DE3334090A1

DE3334090A1 - Apodisierter ultraschallwandler

Info

Publication number: DE3334090A1
Application number: DE19833334090
Authority: DE
Inventors: Pieter Johannes 92691 Mission Viejo Calif. t' Hoen
Original assignee: US Philips Corp; North American Philips Corp
Current assignee: Philips North America LLC
Priority date: 1982-09-22
Filing date: 1983-09-21
Publication date: 1984-03-22
Also published as: GB2129253A; JPH0365719B2; GB2129253B; JPS5977800A; DE3334091C2; DE3334091A1; JPS5977799A; CA1201824A; US4518889A; GB2128055A; DE3334090C2; GB8324981D0; GB8324982D0; CA1206588A; GB2128055B; JPH0365720B2

Description

PHA 21 125 A *%/. . 30.8.1983

Apodisierter Ultraschallwandler

Die Erfindung betrifft einen apodisierten Ultrascliallwandler mit einem Körper aus piezoelektrischem Material, das in einer Richtung nahezu senkrecht zu einer Oberfläche des Körpers polarisiert ist, wobei die Polarisation als Funktion des Abstands von einer zentralen Linie oder einem zentralen Punkt zur Oberfläche abnimmt.

Die Echo-Ultraschalltechnik findet im allgemeinen zum Abbilden von Strukturen im menschlichen Körper Anwendung. Ein oder mehrere Ultraschallwandler werden zum Projizieren von Ultraschallenergie in den Körper verwendet. Die Energie wird von Impedanzdiskontinuitäten reflektiert, die zu Organgrenzen und anderen Strukturen im Körper gehören; die sich ergebenden Echos werden von einem oder mehreren Ultraschallwandlern detektiert (die die gleichen Wandler zur Verwendung für die Energieübertragung sein können). Die detektierten Echosignale werden unter Verwendung bekannter Techniken derart verarbeitet, dass Bilder der Körperstrukturen erhalten werden.

Der Spitzendruck im ausgestrahlten Ultraschallbündel steht zur Graupegelverteilung im resultierenden Bild im bestimmten Zusammenhang. Der Querschnitt des von einem Wandler ausgesandten Ultraschallbündels wird von der Emissionsrichtgenauigkeitsfunktion beschrieben, die in jedem beliebigen Abstand vom Wandler als die Variation des Spitzendrucks als Funktion des lateralen Abstands von der Bündelachse definiert wird. Die Richtgenauigkeitsfunktion eines Wandlers wird zum Kennzeichnen seiner räumlichen Auflösung sowie seiner Empfindlichkeit für Artifakte verwendet. Die Hauptkeulenbreite des Bündels ist ein Massstab für die räumliche Auflösung des Wandlers und wird durch die volle Breite beim halben Maximum (FWHM) der Richtgenauigkeitsfunktion gekennzeichnet. Die Intensitätsverteilung ausserhalb der Achse ist ein Masstab für die

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Empfindlichkeit des Wandlers für Artifakte. Die Breite der Emmisionsrichtgenauigkeitsfunktion bei -25 dB (mit FW25 angegeben) ist ein guter Masstab für die Intensitätsverteilung ausserhalb der Achse eines Wandlers in einem medizinischen Ultraschallabbildungssystem. Hiermit wird die Breite der Abbildung eines einzigen streuenden Elements angegeben.

Die Richtgenauigkeitsfunktion eines Wandlers steht zu ihrer Aperturfunktion im Zusammenhang (die die geometrisehe Verteilung von Energie auf die Apertur des Wandlers ist). Nach dem Stand der Technik wurde festgestellt, dass bei schmalbandigen Systemen die Richtgenauigkeitsfunktion des weiten Felds der Fourier-Transformierten der Aperturfunktion entspricht; dieser Zusammenhang wird für die BiI-dung von Bündeln in Radar- und Sonarsystemen verwendet. Dieser Zusammenhang gilt jedoch nicht in medizinischen Ultraschallsystemen, in denen ein kurzer Impuls und so ein breites Frequenzspektrum verwendet wird und die meistens im nahen Feld des Wandlers arbeiten. Deshalb muss bei medizinischen Ultraschallanwendungen die Richtgenauigkeitsfunktion eines Wandlers sehr genau berechnet oder für jede Kombination von Wandlergeometrie und Apertürfunktion gemessen werden. Die Richtgenauigkeitsfunktion eines Wandlers kann z.B. mit Hilfe eines Digital-Computers unter Verwendung der Annäherung berechnet werden, die in einer Veröffentlichung von Oberhettinger mit dem Titel "On Transient Solutions of the "Baffled Piston" Problem", J.of Res. Nat. Bur. Standards-B 65B (1961) 1-6, und in einem Artikel von Stepanishen mit dem Titel " Transient Radiation from Pistons in an Infinite Planar Baffle", J. Acoust. Soc. Am. k9 (1971) 1629-I638 beschrieben ist. Es wird eine Faltung ( "convolution") der Geschwindigkeitsimpulskennlinie des Wandlers mit der elektrischen Erregung und mit der Emmisionsimpulskennlinie des Wandlers verwendet.

Ein Wandler kann apodisiert sein, d.h. seine Intensitätsverteilung ausserhalb der Achse lässt sich durch die Verteilung' von Schallenergie auf den Wandler zu einer gewünschten Apertürfunktion bilden. Für einen

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aus einer einzigen Scheibe bestehenden piezoelektrischen Wandler ist dies durch die Bildung des angelegten elektri<schen Felds unter Verwendung verschiedener Elektrodengeometrien aneinander gegenüberliegenden Seiten der Scheibe, wie solches z.B. in einer Veröffentlichung von Martin und Breazeale mit dem Titel "A simple way to eliminate diffraction lobes emitted by ultrasonic transducers", J.Acoust. soc. Am. 49, No. 5 (1971), 1668, 1669, beschrieben wird, oder durch das An;legeh verschiedener Pegel elektrischer Erregung an benachbarte Wandlerelemente in einer Konfiguration erreicht. Das Verfahren von Martin und Breazeale beschränkt sich jedoch auf eine Anzahl einfacher Aperturfunktionen und die Verwendung getrennter Oberflächenelektroden erfordert komplexe Wandlergeometrien und Schaltkreise.

Nach einem anderen Verfahren kann ein piezoelektrischer Ultraschallwandler durch die Variation der Polarisation des piezoelektrischen Materials abhängig von der Lage auf der wirksamen Oberfläche des Wandlers apodisiert werden. Ein Wandlerelement kann z.B. dadurch apodisiert werden, dass die Polarisation abhängig vom Abstand zu .einer

Linie oder einem Punkt in der Mitte der wirksamen Oberfläche des Wandlers abnimmt. Ein derartiger Wandler kann beispielsweise nach der US-PS 2 9²& O68 dadurch hergestellt werden, dass ein Muster zeitweiliger Elektroden auf der Oberfläche des Wandlers angebracht werden und die verschiedenen darunter liegenden Gebiete verschiedenen polarisierenden Spannungen ausgesetzt werden. Auch kann die Polarisation der darunter liegenden Gebiete durch Anlegen einer Kons tantspannung an die Elektroden in variierenden Periöden variieit werden. Auch kann nach der US-PS 2 956 184 ein speziell geformter Körper eines Materials mit vorteilhaften elektrischen Eigenschaften auf der Oberfläche des Wandlers in Serie mit der polarisierenden Spannung angebracht werden, um eine gleichmässig variierende Polarisationsverteilung auf ein Gebiet des Wandlers zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

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Wandler der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem das Apodisieren ohne Verwendung ©ines speziell geformten Körpers oder zeitweiliger Elektroden erfolgt.

Diese Aufgabe wird mit dem Wandler nach der Erfin-

§ düng dadurch gelöst, dass der Körper aus einer Matrix nahezu paralleler Stäbe aus piezoelektrischem keramischem Material besteht, die in ein elektrisch inertes Bindemittel eingebettet, durch dieses Bindemittel voneinander isoliert, und in einer Richtung parallel zu ihrer Länge polarisiert sind.

lsi dem erfindungsgemäsaen Wandler kann die Polarisationsvertellung dadurch erhalten werden, dass ©in jeder der einzelnen Stäbe getrennt an eine verschiedene Spannung oder für eine verschiedene Periode angeschlossen und mit

IS einer verschiedenen Spannung oder für eine verschiedene Periode polarisiert wird. Auch kann die Zusammensetzung der piezoelektrischen keramischen Stäbe abhängig von ihrer Position im Wandler variiert werden, um eine Polarisationsverteilung zu erhalten. Auch kann der Durchmesser der einzelnen Stäbe oder der Abstand zwischen einzelnen Stäben abhängig von der Lage auf dem Wandlerelement variiert werden, um eine Netto-Polarisationsverteilung zu erhalten. Durch den zusammengesetzten Aufbau des Körpers wird die Kopplung zwischen benachbarten Bereichen auf der Oberfläche des Wandlers herabgesetzt und die Neigung zur Bildung von Schiebewellen im apodizierten Wandler verringert.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Wandlers nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisation des Körpers derart abnimmt, dass die akustische Reaktion der wirksamen Oberfläche des Wandlers bei einer gleichmässigen elektrischen Erregung mit grosser werdendem Abstand vom Zentralpunkt oder voxi der Zentrallinie nach einer Gauss-Funktion abnimmt und die Reaktion an Rändern der Oberfläche etwa 30$ der Reaktion am Zentralpunkt oder an der Zentrallinie beträgt (als eine Gauss-Apodisierung von 3O$> bezeichnet).

Ein Ausführur gsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der zeichnung näher erläutert. Es zeigen

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Fig. 1 ein Diagramm, in dem die Richtgenauigkeitsfunktionen von Wandlern mit verschiedenen Aperturfunktionen gekennzeichnet werden,

Fig.. 2 schematisch einen apodisierten Wandler, der aus einer Matrix piezoelektrischer Stäbe in einem inerten Bindemittel besteht,

Fig. 3 die relative Polarisation an verschiedenen Stellen in einem Wandler nach Fig. 2.

Wandler für medizinische Ultraschallanwendungen sind meistens aus einer Platte piezoelektrischen keramischen Materials aufgebaut. Die Platte kann ein einziges Wandlerelement enthalten, aber kann auch aus einer Konfiguration elementarer Wandler in der Kombination mit einer Elektrodenstruktur bestehen, die es ermöglicht, dass mehrere elektrisehe Signale getrennten Wandlerelementen oder Elementengruppen zugeführt werden. Akustische Energie wird zunächst vom Wandler an eine wirksame Oberfläche der Platte und entlang einer akustischen Achse abgegeben, und empfangen. Die akustische Achse eines einzigen Wandlerelements geht meistens durch die Mitte der wirksamen Oberfläche und verläuft dazu nahezu senkrecht. Es sind Tehniken zum Verschieben der Signalphase bekannt, die es ermöglichen, dass die akustische Achse einer Konfiguration von Wandlerelementen unter verschiedenen Winkeln mit der Oberfläche der Platte steht und die akustische Achse elektrisch- gesteuert wird. Die Stelle des Schnittpunkts der akustischen Achse mit der wirksamen Oberfläche kann auch durch Ein- oder Ausschalten von Wandlerelementen in .einer Konfiguration verschoben werden.

In dieser Beschreibung ist ein Wandler mit einem "in der Phase gedrehten Gefüge" ein Wandler, der so aufgebaut ist und betrieben wird, dass der Winkel zwischen der akustischen Achse und der Oberfläche der Platte Werte annimmt, die sich von etwa 90° unterscheiden, wobei jedoch ein fester Schnittpunkt der Achse mit der Oberfläche aufrechterhalten bleibt; ein Wandler mit einem "schrittweise erregten Gefüge" ist ein Wandler, der so aufgebaut ist und betrieben wird, dass der Schnittpunkt der akustischen

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Achse mit der wirksamen Oberfläche verschoben wird, während ein Wandler mit "linearem schrittweise erregtem Gefüge" ein Wandler ist, der so aufgebaut ist und betrieben wird, dass der Schnittpunkt der akustischen Achse nur entlang einer Zentrallinie auf der wirksamen Oberfläche verschoben wird»

Das piezoelektrische Material wird in einer Richtung nahezu senkrecht zur wirksamen Oberfläche der Platte polarisiert. Die Platte kann gebogen werden, um eine mechanische Fokussierung des Bündels in einem gewählten Abstand entlang der akustischen Achse zur wirksamen Oberfläche zu erhalten. Auch können Elementarbereiche auf der wirksamen Oberfläche mit geeigneten Signalverzögerungen getrennt erregt werden, so dass eine konstruktive Interferenz des ausgesandten Bündels in einem gewählten Brennpunktabstand auf der akustischen Achse erfolgt. Der Wandler liefert jedoch auch Strahlung ausserhalb der Achse mit einer Geometrie, die zunächst von der Aperturfunktion des Wandlers bestimmt wird.

Bekanntlich kann ausserhalb der Achse liegende Strahlung des Wandlers herabgesetzt werden, wenn die Apertur des Wandlers apodisiert wird, d.h. wenn die Erregung des Wandlers abhängig vom Abstand zur akustischen Achse herabgesetzt wird, Apodisierung kann zu einer Verbesserung der Richtgenauigkeit ausserhalb der Achse führen, aber dadurch nimmt die räumliche Auflösung ab. Auf diese Weise besitzt ein auf geeignete Weise apodisierter Wandler eine geringere FW25, aber ein grösseres FWHM als ein Wandler, der nicht apodisiert ist. Nach dem Stand der Technik ist festgestellt, dass das weite Feld eines in einem schmalen Band arbeitenden kontinuierlich erregten Wandlers optimal mit einer Chebyshev-Polynomfunktion apodisierbar ist. Ultraschallwandler für medizinische Abbildungszwecke werden jedoch im allgemeinen mit einem kurzen, breitbandigen Impuls erregt (typisch ein einziger Zyklus bei der Resonanzfrequenz des Wandlers).

Ein Wandler, in dem Apodisierung das optimale

Kompromiss zwischen räumlicher Auflösung und Richtgenauigkeit ausserhalb der i chse zur Folge hat, kann als ein

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Wandler mit optimaler Apertur für medizinische Ultraschallabbildung definiert werden. In Fig. 1 ist ein Diagramm der räumlichen Auflösung und der Richtgenauigkeitsfunktion ausserhalb der Achse eines linearen Gefüges von Wandlerelementen mit verschiedenen Aperturfunktionsapodisierungen dargestellt. Die räumliche Auflösung des Wandlers wird von FWHM auf der horizontalen Achse und die Richtgenauigkeit ausserhalb der Achse von FW25 auf der vertikalen Achse dargestellt. Wandler mit nahe beim Ursprung liegenden Kennlinien eignen sich besser für medizinische Ultraschallanwendungen als Wandler, deren Kennlinien weiter vom Ursprung entfernt liegen. Der Punkt 1 gibt die Kennlinien einer rechteckigen (nicht apodisierten) Apertürfunktion an. Dieser Wandler hat eine gute räumliche Auflösung und eine ziemlich mangelhafte Richtgenauigkeit ausserhalb der Achse. Die Punkte 2 bis 11 geben das Ergebnis bereits veröffentlichter Apodisierungen an und stellen nacheinander eine Kosinus-Apodisierung 2, eine 50^-Gauss-Apodisierung 3» eine Hamming-Apodisierung 4, eine Hanning-Apodisierung 5> eine halbkreisförmige Apodisierung 9 und eine 10$-Gauss-Apodisierung 10 dar.

Der Erfinder hat festgestellt, dass eine 30^-Gauss-Apodisierung eine viel bessere Kombination der Kennlinien räumlicher Auflösung und von Richtgenauigkeit ausserhalb der Achse als eine jede der bereits veröffentlichten Aperturfunktionen für medizinische Ultraschallanwendungen aufweist. Wie in Fig. 1 bei 11 dargestellt ist, liegen die Kennlinien des Wandlers mit einer 30/&-Gauss-Apodisierung viel näher beim Ursprung als die Kennlinien eines jeden der anderen Wandler.

Ein apodisierter piezoelektrischer Wandler kann dadurch hergestellt werden, dass die Polarisation einer piezoelektrischen keramischen Platte abhängig vom Abstand zu einer Zentralachse des Wandlers variiert. Wandler werden

^ nach einem bekannten Verfahren während der Herstellung polarisiert, indem eine ziemlich hohe Gleichspannung an das keramische Material für eine vorgegebene Periode angelegt wird. Die Polarisation des keramischen Materials variiert

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direkt mit der Stärke des angelegten elektrischen Felds und mit der Zeit, in der das Feld angelegt wird.

In Fig. 2 ist ein Wandler aus einem zusammengesetzten Material dargestellt, das aus parallelen Stäben 80 aus einem piezoelektrischen keramischen Material besteht, die in der Verlängerung der akustischen Achse des Wandlers liegen, in ein inertes Harzbindemittel 82, das z.B. Epoxyd sein kann, eingebettet ist und dadurch getrennt sein kann.

Nicht apodisierte Wandler, bestehend aus einer

W Matrix aus piezoelektrischem kermaischem Material in einem elektrischen inerten Harzbindemittel, sind an sich bekannt (siehe z.B. Newham, Bowen, Klicker und Cross, "Composite . piezoelectric transducers (Review), International Engineer.

Applic. 11-2, 93-106, 1980).

Der Erfinder hat gefunden, dass ein zusammengesetzter piezoelektrischer Körper dieses Typs sich besonders für Verwendung in einem apodisierten Wandler eignet.

Das Harzbindemittel liefert eine ziemlich geringe mechanische Kopplung zwischen den örtlichen Bereichen des Wandlers, die den getrennten" Stäben zugeordnet sind und behindert die Bildung von Schiebewellen, die sonst gebildet werden könnten, wenn mehrere Erregungspegel an benachbarte Bereiche des Wandlers angelegt werden.

In einem zusammengesetzten Wandler dieses Typs

^n 25 kann eine Polarisationsverteilung erreicht werden, indem die getrennten Stäbe 80 zum Einbetten mit verschiedenen Spannungen oder für verschiedene Zeiträume polarisiert werden. Auch kann die Zusammensetzung des piezoelektrischen keramischen Materials in getrennten Stäben oder Stabgruppen abhängig von der Stellung um Wandler variiert werden, um nach dem Anlegen einer einheitlichen elektrischen Spannung eine Polarisationsverteilung auf die Platte zu erhalten.

Auch kann der Querschnitt durch getrennte Stäbe oder der Abstand zwischen Stäben (wie in Fig. 2 dargestellt) abhängig von der Stellung am Wandler variieren, um eine Netto-Polarisationsverteilung auf die Apertur des Wandlers zu erhalten.

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In Fig. 3 ist die relative Polarisation der Stäbe abhängig von ihrem Abstand X zur Mitte C des Wandlers dargestellt. Diese Polarisation verläuft ungefähr nach einer Gauss-Funktion und der Wert am Rand des Wandlers beträgt etwa 30% vom Wert in der Mitte.

Claims

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Patentansprüche

Apodisierter Ultraschallwandler mit einem Körper aus piezoelektrischem Material, das in einer Richtung nahezu senkrecht zu einer Oberfläche des Körpers polarisiert ist, wobei die Polarisation abhängig vom Abstand zu einer Zentrallinie oder zu einem Zentralpunkt auf der Oberfläche abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus einer -^ Matrix nahezu paralleler Stäbe aus piezoelektrischem keramischem Material besteht, die in ein elektrisches inertes Bindemittel eingebettet und voneinander durch dieses Bxndemittel isoliert sind, und in einer Richtung parallel zu ihrer Länge polarisiert sind.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Stäben abhängig vom Abstand zur Linie oder zum Punkt grosser wird.
3« Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der Stäbe abhängig vom Abstand zur Linie oder zum Punkt variiert.
4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der getrennten Stäbe abhängig vom $**" 20 Abstand zur Linie oder zum Punkt variiert.

5· Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisation des Körpers derart abnimmt, dass die akustische Reaktion der wirksamen Oberfläche des Wandlers bei einer gleichmässigen elektrischen Erregung mit grosser werdendem Abstand zum Zentralpunkt oder zur Zentrallinie nach einer Gauss-Funktion abnimmt und die Reaktion an den Rändern der Oberfläche etwa 30$ der Reaktion an der Stelle des Punkts oder der Linie beträgt.

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