DE2658222C2

DE2658222C2 -

Info

Publication number: DE2658222C2
Application number: DE2658222A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Hassler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-12-22
Filing date: 1976-12-22
Publication date: 1978-10-12
Also published as: AT370311B; FR2375606B1; DE2658222B1; GB1593077A; US4218768A; FR2375606A1; ATA780177A; NL7711252A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Ultraschallabtastung mit einem Ultraschallapplikator, bestehend aus einer Mehrzahl von in Fläche räumlich nebeneinander angeordneten Ultraschallwandlerelementen und einer Steuereinrichtung, die eine dem gewünschten Fokusabstand entsprechende Anzahl von Ultraschallwandlern nach vorgebbaren Empfangs- und/oder Sendeflächenmustern an einen Signalsender bzw. Signalempfänger anschaltet.

Bei Geräten dieser Art ist es erforderlich, daß Schaltknacks, die beispielsweise beim Schalten einzelner Wandlerelemenu» zur Erzeugung erwünschter Empfangs- oder auch Sendeflächenmuster auftreten, weitgehend gedämpft oder ganz aus den Sende- bzw. Empfangsleitungen eliminiert werden. Speziell im Sendefall muß der Schaltknack der Schalter zur Vorbereitung der Sendemuster um ca. 40 dB unter der nachfolgend zu übertragenden Sendespannung liegen (bei vorgegebener Impedanz der Wandlerelemente). In ähnlicher Weise muß aber auch im Empfangsfall, d. h. beim Schalten der Empfangsflächenmuster, dafür gesorgt werden, daß auch jene Schaltstörungen, d. h. Schaltknacks, die nun von den Empfangsschaltern herrühren, ebenfalls unterhalb einpr vorgegebenen Schwelle liegen. Die Praxis hat gezeigt, daß insbesondere in letzterem Fall, d. h. im Empfangsfall, die beim Einschalten der Empfangsmuster auftretenden Schaltknackse wie kleine Sendeimpulse wirken, die in dem zu untersuchenden Körpergewebe entsprechend Echosignale erzeugen. Letztere Echosignale überlagern sich dann jedoch in unerwünschter Weise als hautnahe Echos den darzustellenden Echos aus größeren Bildtiefen. Dies führt letztlich zu Bildverfälschungen (Geisterbildern).

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, bei einem Gerät der eingangs genannten Art obige Nachteile zu vermeiden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vorzugsweise jedem einzelnen Ultraschallwandlerelement empfangs- und/oder sendeseitig wenigstens ein individuell ein- bzw. ausschaltbarer Pufferverstärker für Empfangs- und/oder Sendesignale zugeordnet ist.

Ein Pufferverstärker für jedes Wandlerelement sorgt aufgrund hoher Rückwärtsdämpfung dafür, daß Schaltknackse im Augenblick der Empfangs· und/oder Sendeflächenmusterschaltung überhaupt nicht oder nur sehr stark bedämpft zurri zugehörigen Wandlerelement gelangen können, Damit ist jedoch die Gefahr einer störenden Auswirkung von Schaltknacks auf die Echobilddarstellung durch die Erfindung" weitgehend beseitigt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung

ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen.

Es zeigt

F i g. 1 den Prinzipaufbau einer Ansteuerschaltung für ein Ultraschall-Array mit Spalten aus jeweils drei Übereinander angeordneten Ultraschallwandlerelementen,

F i g. 2 das Prinzipschaltbild der Ansteueranordnung für jeweils drei Wandlerelemente einer einzigen Spalte im Pufferverstärkerbetrieb.

In der Fig. 1 ist das Ultraschall-Array mit 1 bezeichnet Es besteht aus einer Vielzahl von Ultraschallwandlerelementen 2, die in aufeinanderfolgenden Spalten SP1, SP2,SP3...SPNan der Applikationsfläehe eines zugehörigen Trägerteils 3 angeordnet sind. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel umfaßt das Array vorzugsweise 80 Spalten zu je drei übereinanderliegenden Wandlerelementen 2. Die Betriebsfrequenz beträgt vorzugsweise 2 MHz. Bei einer Spaltenbreite von z. B. ca. 2 mm (Wandlerelementbreite plus Isolierfuge) ergibt sich somit ein Ultrascliallbild. das aus beispielsweise 60 Zeilen aufgebaut ist und e> ie Breite von ca. 12 cm bei einer Tiefe von ca. 18 cm hat. Mit dem Prinzipschema der Fig. 1 sollen beispielsweise insgesamt fünf feste Tiefen des Empfangsfokus einstellbar sein. Hierzu schwankt die Empfangsfläche vorzugsweise zwischen minimal zwei benachbarten Plättchen der mittleren Wandlerelementreihe am Array und maximal zwanzig Plättchen (bei zusätzlicher elektronischer Fokussierung) aus sämlichen drei Wandlerelementreihen. Im vorliegenden Anwendungsfall besteht nun die Aufgabe der Signalverarbeitung darin, das Informationsangebot von insgesamt 3 χ 80 Schwingerelementplättchen als Signalquellen z. B. bei rein natürlicher Fokussierung zu einem einzigen bzw. bei zusätzlicher elektronischer Fokussierung zunächst bis auf acht Signale und dann nach Verzögerung ebenfalls bis auf ein Signal zu reduzieren. Hierbei sind im wesentlichen insgesamt vier Funktionen zu erfüllen. Es muß einerseits die Lage der wirksamen Strahlers bzw. der aufzubauenden Ultraschallzeile im Ultraschallbild definiert werden. Andererseits müssen auch Sende/Empfangsflächenbreite des wirksamen Strahlers sowie auch dessen Sende/Empfangsflächenhöhe festgelegt werden. Schließlich muß auch zeitkorrekte Umschaltung zwischen Senden und Empfangen gewälrleistet sein. Beim Prinzipschema der Fig. 1 ergibt sich nun eine schaltungsmäßige Reduktion in der Weise, daß das aus 3 χ 80 Einzelwandlerelementen bestehende Array über insgesamt 3 χ 80 Scli-.ltglieder 4. im folgenden Flächenmusterschalter genannt, auf eine Zwischenebene aus insgesamt zwanzig sog. Schienen 5 matrixartig durchverbunden ist. An den Endpunkten dieser Schienen liegen dann über Empfangsschalter 7 Pufferverstärker 6. über die die im Empfangsfall anfallenden Signale zur Weiterverarbeitung weitergeleitet werden. Im Sendefall übernehmen die Sendeschalter 8 die Vertei lung des Sendesignals auf die einzelnen Schienen 5. Zur Ansteuerung der Flächenmusterschaltuitg 4 dient ein to erstes Schieberegister 9 mit I.ogikblöcken 10 bis 13. Die Ansteuerung der Sendeschalter 8 erfolgt hingegen durch ein zweites Schieberegister 14 mit der Ansteuerlogik 15, Das Bauelement 16 stellt den Sendeoszillator zur Speisung zu aktivierender Wandlerelemcnte 2 im Sendefall dar. Der Block 17 ist eine Steuer- und Synchronisiereinheit für die Schieberegister 9 bzw. 14 und die Logikblöcke .?0 bis 13 bzw. 15, Die zu erfüllenden Funktionen obiger Art erfordern eine weitere Zergliederung: Hierzu wird das Array 1 mit den Wandlerelcmenten 2 ansteuermäßig in insgesamt vier gleichartige Blöcke zu jeweils zwanzig Wandlerele mentspalten aufgeteilt Insgesamt zwanzig Spalten definieren hierbei die Gesamtfläche der im Anwendungsfall (natürliche und elektronische Fokussierung) größten einzustellenden Empfangsfläche. Jede Wandlerelementspalte eines solchen Blockes stellt dann wieder die bereits oben angeführte Untereinheit aus drei getrennt anzusteuernden Schaltern der Flächenmusterschalter 4 dar. Die Zahl drei ergibt sich dabei aus der maximal vorgesehenen Zahl von Wandlerelemenlreihen pro Array. Im Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1 definiert das 80-bit-Schieberegister 9 neben der fest vorgewählten maximalen Flächenbreite des größten Empfangsblockes auch noch die Position der aufzubauenden Bildzeile. Von links nach rechts werden dabei in das Schieberegister 9 in Blockform 20 bit eingeschrieben und zur Fortschaltung der Bildzeile der 20-bit-Block im Zeilentakt um je ein bit weitergeschoben. Zur Festlegung der Sende/Empfangsfläcüonhöhe dienen die dem Schieberegister 9 vorgeschalteten Logikblöcke 10 bis 13. Je nach vorgewähltem Programmablauf reichen diese Logikblöcke die vom Schieberegister 9 gelieferten Positionsinformationen entweder an sämtliche Reihen der Wa.idlerblöcke oder nur an einen Teil davon durch. Zur Festlegung der jeweiligen Flächenbreite dient hingegen das 20-bit-Schieberegister 14 in Verbindung mit den Sendeschaltern 8. Die Senderchalter 8 bedienen in Abhängigkeit von den Informationen des Schieberegisters 14 nur so viele Schienen 5, wie es der gewünschten Sendefeldbreite entspricht. Im Empfangsfall werden durch die Sendeschalter 8 sämtliche Schienen 5 kurzgeschlossen, die eine zu große Empfangsfeldbreite ergeben würden. Der bzw. die Pufferverstärker 6 werden dabei im Sendemoment durch den bzw. die Eingangsschalter 7 vorübergehend von der Sendeenergie abgetrennt. Das geschilderte Ansteuerkonzep! ermöglicht eine einfache und schnelle Programmierung. Höhe und Breite der Sende/Empfanstsflächen, welche am häufigsten zu verändern sind, werden durch eine schnell schaltbare Logik 10 bis 13 bzw. durch ein nur kurzes Schieberegister 14 gesteuert. Die Logik 15 zwischen dem kurzen Schieberegister 14 und den Sendeschaltern 8 erlaubt dabei eine Um- bzw. Neuprogrammierung des Schieberegisters 14 ohne Störprobleme durch Betätigung der Sendeschalter 8. Die Bildung einer Zwischenebene aus zwanzig Verbindungsschienen hat darüber hinaus auch noch den Vorteil, daß das Problem der Belastung eines einzelnen Kanals durch die unvermeidliche Kapazität anhängender Schalter im geöffneten Zustand verringert wird.

Zur schaltknackfreien Ansteuerung der einzelnen Y.'anulerelemente dient nun eine Schalsteuervorrichtung mit Pufferverstärker, wie sie in der Fig. 2 ausschnittsweise fur insgesamt drei Wandivrelemente Wi. lV2und W3 einer Wandlerspalte des Ultraschall-Arrays dargestellt ist. Im vorliegenden Fall handelt es sich hierbei beispielsweise um die Spalte SPl. Für sämtliche weiteren Spalten SP2. SPi bis SPN des Ultraschall-Arrays gelten die dargestellten Sehaltungs- und Steuerelemente entsprechend. In der FJg. 2 unten ist auch noch die logische AnsleuerschaltUng für die Ansteuerschaltung eines Wandlerelements speziell nur für ein einziges Wzndlerelement, im vorliegenden Fall das Wandlerelement WI₁ dargestellt. Eine entsprechende Ansteuerlogik ist jedoch selbstverständlich auch in

Paraüelformation für die weiteren Wandlereiemente W2, W3 etc. vorgesehen. In der F i g. 2 ergibt sich oben wieder ein Ausschnitt der Schienenmatrix 5 mit dem Sendeoszilllätöf 16 am Eingang der Schienenmatrix. Die Sendeschalter 8 sind im einzelnen als eine Kombination aus Serienschalter 55 und KurzschluOschalter SK aufgebaut. Die Abgriffe der Schienenraatrix 5 für die einzelnen Spalten sind wiederum mit 5Pl bzw. für die weiteren Spalten pfeilartig mit 5P2, SP3... SPN bezeichnet. Speziell der Spalte SP1 sind nun, wie bereits angedeutet, die Wandlerelemente Wl, W 2 und W3 zugeordnet. Jedem Wandlerelement Wl, W2 bzw. W3 ist darüber hinaus zur Ansteuerung mit Sendeenergie bzw. zur Abnahme der Empfangsenergie ein Schalterpaar, bestehend aus einem Serienschaller und einem Parallelschalter, entsprechend den Sendeschaitern des Sendeoszillators 16 zugeordnet. Beim Wandlerelement Wi sind diese Schalter mit .91 bzw. 52. beim Wandlerelement VV2 mit 511 bzw. 521 und beim Wandlerelement VV3 mit 512 und 522 dargestellt, jedem Wandlerelement VVl, W2bzw. W3 ist ferner im erfindungsgemäßen Sinne auch ein Pufferverstärker 18, 19 bzw. 20 zugeordnet. Die Pufferverstärker 18 bis 20 haben dabei, wie dargestellt, Eingangsschalter 53, 531 bzw. 532 sowie Ausgangsschalter 54, 541 bzw. 542. Die Ansteuerlogik umfaßt entsprechend UND-Glieder 22 bis 26 nebst einem NOR-Glied 27 sowie Invertierglieder 28 und 29. Die vom Schieberegister anfallenden Signale werden der Ansteuerlogik über Eingänge Z.Q.S und H zugeleitet.

Mit der Ausführungsform der F i g. 1 und 2 ergibt sich nun die Funktionsweise der Array-Ansteuerung wie folgt. Im Sendefall werden, je nachdem wie viele der Wandlerelemente Wl. W2und Wi zum Sendeflächenmuster beitragen sollen, entsprechend zugehörige Sendeserienschalter SS zusammen mit Serienschaltern 51. 511 bzw. 512 der Wandlerelemente Wi bis W3 geschlossen. Die zugehörigen Sendekurzschlußschalter SK und WandlerkurzschluBschalter 52. 521 bzw. 522 sind dann bei angesteuertem Wandlerelement VVl bis VV3 entsprechend geöffnet. Nicht angesteuerte Wandlerelemente, z. B. solche der Gruppe Wl bis W3 oder Wandlerelemente sonstiger Gruppen aus den folgenden Spalten SP 2 bis SPN. besitzen hingegen jeweils geöffnete Sendeschalter SS bzw. Wandlerserienschalter, während die zugehörigen Kurzschlußschalter geschlossen sein können. Nach Ende der Sendephase, d. h. nach Aussendung eines Ultraschallimpulses, erfolgt vorbereitende Einschaltung auf Empfang (vorzugsweise größtes einzustellendes Empfangsflächenmuster). Zu diesem Zweck werden sämtliche Serien- und Kurzschlußschalter eines Wandlerelements geöffnet und für bestimmte Empfangsflächenmuster ausersehene Wandlerelemente durch Schließen der Eingangsschalter der Pufferverstärker vorbereitend auf nachfolgenden Empfang geschaltet. In der Darstellungsform der Fig.2 heißt das beispielsweise, daß bei einem Empfangsflächenmuster mit sämtlichen Wandlerelementen Wl bis W3 die Serienschalter 51, 511 bzw. 512 sowie die Kurzschlußschalter 52, 521 und 522 geöffnet sind, während hingegen die Eingangsschalter 53, 531 und 532 der Pufferverstärker 18, 19 bzw. 20 geschlossen werden. Mit dem Schließen dieser Schalter werden zwar Schaltknacks erzeugt, die sich jedoch nicht störend auswirken können, weil die vorbereitende Einschaltung der Pufferverstärker auf Empfang außerhalb der eigentlichen Empfangsphasen erfolgt. Eine Einschaltung auf talsächlichen Empfang (der einzelnen erwünschten tatsächlichen Empfangsflächenmuster) erfolgt dann erst

is in der Empfangsphase durch Schließen der jeweiligen Ausgangsschalter 54. 541 bzw. 542 der Pufferverstärker 18 bis 20. Hierbei werden nun zwar tatsächlich auch in der Empfangsphase Schaltknacks erzeugt. Diese Schaltknacks können sich jedoch ebenfalls nicht störend auswirken, da sie aufgrund der hohen Rückwärtsbedämpfung der Pufferverstärker 18,19 bzw. 20 einerseits und der hohen Sperrdämpfung der Wandlerserienschalter 51, 511 bzw. 512 im Zusammenspiel mit der Wandlerimpedanz andererseits (30 dB) nicht zu den auf Empfang geschalteten Wandlerelementen Wl, W2 bzw. W3 gelangen können. Damit wird jedoch auch keines d'eser Wandlereiemente mit der Energie dieses Schaltknarkses beaufschlagt und es ergeben sich somit keine störenden Sendeimpulse außerhalb der erwünschten Sendephasen.

Beim Ausführungsbeispiel speziell der F i g. 2 arbeiten die Pufferverstärker 18, 19 bzw. 20 (in entsprechender Weise auch sämtliche anderen Pufferverstärker der Spalten SP2 bis SPN) ausgangsseitig auf Impedanzen 21 an den Signalausgängen der Schienen der Schienenmatrix 5. welche Impedanzen gemäß Ausführung der Fig.! die Eingangswiderstände der Pufferverstärker 6 sein können. Anstelle der Pufferverstärker können jedoch als Ausgangsimpedanzen auch Schwingkreise oder reine Kapazitäten eingesetzt werden. Wie erläutert, fallen bei unterschiedlichen Empfangstiefen unterschiedlich große Empfangsflächenmuster mit entsprechend unterschiedlichen Antennengewinnen an. Dies führt normalerweise zu Unterschieden in der Bildhelligkeit. Gleichmäßige Helligkeit wird nun dadurch erreicht, daß ein Ausgleichverstärker für das Echosummensignal vorgesehen ist, der vorzugsweise noch hinter einem Tiefenausgleichsverstärker, der den Pufferverstärkern der Schienenmatrix 5 nachgeschaltet

so ist. in den Bildaustastlücken umgeschaltet wird. Erwähnenswert ist auch noch, daß die Eingangsschalter 53, 531. 532 etc. der Pufferverstärker 18. 19. 20 etc. gleichzeitig Schalter für Zu- oder Wegschalten der Stromversorgung für die Pufferverstärker sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gerät zur Ultraschallabtastung mit einem Ultraschallapplikator, bestehend aus einer Mehrzahl von in Fläche räumlich nebeneinander angeordneten Ultraschallwandlerelementen und einer Steuereinrichtung, die eine dem gewünschten Fokusabstand entsprechende Anzahl von Wandlerelementen nach vorgebbaren Empfangs- und/oder Sendeflächenmu- IQ stern an einen Signalsender bzw. Signalempfänger anschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise jedem einzelnen Ultraschallwandlerelement (2 bzw. Wi, W2, W3) empfangs- und/oder sendeseitig wenigstens ein individuell ein- bzw. ausschaltbarer Pufferverstärker (18, 19, 20) für Empfangs- und/oder Sendesignale zugeordnet ist

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Empfangsbetrieb ein Pufferverstärker (18, 19, 20) zwischen dem jeweils auf Empfang zu schaltenden W-'ndlerelement (2 bzw. Wl, W2, W3) und Weiterverarbeitungsteil (6, 7 bzw. 21) für die Empfangssignale bzw. im Sendebetrieb ein Pufferverstärker gegebenenfalls zwischen elektrischem Sender (16) und Sende-Wandlerelemenien schaltbar ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangsschalter (54, 541, 542) am Ausgang des Pufferverstärkers (18, 19, 20) zur signalmäßigen Durchschaltung des Verstärkers an das ihm zugehörige Wandlerelement aktiviert wird erst dann wenn das betreffende Wandlerelement auch mit Empfangsenergie im Empfangsbetrieb bzw. mit Sendeenergie bei e>tl. Sendepufferung beaufschlagt wird. ^3S

4. Gerät nach einem der An. prüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Pufferverstärker (18,19, 20) ein Eingangsschalter (53, 531, 532) am Verstärkereingang zugeordnet ist, der empfangs- und/oder sendamäßig anzusteuernde Wandlerelemente noch vor Ansteuerung vorbereitend an den zugehörigen Pufferverstärker anschaltet.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbereitende Anschaltung von Pufferverstärkern (18,19,20) an erst nachfolgend zu aktivierende Wandlerelemente (Wi, W2, W3) durch Anschaltung des Pufferverstärkers an Versorgungsspannung mittels des Eingangsschalters (53, 531,532) erfolgt.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit Öffnen des Eingangsschalters (53, 531. 532) der Pufferverstärker selbsttätig wieder von Versorgungsspannung abschaltet.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Eingangs- und Ausgangsschalter (53, 531, 532, 54, 541. 542) der Pufferverstärker (18, 19, 20) zusätzlich zu Serien- und Kurzschlußschaltern (51. 511, 512, 52, 521. 522) der Wandlerelemente (WI. W2, W3) vorhanden sind, wobei bei signalmäßig geschlossenen Verstärkerausgangsschaltern Serien- und Kurzschlußschalter immer geöffnet sind.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Empfangsfall die Ausgangssignale der Pufferverstärker (18,19,20) auf Schienen einer Schienenmatrix gelangen, die Vorzugsweise identisch sind mit den Sendeschienen einer Sende/Empfangsschienenmatrix (5).

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Pufferverstärker (18, 19, 20) vorzugsweise als spannungsgesteuerte Stromquelle ausgebildet ist, so daß eine Addition von Signalen durch Parallelschaltung zustande kommt.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der als Stromquelle ausgebildete Pufferverstärker (18,19,20) ausgangsseitig auf eine Impedanz (21) arbeitet, die z. B. wahlweise ein Schwingkreis oder eine reine Kapazität oder wiederum ein Pufferverstärker (6) ist