594B1; EP0113594A2; US4552021A; DE3382720D1; EP0113594A3; EP0366161B1; EP0366161A2; EP0366161A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektroakustischen Wandler und eine Sondeneinheit oder eine Ultraschalldiagnosevorrichtung, bei der ein derartiger Wandler verwendet wird.
Eine Ultraschalldiagnosevorrichtung wird für eine Ultraschalltomographie verwendet, um ein Ultraschalltomogramm des menschlichen Körpers zu erhalten. Die Vorrichtung enthält eine Einrichtung zum Emittieren und Empfangen von Schallwellen. Ein elektroakustischer Wandler ist eine Anordnung zum Emittieren von Schallwellen und zum Empfangen von Schallechos, indem elektrische Signale in Schallenergie umgewandelt werden und umgekehrt, wobei ein piezoelektrischer Effekt beispielsweise unter Verwendung von Zirconattitanat (PZT) eingesetzt wird.
Die Technologie des Fokussierens und Scannens von Schallstrahlen weist viele Ähnlichkeiten zur Mikrowellentechnologie auf. Ein Impulsechoverfahren kann mit einem Radarsystem verglichen werden. Wenn elektrische Impulssignale an einen Wandler angelegt werden, sendet der Wandler Schallimpulse zu einem Target (wie einem menschlichen Körper) aus oder emittiert diese und empfängt Schallechos vom Target. Die empfangenden Schallechos werden in elektrische Signale umgewandelt, die Informationen über die Distanzen zwischen dem Wandler und dem Target enthalten. Die Intensität eines reflektierten Schallechos ist von der akustischen Impedanz und den Transmissionscharakteristiken des Targets abhängig.
Fig. 1 und Fig. 2 veranschaulichen schematisch frühere Sonden, die Schallwellen unter Verwendung von nur einem Wandlerelement aussenden (emittieren)/empfangen und scannen.
In Fig. 1 ist 101 ein Wandler, der aus einem Wandlerelement (nachstehend als "Element 101" bezeichnet) besteht und der einen einzelnen Schallstrahl 1001 erzeugt. 101-1 ist eine Wandlerbefestigung oder -basis, an der beispielsweise drei bis vier Elemente montiert sind. Die Befestigung 101-1 wird gedreht, um ein Scannen über einen Winkelbereich W1, wie durch strichlierte Linien in Fig. 1 angegeben, zu bewirken. 201 ist ein Teil eines Wandlergehäuses, das Sondeneinheit genannt wird. 30 ist ein Target, wie ein menschlicher Körper. 401 ist ein Fenster aus akustisch transparentem Material, das nahezu die gleiche akustische Impedanz aufweist wie das Target 30 und mit einer Außenfläche der Sondeneinheit 201 versehen ist. Das Fenster 401 dient als Abdichtung für ein akustisches Transmissionsmedium M, wie nachstehend beschrieben, und steht mit dem Target 30 in Kontakt, um einen Ultraschallverlust zwischen der Sondeneinheit 201 und dem Target 30 zu verringern.
Das akustische Transmissionsmedium M ist beispielsweise Silikonkautschuk, Wasser oder Castoröl und füllt den Raum zwischen dem Element 101 und dem Fenster 401 aus. Das Medium M hat nahezu die gleiche akustische Impedanz wie das Fenster 401, um einen Ultraschallverlust zwischen dem Element 101 und dem Fenster 401 zu verringern.
In Fig. 2 ist 102 ein Wandler, der aus einem Wandlerelement besteht und einen einzelnen Schallstrahl 1002 erzeugt. 202 ist einen Sondeneinheit, 402 ist ein Fenster, und 502 ist ein akustischer Reflektor, der in einem Schallweg zwischen dem Element 102 und dem Fenster 402 angeordnet ist. Der Reflektor 502 oszilliert zum Scannen des einzelnen Strahls 1002 über einen Winkelscanbereich W2, wie durch strichlierte Linien in Fig. 2 angegeben. Ein Schallweg zwischen dem Element 102 und dem Fenster 402 ist mit einem akustischen Transmissionsmedium M gefüllt, wie in bezug auf Fig. 1 beschrieben.
Empfangene elektronische Signale werden üblicherweise auf einer Kathodenstrahlröhre synchron mit dem Scannen angezeigt, um sichtbare Informationen (ein Ultraschalltomogramm) auf Basis der Schallechos vorzusehen.
Vor kurzem kam es zu einer technologischen Weiterentwicklung, wobei der Array-Wandler vorgesehen wurde.
Beim Array-Wandler wird hochentwickelte Technologie zur Herstellung und Steuerung eines Mehrelement-Wandlers verwendet. Der Array-Wandler erzeugt, fokussiert und scannt einen synthetisierten Schallstrahl (SS-Strahl).
Der Array-Wandler ist eine Kombination kleiner Wandlerelemente. Wellenfronten von Einzelstrahlen von einem kleinen Wandlerelement werden miteinander kombiniert, um einen SS-Strahl zu bilden. Dieser SS-Strahl kann durch Steuern der Phase oder Sequenz der an die Elemente des Arrays angelegten elektrischen Impulssignale fokussiert oder gescannt werden.
Die Synthese eines Schallstrahls oder Phasensteuerung sequentieller Impulssignale, die an jedes Element eines Array-Wandlers angelegt werden, kann durch eine elektrische Verzögerungsleitung oder eine sequentielle Schalter-Steuerschaltung bewirkt werden. Von jedem Wandlerelement empfangene Signale werden verarbeitet, um Signale zum Vorsehen einer Anzeige zu erzeugen, wobei die gleiche Verzögerungsleitung oder die gleiche sequentielle Schalter-Steuerschaltung verwendet wird.
Es gibt zwei Arten von Array-Wandlern, einer ist ein phasengesteuerter Array-Wandler und der andere ein linearer Array-Wandler.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Sondeneinheit mit einem phasengesteuerten Array-Wandler. 203 ist eine Sondeneinheit, 103 ist ein phasengesteuerter Array-Wandler, der aus einer Vielzahl von Wandlerelementen 1031 zusammengesetzt ist. Die Elemente 1031 sind in einer Ebene angeordnet und an einer Außenfläche der Sonde 203 installiert.
Alle Elemente 1031 werden gleichzeitig aktiviert, die Phasen der an die einzelnen Elemente 1031 angelegten elektrischen Impulssignale werden jedoch gesteuert, um einen SS-Strahl 1003 zu erzeugen und über eine Winkelscanbreite W3, wie durch strichlierte Linien in Fig. 3 angegeben, zu scannen.
Andererseits erzeugt ein linearer Array-Wandler einen SS-Strahl, wobei eine Untergruppe der Elemente des Array- Wandlers verwendet wird, die beispielsweise aus vier bis fünf Elementen besteht. Dieser SS-Strahl wird durch Verschieben der die Untergruppe bildenden Elemente eines nach dem anderen entlang der Array-Linie des Wandlers parallel verschoben (in Querrichtung über den Wandler), indem an die Untergruppenelemente angelegte Impulssignale sequentiell umgeschaltet werden.
Fig. 4 zeigt schematisch eine typische Sondeneinheit mit einem linearen Array-Wandler. 204 ist eine Sondeneinheit, 1034 ist ein linearer Array-Wandler, der in einer Ebene angeordnet ist und an einer Außenfläche der Sonde 204 installiert ist, mit einer Vielzahl von Elementen 1041.
Das sequentielle Umschalten von an die einzelnen Elemente der Untergruppe 1042 angelegten Impulssignalen wird durch eine sequentielle Schalter-Steuerschaltung gesteuert, um einen SS-Strahl 1004 zu erzeugen und ihn zu einer Parallelverschiebung (quer zur Strahlrichtung), wie durch den Pfeil W4 gezeigt, über einen durch strichlierte Linien angegebenen Bereich zu bringen.
Fig. 5 und 6 zeigen spezielle Sondeneinheiten mit Array-Wandlern, wobei lineare Array-Techniken verwendet werden.
Fig. 5 veranschaulicht schematisch eine Sondeneinheit 205, bei der ein konkaver linearer Array-Wandler 105 eingesetzt wird, der eine Untergruppe von Elementen 1052 aufweist. Die Untergruppe 1052 erzeugt einen SS-Strahl 1005, der über eine Scanwinkelbreite W5, wie durch strichlierte Linien angegeben, gescannt wird. Der Wandler 105 ist innerhalb der Sonde 205 angeordnet, so daß das Scannen eines Targets 30 über eine Scanbreite W5 bewirkt werden kann, und so sind ein Fenster 405 und ein Medium M erforderlich. Dieses konkave lineare Array-System kann einen Schallstrahl wie mit einem Phasen-Array-System mit hoher Winkelauflösung sektorscannen. Genauere Details sind in der Japanischen Patentanmeldung Nr. Jitsukosho 52-41267 geoffenbart.
Fig. 6 veranschaulicht schematisch eine Sondeneinheit 206, bei der ein konvexer linearer Array-Wandler 106 verwendet wird, der eine Untergruppe von Elementen 1062 aufweist. Die Untergruppe 1062 erzeugt einen SS-Strahl 1006 und scannt über eine Winkelscanbreite W6, wie durch strichlierte Linien angegeben.
Ein akustisches Transmissionsmedium M ist zwischen dem Wandler und einem Fenster in den Sonden von Fig. 1, 2 und 5 vorgesehen. Dieses Medium soll Ultraschallenergieverluste verringern. Es ist jedoch schwierig, die akustischen Impedanzen des Mediums und des Fensters genau gleich zu machen, und demgemäß wird ein Teil einer ausgesendeten Schallwelle an der Fläche des Fensters zum Wandler zurückreflektiert, und wird ein Teil der reflektierten Schallwelle durch die Fläche des Wandlers wiederum zum Fenster reflektiert. So tritt eine akustische Multireflexion im akustischen Weg zwischen dem Wandler und dem Fenster auf.
Eine akustische Multireflexion tritt nicht nur in bezug auf ein Fenster, sondern auch in bezug auf ein Target auf, da, wie in Fig. 1 bis 6 gezeigt, innerhalb eines menschlichen Körpers akustische Grenzen, wie die Oberfläche der Haut 31, und eine Grenze 32 zwischen unterschiedlichen Geweben nahe der Haut 31 bestehen.
In Fig. 1 bis 6 geben mit Pfeilen versehene Linien 2001, ---, 2006 von Fenstern und Targetgrenzen reflektierte Schallwellen an, und es ist ersichtlich, daß die Multireflexion in einem zentralen Teil der Scanwinkelbreite im Fall von Fig. 1, 2, 3 und 5 und über die gesamte Scanwinkelbreite im Fall von Fig. 4 und 6 auftritt.
Fig. 7 zeigt Muster von Empfangssignalen. In Fig. 7 entspricht die horizontale Achse der Zeit T, und entspricht die vertikale Achse der Signalamplitude A.
Fig. 7(a) veranschaulicht ideale Empfangssignale ohne jegliche Multireflexionseffekte. 71 ist ein Sendeimpuls, 72 ist eine Echosignal von einem Fenster, 73 ist ein Echosignal vom Bereich der Oberfläche eines menschlichen Körpers (Haut 31 und Grenze 32), 74 sind Echosignale vom Inneren eines menschlichen Körpers, denen medizinische Diagnoseinformationen zu entnehmen sind.
Fig. 7(b) zeigt ein Modell von Echosignalen vom Fenster 72 und entsprechende mehrfach reflektierte Signale 72-1, 72-2 und 72-3.
Fig. 7(c) zeigt ein Modell von Echosignalen vom Bereich der Oberfläche eines menschlichen Körpers 73 und entsprechende mehrfach reflektierte Signale 73-1, 73-2 und 73-3.
Fig. 7(d) zeigt eine Kombination von Signalen, wie in Fig. 7(a), 7(b) und 7(c) gezeigt, die tatsächlich auf einer Anzeige aufscheint.
Aus der obigen Erläuterung geht hervor, daß eine Multireflexion zu einer Fehlinterpretation oder unrichtiger Präsentation diagnostischer Informationen auf einer Anzeige führen kann.
Die Patentzusammenfassungen von Japan, Bd. 5, Nr. 171 (E-80) (843), 30.10.1981, FUJI DENKI SEIZI K.K., offenbaren eine Ultraschallwellensonde, bei welcher Rückwandechos von einer Grenzfläche zwischen einem schrägen Keil, der einen Ultraschallwellen aussendenden Oszillator trägt, und einem Subjekt durch im Keil im Weg der Rückwandechos vorgesehene Poren gestreut werden.
Die EP-A-0 045 145 offenbart ein Gehäuse für einen Ultraschallwandler, welches Gehäuse abgestufte ringförmige Flächen aufweist, die scharfe Einfallskanten zum Richten interner Reflexionen im Gehäuse vom Wandler weg vorsehen.
Die Patentzusammenfassungen von Japan, Bd. 6, Nr. 52 (E-100) (930), 07.04.1982, Anm.Nr. 55-68938, offenbaren das Hinzufügen eines Ultraschallwellenabsorbers an der Wellentransmissions/Empfangsfläche einer Ultraschallwellensonde, um durch eine Multireflexion verursachte Signale zu verringern.
Die US-A-4 197 921 offenbart die Verwendung einer Polyalkenschicht mit niedriger Oberflächenspannung (schlechter Haftung) als Viertelwellen-Antireflexionsschicht für eine Impedanzanpassung für Ultraschallinsen und -prismen, wobei bestimmte Zemente mit sehr niedriger Oberflächenspannung eingesetzt werden.
Die US-A-3 821 834 offenbart einen Wandlerkristall zum Senden und Empfangen von Ultraschallenergie und eine Stützstruktur zum Dämpfen des Kristalls gegen ein Schwingen und Dämpfen jeglicher Ultraschallstörenergie, die von der Rückseite des Wandlerkristalls ausgesendet wird. Die Dämpfungsstruktur wird unter Verwendung eines wenig schäumenden Polyurethanharzes vorgesehen, welches Harz mit einem pulverförmigen Schwermetall gemischt wird.
Die GB-A-2 063 007 offenbart einen Ultraschallwandler mit einem Wandlerelement, das durch eine Schicht eines elastomeren Materials, z. B. Neopren oder Urethan, und eine Metallplatte gestützt wird. Die Dicke der Schicht und der Platte liegt im Bereich von 1/2 bis 14/36 der Ultraschallwellenlänge.
Die GB-A-0 738 941 offenbart einen Wandler mit einem Wandlerelement, an dessen Innenfläche ein Dämpfungselement aus einer Kunststoffsubstanz gebunden ist. Die akustische Impedanz des Dämpfungselements liegt so nahe wie möglich bei jener des Wandlerelements, und die Außenfläche des Dämpfungselements hat eine derartige geometrische Form, daß parasitäre Reflexionen praktisch eliminiert werden. Beispielsweise hat diese Außenfläche Zähne oder Wellungen. Ein Schutzelement ist durch ein Klebemittel an der Außenfläche des Wandlerelements angebracht. Das Schutzelement kann aus Metall oder einem starren Kunststoff sein. An der Außenfläche des Schutzelements ist eine Vielzahl von Dämpfungsschichten mit Impedanzen vorgesehen, die vom Schutzelement weg abnehmen.
Die Patentzusammenfassungen von Japan, Bd. 6, Nr. 103 (E-112) [981], 12. Juni 1982 (und JP-A-57 33 898) offenbaren einen Wandler mit einem Wandlerelement, das ein Ultraschallmedium an einer Fläche und ein akustisches Absorptionsmittel, das aus einer Vielzahl von aneinander laminierten und zusammenhaltenden Kautschukplatten besteht, auf der anderen Fläche aufweist. Die Kautschukplatten enthalten unterschiedliche Prozentsätze an Metallpulver: die dem Wandlerelement am nächsten gelegene Kautschukplatte hat den niedrigsten Prozentsatz und die weiter entfernte Platte den höchsten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein elektroakustischer Wandler mit einem piezoelektrischen Element vorgesehen, das elektrische Impulssignale in Ultraschallwellen umwandelt und umgekehrt, wobei der Wandler einen akustischen Dämpfer umfaßt, der an einer Rückseite des Wandlers angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ferner akustische Anpaßschichten umfaßt, die an der Vorder- und Rückseite des piezoelektrischen Elements angebracht sind, und die Dicke und akustische Impedanz jeder derartigen Anpaßschicht derart ausgewählt ist, daß Phasen von Schallwellen, die von der Vorder- und Rückseite des piezoelektrischen Elements und den akustischen Anpaßschichten reflektiert werden, entgegengesetzt sind, so daß reflektierte Wellen einander aufheben, um dadurch Multireflexionseffekte zu vermeiden.
Um eine derartige Multireflexion zu vermeiden, sieht die vorliegende Erfindung das Vermeiden der Reflexion an einer Fläche eines Wandlerelements vor. Wenn eine reflektierte Schallwelle an der Fläche des Wandlerelements vermieden oder eliminiert wird, tritt keine Multireflexion auf.
Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine oder mehrere akustische Anpaßschichten bei einer piezoelektrischen Anordnung verwendet. Eine Multireflexion wird durch Einstellen der Dicke und Impedanz einer oder mehrerer derartiger akustischer Anpaßschichten vermieden, so daß die Phasen von Schallwellen, die von den Flächen der piezoelektrischen Anordnung und der(n) akustischen Anpaßschicht(en) reflektiert werden, entgegengesetzt sind, so daß die reflektierten Wellen einander aufheben.
Anhand von Beispielen wird auf die beigeschlossenen Zeichnungen bezuggenommen, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Sondeneinheit einer Ultraschalldiagnosevorrichtung mit einem Wandlerelement ist, das auf einer sich drehenden Befestigungsbasis zum Scannen installiert ist;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Sondeneinheit einer Ultraschalldiagnosevorrichtung mit einem Wandlerelement und einem akustischen Reflektor ist, der oszilliert, um ein Scannen vorzusehen;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Sondeneinheit mit einem phasengesteuerten Array-Wandler ist, der in einer Ebene angeordnet ist und an einer Außenwandfläche der Sondeneinheit installiert ist;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Sondeneinheit mit einem linearen Array-Wandler ist, der in einer Ebene angeordnet ist und an einer Außenwandfläche der Sondeneinheit installiert ist;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Sondeneinheit mit einem konkaven linearen Array-Wandler zeigt;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Sondeneinheit mit einem konvexen linearen Array-Wandler zeigt;
Fig. 7 durch akustische Multireflexion gestörte Empfangssignale in einer akustischen Diagnosevorrichtung veranschaulicht;
Fig. 7(a) ideale Empfangssignale ohne Multireflexionsstörung zeigt;
Fig. 7(b) ein Modell eines durch ein Fenster erzeugten Echosignals und entsprechende mehrfach reflektierte Signale zeigt;
Fig. 7(c) ein Modell von im Bereich der Oberfläche eines menschlichen Körpers erzeugten Echosignalen und entsprechende mehrfach reflektierte Signale zeigt;
Fig. 7(d) Kombinationen der obigen Signale, wie sie tatsächlich auf einer Anzeige erscheinen, zeigt;
Fig. 8 schematisch die Struktur eines elektroakustischen Wandlerelements zeigt;
Fig. 9 eine schematische Darstellung ist, die Grundkonzepte in bezug auf die akustische Phase in akustischen Medien veranschaulicht, zur Unterstützung der Erläuterung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 schematisch eine typische Struktur eines Wandlerelements einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit vorderen akustischen Anpaßschichten (F-Schicht) und hinteren akustischen Anpaßschichten (B-Schicht) an der Vorder- und Rückseite der piezoelektrischen Anordnung zeigt;
Fig. 11(A) schematisch die Struktur eines Wandlerelements einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer F-Schicht und einer B-Schicht zeigt, (B) ein zur Durchführung von Multireflexionstests verwendetes Meßsystem veranschaulicht und (C) und (D) graphische Darstellungen sind, die Ergebnisse derartiger Tests an einem früheren Wandlerelement und am in (A) dargestellten Element zeigen;
Fig. 12 schematisch in (A) die Struktur eines die vorliegenden Erfindung verkörpernden Wandlerelements und in (B) gemessene Multireflexionstestergebnisse in bezug auf die Struktur zeigt, wobei die Struktur eine F-Schicht und eine B-Schicht aufweist; und
Fig. 13 eine graphische Darstellung ist, die Versuchsergebnisse zeigt, die Pegel von Schallechos und mehrfach reflektierten Schallwellen in einem Fall angeben, in dem das menschliche Herz das Target ist.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vermeiden eine Multireflexion durch die Verwendung einer akustischen Phasentechnik und können nicht nur bei einem Array-Wandler, sondern auch bei einem einzelnen Wandlerelement verwendet werden.
Die akustische Phasentechnik der vorliegenden Erfindung ist eine akustische Anpaßschicht-Technik.
Fig. 8 veranschaulicht die Struktur eines elektroakustischen Wandlers, und Fig. 9 ist eine Darstellung zur Unterstützung der Erläuterung von Grundkonzepten der akustischen Phase in akustischen Medien.
In Fig. 8 besteht ein Wandlerelement 800 aus einer piezoelektrischen Anordnung 801, einer akustischen Anpaßschicht 802 und einem akustischen Dämpfer 803. Im allgemeinen hat die Anordnung 801 eine Vorderseite und eine Rückseite. Schallwellen werden von der Vorderseite ausgesendet und empfangen. Die Schicht 802 ist an der Vorderseite der Anordnung 801 angebracht, und eine Vorderfläche der Schicht 802 steht in direktem Kontakt mit einem Target 30. Der Dämpfer 803 ist an der Rückseite der Anordnung 801 befestigt, um nach hinten ausgesendete Schallwellen zu absorbieren.
Die Dicke der Schicht 802 beträgt nahezu (ungefähr) ein Viertel der Wellenlänge von durch 801 emittierten Schallwellen. Die Schicht 802 ist üblicherweise zur Impedanzanpassung vorgesehen, so daß Schallwellen wirksam in das Target 30 in einer kurzen Impulsperiode ausgesendet werden. In der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. Tokukosho 55-33020 sind genauere Details geoffenbart.
Im früheren Wandlerelement 800 werden nach vorne ausgesendete Schallwellen an den Grenzflächen, wie der Vorderfläche der Schicht 802, einer Targetfläche 31 und einer Grenze (32) zwischen unterschiedlichen Medien (Geweben) im Target, reflektiert. Die reflektierten Schallwellen werden erneut durch die Vorderseite der Anordnung 801 reflektiert, wobei eine Multireflexion (vordere Multireflexion) bewirkt wird. Andererseits geht ein Teil der reflektierten Schallwellen durch das Element 801 und bewirkt, von der Rückseite der Anordnung 801 reflektiert, eine weitere Multireflexion (hintere Multireflexion). Dies ist auf eine Fehlanpassung der Impedanz der Schicht 802 und des Dämpfers 803 an die Anordnung 801 zurückzuführen.
Um die vordere Multireflexion zu vermeiden, ist die Schicht 802 modifiziert, so daß die akustischen Impedanzen, wenn man in die Schicht von ihren zwei Hauptflächen sieht, gleich den Impedanzen der an diesen entsprechenden Flächen angebrachten Medien sind, und die interne Impedanz der Schicht wird linear von einem Ende zum anderen variiert. Dies wird detaillierter in der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. Tokukuoshoo 58-18095 erläutert.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vermeiden jedoch eine vordere und hintere Multireflexion durch die Verwendung von akustischen Anpaßschichten, um eine Phasenaufhebung zu erreichen.
Fig. 9 veranschaulicht einige Grundprinzipien der akustischen Reflexion. 8202, 8203 und 8204 sind akustische Medien mit den akustischen Impedanzen Z1, Z2 bzw. Z3. Es wird davon ausgegangen, daß die Medien 8202 und 8204 eine ausreichende Dicke und Gleichmäßigkeit aufweisen, damit angenommen werden kann, daß sie zu keinen Reflexionen führen, daß jedoch das Medium 8203 eine Dicke von einem Viertel einer Schallwellenlänge hat. Unter diesen Bedingungen kann die akustische Eingangsimpedanz Zin an der Grenzfläche 8201 zwischen 8203 und 8204 ausgedrückt werden als:
Zin = (Z2)²/Z1 (1).
Es kann festgestellt werden, daß der Schalldruck einer reflektierten Welle zum Medium 8204 an der Grenzfläche 8201 minimiert wird, wenn Zin in Gleichung (1) die folgende Gleichung (2) erfüllt:
Zin = Z3 (2).
Wenn diese Bedingung erfüllt ist, ist die Phase einer an einer Grenzfläche 8201 reflektierten Welle entgegengesetzt zu jener einer durch die Grenzfläche zwischen 8203 und 8202 reflektierten Welle, so daß die reflektierten Wellen von den beiden Grenzflächen einander aufheben.
Fig. 10 veranschaulicht eine allgemeine Struktur für die vorliegende Erfindung verkörpernde Wandlerelemente mit akustischen Schichten an beiden Flächen einer piezoelektrischen Anordnung. 805 ist ein Wandlerelement, 30 ist ein Target, 801 ist eine piezoelektrische Anordnung, 802 bezeichnet vordere akustische Anpaßschichten (F-Schicht), die eine mit dem Target 30 in Kontakt stehende Schicht 8021 enthalten, 803 ist ein akustischer Dämpfer und 804 bezeichnet hintere akustische Anpaßschichten (B-Schicht).
Wie in Fig. 10 gezeigt, hat eine F-Schicht 802 Schichten der Anzahl N jeweils mit einer Dicke gleich einem Viertel einer Schallwellenlänge und mit den akustischen Impedanzen Zt1, Zt2, --- und Ztn. Die B-Schicht 804 hat Schichten der Anzahl M mit jeweils einer Dicke gleich einem Viertel einer Schallwellenlänge und mit den akustischen Impedanzen Zb1, Zb2 bis Zbm. Zb ist die akustische Impedanz des Dämpfers 803, und Zt ist die akustische Impedanz des Targets 30. In diesem Fall wird die Eingangsimpedanz Zin an der Vorderfläche des Elements 805, vom Target 30 gesehen, angegeben durch:
wobei Zti (i=0) = Zbj (J=0) = 1.
So wird eine zum Target 30 an der Vorderfläche des Elements 805 reflektierte Schallwelle minimiert, wenn Zin in Gleichung (3) die folgende Gleichung (4) erfüllt:
1n Zin = 1n Zt (4).
Fig. 11 dient der Erläuterung einer Ausführungsform dieser Erfindung, bei der ein derartiger Wandler verwendet wird. In Fig. 11 ist (A) eine Schnittansicht des Wandlers, welche die Struktur seiner Elemente veranschaulicht, veranschaulicht (B) ein Meßsystem, das zum Testen der Multireflexion des Wandlerelements verwendet wird, ist (C) eine graphische Darstellung, die Meßergebnisse veranschaulicht, die Kennlinien eines früheren Wandlerelements zeigen, und ist (D) eine graphische Darstellung, die Meßergebnisse veranschaulicht, die Kennlinien eines Wandlerelements gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
In Fig. 11(A) ist 8011 eine piezoelektrische Anordnung, sind 8022 und 8023 vordere akustische Anpaßschichten (F- Schicht), und steht die F-Schicht 8022 mit einem Target in Kontakt, ist 8041 eine hintere akustische Anpaßschicht (B- Schicht) und ist 8031 ein akustischer Dämpfer.
In Fig. 11(B) ist 800 ein Wandlerelement, in bezug auf welches Messungen vorzunehmen sind, ist 35 ein vollständig reflektierendes Target für Schallwellen, ist 34 ein akustisches Medium, das aus reinem Wasser besteht und den Raum zwischen dem Element 800 und dem Reflektor 35 ausfüllt, ist 8225 ein Treiber, der das Element 800 treibt, um Schallwellen auszusenden, ist 8226 ein Empfänger, der das elektrische Ausgangssignal vom Element 800 empfängt und verstärkt, und ist 8227 ein Spektrumanalysator (Spe-Ana), der die vom Empfänger 8226 empfangenen elektrischen Signale spektral analysiert.
Dieses Meßsystem wurde zum Testen der Multireflexion in verschiedenen Wandlern vorgesehen. Der Treiber 8225 treibt das Element 800 durch ein elektrisches Impulssignal, um eine Schallwelle 1002 auszusenden. Die ausgesendete Schallwelle 1022 wird durch das Target 35 reflektiert, so daß die reflektierte Schallwelle 1022, die primäre reflektierte Welle bezeichnet wird, zum Element 800 zurückkehrt, wobei ein Empfangssignal erzeugt wird. Ein Teil der reflektierten Schallwelle 1022 wird jedoch erneut durch die Fläche des Elements 800 reflektiert, wobei eine Schallwelle 2022 zum Target 35 gesendet wird. Die Schallwelle 2022 wird wiederum vom Target 35 reflektiert, so daß die reflektierte Schallwelle 2022, die sekundäre reflektierte Welle bezeichnet wird, zum Element 800 zurückkehrt, wobei erneut ein Empfangssignal erzeugt wird. Dies tritt wiederholt auf, wobei eine Multireflexion bewirkt wird.
Die graphische Darstellung von Fig. 11(C) veranschaulicht die Spektralintensität reflektierter Wellen. Die Kurve 8221 zeigt die Intensität der primären reflektierten Welle, und die Kurve 8222 in strichlierten Linien zeigt die Spektralintensität der zweiten reflektierten Welle, das Maß für ein früheres Wandlerelement, wie in Fig. 8 dargestellt ist. Die graphische Darstellung zeigt, daß das frühere Element eine Differenz von nur 6 dB zwischen der primären und der sekundären reflektierten Welle im 3,5 MHz Schallfrequenzbereich aufweist.
Die graphische Darstellung von Fig. 11(D) veranschaulicht die Spektralintensität reflektierter Wellen für ein Element wie in Fig. 11(A) gezeigt. Die charakteristischen Impedanzen in bezug auf dieses Element bei 3,5 MHz sind wie folgt:
34,0·10&sup6; kg/(s·m²) für die Anordnung 8011,
2,0·10&sup6; kg/(s·m²) für die F-Schicht 8022,
8,5·10&sup6; kg/(s·m²) für die F-Schicht 8023,
12,8·10&sup6; kg/(s·m²) für die B-Schicht 8041,
7,5·10&sup6; kg/(s·m²) für den Dämpfer 8031.
Fig. 11(D) zeigt, daß die Differenz zwischen der primären und sekundären reflektierten Welle so viel wie 26 dB beträgt. Daher kann festgestellt werden, daß das in Fig. 11(A) gezeigte Wandlerelement die Multireflexion um mehr als 20 dB verglichen mit dem früheren Wandler verringert.
Fig. 12 zeigt eine graphische Darstellung, die Ergebnisse von Messungen darstellt, die mit dem Meßsystem von Fig. 11(B) zum Vergleich der Intensitäten der primären und sekundären reflektierten Welle durchgeführt wurden. Die Messung wurde für einen Frequenzbereich von 3,5 MHz durchgeführt. Die Impedanz der piezoelektrischen Anordnung war wie für 8011 in Fig. 11(A), die charakteristischen Impedanzen anderer Abschnitte des Wandlers, in Fig. 12 gezeigt, waren wie folgt:
34,0·10&sup6; kg/(s·m²) für die Anordnung 8013,
3,8·10&sup6; kg/(s·m²) für die F-Schicht 8025,
9,4·10&sup6; kg/(s·m²) für die B-Schicht 8042,
7,5·10&sup6; kg/(s·m²) für den Dämpfer 8033.
Die verschiedenen akustischen Impedanzen wurden durch Auswählen der die Schichten bildenden Materialien aus folgendem erzielt:
1) Kunstharz, wie Polyurethan, Nylon und Epoxyharz, für charakteristische Impedanzen von 2,0·10&sup6; bis 3,2· 10&sup6; kg/(s·m²);
2) Material entsprechend jenen wie Glas, Kristall und Quarz für charakteristische Impedanzen von 10,0·10&sup6; bis 13,5·10&sup6; kg/(s·m²); und
3) Kunstharz mit zugesetztem Metallpulver beispielsweise aus Aluminium oder Eisen, um die charakteristischen Impedanzen bis zu 20·10&sup6; kg/(s·m²) durch Ändern der Menge des zugesetzten Metallpulvers zu variieren.
Ferner ist dieses Kunstharz für die akustische Anpaßschicht verwendbar, da es auch ein Haftmaterial ist, so daß die Schicht an der piezoelektrischen Anordnung ohne die Notwendigkeit der Verwendung eines weiteren Klebemittels, das die Wandlerleistung herabsetzten könnte, angebracht werden kann.
Ein Kriterium, mit dem die Wichtigkeit der Ergebnisse der Multireflexionstests für die vorliegende Erfindung verkörpernde Wandler beurteilt werden kann, geht aus folgendem hervor.
Fig. 13 ist eine graphische Darstellung des Reflexionspegels gegenüber der Tiefe, die durch ein früheres Wandlerelement erhaltene Versuchsergebnisse zeigt und die relative Pegel von Schallechos und Multireflexionen in einem Fall angibt, in dem das menschliche Herz das Target ist. In der Figur sind Schallechopegel und reflektierte Schallpegel auf der Ordinate und die Tiefe von der Hautoberfläche auf der Abszisse gezeigt.
Es ist klar, daß die Detektion einer Begrenzung oder einer Wand im Herzen, die etwa 40 mm unterhalb der Haut angeordnet ist, dazu tendiert, durch Multireflexionen auf Grund von etwa 20 mm unterhalb der Haut angeordnetem Gewebe gestört zu sein.
In Fig. 13 ist t1 der Pegel von Schallechos vom 20 mm tiefen Gewebe, ist t2 der Pegel von Schallechos von der Herzwand, und ist der Pegel von reflektiertem Schall, der aus einer Multireflexion im 20 mm tiefen Gewebe entsteht. Diese Figur veranschaulicht die durch bewirkte Störung für eine Detektion von t2.
Aus diesem ist klar, daß der Reflexionspegel in bezug auf das Gewebe ungefähr -25 dB und der Reflexionspegel in bezug auf die Herzwand -60 dB ist. Daher sollte der Reflexionsfaktor (R) des Wandlers weniger als -10 dB in Übereinstimmung mit folgender Gleichung (5) betragen:
(-25 dB) · 2 + R < 60 dB (5).
Der Reflexionsfaktor eines früheren Wandlers, wie oben beschrieben, beträgt von -6 dB bis -10 dB, und erfahrungsgemäß hat dies bisher als Folge der Multireflexion nur zum Erhalten schlechter akustischer Tomogramme geführt. Wie ersichtlich ist, haben jedoch Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung Reflexionsfaktoren von weniger als -15 dB bei 3,5 MHz. So sind derartige Wandler sehr wirksam beim Vermeiden von Problemen der Multireflexion.

Claims

1. Elektroakustischer Wandler, mit einem piezoelektrischen Element (801; 8011; 8013), das elektrische Impulssignale in Ultraschallwellen umwandelt und umgekehrt, wobei der Wandler (805) einen akustischen Dämpfer (803; 8031; 8033) umfaßt, der an einer Rückseite des Wandlers (805) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ferner akustische Anpaßschichten (802; 8022, 8023; 8025; 804, 8041; 8042) umfaßt, die an der Vorder- und Rückseite des piezoelektrischen Elements (801; 8011; 8013) angebracht sind, und die Dicke und akustische Impedanz jeder derartigen Anpaßschicht derart ausgewählt ist, daß Phasen von Schallwellen, die von der Vorder- und Rückseite des piezoelektrischen Elements und den akustischen Anpaßschichten reflektiert werden, entgegengesetzt sind, so daß reflektierte Wellen einander aufheben, um dadurch Multireflexionseffekte zu vermeiden.

2. Wandler nach Anspruch 1, bei welchem jede akustische Anpaßschicht (802; 8022, 8023; 8025; 804, 8041; 8042) eine Dicke von einem Viertel der Wellenlänge einer durch das piezoelektrische Element (801; 8011; 8013) emittierten Schallwelle aufweist.

3. Wandler nach Anspruch 2, bei welchem

in bezug auf eine akustische Anpaßschicht (802; 8022, 8023; 8025), die an der Vorderseite des piezoelektrischen Elements (801; 8011; 8013) angebracht ist, die akustische Impedanz der Schicht zwischen jener eines Targets (30) und jener des piezoelektrischen Elements liegt;

in bezug auf eine akustische Anpaßschicht (804, 8041; 8042), die an der Rückseite des piezoelektrischen Elements angebracht ist, die akustische Impedanz der Schicht zwischen jener des Elements und jener des akustischen Dämpfers (803; 8031; 8033) liegt.

4. Wandler nach Anspruch 3, bei welchem das Schalldruckverhältnis einer "sekundären Reflexion" zu einer "primären Reflexion" an der Vorderseite des Wandlers weniger als -15 dB beträgt.

5. Ultraschalldiagnosevorrichtung, mit einem elektroakustischen Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die akustische Impedanz, von einer Vorderseite des Wandlers (805) zum akustischen Dämpfer (803; 8031; 8033) gesehen, im wesentlichen gleich der akustischen Impedanz eines Diagnoseobjektes (30) ist, das mit der Vorderseite des Wandlers (805) in Kontakt gebracht wird.