CH653237A5 - Ultraschallsendeanlage zur erzeugung von raeumlich inkohaerenter ultraschall-strahlung. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsendeanlage 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, Holograhy, 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 Transmissionsverfahrens 20-30 unabhängige Ultraschallsender und erreichte so eine partiell räumlich inkohärente Beschallung des Patienten. Die so erhaltenen Ultraschallbilder liefern insbesondere bei der Abbildung von Sehnen und Gefassen 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.

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 FH gemäss Gleichung (1)

p - *2 A* (1)

El " F.

mit

X = Wellenlänge des Ultraschalls A = Abstand Sender-Kondensor FAp = 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)

F FF

Quelle _ Ap Quelle max " FP1 A2 A2

El

(2)

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 Streuung oder Störreflexen kommt, 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 = 50cm,DAp = DQUelle = 20-25 cm (A, = 0,75 mm)

Daraus folgt Nmax ~ 104, bezogen auf die Senderfläche.

Ein System mit den oben angegebenen Parametern sollte also für eine inkohärente Beschallung aus etwa 104 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, eine Ultraschallsendeanlage 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 gelöst. Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Auf diese Weise lässt sich eine Ultraschallsendeanlage erzielen, bei der der eintreffende kohärente Schall an vielen kleinen Streuteilchen, deren Abmessung in der Grössenord-nung der verwendeten Wellenlänge liegt, gestreut wird. Befinden sich diese Teilchen in ungeordneter statistischer Bewegung, dann wirken sie wie voneinander unabhängige Elementarquellen. Die Geschwindigkeit der Teilchen ist vorzugsweise so bemessen, dass während der Zeit, die für die

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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.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Ultraschall-Transmissionsanordnung mit einer erfindungsgemässen Ultraschallsendeanlage und

Fig. 2 eine Verwirbelungskammer hierfür.

Fig. 1 stellt schematisch eine Ultraschall-Transmissions-anordung 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 Fig. 2 näher dargestellt ist. Die in der Verwirbelungskammer 2 enthaltenen Teilchen 9 bilden 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 FQUe]le. Die von dem strahlenden Austrittsfenster 3 der Verwirbelungskammer 2 ausgehende inkohärente Strahlung wird mittels der Kondensorlinse 5 (Aperturfläche FAp) 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 Eintritts- als 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.

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 11 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 Grössen-ordnung 1 m/sec. Durch den Impedanzunterschied zwischen Polystyrolteilchen 9 und Wasser 10 wird eine einfallende Ultraschallwelle an 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.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

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1. Ultraschallsendeanlage zur Erzeugung von räumlich inkohärenter Ultraschall-Strahlung, mit wenigstens einem Ultraschallsender mit kohärenter Ultraschall-Strahlung, gekennzeichnet durch eine dem Sender nachgeschaltete Einrichtung mit ungeordnet in einem für Ultraschall durchlässigen Medium (10) bewegten Partikeln (9) der Grössenord-nung der Wellenlängen der beschallenden Ultraschall-Strah-lung und einer von dem Medium (10) abweichenden Impedanz.

2. Ultraschallsendeanlage 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 (3,4) besitzt, durch das die Beschallung erfolgt und durch das die inkohärente Strahlung austreten kann.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Ultraschallsendeanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des die inkohärente Ultraschall-Strahlung durchlassenden Fensters (3,4) gleich gross ist wie die Fläche (FQuelle) des Senders (1).

4. Ultraschallsendeanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, welche im Medium (10) Turbulenzen erzeugen und dadurch die Partikel (9) im Medium (10) ungeordnet über die Fläche des Fensters (3,4) verteilen.

5. Ultraschallsendeanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kammer (2) mindestens ein Zu-fluss (11) und ein Abfluss (12) für das Medium (10) angeordnet sind.

6. Ultraschallsendeanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (10) aus Wasser und die Partikel (9) aus Polystyrol bestehen.

7. Ultraschallsendeanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Fenster (3,4) zusätzlich als Mattscheiben ausgebildet sind.