DE68907694T2

DE68907694T2 - Vorrichtung zum Fokussieren eines Ultraschallbündels in drei Dimensionen.

Info

Publication number: DE68907694T2
Application number: DE89202826T
Authority: DE
Inventors: Patrick Societe Civile Pesque
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-11-08
Publication date: 1994-02-10
Anticipated expiration: 2009-11-09
Also published as: DE68907694D1; IL92241A0; EP0368418A1; JP2851005B2; FR2638884A1; US5027820A; JPH02183189A; EP0368418B1; FR2638884B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum dreidimensionalen Fokussieren eines Ultraschallbündels.
Die Erfindung findet eine besonders vorteilhafte Anwendung im Bereich der medizinischen Echographie und ganz besonders im Bereich der Erzeugung von Organbildern.
Wie bei den anderen medizinischen Abbildungsverfahren neigt die Echographie mehr und mehr dazu, sich in Richtung auf die Verwirklichung von dreidimensionalen Bildern zu entwickeln. Jedoch stellt diese dimensionale Erweiterung spezifische Probleme für die Echographie dar. Zunächst wird die Datenerfassungsleistung durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wellen in den biologischen Geweben begrenzt; beispielsweise liefert eine Geschwindigkeit von 1500 m/s 5000 Zeilen/s bei einer Tiefe von 15 cm. Wenn man mit Hilfe von 100 Zeilen ein flaches Bild und ein räumliches Bild von 10 Ebenen verwirklichen möchte, verfügt man dabei also über nur 5 Bilder je Ebene und in der Sekunde, was besonders wenig ist und es nicht möglich macht, eine Behandlung in Echtzeit zu verwirklichen. Andererseits erfordert die Beobachtung von Organen durch akustische Fenster mit begrenzten Abmessungen (einen Durchgang zwischen den Rippen von 2 cm x 2 cm für das Herz zum Beispiel) Proben mit geringen Abmessungen, die sich für dreidimensionale Bilderzeugung wenig eignen, wenn mehrere Schnittebenen gestapelt werden müssen.
Heutzutage werden dreidimensionale Bilder durch mechanische Verschiebung eines linearen Stäbchens oder eines piezoelektrischen Monoelements verwirklicht, um in allen Richtungen den zu untersuchenden Raum zu untersuchen. Jedoch haben diese bekannten Einrichtungen den Nachteil, daß sie langsam sind, wodurch die Abtastgeschwindigkeit sich auf die mechanischen Bewegungen beschränkt. Damit schließt sich also die Möglichkeit paralleler Erfassung echographischer Signale aus, die das Erhöhen der Erzeugungsleistung von Bildern möglich macht, wie dies in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 210 624 beschrieben wurde.
Durchaus wäre die natürlichste Lösung des Problems der echographischen Bilderzeugung in drei Dimensionen die Verwendung einer Probe piezoelektrischer Elementarwandler in einem zweidimensionalen Netz. Tatsächlich ermöglicht diese Probenart theoretisch die Fokussierung der echographischen Signale in allen Richtungen im Raum bei Zuordnung einer geeigneten elektronischen Schaltung zur Bildung von Wegen. Es genügt dazu die Anwendung des geeigneten Phasengesetzes für die piezoelektrischen Elemente. Außerdem kann die Benutzung von Einrichtungen zur Bildung paralleler Wege (gleichzeitige Emission und/oder Empfang in mehreren Richtungen) derart erfolgen, daß die Informationserfassungsleistung erhöht wird, was zu einem quasi in Echtzeit erfolgenden Studium des biologischen Mediums führt. Schließlich wird das Problem der begrenzten akustischen Fenster mit Hilfe elektronischer Mittel durch Ablenkung des Ultraschallbildes gelöst.
Obgleich die obenstehend beschriebene Technik wenigstens theoretisch die spezifischen Probleme der dreidimensionalen echographischen Bilderzeugung löst, bleibt sie jedoch äußerst schwierig und kostspielig in der Durchführung. Das erforderliche zweidimensionale Phasennetz zum Erhalten einer ausreichenden Bildqualität soll dazu 64 x 64 piezoelektrische Elementarwandler mit einem Schritt von etwa λ/2 enthalten. Eine derartige Anzahl von Wandlern (4096) bedeutet ernsthafte Probleme nicht nur für die Herstellung der Probe, sondern auch für die Verwirklichung der Elektronikschaltung zur Wegbildung, die 4096 Kanäle verstärken, verzögern und summieren soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum dreidimensionalen Fokussieren eines Ultraschallbündels zu schaffen, die eine geringere Anzahl piezoelektrischer Elementarwandler enthält, die infolgedessen viel einfacher verwirklichbar und deren Steuerelektronik einfacher und preisgünstiger sein wird.
Zur Lösung dieser technischen Aufgabe ist die Anordnung zum dreidimensionalen Fokussieren dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Elemente enthält:
- einen zylindrischen Phasenbogen mit einer Erreugenden X'X, der MxN piezoelektrische Elementarwandler enthält, die in einer gekrümmten Matrix von M parallel zur Erzeugenden X'X und von verlaufenden Zeilen N gekrümmten Spalten angeordnet sind, die senkrecht zu diesen Zeilen verlaufen,
- eine Schaltung zum Erzeugen von Fokussierebenen Pj, die durch die Erzeugende X'X gehen, wobei die Schaltung aus folgenden Elementen besteht:
*einen Multiplexer, der einerseits für die aus dem Bogen empfangenen MxN Signale für jede Spalte i die mo Signale sjki aus den piezoelektrischen Elementarwandlern wählt, wobei die Zeilennummer j+k ist, wobei k=0, 1, ..., mo-1 ist, wobei mo eine vorgegebene Anzahl ist, die die Größe der Öffnung des Utraschallbündels darstellt, und die andererseits die Summe Sjki der Signale sjki und sji,mo-k-1 aus den piezoelektrischen Elementarwandlern verwirklicht, die in bezug auf die Mitte der Öffnung symmetrisch sind, deren Größe durch mo definiert wird,
* N gleiche flache Fokussierschaltungen, die für jede Spalte i bei den Signalen Sjki eine Verzögerung τk bewirken um sie gleichphasig zu machen und die Summe Sji der so gieichphasig gemachten Signale Sjki bilden, wobei die Fokussierebene Pj also durch die Mittelwertebene der Öffnung mit der Größe mo gebildet wird,
- eine Winkeländerungsschaltung, die, wenn j gegeben ist, vor der Summierung der Signale die N Signale Sji einem Phesengesetz unterwirft, wodurch in der Fokussierebene Pj eine Fokussierrichtung D definiert wird.
In der Praxis wird ein gekrümmter Phasenbogen von 16 Zeilen und 64 Spalten gewählt, der 1024 piezoelektrischen Elementen statt 4096 Elementen aufweist, d.h. ein Viertel, wodurch die Herstellung stark vereinfächt wird. Bei einer Anzahl von mo aktiven Zeilen gleich 8 zum Beispiel und bei der Faltung symmetrischer Elemente ergeben sich 64 verhältnismäßig einfäche gleiche flache Fokussierschaltungen, da sie je nur 3 Verzögerungen τk der von j unabhängigen Phasenrückstellung benutzen. Wie weiter unten näher erläutert wird, ist eine der wesentlichen Eigenschaften der dreidimensionalen Fokussieranordnung nach der Erfindung das Trennbarhalten der Phasengesetze der Fokussierebene einerseits und der Winkeländerung andererseits. Diese Anordnung bietet hierdurch den Vorteil, daß dadurch nur eine einzige Winkeländerungsschaltung erforderlich ist. Auch enthält die erfindungsgemäße Anordnung insgesamt nur 64+1=65 dreidimensionale Fokussierschaltungen statt der 4096, die für die Wirkung eines flachen zweidimensionalen Bogens von 64x64 piezoelektrischen Elementen erforderlich sind. Die dreidimensionale Fokussierung wird dadurch verwirklicht, daß die Position der Fokussierebenen Pj mit Hilfe des Multiplexers und der Fokussierrichtung D durch Änderung des Phasengesetzes der Winkeländerungsschaltung geändert wird.
Durch Erhöhen der Bilderzeugungsleistung wird vorgesehen, daß die erfindungsgemäße dreidimensionale Fokussieranordnung über P parallele Winkeländerungsschaltungen für P Ultraschallbündel aus P Fokussierrichtungen D&sub1; (1 = 1, 2, ..., P) verfügt. Die Bilderfassungsleistung wird also durch P multipliziert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 in der Perspektive einen Phasenbogen und die Definition seiner Grundparameter,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Phasenbogen nach Fig. 1,
Fig. 3 das Schaltbild einer Schaltung zum Erzeugen von Fokussierebenen,
Fig. 4 das Schaltbild einer Winkelmeßschaltung,
Fig. 5 schematisch eine parallele Winkelmeßanordnung.
In Fig. 1 ist in perspektivischer Darstellung ein Phasenbogen 100 in Zylinderform der Erzeugende X'X dargestellt. Dieser Bogen enthält MxN piezoelektrische Elementarwandler, die in einer gebogenen Matrix von M Zeilen parallel zur Erzeugende X'X und von N Spalten in senkrechter Krümmung um diese Zeilen angeordnet sind. Beispielsweise können M und N 16 bzw. 64 betragen, was insgesamt 1024 piezoelektrischen Elementen entspricht. Dieser Bogen kann entsprechend der Verwirklichung nach der Beschreibung in der amerikanischen Patentschrift US-A-4 747 192 verwirklicht werden.
Der Phasenbogen 100 nach Fig. 1 dient zum Versorgen einer dreidimensionalen Fokussieranordnung mit einem Ultraschallbündel, und arbeitet auf folgendem allgemeinem Prinzip: Eine erste flache Fokussierung definiert eine Fokussierbeene P durch die Erzeugende X'X und unter einem Winkel θ, also bestimmt eine Winkelmessung in der Ebene P die Richtung D der Fokussierung, den Winkel zwischen der Erzeugende X'X und der Richtung D mit der Bezeichnung φ. Die untersuchte dreidimensionale Fokussierung wird durch unabhängiges Ändern der Winkel θ und φ mit Hilfe der Mittel erhalten, die nachstehend beschrieben werden.
Ein Multiplexer 201 nach Fig. 3 ist ein Teil einer Schaltung 200 zum Erzeugen von Fokussierbenen, und wählt im Bogen 100 aus den MxN empfangenen Signalen mo Signale sjki aus den piezoelektrischen Elementarwandlern, die zur selben Spalte i (i=1, 2, ..., N) gehören und deren Zeilennummer j+k ist, worin k=0, 1, ..., mo-1 ist.
Diese Wirkung des Multiplexers 201 auf den Bogen 100 ist in Fig. 2 dargestellt, in der die vom Multiplexer angelegten piezoelektrischen Elemente schraffiert dargestellt sind. mo ist eine vorgegebene Anzahl, die, wie in Fig. 2 angegeben, der Größe der Öffnung des Ultraschallbündels entspricht, wobei seine Größe die des Bogens 100 ist. Andererseits verwirklicht der Multiplexer 201 anhand der Fig. 3 die Summe Sjki der Signale sjki und sji, mo-k-1 wie er in Fig. 2 dargestellt ist mit den piezoelektrischen Elementarwandlern symmetrisch in bezug auf die Mitte der Öffnung dargestellt ist, deren Größe durch mo definiert wird.
Wieder in Fig. 3 bewirken N gleiche flache Fokussierschaltungen 202i für jede Spalte i eine Verzögerung τk den Signalen Sjki um sie phasengleich zu machen. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, worin mo = 8, müssen mit Hilfe von 3 Verzögerungsleitungen 3 Verzögerungen τk erzeugt werden, d.h. τ&sub1;, τ&sub2;, τ&sub3;. Durch die Zylinderform des Phasenbogens 100 sind die Mengen τk von der Anzahl j unabhängig, infolgedessen besonders vorteilhaft die Vereinfachung der Bearbeitungselektronik erfolgt, da jede flache Fokussierschaltung 202i alle Signale Sjki bearbeiten kann, welcher auch der Wert von j ist, also welche auch die Position der lateralen Öffnung des Ultraschallbündels ist. Die Fokussierschaltungen 202i verwirklichen darauf die Summe Sji der Signale Sjki, deren Phase so gleichgemacht sind. Die Fokussierebene Pj wird also entsprechend Fig. 2 durch die Mittelwertebene der Öffnung mit der Größe mo gebildet.
Die Verzögerung τk wird durch (dj+k-dj)/C gegeben, worin C die Geschwindigkeit der Ultraschallwelle ist und dj+k und dj der Abstand der piezoelektrischen Elemente mit der Zeilennummer j+k und j im Fokussierpunkt Fj in der Fokussierebene Pj sind. τk ist also von der Untersuchungstiefe, vom Zeilenschritt und von der Krümmung des Phasenbogens 100 abhängig.
Wie in Fig. 4 dargestellt, benutzt eine Winkeländerungsschaltung 300 für einen vorgegebenen Wert von j ein Phasengesetz bei den N Signalen Sji, wonach sie die Summe der phasenverschobenen Signale Sji zum Erhalten des endgültigen Signals S(θj, φ) erzeugt, worin der Winkel φ in der Fokussierebene Pj eine Fokussierrichtung D definiert. Die Winkeländerungsschaltung 300 und das benutzt Phasengesetz sind an sich bekannt und finden eine klassische Verwendung bei der zweidimensionalen echographischen Bilderzeugung.
Die räumliche Abtastung wird durch Änderung der Anzahl j verwirklicht, d.h. der Multiplexer 201 wird angeregt, den Winkel θj mit diskretem Schritt zu verschieben, wobei der Winkel die Position der Lateralöffnung mo des Ultraschallbündels festsetzt. Seinerseits kann der Winkel φ durch Änderung des Phasengesetzes geändert werden, das bei der Winkelmeßschaltung angewandt wird.
Zum Erhöhen der Bilderfassungsleistung und entsprechend der Beschreibung in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 210 624 zeigt Fig. 5, daß die erfindungsgemäße Fokussieranordnung über p=3 parallele Winkeländerungsschaltungen 301, 302 und 303 mit Hilfe von 3 geeigneten Phasengesetzen 3 Ultraschallbündel aus 3 Fokussierrichtungen D&sub1;, D&sub2; und D&sub3; verfügt, die unter den Winkeln φ&sub1;, φ&sub2; und φ&sub3; ausgehen. Die Bilderzeugungsleistung wird also um p=3 vervielfacht.

Claims

1. Anordnung zum dreidimensionalen Fokussieren eines Ultraschallbündels, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Elemente enthält:

- einen zylindrischen Phasenbogen (100) mit einer Erzeugenden X'X, der MxN piezoelektrische Elementarwandler enthält, die in einer gekrümmten Matrix von M parallel zur Erzeugenden X'X verlaufenden und Zeilen von N gekrümmten Spalten angeordnet sind, die senkrecht zu diesen Zeilen verlaufen,

- eine Schaltung (200) zum Erzeugen von Fokussierebenen Pj, die durch die Erzeugende X'X gehen, wobei die Schaltung aus folgenden Elementen besteht:

* einen Multiplexer (201), der einerseits für die aus dem Bogen (100) empfangenen MxN Signale für jede Spalte i die mo Signale sjki aus den piezoelektrischen Elementarwandlern wählt, wobei die Zeilennummer j+k ist, wobei k=0, 1, ..., mo-1 ist, wobei mo eine vorgegebene Anzahl ist, die die Größe der Öffnung des Ultraschallbündels darstellt, und die andererseits die Summe Sjki der Signale sjki und sji,mo-k-1 aus den piezoelektrischen Elementarwandlern verwirklicht, die in bezug auf die Mitte der Öffnung symmetrisch sind, deren Größe durch mo definiert wird,

* N gleiche Schaltungen (202i) für flache Fokussierung, die für jede Spalte i bei den Signalen Sjki eine Verzögerung τk bewirken um sie gleichphasig zu machen, und die Summe Sji der so gleichphasig gemachten Signalen Sjki bilden, wobei die Fokussierebene Pj also durch die Mittelwertebene der Öffnung mit der Größe mo gebildet wird,

- eine Winkeländerungsschaltung (300), die, wenn j gegeben ist, vor der Summierung der Signale die N Signale Sji einem Phasengesetz unterwirft, wodurch in der Fokussierebene Pj eine Fokussierrichtung D definiert wird.

2. Anordnung zum dreidimensionalen Fokussieren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie über P parallele Winkeländerungsschaltungen (301, 302, 303) für P Ultraschallbündel aus P Fokussierrichtungen D&sub1; (1 = 1, 2, ..., P) verfügt.