METHOD AND DEVICE FOR THE ULTRASONIC SCANNING OF AN OBJECT WITH AN ULTRASONIC HEAD

Abstract: 1. Method for ultrasonic scanning of an object in which by means of an ultrasonic head consisting of a plurality of transducer elements (2) arranged next to each other, ultrasonic pulses are transmitted along different respective linear scanning lines (Z1, Zi, Zn) into the object ; the echo signals are measured as a function of the scanning depth in reception periods following a respective ultrasonic pulse ; during each reception period the aperture (A1, A2, A3) of the ultrasonic head is enlarged, as a function of the scanning depth gradually through activation of an increasing number of transducer elements starting from an initial value (A1) ; the directional characteristic (L1, L2, L3) of the ultrasonic head (A1, A2, A3) is adjusted by the choice of the time delays of the echo signals, characterised in that activated transducer elements for enlarging the aperture are chosen so that the centre of gravity of the aperture, except when scanning along the central scanning line, is displaced with increasing scanning depth, along the transducer elements ; the aperture is enlarged in each case to a terminal value, assigned to the maximum scanning depth and encompassing all transducer elements ; the directional characteristic (L1, L2, L3) is controlled in such a way that the receiving direction cuts, in each case, at an angle, the respective scanning line in the scanning depths corresponding to the different apertures, which angle is a function of the scanning line, whereby this angle becomes nil for the central scanning line, the evaluation of the echo signals is restricted in each case to the signal values (S1, S2, S3) which correspond to the cutting region of the respective receiving direction (L1, L2, L3) with the respective scanning line (Z1, Zi, Zn).

Description: Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallabtastung eines Objekts mit einem Ultraschalikopt Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ultraschallabtastung eines Objekts mit einem Ultraschallkopf, der eine Vielzahl nebeneinander liegender Ultraschallwandler-Elemente aufweist, wobei beim Empfang entlang einer geradlinigen Abtastzeile nacheinander unterschiedliche Zahlen der Ultraschallwandler-Elemente aktiviert und damit zum Empfang aus unterschiedlichen Tiefenbereichen eingestellt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Zur Ultraschallabtastung eines Untersuchungsobjekts werden herkömmlicherweise sogenannte Parallel-Scanner eingesetzt. Bei diesen enthält der Ultraschallkopf eine Vielzahl parallel nebeneinander liegender Ultraschallwandler Elemente, die beim Senden und beim Empfang einzeln oder gruppenweise durchgetastet werden. Beim Empfang entlang einer Abtastzeile kann das eingangs genannte Verfahren eingesetzt werden (DE-OS 26 43 918 = VPA 76 P 5110), d.h. es lässt sich eine elektronische Fokussierung dadurch durchführen, dass mit zunehmender Abtasttiefe im Untersuchungsobjekt eine zunehmende Anzahl an Ultraschallwandler-Elementen aktiviert wird. Die Apertur ist bei diesem Abtastverfahren jedoch verhältnismässig klein, da immer nur ein einzelnes Element oder eine Gruppe aus der Gesamtzahl aller Ultraschallwandler-Elemente verwendet wird. Daher lässt sich die von der Physik her denkbare maximale Querauflösung nicht erreichen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass sich eine verbesserte Auflösung, insbesondere beim Parallel-Scan, ergibt. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden. Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass beim Empfang entlang einer Abtastzeile die Apertur stufenweise vergrössert wird, wobei der Schwerpunkt der Apertur in Scan-Richtung über die Ultraschallwandler-Elemente des Ultraschallkopfes wandert, und dass dabei die Richtcharakteristik der jeweiligen aktiven Apertur eingestellt wird derart, dass sich eine zick-zackförmige Abtastkurve ergibt, die die geradlinige Abtastzeile weitgehend approximiert, wobei in der grössten Abtasttiefe im Objekt sämtliche Ultraschallwandler-Elemente auf Empfang geschaltet sind. Die Aperturbewegung wird durch fortlaufendes Zuschalten weiterer Ultraschallwandler-Elemente erzeugt. Und die Richtcharakteristik kann in an sich bekannter Weise (z.B. durch elektronische Mittel) durch die Apertur, die Krümmung und die Belegungsfunktion der aktiven Empfangsfläche eingestellt oder bestimmt werden. Bei einem solchen Vorgehen ist einem jeden Tiefenpunkt entlang einer Abtastzeile (Bildzeile) eine bestimmte Apertur zugeordnet, die - infolge der schrägen Abtastung grösser ist als beim herkömmlichen Verfahren. Bekanntlich wird die Auflösung in einem Ultraschallgerät umso grösser, je grösser die Apertur ist. Dieses Verfahren ermöglicht die volle Nutzung der einem Tiefenbereich zugeordneten Apertur, so dass sich eine verbesserte Auflösung bei der Bilddarstellung ergibt. Bevorzugt wird dabei so vorgegangen, dass in den einzelnen Aperturstufen die Richtcharakteristik jeweils so eingestellt wird, dass die wirksame Apertur auf die geradlinige Abtastzeile praktisch jeweils unter demselben Winkel "schaut". Damit ergibt sich über die gesamte Abtasttiefe ein weitgehend konstanter Fokussierungsgrad, d.h. eine konstante F-Zahl. Die Auflösung ist dabei von der Tiefe unabhängig, d. h. konstant, einstellbar. Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Empfang entlang einer Abtastzeile der Apertur eine Aperturbelegung ("Shading") zugeordnet ist, die z.B. gemäss einer Gaussschen Verteilungsfunktion oder aber nach einer schiefen, d.h. unsymmetrischen < z.B. gauss-ähnlichen) Funktion ausgebildet ist. Diese Aperturbelegung ist dabei ein Mass für eine Wichtung der empfangenen Echosignale. Bei geeigneter Wahl der Aperturbelegung kann ein Ultraschallbild weitgehend ohne Nebenkeulen-Artefakte erzielt werden. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich erfindungsgemäss dadurch aus, dass 3edem Ultraschallwandler-Element zur Pegelnormierung ein eigener Tiefenausgleichsverstärker nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal auf eine jeweils zugeordnete Schalteinrichtung gegeben ist, die unter Kontrolle einer Steuereinrichtung für jede Abtastzeile nacheinander eine Anzahl Aperturen einstellt, dass jeder Schalteinrichtung ein Bauelement zur Signalverzögerung nachgeschaltet ist, das jeweils unter Kontrolle der Steuereinrichtung für jede Apertur eine zugehörige Krümmung einstellt, und dass die Ausgangssignale der Bauelemente zur Signalverzögerung auf ein Summierglied geleitet sind, dessen Ausgangssignal mittels Signalverarbeitungsgliedern zu einem Bildsignal umsetzbar ist. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von vier Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verfahren zur Ultraschallabtastung mit einem Parallel Scanner, bei dem bei der Abtastung entlang einer Abtastzeile die Apertur mitläuft, Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Darstellung von Fig. 1, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Weiterbil dung des Verfahrens nach Fig. 1, wobei der mit laufenden Apertur eine vorgegebene Aperturbe legung zugeordnet ist, und Fig. 4 eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver fahrens, das in Figur 3 veranschaulicht ist. Nach Figur 1 ist zur Ultraschallabtastung eines Objekts ein Ultraschallkopf vorgesehen, der eine Vielzahl N nebeneinander liegender Ultraschallwandler-Elemente 2 aufweist. Beispielsweise können insgesamt N = 27 = 128 Ultraschallwandler-Elemente 2 parallel nebeneinander vorgesehen sein. Diese Ultraschallwandler-Elemente 2 sind somit Bestandteil eines linearen Arrays, das beispielsweise 8 cm lang sein kann. Nach Figur 2 kann die Breite eines einzelnen Ultraschallwandler-Elements 2 somit 80 mm/128 = 0,625 mm betragen. Bei einer Ultraschallfrequenz von beispielsweise 3,5 MHz würde dies etwa dem 1 1/2fachen der Wellenlänge entsprechen. Das am linken Ende gelegene Ultraschallwandler-Element des Parallel Scanners ist mit 21 und das am rechten Ende gelegene Ultraschallwandler-Element ist mit 2N bezeichnet. Zur Erläuterung des hier verwendeten Empfangsverfahrens wird beispielsweise davon ausgegangen, dass beim vorangehenden Senden eine kleine Apertur, d.h. eine Gruppe mit geringer Anzahl von Ultraschallwandler-Elementen 2, von links beginnend nach rechts durchgeschaltet wird. Links kann dabei ein kleiner Uberstand an Wandlerelementen gegenüber der Scan-Breite vorhanden sein. Bei jedem Sendeimpuls ist also nur die vorgegebene Cruppe an Ultraschallwandler-Elementen 2 eingeschaltet, und diese Gruppe wandert nach jedem Sende impuls und nach dem Empfang der resultierenden Echosignale um einen Schritt nach rechts. Es sei dabei angenommen, dass zunächst entlang einer ersten Abtastzeile oder Bildzeile Z1 ein Sendeimpuls abgestrahlt wird. Unmittelbar danach werden die aus unterschiedlichen Tiefenbereichen des zu untersuchenden Objekts herrührenden Echosignale mit Hilfe ausgewählter Ultraschallwandler-Elemente 2 nach dem erfindungsgemässen Verfahren entlang dieser Abtastzeile Z1 empfangen und in einer Signalverarbeitungseinrichtung verarbeitet. Dabei sei weiter angenommen, dass die erste Abtast- oder Bildzeile Z1 identisch ist mit der links gelegenen Randzeile. Sodann wandert die Abtastzeile um einen Schritt nach rechts. Beim Empfang entlang der Abtastzeile Z1 wird mit wachsender Apertur und mit vorgegebener Empfangs-Richtcharakteristik gearbeitet, und zwar so, dass sich eine zickzack-förmige Abtastkurve ergibt, die die gewünschte geradlinige Abtastzeile Z1 weitgehend approximiert. Dies ist für drei willkürlich herausgegriffene Tiefenbereiche in Figur 1 eingezeichnet. Die drei Tiefenbereiche sind mit 1cit, ht2 und At3 bezeichnet. Im Gegensatz zur Darstellung in Figur 1 sind diese Tiefenbereiche Atl, List2 und Et3 in Wirklichkeit im Verhältnis zum gesamt abge tasteten Tiefenbereich wesentlich kleiner, da es ja darauf ankommt, die jeweils im zentralen Teil gelegenen Objektpunkte I, II und III möglichst gut zu erfassen. Bei der Abtastung während des Empfangs werden sich auch in Wirklichkeit die einzelnen abgetasteten Tiefenbereiche im Gegensatz zur Darstellung - unmittelbar aneinanderreihen. In Figur 1 ist jedoch der besseren Ubersichtlichkeit wegen eine getrennte Darstellung gewählt. Zu Beginn der Empfangsabtastung entlang der Abtastzeile Z1 wird mit kleiner Apertur gearbeitet. Dies ist durch die Apertur Al am linken Rand des Ultraschallkopfes dargestellt. Die Apertur Al schliesst dabei das linke Rand Element 21 ein. Wie ersichtlich, sind also in der Apertur Al nur relativ wenige Elemente 2 aktiviert. Die elektrische Fokussierung des Ultraschallgeräts ist durch bekannte elektronische Mittel entsprechend der Krümmung K1 eingestellt. Die Krümmung K1 ist dabei ein Teil eines Kreises um den Objektpunkt I als Mittelpunkt. Der Abstand jedes einzelnen Ultraschallwandler-Elements 2i (i = 1 ...N) von dem Krümmungsabschnitt K1 entspricht dabei jeweils der eingestellten Verzögerungszeit dieses Elements 2i. Es ist bemerkenswert, dass zur Abtastung der links gelegenen Randzeile Z1 das erste Ultraschallwandler-Element 21 beim Empfang die grösste Verzögerung erfährt, während die weiter rechts gelegenen Elemente mit zunehmendem Abstand vom Randelement 21 eine immer weniger starke Verzögerung ihres Empfangssignals bei der Summierung erfahren. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Ultraschallkopf auf das Objekt I fokussiert ist. Mit dem Empfang mit der vorgegebenen Krümmung K1 wird begonnen, wenn Echosignale aus der vorgegebenen Tiefe tll eintreffen, und der Empfang wird abgebrochen, wenn Echo signale aus der vorgegebenen Tiefe t12 eingetroffen sind. Hierbei bleibt der Ultraschallkopf auf den Qbjektpunkt I fokussiert. Dies wird - in an sich bekannter Weise durch Vorgabe einer entsprechenden Richtcharakteristik erreicht. Während der Einschaltdauer wird somit nicht in Richtung der Abtastzeile Z1, sondern schräg dazu entlang der Linie L1 empfangen. Der während der Einschaltzeit abgetastete Bereich ist durch die schräge Strecke S1 gegeben, die durchgezogen eingezeichnet ist. Die Empfangsabtastung wird sodann mit dem an den Bereich btl anschliessenden Tiefenbereich fortgesetzt. Der Ubersichtlichkeit wegen ist in Figur 1 der weiter entfernte Tiefenbereich II t2 eingezeichnet. Diesem Tiefenbereich Qt2 entspricht nunmehr eine vergrösserte Apertur A2, also eine grössere Anzahl oder Gruppe gleichzeitig aktivierter Ultraschallwandler-Elemente, wobei wieder das linke Randelement 21 eingeschlossen ist. Man kann sagen, dass der Schwerpunkt der aktiven Apertur in Scan-Richtung, also nach rechts, über die Ultraschallwandler-Elemente 2 gewandert ist. Der vergrösserten Apertur A2 wiederum entspricht eine andere Einstellung der Zeitverzögerung der von den aktivierten Ultraschall-Elementen aufgenommenen und sodann summierten Ultraschall-Echosignale. Dies ist durch die Krümmung K2 angedeutet. Auch hier erfährt das links gelegene Randelement 21 die grösste Zeitverzögerung, während die weiter rechts gelegenen Ultraschall-Elemente 2 der nunmehr eingeschalteten Gruppe eine umso geringere Zeitverzögerung erfahren, je weiter sie rechts liegen. Die Apertur A2 ist so gewählt, dass das Ultraschall-Array auf den tiefer gelegenen Objektpunkt II fokussiert ist. Entsprechend zuvor wird diese Apertur A2 aktiviert, sobald Echosignale aus einer vorgegebenen. Tiefe t21 ankommen. Der Empfang mit dieser Apertur A2 wird abgebrochen, so bald Echosignale aus einer vorgegebenen grösseren Tiefe t22 auf die aktivierten Ultraschallwandler-Elemente 2 auftreffen. Während der Aktivierungszeit wird also hier - infolge der gewählten Richtcharakteristik - eine Abtastung entlang der schrägen Linie L2 durchgeführt, und zwar nur entlang der Strecke S2, die den interessierenden Objektpunkt II einschliesst. Auch hier wieder wird die Abtastung so vorgenommen, dass anstelle der Abtastung entlang der Abtastzeile Z1 eine Abtastung schräg dazu, und zwar zwischen den Tiefen t21 und t22 entlang der Strecke S2, erfolgt. Diese schrittweise und schräge Abtastung setzt sich nun lückenlos entlang der Abtastzeile Z1 fort, und zwar so, dass sich eine zick-zack-förmige Abtastkurve ergibt. Diese ist in Figur 2 gezeigt. In Figur 1 ist noch eingezeichnet, wie die Empfangsabtastung des in der grössten Tiefe gelegenen Objektpunktes III erfolgt. Zur Abtastung dieses Objektpunktes III sind sämtliche Ultraschallwandler-Elemente 21, ... 2i ... 2N aktiviert. Die Apertur ist in diesem Fall mit A3 bezeichnet. Zur Fokussierung auf den Objektpunkt III werden die von den einzelnen aktivierten Elementen 21, ... 2i ... 2N empfangenen Ultraschall-Echosignale entsprechend einem Kreissegment mit der Krümmung K3 zeitlich verzögert. Die Fokussierung erfolgt dann entlang einer schrägen Linie L3, von der für die Signalauswertung tatsächlich nur die Strecke S3 herangezogen wird, die den Objektpunkt III einschliesst. Es ist hervorzuheben, dass jede gerade wirksame Apertur Al, A2, A3 auf die geradlinige Abtastzeile Z1 etwa unter demselben Winkel "schaut". Das Ergebnis des in Figur 1 dargestellten Abtastverfahrens ist eine tiefenunabhängige konstante Auflösung. Dabei ist festzuhalten, dass die Abtastzeile Z1 durch einen Zick-Zack-Zug approximiert wird, der sich durch das Mitlaufen der Apertur A sowie der Krümmung K ergibt. In gleicher Weise wird bei der parallel rechts daneben liegenden zweiten Abtastzeile Z2 (nicht eingezeichnet) vorgegangen. Nach dem Senden erfolgt auch hier wieder eine zick-zack-förmige Approximierung der Abtastzeile Z2. Entsprechend wird ganz allgemein bei der Abtastung der Abtastzeile Zi (i = 1 ... N) vorgegangen. Werden die einzelnen Tiefenbereiche At ausreichend klein gewählt, was eine Frage der Dimensionierung des Ultraschallkopfes sowohl in mechanischer als auch in elektrischer Hinsicht ist, so ergibt sich der Vorteil, dass in jeder einzelnen Abtast- oder Bildzeile Zi (i = 1 bis N) die maximal mögliche Apertur A benutzt wird. Das führt dazu, dass ein Ultraschall-Bild mit hoher Auflösung erhalten wird. Nach Figur 1 lässt sich anstelle des Satzes der Krümmungen K1, K2, K3 ein Krümmungssatz K1', K2', K3 verwenden, deren Kurven alle am linken Startpunkt der Krümmung K3 zusammenlaufen. Die Krümmungen Klt und K2' sind dabei strichpunktiert gezeichnet. Für andere Abtastzeilen als Z1 wird der gemeinsame Startpunkt der Krümmungen ebenfalls am Ort der Abtastzeile auf dem Array liegen. Der Krümmungssatz K1', K2', K3 hat den Vorteil, dass der apparative Aufwand für die Verzögerungsglieder und die Umwandlung der Laufzeitmessung in die Koordinatendarstellung geringer wird. In Figur 1 ist für die linke Abtast- oder Bildzeile Z1 der Randstrahl R für die Abtastung des Objektpunktes III eingetragen. Dieser ist bezüglich der rechten Randzeile Zn um einen Winkel t geneigt. Berechnungen haben ergeben, dass dieser Winkel tr bei der zuvor erwähnten Dimensionierung des Ultraschallkopfes 22- betragen kann. In Figur 2 werden einige Überlegungen zur Breite der einzelnen Ultraschallwandler-Elemente 21, ...2i ... 2N verdeutlicht. Betrachtet man ein einzelnes Element 2, beispielsweise das rechte Randelement 2N, so ist bekannt, dass dessen Breite b zur Unterdrückung der grating lobes" klein sein muss. Am günstigsten ist ein Wert von k /2 ( k ist die Wellenlänge). Es hat sich jedoch gezeigt, dass ein Wert von b = 1.5 X für einen Parallel-Scan (mit einem verhältnismässig geringen Schwenk) ausreicht. Weiterhin ist zu beachten, dass die Eigenrichtwirkung des einzelnen Ultraschallwandler-Elements 2N so weit unterdrückt sein sollte, dass es in der Lage ist, schräg einfallende Ultraschall-Strahlung zu empfangen. Überlegungen haben gezeigt, dass bei den voranstehend angegebenen Dimensionierungen (wird ein Sägeverlust berücksichtigt, so ergibt sich eine Breite von 0,45 mm, was etwa einer ganzen Wellenlänge entspricht) ein Intensitätsabfall von etwa 3 dB bei einem Winkel ss = 27- zu verzeichnen ist. Mit anderen Worten, soll bei dem in Figur 1 eingetragenen Winkel t , der - wie erwähnt - 22* betragen kann, der Intensitätsabfall des Randelements 2N nicht mehr als 3 dB betragen, dann ist dies gewährleistet, wenn dieses eine Breite von etwa 1,bei 3,5 MHz besitzt. Bei 4 MHz wird ein Intensitätsabfall von 3 dB bei einer Elementbreite b = 0,4 mm erreicht. In der Mittenzeile, d.h. für eine Abtastzeile am Ort des Elements 2N/2 ergibt sich eine symmetrische Antenne ohne zick-zack-förmigen Kurvenverlauf. In Figur 3 sind gleiche und gleichwirkende Darstellungselemente mit denselben Bezugszeichen versehen wie in Figur 1. Hier ist im einzelnen die zick-zack-förmige Approximation der geradlinigen Abtastkurve Z1 eingezeichnet und mit Z1' bezeichnet. Die darzustellende Bildzeile Zi (i = 1 ... N) wandert auch hier nach jedem Sendeimpuls in Scan-Richtung um einen Schritt weiter, also nach rechts. Bemerkenswert ist in Figur 3, dass die jeder Apertur Al, A2 und A3 zugeordnete Krümmung K1, K2 bzw. K3 mit einer Aperturbelegung Bl, 82 bzw. 83 yersehen ist. Eine solche Aperturbelegung, die im fachlichen Sprachgebrauch auch manchmal als "Shading" oder "Apodizing" bezeichnet wird, führt dazu, dass bei der Abtastung eines Objektpunktes I, II bzw. III die von den aktivierten Ultraschall-Elementen 2 empfangenen Echosignale unterschiedlich gewichtet aufaddiert werden. Die Wichtung und damit die Form der Aperturbelegung B1, 82 bzw. 83 richtet sich nach den praktischen Bedürfnissen. Wie dargestellt, kann dabei vorteilhafterweise jeweils eine Funktion gewählt werden, die an den beiden Seiten einen langsamen, quasi-stetigen Übergang aufweist. Die Verwendung dieser Aperturbelegung 81, 82 bzw. B3 führt zu einer Unterdrückung der Nebenkeulen, die durch Randeffekte bei rechteckiger Belegungsfunktion entstehen würden. Besonders hervorzuheben ist bei den in Figur 3 gezeigten Aperturbelegungen B1, 82 und 83 für die linke Randzeile Z1, dass diese Funktionen so gewählt sind, dass sich ein unsymmetrisches "Shading" ergibt. Mit anderen Worten, der Schwerpunkt der Empfindlichkeitskeule liegt nicht jeweils in der Mitte der Krümmungen K1, K2 bzw. K3, sondern ist hier nach links verschoben. Damit kann erreicht werden, dass die Zahl der Umschaltungen beim Abtasten kleiner wird als beim symmetrischen "Shading". Anderen Bildzeilen Zi können andere Aperturbelegungen zugeordnet sein. Der Aperturmitlauf hat zur Folge, dass in der maximalen Abtasttiefe alle vorhandenen n = 128 Ultraschallwandler Elemente 2 immer gleichzeitig abgefragt werden und damit immer im Einsatz sind. (Der Aperturmitlauf von Figur 1 kann im übrigen auch als rechteckförmige variable Aperturbelegung aufgefasst werden.) Durch die unterschiedliche Aperturbelegung werden die Beiträge der einzelnen Ultraschallwandler-Elemente 2 unterschiedlich gewichtet. So werden die Signalbeiträge bei den Aperturen Al und A2 derjenigen Elemente, die jeweils rechts der Apertur liegen, nicht berücksichtigt. Dies kann als eine Wirkung des Aperturmitlauf oder aber der Aperturbelegung aufgefasst werden. Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform wird somit die Abtastzeile Z1 approximiert durch eine zickzack-förmige Abtastkurve Z1', und zwar durch Mitlaufen der Apertur A, der Krümmung K und der Aperturbelegung B. Entsprechendes gilt für die anderen Abtastzeilen Zi (i = 1 .. . N). Es soll nochmals erwähnt werden, dass bei der Abtastung der linken Randzeile Z1 ein kleiner (nicht gezeigter) Überstand an Ultraschallwandler-Elementen 2 am linken Rand vorhanden sein kann. Dies ist u. U. notwendig, um im Sendefall senkrecht abstrahlen zu können bei einer Apertur, die grösser ist als die Breite eines einzelnen Ultraschallwandler-Elements. Bei konventioneller Technik mit einem linearen Array würde man bei derselben Bildfeldbreite und bei gleicher Apertur ein doppelt so langes Array benötigen als im Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 3; beidseitig würde man nämlich ein halbes Array als Uberstand benötigen. Es soll noch darauf hingewiesen werden, dass das Ultraschall-Array auch als Mehrzeilen-Array oder als flächenhaftes Array mit einer Matrix aus Ultraschallwandler Elementen ausgeführt sein kann. Dann ergibt sich die Möglichkeit, auch eine Fokussierung quer zur Scan-Richtung durchzuführen. In Figur 4 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des in Figur 3 beschriebenen Verfahrens dargestellt. Bei dieser Vorrichtung sind wieder beispielsweise N = 128 Ultraschallwandler-Elemente 2 vorgesehen. In konventioneller Weise werden diese im Sendefall von einem Sender 6 mit Sendesignalen beaufschlagt. Zwischen dem Sender 6 und einem ebenfalls an die Ultraschallwandler-Elemente 2 angeschlossenen Empfänger 8 sind (nicht gezeigte) konventionelle Entkoppelglieder eingeschaltet. Das von einem jeden Ultraschallwandler-Element 2 aufgenommene Ultraschall-Echosignal wird einem eigenen TGC oder Tiefenausgleichsverstärker 10 zugeleitet. Die einzelnen Tiefenausgleichsverstärker 10 sorgen dafür, dass bei gleicher Reflexion das Echosignal aus einer grösseren Tiefe dieselbe Amplitude erhält wie ein Signal aus einer geringeren Tiefe. Somit wird eine Art Pegelnormierung durchgeführt. Gleichzeitig wird eine Art Dynamikeinengung erreicht. Es hat sich nämlich gezeigt, dass ein Dynamikbereich von 50 dB für die aufgenommenen Echosignale im Hinblick auf die nachfolgenden Bauelemente ausreicht. Bei den N = 128 Tiefenausgleichsverstärkern 10 ist darauf zu achten, dass diese im Gleichlauf arbeiten. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass man entsprechend aufgebaute ICs aus derselben Herstellungs Charge verwendet. Weiterhin ist es möglich, alle Tiefenausgleichsverstärker 10 vor oder beim Gebrauch abzustimmen auf dieselbe Empfindlichkeit, was automatisch geschehen kann. Jedes der aus den Tiefenausgleichsverstärkern 10 abgeleiteten Ausgangssignale wird einer eigenen Schalteinrichtung 12 zugeführt. Jede dieser Schalteinrichtungen 12 ist im wesentlichen ein Schalter, der unter der Kontrolle einer Steuereinrichtung, bevorzugt eines Mikroprozessors 14, steht. Die Schaltstellung der Schalteinrichtungen 12 legt jeweils die gewählte Apertur fest. Die von den Schalteinrichtungen 12 durchgelassenen Ausgangssignale werden jeweils einstellbaren Bauelementen 16 und 18 zugeführt, die ebenfalls vom Mikroprozessor 14 kontrolliert werden. Diese Bauelemente 16, 18 sind dazu da, die jeweils benötigte Krümmung K zu realisieren. Es kann sich bei den Bauelementen 18 insbesondere um einstellbare Verzögerungsglieder handeln, die zwecks Fokussierung in jeder Bildzeile Zi für die Einstellung der Krümmung K sorgen. Es hat sich gezeigt, dass Verzögerungszeiten von 10 ps nur mit einigem Aufwand realisierbar sind. Um hier dennoch zu einem vertretbaren Aufwand zu gelangen, können an sich bekannte Mischtechniken eingesetzt werden. Die Bauelemente 16 können also Mischglieder sein, die eine Frequenz f beimischen. Beispielsweise lässt sich durch eine solche Mischtechnik das interessierende Frequenzband von z.B. 2 bis 5 MHz auf ein Frequenzband von 0 bis 3 MHz bzw. bei Quadraturtechnik auf zwei Kanälen mit 0 bis 1,5 MHz nach unten verschieben. Die Bauelemente 16, 18 können auch so ausgestaltet sein, dass sie eine Hochmischung auf höhere Frequenzen bewirken, beispielsweise auf einen Bereich um 30 MHz, und dass dann zusätzlich Oberflächen-Akustik-Glieder eingesetzt werden, die die Einstellung von Verzögerungen gestatten. Die aus den Baugliedern 18 abgegebenen Ausgangssignale werden jeweils einem Belegungs-Bauglied 20 zugeleitet, die ebenfalls unter der Kontrolle des Mikroprozessors 14 stehen. Bei diesen Belegungs-Baugliedern 20 handelt es sich um solche, die für die jeweilige Aperturbelegung sorgen. Im Prinzip kann es sich bei den Belegungs-Baugliedern 20 um veränderliche Widerstände handeln, deren Widerstandswert von dem Mikroprozessor 14 nach Massgabe einer für die jeweilige Apertur vorgegebenen Belegung B geändert wird. Mit anderen Worten, die Belegungs-Bauglieder 20 erzeugen die Empfindlichkeitsbelegung oder das '|Shading", und sie blenden auch z.B. die in den Figuren 1 und 3 bei den Belegungen B1 und B2 nicht gewünschten (rechts gelegenen) Ultraschall-Elemente aus. Dann können die Schalter 12 entfallen. Die einzelnen in dieser Weise verarbeiteten Echosignale werden von den einzelnen Belegungs-Baugliedern 20 an eine Summiereinrichtung 22 gegeben und dort aufaddiert oder überlagert. Die im Summierglied 22 überlagerten Signale werden sodann in bekannter Weise einem Demodulator und anschiessend einem Analog-Digital-Wandler 26 zugeleitet. Die weitere Verarbeitung erfolgt dann in konventioneller Weise so, dass ein Bildsignal erzeugt wird, welches auf ein Bilddarstellungs- oder Bildaufzeichnungsgerät gegeben wird. Abweichend von der Darstellung kann das Ausgangssignal des Summiergliedes 22 auch zunächst als Hochfrequenz Signal auf einen Analog-Digital-Wandler gegeben werden, woraus dann ein gleichgerichtetes Signal gewonnen wird, welches in einem digitalen Tiefpassfilter weiterverarbeitet wird. Auch diese Art der Signalverarbeitung ist an sich bekannt. Hier ergibt sich der Vorteil, dass eine grössere Dynamik erzielbar ist. Das beschriebene Verfahren lässt sich nicht nur für den Parallel-Scan, sondern auch für die Realisierung eines Trapez-Scans einsetzen. In den beiden Randbereichen des Trapezes lassen sich jeweils die geradlinigen Abtastzeilen mit vergleichsweise kleiner Anzahl von Zick-Zack Schritten approximieren. Die Massnahmen nach dem beschriebenen Verfahren lassen sich für eine besonders bevorzugte Ausführung unter Abgrenzung gegenüber bisher praktizierten Verfahren wie folgt zusammenfassen: Die ganze Länge des Arrays wird zur "aktiven Apertur", und der bekannte Scan, d.h. die Verschiebung zum Zwecke der Abtastung, wird hier durch eine Kombination von Schwenk und Verschiebung der Schwerpunktslinie des Schall feldes oder der Empfangs-Richtungs charakteristik ersetzt. Ein Aperturmitlauf sorgt für eine tiefenunabhängige Auflösung, d.h. eine konstante F-Zahl, und eine - bevorzugt unsymmetrische-Aperturbelegung unterdrückt störende Nebenkeulen. Auf diese Weise lässt sich bei einem Array-B-Scanner die Ortsauflösung steigern. Gleichzeitig wird die Abhängigkeit der Ortsauflösung von der Tiefenkoordinate vermindert. 9 Patentansprüche 4 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Ultraschallabtastung eines Objekts mit einem Ultraschallkopf, der eine Vielzahl nebeneinander liegender Ultraschallwandler-Elemente aufweist, wobei beim Empfang entlang einer geradlinigen Abtastzeile nacheinander unterschiedliche Zahlen der Ultraschallwandler Elemente aktiviert und damit zum Empfang aus unterschiedlichen Tiefenbereichen eingestellt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass beim Empfang entlang einer Abtastzeile (Z1) die Apertur (Al, A2, A3) stufenweise > rgrössert wird, wobei der Schwerpunkt der Apertur (Al, A2, A3) in Scan-Richtung über die Ultraschallwandler-Elemente (21 bis 2N) des Ultraschallkopfes wandert, und dass dabei die Richtcharakteristik der jeweiligen aktiven Apertur (Al, A2, A3) eingestellt wird derart, dass sich eine zick-zack-förmrge Abtastkurve (Zi) ergibt, die die geradlinige Abtastzeile (Z1) weitgehend approximiert, wobei in der grössten Abtasttiefe im Objekt sämtliche Ultraschallwandler-Elemente (21 bis 2N) auf Empfang geschaltet sind. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass beim Empfang entlang einer Abtastzeile (Zi) die Krümmung (K1, K2, K3) mit der Apertur (Al, A2, A3) mitläuft, wobei jeder Krümmung (K) eine Aperturbelegung (B) zugeordnet ist, die ein Mass für eine gewichtete Summierung der empfangenen Echosignale ist. 3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei Abtastung einer Abtastzeile (Zi), die ausserhalb der Mitte des Ultraschallkopfes liegt, die Aperturbelegung (Bl, B2, 83) unsymmetrisch ist. 4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Aperturbelegung (B1, 82, B3) eine annähernd stetige Funktion ist. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass beim Paralell-Scan in dem tiefsten Tiefenbereich die Apertur (A3) so eingestellt ist, dass der Randstrahl (R) nicht mehr als 25 abweichend von der Normalrichtung des Ultraschallkopfes liegt. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n.e t dass jedem Ultraschallwandler-Element (2) zur Pegelnormierung ein eigener Tiefenausgleichsverstärker (10) nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal auf eine jeweils zugeordnete Schalteinrichtung (12) gegeben ist, die unter Kontrolle einer Steuereinrichtung (14) für jede Abtastzeile (Zi) nacheinander eine Anzahl Aperturen (A) einstellt, dass jeder Schalteinrichtung (12) ein Bauelement (16, 18) zur Signalverzögerung nachgeschaltet ist, das jeweils unter Kontrolle der Steuereinrichtung (14) für jede Apertur (A) eine zugehörige Krümmung (K) einstellt, und dass die Ausgangssignale der Bauelemente (16, 18) zur Signalverzögerung auf ein Summierglied (22) geleitet sind, dessen Ausgangssignal mittels Signalverarbeitungsgliedern (24, 26) zu einem Bildsignal umsetzbar ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen jedem Bauelement (16, 18) zur Signalverzögerung und dem Summierglied (22) jeweils ein Belegungs-Einstellglied (20) zwischengeschaltet ist, das unter Kontrolle der Steuereinrichtung (14) für jede Apertur (A) eine zugehörige Aperturbelegung (B) einstellt. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jedes Bauelement (16, 18) zur Signalverzögerung nach dem Prinzip der Frequenzmischung arbeitet. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Steuereinrichtung (14) ein Mikroprozessor ist.

Inventors: HASSLER, DIETRICH, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1985
Main classification: G01S7
IPC codes: G01S15, G10K11, G01S7