DE3842462A1

DE3842462A1 - Ultraschall-abbildungsgeraet

Info

Publication number: DE3842462A1
Application number: DE3842462A
Authority: DE
Inventors: Hideo Harada
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-12-17
Filing date: 1988-12-16
Publication date: 1989-06-29
Also published as: US4926380A; JP2735203B2; DE3842462C2; JPH01160535A

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Abbildungsgerät, bei dem ein Ultraschallstrahl auf ein Untersuchungsobjekt gerichtet, eine Echowelle vom Objekt in ein elektrisches Signal oder Echosignal umgewandelt und letzteres zur Wiedergabe eines (tomographischen) Bilds bzw. einer Abbildung verarbeitet wird.

Bei einem bisherigen Ultraschall-Abbildungsgerät sind eine Ultraschallsonde mit einem Wandler zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen und eine Übertrager- oder Sender/Empfängerschaltung zum Erzeugen eines Sendesignals (auch als Ansteuer- oder Anregungsimpuls bezeichnet) und zum Verarbeiten eines Empfangssignals (eines Echosignals) vom Wandler mittels eines Kabels (Drahtleitungen) miteinander gekoppelt.

Da der Wandler dieses Ultraschall-Abbildungsgerät in einem Empfangsmodus eine reflektierte Ultraschallwelle empfängt und diese in ein elektrisches Signal umwandelt, kann er - vom Aufbau oder Gehäuse (body) des Geräts aus betrachtet - als Signalquelle angesehen werden. Gemäß einem allgemeinen Prinzip bei der Spannungsübertragung ist eine niedrigere Ausgangsimpedanz der Signalquelle vom Standpunkt des (der) Signalverlusts oder -dämpfung günstiger. Die Ausgangsimpedanz des Wandlers ist jedoch vergleichsweise hoch, und das Empfangssignal ist deshalb einer Dämpfung durch die Impedanz der Drahtleitungen und der Sender/Empfängerschaltung, insbesondere eine elektrostatische Parallelkapazität, unterworfen. Die Größe der Dämpfung hängt vom Verhältnis der Impedanz der Signalquelle zur Impedanz der Sender/Empfängerschaltung ab.

Es sei angenommen, daß V 1 die Spannung der Signalquelle, die Impedanz C des Kabels und der Sender/Empfängerschaltung C = Cp // Cc // Ctr und die Induktivität L gleich Null sind. In diesem Feld bestimmt sich eine Spannung V 2 des Empfangssignals zu:

V 2 = {Rtp/(Rp + Rtr + j l C · Rp · Rtr )} × V 1 (1)

Darin bedeutet: CP = elektrostatische Kapazität der Ultraschallsonde, Cc = elektrostatische Kapazität des Kabels, Ctr = elektrostatische Kapazität des Gehäuses oder Aufbaus des Geräts, Rp = Widerstand der Sonde und Rtr = Widerstand des Geräteaufbaus. Aus Gleichung (1) geht hervor, daß die Spannung V 2 des Empfangssignals um so kleiner ist, je größer die Werte von C, ω sind. Diese Gleichung zeigt auch, daß die Dämpfungsgröße des Empfangssignals um so größer ist, je höher die im Gerät angewandte Frequenz ist.

Aus diesem Grund werden herkömmlicherweise als Gegenmaßnahmen für die Dämpfung des Empfangssignals die folgenden Maßnahmen getroffen:

1. Die Induktivität L wird zur elektrostatischen Kapazität C der Drahtleitungen und der Sender/Empfängerschaltung parallelgeschaltet, um eine Parallelresonanz auf etwa der Wandler-Mittenfrequenz von fo = 1/(2π LC) herbeizuführen. Hierdurch wird eine Signaldämpfung bei etwa der Resonanzfrequenz vermieden.
2. Ein Impedanzumformer oder -umwandler (transformer) wird zwischen den Wandler und die Drahtleitung geschaltet, um die Impedanz, vom Wandler zur Drahtleitung und zur Sender/ Empfängerschaltung gesehen, zu erhöhen. Hierdurch wird die Signaldämpfung verringert.
3. Die elektrostatische Kapazität der Drahtleitung und der Sender/Empfängerschaltung wird verkleinert.
4. Die Impedanz des Wandlers wird verringert.

Die obigen Maßnahmen sind jedoch mit den folgenden Problemen verbunden:
Da sich in dem unter 4. beschriebenen Fall die Impedanz des Wandlers durch dessen physikalische Größe und Material bestimmt, kann die Impedanz nicht auf eine gewünschte Größe eingestellt werden. Da in dem unter 3. genannten Fall die elektrostatische Kapazität aufgrund der Komplizierung der Sender/Empfängerschaltung infolge ihres Mehrkanalaufbaus und ihrer hohen Leistung sowie aufgrund der hochdichten Ausgestaltung (Integration) dieser Schaltung und ihrer davon herrührenden Komplizierung zu einem Anstieg tendiert, ist es schwierig, die elektrostatische Kapazität herabzusetzen. Die unter 2. genannte Maßnahme ist für eine neu entwickelte Sonde großer Abmessungen wirksam, sie kann jedoch nicht auf bereits vorhandene Ultraschallsonden angewandt werden. Die unter 1. angegebene Maßnahme ist wirksam für ein Gerät, bei welchem die elektrostatische Kapazität bestimmt oder festgelegt ist, sie kann jedoch nicht gleichzeitig auf ein anderes Gerät mit einer unterschiedlichen elektrostatischen Kapazität angewandt werden, weil die Größe der Induktivität L geändert werden muß. Zudem muß die Größe der Induktivität L für jeden Kanal eingestellt werden, wenn die einzelnen Kanäle jeweils eine unterschiedliche elektrostatische Kapazität aufweisen. Insbesondere dann, wenn die elektrostatische Kapazität groß wird, muß die Größe der Induktivität L verkleinert werden; in diesem Fall wird der Q-Wert (Güte) groß und damit der effektive Frequenzbereich eng. Als Ergebnis wird kein ausreichendes Signal erzielt.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Ultraschall-Abbildungsgeräts, bei dem die Dämpfung eines Empfangssignals (oder empfangenen Signals) von einer Ultraschallsonde verringert sein kann, wobei die bereits verwendete oder vorhandene Ultraschallsonde ohne Abwandlung auch für andere Ultraschall-Abbildungsgeräte einsetzbar sein soll.

Diese Aufgabe wird bei einem Ultraschall-Abbildungsgerät, umfassend eine Ultraschallsonde zum Richten eines Ultraschallstrahls auf ein Untersuchungsobjekt und zum Empfangen einer vom Untersuchungsobjekt reflektierten Ultraschallweise zwecks Umwandlung derselben in ein Echosignal sowie eine an die Ultraschallsonde angekoppelte Sender/ Empfängerschaltung zur Lieferung eines Ansteuersignals für die Ansteuerung der Ultraschallsonde und zur Verarbeitung des Echosignals, erfindungsgemäß gelöst durch eine zwischen die Ultraschallsonde und die Sender/ Empfängerschaltung eingeschaltete Anschlußeinheit mit einer Impedanz-Umwandlungseinheit einer hohen Eingangsimpedanz und einer niedrigen Ausgangsimpedanz zum Abnehmen des von der Ultraschallsonde abgegebenen Echosignals mit hoher Impedanz und zum Ausgeben des abgenommenen (taken-in) Echosignals mit niedriger Impedanz.

Erfindungsgemäß werden das Übertragungs- oder Sendesignal zur Ansteuerung des Wandlers der Ultraschallsonde mit niedrigem Verlust an den Wandler angelegt, das Empfangssignal vom Wandler bei hoher Impedanz abgenommen (taken in) und das abgenommene (taken-in) Empfangssignal bei oder mit niedriger Impedanz zur Sender/Empfängerschaltung ausgegeben.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ultraschall-Abbildungsgeräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines einem Ultraschallwandler zugeordneten Ultraschall-Abbildungsgeräts,

Fig. 3 ein Schaltbild des Ultraschall-Abbildungsgeräts nach Fig. 2 und

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Ultraschall-Abbildungsgeräts gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 ist eine Ultraschallsonde 1 aus einem Array (oder einer Reihe) aus einer Anzahl von Wandlern 1 a gebildet und über ein Kabel 3 mit einem Verbinder 3 a verbunden. Letzterer ist mit mehreren Verbindungs- oder Anschlußsteckerstiften für die trennbare Verbindung mit einem Verbinder 11 a einer Anschlußeinheit (junction unit) 11 versehen. Der Verbinder 11 a der letzteren ist mit zahlreichen Anschlußbuchsen versehen, die mit den Steckerstiften des Verbinders 3 a verbindbar sind. Ein Verbinder 11 b der Anschlußeinheit 11 ist trennbar mit einem Verbinder 9 a verbunden, der seinerseits an einem Aufbau oder Gehäuse (body) 9 des Ultraschall-Abbildungsgeräts angebracht ist.

Das Ultraschall-Abbildungsgerät umfaßt in an sich bekannter Weise eine Sender/Empfängerschaltung 15 mit einem Sender (Übertrager) 4 und einem Empfänger 5, einen digitalen Abtastumsetzer (D.S.C.) 21 und einen Fernseh-Monitor 22.

Gemäß Fig. 2 ist jeder Wandler 1 a der Ultraschallsonde 1 an das eine Ende des Kabels angeschlossen, dessen anderes Ende mit dem Verbinder (Steckerstift) 3 a verbunden ist. Der Verbinder 3 a ist trennbar mit dem Verbinder (Anschlußbuchse) 11 a der Anschlußeinheit 11 verbunden.

Die Anschlußeinheit 11 umfaßt einen Hochspannungs-Begrenzer 6, einen Impedanz-Umwandler 7 und eine als Übertragungssignal-Durchlaßeinheit dienende Übertragungsimpuls-Durchlaßschaltung 8. Die Anschlußbuchse 11 a der Anschlußeinheit 11 ist mit dem Steckerstift 3 a der Ultraschallsonde verbunden, und der Steckerstift 11 b ist mit der Anschlußbuchse 9 a des Gerätegehäuses verbunden. Die Ultraschallsonde 1 und das Gerätegehäuse 9 sind somit über die Anschußeinheit 11 miteinander verbunden oder gekoppelt.

Wenn der Standard für den Verbinder 3 a der Ultraschallsonde 1 nicht dem des Verbinders 9 a des Gerätegehäuses 9 entspricht, kann für die Anschlußeinheit 11 ein auswechselbarer Verbinder eingesetzt werden.

Der Hochspannungs-Begrenzer 6 liefert das Empfangssignal zum nachgeschalteten Impedanz-Umwandler 7 unter Aufrechterhaltung des Empfangssignals auf Amplituden unterhalb eines (einer) vorbestimmten Pegels oder Größe. Dieser Umwandler 7 besitzt eine Funktion zum Empfangen bzw. Abnehmen des Empfangssignals mit einer hohen Impedanz und zu seiner Übertragung mit einer niedrigen Impedanz.

Die oben spezifizierte Übertragungssignal-Durchlaßschaltung 8 ist vorgesehen zur Entsprechung zum oder Anpassung des Wandlers 1 a und besitzt eine Funktion, um ein Übertragungssignal (Ansteuerimpuls), das den Wandler anzusteuern vermag, mit niedrigem Verlust bzw. niedriger Dämpfung durchzulassen. In diesem Fall wird ein positiver Rechteckansteuerimpuls zum Wandler (1 a) geliefert.

Gemäß Fig. 3 besteht der Hochspannungs-Begrenzer 6 aus einer Diodenbrückenschaltung 12 sowie Widerständen RA und RB. Der Impedanz-Umwandler 7 besteht aus einem Emitterfolger(kreis) aus einem Transistor 13, einer Diode D 1 und einem Widerstand RE. Die Übertragungssignal-Durchlaßschaltung 8 ist aus einer Diode D 2 und einer Reihenschaltung aus Dioden D 3, D 4 und D 5 geformt.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 wird das Empfangssignal (empfangene Echo) vom Wandler 1 a über die den Hochspannungs-Begrenzer 6 bildende Diodenbrückenschaltung 12 zur Basis des Transistors 13 geleitet, dessen Emitter- Ausgangssignal über die Diode D 1 zur Sender/Empfängerschaltung 15 des Geräts 9 geliefert wird. Andererseits wird das Sendesignal dem Wandler 1 a über die Diode D 2 oder die Dioden D 3, D 4, D 5 zugeführt. Der an die Diode D 1 angeschlossene Widerstand RE ist vorgesehen, um einen Emitterstrom über den Transistor 13 fließen zu lassen.

Die Arbeitsweise des beschriebenen Geräts ist nachstehend erläutert.

Wenn in einem Übertragungs- oder Sendemodus ein vom Sender(kreis) 4, speziell einem Impulsgeber, im Gerätegehäuse 9 abgegebener positiver Rechteck-Ansteuerimpuls ansteigt, wird er über die Diode D 2 zum Wandler 1 a übertragen; wenn er abfällt, wird er durch die die Übertragungssignal- Durchlaßschaltung 8 bildenden Dioden D 3-D 5 durchgelassen. Zu diesem Zeitpunkt werden die entgegengesetzt gepolte Diode D 1 und die Diodenbrückenschaltung 12 nicht-leitend gemacht bzw. zum Sperren gebracht, so daß der Ansteuerimpuls nicht an den Impedanz-Umwandler 7 angelegt wird. Bei Speisung mit dem Ansteuerimpuls kann der Wandler 1 a einen Ultraschallstrahl emittieren.

Wenn in diesem Sendemodus der Ansteuerimpuls positive Polarität besitzt, passiert er die Diode D 2 in deren Durchlaßrichtung; wenn er dagegen negative Polarität besitzt, läuft er durch die Dioden D 3-D 5. Die Dämpfung des Ansteuerimpulses (Übertragungs- oder Sendesignal) ist daher äußerst gering.

In einem Empfangsmodus wird eine auf dem vom Wandler 1 a übertragenen Ultraschallstrahl basierende reflektierte Welle (Echowelle) vom Wandler 1 a empfangen, um in ein Echosignal umgesetzt zu werden. Das Echosignal wird vom Hochspannungs-Begrenzer 6 und vom Impedanz-Umwandler 7 abgenommen. Wenn die Diodenbrücke(nschaltung) 12 gemäß Fig. 3 abgeglichen ist und die positive Speisespannung (VDD) und die negative Speisespannung (VEE) einander (in ihrem Absolutwert) gleich sind, d. h. VDD = -VEE gilt, stehen eine Spannung VA am Punkt A, eine Spannung VB am Punkt B, VDD und VEE in folgender Beziehung zueinander:

VA = VB = (VDD + VEE)/2 = 0 V (2)

Demzufolge bestimmt sich eine Ausgangsspannung VE des Emitterfolgers zu:

VE = VA - (VBE + VF) = -1,4 V

In obiger Gleichung bedeuten: VBE = Basis-Emitterspannung des Transistors 13 und VF = Durchlaßspannungsabfall der Diode D 1. Dies zeigt, daß die Diode D 2 in Sperrichtung vorgespannt ist und daher in den Sperrzustand versetzt ist oder wird.

Während einer Zeitspanne, in welcher kein Ansteuerimpuls an dem Wandler 1 a angelegt wird, arbeitet daher der Transistor 13 als Emitterfolger, wobei sein Emitterstrom mit dem Empfangssignal variiert. Der Emitterfolger (Kollektorschaltung) kennzeichnet sich dadurch, daß er die Eingangsimpedanz (ein Mehrfaches von 10 kΩ oder mehr) zu erhöhen und die Ausgangsimpedanz zu senken vermag.

Eine Ausgangsspannung VE vom Emitterfolger bzw. ein Echosignal wird über die Verbinder 11 a und 9 a an den Empfänger 5 angelegt, durch den das Echosignal verarbeitet wird, um z. B. als B-Mode-Signal abgegeben zu werden, das durch den digitalen Abtastumsetzer 21 in ein Fernsehsignal umgesetzt wird. Das Fernsehsignal wird dem Fernseh-Monitor 22 eingespeist, um ein dem B-Mode-Signal entsprechendes B-Mode-Bild wiederzugeben.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist die Anschlußeinheit 11 trennbar zwischen die Sonde 1 und das Gehäuse (main body) 9 des Ultraschall-Abbildungsgeräts eingeschaltet. Bei der anderen Ausführungsform nach Fig. 4 ist dagegen die Anschlußeinheit 11 im Gehäuse 9 des Ultraschall-Abbildungsgeräts angeordnet. Mit dieser Anordnung werden dieselben Vorteile wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erzielt.

Mit der beschriebenen Anwendung der Erfindung auf ein Ultraschall-Abbildungsgerät mit einer Schaltung, in welcher eine Kondensatorkomponente einer großen Kapazität enthalten ist, kann somit auf vorstehend erläuterte Weise die Dämpfung eines von einer Ultraschallsonde empfangenen Signals auf eine Mindestgröße unterdrückt werden, so daß eine bereits vorhandene Ultraschallsonde ohne Abwandlung bei verschiedenen Ultraschall-Abbildungsgeräten einsetzbar ist.

Claims

1. Ultraschall-Abbildungsgerät, umfassend
eine Ultraschallsonde zum Richten eines Ultraschallstrahls auf ein Untersuchungsobjekt und zum Empfangen einer vom Untersuchungsobjekt reflektierten Ultraschallwelle zwecks Umwandlung derselben in ein Echosignal sowie eine an die Ultraschallsonde angekoppelte Sender/Empfängerschaltung zur Lieferung eines Ansteuersignals für die Ansteuerung der Ultraschallsonde und zur Verarbeitung des Echosignals, gekennzeichnet durch
eine zwischen die Ultraschallsonde (1) und die Sender/Empfängerschaltung (15) eingeschaltete Anschlußeinheit (11) mit einer Impedanz-Umwandlungseinheit (7) einer hohen Eingangsimpedanz und einer niedrigen Ausgangsimpedanz zum Abnehmen des von der Ultraschallsonde abgegebenen Echosignals mit hoher Impedanz und zum Ausgeben des abgenommenen (taken-in) Echosignals mit niedriger Impedanz.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz-Umwandlungseinheit (7) eine zum Abnehmen oder Empfangen des Echosignals geschaltete Emitterfolgerschaltung aufweist.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußeinheit eine der Impedanz-Umwandlungseinheit (7) vorgeschaltete Begrenzereinheit (6) zum Begrenzen von im Echosignal enthaltenen Signalkomponenten auf unterhalb eines vorbestimmten Pegels liegende Pegel oder Größen aufweist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzereinheit eine Diodenbrückenschaltung (12) aufweist.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußeinheit eine Ansteuersignal-Durchlaßeinheit (8) zur Ermöglichung des Durchlaufs des Ansteuersignals zwischen der Sender/Empfängerschaltung (15) und der Ultraschallsonde (1) bei gleichzeitiger Unterdrückung einer Dämpfung des Ansteuersignals aufweist.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuersignal-Durchlaßeinheit mindestens eine Diode (D 2, D 3, D 4, D 5) zur Bildung eines Signalwegs zwischen der Ultraschallsonde (1) und der Sender/Empfängerschaltung (15) aufweist.

7. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußeinheit (11) trennbar zwischen die Ultraschallsonde (1) und die Sender/Empfängerschaltung (15) eingeschaltet ist.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsonde einen Ultraschallsonden-Hauptkörper (1), ein an letzteren angekoppeltes Signalkabel (3) und eine mit letzterem verbundene Verbindereinheit (3 a) aufweist und daß die Anschlußeinheit (11) eine trennbar mit der Verbindereinheit (3 a) der Ultraschallsonde verbundene Verbindereinheit (11 a) aufweist.

9. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußeinheit (11) und die Sender/Empfängerschaltung (15) in einen Körper oder Aufbau des Ultraschall- Abbildungsgeräts integriert sind und daß die Ultraschallsonde trennbar an die Anschlußeinheit des Körpers oder Aufbaus des Ultraschall-Abbildungsgeräts angeschlossen ist.

10. Ultraschall-Abbildungsgerät, umfassend eine Ultraschallsonde mit mehreren Ultraschallwandlern zum Richten eines Ultraschallstrahls auf ein Untersuchungsobjekt und zum Empfangen einer vom Untersuchungsobjekt reflektierten Ultraschallwelle zwecks Umwandlung derselben in ein Echosignal sowie eine mit der Ultraschallsonde gekoppelte Sender/Empfängerschaltung zur Lieferung eines Ansteuersignals zum Ansteuern der Ultraschallsonde und Verarbeiten des Echosignals zwecks Lieferung eines Ultraschall-Abbildungssignals, gekennzeichnet durch
eine zwischen die Ultraschallsonde (1) und die Sender/Empfängerschaltung (15) eingeschaltete Anschlußeinheit (11) mit einer Impedanz-Umwandlungseinheit (7) einer hohen Eingangsimpedanz von einer niedrigen Ausgangsimpedanz zum Abnehmen des von der Ultraschallsonde abgegebenen Echosignals mit hoher Impedanz und Ausgeben des abgenommenen Echosignals mit niedriger Impedanz sowie
eine Anzeigeeinheit (22) zum Wiedergeben des von der Sender/Empfängerschaltung gelieferten Ultraschall- Abbildungssignals als tomographisches Bild bzw. Tomogramm.