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Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Schnittbildgerät mit wenigstens zwei Schallköpfen, die mittels einer Schnittbildmechanik im Sinne einer Verstellung ihres Schallbündels über eine Schnittfläche verstellbar und lageabhängig mit Hilfe berührungslos betätigbarer, kontaktfreier, bei der Betätigung ihren Durchlasswiderstand ändernder Schaltelemente, insbesondere magnetisch betätigbarer Schaltelemente, aktivierbar sind.
Bei UltraschaJ1-Schnittbildgeräten mit mechanisch bewegten Schallköpfen ist es notwendig, Massnahmen zu setzen, die Schallköpfe nur dann für Senden und Empfangen zu aktivieren, wenn ihr Schallbündel (bzw. für das Empfangen ihre der Einfachheit halber als Achse zu bezeichnende Empfindlichkeitskeule) einen vorbestimmten Bahnbereich gegenüber dem Schallkopf, der der auswählbaren Schnittfläche entspricht, bestreicht. Als Beispiel sei hier das Schnittbildgerät nach der AT-PS Nr. 348652 genannt, bei dem die Schnittbildmechanik im wesentlichen aus einem drehend angetriebenen Rad besteht, auf dessen Umfang mehrere Schallköpfe verteilt angeordnet sind, die nur während der Vorbeibewegung an einem Schallfenster in einem das Rad umgebenden, mit einer schalleitenden Flüssigkeit gefüllten Gehäuse aktiviert werden.
Dabei sind im Gerät nur eine Sendeund Empfangseinheit vorhanden, mit der die Schallköpfe über in der Schnittbildmechanik angebrachte Schaltelemente verbunden werden. Konstruktiv kann man die Schaltelemente unmittelbar am Rad selbst oder auch auf einer eigenen, mit dem Rad umlaufenden Schalteinheit vorsehen, wobei die letztere Konstruktion aufwendiger ist, aber eine Unterbringung der Schaltelemente ausserhalb des mit Flüssigkeit gefüllten Gehäuses ermöglicht.
Die Schaltelemente müssen nicht unbedingt eine völlige galvanische Trennung der abgeschalteten Schallköpfe bewirken, sondern es genügt, wenn die Schallköpfe in einen aktiven und einen inaktiven Zustand gebracht werden, wobei im inaktiven Zustand zwar eine Abgabe und ein Empfang von Signalen möglich ist, diese Signale aber so stark geschwächt werden, dass sie die Anzeige der tatsächlich aus der Schnittfläche stammenden Signale nicht stören.
Kontaktfreie, bei der Betätigung ihren Durchlasswiderstand ändernde Schaltelemente haben den Vorteil einer hohen Betriebssicherheit, da sie im Gegensatz zu mechanisch betätigten Schaltern in ihrer Funktion nicht durch verschiedene Lagen der Schnittbildmechanik, die bei Ultraschalluntersuchungen immer wieder eingenommen werden müssen, beeinträchtigt werden, sehr kurze Schaltzeiten und untereinander gleiche Schaltzeiten aller Schaltelemente in einer Schnittbildmechanik ermöglichen und praktisch verschleisslos arbeiten, also auch bei grossen Schalthäufigkeiten eine lange Lebensdauer besitzen.
In der Praxis wurden für den beschriebenen Anwendungsfall magnetisch betätigbare Schaltelemente, nämlich Hallsonden, magnetische Leiterplatten und Drosseln, verwendet, die mit dem jeweiligen Schallkopf in Serie geschaltet wurden und deren Leitfähigkeit durch ein äusseres Magnetfeld geändert werden kann. Allerdings sind bei den üblichen Schaltelementen der genannten Art in der Praxis nur Änderungen des Durchlasswiderstandes in der Grössenordnung von 1 : 100 möglich.
Bei der beschriebenen Serienschaltung mit dem zugeordneten Schallkopf und bei der zunehmenden Empfindlichkeitssteigerung der Ultraschall-Schnittbildgeräte ergeben sich allerdings nicht immer befriedigende Ergebnisse. Zur besseren Erläuterung sei ein praktisches Beispiel angeführt :
Beträgt der Innenwiderstand des Schallkopfes und der Anschlusswiderstand des Ultraschallgerätes je 50 S ! und ist je ein Schaltelement in Serie mit einem Schallkopf geschaltet, wobei der Durchlasswiderstand dieses Schaltelementes zwischen 5 und 500 n geändert werden kann, so kann das Signal an einem inaktiven Schallkopf gegenüber einem aktiven Schallkopf im Verhältnis vom bestenfalls 1 : 32 geschwächt werden, wobei in der Rechnung schon berücksichtigt wurde, dass die Signale das Schaltelement zweimal, nämlich beim Senden und Empfangen durchlaufen.
Diese Schwächung ist nicht ausreichend, um besonders bei den empfindlicheren Geräten Störsignale zu verhindern. Man muss hier bedenken, dass bei einem Gerät nach der AT-PS Nr. 348652 von der Gehäusewand ausserhalb des Schallfensters wegen des geringen Abstandes vom Schallkopf und der Füllung des Gehäuses mit schalleitender Flüssigkeit starke Schallreflexionen möglich sind, so dass trotz der erwähnten Signalschwächung an inaktiven Schallköpfen vom Gehäuse her stärkere Signale auftreten können, als zumindest die schwächeren "Nutzsignale" aus dem jeweils untersuchten Körper.
Die Verwendung von zwei oder mehreren in Serie geschalteten Schaltelementen ist nicht zielführend, weil durch die Serienschaltung nicht nur der Durchlasswiderstand in der Sperrphase, sondern auch
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der Durchlasswiderstand in der aktiven Phase vergrössert wird, was zu einem Empfindlichkeitsverlust in der aktiven Phase führt.
Ähnliche Schwierigkeiten, wie sie für ein Gerät nach der AT-PS Nr. 348652 beschrieben wurden, ergeben sich auch bei andern bekannten Schnittbildmechaniken, bei denen Schallköpfe über berührungslos betätigbare, kontaktlose Schalter wechselweise in einen aktiven und einen inaktiven Zustand gebracht werden müssen. Als Beispiel seien hier Schnittbildgeräte mit oszillierend antreibbaren Schallköpfen, die nur während der einen Bewegungsphase aktiviert werden, Schnittbildgeräte mit indirekter Einleitung des Schallbündels, bei denen ein rotierender Schallkopf gegen einen Reflektor gerichtet abstrahlt und nur während der Abstrahlung gegen den Reflektor aktiviert werden darf und schliesslich sogenannte Multielement-Schallköpfe genannt, bei denen einzelne Elemente bzw.
Elementgruppen nacheinander aktiviert und in den inaktiven Zustand zurückgeführt werden müssen, um so eine schrittweise Verstellung des Schallbündels über eine Schnittfläche zu erzielen.
Bei einem sich gattungsmässig von Geräten der gegenständlichen Art unterscheidenden Ultra- schall-Schnittbildgerät mit einem Multielement-Schallkopf, bei dem eine Abtastverstellung des Schallbündels über die Schnittfläche durch aufeinanderfolgende Aktivierung benachbarter Elementgruppen erzielt wird, ist es auch bekannt, zur Erfassung verschiedener Tiefenzonen der Schnittflächen bzw. zur Verbesserung des Auflösungsvermögens mit verschiedenen Flächenmustern aktivierter Elementgruppen für Senden und Empfangen zu arbeiten. Dabei wird meist mit wenigen Elementen gesendet und mit einer grösseren Elementgruppe empfangen, wobei durch Phasenschieberelemente, die den empfangenden Elementen nachgeschaltet werden, eine Fokussierung möglich wird.
Jedes Element ist über einen Leitungszweig mit dem Sender und über einen weiteren Leitungszweig mit der Empfangseinheit verbindbar. In jedem dieser Leistungszweige liegt ein Serienschalter. Ein Kurzschlussschalter ist parallel zu jedem Element geschaltet. Zur Betätigung aller dieser und weiterer, in zu den Elementspalten-bzw.-reihen führenden Leitungen liegenden Schaltern, ferner von Schaltern, über die Teile der Empfangseinheit bildende, den einzelnen Elementen zur Vermeidung von Schaltknacks nachgeordnete Pufferverstärker, einschaltbar bzw. abtrennbar sind, dient eine programmierbare Steuerlogik, die die Schalter zeitabhängig vom Sendeimpuls betätigt.
Aus dieser zeitabhängigen Steuerung von Einzelelementen zugeordneten Schaltern über eine Steuerlogik ist keine Anregung zu entnehmen, wie man bei der berührungslosen Betätigung von Schaltelementen an mechanisch bewegten Schallköpfen vorzugehen hat.
Bei einem Schnittbildgerät der genannten Art werden die aufgezeigten Schwierigkeiten in äusserst einfacher Weise dadurch beseitigt, dass je Schallkopf wenigstens zwei gegengleich betätigbare Schaltelemente vorgesehen sind, von denen das eine mit dem Schallkopf in Serie und das andere parallel zum Schallkopf geschaltet ist, so dass dieser nur bei hohem Durchlasswiderstand des parallel geschalteten Schaltelementes und niedrigem Durchlasswiderstand des in Serie geschalteten Schaltelementes aktiviert ist, wobei das parallel geschaltete Schaltelement wegen seines im Vergleich zum Schallkopf grossen Widerstandes keine merkliche Signalschwächung dient.
Im inaktiven Zustand wird das zum Schallkopf parallel geschaltete Schaltelement dagegen auf den niedrigen Durchlasswiderstand und das in Serie geschaltete Schaltelement auf den hohen Durchlasswiderstand gebracht, so dass das zum Schallkopf parallel geschaltete Schaltelement einen grossen Teil des Sende- und Empfangsignals kurzschliesst. Unter der Annahme der gleichen Widerstandsverhältnisse wie beim oben angeführten Ziffernbeispiel und der gleichen Bedingungen kann man mit der erfindungsgemässen Schaltung eine Signalschwächung in einer Grössenordnung von 1 : 2500 erzielen.
Sollte diese Signalschwächung noch nicht ausreichend sein, ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung sogar möglich, je Schallkopf nach Art einer Kettenschaltung zwei oder mehrere in Serie liegende Schaltelemente und jedem von ihnen nachgeordnet ein parallel zum Schallkopf liegendes Schaltelement vorzusehen und jeweils die in Serie bzw. die parallel geschalteten Schaltelemente gemeinsam gleichsinnig zu betätigen. Durch eine solche Kettenschaltung wird es auch möglich, Schaltelemente mit relativ niedriger Änderungsmöglichkeit des Durchlasswiderstandes zu verwenden.
Die Erfindung wird zwar bevorzugt mit magnetisch betätigbaren Schaltelementen behandelt, lässt sich aber mit andern berührungslos arbeitenden, kontaktfreien Schaltelementen, beispielsweise mit Hilfe von Photowiderständen, die dann nicht magnetisch, sondern über Lichtstrahlen wechselweise verschieden aktiviert werden, verwirklichen.
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Nach einer Weiterbildung sind die Durchlasswiderstände der Schaltelemente, wie dies an sich schon beim Ziffernbeispiel angedeutet wurde, auf den Innenwiderstand des Schallkopfes abgestimmt, so dass das Verhältnis des niedrigen Durchlasswiderstandes eines Schaltelementes zum Innenwiderstand des Schallkopfes etwa dem Verhältnis des Innenwiderstandes des Schallkopfes zum hohen Durchlasswiderstand eines Schaltelementes entspricht.
Eine konstruktive Vereinfachung im Gesamtaufbau und eine weitere Signalschwächung in der inaktiven Phase lässt sich dadurch erzielen, dass induktive Schaltelemente vorgesehen sind und das zum Schallkopf parallel geschaltete Schaltelement einen Teil des an sich bei jedem Schallkopf üblichen Schallkopf-Resonanzkreises bildet, so dass der Resonanzkreis bei dem den hohen Durchlasswiderstand dieses Schaltelementes entsprechenden Betriebszustand auf die mechanische Eigenfrequenz des Schwingers abgestimmt wird, der Schwingkreis aber im inaktiven Zustand verstimmt wird.
Bei Verwendung magnetisch betätigbarer Schaltelemente kann die Schnittbildmechanik für alle in Serie zu den Schallköpfen liegenden Schaltelemente einerseits und für alle parallel zu den Schallköpfen liegenden Schaltelemente anderseits gemeinsame Betätigungsmagnete aufweisen. Es ist aber auch möglich, für alle Schaltelemente der Schnittbildmechanik einen gemeinsamen Betätigungsmagneten vorzusehen, wobei die parallel und die in Serie zu den Schallköpfen geschalteten Schaltelemente auf getrennten Bewegungsbahnen geführt sind und der Magnet wechselweise diesen Bewegungsbahnen zugeordnete Polschuhe aufweist.
In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 schematisch einen Einzelschallkopf mit seiner Schaltanordnung, Fig. 2 einen weiteren Schallkopf mit seiner Schaltanordnung, Fig. 3 das Funktionsschema eines erfindungsgemässen Schnittbildgerätes, Fig. 4 schematisiert einen Teil der Schnittbildmechanik bei im Längsschnitt dargestelltem Gehäuse, Fig. 5 einen Teilschnitt zu Fig. 4, Fig. 6 in einer der Fig. 4 entsprechenden Darstellungsweise eine andere Ausführungsform einer Schnittbildmechanik und Fig. 7 einen entsprechenden Detailschnitt, analog der Fig. 5.
In Fig. 1 ist ein Schallkopf --1-- nur in seinen Umrissen angedeutet. Dieser Schallkopf besitzt einen Schwinger --2-- mit beidseits angebrachten, miteinander einen Kondensator bildenden Elektroden --3, 4--, wobei vor der Elektrode --4-- meist noch eine Schutzschicht vorgesehen wird und der hinter der Elektrode --3-- liegende Teil des Schallkopfes einen Dämpfungskörper bildet.
Ferner wird im Schallkopf eine Drossel --5-- vorgesehen, die mit dem Kondensator --3, 4-- einen auf die Eigenfrequenz des Schwingers --2-- abgestimmten Resonanzkreis bildet. Der Schallkopf-list über Leitungen --6, 7-- mit zu einer Mechanik und von da zum Ultraschallgerät führenden Anschlüssen --8, 9-- verbunden. Nach Fig. 1 sind zwei in allgemeiner Form als variable Widerstände symbolisierte Schaltelemente --10, 11-- vorhanden. Das Schaltelement --10-- ist in Serie und das Schaltelement --11-- parallel zum Schallkopf geschaltet.
Durch eine strichlierte Linie 12 ist angedeutet, dass die beiden Schaltelemente --10, 11-- miteinander verkoppelt, d. h. zwangsweise so gesteuert sind, dass immer das eine Schaltelement seinen hohen und das andere Schaltelement gleichzeitig seinen niedrigen Durchlasswiderstand und umgekehrt aufweist. Bei hohem Durchlasswiderstand des Schaltelementes --11-- und niedrigem Durchlasswiderstand des Schaltelementes --10-- befindet sich der Schallkopf in der aktiven Phase und bei niedrigem Durchlasswiderstand des Schaltelementes - und hohem Durchlasswiderstand des Schaltelementes --10-- in der inaktiven Phase.
In Fig. 2 ist eine weitere Möglichkeit angedeutet, bei der dem Schallkopf-l-zwei in Serie liegende Schaltelemente --10, 10a-- und zwei parallel geschaltete Schaltelemente --11, 11a-- zugeordnet und jeweils die in Serie und die parallel geschalteten Schaltelemente gemeinsam gleichsinnig betätigbar sind. Die Durchlasswiderstände der Schaltelemente --10, 11-- können auf den Innenwiderstand des Schallkopfes abgestellt sein, so dass das Verhältnis des niedrigen Durchlasswiderstandes eines Schaltelementes zum Innenwiderstand des Schallkopfes etwa dem Verhältnis des Innenwiderstandes des Schallkopfes zum hohen Durchlasswiderstand eines Schaltelementes entspricht.
Bei Verwendung induktiver Schaltelemente kann bei den Ausführungen nach Fig. 1 und 2 das Schaltelement - zugleich die oder einen Teil der Drosselspule --5-- bilden, wobei dann der Resonanzkreis - -3, 4, 11 bzw. 3,4, 11 und 5-- nur bei im Zustand des hohen Durchlasswiderstandes befindlichem Schaltelement --11-- auf die mechanische Eigenfrequenz des Schwingers --2-- abgestimmt ist.
Bei dem Schnittbildgerät nach den Fig. 3 bis 7 ist eine Schnittbildmechanik vorgesehen, die
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im wesentlichen ein rotierend antreibbares Rad --13, 13a-- umfasst, das exzentrisch in einen mit einer schalleitenden Flüssigkeit gefüllten Gehäuse --14-- gelagert ist, wobei das Gehäuse in seinem Mantel im Bereich des geringsten Abstandes des Rades vom Gehäusemantel ein beispielsweise von eirier Membran --15-- gebildetes Schallfenster aufweist. Am Umfang des Rades sind Schallköpfe --la bis lf-- verteilt angebracht, die jeweils nur bei der Vorbeibewegung am Schallfenster --15-in einen aktiven, sonst aber in einen inaktiven Zustand gebracht werden sollen.
Das Gehäuse --14-- sitzt an einem Handgriff --16--, der vorzugsweise gleich einen Antriebsmotor für das Rad --13 bzw. 13a-- enthält. Ferner sind im Handgriff --16-- oder neben dem Rad - Signalgeber (nicht dargestellt) angebracht, die in Abhängigkeit von der Drehbewegung des Rades und damit der Verstellbewegung des eben über das Schallfenster-15-bewegten SchaUkopfes Signale erzeugen, die über eine Leitung-17-einem Ablenkgenerator-18-bzw.
Ablenkcomputer des Ultraschallgerätes zugeführt werden, der aus ihnen Ablenksignal für den Elektronenstrahl auf einem Bildschirm --19-- erzeugt, so dass dieser Elektronenstrahl ebenso über den Bildschirm abgelenkt wird, wie die Achse des jeweils aktivierten Schallkopfes über die am Schallfenster --15-beginnende Schnittfläche eines durch dieses Schallfenster hindurch abgetasteten Objektes wandert.
Ein Sende- und Empfangsteil --20-- des Ultraschall gerätes (Fig. 3) erzeugt Sendeimpulse, die den Schallköpfen zugeführt und über den aktivierten, also am Fenster --15-- befindlichen Schallkopf, als mechanische Schwingungen in das Objekt eingeleitet werden. Die zu diesen Schallimpulsen einlangenden Echos werden vom aktivierten Schallkopf in elektrische Signale zurückverwandelt und über die Leitungen --8, 9-- dem Sende-Empfangsteil --20-- zugeführt, wo sie verstärkt, demoduliert, allenfalls nach bestimmten Programmen oder Kriterien aufbereitet und schliesslich als Helltastimpulse dem Bildgerät --19-- zugeführt werden, so dass der wie beschrieben abgelenkte Elektronenstrahl ein Schnittbild des untersuchten Objektes am Bildschirm zeichnet.
Bei den Schnittbildmechaniken nach den Fig. 4 bis 7 sind jedem Schall kopf --la bis lf-- ent- sprechend den Schaltelementen --10, 11-- in Fig. 1 geschaltete, magnetisch betätigbare Schaltelemente --21a bis 21f bzw. 22a bis 22f-- zugeordnet, wobei die in Serie mit dem jeweiligen Schallkopf geschalteten Schaltelementen --21a-- usw. auf einem Kreis und die parallel zum jeweiligen Schallkopf geschalteten Schaltelemente --22a-- usw. auf einem zweiten Kreis angeordnet sind. Es wird angenommen, dass es sich um magnetisch betätigbare Schaltelemente handelt, die unter dem Einfluss eines Magnetfeldes einen niedrigen und ausserhalb des Magnetfeldes einen hohen Durchlasswiderstand aufweisen.
Nach den Fig. 4 und 5 sind analog zu den Kreisen, die von den Schaltelementen --21 bzw.
22-- gebildet werden, kreisringsegmentförmige Magnete --23, 24-- vorgesehen, wobei der Magnet - entsprechend dem Öffnungswinkel des Fensters --15-- angebracht ist und der Magnet --24-in diesem Bereich eine Lücke aufweist. Die beiden Magnete-23, 24-können selbstverständlich jeweils aus mehreren Einzelmagneten aufgebaut sein. Die Magnete --23, 24-- sind feststehend angebracht, wogegen die Schaltelemente --21, 22-- mit dem Rad --13, 13a-- umlaufen.
In der Stellung nach Fig. 4 befindet sich das Schaltelement --22d-- ausserhalb des Ringmagneten --24--. Alle andern Schaltelemente --22a, 22b, 22c, 22e, 22f-- liegen zwischen den Polschuhen --25-- des Magneten --24--. Anderseits liegt lediglich das Schaltelement --21d-- zwischen den entsprechenden Polschuhen des Ringmagneten --23-- und alle andern Schaltelemente --21, 21b,
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--23--.Leitungen --8, 9-- liegen. Bei Verwendung von Schaltelementen, die ausserhalb des Magnetfeldes einen niedrigen und innerhalb des Magnetfeldes einen hohen Durchlasswiderstand besitzen, müsste die Anordnung der Ringmagnete --23, 24-- zwischen äusserem und innerem Kreis vertauscht werden.
Die Magnetanordnung und Magnetausbildung stellt nur ein Ausführungsbeispiel dar, das auf verschiedenste Weise abgewandelt werden kann.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 wird ein einziger Ringmagnet, der einen in sich geschlossenen Kreisring zwischen den Anordnungskreisen der Schaltelemente --21a.... und 22a....- bestimmt. Dieser Kreismagnet --26-- trägt in dem Ringmagnet --24-- entsprechender Anordnung Polschuhe --27-- zur Aktivierung der Schaltelemente --22a-- usw. und in dem Ringmagnet --23-- entsprechender Anordnung Polschuhe --28-- zur Aktivierung des jeweils am Schall-
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fenster --15-- vorbei bewegten Elementes der Elementgruppe --21a-- usw. Demnach entspricht der Schaltzustand nach Fig. 6 jenem nach Fig. 4.
Aus Fig. 7 ist ersichtlich, dass bei dieser Ausführungsform die Schaltelemente --21, 22-- in einer Ringnut --29-- des Rades --13a-- angebracht sind, in die der Ringmagnet --26-- hineinragt. Bei der Ausführung nach den Fig. 6 und 7 können, da mit einem einzigen Ringmagneten das Auslangen gefunden wird, und die Magnetfeldumleitung nur durch Polschuhe erfolgt, keine magnetischen Streufelder am Übergang von der Zone --28-- zur Zone - auftreten, so dass sich extrem kurze Schaltzeiten für die Schaltelemente ergeben.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Ultraschall-Schnittbildgerät mit wenigstens zwei Schallköpfen, die mittels einer Schnittbildmechanik im Sinne einer Verstellung ihres Schallbündels über eine Schnittfläche verstellbar und lageabhängig mit Hilfe berührungslos betätigbarer, kontaktfreier, bei der Betätigung ihren Durchlasswiderstand ändernder Schaltelemente, insbesondere magnetisch betätigbarer Schaltelemente, aktivierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass je Schallkopf (1, la bis 10 wenigstens zwei gegen-
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des parallel geschalteten Schaltelementes (11, lla, 22a bis 22f) und niedrigem Durchlasswiderstand des in Serie geschalteten Schaltelementes (10, 10a, 21a bis 21f) aktiviert ist.