DE19581692B4

DE19581692B4 - Ultraschallwandler mit Tastkopf und achsensymmetrischer Linse

Info

Publication number: DE19581692B4
Application number: DE19581692T
Authority: DE
Inventors: John A. Palo Alto Hossack; John I. Menlo Park Jackson; John W. Palo Alto Eaton; Thomas Grosvenor Menlo Park Cooper
Original assignee: Acuson Corp
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 1994-06-28
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2015-06-15
Also published as: US5562096A; DE19581692T1; WO1996000522A1; AU2865595A; US5626138A; JPH10502008A

Abstract

Ultraschallwandler-Tastkopf mit einer Ultraschallwandleranordnung (4), einer neben der Ultraschallwandleranordnung (4) liegenden Linse (6) und mit einem die Ultraschallwandleranordnung (4) und die Linse (6) umschließenden Gehäuse (2), während das Gehäuse (2) eine neben der Linse (6) kontinuierlich verlaufende Oberfläche (12) für den Durchgang von Ultraschallenergie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler-Tastkopf weiterhin einen Füllkanal (47; 49) für eine Fettschicht (14) zwischen Linse (6) und Gehäuse (2) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft mit Ultraschall arbeitende Bildsysteme und insbesondere Systeme mit einer akustischen Linse zum Fokussieren der Ultraschallenergie.
Die Benutzer von Ultaschallwandler-Tastköpfen zu medizinischen Zwecken, im folgenden Sonographen genannt, können bestimmte Bereiche im Körperinneren abbilden, in dem ein Tastkopf an den Körper gehalten wird. Um Bilder von diagnostischem Wert zu erhalten, muß der Tastkopf durch Schieben, Drehen und Schwenken physikalisch richtig gehandhabt werden. An diese Handhabung werden besondere Anforderungen gestellt, wenn es sich um das transesophageale Abbilden des Herzens handelt, wofür das Wandlergehäuse an der Spitze des Tastkopfes auf den Esophagus oder Bauch eines Patienten gehalten wird, um unterschiedliche Ansichten des Herzens zu gewinnen.
Für diese Anwendung ist es typisch, daß das Wandlergehäuse mehrere akustische Wandlerelemente aufweist, die nacheinander elektrisch von einer Ultraschallsteuerung und einem Betriebssystem erregt werden, um ein Bild in einer Objektebene zu erhalten, die rechtwinklig zum Wandlergehäuse und den Wandlerelementen verläuft. Es hat sich als wünschenswert herausgestellt, die im Wandlergehäuse vorgesehenen Wandlerelemente unabhängig von der physikalischen Handhabung des Gehäuses zu verdrehen. In Kombination mit einem Verschieben, Verdrehen und Schwenken des Gehäuses kann man zusammen mit dem unabhängigen Verdrehen der Wandlerelemente im Gehäuse ein Ultraschallbild einer bestimmten oder aller Objektebenen gewinnen, die rechtwinklig zur Oberseite der Wandlerelemente an jeder Stelle verläuft, an die das Gehäuse hingeschoben wird.
Da das Wandlergehäuse mit diesem Typ von Tastkopf im Körperinneren eines Patienten verwendet werden kann, muß es zum Schutz gegen den Eintritt von Körperflüssigkeiten, sterilen Lösungen und Reinigungslösungen abgedichtet sein.
Die Dichtung muß auch dafür sorgen, daß die sich bewegenden Teile, wie die rotierenden Wandlerelemente den Körper des Patienten nicht kontaktieren.
Die vom Wandlergehäuse abgegebene akustische Energie wird von einer akustischen Linse fokussiert, die für die Wandlerelemente im Gehäuse vorgesehen ist. Eine zylindrische Linse, deren Dicke in Azimut-Richtung nicht veränderlich ist, wird manchmal als feste Fokussierung für die Wandleranordnung benutzt.

Beispielsweise offenbart US-PS 5,127,410 ein zylindrisches Objektiv mit mehreren Linsen an der Spitze eines drehbaren Wandlers. Das Objektiv kann aus einer konvexen zylindrischen Linse eines ersten Werkstoffes passend zu einer konkaven Linse aus einem zweiten Werkstoff bestehen. Der zweite Werkstoff hat im wesentlichen die gleichen akustischen Eigenschaften wie der zu untersuchende Körperteil. Der konkave Teil des Objektivs ist so geformt, daß die Oberseite des Objektivs flach ist. Diese Seite paßt zu einer flachen Linsenanordnung, die eine Öffnung im Gehäuse abdichtet. Die Dichtung besteht beispielsweise aus einem dünnen Kunststoffilm, der mit dem Gehäuse im Öffnungsbereich verbunden ist. Eine Stützschicht ist an dem Kunststoffilm angeformt und in ihr ist ein RFI Gitter eingebettet. Eine Fettschicht schmiert die Grenzschicht zwischen der flachen Oberseite des Objektivs und der flachen Linsenanordnung, welche das Gehäuse abdichtet.

Ein Nachteil dieser Anordnung liegt darin, daß mehrere Schichten auf der Oberseite der Wandlerelemente liegen und dies kann die Leistung verschlechtern, da die Schichten bzw. Reflexionen an den Grenzschichten zu einer Abschwächung führen, die zu Nachhallerscheinungen im resultierenden Bild Anlaß geben. Ferner ist die konkave Linse nicht einfach herzustellen. Wenige Werkstoffe haben die akustischen Eigenschaften für eine konkave Linse oder lassen sich mit der konvexen Linse verbinden und absorbieren Fett oder Öl, so daß die konkave Linse expandiert. Dies führt zu Verspannungen der Gehäuseteile und schlechterer Bildqualität. Außerdem sind zusätzliche Herstellungsschritte erforderlich.

Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß das Objektiv mehr Platz im Gehäuse benötigt als eine einfache Linse. So sollte die Gehäusegröße möglichst gering sein, um das Einführen und Bewegen im Körper des Patienten ohne große Beschwerden zu ermöglichen.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung liegt darin, daß die flache Linsenanordnung zum Abdichten des Gehäuses deformiert werden kann oder schlechten Kontakt mit dem Körper beim Ausüben von Druck macht. So soll der akustische Kontakt mit dem Körper aufrechterhalten werden, da Lücken zwischen dem Gehäuse und dem Körper die Bildqualität stark verschlechtert.

Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß zusätzliche Herstellungsschritte zum Abdichten der Gehäuseöffnung erforderlich sind und die Dichtung zusätzliche Schichten zwischen den Wandlerelementen und dem Körper des Patienten erforderlich macht. So soll wie bereits erwähnt die Anzahl der Schichten zwischen dem Wandler und dem Patienten möglichst klein sein, um die Herstellung des Gehäuses zu vereinfachen.

Als Stand der Technik offenbart DE-A-691 15 072 T2, US-A-4 945 915, US-A-5 305 755 und US-A-5 320 104 Ultraschallwandler-Tastköpfe unterschiedlicher Konstruktion und Anwendung. Trotz der unterschiedlichen Konstruktion der Tastköpfe sind diese durch einen hohen Wartungsaufwand und durch eine reduzierte Signalübertragung zwischen Ultraschallwandler-Tastkopf und Gewebe gekennzeichnet.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler-Tastkopf bereitzustellen, der sich im Vergleich zum Stand der Technik durch einen reduzierten Wartungsaufwand und eine verbesserte Signalübertragung zwischen Ultraschallwandler-Tastkopf und Gewebe auszeichnet.

Die obige Aufgabe wird durch einen Ultraschallwandler-Tastkopf gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und einem entsprechenden Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der obigen Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen hervor.

Eine Reihe von Ultraschallwandlern sind vorzugsweise im Tastkopf zusammen mit einer Linse angeordnet und die Elemente und die Linse sind in einem Gehäuse untergebracht, das neben der Linse eine kontinuierlich verlaufende Fläche besitzt.

Ferner sollen die Ultraschallwandler verdrehbar um eine Achse im Tastkopf angeordnet sein, zu der symmetrisch die Linse angeordnet ist. Außerdem soll das Gehäuse eine kontinuierliche Oberseite besitzen, die im Bereich neben der symmetrischen Linse zu dieser passend verläuft, d.h. kontinuierlich verläuft.

Ferner soll der Tastkopf diagnostische Informationen nach Einführen aus dem Körperinneren eines Patienten liefern und soll ein Steuergerät vorgesehen sein, das die vom Tastkopf erzeugten elektrischen Signale verarbeitet, wobei der Tastkopf mit dem Steuergerät verbunden ist.

So richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Liefern von diagnostischen Informationen aus dem Körperinneren, wobei eine Sendeelektronik und eine Empfangselektronik vorgesehen sind, Signalwerte gespeichert werden, die der Aus breitungszeit durch die Linse und einem Brechungswinkel an einer Grenzschicht zwischen Linse und Körper für einen akustischer Liniensatz entsprechen, die Sender- und Empfangselektronik entsprechend den gespeicherten Werten eingestellt werden und akustische Druckwellen in den Körper übertragen und aus dem Körper akustische Echosignale empfangen werden, wobei dies durch die achsensymmetrische Linse hindurch mit dem akustischen Liniensatz erfolgt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1A bis 1C Schnitte eines erfindungsgemäßen Tastkopfes,
2 eine isometrische Ansicht des Oberteils eines Wandlergehäuses der 1,
3 ein Schnitt längs der Azimut-Achse einer Wandleranordnung und einer Linse im Tastkopf der 1,
4 eine Bildebene, die durch Abtasten einer Wandleranordnung in einer variablen Scheiteldarstellung entstanden ist und
5A und 5B eine akustische Abtastlinie, die von einem Scheitelpunkt ausgeht und sich in einem Medium mit konstanter Schallgeschwindigkeit bzw. eine achsensymmetrische Linse ausbreitet.
In der Zeichnung sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. 1A zeigt ein Wandlergehäuse 2 mit einer rotierenden Wandleranordnung 4, neben der eine Linse 6 angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Linse 6 symmetrisch zur Rotationsachse 8 der Anordnung 4. Linsen mit der Eigenschaft, symmetrisch zur Rotationsachse zu sein, werden im folgenden als achsensymmetrische Linsen bezeichnet. Beispiele hierfür sind parabolische, sphärische und hyperbolische Linsen.
Aus den 1A und 2 geht hervor, daß das Gehäuse 2 neben der Linse 6 eine kontinuierlich verlaufende Fläche 10 hat. Im Bereich des Gehäuses 2 neben der Linse 6 bildet die kontinuierliche Fläche 10 des Gehäuses 2 ein Fenster 12, das zur Form der Linse 6 paßt. Vorzugsweise ist das Fenster 12 mit dem Gehäuse 2 inte griert, wie die 1 und 2 zeigen. In 1 passen die Krümmungsradien des Fensters 12 zu den Krümmungsradien der Linse 6.
Eine dünne Fettschicht 14 füllt den Spalt zwischen dem Fenster 12 und der Linse 6. Die Fettschicht 16 schmiert die Grenzschicht zwischen dem Fenster und der Linse 6 und hindert Luft am Eintritt.
Die Wandleranordnung 4 ist auf einem Stützwerkstoff 16 montiert, der akustisch abschwächend wirkt. Ein solches Material ist in US-PS 5,297,553 erläutert. Vorzugsweise besteht das Material 16 aus einem festen Polymer oder aus polymerbeschichteten Partikeln, die in eine makroskopisch feste Struktur eingeschmolzen ist, die eine verschlungene Restpermeabilität hat, wie dies in diesem Dokument erläutert ist. Diese Struktur liefert eine hohe akustische Abschwächung und ermöglicht einen Fluiddurchgang in die Stützstruktur während der Herstellung. Gegebenenfalls kann ein Behälter dem Stützmaterial 16 zusätzliche physikalische Integrität verleihen und das Stützmaterial 16 kann gegebenenfalls am Behälter durch Kleben befestigt werden. Die in dem genannten US-Patent erläuterten Stützmaterialien ermöglichen hohe akustische Dämpfung. Dies führt zu einem dünneren Stützmaterial und damit zu einer kleineren Größe des Tastkopfes.
In das Gehäuse 2 reicht ein drehbares Kabel 18, an dessen Ende eine Schnecke 20 befestigt ist, die in ein Schneckenrad 22 gemäß 1B greift. Das Schneckenrad 22 ist über eine senkrechte Welle 24 mit einem Zahnrad 26 verbunden, das mit einem Zwischenrad 28 kämmt, und dieses kämmt mit einem Ringrad 30, das an einer Drehplatte 32 befestigt ist. Diese ist an einem Halter 34 für eine Plattform 36 befestigt, welche das Stützmaterial 16, die Wandleranordnung 4 und die Linse 6 trägt. Ein gehäusefester Stift 38 an einem Ende des Gehäuses steht in den Halter 34 vor.
Die Plattform 36, der Halter 34 und die Drehplatte 32 sind spulenartig aufgebaut. Mehrere Kugellager 40 liegen in dem Halter 34. Vorzugsweise sind die Plattform 36 und der Halter 34 mit den Lagern 40 einstückig ausgebildet und aus gehärtetem rostfreien Stahl hergestellt.
Eine flexible Schaltung 42 ist um den Halter 34 herumgelegt und an ihm befestigt. Die Schaltung 42 verbindet die Wandleranordnung 4 elektrisch mit einer entfernt liegenden Ultraschallsteuerung. Vorzugsweise ist die Schaltung 42 unmittelbar mit den Elementen der Anordnung 4 verbunden.
Bei Benutzung des in den 1 und 2 dargestellten Tastkopfes kann die Wanderanordnung 4 mit der Linse 6 entweder vom Arzt, oder der Ultaschallsteuerung verdreht werden. Das Gehäuse 2 mit dem eingebauten Fenster 12 bleibt dagegen während der Drehung der Anordnung 4 in der Linse 6 stationär.
Die Verdrehung von Anordnung und Linse erfolgt durch Drehen des drehbaren Kabels 18 und damit des Schneckenantriebes für die Zahnräder 26, 28 und 30. Während der Drehung schmiert die Fettschicht 14 die Gleitfläche zwischen der Linse 6 und dem Fenster 12 des Gehäuses 2, so daß die Grenzschicht frei von Fehlstellen bleibt. Vorzugsweise wird die auf das Kabel 18 ausgeübte Kraft mechanisch erzeugt, insbesondere mit einem Elektromotor. Es kann aber auch das Kabel von Hand verdreht werden, indem der Arzt einen Knopf dreht. Vorzugsweise wird das Kabel außerhalb des Gehäuses 2 fernbedient, wie mit einem Elektromotor, der aber auch im Gehäuse 2 angeordnet sein kann, um das Getriebe bzw. die Schwenkplatte 32 direkt anzutreiben. Anstelle des rotierenden Kabels 18 und des Zahnradgetriebes 26, 28 und 30 lassen sich auch andere Drehantriebe verwenden, indem man beispielsweise ein lineares Stellglied benutzt und damit ein Kabel verschiebt, das an der drehbar angeordneten Wandleranordnung befestigt ist.
Vorzugsweise ist das gesamte Gehäuse 2 aus einem akustisch durchlässigen Material wie Kunststoff hergestellt. Vorzugsweise wird TBX^TM verwendet, ein Fabrikat von Mitsui Petrochemicals (Amerika) Ltd., 250 Park Ave., Suite 950, New York, New York 10177. Da also das gesamte Gehäuse aus einem solchen Werkstoff hergestellt ist, kann das akustische Fenster 12 im Gehäuse 2 dadurch ausgebildet werden, daß die Gehäusedicke im Bereich der Anordnung 4 und der Linse 6 dünner gehalten wird. Das Fenster 12 bedingt also nicht eine Aussparung im Gehäuse 2. Fenster 12 und Gehäuse 2 bilden so eine kontinuierliche Fläche 10 neben der Linse 6. So sind auch keine zusätzlichen Herstellungsschritte erforderlich, um das Fenster 12 abzudichten.
Die Dicke des Fensters 12 im Gehäuse 2 kann konstant und gleich einer halben Wellenlänge der Schallenergie bei der mittleren Frequenz der Wandleranordnung 4 betragen. Beträgt die Mittelfrequenz der Anordnung 4 beispielsweise 5 MHz, so wird das Fenster 12 0,2 mm dick und dabei ist die akustische Schnelle im Kunststoff mit 2000 ms^–1 angenommen.
Alternativ kann die Dicke des Fensters 12 in der kontinuierlich verlaufenden Fläche 12 des Gehäuses 2 abhängig vom Abstand der Achse 8 variieren. Beispielsweise kann das Fenster 12 als eine achsensymmetrische konvergierende Linse geformt werden, indem man die Dicke des Fensters 12 abhängig vom anwachsenden Abstand von der Achse 8 vergrößert (in der Annahme daß die Schallgeschwindigkeit im Gehäuse größer ist als die im Körper des Patienten). In entsprechender Weise kann das Fenster 12 auch als achsensymmetrisch divergierende Linse ausgebildet werden, in dem man die Dicke des Fensters 12 abhängig vom wachsenden Abstand von der Achse 8 verringert. Formt man somit den Fensterteil der kontinuierlichen Oberfläche 10 als Linse aus, so hat die Außenseite 11 des Fensters 12 eine andere Krümmung wie die Innenseite 13 des Fensters 12. In dieser alternativen Ausführungsform kann der Tastkopf mit oder ohne Linse 6 entworfen werden. Ist eine Linse 6 vorhanden, dann wird die Fläche 13 des Fensters 12 neben der Linse 6 passend zur Linse 6 ausgeformt und die Brennweite F ist durch folgende Beziehung bestimmt
Ferner kann die Dicke des Fensters 12 an der kontinuierlichen Fläche 10 verändert werden, um Nachhalleffekte zu unterdrücken, die bei einem Fenster von konstanter Dicke auftreten.
Das vorgenannte Mitsui TPX^TM Material wird wegen seines hohen Moduls und seiner geringen Dichte für das Gehäuse 2 bevorzugt und vermittelt mechanische Festigkeit und relative akustische Durchlässigkeit. Außerdem läßt sich mit der hohen dielektrischen Stärke dieses Materials die Dicke der Linse 6 verringern und damit auch das Profil des Gehäuses 2.
Die Linse 6 besteht aus Silikongummi, vorzugsweise Dow Corning Q5-8008 mit etwa 42% Silikondioxid Füllmaterial. Alternativ läßt sich Dow Sylgard 577 Primerless Silicone Adhesive RTV-560 verwenden, jedoch mit einer leichten Verschlechterung.
Das Fett 14 sorgt für eine Schmierung zwischen dem gehäusefesten Fenster 12 und der rotierenden Linse 6 an der Anordnung 4. Außerdem verhindert das Fett 14 einen Lufteintritt zwischen Fenster und Linse. Die Viskosität des Fetts 14 soll Luftblasen vermeiden sowie auch eine Kanalbildung, die sonst beim Drehen auftreten kann. Ferner soll das Fett 14 chemisch zum Werkstoff der Linse 6 und des Gehäuses 2 passen. Vorzugsweise besteht das Fett 14 aus Ölen auf synthetischer Basis und hat eine geringe kinetische Viskosität im Bereich von 10 bis 14 Centistokes bei 40°C. Verwendbare Fette sind Fluor, Silikon, Polyalphaolefin und Fluorätherfette.
Gemäß 1 kann die Linse 6 eine zylindrische Seitenwand 44 aufweisen, die an der Seite der Anordnung 4 nach unten verläuft. Eine Aussparung 46 (2) kann in der kontinuierlichen Fläche 10 des Gehäuses 2 ausgebildet sein, um mit der Linsenform zusammenzupassen. Eine Fettabdichtung 48 umgibt die zylindrische Wand 44 der Linse 6 und das Volumen zwischen der Linse 6 und dem Fenster 12 ist mit Fett 14 ausgefüllt. Eine Dichtung kann aber auch an der zylindrischen Wand 44 der Linse 6 und das Volumen zwischen der Linse 6 und dem Fenster 12 ist mit Fett 14 ausgefüllt. Eine Dichtung kann aber auch an der zylindrischen Wand 44 der Linse 6 integral ausgebildet sein.
Füllkanäle wie 47 und 49 in 2 können das Gehäuse 2 ergänzen, um den Zusammenbau zu erleichtern, Luftblasen zu vermeiden und um Fett nachzufüllen. Die Füllkanäle 47 und 49 sind zylindrische Bohrungen durch das Gehäuse 2 und sind mit dem fettgefüllten Zwischenraum zwischen dem Fenster 12 und der Linse 6 verbunden. Ein Stopsel kann zum Abdichten des Füllkanals Verwendung finden. Die Füllkanäle 47 und 49 erleichtern den Zusammenbau durch Zugang zu dem Zwischenraum, um Fett nachzufüllen oder Fett austreten zu lassen. Infolge des kleinen Volumens im Zwischenraum können thermisch bedingte Druckänderungen zu einem Fettverlust durch die Abdichtung 48 führen. Luftblasen werden durch Druckentlastung bei thermischer Ausdehnung und Zusammenziehung des fettgefüllten Zwischenraums über Fettstopsel verhindert, die sich in den Füllkanälen 47 und 49 entsprechend der Ausdehnung und Zusammenziehung des Fetts verschieben können.
Der Zusammenbau des Tastkopfes der 1 kann durch den Anbau der Linse mit der Seitenwand 44 an der Anordnung 4 erfolgen. Die Abdichtung 48 wird dann um die Seitenwand 44 gelegt und Fett 14 auf die Linse 6 und/oder das Fenster 12 gegeben. Die Anordnung 4 mit der Linse 6 wird dann in das Gehäuse 2 eingepaßt, indem man die Linse in die Aussparung 46 setzt und überschüssiges Fett 14 ausquetscht und damit auch Luftblasen im Fett 14, die durch die Füllkanäle 47 und 49 austreten. In alternativer Weise können die Linse 6 und die Anordnung 4 auch als Baugruppe in die Aussparung 46 eingesetzt werden, worauf das Fett 14 über einen der Füllkanäle 47 und 49 eingefüllt wird. Überschüssiges Fett 14 kann dann aus dem Gehäuse austreten, nachdem der Zwischenraum über den anderen Füllkanal gefüllt worden ist.
In einer anderen Ausführungsform kann die achsensymmetrische Linse 6 in der Aussparung 46 des Gehäuses 2 befestigt werden, so daß dann die Linse 6 gehäusefest im Gehäuse 2 sitzt und die Anordnung 4 unterhalb der Linse 6 rotiert. Andererseits kann auch auf die Aussparung 46 im Gehäuse 2 verzichtet werden und die achsensymmetrische Linse 6 wird dann an ihrem Umfang im Gehäuse 2 anstelle der Aussparung 46 befestigt und bildet eine gehäusefeste Abdichtung. Dann muß ebenfalls die Wandleranordnung 4 unterhalb der gehäusefesten Linse 6 rotieren.
Die Wandleranordnung 4 kann angeregt werden, ein zweidimensionales Bild eines Schnittes durch ein dreidimensionales Ziel zu erzeugen. Die den Schnitt enthaltende Ebene wird im folgenden als Objektebene bezeichnet. Das Fokussieren in einer Richtung, im folgenden als Elevationsrichtung bezeichnet erfolgt durch die Linse 6. Für die Anordnung und die Linsengeometrie der 1 bis 4 ist die Elevationsrichtung die Richtung parallel zur Längsachse der Elemente der Anordnung 4. Das Fokussieren in der rechtwinkligen Richtung, im folgenden als Azimutrichtung bezeichnet, kann elektronisch erfolgen, indem man bekannte Verzögerungs- und Summierungsvorgänge benutzt, wie sie in US-Patent 4,140,022 und 4,550,607 erläutert sind. Die Azimutrichtung liegt rechtwinklig zur Längsachse der Elemente der Wandleranordnung 4. Das azimutale Fokussieren ermöglicht ein Fokussieren der akustischen Energie in Brennpunkten der Objektebene.
Da die Dicke der Linse 6 in Azimutrichtung variiert, kommt es zu einem azimutalen Fokussieren, so daß der Verzögerungs- und Summierungsvorgang zum elektronischen Fokussieren in der Azimutrichtung modifiziert werden soll, um die von der Linse herrührende Komponente der azimutalen Fokussierung zu kompensieren. Die genaue Geometrie und Fokussiereigenschaften der Linse werden zuerst bestimmt. Die Ultraschallsteuerung kann dann kompensierende elektronische Verzögerungswerte über die Sende- und Empfangselektronik eingeben, um die von der Linse herrührende Komponente des azimutalen Fokussierens zu berücksichtigen.
Zeiteffekte, die von einer azimutal gekrümmten Linse herrühren, können mit dem Gesetz von Fermat betreffend der kürzesten Bahn und mit einer geometrischen Strahlenführung hinsichtlich der Linsengeometrie und durch Einstellen entsprechender elektronischer Verzögerungen berücksichtigt werden. Für eine bestimmten Linsengeometrie kann die minimale Zeitdauer von jedem Element der Anordnung 4 durch die Linse 6 zu jedem Fokussierpunkt in der Objektebene berechnet werden. Bei einer Linse, bei der die Schallgeschwindigkeit in der Linse geringer ist als im Körper, wie bei einer Silikongummilinse, ist die minimale Zeitdauer für eine Anordnung mit einer Linse länger als ohne Linse. Verzögerungszeiten müssen daher in der Sende- und Empfangsschaltung modifiziert werden, um die höhere Ausbreitungszeit zu kompensieren. Alternativ können die erforderlichen Kompensationsverzögerungen mit Hilfe des Gesetzes von Snell und geometrischer Strahlenführung der Linsengeometrie abgeleitet werden.
In 3 ist ein Schnitt der Wandleranordnung 4 und der Linse 6 dargestellt, wobei der Schnitt in der Azimutrichtung durch den Mittelpunkt der Anordnung verläuft. Einzelne Wandlerelemente 4a bis 4p liegen neben der Linse 6. Ein Brennpunkt 50 im Körper des Patienten ist dargestellt.
Für eine bestimmte Linsengeometrie wird die minimale Zeitdauer von jedem Element der Anordnung 4 durch die Linse 6 zu dem Brennpunkt 50 in der Objektebene wie folgt berechnet. Geht man von einem Wandlerelement 4d im Punkt (x_I, 0) und von einem Brennpunkt 50 bei (x₃, y₃) aus, so kreuzt die minimale zeitliche Entfernung für das Wandlerelement 4d die Grenzschicht zwischen Linse 6 und Körper im Punkt (x₂, y₂). Die minimale Ausbreitungszeit t ist dann:
In Gleichung 2 ist B gleich der Bahnlänge in der Linse und C die Bahnlänge im Körper entsprechend der minimalen zeitlichen Entfernung, C_lens und C_body sind die Schallgeschwindigkeiten in der Linse und im Körper.
Ist die Linse 6 sphärisch, dann beträgt die Dicke T der Linse im Punkt (x₂, y₂):
In Gleichung 3 bedeutet T die maximale Dicke der sphärischen Linse, die über dem Mittelelement der Anordnung 4 liegt und R ist der Krümmungsradius der Linse. Die Gleichung für T(x) für eine spärische Linse wird mit der Gleichung für T(x) einer parabolischen Linse angenähert:
Durch Einsetzen von y₂ kann die Gleichung (2) für die minimale Ausbreitungszeit t als Funktion der variablen x₂ neu geschrieben werden:
Die Koordinate x₂, die t minimiert, kann dann beispielsweise durch einen iterativen Suchvorgang aufgefunden werden. Sobald x₂ für das in x₁ zentrierte Wandlerelement 4d bestimmt ist, kann der Unterschied x₂ – x₁ als Anfangswert für den Suchvorgang nach x₂ für benachbarte Wandlerelemente 4c und 4e benutzt werden. Kennt man x₂ entsprechend der minimalen Ausbreitungszeit t für jedes Element 4a bis 4p der Anordnung 4, so beträgt die entsprechende Verlängerung der Ausbreitungszeit bei der Linse 6 für jedes Element der Anordnung 4:
wobei A der Abstand zwischen dem Element und dem Brennpunkt 50 im Punkt (x₃, y₃) ist. Die Verzögerung für jedes Element der Anordnung wird durch Eingeben des richtigen Wertes x₂ bestimmt. Entsprechende Verzögerungen müssen für jeden Brennpunkt in der Objektebene berechnet werden. Da die minimale Zeitentfernung für eine Anordnung für eine Linse größer ist als für eine Anordnung ohne Linse wird die Änderung der Verzögerungszeit Δt von der Verzögerungszeit abgezogen, die die Ultraschallsteuerung ohne Vorhandensein der Linse vornehmen würde, um ein azimutales Fokussieren zu erzielen. Die Bestimmung der Verzögerungszeit, die von der Ultraschallsteuerung bei Abwesenheit einer Linse vollzogen wird, ist in US Patent 4,140,022 und 4,550,607 erläutert.
Der hier beschriebene Tastkopf kann mit einer Steuerung benutzt werden, die ein Abtasten in mehreren Abtast- und Anzeigeformaten erlaubt, einschließlich einem veränderlichen Scheitelformat, wie es in US 5,148,810 , US 5,261,408 und 5,235,986 erläutert ist. Das variable Scheitelabtast- und Anzeigeformat liefert ein erweitertes Feld von Ansichten in einer vorgegebenen Wandleranordnungsgeometrie, indem Ultraschalldruckwellen abgegeben und Echos in einem Satz räumlich nicht überlappend akustische Abtastlinien empfangen werden, wobei jede akustische Abtastlinien in einem beliebigen Punkt und unter einem beliebigen Winkel zur Stirnseite der Anordnung beginnt. Der Satz akustischer Abtastlinien wird von einer Softwaresteuerung erstellt. Wie in US 5,148,810 erläutert, kann der akustische Abtastliniensatz mit Strahlen fluchten, die von einem gemeinsamen Scheitelpunkt ausgehen, der in einem wählbaren Abstand hinter der Stirnseite der Wandleranordnung liegt. Der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt und der Stirnseite der Wandleranordnung 4 wird hier als Scheitelpunktlagerung 62 wiedergegeben.
So zeigt 4 die Wandleranordnung 4. Der akustische Abtastliniensatz erzeugt ein Betrachtungsfeld 52 im variablen Scheitelformat. Der akustische Abtastliniensatz scheint im gemeinsamen Scheitelpunkt 54 zu entspringen. Eine Abtastlinie 56 aus dem Abtastliniensatz ist dargestellt. Die Abtastlinie 56 entspringt dem Punkt 58 an der Stirnseite der Wandleranordnung 4 und hat einen Winkel θ zur Normalen 57, die rechtwinklig zur Wandleranordnung 4 liegt. Die Scheitelpunktverlagerung 62 ist ebenfalls dargestellt.
Der Punkt 58 auf der Stirnseite der Wandleranordnung 4, von wo die Abtastlinie 56 ausgeht, wird im folgenden als Ursprungspunkt bezeichnet. Für eine vorgegebene Geometrie der Wandleranordnung ist der Ursprungspunkt mit Hilfe der Softwaresteuerung auswählbar. Der Ursprungspunkt für die planare Anordnung der 4 liegt auf einer Geraden 59, welche die einzelnen Wandlerelemente an dem Punkt verbindet, der annähernd dem Massenmittelpunkt der für die Anordnung 4 geltenden Apodizationsfunktion entspricht. So läßt sich der Ursprungspunkt kontrollieren, indem man Apodizationswerte jedem Element der Wandleranordnung 4 zuteilt, so daß der Massenmittelpunkt der Apodizationsfunktion dem gewünschten Punkt 58 an der Stirnseite der Wandleranordnung 4 entspricht, wie dies in US 5,148,810 erläutert ist.
Um den Tastkopf der 4 in dem variablen Scheitelpunktabtast- und anzeigeformat zu betreiben, kompersiert die Ultraschallsteuerung das Vorhandensein der achsensymmetrischen Linse 6 zwischen der Wandleranordnung 4 und den zu betrachtenden Körperteilen. Die Linse 6 vergrößert den Abstand zwischen dem Scheitelpunkt und dem zu betrachtenden Körperteil (a) und bricht die akustischen Abtastlinien (b).
5A zeigt den vergrößerten Abstand zwischen dem Scheitelpunkt 54 und dem zu betrachtenden Körperteil 60 infolge der vorhandenen Linse 6. Tastet man ohne Linse ab, so ist die Scheitelpunktverlagerung 62 gleich dem Abstand zwischen dem Scheitelpunkt 54 und der Stirnseite der Wandleranordnung 4. Die Ultraschallsteuerung geht aber bei vorhandener Linse 6 davon aus, daß das Körperteil in einer Ebene 60 beginnt, die parallel zur Stirnseite der Anordnung 4 verläuft. Die Abtastlinie 56 entspringt dem Punkt 58 an der Stirnseite der Anordnung 4 und unter dem Winkel θ gegenüber der Senkrechten zur Stirnseite der Anordnung. Die Abtastlinie 56 schneidet die Ebene 60 im Punkt 66.
Die Ultraschallsteuerung kompensiert die Abstandsvergrößerung zwischen dem Scheitelpunkt 54 und dem zu betrachtenden Körperteil, indem eine Nachstellung 64 der Verlagerung erfolgt, welche die Dicke der Linse 6 berücksichtigt. Diese Verlagerung 64 VA_lens ist definiert wie folgt:
wobei VA gleich der Verlagerung des Scheitelpunktes für eine konstante Schallgeschwindigkeit im Medium (d.h. ohne Linse) ist, C_body gleich die Schallgeschwindigkeit im Körper, C_lens die Schallgeschwindigkeit in der Linse 6 und T die maximale Dicke der Linse.
So veranlaßt die Linse 6 vor der Anordnung 4 eine Brechung der akustischen Abtastlinie und erfordert damit eine Verschiebung des Ursprungspunktes um einen Abstand Δx in der Azimutrichtung. 5B zeigt einen Schnitt durch die Anordnung 4 und die Linse 6, wobei der Schnitt längs der Azimutrichtung durch die Anordnung 4 verläuft. Eine Abtastlinie 68 entspringt einem Punkt 70 an der Stirnseite der Anordnung 4. Die Abtastlinie 68 verläuft durch die Linse 6 zur Grenzfläche zwischen Linse und Körper im Punkt 72. Dann schneidet die Abtastlinie 68 die Ebene 60, wobei im Punkt 74 das Bild entsteht.
Die Abtastlinie 68 verläuft durch die Linse 6 unter einem Winkel θ_lens gegenüber einer Senkrechten 76 zur Stirnseite der Anordnung 4 und verläuft durch den Körper unter einem Winkel θ gegenüber der Senkrechten 76. Der Winkel der Grenzschicht zwischen Linse und Körper im Punkt 72 gegenüber der Ebene 60 ist mit θ_c bezeichnet.
Die richtige Verschiebung Δx des Ursprungspunktes 70 muß für die Abtastlinie 68 berechnet werden, so daß der in 5B gezeigte Punkt 74 mit dem Punkt 66 der 5a zusammenfällt. Die Verschiebung des Ursprungspunktes Δx muß für jede Abtastlinie im Liniensatz berechnet werden. Die Verschiebung des Ursprungspunktes Δx von Seiten der Linse 6 wird wie folgt bestimmt.
Bezieht sich x auf die horizontale Lage eines Punktes, der vom Mittelpunkt 78 der Anordnung 4 aus gemessen wird und y auf die vertikale Lage des Punktes, wie sie von der Ebene 60 ausgemessen wird, wo die Bildentstehung beginnt, dann ist die horizontale Lage des Punktes 74, in dem die Abtastlinie 68 die Bildebene 60 schneidet wie folgt definiert: x74 = x66 = VAlens·tan θ (8)
Für eine sphärische, achsensymmetrische Linse 6 ist die horizontale Lage des Punktes 72, in dem die Abtastlinie 68 die Grenzschicht von Linse und Körperteil schneidet, wie folgt:
wobei R der Krümmungsradius der Linse 6 in der Azimutrichtung ist. Man erhält die Gleichung (11) durch Lösen der quadratischen Gleichung (10) und Wurzelziehen. Gleichung (11) kann mit folgender Annäherung vereinfacht werden.
Mit dieser Annäherung bestimmt sich die horizontale Lage des Punktes 72 mit:
Der Winkel θ_c der Grenzschicht Linse/Körper gegenüber der Bildebene 60 im Punkt 72 ist:
Der Winkel θ_lens der Abtastlinie 60 in der Linse 6 in Bezug auf die Senkrechte 76 bestimmt sich durch das Gesetz von Snell wie folgt:
Benutzt man den Winkel θ_lens, so ist die horizontale Lage des Ursprungspunktes 70 gleich
und die Verlagerung Δx des Ursprungspunktes ist gleich Δx = x70 – VA·tanθ (19)
Die Verlagerung Δx des Ursprungspunktes ermöglicht es so, den gewünschten Punkt an der Stirnfläche der Wandleranordnung gleich dem Massenmittelpunkt der Apodizationsfunktion der Wandleranordnung zu setzen.
Die Verzögerung für den Start der Linie sollte ebenfalls auf der Basis von Linie zu Linie nachgestellt werden, um die Bildverzerrung zu verringern. Die Verzögerung für den Start der Linie infolge der Linse 6 ist gleich der Ausbreitungszeit von der Stirnfläche der Wandleranordnung durch die Linse 6 zu einer Ebene, von der die Ultraschallsteuerung annimmt, daß der Körper beginnt, d.h. der Bildebene 60 und wieder zurück. Die Ultraschallsteuerung geht typischerweise davon aus, daß der Körper in einer Ebene beginnt, die parallel zur Stirnseite der Wandleranordnung 4 und tangential zur Linse 6 verläuft.
Benutzt man die Werte für den Ursprungspunkt, so läßt sich die Veränderung der Verzögerung für den Start der Linie für jede Linie wie folgt angenähert ausdrücken:
Ultraschalldaten, die man nach der Verzögerung des Starts der Linie erhält, werden von der Ultraschallsteuerung angezeigt, während früher erhaltene Daten gelöscht werden.

Claims

Ultraschallwandler-Tastkopf mit einer Ultraschallwandleranordnung (4), einer neben der Ultraschallwandleranordnung (4) liegenden Linse (6) und mit einem die Ultraschallwandleranordnung (4) und die Linse (6) umschließenden Gehäuse (2), während das Gehäuse (2) eine neben der Linse (6) kontinuierlich verlaufende Oberfläche (12) für den Durchgang von Ultraschallenergie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler-Tastkopf weiterhin einen Füllkanal (47; 49) für eine Fettschicht (14) zwischen Linse (6) und Gehäuse (2) aufweist.
Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (6) an der, Ultraschallwandleranordnung (4) befestigt ist.
Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandleranordnung (4) auf einer Platte (36) sitzt, die mit einem ersten Ende eines Abstandhalters (34) verbunden ist, dessen zweites Ende mit einem Schwenkteil (32) verbunden ist, das mit einem Getriebe (26) verbunden ist.
Tastkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierliche Oberfläche (12) des Gehäuses (2), wie sie neben der Linse (6) liegt, so geformt ist, dass sie an die Linse (6) angepasst ist.
Ultraschallsystem für Diagnose des Körperinneren mit einem Ultraschallwandler-Tastkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer achsensymmetrischen Linse (6) und einem Gehäuse (2), das eine kontinuierliche Fläche (12) neben der Linse (6) aufweist, ein Steuer- und Betriebssystem zur elektrischen Signalverarbeitung des Tastkopfes und Mitteln zum Anschließen des Tastkopfes an das Betriebs- und Steuersystem.
Verfahren zum Erzeugen diagnostischer Information aus einem Körperinneren mit folgenden Schritten: ein Ultraschallsystem mit elektronischer Übertragung und elektronischem Empfang, eine Anordnung (4) von Ultraschallwandlerelementen mit einer Stirnfläche und eine achsensymmetrische Linse (6) über der Anordnung (4) wird vorgesehen, um akustische Druckwellen in einen Körper zu übertragen und akustische E chos aus dem Körper durch die Linse (6) längs eines akustischen Liniensatzes zu empfangen, Speichern eines Anstieges einer Ausbreitungszeit zu einem Brennpunkt auf einer akustischen Linie eines akustischen Liniensatzes infolge der achsensymmetrischen Linse (6) für mindestens ein Wandlerelement (4a, 4d, 4p) der Anordnung (4) und Nachstellen einer Übertragungs- und Empfangselektronik entsprechend dem gespeicherten Anstieg der Ausbreitungszeit.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem zum Nachstellen der Übertragungs- und Empfangselektronik eine Verzögerungszeit nachgestellt wird, die man durch variable elektronische Verzögerungen erhält, die an die Wandlerelemente der Anordnung angeschlossen sind, und bei dem die Nachstellung der Verzögerungszeit darin besteht, dass die Verzögerungszeit um den gespeicherten Wert vermindert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der akustische Liniensatz aus einem Satz räumlich sich nicht überlappender akustischer, Linien besteht und jede akustische Linie im akustischen Liniensatz einen Ursprungspunkt in einem zählbaren Funkt an der Stirnseite der Anordnung hat.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem mindestens eine akustische Linie an einer Grenzschicht zwischen dem Körper und der Linse gebrochen wird und der Ursprungspunkt für jede akustische Linie so gewählt wird, dass eine Verlängerung der akustischen Linie im Körper über die Grenzschicht hinaus einen im wesentlichen gemeinsamen Scheitelpunkt schneidet, der nicht an der Stirnseite der Anordnung liegt.