DE10195735T5

DE10195735T5 - Ultraschallwandler-System und Verfahren zur Oberwellen-Bildgebung

Info

Publication number: DE10195735T5
Application number: DE10195735T
Authority: DE
Inventors: John A. Hossack
Original assignee: Acuson Corp
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2005-12-22
Also published as: AU2001241556A1; US6409667B1; CN1426288A; JP2003531649A; CN1213698C; JP5259902B2; WO2001062154A1

Abstract

Medizinisches Ultraschallwandler-Diagnosesystem zur Oberwellen-Bildgebung, das Wandlersystem umfasst:
mindestens ein Wandlerelement, das erste und zweite übereinander gestapelte Schichten umfasst;
einen ersten mit der ersten Schicht verbundenen Pfad;
einen zweiten mit der zweiten Schicht verbundenen Pfad, wobei der erste und zweite Pfad betreibbar ist, um unabhängig Informationen während eines aus einem Übertragungsereignis, einem Empfangsereignis und Kombinationen davon, zu verarbeiten; und
einen Filter, der betreibbar ist, um Informationen von dem mindestens einen Wandlerelement, das auf einer Oberschwingung einer Grundübertragungsfrequenz ist, weiterzugeben und der betreibbar ist, um Informationen auf der Grundübertragungsfrequenz zu filtern.

Description

HINTERGRUND
Diese Erfindung bezieht sich auf ein medizinisches Ultraschallwandler-Diagnosesystem und ein Verfahren zur Oberwellen-Bildgebung. Im Speziellen ist ein Wandlersystem angegeben, das eine erhöhte Bandbreite zur Bildgebung mit harmonischen Echos von Gewebe, Fluid oder zugefügten Kontrastmitteln bietet.
Schallenergie wird in einen Patienten auf Grundübertragungsfrequenzen übertragen. Schallenergie wird vom Gewebe, Fluid oder anderen Strukturen in dem Patienten reflektiert. Die Reflexionen beinhalten Energie aus dem Grundfrequenzband wie auch Energie, die aus harmonischen Frequenzen des Grundfrequenzbande erzeugt werden. Der Wandler konvertiert die Schallenergie in ein elektrisches Signal.
Wandlerbandbreite kann die eigentliche Antwort limitieren, wodurch der Informationsgehalt in harmonischen und anderen Frequenzen reduziert wird. Die Herstellung von Wandlern mit einer 6 dB Bandbreite oder mehr, die 80% des gewünschten Frequenzbereichs überschreiten, ist kompliziert und teuer. Zur Oberwellen-Bildgebung ist vorzugsweise eine 6 dB Bandbreite vorgesehen, die 100 oder 140% übersteigt. Zum Beispiel kann der Wandler Energie in einem 3 bis 5 MHz Frequenzbereich übertragen und Informationen von Interesse in dem 6 bis 9 MHz Bereich empfangen.
Wandler mit größerer Bandbreite sind im Allgemeinen für jeden Typ von Ultraschalldiagnosebildgebung (ultrasonic diagnostic imaging) wünschenswert. Zum Beispiel werden Wandler mit einer breiten Bandbreite benutzt, um Informationen auf verschiedenen Grundfrequenzen während einer gleichen oder verschiedenen Bildgebungssitzungen zu erhalten. Eine Vielzahl von Techniken sind vorgeschlagen worden, um Wandler mit breiter Bandbreite zu bieten. Zum Beispiel offenbart T.R. Guruaja et al in "Medical Ultrasonics Transducers With Switchable Frequency Band Centered about f₀ and 2f₀", 1997, IEEE Ultrasonic Symposium, Seiten 1659–1662, ein elektrostriktives Wandlerelement, das zwei Schichten benutzt. Eine gewählte Vorspannung wird an eine Schicht angelegt und eine Übertragungswellenform wird an eine Elektrode zwischen den zwei Schichten zur breiten Bandbreitenübertragung angelegt. Als anderes Beispiel, offenbart J. Hossack et al in Improving the Characteristics of A Transducer Using Multiple Piezoelectric Layers, IEEE Transactions On Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Ausgabe 40, Nr. 2, März 1993, einen zweischichtigen piezoelektrischen Einzelelementwandler (single element transducer). An jede der Schichten wird eine verschiedene Wellenform bei der Übertragung angelegt und Phaseneinstellungen (phasing) oder Verzögerungen werden beim Empfang auf Signale von einer der Schichten relativ zur anderen Schicht angewendet. Als anderes Beispiel können verschiedene Materialien in einem Einschicht-Wandlerelement benutzt werden, um den Frequenzbereich des Wandlers zu erhöhen.
US-Patent Nr. 5,957,851, dessen Offenbarung hierin in Referenz aufgenommen wird, offenbart einen Ultraschallwandler mit mehreren piezoelektrischen Schichten zur Benutzung bei der Oberwellen-Bildgebung. Dioden oder ein Transistor werden benutzt, um die eine Schicht von der anderen während Übertragung und Empfang zu isolieren. Der gleiche Wandler wird benutzt, um auf einer Grundfrequenz zu übertragen und auf einer harmonischen Frequenz zu empfangen. Für dieses passive Schaltsystem (switching system) wird die gleiche Übertragungs- und Empfangsverarbeitung für jede Schicht ausgeführt, wenn jede Schicht benutzt wird.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Ansprüche definiert und nichts in diesem Abschnitt sollte als Limitierung dieser Ansprüche angesehen werden. Einführend, beinhalten die im Folgenden beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen ein Verfahren und ein Wandlersystem zur Oberwellen-Bildgebung. Mindestens ein Wandlerelement ist vorgesehen. Das Wandlerelement umfasst zwei übereinandergestapelte piezoelektrische Schichten. Die Schichten sind in der Höhen- oder Dickenrichtung (height or thickness direction), die senkrecht zu einer Erhebungs-Azimuth-Ebene (elevation-azimuth plane) (z. B. der Azimuth entspricht der X-Richtung, die Erhöhung entspricht der Y-Richtung und der Bereich entspricht der Z-Richtung), übereinander gestapelt. Informationen aus jeder der Schichten wird unabhängig eines aus einem Übertragungsereignis, einem Empfangsereignis oder beiden der Übertragungs- und Empfangsereignisse verarbeitet. Informationen von dem Wandlerelement werden zu einem Filter geliefert.
Der Filter isoliert harmonische Informationen zur Bildgebung. Durch Vorsehen eines Mehrschicht-Wandlerelements mit unabhängiger Verarbeitung für jede Schicht wird ein Wandler mit breiter Bandbreite zur Oberwellen-Bildgebung angegeben. Die Null, die zu den meisten Wandlern auf der zweiten Oberwelle der Grundfrequenz zugehörig ist, wird entfernt oder abgeschwächt.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden in Verbindung mit den vorteilhaften Ausführungsformen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG VON ALLEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines medizinischen Ultraschallwandler-Diagnosesystems zur Oberwellen-Bildgebung.
2A bis 2C sind grafische Darstellungen einer spektralen Wandlerantwort für einen Mehrschichtwandler, einer Oberschicht des Wandlers und einer Unterschicht des Wandlers, entsprechend des Wandlersystems aus 1.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VORTEILHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Wandlersystem und ein Verfahren zur Oberwellen-Bildgebung wird im Folgenden diskutiert. Eines oder mehrere der Wandlerelemente beinhaltet mehrere Schichten aus piezoelektrischen Material. Wie hierin benutzt, beinhaltet piezoelektrisches Material jedes Material oder jede Einheit zum Konvertieren von Schallenergie in elektrische Signale und anders herum, wie piezoelektrische Keramiken oder elektrostatisch bewegliche Membraneinheiten (electrostatic moving membrane devices). Während einem oder beiden der Übertragungs- und Empfangsereignisse ist die unabhängige Verarbeitung für jede der Schichten vorgesehen. Zum Beispiel wird eine verschiedene Wellenform an jede der Schichten des Wandlerelements während dem Übertragungsereignis geliefert. Als anderes Beispiel wird eines der elektrischen Signale relativ zu einem anderen während dem Empfangsereignis verzögert. Die unabhängige Verarbeitung bietet für eine erhöhte Bandbreite eine Maximierung des harmonischen Inhaltes, der durch den Wandler durchläuft.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Ultraschallwandlersystems zur Oberwellen-Bildgebung. Das Wandlersystem umfasst ein Wandlerelement 10, das mit einem Sender 20 und einem Empfänger 22 verbunden ist. Ein anderes Element als mit dem Empfänger 22 verbunden ist, kann mit dem Sender 20 verbunden werden.
Das Wandlerelement 10 umfasst eine Oberschicht 12 und eine Unterschicht 14 aus piezoelektrischem Material, geformte Schichten zwischen einer Deckenschicht 16 und einer Anpassungsschicht 18. Die Ober- und Unterschichten 12 und 14 beinhalten ein gleiches oder verschiedenes piezoelektrisches Material, wie z. B. einen PZT/Epoxid Verbundstoff, eine PVDF-Keramik, Motorola HD3303, PZT 5H oder anderes piezoelektrisches Material oder Keramik. In alternativen Ausführungsbeispielen umfasst das piezoelektrische Material elektrostatische mikromaschinell erstellte Einheiten (electrostatic micromachined devices). Jede der Schichten 12, 14 hat eine gleiche oder verschiedene Geometrie. Zum Beispiel wird die gleiche Dicke für jede Schicht genutzt, sowie z. B. eine 0,5 mm Dicke. Andere Dicken können benutzt werden.
Vorzugsweise passt das Wandlerelement 10 gut mit der Anpassungsschicht 18 und dem Deckenbereich 16 (backing block 16). Zum Beispiel umfasst der Deckenbereich 16 mit Wolfram angereichertes Epoxid oder andere Deckenbereichsmaterialien. Zum Beispiel umfassen andere Deckenbereichsmaterialien verschiedene einzelne oder Kombinationen von Metallen (z. B. Blei, Kupfer), Metalloxiden (z. B. Bleioxid, Wolframoxid), Glasmikroballons (glass microballoons) oder Sphären aus einem Polymer, wie Neopren, Polyurethan oder Epoxid. Als anderes Beispiel umfasst die Anpassungsschicht 18 eine doppelte Anpassungsschicht, die aus einer Anpassungsschicht mit hoher Impedanz (z. B. akustische Impedanz um 9–10 MRayl) neben der PZT und eine Anpassungsschicht mit niedriger Impedanz (z. B. akustische Impedanz um 2–2,5 MRayl) besteht. Einfache oder dreifache Anpassungsschichten sind auch möglich. Die Anpassungsschicht kann beseitigt werden. Die breite Bandbreite des Wandlerelements 10 gegeben, kann die Anpassungsschicht 18 als eine Funktion höherer Frequenzen (z. B. eher dünner als dicker) gewählt werden. Zum Beispiel ist die Dicke der Anpassungsschicht 18 geringer als die durch vier geteilte Wellenlänge für die höchste Betriebsfrequenz des Wandlerelements 10. Die Verbindungsschichten zwischen Wandlerelementen sind vorzugsweise dünn.
In einem Ausführungsbeispiel ist eine Anordnung (array) von Wandlerelementen und assoziierten Datenpfaden, gezeigt in 1, angegeben. Die Wellen, die entweder während dem Übertragen oder Empfangen von dem Wandlerelement 10 ausgegeben werden, werden relativ zu jedem der Elemente 10 verzögert und apodiziert (apodized), um einen Übertragungs- oder Empfangsstrahl (transmit or receive beam) zu generieren.
Der dem Element 10 verbundene Sender 20 umfasst erste und zweite Quellen 24 und 26 von Wellenformen. Jede oder beide Quellen 24 und 26 umfassen einen analogen oder digitalen Übertragungsstrahlformer (transmit beamformer). Zum Beispiel werden Strahlenformer (beamformers), die in US-Patent Nr. 5,675,554, 5,690,608, 6,005,827 oder ...(US-Anmeldeserien-Nr. 09/097,500, eingereicht 15. Juni 1998), deren Offenbarung hierin per Referenz mit aufgenommen ist, verwendet. Andere Quellen von Wellenformen können benutzt werden, wie z. B. Funktionsgeneratoren oder ein Wellenformspeicher, digital-zu-analog-Konverter und Verstärker. In alternativen Ausführungsformen wird eine einzelne Quelle 24, 26 von Wellenformen bereitgestellt und eine Verzögerung oder ein Filter verändert die Wellenform, die an eine der Schichten 12, 14 angelegt ist, hinsichtlich einer Wellenform, die an die andere Schicht 12, 14 angelegt ist. Unabhängige Verarbeitung der Wellenform ist für die Oberschicht 12 und die Unterschicht 14 vorgesehen. Wellenform mit verschiedenen Charakteristiken werden an jede Schicht 12, 14 angelegt, aber eine gleiche Wellenform kann in manchen Situationen angelegt werden.
Der mit den Schichten 12, 14 verbundene Empfänger 22 umfasst einen mit einer der Schichten und einem Summierer 30 verbundenen Prozessschaltkreis (process circuit) 28, einen Empfangs-Strahlformer (receive beamformer) 32 und einen Filter 34, das mit den ersten und zweiten Schichten 12 und 14 betreibbar verbunden ist. Der Empfänger 22 umfasst analoge Komponenten, digitale Komponenten oder Kombinationen davon. Der Empfänger 22 ist vorzugsweise durch eine Standarddiodenklemmschaltung (standard diode clamping circuitry) geschützt. Diese limitiert die Spannung am Eingangsanschluss des Empfängers auf einen sicheren Pegel. Zusätzlich ist in der Übertragungsschaltung (transmit circuitry) vorzugsweise eine Diodentrennschaltung (diode isolation circuitry) beinhaltet, welche während der Übertragungsereignisse leitet, hingegen während der Empfangsereignisse einen Leerlauf (open circuit) liefert, der die Senderquellen- Impedanz (transmitter source impedance) isoliert. Die Antworten der zwei Wandlerschichten 12 und 14 werden vorzugsweise separat vorverstärkt. Die zweite Wandlerschicht 12 kann von der ersten Wandlerschicht 14 durch einen Diodeuntransistor (diode transistor) aufeinanderfolgende Dioden oder eine andere Kombination von Schaltern, die "an" sind, wenn eine angelegte Spannung, die "Anschalt" ("turn on") -Spannung der Diode überschreitet (z. B. ca. 0,7 Volt), isoliert werden. Andere oder keine Klemmschaltung, Vorverstärkungs- und Trennschaltung können benutzt werden.
In einer Ausführungsform sind der Prozessschaltkreis 28 und der Summierer 30 des Empfängers 22 in das Gehäuse eines Wandlers eingearbeitet, was die Kabelkosten reduziert und die Signalqualität verbessert. Andere Komponenten können in dem Wandlergehäuse eingebaut werden.
Der Prozessschaltkreis 28 umfasst eine analoge oder digitale Verzögerung (delay). Um digitale Daten zu verzögern, umfasst der Prozessschaltkreis 28 Register und Zähler, kann aber auch einen Prozessor oder andere digitale Einheiten umfassen. Der Prozessschaltkreis 28 hat einen festen oder programmierbaren Verzögerungswert (amount of delay). Zur Vereinfachung wird eine feste Verzögerung benutzt, wenn der Wandler 10 durch den Deckenbereich 16 gut unterstützt ist. Zum Beispiel bietet der Prozessschaltkreis 28 einen frequenzabhängigen Verzögerungswert, wie z. B. ein frequenzabhängiges Phasenfilter (z. B. finites Impulsantwortfilter (finite Impulse response filter)).
Alternativ wird eine frequenzunabhängige Phasenfunktion auf die empfangenen Signale, empfangen von den zwei Schichten, angewendet. In einer Ausführungsform ist die Antwort der einen Schicht 12, 14 invertiert (z. B. eine Phasenrotation von 180 Grad), während die Antwort der anderen Schicht 14, 12 nicht invertiert ist. Invertierende und nicht invertierende Vorverstärker sind bekannt. Zum Beispiel werden gleichphasige Signale während eines Übertragungsereignisses an beide Schichten angelegt und eine starke Antwort von der Grundfrequenz wird erhalten. Während des Empfangsereignisses wird die Antwort der einen Schicht vor der Summierung invertiert und folgerichtig eine starke zweite harmonische Antwort erhalten.
Im Kontext dieser Anmeldung werden Phase und Verzögerung gegeneinander austauschbar verwendet. Eine Verzögerung entspricht einer linear variierenden Phase als Funktion einer Frequenz. Die angewendete Phasenfunktion kann frequenzabhängig oder frequenzunabhängig sein.
Wie gezeigt, ist der Prozessschaltkreis 28 mit der Oberschicht 12 verbunden und keine Verzögerung ist mit der Unterschicht 14 verbunden. Informationen von der Oberschicht 12 und der Unterschicht 14 werden unabhängig voneinander verarbeitet. Die Antworten der beiden Schichten werden nach der relativen Verzögerungs- oder Phaseneinstellungs- (unabhängigen) Verarbeitung summiert und dann als eine Antwort behandelt. In alternativen Ausführungsbeispielen wird eine Verzögerung für beide, die Ober- und Unterschicht 12 und 14 vorgesehen, wie von einen optionalen Prozessschaltkreis 29 gezeigt. Andere Komponenten, wie beispielsweise Filter, Prozessoren oder analoge Schaltungen, können in einen oder beiden der separaten Datenpfade von den Ober- und Unterschichten 12 und 14 genutzt werden, um unabhängige Verarbeitung vorzusehen. Die unabhängige Verarbeitung kann einen gleichen Prozess oder in einigen Situationen eine Verzögerung vorsehen, aber stellt typischerweise für einen anderen Prozess wie im Folgenden beschrieben.
Der Summierer 30 empfängt die verzögerten Informationen und umfasst einen analogen oder digitalen Summierer. Zum Beispiel wird ein Operationsverstärker für analoge Informationen oder eine digitale Summierungsschaltung für eine digitale Summation benutzt. Von der Implementation abhängend kann das Summieren im analogen oder digitalen Bereich stattfinden. Im analogen Bereich stattfindend, kann der Summierer 30 eine Drahtverbindung (wire junction) besitzen, welche die Ströme der beiden Schichten kombiniert. Andere Einheiten zum Kombinieren der unabhängig verarbeiteten Informationen von jeder der Schichten 12 und 14 können benutzt werden.
Der Empfangsstrahlformer (receive beamformer) 32 empfängt die summierten Informationen und umfasst analoge und/oder digitale Komponenten. Zum Beispiel wird der Empfangsstrahlformer, der im US-Patent Nr. 5,685,308, dessen Offenbarung hierin als Referenz eingeschlossen ist, offenbart ist, benutzt. Der offenbarte Empfangsstrahlformer beinhaltet das Filter 34. In alternativen Ausführungsformen werden die Filterfunktion und die Empfangsstrahlformerfunktion (receive beamformer function) mit separaten Komponenten ausgeführt. Andere Empfangskomponenten, wie beispielsweise der Summierer 30 und/oder Prozessschaltkreis 28, können in den Empfangsstrahlformer 32 eingebaut werden.
Das Filter 34 empfängt die strahlgeformten (beamformed) Daten und umfasst einen digitalen Signalprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein finites Impulsantwortfilter, ein infinites Impulsantwortfilter oder andere analoge und/oder digitale Komponenten. In einer Ausführungsform ist das Filter 34 als ein Teil des Empfangsstrahlformers 32 eingeschlossen. Das Filter 34 liefert eine Hochpass-, Bandpass- oder Tiefpass-Spektralantwort. Das Filter 34 lässt (passes) Informationen, die mit dem gewünschten Frequenzband assoziiert sind, wie beispielsweise das Grundübertragungsfrequenzband oder eine Oberschwingung des Grundfrequenzbandes durch. Wie hierin benutzt, umfasst Oberschwingung höhere Oberschwingungen (z. B. zweite, dritte,...), gebrochene Oberschwingungen (fractional harmonics) (3/2, 5/3,...) oder subharmonische Schwingungen (1/2, 1/3,...). Das Filter 34 kann verschiedene Filter für verschiedene gewünschte Frequenzbänder oder programmierbare Filter umfassen. Zum Beispiel demoduliert das Filter 34 die Signale in das Basisband. Die Demodulationsfrequenz ist in Antwort auf die Grundmittenfrequenz oder eine andere Frequenz, wie beispielsweise eine zweite harmonische Mittenfrequenz, programmierbar ausgewählt. Andere Mittenfrequenzen können benutzt werden, wie beispielsweise als Zwischenfrequenzen. Signale, die mit Frequenzen, die nicht in der Nähe des Basisbandes liegen, assoziiert sind, werden durch Tiefpassfilterung entfernt.
Als eine Alternative oder zusätzlich zur Demodulation, sieht das Filter 34 Bandpassfilterung vor. Das demodulierte und/oder gefilterte Signal wird als komplexe phasengleiche und Quadratur-Signale (complex in-phase and quadrature signals) an einen Ultraschallsignalprozessor weitergeleitet, hingegen können andere Typen von Signalen, wie beispielsweise Radiofrequenzsignale (radio frequency signals) weitergeleitet werden.
Das oben beschriebene Wandlersystem wird während eines Übertragungsereignisses, eines Empfangsereignisses oder einer Kombination davon benutzt. In einer Ausführungsform werden programmierte Anregungswellenformen unabhängig verarbeitet und an jede der oberen und unteren Schichten 12 und 14 während eines Übertragungsereignisses angelegt und eine unterschiedliche Verzögerung wird für eine unabhängige Verarbeitung während eines Empfangsereignisses für Informationen verwendet, die von jeder der oberen und unteren Schicht 12 und 14 empfangen werden. Alternativ werden Informationen von einer einzelnen Schicht während eines Empfangsereignisses erhalten oder eine einzelne Schicht wird während eines Übertragungsereignisses benutzt. In einer anderen alternativen Ausführungsform werden Schaltmechanismen zur Verfügung gestellt, um die Benutzung von zwei Schichten mittels eines Übertragungs- oder Empfangsereignisses während des gleichen Prozesses zu erlauben, wie z. B. das Anlegen derselben Übertragungswellenform an die obere Elektrode der oberen Schicht 12 und die untere Elektrode der unteren Schicht 14 und Erdung der mittleren Elektrode.
Für Übertragungsereignisse können die zwei Schichten 12, 14 parallel oder ohne unabhängige Verarbeitung betrieben werden, da die interessante Bandbreite begrenzt auf die Grundfrequenz ist. Wie hierin benutzt, umfasst unabhängige Verarbeitung mindestens eine für eine der Schichten vorgesehene Komponente oder Handlung, die unabhängig ist von einer Komponente oder Handlung, die für die andere der Schichten vorgesehen ist. Die unabhängige Verarbeitung kann auf Informationen von einer anderen Schicht eingehen.
In einer Ausführungsform wendet die unabhängige Verarbeitung eine Phasenänderung für Informationen zu oder von der oberen oder unteren Schicht 12, 14 an. Die Phase von Informationen für eine Schicht wird in Bezug auf die Phase der anderen Schicht geändert. Die Phasenfunktion ist frequenzabhängig, kann aber unabhängig von der Frequenz sein. Bei der Übertragung sind die an jede Schicht angelegten Wellenformen in Phase oder etwas außer Phase (z. B. 90°). Im Allgemeinen ist das empfangene Oberwellensignal im Wesentlichen außer Phase (z. B. um 180°) und deshalb wird eine unterschiedliche Phasenlage benutzt, um eine aussagekräftige Antwort zu bekommen.
Während einer Übertragung bei Grundfrequenzen werden in Phase geformte Wellenformen durch die Quellen 24, 26 erzeugt, um die gewünschte niederfrequente akustische Wellenausgabe mit dem Wandlerelement 10 zu produzieren. Alternativ ist eine hochfrequente Wellenform ein Ausgabe um Subharmonische zu benutzen.
Das Wandlerelement 10 kann als ein äquivalenter Schaltkreis mit zwei Spannungsquellen für jede Schicht 12, 14 dargestellt werden. Die Ausgabe des Wandlerelements 10 wird von der Summe der zwei Quellen erhalten. Dies ist eine Anwendung des Strom-Superpositionstheorems.
Bevorzugterweise wird die relative Phase der zwei Quellen 24, 26 für alle interessanten Frequenzpunkte gemessen und dann für während einer Übertragung kompensiert. Während der Übertragung hebt der Phasenversatz infolge des unterschiedlichen Ausbreitungsweges von jeder Schicht 12, 14 die angelegte Phase auf und die maximale Ausgabe wird für alle Frequenzen erhalten. Bei einer mathematischen Darstellung wird angenommen, die Ausgabe einer oberen Schicht ist ein Phaser mit einem Phasenwert von θ₁ mit einer Längeneinheit und die Ausgabe der zweiten Schicht ist ein Phaser mit einem Phasenwert von θ₂ ebenso mit einer Längeneinheit. Falls der Unterschied zwischen θ₁ und θ₁ an den Eingang der ersten Schicht angelegt wird, wird eine phasengleiche Ausgabe von zwei Längeneinheiten bereitgestellt.
Wie bei Hossack et al. in "Improving the Characteristics of A Transducer Using Multiple Piezoelectric Layers, IEEE Transactions On Ultrasonics, Ferro Electrics, and Frequency Control, Vol. 40, No. 2, March 1993, (der Hossack Artikel) beschrieben, gibt es keine eindeutige Lösung für die an jede Schicht 12, 14 anzulegende Wellenform, um eine spezifische Ausgabeantwort zu bekommen. In einer Ausführungsform werden die Wellenformen verwendet, die die kleinste Eingangsamplitude benötigen.
Die Kraft F der Ausgabe wird durch die Teilchenverschiebung A_F erhalten. F = sZ_FA_F, wobei s der Laplace-Operator ist und Z_F die mechanische Impedanz. In dem Laplace-Raum für multiple Schichtsysteme F = β ₁ + V ₁ + β ₂ V ₂ + V₁,... + β_NV_N, wobei N die Anzahl von Schichten und β₁ die Transferfunktion zwischen den angelegten Spannungen und der Ausgabe ist, und V die angelegte Spannung ist. β₁ kann durch eine Messung der Kraft F erhalten werden, wenn V₁ auf 1 und V₂ auf 0 gesetzt ist. β₂ kann ähnlich berechnet werden. Angenommen, die an jede Schicht angelegten Spannungen sind gleich bezüglich des Betrags für einen Zweischichtwandler, F = β ₁ + β ₂ oder |F|∠θ =|β₁|∠θ₁ +|β₂|∠θ₂. Die Kraftausgabe, der absolute Wert von F∠θ, ist maximiert, falls θ₂ = θ₁ wie oben beschrieben. Phasenwinkel von V₂ ist eingestellt, um die Phasendifferenz zwischen β₁ und β₂ zu kompensieren. Das gewünschte Ergebnis wird erhalten durch das Setzen von V₂ = V₁∠(θ₁ – θ₂). Die Zeitbereichsanregungsfunktionen V₁(t) und V₂(t) werden mittels einer inversen Fouriertransformation erhalten. Wie in dem Hossack Artikel beschrieben, sobald die gewünschte akustische Ausgabewellenform definiert (z. B. ein kompakter Gauss-Puls) und die Transferfunktion (Spannung ein zu Druck aus) des Doppelschichtwandlers feststellt ist, sind die benötigten Spannungsanregungsfunktionen bestimmt, um die gewünschten Pulsformen zu erhalten. In dem Laplace- (oder Fourier-) Raum ist die benötigte Ausgabefunktion durch die Transferfunktion geteilt. Infolge dessen ist der benötigte Wert für V₁ bestimmt. V₂ ist identisch zu V₁ mit der Ausnahme, dass der Phasenwinkel (θ₁ – θ₂) angelegt ist. Siehe Seiten 134–135 der Referenz. In einer Ausführungsform wird die Phasenwinkelkorrektur als eine Funktion der Frequenz durchgeführt. Die Phasenwinkelkorrektur kann linear sein als eine Funktion der Frequenz entsprechend einer einfachen Zeitverzögerung. Alternativ wird die aktuelle oder eine genäherte nichtlineare Funktion verwendet.
Die unabhängig erzeugten oder verarbeiteten Wellenformen werden jeweils einen der Schichten 12, 14 des Wandlerelements 10 zur Verfügung gestellt. Als Antwort erzeugt das Wandlerelement 10 eine akustische Wellenform. Die akustische Wellenform verbreitet sich in dem Körper wechselwirkend mit Gewebe und Flüssigkeit und Oberwelleninformation begründend. Echosignale einschließlich der Oberwellensignale propagieren zurück zu dem Wandlerelement 10.
Bei dem Empfangsereignis erzeugen die obere und untere Schicht 12 und 14 elektrische Signale als Antwort auf die akustischen Echos. Die Informationen von jeder der zwei Schichten 12, 14 wird phasenkorrigiert und addiert. Zusätzlich kann Filterung und Verstärkung getrennt für jedes der Signale für jede der jeweiligen Schichten 12, 14 zur Verfügung gestellt werden. Da die relativen Phasencharakteristiken der Schichten 12, 14 bekannt sind, wird die frequenzabhängige Phasendifferenz zwischen den Signalen als eine Phasenkorrektur für eines der beiden Signale von der oberen oder unteren Schicht 12, 14 angewendet. Nachdem die Verzögerung oder Phase angepasst ist, wird die Information von den zwei Schichten von einen Summierer 30 summiert. Die summierte Information wird dann strahlgeformt. In einer Ausführungsform stellt der Prozessschaltkreis 28 eine feste Verzögerung zur Verfügung. Alternativ wird eine dynamische Verzögerung benutzt. Zusätzlich kann die Phasenfunktion dynamisch oder fest sein. Die Phasenfunktion ist während Empfangsereignissen verschieden von der angelegten Übertragungsfunktion, wie z. B. eine Invertierung des Signals.
Wo die zweite Oberwelleninformation von Interesse ist, wird die Verzögerung vorzugsweise auf Informationen von der oberen Schicht 12 angewendet. In alternativen Ausführungsformen wird die Verzögerung auf Informationen von der unteren Schicht 14 oder eine Kombination der Schichten 12, 14 angewendet. Der Betrag der Verzögerung korrespondiert vorzugsweise mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls vom Zentrum der oberen Schicht 12 zum Zentrum der unteren Schicht 14 (z. B. typischerweise gleichbedeutend mit der Ausbreitungsverzögerung durch eine komplette Schicht, wobei beide Schichten 12, 14 gleich dick sind). Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit wegen der begrenzten Dimensionen des Wandlerelements relativ zur Wellenlänge manchmal frequenzabhängig ist, kann der Prozessschaltkreis 28 eine Verzögerung als Funktion der Frequenz zur Verfügung stellen.
Wie in dem oben referenzierten Artikel von Hossack et al. beschrieben, ist die Phasenbeziehung zwischen der Information von den zwei Schichten 12, 14 für die Empfangsereignisse die gleiche oder ähnlich der Phasenbeziehung zwischen den zwei Schichten 12, 14 für Übertragungsereignisse. Da die Antwort stark der Zeitverzögerungsfunktion ähnelt, die der Übertragungszeit durch die Schichten entspricht, kann die Näherung verwendet werden, um eine effektive Verzögerung anzuwenden. Alternativ, für geringere Kosten und etwas geringerer Leistung, wird eine feste Phaseninversion für eine der Schichten angewendet. Eine Anwendung der unabhängigen Verarbeitungsverzögerung und Summation der Information von den beiden Schichten stellt eine höhere Spitzensensitivität und eine Bandbreite ohne Null bei der zweiten Oberwelle zur Verfügung.
Die Information von jeder der Wandlerschichten 12, 14 wird von den Summierer 30 summiert. Die resultierende Summe sieht eine breite Bandbreiteninformation vor. 2A stellt die spektrale Antwort der unabhängig verarbeiteten und kombinierten Information dar. Die Antwort gipfelt bei etwa 95 dB bei 3–1/3 MHz und ungefähr 7 MHz, wo die dB-Skala als ein Ergebnis des Fouriertransformationsschritts aufgehoben ist. Die Senke zwischen diesen zwei Frequenzen kann als eine Funktion des Designs des Wandlers reduziert werden, was die Schichtdicke, Materialien und Geometrie beinhaltet. Zum Beispiel, wird ein niedriger impedantes piezoelektrisches Material ersetzt, wie z. B. ein piezoelektrisches Keramik/Epoxy-Komposit für ein reines piezoelektrisches Keramikmaterial, und ein schweres Deckmaterial kann benutzt werden. 2B und 2C stellen die spektrale Antwort der unteren und der oberen Schicht 12 bzw. 14 dar. Wie gezeigt, wird ein kleinerer Betrag geliefert.
Die kombinierte Information wird von dem Empfangsstrahlformer 32 empfangen. Der Empfangsstrahlformer 32 erhält die Information von einer Vielzahl von Wandlerelementen 10, wendet Fokussierungsverzögerungen und Apodisationsfunktionen an und erzeugt in-Phase- und Quadratur- oder Radiofrequenzinformation, die einen oder mehrere Orte innerhalb eines abgetasteten Körpers darstellen.
Die in-Phase- und Quadratur- oder Radiofrequenzinformation wird von dem Filter 34 gefiltert. Der Filter 34 isoliert oder übergibt Informationen bei den Oberwellen der Grundübertragungsfrequenz. Information außerhalb dieses Bandes wird gefiltert oder reduziert. Zum Beispiel wird die Information bei der Übertragungsgrundfrequenz gefiltert und Information bei einem zweiten Oberwellenband wird übergeben oder von dem Filter 34 isoliert. Die gefilterte Information kann in Kombination mit anderen Informationen oder alleine genutzt werden, um ein Bild in einem Ultraschallsystem zu generieren. Es ist auch möglich, unabhängig getrennte Grund- und Oberwellendaten zu verarbeiten und die Informationen nach der Signaldetektion zu kombinieren, um ein reduziertes Fleckenbild zu erhalten. Diese Mischung tritt überall oder in einem Teil der Bildregion auf.
Die Oberwelleninformation wird benutzt für eine der Gewebebildgebung oder Kontrastmittelbildgebung. In einer Gewebebildgebung wird kein zusätzliches Kontrastmittel zu dem Ziel während der Bildgebungssitzung hinzugefügt. Man vertraut nur auf die Charakteristik des Gewebes, einschließlich Blut und anderer Flüssigkeiten, um ein Ultraschallbild zu erzeugen. Medizinische Ultraschallbildgebung wird typischerweise in einer einzelnen Bildgebungssitzung für eine bestimmte Person zu einer bestimmten Zeit ausgeführt. Zum Beispiel kann eine bildgebende Sitzung auf eine Ultraschall-Patientenuntersuchung eines spezifischen, interessierenden Gewebes über eine Periode von 1/4 bis zu 1 Stunde begrenzt sein, obwohl andere Dauern möglich sind. In diesem Fall wird kein Kontrastmittel in das Gewebe zu keiner Zeit während der bildgebenden Sitzung eingebracht. Gewebeoberwellenbilder können eine besonders hohe räumliche Auflösung als eine Funktion des Echos liefern, das von dem Gewebe bei Oberfrequenzen erzeugt wird. Im Besonderen können dort oft weniger Stördaten in dem Nahfeld sein. Zusätzlich, da der Übertragungsstrahl mittels der Grundfrequenz erzeugt wird, kann das Übertragungsstrahlprofil von einem spezifischen Pegel der gewebebezogenen Phasenabweichung weniger verzerrt werden als ein Übertragungsstrahl, der mittels Signalen geformt ist, die direkt bei der zweiten Oberwelle übertragen werden.
Eine Bildgebung kann durch die Einführung von Kontrastmitteln unterstützt werden. In der Kontrastmitteloberwellenbildgebung wird jede einer Anzahl von bekannten Ultraschallkontaktmitteln, wie z. B. Mikrosphären, zu einem Ziel oder Patienten hinzugefügt, um die nichtlineare Antwort des Gewebes oder der Flüssigkeit zu erhöhen. Die Kontrastmittel strahlen Ultraschallenergie bei der Oberwelle einer insonifizierenden Energie bei Grundfrequenzen.
Mittels des Wandlersystems, gezeigt in 1, oder anderen hierin beschriebenen Wandlersystemen wird eine optimale Information für Oberwellenbildgebung erzeugt. Dieses System kann benutzt werden in Kombination mit anderen Oberwellenbildgebungstechniken, wie z. B. Techniken, die unterschiedliche Übertragungs- und Empfangsprozesse benutzen. Beispielsweise ist die Übertragungswellenformausgabe von einem jeden Wandlerelement 10 als eine Funktion der angelegten elektrischen Übertragungswellenform geformt, um die Energie bei der zweiten Oberwelle oder irgendeiner Oberwelle zu minimieren. Die Ausgabeübertragungswellenform eines jeden Elements 10 kann vorverzerrt werden, um beliebige Ausbreitungs- oder Systemnichtlinearitäten auszuweisen. Als ein anderes Beispiel sind Verzögerungen und Abodisation von einem Element 10 zu einem anderen Element 10 geändert, um einen Linienfokus oder einen gespreizteren Strahl zu liefern. Die mit jeden übertragenden Strahl assoziierte relative Phaseneinstellung kann als eine Funktion einer Abtastlinie alternieren und dann werden Daten von verschiedenen Strahlen kombiniert. Andere Oberwellenbildgebungstechniken können ebenso verwendet werden.
Die zur Verfügung gestellte breite Bandbreite kann ermöglichen, das Wandlersystem mit neuen oder vorher schwer zu implementierenden Übertragungs- oder Empfangstechniken zu verwenden. Beispielsweise ist die Symbolrate in einem akustischen Code für eine kodierte Anregung durch die Fähigkeit des Wandlers begrenzt, eine ausreichende Bandbreite zur Verfügung zu stellen. Das hierin beschriebene Wandlersystem kann für kodierte Anregungen verwendet werden, wie z. B. dem US-Patent Nr. 5,984,869 offengelegt ist, dessen Offenbarung hierin per Referenz enthalten ist.
Während die Erfindung oben in Bezug auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurde, wird es verstanden, dass viele Änderungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann eine dritte oder vierte Schicht für jedes Wandlerelement benutzt werden. Unterschiedliche, unabhängige Prozesse können für Informationen zur Verfügung gestellt werden, die entweder mit Übertragungs- oder Empfangsereignissen für jede Schicht verbunden sind. Die piezoelektrischen Materialien für jede Schicht können unterschiedlich sein und die Schichtdimensionen (besonders eine Dicke) können unterschiedlich sein. Eine oder mehrere der piezoelektrischen Schichten kann in der Dicke variieren, wie z. B. die in den US-Patenten Nr. 5,415,175 und 5,438,998 beschriebenen plankonkaven Schichten, deren Offenbarung per Referenz hierin eingebunden ist. Zusätzlich kann das Konzept auf 1,5 und 2 D Anordnungen ausgedehnt werden. Darüber hinaus müssen nicht alle Elemente in der Anordnung multiple piezoelektrische Schichten enthalten. Beispielsweise haben in einer 1,5 D Anordnung nur die zentralen Elemente multiple piezoelektrische Schichten.
Es ist daher beabsichtigt, dass die vorangegangene detaillierte Beschreibung als eine Darstellung der derzeitigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verstanden wird und nicht als eine Definition der Erfindung. Es sind nur die folgenden Ansprüche, einschließlich aller Äquivalente, die bestimmt sind, den Umfang der Erfindung zu definieren.
Zusammenfassung
Ein Wandlersystem und ein Verfahren zur Oberwellen-Bildgebung wird bereitgestellt. Mindestens eine Wandlereinheit wird bereitgestellt. Die Wandlereinheit umfasst zwei übereinander gestapelte piezoelektrische Schichten (12, 14). Informationen von jeder der Schichten wird unabhängig während einem Übertragungsereignis, einem Empfangsereignis und beidem, einem Übertragungs- und Empfangsereignis, verarbeitet. Informationen von dem Wandlerelement werden an ein Filter (34) geleitet. Das Filter (34) isoliert harmonische Informationen zu Bildgebung. Durch das Vorsehen eines Mehrschicht-Wandlerelementes mit unabhängiger Verarbeitung für jede Schicht, wird ein Wandler mit breiter Bandbreite zur Oberwellen-Bildgebung bereitgestellt. Die Null, die mit den meisten Wandlern auf ihrer zweiten Oberschwingung der Grundfrequenz assoziiert wird, wird entfernt oder verringert.

Claims

Medizinisches Ultraschallwandler-Diagnosesystem zur Oberwellen-Bildgebung, das Wandlersystem umfasst: mindestens ein Wandlerelement, das erste und zweite übereinander gestapelte Schichten umfasst; einen ersten mit der ersten Schicht verbundenen Pfad; einen zweiten mit der zweiten Schicht verbundenen Pfad, wobei der erste und zweite Pfad betreibbar ist, um unabhängig Informationen während eines aus einem Übertragungsereignis, einem Empfangsereignis und Kombinationen davon, zu verarbeiten; und einen Filter, der betreibbar ist, um Informationen von dem mindestens einen Wandlerelement, das auf einer Oberschwingung einer Grundübertragungsfrequenz ist, weiterzugeben und der betreibbar ist, um Informationen auf der Grundübertragungsfrequenz zu filtern.
System nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Wandlerelement eine Anordnung von ersten und zweiten Schichten umfassenden Wandlerelementen aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Pfade betreibbar sind, um unabhängig Informationen während eines Übertragungsereignisses zu verarbeiten.
System nach Anspruch 3, wobei der erste und zweite Pfad jeweils eine erste und zweite Wellenform-Quelle umfassen.
System nach Anspruch 1, wobei der erste und zweite Pfad betreibbar sind, um unabhängig Information während des Empfangsereignisses zu verarbeiten.
System nach Anspruch 5, weiter umfassend einen Summierer, der betreibbar mit dem ersten und zweiten Pfad verbunden ist; und wobei der erste Pfad eine Verzögerung aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei der erste und zweite Pfad betreibbar sind, um unabhängig Informationen während des Übertragungs- und Empfangsereignisses zu verarbeiten.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Pfad eine frequenzabhängige Phasenfunktion implementiert.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Pfad eine frequenzunabhängige Phasenfunktion, die von der auf die zweite Schicht angewendeten Phasenfunktionen unterschiedlich ist, implementiert.
Das System nach Anspruch 1, wobei der erste Pfad während eines Übertragungsereignisses eine relativ zur zweiten Schicht verschiedene Phaseneinstellung als während eines Empfangsereignis implementiert.
Medizinisches Ultraschalldiagnoseverfahren zur Oberwellen-Bildgebung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) unabhängiges Verarbeiten von Informationen von erster und zweiter übereinander gestapelter Schicht eines Wandlerelements während eines Ereignisses aus: einem Übertragungsereignis, einem Empfangsereignis und Kombinationen davon; und (b) Isolieren von Informationen auf einer Oberschwingung einer Grundübertragungsfrequenz aus den Informationen aus den ersten und zweiten Schichten.
Verfahren nach Anspruch 11, weiter umfassend (a) Ausführen für eine Vielzahl von angeordneten Zweischichtwandlerelementen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei (a) unabhängiges Verarbeiten von Informationen während des Übertragungsereignisses umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei (a) umfasst: (a1) Liefern einer ersten Wellenform zu der ersten Schicht; und (a2) Liefern einer zweiten Wellenform an die zweite Schicht.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei (a) unabhängiges Verarbeiten von Information während des Empfangsereignisses umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei (a) Verzögern der Informationen aus der ersten übereinander gestapelten Schicht relativ zu den Informationen von der zweiten Schicht; und weiter umfassend: (a) Zusammenfügen der Informationen aus den ersten und zweiten Schichten.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei (a) Unabhängiges Verarbeiten der Informationen während des Übertragungs- und Empfangsereignisses umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin umfassend: (b) Übertragen von akustischer Energie von dem Wandlerelement in ein Ziel, wobei das Ziel frei von hinzugefügten Kontrastmitteln während einer ganzen Bildaufbereitungssitzung.
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin umfassend: (c) Definieren einer gewünschten akustischen Ausgangswellenform; (c) Bestimmen von Anregungswellenformen als eine Funktion der gewünschten akustischen Ausgangswellenform und einer Übertragungsfunktion der ersten und zweiten Schichten.