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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung bewegter Schnittbilder nach dem Ultra- schall-Schnittbildverfahren, insbesondere für Diagnosezwecke, wobei das Untersuchungsobjekt mit einem quer zu seiner Abstrahlrichtung über die Schnittfläche verstellten, gepulsten Schallstrahl abgetastet und die zu den einzelnen Schallimpulsen empfangenen Echos an dem Ort ihrer Entstehung in der Schnittebene geometrisch zugeordneter Stelle auf einem Bildschirm dargestellt werden.
Bisher werden bei der Darstellung solcher bewegter Schnittbilder Abtastung und Bildaufbau praktisch synchron durchgeführt, was bedeutet, dass die Abtastfrequenz der Schnittebene gleich der Bildfrequenz am Bildschirm ist und auch der Zeilenvorschub am Bildschirm etwa der Vorschubgeschwindigkeit des Schallstrahles quer zu seiner Fortbewegungsrichtung entspricht. In der Praxis kommt es dadurch zu bisher für unvermeidlich gehaltenen Fehlern und Einschränkungen in der Anwendungsmöglichkeit des Schnittbildverfahrens.
Bei den bisher üblichen Darstellungen bewegter Schnittbilder nach dem Ultraschall-Schnittbildverfahren wird das darzustellende Objekt bzw. die entsprechende, ausgewählte Schnittfläche des Objektes mit dem Schallstrahl fünfzehn- bis zwanzigmal pro Sekunde vollständig abgetastet und die entstehenden Bilder werden, wie erwähnt, im wesentlichen synchron zur Abtastung nacheinander am Bildschirm dargestellt. Praktisch ergibt sich bei der Durchführung dieses bekannten Verfahrens meist eine Kompromisslösung aus zwei einander widersprechenden Forderungen, wobei keine Forderung voll erfüllt wird. Um ein flimmerfreies Bild zu erhalten, wäre es an und für sich notwendig, 30 bis 40 vollständige Schnittbilder je Sekunde darzustellen.
Das bedeutet bei dem bisher üblichen synchronen Ablauf, dass auch der Schallstrahl entsprechend oft über die Schnittfläche verstellt werden müsste, so dass die Mechanik entsprechend schnell arbeiten muss, was bei mechanisch bewegten Schallköpfen zu grundsätzlichen Schwierigkeiten führt aber auch bei Vielfachschallköpfen, bei denen das Schallbündel durch Weiterschaltung von Einzelschallkopf zu Einzelschallkopf bewegt wird, zu physikalisch bedingten Verzerrungen und Beschränkungen in der Eindringtiefe führt.
Bei mechanisch bewegten Schallköpfen, bei denen der Schallkopf eine hin-und herschwenkende Bewegung ausführt, ist man bestrebt, diese Bewegung in Form einer harmonischen Schwingung durchzuführen, um die auftretenden Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte möglichst klein zu halten. Es ist nun erwünscht, das Bild mit gleichmässiger Rasterdichte abzutasten. Diese gleichmässige Abtastung ist auch nur während eines gleichbleibenden Teiles der Verstellbewegung möglich, man kann also den im Bereich der Bewegungsumkehr liegenden Teil des Bewegungsvorganges nicht mehr ausnützen, so dass, selbst wenn man die etwa linear verlaufenden Bewegungsabläufe beim Hin- und Herschwenken ausnützt, weniger als die Hälfte des gesamten Bewegungsablaufes des Schallkopfes tatsächlich für die Aussendung des Schallbündels zur Verfügung steht.
Wenn man mit einer Bildfolgefrequenz von 30 Bildern je Sekunde arbeiten will, käme man zu einer Periodendauer der Schwenkbewegung des Schallkopfes von etwa 0,03 s, wobei bereits erhebliche Massenkräfte für die Beschleunigung und Verzögerung überwunden werden müssen und sich ausserdem grosse Ankopplungsschwierigkeiten für den Schallkopf ergeben.
Man wählt daher in der Praxis bei hin- und herschwingenden Schallköpfen eine niedrigere Bildfolgefrequenz, meist etwa 15 Bilder je Sekunde, und nimmt das dabei auftretende Flackern des Bildes in Kauf. Neben den mechanisch durch die Massenkräfte und die Ankopplungsschwierigkeiten bedingten Problemen ergeben sich auch grundsätzliche physikalische Probleme, wenn man bei der bisherigen Durchführung des Verfahrens zur Darstellung bewegter Schnittbilder die Bildfolgefrequenz höher wählt. Wegen der endlichen Laufzeit der Schallimpulse zwischen Aussendung und Empfang führt der Schallkopf bereits eine gewisse Schwenkung aus, bevor er das zu einem Impuls gehörende Echo empfängt. Diese Schwenkung ist umso grösser, je schneller sich der Schallkopf bewegt und je weiter die Reflexionsstelle vom Schallkopf entfernt ist.
Dies führt dazu, dass der Schallkopf Echos von Reflexionsstellen ab einer bestimmten Eindringtiefe überhaupt nicht mehr empfangen kann und dass auch die empfangenen Echos an einer andern Stelle registriert werden, als es der tatsächlichen Lage der zugehörigen Reflexionsstelle entspricht, da die Reflexionsstelle bei der Anzeige immer auf die augenblickliche Abstrahlrichtung des Schallkopfes bezogen und entsprechend in dieser Richtung angezeigt wird, wogegen diese Reflexionsstelle tatsächlich in der Abstrahlrichtung des Schallkopfes im Augenblick der Aussendung des Schallimpulses liegt.
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Diese mit der Tiefe der Reflexionsstelle im Objekt zunehmende Verzeichnung wird umso grösser, je schneller dieser Schallkopf bewegt wird. Bei einer hin-und herschwingenden Bewegung des Schallkopfes und einer Ausnützung von Teilen der Hin- und der Herbewegung für die Erzeugung des Schnittbildes tritt, da die Verzeichnung von der Bewegungsrichtung abhängig ist, auch noch eine Verzeichnung in zwei verschiedenen Richtungen auf. Eine Ausnützung nur der einen Bewegungsrichtung hätte anderseits wieder eine Halbierung der ohnehin schon zu tiefen Bildfolgefrequenz zur Folge bzw. würde selbst bei Erhöhung der Schwingungsfrequenz wieder zur Vergrösserung der Verzeichnung führen, so dass auf diesem Wege kein praktischer Gewinn erzielbar ist.
Durch Verwendung von nur in einer Richtung rotierenden Schallköpfen kann zwar eine gewisse Verbesserung erzielt werden, da das Schallbündel jeweils nur in einem Richtungssinn durch das Objekt verstellt wird und auch keine Massenkräfte (Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte) auftreten, doch muss man auch hier wegen der Verzeichnung die Abtastgeschwindigkeit und die Abtastfrequenz in Grenzen halten, so dass sich in der Praxis ebenfalls nur die Möglichkeit ergibt, bestenfalls mit einer Abtast- und Bildfolgefrequenz von 15 bis 20 Bildern je Sekunde zu arbeiten.
Auch bei Mehrfachschallköpfen mit elektronisch über die Schnittfläche verstelltem Schallbündel muss die der Abtastfrequenz entsprechende Bildfrequenz wegen der Gefahr der zu starken Verzeichnung und zur Erzielung einer ausreichenden Eindringtiefe niedrig gehalten werden.
Bei der Darstellung einzelner, ruhender Schnittbilder, sogenannter Tomogramme, ist es an und für sich üblich, die durch nacheinander ausgesandte Schallimpulse erzeugten Echosignale nach A-D Umwandlung zu speichern und nach vollständiger Abtastung unter neuerlicher D-A Umwandlung aus dem Speicher, insbesondere nach der Fernsehnorm auf einen Bildschirm, abzufragen. Die Speicherung ist hier wegen der langsamen Abtastung des Objektes zwingend notwendig, um am Bildschirm überhaupt ein zusammenhängendes Schnittbild darstellen zu können.
Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass die Anzahl der Abtastungen der Schnittebene mit dem Schallstrahl in der Zeiteinheit (Abtastfrequenz) mit nur einem Bruchteil der Bildfolgefrequenz für die Darstellung am Bildschirm gewählt wird und dass in an sich bekannter Weise die bei der Abtastung erhaltenen Signale in einem Speicher zwischengespeichert und zumindest während der Abtastpausen mit der Bildfolgefrequenz abgefragt werden.
Eine Grundüberlegung, die zu dem erfindungsgemässen Verfahren geführt hat, besteht darin, dass die Bewegungen der meisten Organe im menschlichen Körper so langsam erfolgen, dass man an und für sich die Abtastgeschwindigkeit bzw. -frequenz auf etwa 10 Bilder je Sekunde absenken kann, ohne dass in den erzeugten Einzelbildern nennenswerte Unschärfen auftreten. Bei dieser niedrigen Anzahl der Abtastungen erhält man eine Vergrösserung der Eindringtiefe und einen proportionalen Rückgang der Verzeichnung gegenüber der sonst üblichen, schnelleren Abtastung. Man kann aber auch dort, wo hinsichtlich der Einzelbildschärfe durch eine Vergrösserung der Anzahl der Bilder nichts gewonnen wird, die zwischen zwei Abtastvorgängen möglichen Pausen für andere Zwecke ausnützen.
Beispielsweise kann man in solchen Pausen das Objekt mit andern Schallköpfen oder anders fokussierten Schallköpfen abtasten und die jeweils erhaltenen Bilder nebeneinander am Bildschirm darstellen. Da die Bildfolgefrequenz wesentlich grösser als die Anzahl der Abtastungen in der Zeiteinheit gewählt werden kann, wobei praktisch jeweils ein einzelnes Schnittbild mehrmals hintereinander in der Bildfolgefrequenz dargestellt und dann zum nächsten Schnittbild gewechselt wird, lässt sich ein flimmerfreies Bild durch hohe Bildfolgefrequenz erzielen.
Es wurde ausdrücklich von der Anzahl der Abtastungen in der Zeiteinheit gesprochen, da eine Abtastung der Schnittfläche in einer bestimmten Abtastfrequenz, wobei ein Grossteil der zur Verfügung stehenden Zeit tatsächlich für die Abtastung ausgenützt wird, nur einen Sonderfall darstellt und, wie erwähnt, auch ohne weiteres zwischen aufeinanderfolgenden Abtastvorgängen vergleichsweise lange Pausen vorgesehen werden können. Vorzugsweise wird man bei unterschiedlichen Abtast- und Bildfolgefrequenzen am Bildschirm, wie an sich bekannt, ausschliesslich von Zwischenspeichern mit einer der Bildfolgefrequenz entsprechenden Geschwindigkeit abgefragte Signale darstellen.
Man kann dabei die bei aufeinanderfolgenden Abtastvorgängen erhaltenen Signale in zwei verschiedenen Speichern speichern, jeweils den die Signale einer vollständigen Abtastung enthaltenden Speicher in der Bildfolgefrequenz auf den Bildschirm abfragen und die Abfrage nach der Fül-
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lung des andern Speichers auf diesen umstellen, so dass jeweils das letzte vollständige abgetastete Schnittbild am Bildschirm angezeigt wird.
Durch die Speicherung ergibt sich auch die Möglichkeit, die bei einem Abtastvorgang erhaltenen Signale in einer bestimmten Reihenfolge in den Speicher einzuschreiben und in einer andern Reihenfolge in der Bildfolgefrequenz abzufragen, was den Vorteil hat, dass man die Speicherung entsprechend dem Abtastvorgang vornehmen und dann nach den Bedürfnissen der Bildwiedergabe, insbesondere in bekannter Weise entsprechend der Fernsehnorm, abfragen kann.
Bei einer Abtastung, bei der zwischen aufeinanderfolgenden Abtastvorgängen Pausen vorgesehen werden, kann man die beim Abtastvorgang erhaltenen Signale gleichzeitig am Bildschirm darstellen und speichern, so dass die Signale während der Abtastung unmittelbar angezeigt und in den Abtastpausen die gespeicherten Signale dargestellt werden.
Es soll erwähnt werden, dass an und für sich eine Bildspeicherung bisher nur bei sogenannten langsamen Schnittbildverfahren verwendet wird, bei welchem Schnittbildverfahren beispielsweise während eines Abtastvorganges nur eine Bildzeile geschrieben wird und die Erzeugung eines vollständigen Schnittbildes entsprechend lange benötigt. Um hier überhaupt ein vollständiges Schnittbild darstellen zu können, ist eine Zwischenspeicherung notwendig.
In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 zur Erläuterung des Standes der Technik den Bewegungsablauf eines hin-und herschwingend angetriebenen Schallkopfes, wobei der auf die Symmetrieachse bezogene Schwenkwinkel in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt wurde, Fig. 2 ein ähnliches Diagramm, unter dem aber zur Erklärung des erfindungsgemässen Verfahrens der Bewegungsverlauf der Basislinie des Bildschirmes eingezeichnet wurde, Fig. 3 ein Blockschaltschema für einen das erfindungsgemässe Verfahren ermöglichenden Geräteteil und Fig. 4 eine Ausführungsvariante dazu.
Die aus Fig. 1 ersichtliche Kurve stellt den Bewegungsverlauf eines hin-und herschwingend angetriebenen Schallkopfes dar, von dem ein Schallstrahl ausgesendet wird, der dabei eine bestimmte Schnittfläche in einem Objekt bestreicht. Es ist deutlich sichtbar, dass während der Gesamtzeit T einer Hin- und Herbewegung nur zwischen den Punkten A und B bzw. C und D ein etwa linearer Bewegungsablauf vorhanden ist, bei dem die Abweichung von der Linearität unter 2% liegt und eine gleichmässige Abtastung der Schnittfläche durch den Schallstrahl möglich ist. Die beiden Zeiten t betragen in der Summe weniger als 50% der Zeit T, wozu noch kommt, dass der Bewegungsablauf zwischen den Punkten C und D invers zum Ablauf der Bewegung zwischen den Punkten A und B ist, also die schon näher erläuterte Verzeichnung durch die Bewegung des Schallstrahles nach der andern Richtung stattfindet.
Nach einer Möglichkeit des erfindungsgemässen Verfahrens, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert wird, wird nur mehr der Bewegungsablauf des Schallkopfes und damit des Schallbündels von A nach B für die Bilderzeugung benützt. Die Zeit t ist etwas weniger als ein Viertel der Gesamtzeit T. Das entstehende Bild wird durch analoge Ablenkung der Basislinie eines Bildschirmes zwischen den Punkten A B'in der gleichen Zeit am Bildschirm angezeigt, wobei die dem Bildaufbau dienenden Signale gleichzeitig in einem Speicher festgehalten werden. Sobald der Punkt BI erreicht ist, wird der Bildschirm mit dem Speicher verbunden, und das Schnittbild wird aus dem Speicher wiederholt auf den Bildschirm abgefragt bis der Schallkopf wieder den Punkt A beim nächsten Bewegungsablauf erreicht.
In diesem Augenblick wird der Schreibstrahl wieder unmittelbar vom Schallkopf her gesteuert, er wird also bei jedem Abtastvorgang wieder auf den tatsächlichen Abtastvorgang synchronisiert Beim bezeichneten Ausführungsbeispiel ist die Bildfolgefrequenz etwa viermal so gross als die Anzahl der Abtastungen des Objektes mit dem Schallstrahl. Es wird nur die Schallstrahlbewegung von A nach B ausgenutzt.
Fig. 3 zeigt eine Schaltungsmöglichkeit, wie man die im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Effekte erzeugen kann.
Ein Ablenkgenerator-l-wird von der Schallkopfmechanik her jeweils dann, wenn diese den Punkt A erreicht, über eine Leitung --2- mit einem Synchronisierimpuls belegt. Der Ablenkgenera- tor-l-ist freilaufend und erzeugt eine Ablenkspannung (Sägezahnspannung), wie sie in Fig. 2 unten veranschaulicht wurde und zur Zeilenablenkung der Basislinie am Bildschirm Verwendung
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findet. Diese Ablenkspannung wird über Leitungen --3, 4-- an die entsprechenden Ablenkelektroden od. dgl. der Bildröhre gelegt. Über eine sich gabelnde Leitung --5-- wird die Ablenkspan-
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ter einem Speicher --10-- angeordnet sind.
Strichliert wurden eine A, D-Wandler --11-- und D, A-Wandler --12-- angedeutet, welche Wandler dann erforderlich sind, wenn es sich bei dem Speicher --10-- um einen Speicher für digitale Signale handelt. Ist der Speicher --10-- ein Analogspeicher, wird auf die Wandler --11 und 12-- verzichtet. Die weiter eingezeichneten Schalter --13, 14-- führen dann direkt zu den Adressencomputern --8 bzw. 9--.
Zum Zeitpunkt A werden die Schalter --6, 13-- und ein in einer Leitung --15-- liegender Schalter --16-- geschlossen, so dass in der Leitung --15-- geführte, vom bewegten Schallkopf empfangene Echosignale im Zweig --15a-- der Leitung zur Bildröhre weitergeleitet und dort zur Helligkeitssteuerung verwendet werden und gleichzeitig über den geschlossenen Schalter --13--
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den. Der Adressencomputer --8-- hat aus der ihm von 1 über 6 zugeführten Ablenkspannung die jeweilige Speicheradresse bestimmt.
Zum Zeitpunkt B werden die Schalter-6, 13 und 16-- geöffnet und dafür die Schalter - 7 und 14-- geschlossen. Dadurch ist die Verbindung zwischen Schallkopf und Bildschirm unterbrochen, und die Bildröhre erhält nun über den Leitungsteil --15a-- die vom Adressencomputer - entsprechend der ihm zugeführten Ablenkspannung aus dem Speicher --10-- an der jeweiligen Adresse abgelesenen, aber gespeichert bleibenden Signale, die im D, A-Wandler-12-wieder in Analogsignale rückverwandelt wurden und nun der Helligkeitssteuerung dienen. Sobald der Punkt A des Bewegungsablaufes wieder erreicht wird, schliessen wieder die Schalter --6, 13,16 und die Schalter 7, 14-- werden geöffnet. Der beschriebene Vorgang wiederholt sich.
Die über den Schalter --13-- in den Speicher --10-- gelangenden Signale überschreiben die bis dahin dort gespeicherten Signale.
Bei der Ausführung nach Fig. 4 werden zwei Speicher --17 und 18-- benutzt. Allenfalls notwendige A, D und D, A-Wandler wurden nicht dargestellt. Die vom Schallkopf kommenden Echosignale werden über eine Leitung --19-- einem Adressencomputer --20-- zugeführt, der über eine Leitung - Positionssignale des Schallkopfes erhält und auf Grund dieser Positionssignale und der Laufzeit des Schallimpulses bezogen auf den jeweiligen Sendeimpuls jene Adresse bestimmt, in der das einlangende Echosignal in einem Speicher --17 bzw. 18-gespeichert werden soll. Jeder der beiden Speicher --17 bzw. 18-- liegt zwischen zwei Schaltern --22, 23 bzw. 24, 25--. Zweck dieser Schalter ist es, jeweils den einen Speicher mit dem Adressencomputer --20-- und der Leitung - und den andern Speicher mit dem Bildschirm zu verbinden.
Beim dargestellten Schaltzustand wird gerade der Speicher --17-- gefüllt und der Speicher --16-- abgefragt. Zur Abfrage dient ein Adressencomputer --26--, der wieder von einem Ablenkgenerator --27-- gesteuert wird. An der Leitung --28-- liegt die Ablenkspannung und an der Leitung --29-- das Helligkeitssteuersignal.
Die Speicher --17, 18-- werden wechselweise während der Zeiten A-B mit dem Schallkopf und dem Abfragecomputer --26-- verbunden. Ein Speicher wird also bei jedem zweiten Abtastvorgang gefüllt und während des nächsten Abtastvorganges auf dem Bildschirm ausgelesen. Die Abfragefrequenz entspricht wieder der gewünschten Bildfolgefrequenz. Beim nächsten Einschreibevorgang wird an den jeweiligen Adressen der vorher gespeicherte Wert überschrieben.
Für die Schalter - 22 bis 25-- ergibt sich folgende Schaltfolge :
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<tb> Zeit <SEP> A-B <SEP> Zeit <SEP> B-A <SEP> Zeit <SEP> A-B <SEP> Zeit <SEP> B-A
<tb> Schalter <SEP> 22 <SEP> + <SEP>
<tb> Schalter <SEP> 23-+ <SEP> + <SEP>
<tb> Schalter <SEP> 24--+
<tb> Schalter <SEP> 25 <SEP> +--+
<tb>
Dem Nachteil der Verwendung von zwei Speichern-17, 18-steht der Vorteil entgegen, dass das Einschreiben und Lesen durch zwei verschieden gesteuerte Adressencomputer --20 und 26-bewirkt wird und daher in unabhängiger Reihenfolge vorgenommen werden kann.
Das Lesen kann in einer völlig andern Reihenfolge vor sich gehen als das durch die Art der Abtastung des Objektes mit dem Schallstrahl bestimmte Einschreiben, was bedeutet, dass man u. a. den Speicher-17 oder 18-- unmittelbar entsprechend der Fernsehnorm abfragen und das jeweilige Bild auf einem handelsüblichen Fernsehmonitor darstellen kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Darstellung bewegter Schnittbilder nach dem Ultraschall-Schnittbildverfahren, insbesondere für Diagnosezwecke, wobei das Untersuchungsobjekt mit einem quer zu seiner Abstrahlrichtung über die Schnittfläche verstellten, gepulsten Schallstrahl abgetastet und die zu den einzelnen Schallimpulsen empfangenen Echos an dem Ort ihrer Entstehung in der Schnittfläche geometrisch zugeordneter Stelle auf einem Bildschirm dargestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Abtastungen der Schnittfläche mit dem Schallstrahl in der Zeiteinheit (Abtastfrequenz)
mit nur einem Bruchteil der Bildfolgefrequenz für die Darstellung am Bildschirm gewählt wird und dass in an sich bekannter Weise die bei der Abtastung erhaltenen Signale in einem Speicher zwischengespeichert und zumindest während den Abtastpausen mit der Bildfolgefrequenz für die Darstellung abgefragt werden.