DE3037641A1

DE3037641A1 - Ultraschallsender

Info

Publication number: DE3037641A1
Application number: DE19803037641
Authority: DE
Inventors: Hans 8000 München Brettel; Ulrich Dipl.-Phys. 8000 München Röder; Christof Dipl.-Phys. Scherg; Harald Dipl.-Phys. Dr. 8057 Eching Seidlitz
Original assignee: STRAHLEN UMWELTFORSCH GmbH
Current assignee: STRAHLEN UMWELTFORSCH GmbH
Priority date: 1980-10-04
Filing date: 1980-10-04
Publication date: 1982-05-13
Also published as: CH653237A5; AT384357B; FR2491357A1; JPS5796643A; US4386612A; GB2087077B; ATA351381A; JPH0135654B2; GB2087077A; FR2491357B1; DE3037641C2

Description

GESELLSCHAFT FÜR STRAHLEN- Neuherberg, den I.lo.l98o UND UMWELTFORSCHUNG MBH PLA 8050 Ga/jd MÜNCHEN

Ultraschallsender

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsender der im Oberbegriff des Anspruches 1 beschriebenen Art.

Das Ultraschalltransmissionsverfahren beruht im Gegensatz zu den herkömmlichen Echoverfahren für die medizinische Diagnostik auf der Sichtbarmachung von Transmissionsunterschieden im menschlichen Körper. Dabei wird der Patient von einer Ultraschallwelle durchstrahlt und eine geeignete Linse hoher Öffnung bildet die Ultraschallinformation auf ein Detektorarray ab. Ein derartiges Verfahren wird z.B. von Green et al,- Acoustical, Hoiograhy, Vol. 7, Ed.L.W.Kessler,Plenum Press-, 1977,S.291-305 angegeben. Da sich herausstellte, daß die kohärente Abbildung mit nur einem Ultraschallsender keine zuverlässigen Bilder für die Diagnostik liefern konnte, verwendete Green in einer Weiterentwicklung des Transmissionsverfahrens20 - 30 unabhängige Ultraschallsender und erreichte so eine partiell räumlich inkohärente Beschallung des Patienten. Die so erhaltenen Ultraschallbilder liefern insbesondere bei der Abbildung von Sehnen und Gefäßen in Gliedmaßen Bilder von brauchbarer Qualität. Bei der Abbildung im Oberbauchbereich durch den Körper hindurch wird, bedingt durch den langen Weg, die Bildqualität jedoch bereits ungünstig beeinflußt.

Prinzipiell besteht eine Ultraschall-Transmissionsanordnung aus einem Sendeteil mit Kondensorlinse vor dem Patienten und einem Empfangsteil· mit Objektivlinse hinter dem Patienten.

ORIGINAL INSPECTED

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Der Sendeteil bei einer inkohärenten Beschallung besteht aus einer Mehrzahl von Schallquellen, deren ausgesandte Schallfelder statistisch voneinander unabhängig sind. Aufgrund der in der Optik bekannten Kohärenzbedingung müssen Bereiche der Größe F_E1 gemäß Gleichung (1)

„ _ λ² A* ^; (1)

^E1 " ^FAp

mit λ = Wellenlänge des Ultraschalls A = Abstand Sender-Kondensor P. = Fläche der Kondensorapertur

als in sich räumlich kohärente Elementarquellen angesehen werden. Elementarquellen weiter zu verkleinern ist daher sinnlos. Die maximale Anzahl der gegeneinander inkohärenten Elementarquellen in einer ausgedehnten Quelle ergibt sich dann aus der Gleichung (2)

V FF (2)

^rQuelle *Ap ^Quelle \

^Nmax ' P_. " λ² Α²

Um eine möglichst inkohärente Beschallung mit einer ausgedehnten Quelle zu erzielen, sollten N Elementarquellen der Größe, wie in Gleichung (2) angegeben, verwendet werden, wobei N eine hohe Zahl bedeutet. Jede dieser Einzelquellen produziert ein Bild in der Detektorebene, wobei die interessierende Bildinformation jeweils die gleiche ist und das Rauschen, das von

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Streuung oder Störreflexen konunt, sich von Quelle zu Quelle ändert. Aus statistischen Überlegungen folgt, daß das Signal-Rausch-Verhältnis zur Wurzel der Zahl N der Elementarquellen_zunimmt bis zu einem Maximalwert, der durch Gleichung (2) gegeben ist. Für ein übliches Transmissionssystem ist
f >= 2 MHz, A = 50 cm, D_Ap = D_Quelle = 20 - 25 cm (X =o,. 75 mm)

Daraus folgt N — 10 , bezogen auf die Senderfläche.

Ein System mit den oben angegebenen Parametern sollte

also für eine inkohärente Beschallung aus etwa 10 unabhängigen Einzelsendern bestehen, um eine möglichst störungsfreie Abbildung zu bekommen. Das von Green hergestellte System benutzt im Höchstfall 30 voneinander unabhängige Einzelsender, wobei jeder Ultraschallsender seine eigene Ansteuerungseinheit und Verstärkereinheit hat. Eine Erweiterung der Anzahl um 1 oder 2 Größenordnungen mit Hilfe dieses Konzepts erscheint unmöglich.

Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht nunmehr darin, einen Ultraschallsender der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie diese Zahl N von Einzelquellen aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 beschrieben. Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

ORtGINAL INSPECTED

Bei der Erfindung wird demnach der eintreffende kohärente Schall an vielen kleinen Streuteilchen, deren Abmessung in der Größenordnung der verwendeten Wellenlänge liegt, gestreut. Befinden sich diese Teilchen in ungeordneter statistischer Bewegung, dann wirken sie wie voneinander unabhängige Elementarquellen. Die Geschwindigkeit der Teilchen ist so bemessen, daß während der Zeit, die für die Erfassung der Intensität eines Bildpunktes zur Verfügung steht, möglichst viele Granulationsmuster in der Bildebene entstehen.

Es entsteht also eine für eine Transmissionsanordnung wesentlich vollständigere, räumlich inkohärente Beschallung als bei den bekannten Methoden. Damit wird das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich verbessert und gleichzeitig der Einfluß von Streuung innerhalb des zu untersuchenden Körpers vermindert. Für eine gute Ultraschallabbildung durch den Körper hindurch ist das von wesentlicher Bedeutung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles mittels der Figuren 1 und 2 näher erläutert".

Figur 1 stellt schematisch eine Ultraschall-Transmissionsanordnung dar, die auch ohne weiteres in eine Rückstreuanordnung (ähnlich dem Durchlicht- und Auflichtverfahren in der Optik) umgewandelt und als solche betrieben werden könnte. Ein großflächiger kohärenter Sender 1 beschallt eine Verwirbelungskammer 2, wie sie in Figur 2 näher dargestellt ist. Die in der Verwirbelungskammer 2 enthaltenen Teilchen9bilden die Ausgangspunkte von Kugelwellen, die im Gesamten durch ihre Vielzahl von Quellen,

von einer großen Fläche ausgehend, inkohärente Strahlung erzeugen. Der Sender 1 besitzt die Fläche

F^ », . Die von dem strahlenden Austrittsfenster 3 der Quelle

Verwirbelungskammer 2 ausgehende inkohärente Strahlung wird mittels der Kondensorlinse 5 (Aperturfläche F _p) auf das Objekt 6 gerichtet. Sie durchdringt das Objekt 6 und wird danach mittels der Objektivlinse 7 auf das Detektorarray ' 8 abgebildet. Die Verwirbelungskammer 2 weist beim Transmissionsverfahren sowohl ein Eintrittsais auch ein Austrittsfenster 4 bzw. 3 auf. Im Falle der Messung nach dem Prinzip des Auflichtverfahrens genügt ein Eintrittsfenster, durch welches der in der Verwirbelungskammer 2 erzeugte gestreute Schall wieder austritt.

In der Figur 2 ist eine Verwirbelungkammer 2 für das Transmissionsverfahren dargestellt.

Die Verwirbelungskammer 2 mit den Ein- und Austrittsfenstern 3 und 4 aus Plexiglas oder Polystyrol ist teilweise mit Polystyrolteilchen 9 gefüllt, deren Abmessungen bei etwa 1 mm bei einer Ultraschallfrequenz von etwa 2 MHz liegen. Wasser 10 durchströmt die Kammer 2 in möglichst turbulenter Strömung. Die Einlaßdüsen lassen das Wasser 10 mit hoher Geschwindigkeit, z.B. unter verschiedenen Richtungen, in die Kammer 2 eintreten. Vor den beiden Abläufen 12 sind Siebe 13 angebracht, die ein Austreten der Teilchen 9 aus der Kammer 2 verhindern. Schon diese einfache Anordnung ermöglicht eine ungeordnete Bewegung der Polystyrolteilchen 9 mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung lm/sec. Durch den Impedanzunterschied zwischen Polystyrolteilchen 9 und Wasser 10 wird eine einfallende Ultraschallwelle an

ORIGINAL INSPECTED

jedem Polystyrolteilchen 9 gestreut und ist damit Ausgangspunkt einer neuen Elementarwelle. Die Summation dieser Elementarwellen gibt ein durch die Bewegung ständig wechselndes Granulationsmuster und -gemittelt über eine genügend lange Beobachtungsdauer- ein räumlich inkohärentes Schallfeld. Diese Wirkung kann zusätzlich verbessert werden, indem die Ein- und Austrittsfenster 4 und 3 der Verwirbelungskammer 2 mit zusätzlichen Mattscheiben kombiniert werden oder als solche ausgebildet sind.

Claims

GESELLSCHAFT FÜR STRAHLEN- Neuherberg, den I.I0.80 UND UMWELTFORSCHUNG MBH PLA 8050 Ga/jd MÜNCHEN

Patentansprüche:

1Λ Ultraschallsender zur Erzeugung von räumlich in^s kohärenter Ultraschall-Strahlung, der mit einem oder mehreren Ultraschall-Wellen beschallt wird, gekennzeichnet durch ungeordnet in einem für Ultraschall durchlässigen Medium (10) bewegte Partikel (9) der Größenordnung der Wellenlägen der beschallenden Ultraschall-Strahlung und einer von dem Medium (10) abweichenden Impedanz.
2. Ultraschallsender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (10) und die Partikel (9) sich in einer Kammer (2) befinden, die mindestens ein für Ultraschall durchlässiges Fenster (3 und/oder 4) besitzt, durch das die Beschallung erfolgt und durch das die inkohärente Strahlung austreten kann.
3. Ultraschallsender nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die inkohärente Ultraschall-Strahlung durchlassende Fenster. (3 und/oder 4) der Größe der Senderfläche (F ,, ) entspricht.
4. Ultraschallsender nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (9) im Medium (10) durch im Medium (10) erzeugte Turbulenzen ungeordnet über die Senderfläche (3) verteilbar sind.

• ι
5. Ultraschallsender nach Anspruch 1 bis A₁ dadurch gekennzeichnet, daß an der Kammer (2) mindestens ein Zufluß (11) und ein Abfluß (12) für das Medium (10) angeordnet sind.
6. Ultraschallsender nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (10)aus Wasser und die Partikel (9), aus Polystyrol bestehen.
7. Ultraschallsender nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Fenster (3 und 4) zusätzlich als Mattscheiben ausgebildet sind.

ORIGINAL INSPECTED