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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung von aus zwei verschiedenen, einander vorzugsweise rechtwinkelig schneidenden Ebenen stammenden Schnittbildern durch Objekte nach dem Ultraschall-Schnittbildverfahren, bei dem die beiden Schnittbilder mit von mechanisch bewegten Schallköpfen ausgesandten Schallbündeln abgetastet und die aus den bestrichenen Schnittflächen stammenden Echos an dem Ort ihrer Entstehung geometrisch zugeordneter Stelle auf einem Bildschirm od. dgl. dargestellt werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit zwei Schallköpfen, die über Antriebseinrichtungen verstellbar sind, so dass die von ihnen ausgesandten Schallbündel vom Aufsatzbereich her zwei einander im Objekt, vorzugsweise rechtwinkelig schneidende Schnittflächen bestreichen, wobei die empfangenen Echos auf einem Bildschirm od. dgl. an dem Ort ihrer Entstehung geometrisch zugeordneter Stelle darstellbar sind.
Bei Ultraschalluntersuchungen nach dem Schnittbildverfahren erhält man in vielen Anwendungsfällen wesentlich genauere Aussagen über das untersuchte Objekt bzw. den untersuchten Körper, wenn man Schnittbilder aus verschiedenen Schnittflächen zur Verfügung hat, deren exakte Zuordnung bekannt ist, wobei bei bewegten oder sich verändernden Objekten auch eine gleichzeitige Darstellung der Schnittbilder aus verschiedenen Schnittebenen erwünscht wäre.
Mit Hilfe einfacher normaler Schnittbildgeräte ist jeweils nur die Abtastung einer einzigen Schnittfläche möglich. Man kann deshalb Schnittbilder aus verschiedenen Schnittebenen nur nacheinander anfertigen und gegebenenfalls zum Vergleich, z. B. durch Photographie, speichern. Hier ist die Zuordnung nicht einwandfrei gegeben bzw. muss durch komplizierte Einstellung der Mechanik angestrebt werden, wobei sich aber gerade bei medizinischen Untersuchungen schon durch geringe Bewegungen oder Lageänderungen eines Patienten Schwierigkeiten ergeben.
Bei einem selbst vorgeschlagenen Verfahren nach der DE-OS 2709991wird ein vorgewählter Volumsbereich eines Objektes abgetastet und man kann unter anderem aus diesem Volumsbereich zwei Schnittebenen aussuchen und darstellen. Die Darstellung kann dabei entweder unmittelbar durch Ausblendung nur der den interessierenden Schnittflächen zugeordneten Signale aus den übrigen Signalen und entsprechende Darstellung dieser Signale am Bildschirm erfolgen oder man sieht einen Speicher vor, in dem alle aus dem untersuchten Volumen erhaltenen Signale adressenartig gespeichert und aus dem nachträglich die vorgewählten Schnittebenen zugeordneten Signale abgefragt werden.
Die Anordnung ist verhältnismässig aufwendig. Es wird eine Schnittbildmechanik benötigt, die eine gleichmässige Abtastung des untersuchten Volumens ermöglicht. Vor allem die Auswahleinrichtungen und insbesondere ein benötigter Speicher komplizieren die Anordnung. Da für die Untersuchung eines bestimmten Volumens bei einer bestimmten Rasterdichte eine wesentlich grössere Anzahl von Einzelsignalen ausgesandt und verarbeitet werden muss als bei der Darstellung eines einfachen Schnittbildes, benötigt die Abtastung eines Gesamtvolumens eine bestimmte Zeit und es können vorwiegend nur statische, nicht aber bewegte Schnittbilder durch lebende Objekte dargestellt werden.
Ein Verfahren und ein Gerät der eingangs genannten Art sind aus der ebenfalls das Ergebnis einer eigenen Entwicklung wiedergebenden AT-PS Nr. 344872 bekannt geworden. Allerdings erfolgt die Anwendung dort nur für einen Sonderfall, nämlich zur Bestimmung der Einführrichtung von Injektionsnadeln, Sonden usw. in lebende Organismen. Es können zwei mit angetriebenen Schallköpfen ausgestattete Schnittbildmechaniken vorgesehen sein, die untereinander mechanisch gekuppelt sind, wobei ein gemeinsames Ultraschallgerät vorgesehen ist, auf dessen Bildschirm die beiden erhaltenen Schnittbilder nebeneinander dargestellt werden.
Die Grundidee besteht hier darin, über die mechanische Kopplung der beiden Schallköpfe die Schnittlinie der durch die Schallköpfe und ihre Mechanik definierten Schnittebenen auch ausserhalb des Körpers genau zu bestimmen, so dass die in den Schnittbildern ersichtliche Schnittlinie der beiden Schnittebenen auf einen Zielpunkt im Objekt eingestellt und über die mechanische Führung eine exakte Applikation einer Sonde ermöglicht wird. Es werden grundsätzlich Schallköpfe bzw. Schallkopfmechaniken verwendet, die Schnittbilder mit divergierenden Rändern, also dreieck- oder trapezförmigen Schnittflächen erzeugen und die immer im Abstand vom gedachten Durchstosspunkt der Schnittlinie ihrer Schnittflächen durch die Objektoberfläche gehalten werden. In diesem Durchstosspunkt muss ja die Sonde od. dgl. appliziert werden.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer zu seiner Durchführung geeigneten Vorrichtung, mit dessen bzw. deren Hilfe unter vergleichsweise geringem Aufwand
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einander exakt zugeordnete Schnittbilder im Bedarfsfall mit so hoher Bildfolgefrequenz hergestellt werden können, dass sie als bewegte Schnittbilder sichtbar sind. Dabei soll eine praktisch gleich- zeitige Herstellung bzw. Darstellung der Schnittbilder ermöglicht werden und im Bedarfsfall die Schnittlinie der beiden Schnittbilder jeweils im Bereich der Bildmitte eines Einzelbildes liegen.
Die gestellte Aufgabe wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren dadurch gelöst, dass die Schnittflächen mit den beiden Schallköpfen unter Einhaltung eines konstanten Abstandes der Schallköpfe voneinander und unter Ausführung harmonischer Bewegungen der Schallköpfe auf einander im Aufsetzbereich schneidenden Bewegungsbahnen abgetastet und vorzugsweise die erhaltenen Schnittbilder, wie an sich bekannt, auf einem gemeinsamen Bildschirm dargestellt werden.
Dadurch, dass die Schallköpfe auf konstantem Abstand gehalten werden, wird gewährleistet, dass sie nie im Bereich des Kreuzungspunktes ihrer Bahnen zusammentreffen können. Die von den Schallköpfen auf ihren Bahnen in den zugehörigen Schnittebenen beschriebenen harmonischen Bewegungen lassen sich mit vergleichsweise geringem Aufwand von einfachen Drehbewegungen ableiten.
Jeder Schallkopf erzeugt ein Schnittbild. Es ist möglich, die Schnittbilder auf verschiedenen oder auch auf einem gemeinsamen Bildschirm, dann nebeneinander, darzustellen. In diesem Fall werden vorzugsweise die beiden Schallköpfe wechselweise mit einem Ultraschall-Schnittbildgerät verbunden, wobei die Umschaltfrequenz hoch gegenüber der Bewegungsfrequenz gewählt wird, so dass die beiden Schnittbilder tatsächlich praktisch gleichzeitig, also nur um Bildbruchteile gegeneinander versetzt, entstehen.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dienende Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Antriebseinrichtungen der beiden Schallköpfe mechanisch gekoppelt bzw. zwangssynchronisiert sind oder für beide Schallköpfe eine gemeinsame Antriebseinrichtung vorgesehen ist, und dass für die Schallköpfe bzw. ihnen zugeordnete Träger die Schnittebenen bestimmende Führungsbahnen vorgesehen sind, die einander bei Anordnung in gleicher Höhe schneiden und bei Anordnung in verschiedener Höhe kreuzen, so dass beide Schallköpfe über ihre Antriebseinrichtung bzw. Antriebseinrichtungen unter Ausübung harmonischer Schwing- oder Hin- und Herbewegungen bei Einhaltung eines vorzugsweise konstanten Abstandes voneinander ausserhalb des Objektes über die Schnittlinie der Schnittebenen hinweg verstellbar sind.
In der Praxis kann diese Grundkonstruktion auf verschiedene Art und Weise verwirklicht werden. Eine besonders einfache konstruktive Lösung, bei der nur ein gemeinsamer Antrieb notwendig ist, zeichnet sich dadurch aus, dass eine rechtwinkelig kreuzförmige Führung mit je einem Gleitstein für eine Tastkopfhalterung vorgesehen ist, die beiden Gleitsteine bzw. an ihnen angebrachte Mitnehmer über ein lenkerartiges Distanzstück verbunden und von einem Motor aus über einen Kurbeltrieb mit normal zur kreuzförmigen Führung stehendem, symmetrisch zu den Mitnehmern drehbar am Distanzstück angreifenden Kurbelzapfen antreibbar sind. Diese Konstruktion ist vorwiegend für eine Abtastung der Schnittebenen mit parallel zu sich selbst verstelltem Schallbündel gedacht.
Um dies zu erreichen, muss man die Schwenkachsen, um die das lenkerartige Distanzstück an den Mitnehmern bzw. Gleitsteinen verschwenkbar ist, zur Achse des Kurbelzapfens parallel vorgesehen und vorzugsweise auch auf den jeweiligen Schallkopfachsen selbst anordnen, so dass die Länge des Distanzstückes zwischen den Achsen dem Schallkopfabstand entspricht. Diese Länge des Distanzstückes entspricht dann auch der Länge eines Schenkels der Kreuzführung. Beim Betrieb führt ein Gleitstein jeweils eine Bewegung von der Kreuzungsstelle der Führung ins Innere eines Kreuzschenkels aus und der andere Gleitstein bewegt sich vom Führungsschenkelende auf die Kreuzungsstelle zu.
Erreicht dieser Gleitstein die Kreuzungsstelle, dann befindet sich der andere Gleitstein am Ende des Führungsschenkels und führt nun, während der andere Gleitstein von der Kreuzungsstelle wegwandert, eine Bewegungsumkehr aus.
Um einen harmonischen Bewegungsablauf zu gewährleisten und vor allem bei rascher Abtastung ein Rütteln des aufgesetzten, der Abtastung dienenden Geräteteiles zu vermeiden, empfiehlt es sich, wenn die beiden Gleitsteine mit den Schallköpfen und den Mitnehmern bezüglich der Angriffsstelle des Kurbelzapfens am Distanzstück ausgewuchtet sind.
Es wurde schon angedeutet, dass die Schallköpfe eine Schwingbewegung in der jeweiligen Schnittebene ausführen können. Zu diesem Zweck kann man bei der zuletzt beschriebenen Konstruktion die Mitnehmer mit den Schallköpfen in den Gleitsteinen um quer zum Schlitz verlaufende Achsen
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schwenkbar lagern.
Im gesamten Aufbau wesentlich einfacher ist aber eine andere Ausführung, bei der eine rechtwinkelig-kreuzförmige Schlitzführung für zwei miteinander einen vorbestimmten spitzen Winkel einschliessende, die Schallköpfe unterhalb der Führung tragende Stangen od. dgl. vorgesehen ist und die Stangen im Bereich des Scheitels des von ihnen eingeschlossenen Winkels von einer normal zur Führung über deren Kreuzungsstelle angeordneter Antriebswelle über ein Kreuzgelenk od. dgl. antreibbar sind, so dass sie um das Kreuzgelenk in den Schnittebenen hinund herschwingen. Hier bewegen sich die Schallköpfe in der zugehörigen Schnittebene am Ende ihrer Stangen auf bogenförmigen Bahnen. Wünscht man eine geradlinige Bewegungsbahn, kann man federnd teleskopisch ausziehbare Stangen verwenden.
Der geforderte konstante Abstand der beiden Schallköpfe ist dann im Sinne des konstantbleibenden Öffnungswinkels der beiden Stangen, oder auf eine einheitliche Stangenlänge bezogen, zu verstehen. Die Führung kann in einer Ebene oder in einer gedachten gewölbten Fläche, deren Wölbungsmittelpunkt der Winkelscheitel oder das Kreuzgelenk ist, vorgesehen sein. Auch hier wird man die Stangen mit den an ihnen sitzenden Schallköpfen bezüglich der Antriebsdrehachse auswuchten. Je nach Verwendungszweck und Verstellgeschwindigkeit kann man die Schallköpfe unmittelbar am untersuchten Objekt anliegen lassen oder eine Zwischenschicht bzw. Vorlaufstrecke vorsehen. Eine Zwischenschicht soll möglichst geringe Dämpfung besitzen und wird daher mit einer nur in der Grössenordnung der Wellenlänge des Schalles oder eines Bruchteiles davon liegenden Dicke ausgeführt.
Zweck einer solchen Schicht ist es, eine unmittelbare Reibung der Schallköpfe am Körper bei medizinischen Untersuchungen zu verhindern und die Ankoppelungsbedingungen zu verbessern.
In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigt Fig. l das Prinzipschema des mechanischen Teiles einer zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Vorrichtung in schematisch-schaubildlicher Darstellungsweise, Fig. 2 ein noch stärker vereinfachtes Schema des mechanischen Teiles einer andern Vorrichtung und Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Bewegungsvorgänge beim Antrieb.
Die Vorrichtung nach Fig. ! ist für die Abtastung eines Objektes in zwei einander rechtwinkelig schneidenden Schnittebenen nach dem sogenannten Parallel-Scan, also mit parallel zu sich selbst verstelltem Schallbündel bestimmt.
Die Vorrichtung besitzt einen Antriebsmotor-l-, der über seine Welle -2-- eine Kurbel - mit vertikalem Kurbelzapfen -4-- antreibt. Dieser Kurbelzapfen --4-- greift mittig in ein Drehlager od. dgl.-5-in einem Distanzstück --6-- ein, das mit beidseits gleichem Abstand vom Drehlager --5- weitere Drehlager -7, 8-- für beim Ausführungsbeispiel die Form zylindrischer Bolzen-9, 10--aufweisende Mitnehmer besitzt. Die Welle --2--, der Kurbelzapfen -4-- und die Mitnehmer-9 und 10-- sind zueinander parallel und normal zur Hauptebene einer Führungsplatte - angeordnet.
In der Führungsplatte --11-- ist eine rechtwinkelig-kreuzförmige Führung -12-- vorgesehen, die gleich lange Schenkel-13, 13a und 14, 14a-- aufweist, wobei die Schenkel-13, 13a-
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mit den Mitnehmern --9 bzw. 10-- verbunden sind, sind unterhalb der Führungsplatte --11- Schall- köpfe mit Schwingern, Dämpfkörpern, Abstimmelementen usw. befestigt. Die gesamte Vorrichtung ist in einem Gehäuse untergebracht, die an der Abstrahlseite der Schallköpfe durch eine schalldurchlässige Membran abgeschlossen ist, auf der die beiden Schallköpfe gleiten.
Zur Erzielung
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Bewegungen aus, wobei die an ihnen sitzenden Schallköpfe parallel zu sich selbst in den jeweiligen Schnittebenen verstellt werden, so dass sie die durch ihre Abstrahlrichtung und die ihnen zugeordneten Führungsschenkel -13, 13a bzw. 14, 14a-- definierte Schnittebene abtasten.
Man kann entweder jeden Schallkopf mit einem eigenen Schnittbildgerät verbinden und die Schnittbilder gesondert darstellen oder eine Darstellung auf einem gemeinsamen Bildschirm vornehmen, wobei vorzugsweise mit einer gegenüber der Bewegungsfrequenz der Schallköpfe hohen Umschaltfrequenz von dem einen auf den andern Schallkopf umgeschaltet wird und durch die Schalterstellung auch über zu-
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sätzlich zugeführte Kennspannungen erreicht wird, dass die von einem Schallkopf empfangenen Echos für die Schnittbilddarstellung auf einem zugeordneten Teil des Bildschirmes Verwendung finden.
Verwendet man zwei getrennte Schnittbildgeräte, sollten sie zumindest gemeinsam getaktet werden, um zu vermeiden, dass die Signale des einen Schallkopfes den andern beeinflussen. Dies braucht nicht berücksichtigt zu werden, wenn der Abstand der Schallköpfe hinreichend gross ist, um eine solche Beeinflussung auszuschliessen bzw. wenn die Schallköpfe mit verschiedenen Frequenzen arbeiten. Da der Abstand der Gleitsteine-14, 15-konstant gehalten wird, u. zw. durch das Distanz- struck-6-, können die Gleitsteine im Bereich der Kreuzungsstelle der Führung --12-- nie zusammenstossen.
Bevor die genauen Beziehungen der Bewegungsabläufe behandelt werden, wird im Zusammenhang mit Fig. 2 eine Vorrichtung beschrieben, bei der die Schallköpfe nicht wie nach Fig. l eine parallele, sondern eine in der Schnittebene schwingende Bewegung vollführen, also die Schnittebene im sogenannten Sektor-Scan abtasten. Der Einfachheit halber wird angenommen, dass die gleiche Führungsplatte -11-- wie nach Fig. l Verwendung findet, wobei die Führungsschlitze -13, 13a, 14, 14a-- nun nicht der Führung von Gleitsteinen --15, 16--, sondern der Führung von zwei Führungsstangen --17, 18-- dienen, die auch in ihrer Längsrichtung in den Schlitzschenkeln verschiebbar sind. Man könnte auch Gleitsteine vorsehen und in diesen die Stangen --17, 18-- in Längsrichtung verstellbar und schwenkbar anbringen.
Die Stangen-17, 18-tragen unterhalb der Platte -11-- an ihren Enden --19, 20-- Schallköpfe und sind oberhalb der Platte --11-- unter Einschluss eines spitzen Winkels --23-- starr miteinander verbunden. Der Scheitel dieses Winkels ist über ein Kreuzgelenk --21-- mit einer Motor- welle -22-- verbunden. Es wäre auch möglich, eine gewölbte Führungsplatte vorzusehen, deren Krümmungsmittelpunkt im Kreuzgelenk --21-- liegt. Beim Antrieb der Welle --22-- führen die Stangen --17, 18-- und mit ihnen die an den Stangenenden-19, 20-- sitzenden Schallköpfe oszillierende Bewegungen in den jeweiligen Schnittebenen aus, deren Zentrum im Kreuzgelenk --21-- liegt.
Eine vorgesehene Schutzschicht müsste, falls man keine teleskopisch ausschiebbaren Stangen --19, 20-- verwendet, die Form einer Kugelkalotte aufweisen, deren Zentrum wieder im Kreuzgelenk --21-liegt.
Bei beiden Ausführungsformen wird man die drehenden bzw. bewegten Teile bezüglich der Motorwelle--2, 22--bzw.demKurbelzapfen--4--auswuchten.
Zur Erläuterung der Bewegungskinematik wird auf Fig. l im Zusammenhang mit Fig. 3 verwiesen.
Das Achsenkreuz in Fig. 3 entspricht dem Kreuzschlitz --12-- nach Fig.1, wobei die X-Achse
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Mitte zwischen den Punkten --15 und 16-. Hat dieser Punkt in einem Augenblick des Bewegungsablaufes die Koordinaten x und y, so muss der Punkt -16-- den augenblicklichen Koordinatenwert 0 und 2y und der Punkt --15-- die Koordinaten 2x und 0 aufweisen.
Es gilt daher zu jedem Zeitpunkt die Beziehung (2x)'+ (2y)2 = d', daraus folgt :
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beträgt die Basislänge a = 2x und beim Dreieck OP16 b = 2y. Beide Grössen sind vom Winkel a abhängig, den die Kurbelwelle mit der x-Achse einschliesst. Es ergeben sich die Zusammenhänge a = d. cos a und b=d. sina.
Bei konstanter Drehzahl des Motors gilt : a = l1J. t Daraus ergibt sich a = d. cos M. t und b = d. sin M. t.
Die Steine-15, 16--führen also harmonische Bewegungen aus, die zeitlich um 90 gegeneinander phasen verschoben und auch räumlich um 900 gegeneinander versetzt sind. Dadurch ergibt sich ein weiterer für den Antrieb wichtiger Effekt. Aus der Ableitung der genannten Gleichungen
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Augenblick den gleichen Wert und es ergeben sich dabei keine zusätzlichen Beschleunigungs- oder Verzögerungskräfte aus der Anordnung des Systems. Lediglich auftretende Reibungsverluste müssen überwunden werden. Diese können, insbesondere bei der meist vorgesehenen Kapselung als konstant angesehen werden und man erhält bei konstantem Drehmoment des Motors auch konstante Winkelgeschwindigkeit, so dass keine zusätzlichen Massnahmen, z.
B. grosse Schwungmassen, notwendig sind.
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