DE3001650A1 - Ultraschall-abtastkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschal1-Abtastkopf nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Einrichtungen, welche eine zerstörungsfreie Untersuchung von Körpern mittels Ultraschal1-Energie erlauben, sind in der f-'edi zi n-Techni k bekannt.

Bei den bekannten Einrichtungen besteht jedoch ein Problem darin, daß kleine Störsignale eine falsche oder ungenaue bzw. unklare Deutung zulassen können.

Eine Quelle für diese Störungen in einem Ultraschall-Sendeempfänger, wie er für die medizinische Diagnose verwendet wird, ist der Strahlenversatz, der dann auftreten kann, wenn die gebündelte Ultraschall-Energie, die durch eine Flüssigkeit geschickt wird, auf eine flüssig/feste Grenzschicht an einem Spiegel fällt, der den Strahl über ein interessierendes Zielgebiet lenkt. Die Prinzipien des Versatzes eines Ultraschal1-Strahls, der von einer flüssig-festen Grenzschicht reflektiert wird, ist in einem Aufsatz von Breazeal, Adler und Flax mit dem Titel "Reflection of a Gaussian ultrasonic beam from a liquid-solid interface" beschrieben (J.Acous.Soc.Am., Vol. 56, Nr.3, September 1974). Wie in diesem Aufsatz ausgeführt ist, tritt ein Strahlenversatz dann auf, wenn der Einfallswinkel des Strahls gleich oder nahezu gleich dem Winkel der Oberflächenwellen-Erregung an der Grenzschicht ist. Die experimentellen Testergebnisse, die in dem Aufsatz angegeben sind, zeigen, daß die Energie des reflektierten Strahls in zwei oder mehr getrennte Strahlen aufgeteilt werden kann, die gegeneinander versetzt sind. Es liegt auf der Hand, daß die Aufteilung der auf den Ablenkspiegel auftreffenden Energie in zwei

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oder mehr versetzte Strahlen unerwünscht ist.

Die derart versetzten Strahlen v/erden von dem zu untersuchenden Körper reflektiert und, nachdem sie von dem Spiegel zurückgeleitet wurden, treffen sie auf den Wandler-Kristall. Da die ursprüngliche und die versetzte Energie verschiedene Entfernungen zurücklegen, ist das von dem Empfänger-Kristall umgewandelte Signal mit großer Wahrscheinlichkeit unscharf.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Empfang von Ultraschal1-Störenergie durch den Empfangswandler einer Ultraschal1-Untersuchungseinrichtung zu vermindern oder zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Abtastkopf enthält hierbei einen Körper, der einen Wandler-Durchgang mit einer ersten Achse definiert. Er enthält weiterhin einen Sende-Empfangs-Durchgang, der eine zweite Achse definiert. Der K'andler-Durchgang steht mit dem Sende-Empfangs-Durchgang in Verbindung, und die erste und zweite Achse schneiden sich vorzugsweise in einem Punkt. Die Durchgänge sind mit einer Flüssigkeit gefüllt, um die Dämpfung der Ultraschal1-Energie gering zu halten. Die Achsen aer Durchgänge sind relativ zueinander in einem Winkel von weniger als 90° angeordnet, und die Länge jedes Durchgangs reicht, aus, um den direkten Durchtritt von Ultraschall-Energie vom Ziel zum Wandler zu verhindern. Der Wandlerkristall erzeugt, entsprechend seinen physikalischen Eigenschaften und/oder seiner Anregungsart,

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einen fokussierten Strahl Ultraschal1-Energie. Ein Abtastspiegel ist an den Verbindungsstellen der beiden erwähnten Durchgänge angeordnet, wobei sich die Achsen der Durchgänge in einem Punkt auf der Oberfläche des Spiegels schneiden. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist dies auch der Punkt, um den sich der Spiegel während des Abtastvorgangs dreht. Außerdem fällt die Achse des von den Wandler erzeugten Strahls bei dieser Ausführungsform mit der Achse des Wandler-Durchgangs zusammen.

Ein Ultraschal1-Energieimpuls, der gegen den Spiegel gerichtet ist, fällt auf diesen in einem Winkel, der als "Winkel des Sende-Auftreffens" bezeichnet werden kann. Ein Teil des Ultraschall-Energieimpulses, der von dem Spiegel in das Ziel gelenkt wird, wird auf den Spiegel zurückreflektiert und trifft den Spiegel in einem Winkel, der als "Winkel des Empfangs-Auftreffens" bezeichnet werden kann. Während des Betriebs des Ultraschal1-Abtastkopfs wird der Spiegel um den Schnittpunkt der Durchgangs-Achsen gedreht, und die Winkel des Sende- und Empfangs-Auftreffens ändern sich.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besteht der Spiegel aus einem Material, das einen Anregungswinkel für Oberflächenwellen an der Grenzschicht hat, der außerhalb des Bereichs der Sende- und Empfangs-Auftreff-Winkel liegt, die sich durch den Abtastvorgang des Spiegels ergeben.

Um ein Arbeiten in dem Bereich der Einfalls- oder Auftreff-Winkel zu vermeiden, die den Anregungswinkel von Oberflächen-Wellen an der Grenzschicht einschließen,

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wird Beryllium als Spienelmaterial verwendet. Die Anregungswinkel von Oberflächenwellen an der Grenzschicht Beryllium/Wasser ist ungefähr 13°. Der Ultraschall-Abtastkopf ist also so ausgelegt, daß der Bereich der Einfallswinkel, und zwar sowohl der Sende-Auftreffwinkel als auch der Ref1exion-Auftreffwinkel, 11° nicht enthalten.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt einen Ultraschal1-Abtastkopf 10, der einen Körper 11 enthält. Die wichtigsten Elemente des Abtastkopfs sind der Wandler und der Spiegel, die mit 12 und 13 bezeichnet sind und sich im Körper befinden. Der Körper 11 enthält einen Handler-Gehäuse-Bereich 14, der einen Durchgang 15 definiert. Der Durchgang 15 besitzt eine Längsachse 16. Der Körper 11 enthält auch einen Sende- und Empfangsteil 17, der einen Sende- und Empfangsdurchgang 18 definiert, der eine Längsachse 19 besitzt. Die Durchgänge 15 und 18 stehen miteinander in Verbindung, und die Durchgangsachsen schneiden sich in einem Punkt P. Der Gehäuse-Bereich 14 ist mit einer Endabdeckung 20 dicht verschlossen, während der Durchgang 18 in einer elastischen Blase 21 endet. Die Blase 21 ist so ausgelegt, daß sie mit der unregelmäßigen Oberfläche eines abzutastenden Gegenstands in Kontakt gebracht werden kann. Der Spiegel 13 ist derart angeordnet, daß ein Punkt der Spiegeloberfläche mit dem Punkt P zusammenfällt. Die Durchgänge, d.h. der Raum zwischen dem Wandler 12 und der Blase 21, sind mit einer Flüssigkeit gefüllt, beispielsweise mit entgastem Hasser. Die Frontseite des Spiegels 13, von der die Ultraschal1-Energie reflektiert wird, ist

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-9-in Flüssigkeit eingetaucht.

Der Wandler 12 enthält vorzugsweise einen piezoelektrischen Kristall 12', der eine natürliche Brennweite aufweist und von einer unterteilten koaxialen Anordnung von Elektroden 12" mit Energie versorgt wird. Die Einrichtung, welche die Treibersignale an die Elektroden gibt, ist in der Zeichnung weggelassen; sie würde jedoch Leiter aufweisen, welche durch die Abdeckung 20 gehen. Wenn der Wandler elektrisch angeregt wird, gibt er einen Ultraschall-Energiestrahl ab, dessen Achse mit der Achse 16 des Durchgangs 15 zusammenfällt. Die Achse des Ultraschal1-Energiestrahls ist auf den Punkt P gerichtet, und der Strahl wird über den Durchgang 18 auf den abzutastenden Gegenstand reflektiert. Der Spiegel wird mittels eines Antriebssystems 25 um den Punkt P gedreht, wodurch der von dem Spiegel reflektierte Strahl den Zielbereich des Testobjekts abtastet. Eine eingehendere Beschreibung der Antriebsvorrichtung für den Spiegel 13 findet sich in der DE-OS 28 15 549.

Die Ultraschal1-Energie, die in den zu prüfenden Körper gerichtet ist, wird von den inneren Bereichen des Körpers reflektiert und noch einmal gegen den Spiegel 13 gerichtet. Die Ultraschal1-Energie wird sodann von dem Spiegel reflektiert und fällt auf den Wandler-Kristall 12', der die zurückgekehrte Energie in elektrische Signale verwandelt.

Es ist klar., daß während der Wanderung des Strahls vom Spiegel zum Testobjekt und bei der Wanderung der reflektierten Energie vom Inneren des Testobjekts zurück zu dem Spiegel, eine Ultraschall-Störenerg ie erzeugt werden kann, wenn der Strahl die Grenzschichten zwischen

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-10-Material ien mit verschiedenen akustischen Impedanzen trifft. Es ist wünschenswert, diese Ultraschall- Störenergie zu vermindern oder zu beseitigen, die sonst zu dem Wandler zurückgelangen könnte, und zwar über einen anderen Weg als denjenigen, der den Spiegel einschließt. Um den Wandler 12 von mindestens einem Teil der Ultraschal1-Störenergie abzuschirmen, wird die Achse 16 des Wandler-Durchgangs 15 auf einen Winkel 0 gelegt, der weniger als 90° in Bezug auf die Achse 19 des Sende- und Empfangs-Durchgangs 18 beträgt. Bei einer praktischen Ausführungsform beträgt der Winkel 0 75°. Auf diese Weise wird die Ultraschall-Störenergie, die an der Oberfläche der Blase 21 reflektiert wird oder die von der Oberfläche des Zielkörpers kommt, durch die unregelmäßig ausgebildeten Innenwände des Körpers 11 des Abtastkopfs absorbiert. Der Körper 11 des Abtastkopfes besteht vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial, das eine relativ große Absorption für Ultraschal1-Energie bei den verwendeten Wellenlängen besitzt.

Der Winkel zwischen der Achse des Strahls, der von dem Wandler 12 abgeht und der Oberfläche des nicht-abgelenkten Spiegels 13 im Punkt P ist mit β bezeichnet; dies ist der Winkel zwischen einer Linie 22, die zum Punkt P gezogen ist und senkrecht auf dem nicht-abgelenkten Spiegel steht und der Achse des Strahls, der von dem Wandler 12 erzeugt wird. Der Winkel β wird als "Winkel des Sende-Auftreffens" bezeichnet. Dagegen wird der Winkel o6als der Winkel bezeichnet, der das Auftreffen eines Strahls definiert, der von dem Ziel reflektiert und zurück auf den Punkt P des Spiegels geleitet wurde; d.h. dieser Winkel wird als der "Winkel des Empfangs-Auftreffens" bezeichnet.

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Wenn der Spiegel geneigt wird, verändern sich die Winkel«/ und {* . Gemäß der Erfindung ist der Spiegel aus einem Material hergestellt, das einen inherenten Winkel für die Anregung von Oberflächenwel1 en an der Grenzschicht zwischen dem Spiegel und der Flüssigkeit, die sich zwischen den Durchgängen 15 und 18 befindet, besitzt. Dieser inherente Winkel liegt außerhalb desjenigen Bereichs, innerhalb dessen sich die Winkel des Empfangsauftreffens bzw. die Winkel des Sendeauftreffens, also die Winkel <i und fi verändern. Es wurde herausgefunden, daß Beryllium an der Grenzschicht mit Wasser einen Anregungswinkel für Oberflächenwellen hat, der ungefähr 11° beträgt. Somit können dann, wenn ein Spiegel aus Beryllium und Wasser als übertragungsmedium verwendet wird _; die Sende- und Empfangseinfallswinkel innerhalb eines Bereichs streuen, der außerhalb des inherenten Winkels für die Anregung der Oberflächenwellen liegt, welcher an der Grenzschicht zu Beryllium gegeben ist. Die sonstigen Abtasteigenschaften werden hierdurch nicht beeinträchtigt.

Der Spiegel 13 enthält einen Körper 23 aus Beryllium. Der Berylliumbereich bzw. die Basis 23 des Spiegels sollte eine Dicke haben, die eine Funktion der Weilenlänge des Ultraschall-Energiestrahls ist, der von dem Wandler-Empfänger 12 ausgesendet wird. Anders ausgedrückt sollte die Dicke des Beryllium-Bereichs 23 des Spiegels 13 mindestens eine Wellenlänge bei der minimalen Wandler-Erregungsfrequenz betragen. Dies bedeutet, daß für medizinische Diagnose-Zwecke mit einer Ultraschal Tfrequenz von 2.5 rnHz, das Beryllium-Element 13 ungefähr 3.175 mm dick sein sollte. Der Beryllium-Basisbereich 23 ist mit einer Nickel schicht 24 überzogen, die eine glatte Spiegel oberfläche bewirkt und die

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zudem eine Korrosion des Beryllium vermindert oder verringert. Der Nickel-Oberzug wird durch nichtelektrisches Plattieren des Mickeis auf das Beryllium aufgebracht. Der Nickel-Oberzug sollte eine Dicke von weniger als 1/10 einer Wellenlänge der Energie besitzen, die von dem Handler erzeugt wird.

.Zusammenfassend läßt sich sagen» daß der Abtastkopf der vorliegenden Erfindung die Bildung von Störenergie-Strahlen vermindert, indem ein Spiegel vorgesehen ist, der Beryllium enthä-lt* und indem.der Winke? des Sendeauftreffens/& und der Winkel des Empfangsauftreffens q£ durch einen Bereich bewegt oder abgetastet werden, der außerhalb des inherenten Kinkels für die Anregung von Qberflächenv/eTlen an der Grenzschicht zu Beryllium liegt. Darüberhinatis vermindert die k'inkelbeziehung zwischen dem Wandler-Durchgang 15 und dem Sende- und Empfangs-Durchgang IS e-benfarlls den Betrag der Störenergie, die auf den !fandler 12 fälTt.

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Claims (1)

1. P 149-ΜΙ/80

   MEDISCAN INC.

   45 South Satel1ite Road

   South Windsor, Conn.

   U.S.A.

   ULTRASCHALL-ABTASTKOPF

   Patentansprüche

   01 (Η Ι-Π traschai 1-Abiastkopf für die Erzeugung und den

   02 ' Empfang eines Abtast-Energiestrahls für die zer-

   03 störungsfreie und eingriffsi öse Untersuchung,

   04 dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultrase hai 1 -

   05 Energiestrahl durch den Einsatz eines steuerbaren

   06 Spiegels (13) beeinflußt wird, der in einem flüssi-

   07 gen Heg angeordnet ist, welcher von dem Strahl 03 zwischen einer Sende-Empfanns-Einrichtung (12) 09 und dem Ziel durchlaufen wird, wobei der Spiegel IQ (13) ein derart ausgewähltes Material enthält, IX daß er an der Grenzschicht Flüssigkeit/Spiegel 12 einen Winkel der Erregung von Oberflächenwellen

   12 hat, der außerhalb der Sende- und Empfangsauftreff·

   14 winkel liegt, mit denen der Strahl auf den Spiegel

   15 (13) trifft.

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   -2-Cl 2. Ultraschal1-Abtastkopf nach Anspruch 1, gekenn-

   02 zeichnet durch

   03 a) ein Gehäuse, das mit einem Ultraschall übertra-

   04 genden Medium gefüllt ist;

   05 b) einen Handler, der sich in dem Gehäuse befindet

   06 und Ultraschal1energie in Form eines Strahls

   07 mit einer Achse erzeugt, wobei diese Energie

   08 in das Übertragungs-Medium abgestrahlt wird;

   09 c) einen Reflektor, der in dem Gehäuse angeordnet

   IQ ist, und zwar in dem Weg des Ultraschal1-Strahls,

   11 der von dem Wandler abgegeben wird, damit die

   12 Energie auf eine Oberfläche des Reflektors in

   13 einem übertragungswinkel auftrifft;

   14 d) der Reflektor enthält Beryllium sowie eine

   15 Einrichtung zum Bewegen des Reflektors, wodurch

   16 der Auftreff-übertragungswinkel des Strahls ver-

   17 ändert wird;

   18 e) die Einrichtung zum Bewegen des Reflektors be-

   19 wirkt, daß der mininale übertragungs-Einfal1-

   20 winkel größer ist als der Winkel, mit dem die

   21 Oberflächenwellen an der Grenzschicht zwischen

   22 dem Beryllium und dem flüssigen übertragungs-

   23 medium erregt werden.
   24

   25 3. Ultraschal!-Abtastkopf nach Anspruch 1, gekennzeich-

   26 net durch

   27 a) ein Gehäuse, welches sowohl einen Hand!er-Durch-

   28 gang definiert, der eine erste Achse hat als

   29 auch einen Sende- und Empfangs-Durchgang, der

   30 eine zweite Achse hat, wobei die erwähnten Durch-

   31 gänge durch Flüssigkeiten miteinander in Verbin-

   32 dung stehen und sich die erwähnten Achsen in

   33 einem Punkt schneiden;

   34 b) ein flüssiges, Ultraschall übertragendes Medium

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   — ΙΟΙ in den Durchgängen;

   02 c) einen Wandler, der in dem Wandler-Durchgang angeord-

   03 net ist und der Ultraschal1-Energie in Form eines

   04 Strahls erzeugt, dessen Strahlachse mit der Achse

   05 des Wandler-Durchgangs zusammenfällt;

   06 d) einen Reflektor, der in dem Ultrascha11-Strahl liegt,

   07 welcher von dem Wandler kommt und der dazu dient,

   08 das Auftreffen des Strahls auf eine Oberfläche des

   09 Reflektors, die in das flüssige Medium eingetaucht

   10 ist, in einem Übertragungs-Auftreff-Winkel zu bell ■ wirken, wobei ein Punkt auf der Reflektor-Oberfleche

   12 mit dem Schnittpunkt oer ersten und der zweiten

   13 Achse zusammenfällt;

   14 e) der Reflektor enthält Beryllium;

   15 f) es ist eine Einrichtung zum Verändern des Obertra-

   16 gungs-Auftreff-Winkels des Strahls vorgesehen, die

   17 den Reflektor in mindestens eine Richtung um den

   18 Schnittpunkt der Achsen bewegt, wobei diese Ei n-

   19 richtung den Mindest-Winkel des Obertragungs-Auf-

   20 treffens so begrenzt, daß er größer als der Winkel

   21 ist, mit dem Oberflächen-Wellen an der Grenzschicht

   22 zwischen dem Beryllium und dem flüssigen übertra-

   23 gungsmedium erregt werden. 24

   25 4. Ultraschal1-Abtastkopf nach den Ansprüchen 1 bis 3,

   26 dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler einen

   27 Kristall mit einem natürlichen Brennpunkt enthält. 28

   29 5. Ultraschal1-Abtastkopf nach den Ansprüchen 1 bis 3,

   30 dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor um den

   31 Schnittpunkt der Achsen drehbar ist. 32

   33 6. Ultraschall-Abtastkopf nach Anspruch 5, dadurch, ge-

   34 kennzeichnet, daß der Reflektor eine Beryllium-

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   01 schicht aufweist, deren Dicke mindestens einer

   02 Wellenlänge der UItraschal1-Frequenz entspricht,

   03 die durch den Wandler erzeugt wird. 04

   05 7. Ultraschal1-Abtastkopf nach den Ansprüchen 1 bis

   06 dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor einen

   07 Ni ekel überzug auf der Beryllium-Oberfläche aufweist,

   08 der eine Dicke von weniger als 1/10 einer FeIlen-

   09 länge in Nickel bei der geringsten Ultraschal1-

   10 Frequenz hat, die von dem Wandler erzeugt wird. 11

   12 8. Ultraschal1-Abtastkopf nach den Ansprüchen 3 bis 6,

   13 dadurch gekennzeichnet, daß sich die Achsen in

   14 einem Winkel von weniger als 90 schneiden.

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