Eindhoven University of Technology

MASTER

Een ultrageluidsscanner voor medische toepassing

van Kemenade, M.J.C.

Award date:1976

Link to publication

DisclaimerThis document contains a student thesis (bachelor's or master's), as authored by a student at Eindhoven University of Technology. Studenttheses are made available in the TU/e repository upon obtaining the required degree. The grade received is not published on the documentas presented in the repository. The required complexity or quality of research of student theses may vary by program, and the requiredminimum study period may vary in duration.

General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright ownersand it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.

• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

https://research.tue.nl/nl/studentthesis/een-ultrageluidsscanner-voor-medische-toepassing(f597fd81-1184-49cd-a5b3-5ef639b289ab).html

I

./

AFDELING DER ELEKTROTECHNIEKTECHNISCHE HOGESCHOOL

EINDHOVEN

Groep Meten en Regelen

EEN ULTRAGELUIDSSCANNER VOOR

MEDISCHE TOEPASSING

door M.J.C. v. Kemenade

Rapport van het afstudeerwerk

in opdracht van Prof. C.E. Mulders

onder leiding van dr.ir. L.C.J. Baghuis

Een ultrageluidsscanner voor medische toepassing

Inleiding

H1 De transducent

1.1. Pi~zo-elektrisch effekt

1.2. Trillingsmodus

Vervangingsschema

Passiviteit

1.3.1. Overdrachtsfunktie

Kristalimpedantie

.2. Elektrische aanpassing

.3. Akoestische aanpassing

.4. Korte pulsen

.5. Invloed van de elektroden

1.4. Eksitatie

.1. Met thyristorschakeling

.2. Geoptimaliseerde aansturingen

1.5. Stralingsdiagrammen en resolutie

H2 Het lichaam als medium voor ultrageluid

2.1. Dempingsmechanismen

2.2. Signaal/ruis verhouding

203. Veiligheid

H3 De B-scanner

3.1. Blokdiagram

3.2. Technische uitvoering

.1. Zender

.2. Voorversterker

.3. Swept Gain circuit

.4. Signaalbewerking

3.3. Signaalverwerking

.1. Het scanmechanisme

.2. Analoge of digitale verwerking

Inleiding

Ongeveer vijftig jaar geleden begon het ultrageluidstijdperk,

doordat een kwarts-transducent met een POULSEN-generator werd

aangestuurd. In zeewater gehangen leverde de transducent zo'n

hevige ultrageluidsstraling dat de vissen dood naar boven

kwamen.

Na die tijd is de ontwikkeling gericht geweest op het verkrijgen

van een betrouwbare SONAR-installatie, die schepen tot nut kon

dienen, in ondiepe wateren en bij het opsporen van scholen vissen.

De medische tak van deze wetenschap is begonnen in de jaren vijftig.

Het eerste tastbare resultaat was het onderscheidingsvermogen tussen

goedaardige en kwaadaardige tumoren (1952), en tussen cystes en

tumoren, wat met r~ntgenapparatuurniet mogelijk was. Het diagnos-

tisch vermogen is sindsdien steeds uitgebreid, zodat op het ogen-

blik hartonderzoek en hersenonderzoek tot de re~ele mogelijkheden

behoren, en de techniek zeker minder schadelijk is dan rontgen-

onderzoek en gammagrafie. Het meest voorkomende onderzoek is thans

het meten van schedeldiameters van foetussen. Deze schedeldiameter

is bij een foetus een goede maat voor lichamelijke en geestelijke

ontwikkeling. Ook kan goed worden vastgesteld of er sprake is van

een tweeling. In de oogheelkunde wordt de techniek ook toegepast,

maar dan met een hogere frekwentie.

Trends in de ontwikkeling gaan vooral uit naar multi-elements

transducenten, om bewegende beelden van buikdoorsneden te kunnen

maken, en naar roterende of verplaatsende transducenten. Men

probeert grotere gevoeligheden te halen en betere resoluties.

Akoestische holografie wordt in het research-stadium bedreven aan

dode objekten, maar behoeft nog veel verbetering voordat er sprake

kan zijn van medische toepassing.

Weefselherkenning is ook een belangrijk objekt van studie. Men

analyseert daartoe echo's spektraal, en probeert gemeenschappelijke

kenmerken op te stellen voor bepaalde weefsels.

In het nu volgende verslag wordt gerapporteerd over een ontwerp-

studie aan een zgn. ultrasone E-scanner. Dit is een scanner die

een doorsnede van het lichaam (tomogram) op een display projekteert.

Het medische onderzoek wordt daarbij gedaan met behulp van een

enkele transducent die in een vlak over het lichaam wordt bewogen.

De studie werd uitgevoerd bij de N.V. Philips in de industriegroep

Radiation Therapy & Nuclear Medicine, als voorontwikkelingsstudie.

3

1.1. Het Pi~zo-elektrische effekt

Het pi~zo-elektrische effekt is een kruiseffekt* waarbij

elektrische ingangsgrootheden mechanische uitgangsgrootheden

bepalen en omgekeerd.

De materialen zijn vaak ferro-elektrisch, (kwarts bijv. echter

niet), terwijl wel alle ferro-elektrische materialen pi~zo

elektriciteit vertonen na polarisatie.

Variabelen S van strain d.i. relatieve rek

T van tension, mechanische spanning

Evan elektrisch veld

D van di~lektrische verplaatsing.

Voor kleine veranderingen van de toestandsgrootheden kan men

twee vergelijkingen geven, waarmee de grootheden in elkaar

worden omgerekend. De ko~ffici~nten zijn dan parti~le afge-

leiden van de variabelen. Onafhankelijke en afhankelijke

variabelen kan men op 4 manieren kiezen. Voor de hier geldendetoepassing zijn 2 definitie-manieren het meest geschikt.

S sE. T + c4. E } ID d.T + ~T.ET cp.S - ht.D

} IIE -h.S + ~s.D

(2)

Bij anisotrope materialen zijn de ko~ffici~nten richtings-

afhankelijk. Deze afhankelijkheid kan men tot uitdrukking

brengen door de toestandsgrootheden als vektoren te beschouwen

en de ko~ffici~nten als matrices (tensoren).

Een belangrijke grootheid is de koppelfaktor, die een maat is

voor de effici~ntie van de energie-omzetting

In stelsel I is deze k

~ lit. 1

in II k

-4

d

De maksimale omzetfaktor van de ene energiesoort naar de~andere bedraagt

K.J..k2.4- (5)

De ko~ffici~nten worden in de handboeken vaak gegeven voor

stelsel 1. Als de koppelfaktor van stelsel 2 dan nog gegeven

is, kan men een schatting maken van de grootheid h,

want (1_k t ). fT

(1-k ).S E

(6 )

(7)

1 1en f. = ~ , omdat E en (?> diagonaal tensoren zijn (ei.j = f.lij)

De belangrijkste grootheden voor de keuze van het soort kristal

zijn in medische toepassingen:

1. koppelfaktor k

moet hoog zijn.

2. mechanische kwaliteitsfaktor Q, bepaalt de tijdsduur van

de akoestische golven.

3. akoestische impedantie, moet zo dicht mogelijk bij die vanwater liggen (1,5x10

6kg/m2 /sek.).

Voor PZT5A zijn deze grootheden

k 0,486

Q 80

Zo 28,8 kg/m2 /sek

De hele elektro-mechanische of mechano-elektrische omzetting

wordt beschreven door een matriks van 9x9 die symmetrisch is~

~ lit. 1 bIz. 126

~~ lit. 2

5

s, \ ~ E E 0 o 0 1i 0 o c4,511 S/~ 51.3S,t. s,~ ~ S~ 0 o 0 T:. 0 o d;:SJ SJ sJ .s: o 0 0 73 0 o dJ)

- E 7f 0 d» 0S9 0 o 0 S.w 0 0Ss 0 o 0 0 SE 0 7;- c1tr 0 0~S, o 0 0 0 os4. !b o 0 0

D, ) r00 0

6 ~ 0) Tt (,: 00)DL - 000 ~4 0 0 . T.t. + o EJ; 0D." ~,d~ ~3 o 0 0 7j o Dc:;

7"1

~76 (8)

Deze matriks geldt voor de kristalklasse orthorhombisch

C2V. (=2m.m)I.

Ko~ffici~nten met indeks 4, 5 en 6 hebben betrekking opafschuifeffekten.

Voor stel~el II 1S de matriks precies hetzelfde gerangschikt.

I lit. 2

6

In de diagnostisch medische toepassingen wordt de zogenaamde

TE (thickness-expander) modus gebruikt.

De TE-modus is een bijzonder geval van de 33-modus, waarbij

elektrische en mechanische effekten langs de Z-as plaats-

vinden. De trillingen treden op bij hele dunne plaatjes.

3 of z t

1. of Y--

fig. 1.2/1

Door de gekozen geometrie worden S, St. o en ook

D, o met o

Schuifeffekten doen in de TE-modus ook niet mee

Met stelsel I (vgl. 1) wordt vgl. (8):

+-

stelsel I

Met stelsel II (vgl. 2)

stelsel II (16 )

De vgl. worden met stelsel II een stuk eenvoudiger. Daarom

werken we in het vervolg met stelsel II.

De kruiseffekten langs de Z-as worden in de TE-modus in

stelsel II dus beschreven met

83 - h~3 D

We nemen een rond plaatje pi~zo-elektrischmateriaal met

dikte 1 en straal r (r ~7 1).

rt KR/5TRLb4CKING LoIIDING

2=0 ~z

(18 )

fig. 1.2/2

De trillingsanalyse wordt eendimensionaal uitgevoerd onder de

veronderstelling dat de laterale afmetingen oneindig zijn en

dat het hele oppervlak in fase trilt.

Randvoorwaarden bij de analyse zijn dat

d S1.·0dt

~3 f(z,t) is

8~()~

ozParameters DC33

vI~

h33

Z~

de trillingsamplitude van het kristaloppervlak.

stijfheid bij konst. D.

golfvoortplantingssnelheid.

soortelijke massa

() T3 IO"'D;" 85 ==Cakoestische impedantie

Het kristal moet voldoen aan de trillingsvergelijking

C).t5JD 0.2. 53

Dc~'3

v~

C33-_. meto t.L e a z:L e (20)

De trillingsvergelijking wordt samen met randvoorwaarden

opgelost en levert een uitdrukking voor ~ • De oplossing is

het eenvoudigst m.b.v. de Laplace transformatie te vinden.

Voor het harmonische geval is de hele afleiding van het ver-

vangingsschema te vinden in lit. 3.

Voor het algemene geval verloopt de afleiding hetzelfde.

Er wordt een spanning V(s) op de transducent gezet. De veld-

sterkte E3 is dan V(s)/l. Dan is (zie vgl. 18)

d ~3 / SD3 = (E3 + h33 ~) (333 . De stroom is de afgeleide

d D(i:)van de dHHektrische verplaatsing i = d t ,dus I = s.D(Laplace getransformeerd).

q

Dan voIgt daaruit voor de elektrische impedantie van het

kristal

Z(5) Y.ffiI (5)

sV(s) . (33)(21 )

Voor deze uitdrukking kan een elektrisch equivalent gevonden

worden in de vorm van een vervangingsschema (zie bIz. ~ ).

Een interessante interpretatie levert het geval, dat het

kristal aan beide zijden is afgesloten met vakulim (Z8 = ZL = 0).Het kristal is dan onbelast, met maksimale trillingsamplitude

en minimale druk (T=O).

De uitdrukking voor ~ is dan

sinh (2z-l)2v s

~(S/Z) = c 1cosh ( ~y)

c (22)

'Ie7T

sin ({J.n-~7T t~i"l)

Voor de grondharmonische aIleen geldt:

D • ( 2z-l)Vl. • Do • S1.n rr x ~ . (1f. vt)S1.n I

amplitude tijdsafh. deel

z

z

z

o amplitudeI "

tl "

is C.~

is -C.~Tr

is 0

10

/"'

~\ / \

I \o -,--t-

\ I \\ I \,j

1e harm.

-~71

3e harm.

R

_4e7[

fig. 1.2/3

Er zijn dus aIleen golfoplossingen mogelijk met eigen-

frekwenties A= n x 21 n 6 Nat.

Ret uit de trillingsvergelijking afgeleide vervangingsschema

(zie lit. 3) wordt gegeven in fig. 1.2/3.

T-e. ---,J :N Zo tanh ¥ II~1

II---, I

~rI

Vit} t r" lJ. iljlZ6 I I ZL.(!o '_II

I I

fig. 1.2/3

Als we als pi~zo-elektrischmateriaal PZT-Sa kiezen met de

volgende ko~ffici~ntwaardenkunnen we daaruit de rekengroot-

heden bepalen.

£0 8,855 x 10-12 F/m

5 1£"31 --::;s 830

/3'33

e 7,75 x 10'3 kg/m~D

14 J 7 x 1010 N/m2C}3

E11 J 1 x 10

10 N/m2C33 ==

hn 21 ,5 x 108

Vim

k 0,486

II

Afmetingen kiezen als volgt:

rond plaatje r = 10-.t m (~ 2cm)

A rr x 10-4 m2

-4= 7,6 x 10 m-- 1 E2f ntSt

3,05 nF (inGeklemde kapaciteit)

= 2,5 MHz

= 4355 m/sek.

N h 33 x Co = 6,56 As/m (elektro-mechanische transformatie-

faktor) •

Z = f x A x vl = 10.600 kg/sek. = A,Z"'IiT

Ret vervangingsschema roept misschien de gedach~op dat hier

sprake is van een aktief circuit vanwege de negatieve kapaci-

tei t.

Daarom beschouwen we het V.V.S. als volgt:

fig. 1. 2/4

Noem nu Z/1 Zo

--+-sC Nt1

Z1.( ZL + Zo tanh "4) (Zm + Zo tanh '4)(ZL + Z8 + 2Zo tanh 1) . N2.

/2

)' = c(. +§.

Zo 10.600 kg/sekV

voortplantingseksponent zL. 0,05 Z0\= dempingskonstante Z8 0,5 Z

P.l = fasekonstante Co = 3x10-9 Fju.> S

. w .I 0,76s = "if = J "if = J~ mIDN 6,56

N~ •

Zoz, = ----------~-

sinh (0{ I + g)v

15C

-r = Iv 175 x 10-

9 sek.

We gaan bij deze beschouwing de demping 0 nemen, omdat we zeker

willen aantonen dat ook een materiaal met een zeer kleine demping

toch een passieve transducent geeft.

Zo /N1.1 -r Zo

Z, - R = 250sinn 51: S1: C N.t-,; illC

a =3

R aSinh J{ x

R ( 1sinhx

- 1LJQ)x

E.RI

+3,32 TOOSC

N.B. Bij frekwenties ver beneden de res. frekw. stelt Z,

dus een kondensator voor met waarde C 900 pF3,32

Als funktie van S~ verloopt Z, als voIgt:

\,-- -- --- - - - - - - ------'\'."

OpIJ'f"R '--------'--~:::.-:------+----:::::o--=-.t. 3 "--q-._. --"r....-

DO !JIfR' 51:"I

fig. 1.2/5

13

Z1.(ZL + Zo t.al1h 1)(Z8 + Zo -fdnh ¥)

(ZL + Z& + 2Zo td.nh :,f) . Nt.met tJ

fig. 1.3.1./1

F is de kracht uitgeoefend op het loading medium.

F' is de elementaire pi~zo-elektrisch opgewekte kracht.

Z is de totale mechanische impedantie gezien vanaf de

klemmen van de ideale elektromechanische transfor-

mator (sekundair).

Uit het vervangingsschema kan de overdrachtsfunktie

F/E berekend worden, gebruikmakende van de formules:

t!osh'(.t -I

Sin/, '(t

......L -"l(e u + e ' )/2

sin/-, )'1. = ( e '(1. _ e -~J. )/2

He·F

Voor de deeloverdrachtsfunktie F/F' vinden we dan

1 - T eoL _ R ti1.;L

1 - K e-~rt

In deze formule komt het reflekteren aan beide zijwanden

van het kristal tot uitdrukking, en dus het staande golf-

karakter van de drukgolf in het kristal. De parameters

in deze formule hebben een interessante fysische inter-

pretatie.

R Reflektiefaktor aan het backing medium.

T Transmissiefaktor aan het backing medium.

K Verzwakkingsfaktor per periode, zijnde

reflektiefaktor backing medium maal

reflektiefaktor loading medium.IS"

Za - Zo-0,53846R

ZB + Zomet ZL. 0,05 Zo

Zs 0,3 Zo

2ZoT

Z" + Zo1,53846

ZL - Zo Ze - ZoK

ZL + Zox Z, + Zo 0,48718

Voor de tota1e overdrachtsfunktie

HFE

sR, C (1_Te-rJ _ Re-2.)'L)hCo x Ho x -------,.----l-----.J.-

SR,C(1-Ke-L)'~)-(1-e)' )(1+R' er-)

Hierin is:

h~= 6,56 is de elektromech. transformatiefaktor.

1---x(hc,l

(Zs + Zo Hz!. + Zo)Za + ZL. + 2Z0

= 143Jl , is de weerstand

van Z, voordat er ref1ekties hebben p1aatsgevodnen, en

getransformeerd naar de primaire zijde.

ZL.Ho ---- 0,0476Zo + Zl.

R'(ZL. + Za) - 2Zo

= Zl. + Za + 2Zo= -0,702128

It = 0( sl ",1 + S1: = Oil + iW"t+ - =vr is de looptijd over de dikte van het krista1.1: = 175 ns.

«1 is de demping die afhanke1ijk is van de mechanischekwa1itei tsfaktor Qm «1 = --IT-2Q.."

'-DiP75 voar PZT-5 - e = 0,98.

/6

Neem W"t= x als frekwentienormering, dan is

jw R j e = i .2, 49x

In dit rekenvoorbeeld wordt R dan:

Rt.ot .2,49 • jx (1-1 ,503e-lX + 0, 517e-LfX )

0,312 . ------2,49 • jx • (1-0,47e-..ljr )-(1-0,98e7 X )(1-0,69e.

L 5" _I (/wi/h)

fig. 1.3.1/2

Ook de elektrische impedantie gezien aan de ingangs-

klemmen kunnen we berekenen met de genoemde hyperbolische

funktie-relaties. Voor de sekundaire impedantie Z vinden

we dan

En voor de impedantie aan de ingangsklemmen:

sRI e(1-Ke-i.~l ) - (1-e-rL )( 1+R' e-~1. )

se • SR. e(1 -Ke-.t,rl )

met numerieke waarden wordt dit:

Z·~

60

40

..n.z'- t \

\trw. \/2P

100 \

\\"

"" {ref.

............--~ ........-----I --__ I (/tfHz.)

fig. 1.3.1/3

Om de impulsrespons van het kristal te kennen is de

Fast-Fourier-transformatie van H~t. berekend. Het

programma hiervoor komt uit lit. q.

h(-i:) t

-{{ps}

fig. 1.3.1/3

De tijdbreedte van de impulsrespons is ongeveer 1,5~s.

Omdat de voortplantingssnelheid van een drukgolf in het

menselijk lichaam ongeveer 1500 m/sek. is, bedraagt de

transversale resolutie bij een zeer korte aansturing

( 100 ns) ongeveer 2 mm. Bij een langer durende aan-

sturing wordt de resolutie minder, omdat het drukver-

schijnsel dan een konvolutie wordt van het ingangssignaal

met de impulsrespons.

/8

Bij lage mechanische kwaliteitsfaktoren is het gedrag

van de transducent voor aIle frekwenties kapacitief.

Dit is weI plausibel, want de ingeklemde kapaciteit

wordt door de mechanische resonanties gemoduleerd

(dikte-modulatie), en deze modulatie is natuurlijk

kwantitatief afhankelijk van de mechanische demping.

/rn[zilt-R.e[Zi]

fig. 1.3.2/1

Bij reso~antie heeft de transducent een impedantie

R-jX .

Volgens de netwerktheorie moet dan aangestuurd worden

met een impedantie R+~X: , om optimale vermogensoverdracht

te krijgen

"I!>TQ bq rcu.

fig. 1.3.2/2

In plaats van een spoel kan ook een ingewikkelder

netwerk voor de transducent worden geplaatst (lit. 10),

waardoor de overdracht over een breder frekwentiegebied

wordt geoptimaliseerd.

Erg veel wordt hier echter niet meer IDee gewonnen, omdat

de signaalketen bij de ultrageluidsscanner door een

aantal overdrachtsfunkties wordt bepaald (zie 3.2.4), en

de totale overdracht bij deze toepassing toch tamelijksterk gepiekt is rond de resonantiefrekwentie.

De akoestische impedantie van water is ca.

1,5 x 106

kg/m2 /sek. Die van PZT-5a is ca.

33,7 x 106 kg/m2 /sek. Dit betekent dat de drukover-

drachtsko~ffici~nt 1 ,5/(33,7+1,5) ~ 0,04 is (4%).

Een van de middelen om die overdracht te verbeteren

zijn kwart lambda plaatjes die tussen het stralende

kristal en het loading medium worden aangebracht (lit.11).

Voor optimale aanpassing moet de akoestische impedantie

van het plaatje zijn.

ZA = VZo ~ 61 kg/m2 /eek.ze 'ZL. ZL. ZL. 1,5x10Zo 33,7 "ZR 7,1 "

fig. 1. 3 -3/1

Als aanpassingsmaterialen komen dan in aanmerking:

1. araldiet met wolfraam

2. bakeliet

Het kwart lambda plaatje werkt bij pulserende aan-

sturing als filter en heeft dan ook een behoorlijke

invloed op de vorm van de overdrachtsfunktie. De

invloed van i A plaatjes kan worden onderzocht, doorhet T-vervangingsschema van de vertragingslijn tussen

loading uitgang van het kristal V.V.S. en load te

schakelen (zie fig. 1.3.3/2).

z. t/,.-- t

fig. 1 -3.3/2

'£ lit. 11

ZO

De berekende ingangsimpedantie is dan

R =

H), z', t" l,~_.. t' - --r- -- ---,,-.\ ~ -+-- \-- ,-;-- -;- '\

I : z!.\ :', I \ :. II ':::!l.\' • I \ " " /I :?. \ ,,' t., I ' '. I

-L I \: ',/y "', y. .,./\ I It .' \ "'.,z ,.' \ _, ~'II ••••~ -----L. ~•• ,

'- .•_- \ 1 _".:.-.-..

1.3.4. Korte akoestische drukpulsen

BACKING MED. KRISTAL LOADING MEDIUM(menselijk lichaam)

Reflektiefaktor aan loading medium

Reflektiefaktor aan backing medium =

"

"

"

"

Transmissiefaktor "

Transmissiefaktor "

Als door het piezo-elektrisch effekt de drukgolven eenmaal

zijn opgewekt, dan gaat er een mechanische resonantie optreden.

Ze- Zo

ZB+ Zo2Zo

ZB+ZO

ZL-ZO

ZL+ZO2Zo

ZL+ZO

K Verzwakkingsfaktor per periode.

Voor de puur mechanische overdrachtsfunktie van piezo-elek-

triscb opgewekte golf naar drukgolf in het loading medium

geldt (zie 1.3.1).

H

De noemer wil zeggen dat H periodiek met verzwakking K per21periode en periodev

_ ____1~~ = 1 + Ke-2~1 K2 -401 K3 -6~1+ e + e .1 - Ke-2~1

22

m.a.w.

Dit stelt dus de superpositie van een aantal deelgolven voor

K/'O

TB /' 0

Ra -< 0 IR} < 1

T

Bij ontvangst is de superpositie van deelgolven iets anders

omdat dan de elementaire golf uit het loading medium komt.

Als nu om redenen van resolutie het uit het kristal tredende

drukverschijnsel kort moet worden (in de tijd), dan is het

zaak om de verzwakking per periode (11K) grater te maken.Omdat het load medium vastlig (water, zijnde het menselijk

lichaam), kan deze faktor aIleen groter worden gemaakt, door

de reflektie-faktor van het backing materiaal kleiner te

maken, m.a.w. door het backing-materiaal beter aan te passen.

Ret enige materiaal wat daarvoor praktisch in aanmerking komt

is araldiet met een bepaalde densiteit wolfraam. De densiteit

wolfraam bepaalt dan de akoestische impedantie. Door centrifu-

geren tijdens het uitharden probeert men het mengsel min of

meer homogeen te houden.

1.3.5. Invloed van de elektroden op het spektrum

De elektroden zijn dunne opgedampte geleiders die aIleen

dienen om kontakt te maken met de transducer. De geluids-

golven moeten dus deze plaatjes doorlopen voordat ze in

het loading- of baekingmedium tereehtkomen.

De invloed kan dus in rekening worden gebraeht met het

T-v.v.s. van de vertragingslijn.

: LOItII>/NG ul'n:i4NG

Omdat de elektroden zeer dun ZlJn (10 tot 20A Al of Ag of Au),

de demping erg klein is (voor Al 0,018 dB/em), en de voort-

plantingssnelheid erg groot is (voor Al 6400 m/sek.).

s (ylel) olel slelmag men zeggen '6: = v en tanh -2-: -2- 2v

dus de tanh looptijdimpedanties mogen worden vervangen door

spoelen met waarde

Evenzo mag de imp.

kondensator met

5inn C)'/)

waarde

worden vervangen door een

c - 0,5 pF.

De elektroden hebben door het laagdoorlatende karakter van

dit filter een zeer kleine afvlakkende werking voor hoge

frekwenties (;>10 MHz) op het spektrum.

1.4. Eksitatie van transducers

+

look

Th.SL

.JN3

/50t----L-l---t-........--- n~ar

Voorve,.st~rker

fig. 1.4.1/1

---ituJ)

De thyristor wordt eens per 300~s opengestuurd met een puIs.

In deze tussentijd heeft de 3N3 kondensator de kans gekregen

om op te laden tot de volle gelijkspanning.

Als Th wordt opengeschakeld begint de lading uit de 3N3 Coverte vloeien naar het kristal, net zo lang tot de stroom daalt

tot de houdstroom van Th • Deze gaat dan dicht, en via de 100k

weerstand gaat 3N3 weer opladen. E.e.a. geeft aanleiding tot

de volgende spanningsvormen.

~ ILo---------j4s-,.uriII

-- --- --400 - 1000 vIIIII

III

fig. 1.4.1/2

25

JT T 2. SWin-W_2_T If( t + ~) 0-0 Eo -c; 2 2 (cos W

2- w"t sin W

2) + ----

1+W "t:

tbi.(W)

O,Df

O,Ol

~Ol

1

II

III,\I\I\\\\\\\\\\

\\

\

" ,.-- ........... ..... -------I (kH-z.)

fig. 1.4.1/3

Als dit spektrum als aansturing voor het kristal wordt gebruikt,

gaat er zeer veel vermogen verloren in de lage frekwenties.

Slechts een minieme fraktie (~ 1%~ van het elektrische aanstuur-

vermogen wordt omgezet in akoestisch vermogen.

Er moet daarom worden gezocht naar een signaal wat spektraal

beter past bij het kristalspektrum H( W ).

SiC w) lSi (W ) x H( W )H( W) .-------'kristal

26

fig. 1.4. 1/4

Voor een aansturing die een hoog rendement heeft is het een

vereiste dat het spektrum van het ingangssignaal sterke

vulling vertoont bij de resonantiefrekwentie.

Bovendien moet als eis worden gesteld dat het stuursignaal

gemakkelijk realiseerbaar is.

1. N6Nat pulsen achter elkaar zijn bijv. gemakkelijk te

maken met een volgorde-schakeling die een transistor

bestuurt (zie fig. 1.4.2/1 en 1.4.2/2)

Eo N::.t..

T

fig. 1.4.2/1.

F;(w) t \\\\\ ,,-....\ r \

.... -\ / \\ 0 0'•• 0 00 \

\ I •••\.\ I \ 0 ';.-:-:-

7T

spektrum

"

-wTfig. 1.4.2/2

Erg effici~nt is dit spektrum nog niet. Er zijn teveel

nuldoorgangen, en er gaat teveel vermogen verIoren bij

lage frekwenties. WeI kan men hier zien, dat het beter

is om een puIs met dubbele amplitude te nemen, dan 2

pulsen achter elkaar.

2. Een positieve en een negatieve puls achter elkaar.

De realiseerbaarheid hiervan is redelijk.

1----"""1fi,

T -i

F,t (w) = j T .

F;(W) t

zrz

. 2 wTSln --

4

WT

4

-- ............./ -.......7T

--.r.Tr -wTDit spektrum is zeer geschikt als aanstuurspektrum.

Er gaat geen vermogen verloren in lage frekwenties,

terwijl de vulling goed gekonsentreerd is rond de

resonantiefrekwentie.

3. Een hele periode van een sinusgolf

-wT

~~(w)

:. _ &, {Sin (w-wo)f _ Sin (W+Wo) f .~ w-~ w+~ J

--{

~(w)

(\I \/ \

11ft) t

Dit is ook een zeer geschikt spektrum om het kristal

aan te sturen.

28

De frekwenties waarmee in de medische toepassing van

ultrageluid wordt gewerkt liggen tussen de 2 en 5 MHz.

De periodetijd T is dan maksimaal 500x10-9s (500ns).

Als er wordt geprobeerd om f 2(t) te realiseren gaan de

schakeltraagheden van transistors meetellen bij deze

snelheden, en de tijdfunktie gaat steeds meer op f3(t)

lijken, naarmate hogere frekwenties moeten worden gereali-

seerd. De spektra lijken echter veel op elkaar. Het belang-

rijkst is dat er niet teveel vermogen verloren gaat in lage

frekwenties, en dat het grootste deel van het vermogen

gekonsentreerd is rond de resonantiefrekwentie.

De effici~ntieverbetering t.o.v. het spektrum wat met de

thyristorschakeling uit ~ 1.4.1. bereikt was, is aanzien-

lijk.

1.5. Stralingsdiagrammen en resolutie

In de vrije ruimte is de komplekse potentiaal van een

puntbron:-; 1(. ;.

e

r = afstand veldpunt - bronpunt1< = golfvektor = j .'i -::: } (;;( +}~)

Om het veldpatroon aan te pakken beschouwt men het kristal

als een equi-fase trillende zuiger met potentiaal ~o'

Volgens het Huygens beginsel moet men dan de puntpotentiaal

integreren over het bronoppervlak.X

tI

\ P ~I\ _-----i\~lr--- I '\ II I e I

/I /I /

1/1/'I

tl. /

I\..../ Pie:."Z.O - p/~atie

y fig. 1.5/1

p(x,y,z) = p(e,~,z) = veldpuntQ(xo ' Yo' zo) := Q(eo,~ , 0) = bronpunt

rp't ::: VfL-~{ t Clj-Yo)~ + Z-L'~ Vet..+ eo!. ~ 2L -- 2.-eeo UJS(/\//-"Po)'

Deze integraal is niet elementair oplosbaar. Met reeksontwikkel-

ingen en numerieke benaderingen zijn de cijfertjes van het

veldpatroon weI volledig verkregen door diverse auteurs (lit. 12).

Men onderscheidt het zgn. Fresnel-gebied en het Fraunhofer-

gebied.

In het Fresnel gebied treden langs de as (e = 0) maksima enminima op (aIleen bij ronde transducers). In het Fraunhofer

gebied gedraagt de transducer zich als een puntstraler

( '-P'J is erg groot t.o.v.A).

Voor de divergentie van het stralingsveld is het erg belangrijk

hoeveel golflengtes de diameter van de transducer is. De breedte

van de hoofd- en zijlobben hangt hier direkt mee samen. Zie

Ii t. 13.

Langs de as kan men de veldintegraal weI elementair oplossen.

2

( Ai.!) (A/I) - ; k:z ( -;k .1!:....-)Ifz. e,T : = If.z. 0, = Ifo· e 1-e 2 zDe drukgolfampli tude is evenredig met Ifz..

V 2'• 1-c 0 s ka2 N 1z2z~ ~o V2n f',\ (i,\ /1v\1\ I I \ / \) I 1/ 11/ \ 1/

rW-- ......../ '--viT-

I -- - - yiltde as

-z

fi9' l.SI!Uit de as is het veldpatroon nog minder prettig. Naarmate de

afstand tot de transducer korter is, komen er meer maksima en

minima, zowel langs de as (O,'f, 2), als uit de as (e ,I\(' ,z=(!..),

fig. 1.5/1.D

2Het laatste aksiale maksimum ligt op 4Azie

31

Voorgaande beschouwingen gelden ook nog aIleen voor stationaire

golven. Bij gepulsde transducenten wordt de situatie nog weer

heel anders, omdat er dan geen sprake meer is van stationaire

interferentie. Eigenlijk kan er dan ook niet meer van Fresnel

en Fraunhofer gebieden worden gesproken. Men heeft vastgesteld

door veldberekeningen en metingen, dat het stationaire veld

dicht wordt benaderd, als de drukgolf een Q van 5 heeft, d.w.z.

het duurt 5 periodes voordat de omhullende tot ~ is gedaald.

Als Q < 5 verschuiven de fokale gebieden van het veld zodanigdat dit niet meer verwaarloosbaar is.

De tijdbreedte van het golfpakketje bepaalt direkt de resolutie

langs de voortplantingsrichting van de golf. Als bijv. bij een

2 MHz transducent met "20 dB breedte" van 3)4s, een puis

to (09 A,t ~ -2.0 dBA,

fig. 1.5/3

wordt uitgezonden, dan betekent dat, dat de aksiale resolutie-6 /van het meetsysteem 3x10 x1500 m sek. = 4,5 mID bedraagt, omdat

de ruimtelijke uitgebreidheid van het golfpakketje dan 4,5 mID

is.

Men streeft daarom naar mechanisch gedempte transducenten, om

het golfpakketje zo smal mogelijk te houden. Dit gaat dan weer

ten koste van de gevoeligheid, zodat een toepassingsgericht

kompromis moet worden gezocht.

Loodrecht op de voortplantingsrichting is de resolutie nog een

stuk slechter en bovendien diepte-afhankelijk, want om een

goed gerichte bundel te krijgen, moet de diameter van de trans-

ducent ongeveer op 10 golflengtes worden gekozen.

32

Er ontstaat dan door het veld een diepte-afhankelijk meet-

profiel, zodat de laterale resolutie ook nog diepte-afhankelijk

wordt.

Om laterale resolutie-verbetering te krijgen, moet de meet-

frekwentie omhoog. De signaal-ruis verhouding zal bepalen

hoeveel, en daarmee de eigenschappen van de keten bepalen.

Zie onderstaande figuur voor het stationaire ultrageluidsveld.

". "w

. . .'.

J.5a

diam. t;ronsd. IS 5 A ::..1 a

fig. 1. 5/4

33

H.2. Het lichaam als medium voor ultrageluid

2.1. Dempingsmechanismen

Er zijn allerlei mechanismen die ervoor zorgen dat de

stralingsintensiteit langs de voortplantingsas van de

akoestische bundel afneemt (zie lit. 5 en 6).

Absorptie treedt op als de dichtheid niet meer in fase is

met de uitgeoefende druk. De akoestische impendantie is

dan kompleks.

In niet-biologische materialen zoals bijv. kristallijne

materialen zijn de afzonderlijke dempingsmechaniamen nog

weI te achterhalen, en te beschrijven met een of meer

relaksatie-tijdkonstantes.

Biologische materialen echter met hun zeer ingewikkelde

struktuur, hun enorme diversiteit van makromoleculen, hun

inhomogene karakter zijn moeilijk in een theorie te vangen.

Er is weI veel gemeten aan diverse weefsels door verschil-

lende onderzoekers (zie lit. 5 en 6). De resultaten zijnvaak niet eenduidig en vertonen nogal wat spreiding. De

frekwentie afhankelijk heid is 0"9. ekspoJ'lent. Di t impliceert

dat er een groot aantal tijdkonstantes verantwoordelijk

zijn voor het verliesmechanisme.

Enkele verzwakkingsmechanismen zijn bekend en min of meer

voorspelbaar.

a. Bundeldivergentie.

Het stralingsdiagram van de akoestische bundel is hier-

voor verantwoordelijk (zie H.1.5.).

b. Viskositeit

Omdat het lichaam voor een groot deel uit vloeistoffen

bestaat zal viskositeit zeker een van de dempingsoor-

zaken zijn.

Een vervelende komplikatie is ook nog dat het lichaam

anisotroop is. Langs verschillende richtingen zijn de eigen-

schappen dan anders. Het sterkst tot uitdrukking komt dit

bij spierweefsel, wat langs de vezels ongeveer de helft

minder demping heeft dan dwars daarop.

34

Dempingstabel

Weefsel De:zing indB em/MHz

Bloed 0,18

Vet 0,63

Hersenen 0,85

Lever 0,9

Nieren 1

Spier (langs) 1 ,3

Hartspier 1 ,8

Ooglens 2

Spier (dwars) 3,3

Sehedelbeen 20

Long 41

Een globale riehtwaarde die als vuistregel kan worden

gebruikt is 1dB/em/MHz. Als er dan een 3MHz transdueent

wordt gebruikt, betekent dit dat bij 15 em diepe organen

een demping van 2x3x15 = 90dB demping. De faktor 2 staater omdat de golf heen en terug moet.

Deze tijdsafhankelijke demping moet opgeheven worden in

de tijdafhankelijke voorversterking (zie swept-gain

e ireui t 3. 1 • 3. ) •

35

2.2. Signaal/Ruis-verhouding

Zoals in de vorige paragraaf beschreven is, moet er een

tijdsafhankelijke versterking van ca. 100dB toegepast worden

op het signaal van de transducent.

Nu is de maximale echo die van een aanvaardbaar akoestisch

intensiteitsniveau in het lichaam terugkomt bij 3MHz onge-

veer 2V: • Het minimum signaalniveau bedraagt dan 20~V van

16,7cm diepte, en liefst willen de artsen nog veel dieper

scannen. Ze willen bijv. graag de wervelkolom als referentie-

punt zien bij een buikscan. In ieder geval wordt hierdoor

duidelijk dat ruiseigenschappen van de transducent onderzocht

dienen te worden. Om iets te kunnen zeggen over deze ruis

moeten we de impedantiekurve van de transducent kennen (zie

fig. 2.2/1).

--{

Fig. 2.2/1

Op het resonantiepunt fo wordt het impendantieminimum bereikt.

De weerstand Ro op dit punt bepaalt feitelijk de ruiseigen-

schappen. De vreemde knikken in de karakteristiek worden ver-

oorzaakt door het ! A plaatje wat de akoestische aanpassingaan de belasting geeft. Voor de elektrische aanpassing (zie

H.1.3.2.) wordt er nog een spoel parallel geschakeld aan de

transducent. De gemeten impedantiekurves met parallelgescha-

kelde spoel voor een akoestisch gedempte en een akoestisch

ongedempte transducent zijn geschetst in fig. 2.2/2.

36

gedempt 2MHz met par. sp.

ongedempt 2MHz

Fig. 2.2/2

De gedempte transducent is bij resonantie dus iets hoog-

ohmiger. Dit komt doordat de elektromechanische transfor-

matiefaktor h.Co (of e in een ander stelsel (zie lit.2,

bIz. ISS)) niet verandert door de dempingstoestand (zie V.V.S.

H.1.2.), terwijl de akoestische impedantie van het backing

medium hoger wordt bij zwaarder wordende demping. Een goede

maat voor de ruisweerstand is de akoestische impedantie van

het kristalmateriaal gedeeld door 2(h.CO)2.

Ro ~

280Jl voor PZT-5A

Co = 2nF

12MHz = 0,946 mm

A = 2, 54. I 0-4 m2

De ruisweerstand is dus evenredig met het kwadraat van de

dikte van de transducent en omgekeerd evenredig met z'n

oppervlak.

De voorversterker moet nu zo ontworpen worden, dat de ruis-

bijdrage hiervan ten hoogste in dezelfde ordegrootte ligt

als de ruis van het kristal.

P Q. &Y1'

Vet'Itl

R

Vel.. ' Lk,.

Fig. 2.2/3

De komponenten zijn hierbij ruisvrij gemaakt en de ruis-

bronnen zijn los getekend.

De ruisbronnen zijn:

1- Het piezo-elektrische kristal

2. De begrenzingsweerstand Ri die v66r de voorversterker• -I- (zie H 3.2.2.). Ri = 150.n...Zlv

3. Equivalent spannings- en stroomruis van de transistor

teruggerekend naar de ingang.

64kT .150. 2x1 0 =2, 23fl V

V-;J R1 = 2, 23)A V.

De ruisgegevens van de transistor komen uit de handboeken

Ve~~ = 2nVx \fBB 2,8pV bij 1m.A emitterstroom.

2pAx VBB ' = 2, 8nA II

De ruis van de transistor wordt voornamelijk veroorzaakt door

de ohmse weerstand r~B van het basisgebied, en door ruis van

de kollektorstroom en de basisstroom. Excess-ruis doet hele-

maal niet mee, omdat aIle frekwenties beneden 100kHz in de

voorversterker worden uitgefilterd (lit. 8).

De stroomruis van de transistor heeft ook geen effekt, want

deze stroom (2,8nA) geeft op punt Q een spanningsval 2,8nA x

300 Jl = 0,8~V. De totale ruis aan de basis van de ingangs-transistor bedraagt dan

2e tot H( jw)

2 2 2X e kr + e R1 + e tr

H( fW) is de overdrachtsfunktie van de ruisbron in het kristal

naar punt P (fig. 2.2/3).

De ruis aan de ingang van de versterker (Q) is dan maximaal

De ruisspanning vormt een van de grote beperkingen in de

ultrageluidsdiagnostiek.

Autokorrelatie en Pulskompressie (lit. 8) zijn moderne

technieken die eerst toepassing gevonden hebben bij Radar,

en die gebruikt worden om signaal-ruisverhouding te verbeteren.

Het principe is dat er niet sen puIs gebruikt wordt als

exitatie , maar meerdere of vele achter elkaar in een bepaalde

kode, terwijl de respons door berekening van de autokorrelatie-

funktie resp. een speciaal filter als korte puIs wordt gedetek-

teerd.

38

De sIN wordt dan verbeterd met een faktor Vlf (wortel uit hetaantal pulsen).

Bij de ultrageluidsdiagnostiek aan mensen is er echter een

vrij sterke grens gesteld aan het akoestisch vermogen wat

ingestraald mag worden, zowel piek als gemiddeld. Dit piek-

vermogen kan dan beter en gemakkelijker worden bereikt met

een puIs van voldoende amplitude, dan met een reeks van

pulsen, zodat het gebruik van deze technieken in deze toe-

passing niet zinvol lijkt.

39

2.3. Veiligheid

AIle straling die als meetsysteem door het lichaam wordt

gestuurd, zoals r~ntgen, gamma- of ultrageluidsstraling

heeft de eigenschap dat bij hoge intensiteit cellen kunnen

worden beschadigd. Ultrageluid steekt weI erg gunstig af

tegen r~ntgen- en gammastraling.

Aangetoond is bij proeven op dieren(zie lit. 14) dat bij

een gemiddelde intensiteit van ca. 1W/cm2 , kontinu toege-

voerd gedurende 1 min., er nog biologische weefseldegeneratie

opgetreden is. Dit is de laagste waarde waarbij ooit schade

waargenomen is.

De veiligheidsgrenzen zijn daar nag ver beneden gesteld

nl. O,5mW/cm2 gemiddeld en O,5W/cm2 piek. De duty-cycle

bij onderzoek is meestal erg laag, nl. ongeveer 3 %0 wanteens per 300~s wordt de transducent ongeveer 1)4s aangestuurd.

De toelaatbare intensiteitsniveaux worden nag enigszins ge-

differentieerd naar taepassing. Bij zwangere vrouwen, waarbij

de schedeldiameter van de foetus wordt gemeten, houdt men

de energie zo laag mogelijk. Bij schedelonderzoek, als men

de positie van de brain mid-line wil vaststellen, heeft men

veel meer energie nodig. Want het bot heeft een hoge absorptie,

en de akaestische impedantie-verschillen tussen brain mid-line

en omringend weefsel zijn erg gering.

40

H.3. De feitelijke B-scanner

3.1. Inleiding + blokdiagram

In de ultrageluidsdiagnostiek is een bepaalde nomenclatuur

ingeburgerd voor de soorten scanners.

Een A-scanner:

Hierbij wordt de echo-amplitude als funktie van de tijd

afgebeeld op een display.

Een c.omf'ounGt 8 - scanne..... :

Hierbij wordt een doorsnede van het menselijk lichaam (een

tomogram) zichtbaar gemaakt op een display. De echo-amplitude

wordt daarbij gebruikt voor intensiteitsmodulatie.

Het grote verschil met A-scanners is dat bij de B-scanner

naast amplitude-informatie van de echo's ook plaatsinformatie

verkregen moet worden.

Het toepassingsgebied van de compound B-scanner is voorname-

lijk de buikholte. Vooral de obstetrie is daarbij een veel

voorkomende toepassing. Een van de redenen hiervan is dat

de ultrageluidsgolven dan geen beenderen op hun weg ontmoeten,

waarbij sterke niet-lineaire vervorming van het plaatje ont-

staat, doordat de geluidssnelheid in bot 3 maal zo groot is

als in weefsel.

Een bijzondere toepassing van de B-scanning ligt bijv. in het

oogheelkundig onderzoek. Hierbij wordt van hoge frekwenties

(15MHz) gebruik gemaakt om een hoge resolutie te halen.

ITR~I'JS.DL.I~ NT

voo~- S/GNlf/4L- INFO-U'NDER. VEtl- !t:-

ST€12J(~ WEllklNG VER-WEIIl.I

De transducent wordt geexciteerd door een dubbelpuls (.ru- tV),voor 2MHz, V ~ 30V en voor 4MRz, V z 100V. Bij 4MHz moet

de amplitude groter zijn om te kompenseren voor grotere absorp-

tie. Deze transducer levert dan een drukgolf op, die als bij

radarsystemen een geometrie bemonstert (hier het menselijk

lichaam). Na de exci tatie gedurende ten hoogste 2)A- s, werkt

de transducent als ontvanger gedurende ca. 250~s. In deze

tijd vangt hij echo's van grensvlakken en weefsel weer Ope

Om te kompenseren voor absorptiemechanismen in het menselijk

lichaam, moet de versterking van de voorversterker als funktie

van de tijd exponentieel oplopen (A=A e 0( t /1

3.2.1. De zender

Als zendersignalen worden genomen de signalen die in 1.4.2.

behandeld zijn. Het gemakkelijkst is f 1(t) te maken (fig.

3. 2 • 1/1.).

I

Roge schakelsnelheden gekombineerd met deze stromen en

spanningen vragen een bijzondere keuze van de uitgangs-

transistors. AIleen de allersnelste core-drivers voldoen.

De belangrijkste snelheidsbeperking van transistors in

verzadigde schakeltoepassingen zijn zgn. storage-effekten.

Als de transistor meer basisstroom krijgt dan hIC , wordtFE

een gedeelte van het surplus als lading opgeslagen in het

basisgebied, wat tot gevolg heeft dat de transistor niet

meer zo snel dicht kane Daarom zijn de transistors "niet

verzadigd" aangestuurd.

Ret maken van f 2(t) (zie fig. 1.4.2.,) is wat ingewikkelder.

v

m 10kI I ;.ut-I I + ~naaYkristal

Il,4£T f,(tlir-I

I

lole

fig. ,.2.1/2

Bij het testen van de beide aanstuurmogelijkheden blijkt

f 2 (t) duidelijk effici~nter te zijn dan f 1 (t). Als V ,OV

is (zie fig. ,.2.1/2) worden grotere echo's verkregen danmet het circuit uit fig. 1.4.1/1 met een aanstuurspanningvan 500V.

44

In een konventionele B-scanner is daarom f2(t) sterk aan te

bevelen vanwege het hoge omzetrendement. Voor de levensduur

v~de transducent is dit ook veel beter. Deze ~s namelijk

vQorgepolariseerd met circa 500 V. Een uitsturing van ± 50 V

t.o.v. deze voorpolarisatie zal dan weinig depolariserend

werken, terwijl een niet efficiente aansturing van honderden

volts op de transducent tot gevolg zal hebben dat deze vrij

snel gedepolariseerd zal worden. Dit verhaal geldt natuurlijk

aIleen voor die materialen die pas piezo-elektrisch worden

na polarisatie (PXE-5, PZT-5A etc.) en een ferro-elektrische

hysteresislus hebben.

E

Dt

--j

2 fA;t:~turin!JFig. 3.2.1/3

'Is

3.2.2. De voorversterker

In de voorversterker worden de door de transducent terug

ontvangen echosignalen op een verder verwerkbaar niveau

gebracht. Hij moet voldoen aan enkele elementaire eisen.

a. Er moet een beveiliging ve6r de eerste trap zitten tegen

overspanning, want de aanstuurspanning voor de transducent

bedraagt ±50Vmax. Deze beveiliging moet ruisarm zijn.

b. De eerste versterktrap moet zodanig zijn uitgevoerd dat

het ruisniveau van de transducent nauwelijks wordt ver-

hoogd, en moet bovendien zoveel versterken dat in verdere

trappen toegevoerde ruis weinig invloed op de siN verhou-ding heeft.

c. Er moet een bandbegrenzing aanwezig zijn om siN verhoudingte verhogen.

d. De versterking moet ala funktie van de tijd regelbaar zijn

om te kompenseren voor tijdsafhankelijke absorptie-mecha-

nismen.

De ruiseigenschappen van de voorversterker moeten zeer bijzondere

aandacht hebben, omdat siN werhouding een van de wezenlijke be-perkingen is van ultrageluid~diagnostiek.Omdat de bron erg

laagohmig is (ca. I~OjQ de resonantiefrekwentie), mag de eerste

trap een beetje stroomruis hebben. Er is daarom als eerste trap

een BCY71 toegepast, d.i. een zeer ruisarme voorversterker-

transistor. Als verdere versterkerelementen zijn daarna MOS-

tetroden toegepast. Deze hebben twee gates. Op de ene kan men

het signaal toevoeren. Op de andere kan men door een variabele

ingangsspanning aan te brengen de steilheid van de transistor

regelen, waardoor een eenvoudige swept-gain faciliteit ontstaat.

46

/00

--.--1=-b--=Icj-81 -----.I----------....,I,ALl

Ischake! -tydens eksit.~ -

Ilc 1"8

6CY~8 -7)(

naar

ad. a.

I/(

fig. 3.2.2/1

De beveiliging bestaat bij bovenstaand schema uit

een 150~ metaalfilmweerstand met twee diodes in

antiparallel. De weerstand moet enerzijds zo laag

mogelijk zijn vanwege de ruis (150.11- V4kTRd~z2,23jUV), en anderzijds zo groot mogelijk vanwege

de belasting die hij vormt bij excitatie van de

transducent.

:B:B

--i

fig. 3.2.2/2

~ zie afkortingenlijst41

Signalen die kleiner zijn dan de doorlaatspanning

vande diodes komen onverzwakt door.

Een tweede beveiliging voor overs turing van de

ingang, vormt de ontkoppelkondensator (161"1=) die

uitschakelbaar is met een BSV80. Tijdens de aan-

sturing wordt de ontkoppeling uitgeschakeld, waar-

door de transistor 0,1x versterkt. Tijdens het ont-

vangen daarentegen weer ingeschakeld waardoor de

versterking ca. 50x wordt.

ad. b en c Voor ruisverschijnselen wordt verwezen naar H 2.2.

ad. d Als men op de 2e gate van de MOS-tetroden de spanning

varieert, verand~~t de steilheid van het kanaal. Dit

effekt wordt gebttiikt om de versterking als funktie

van de tijd exponentieel te laten oplopen.

Per versterktrap kan ongev~er een maximale versterking

van 10x worden bereikt. Met 4 trappen dus 104 • De eerste

trap versterkt ongeveer 50x, zodat de totale versterking

dan 5x10 5(regelbaar) is.

De versterkingskurve van het totale circuit als funktie

van V9~ verloopt ala volgt:

loq Att6

-j. - I 0 -+ , "t 2.

fig. 3.2.2/3

Als nu na excitatie een zaagtand wordt aangebracht

op deze regelgates, kan binnen zekere nauwkeurigheids-

grenzen een exponenti~le versterking verkregen worden.

Bandbegrenzing vindt na de eerste trap ook nog plaats

door de koppeltijdkonstantes (ca. O,5~s), en door een

eerste orde laagdoorlaatfilter na de laatste trap.

4B

3.2.3. Swept-gain circuit

Het doel van het swept-gain circuit is de zaagtand op de

gates van de MOS-tetroden, zodanig te maken dat op de juiste

manier wordt gekompenseerd voor weefselverzwakking.

Daarom zijn helling, de. hoog- en do. laagniveau ale instel-

bare knoppen uitgevoerd.

SLOPE

S'mItT

---'-r--....

u.I

I I

ll>EU:-~

UIT

LlL

UL = upper lellQILL::. lower lev~1S,.1;: l1iveau - CIt:mpassil?9 1100'-- FET's,

fig. 3.2.3/1

De werking is als voIgt:

Links boven staat een integrator. Het delay-signaal van de

one-shot houdt de integrator gereset via 51. Aan het einde

van de delay wordt de integrator gestart en produceert een

zaagtand die blijft lopen totdat het UL (upper level) niveau

wordt bereikt. De komparator reset dan de flip-flop, en de

flip-flop zet via 81 de eerste schakelaar dicht, zodat de

integrator op het UL-niveau blijft hangen totdat nieuwe start-

signaal komt.

~ zie afkortingenlijst

3.2.4. Signaalbewerking

Voordat het echo-signaal aan een informatieverwerkend systeem

wordt toegevoerd, moeten er eerst nog een aantal bewerkingen

op plaatsvinden.

De totale overdrachtsfunktie van de ingangsketen wordt bepaald

door 5 deelspektra.

1. Aansturing

2. Zender met !}.aanpassing

/T\,-_/ : '----

~t 1---............... I3. Dispersieve abs. ~'--

, I -- __

4. Ontvanger

5. Filtrering invoorversterker

6. Totaal

...--1--............,,-/ : ..........

/' I ..........I "-I

/~

/ : \. Di t signaal komt/---/ I ' ........ -.... in de voorversterker=-------'------::;=--- {

De inverse Fouriertransformatie~van Htot levert een tijd-

funktie die er in overeenstemming met de metingen ongeveer

als voIgt uitziet.

so~ zie lit. 9

De bewerkingen die achtereenvolgens op dit signaal kunnen

worden uitgevoerd zijn:

1. Dubbelzijdige gelijkrichting.

2. Laagdoorlaatfiltering, ofweI omhullende detektie

3. Onderdrukking. Deze dient om ruis en andere ongewenstekleine signalen uit het display te houden.

4. Differentiatie. Hiermee kan de voorflank van de omhullendeextra benadrukt worden. Evt. kan de differentiatie weer

gevolgd worden door een gelijkrichting.

5. Dynamische range kompressie.

Er zit in de echo's weI 50dB dynamiek. De amplitudes worden

bij de B-scanner gebruikt voor intensiteitsmodulatie.

Daar er geen enkel display is wat een dynamiek heeft van

50dB, moet er een dynamiekkompressie met een niet-lineair

(logarithmisch diodenetwerk) netwerk plaatsvinden.

6. Analoog-digitaal konversie om de informatie op te slaan

in een geheugen.

+

5"1

+1'5"

In het frekwentiedomein hebben deze bewerkingen ook invloed.

7. Omhullende detektie 1:. = 0'7 AS (bij 2MHz)g

fg = ,430kHz

Spektrum wordt versehoven naar de lage frekwenties (niet-

lineaire bewerking)

-I8. Differentiatie met kleine overdraeht (PO element).

Ii~ l/..------,---I

9. Uitgangsspektrum

De hier niet-genoemde bewerkingen hebben geen invloed in het

frekwentiedomein.

De uitgang van deze keten gaat bij een analoog display direkt

naar de Z-ingang (unblanking ingang) van een oseillograaf of

monitor. Bij een digitaal display gaat het signaal eerst naar

een ADC·, dan naar een geheugen en daarna pas naar een display.

52.

• zie afkortingenlijst

3.3. Signaalverwerking

3.3.1. Het scanmechanisme

Om de echosignalen die uit het lichaam worden terugontvangen

op de ju~e plaats op een display te kunnen weergeven, moet

de positie van de plaats waar ze werden opgewekt worden

berekend.

De transducent is daarom opgehangen aan een zogenaamde scan-

arm die 3 vrijheidsgraden van beweging heeft, zodat een wille-

keurige plaats van het te onderzoeken objekt kan worden bereikt.

Een vrijheidsgraad dient meestal aIleen om een punt te kunnen

bereiken, waar dan verder in een vlak wordt gescand.

R.EF. PU~T

\

\~\\\.,f

eae

V geluidssnelheid in het

menselijk lichaam.

fig. 3.3.1/1

Op tijdstip t = 0 wordt de transducent geexciteerd, zodat eendrukgolf het lichaam in wordt gestuurd. Op tijdstip t wordt

deze ontvangen. Het grensvlak waaraan deze echo werd weerkaatst,

werd dus op ~ bereikt.

De k06rdinaten die dus op een display aan deze echo's moeten

worden toegekend zijn:

lsino< (p t) . 9x = - + ~ s~ny lcos 0< - (p + vi)cos 9

5;)

(1 )

(2)

I en p zijn konstantes. Vgem is voor het menselijk lichaam

bekend. Een mogelijkheid voor een positiemeetsysteem is dan

om 2 sinus-cosinus potentiometers te gebruiken, die mechanisch

zijn gekoppeld aan de hoeken ~ en Q.

vol

Vrefo< t1.

----t.fig. 3-3.1/2

---1;

Als bovenstaande referentie-spanningen op de potentiometers

worden gezet, kunnen op een eenvoudige manier de ko6rdinaten

x en y worden verkregen.

fig. 3.3.1/3

De nauwkeurigheid van sinus-cosinus potentiometers wordt

voornamelijk bepaald door de zgn. conformity-error. Dit is

een fout die aIleen voor niet-lineaire potentiometers is

gedefinieerd, en die de maximale afwijking van de nagestreefde

niet-lineaire kurve weergeeft.

De voornaamste fout in het positie-meetsysteem wordt gevormd

door verschillen in geluidssnelheid die er zijn voor ver-

schillende soorten weefsel.

weefsel Vgem

vet 1450 m/sekhersenen 1541lever 1549nieren 1561bloed 1570spieren 1585bot 4000 fig. 3-3.1/4

Door deze verschillen zal een "geleidelijke" niet-lineaire

vervorming ontstaan.

Omdat deze foutenbron tamelijk groot is, mogen er sinus-

cosinus potmeters gekozen worden met een conformity-error

van 1%.

Bij een digitaal systeem is het een stuk ingewikkelder om

de k06rdinaten te verkrijgen. Om te vermijden dat er dure

snelle ADOIS· nodig zijn, wordt de konversie gesplitst in

1. konverteren van de k06rdinaten van de transducent.

2. uitvoeren van een korrektie hierop i.v.m. de tijds-

afhankelijke veranderende k06rdinaten van de golf.

Eventueel kunnen er bij het digitale systeem lineaire pot-

meters genomen worden i.p.v.sinus-cosinus types. Er kan dan

een PROM1 ) (Programmable Read Only Memory) genomen worden om

sinus en cosinus te bepalen. Een PROM is een digitale bouw-

steen waar men elke funktie in kan zetten die men wile

fig. 3.3.1/5

De fabrikanten verkopen hiertoe apparaatjes waarmee men ze

evt. zelf kan programmeren.

De prijs wordt bepaald door de nauwkeurigheid (het aantal

bits), want voor 8 bits is een PROM een geheugen met 256woorden van 8 bits.

1) lit. 4• zie afkortingenlijst

MUX*

Het systeem ziet er met sin/cos potmeters als voIgt uit:

VrR.f- "" 1.

,..-----'---.., 10 b~

, 'h'l'j'Z.da"",

'----~--~~< I..,..s

xx ,Y, Z - BUFFI=l

Dus we hoeven de positie van de transducent niet vaker te

samplen dan 1 maal per millisekonde. De multiplexer schakelt

x en y telkens om (MUX) , zodat er maar een ADC nodig is.

Het tijdsafhankelijke deel wordt bepaald door de termen

(vgl. 1 en 2) sin e en cos e van spanning naar frekwentieom te zetten (VCO voltage to frequency converter), en in

een teller te integreren. De tellers worden gepreset met de

positie van de transducent. Als er dus een echo op tijdstip

t binnenkomt, dan staat de positie al meteen klaar in de

X-, Y-, Z-buffer.

3.3. Analoge of digitale verwerking

Omdat de informatie die van de transducent komt momentane

informatie is, moet er om een beeld tot stand te brengen

een integratie plaatsvinden.

Dit kan op verschillende manieren, bijv.:

1. Fotografisch

2. Met een geheugenbuis

3. Met een scan-converter4. Met een digitaal geheugen.

Als nevenvoorwaarde moet worden gesteld dat de intensiteits-

dynamiek van het display zo groot mogelijk is. Er zijn nl.

twee hoofdkategorie~nvan echo's.

a. Speculaire; Dit zijn echo's die aan grensvlakken van media

worden weerkaatst. Kenmerkend is dat ze een grote amplitude

hebben.

b. Verstrooide. Dit zijn echo's die binnen uit organen komen.

Ze hebben meestal een erg kleine echo-amplitude.

Beide kategorie~n echo's meeten goed waarneembaar worden afge-

beeld, bijv. door een display te realiseren, waarbij de inten-

siteit evenredig is met de logaritme van de echo-amplitude.

Bij de hele beschouwing moet men zich realiseren dat het beeld

van een compound B-scanner eigenlijk een visuele weergave is

van akoestische impedantie-verschillen door een doorsnede van

het menselijk lichaam.

ad 1. Fotografische integratie

Deze methode heeft het grote nadeel dat men tijdens het

eigenlijke onderzoek niet ziet wat men doet. Wat betreft

de intensiteitsdynamiek voldoet film uitstekend.

Met dit systeem kan de positie en amplitude informatie

van de echo's volledig met analoge elektronika afgebeeld

worden.

ad 2. Geheugenbuis

Ook hier is de signaalketen volledig analoog. Het enige

verschil is dat nu een oscillograaf wordt gebruikt met

een beeldbuis die het beeld vast kan houden, zodat de

integratie door de buis zelf kan gebeuren. De ge!ntegreerde

informatie is nu steeds visueel beschikbaar, zodat men

meteen ziet of de goede plaats wordt onderzocht. Dit

systeem heeft het grote nadeel dat de dynamiek zeer

slecht is (ca. 10 dB).

ad 3. Scan-converter

Ook hier weer een analoge signaalverwerking. De eigenlijke

scan-converter is een speciaal soort geheugenbuis met

x-y deflektieplaten voor het inlezen, en een videomagne-

tische afbuiging voor het uitlezen. Het is dus een methode

om van een x-y signaal een videosignaal te maken. De

dynamiek van deze display is 20 tot 30 dB. De afbeelding

vindt plaats op een T.V.-monitor. Het enige nadeel van

dit systeem is dat de scan-converter een vrij duur appa-

raat is (ca. fl 12.000,-).

ad 4. Digitaal geheugenPositie- en echo-amplitude informatie wordt hier met

ADC's~ omgezet naar binaire getallen. Deze binaire

getallen worden dan naar een RAM (Random Acces Memory)

geschreven, en weI zodanig dat de positie van de echo

overeenkomt met de plaats in het geheugen. De woord-

lengte op dat adres is dan de echo-amplitude. Als een

32k18 bUlkgeheugen~ wordt genomen, en de echo's met

4 bits (16 niveaus) worden gekonverteerd, kunnen er 4

echo's op 1 adres worden opgeborgen. Op deze manier kan

er een resolutie worden gehaald van 512 lijnen van elk

256 punten. Als hiermee een scangebied van 51,2 bij 25,6

em wordt bestreken is de resolutie van deze geheugen-

matriks 2 mm. Er moet gesampled worden met een spatiale

frekwentie van 1 rom om een resolutie van 2 mm te halen.

We komen echter in moeilijkheden met het uitlezen van dit

geheugen.

~ zie afkortingen- en verklaringenlijst

Dit kan nooit met video-frekwentie (25 interlaced beelden

per sekonde) worden uitgelezen. Als de cyclus-tijd van het

geheugen 1,2~s (read-write) bedraagt, is de totale tijd

nodig voor het uitlezen en herschrijven 512 x 256 x 1,2 x 10-6

= 0,156 sek. Er kunnen dus maar 6 beelden/sek. worden ge-

lezen. Er kan dus nooit een flikkervrij beeld worden ver-

kregen.

Dit kan aIleen worden opgelost door meerdere geheugens

te nemen, en dan verschillende woorden tegelijk uit te

lezen. Deze worden dan in een veel snellere buffer gezet

en een voor een uitgelezen. De kleinere geheugens (Sk16)

hebben ook het voordeel dat de cyclus-tijden kleiner zijn

(750 ns). Op deze manier is het mogelijk een geheugen

toch video uit te lezen en op een T.V.-monitor te displayen.

Dit is van wezenlijke betekenis, omdat T.V.-monitoren een

intensiteits-dynamiek hebben van 35 dB.

Er zijn voor display 2 aanvaardbare alternatieven t.o.v. de

verouderde fotografische integratie, nl. de scan-converter en

het digitale geheugen. Beide zijn vrij duur. Beide bieden

dezelfde signaal-konversie, nl. van analoog naar video. Toch

biedt het digitale geheugen nog de ekstra faciliteit dat er

signaalbewerkingen mogelijk zijn. Op het ogenblik wordt het

aantal komplekse bouwstenen voor digitale bewerkingen snel

groter. Mikro-processoren zijn al voor woordlengtes tot 16 bit

beschikbaar. Bovendien dalen de prijzen van deze devices erg

snel. Daarom gaat onze voorkeur op dit moment uit naar de

volledig gedigitaliseerde aanpak.

De beschikbaarheid van een video-signaal aan het einde van de

signaalketen biedt het voordeel dat registratie met video-

recorders, discs, plaatrecorders, e.d. mogelijk is, waardoor

het signaal goedkoop vastgelegd kan worden. Hard-copy units

met video-ingang zijn ook beschikbaar (Tektronix). De gebruiker

van een dergelijk systeem heeft dus de keuze uit een groot

aantal randapparaten.

60

Li teratuurli.jst

1. Fysische Materiaalkunde, dl. 1, 1966, Zwikker, bIz. 109-143.

2. Physical Acoustics 1 part A, 1964, onder redaktie Mason,

bIz. 176.

3. Electromechanical transducers and wave filters, Mason, 1958,

bIz. 401-403.

4. Digital Design with MSI and LSI, 1975, Blakeslee, bIz. 86 e.v.

5. Physical Principles of Ultrasonic Diagnosis, P.N.T. Wells,bIz. 22 e.v.

6. Ultrasonics, Vol. 1 no. 4, 1974.

Wells, Absorption in biological materials.

7. Low-noise electronic design.

Motchenbacher-Fitchen, 1974, H4.

8. Modern Radar.

EIV H4, Pseude Random Binary Coded Waveforms.

EIV H2, FM pulse compression.

9. The fast-fourier transform. ,

Brigham 1974.

10. Piezoelectric Transducers.

Afstudeeropdracht W.J. Kooy.

11. Elektro-Akustische Wandler.

Hecht.

12. Beam behaviour within the near field of a vibrating piston.

t.A.S.A. 1971, no. 1 dl. 2, Zemanek.

13. Sonics, Rueter and Bolt, 1965.

14. Interaction of Ultrasonical and Biological Tissues.

Workshop Proceedings, 1972, bIz. 80-81.

6,

Afkortingenlijst

ABS

ADC

BB

COMP

DAC

FF

INFO

KL

LDF

LL

LSI

MFW

MSI

MUX

OS

RAM

ROM

SIGN

TTL

UL

absolute waarde

analoog-digitaal converter

bandbreedte (3 dB)

comparator

digitaal-analoog converter

flip flop

informatie

klok (oscillator)

laagdoorlaatfilter

lower level

large scale integration

metaalfilmweerstand

medium scale integration

multiplexer

one-shot (monostabiele multivibrator)

random acces memory

read-only memory

teken

transistor transistor logic (logika-familie, met daarvoor

gedefinieerde niveaus)

upper level

Een ultrageluidsscanner voor medische toepassingInhoudInleidingDe transducentHet lichaam als medium voor ultrageluidDe feitelijke B-scanner