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Zwischen einen Ultraschall-Impuls-Echo-Encephalographen und das dazugehörige
Aufzeichnungsgerät einzuschaltendes elektronisches Steuergerät Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf ein zwischen einen Ultraschall-Impuls-Echo-Encephalographen und
das dazugehörige Aufzeichnungsgerät einzuschaltendes elektronisches Steuergerät
mit einer Torschaltung, welche nur aus einem wählbaren Tiefenbereich eines Untersuchungsgebietes
stammende Echosignale an das Aufzeichnungsgerät durchläßt. Normalerweise erfolgt
die Steuerung der Torschaltung mittels zweier Geber, mit denen die Zeitpunkte des
Öffnens und Schließens der Torschaltung und damit die Lage und Breite des Tiefenbereiches
einstellbar sind.
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Ein bekanntes derartiges Steuergerät findet bei einem Ultraschalluntersuchungsgerät
für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung Verwendung, z. B. für die Untersuchung
einer Schweißnaht, deren Lage und Breite genau bekannt ist. Für spezielle medizinische
Untersuchungen, beispielsweise für das Erfassen eines bewegten Organes im Körper
und für die Feststellung des Füllungsgrades, z. B.-einer Arterie im Schädel, ist
dieses Gerat aber nicht geeignet, weil bei solchen Untersuchungen die Breite des
Tiefenbereiches klein sein muß (die Intensitäten der Echos sind im Verh'j1tnis zu
denen bei der Materialuntersuchung äußerst gering, so daß Störechos häufig ebenso
stark sind wie die Nutzechos) und weil bei einem kleinen eingestellten TiefenbereicEl
das lebende untersuchte Objekt aus diesem Bereich auswandern kann. Das hat zur Folge,
daß beim Auswandern des Objektes an dem eingestellten Tiefenbereich zunächst die
auswertbarren Zchosignale eine geringere Intensität aufweisen und
schließlich,
wenn das Objekt nicht mehr im eingestellten Tiefenbereich liegt, keine vom Objekt
stammenden Echosignale mehr aufgenommen werden können. Diagnostisch brauchbare Ergebnisse
sind daher mit dem bekannten Gerät nicht erzielbar.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Ultraschall-Gerät
zu schaffen, mit dem auch brauchbare medizinische Untersuchungen sich bewegender
kleiner Organe im Körper möglich und dabei brauchbare Ergebnisse erzielbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Mittel zum automatischen
Eingrenzen und Nachstellen der Lage des Tiefenbereiches in Abhängigkeit von der
zeitlichen Lage eines - B. von einer sich bewegenden Grenzfläche innerhalb des gewählten
Tiefenbereiches stammenden - Echosignales gelöst. Vorteilhafterweise wird als Steuergröße
für das Nachstellen ein aus der Zeitdifferenz zwischen einem zeitlich definierten
Signal, z. B dem ersten Oberflächenecho, und dem Echosignal (bzw. der Änderung dieser
Zeitdifferenz) in jeder Pulsperiode neu gewonnenes elektrisches Signal benutzt.
Dieses Signal wird dabei vorteilhafterweise von einem durch das zeitlich definierte
Signal gestarteten und vom Echo impuls gestoppten Sägezahngenerator erzeugt. Dabei
kann es allerdings vorkommen, daß zwischen dem Ablauf des ersten Zeitgliedes und
dem Eintreffen des Echosignales eine relativ lange Zeit vergeht, so daß der ägezahngenerator
während dieser Zeit fortwährend eine linear ansteigende Spannung liefern müßte,
was technisch mit einfachen Mitteln nicht leicht realisierbar ist. Einfacher ist
es daher, im Rahmen der Erfindung ein sweites vom Ablauf des ersten Zeitgliedes
gesteuertes Zeitglied mit fester Zeitkonstante vorzusehen, wobei die Summe der Zeitkonstanten
beider geitglieder derart gewählt ist, daß das sweite Zeitglied erst nach Eintreffen
des Echosignales äus dem gewählten Tiefenbereich abläuft, und daß der Ablauf dieses
zweiten Zeitgliedes den Zeitpunkt
des definierten Signales bestimmt.
Das als Steuergröße benutzte elektrische Signal wird dann durch einen vom Echoimpuls
gestarteten und vom definierten Signal gestoppten Sägezalingenerator erzeugt. Auf
diese Weise wird im Rahmen der Erfindung vermieden, daß Sägezahngeneratoren vorgesehen
werden mUssen, die eine relativ lange Zeit fortwährend linear ansteigende Spannungen
abgeben müssen. Bei dieser Variante der Erfindung bewirkt eine Verlängerung der
Zeitdifferenz zwischen dem bestimmten Echo und dem definierten Signal in einer Pulsperiode
eine entsprechende Verkürzung der Zeitkonstante des ersten Zeitgliedes für die nächste
Pulsperiode wld damit ein Nachstellen der Lage des Tiefenbereiches in Abhängigkeit
von der zeitlichen Lage des von einer sich bewegenden Grenzfläche innerhalb des
Tiefenbereiches stammenden Echosignales.
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Die Erfindung gestattet es, z. B. ein sich bewegendes Organ im Körper
nach einer Grobeinstellung des Tiefenbereiches automatisch von der Torschaltung
eng einzugrenzen, so daß alle nicht von dem Organ stammenden (Stör-)Echos unterdrückt
werden, und den Bewegungen automatisch zu folgen. Auf diese Weise ist ein sicherere
Erfassen und Beobachten des interessierenden Organes möglich.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von
zwei Figuren, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung seigen, erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild, Fig. 2 einen Impulsplan, wobei im Ausführungsbeispiel
die Modifikation der Erfindung mit zwei Zeitgliedern dargestellt ist.
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Im Blockschaltbild nach Fig. 1 bedeuten S das Steuergerät, 1 den Ultraschallempfänger
eines Ultraschallecho-Encephalographen, 2 ein erstes Zeitglied, 3 ein zweites Zeitglied,
4 einen Regelverstärker, 5 eine Torschaltung, 6 ein Anzeigegerät und 7 ein Amplitudensieb.
Die Schaltzustände der Zeitglieder 2 und 3, des Regelverstärkers 4 und der Torschaltung
5 sind im Impulsplan nach Fig. 2 dargestellt.
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Bei dem Impulsplan ist vorausgesetzt, daß in den Zeitpunkten I, VI,
XI und XVI jeweils das erste Echo aus einer sog. Lotperiode vom Empfänger aufgenommen
wird (dieses Echo entspricht z.B.bei Gehirnuntersuchungen dem von der Schädelwand
stammenden Echo).
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Zu den Zeitpunkten III, VIII, XIII und XVIII treffen die durch Pfeile
markierten Echoimpulse des interessierenden Objektes, beispielsweise einer Arterie
im schäden, ein. Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung ist nun folgende:
Beim Eintreffen des ersten (Schadelwand-)Echos im Zeitpunkt I wird das Zeitglied
2 angestoßen, welches während seiner Schaltzeit (Zeitkonstanten) läuft. Dieses Zeitglied
kann als monostabiler Multivibrator ausgebildet sein. Seine Zeitkonstante ist einstellbar.
Nach Ablauf seiner Schaltzeit (Zeitpunkt II) kippt dieser Multivibrator wieder in
seine Ruhelage zurück und gibt dabei einen Schaltimpuls an das ebenfalls als monostabiler
Multivibrator ausgebildete Zeitglied 3 und an die Torschaltung 5 weiter. Dies hat
zur Folge, daß die Schaltzeit des Zeitgliedes 3 zu laufen beginnt und Eie Torschaltung
5 für vom Empfänger stammende Echosignale geöffnet wird. Beim Eintreffen des Echos
vom zu untersuchenden Objekt im Zeitpunkt III passiert dieses Echosignal die Torschaltung
5 und gelangt an das Amplitudensie 7. Ist die Amplitude des Echos groQ genug (zur
Aussiebung von weniger starken Störechos), so gibt das Amplitudensieb einen Schaltimpuls
an den Regelverstärker 4 weiter, welcher beispielsweise einen Sägezahngenerator
enthält. Dieser Sägezahngenerator beginnt also bei Eintreffen des gesuchten
Echos
(Zeitpunkt III) zu laufen. Außerdem wird vom Amplitudensieb 7 ein Schaltbefehl an
die Torschaltung 5 gegeben, welcher bewirkt, daß die Torschaltung im Zeitpunkt IV
geschlossen wird.
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Die Zeitdifferenz zwischen III und IV ergibt sich aus der Laufzeitverzögerung
des Impulses von der Torschaltung über das Amplitudensieb zur Torschaltung zurück.
Die Verzögerung in diesem Kreis kann selbstverstandlich auch mittels Verzögerungsglieder
(taufzeitketten) heliebig eingestellt werden. Im vorliegenden Fall beträgt die Verzögerung
(zwischen Eintreffen des Echosignals und dem Schließen der Torschaltung) einige
/u sec.
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Der vom Amplitudensieb 7 an den Regelverstärker 4 weitergegebene Schaltimpuls
hat, wie oben ausgeführt, den im Regelverstärker enthaltenen Sägezahngenerator angestoßen;
seine Abschaltung erfolgt durch den Ablauf des Zeitgliedes 3 im Zeitpunkt V. Bis
zu diesem Zeitpunkt hat die Sägezahnspannung den Wert U1 erreicht. Die Differenz
dieser Spannung zu einer Vergleichsspannung (im Impulsschaltplan mit Null bezeichnet)
ist ein Maß für die Zeitspanne (r 1), welche das Zeitglied 2 hätte länger laufen
dürfen, damit das gesuchte Echosignal kurze Zeit nach Ablauf des Zeitgliedes 2,
d.h. kurz nach dem Öffnen der Torschaltung, eingetroffen wäre. Diese Zeitspanne
wird umso kürzer sein, je länger der Sägezahngenerator gelaufen ist, d.h. je kleiner
die Spannungsdifferenz zu der Vergleichsspannung (Null) ist. Der Regelverstärker
4 steuert das Zeitglied 2 im Sinne einer Verlängerung seiner Zeitkonstanten um g
1.
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Bei der zweiten Lotperiode wird wiederum das Zeitglied 2 durch das
erste Echo angestoßen und seine Zeitkonstante beträgt nun t1+/1. Es sei angenommen,
daß der zeitliche Abstand zwischen dem ersten Echo und dem interessierenden Echo
ebenso groß ist wie in der vorhergehenden Lotperiode, welche Zeit dem Abstand von
von der Schädelwand zur Arterie entspricht. Die Torschaltung öffnet dann im Zeitpunkt
VII, der interessierende Echoimpuls kommt im Zeitpunkt VIII und die Torschaltung
schließt im Zeitpunkt IX aufgrund der oben geschilderten Verzögerung. Im
Zeitpunkt
VIII, d.h. mit Eintreffen des interessierenden Echoimpulses, hat über das Amplitudensieb
der Sägezahngenerator im Regelverstärker 4 seinen Startimpuls bekommen und ist bis
zum Ablauf des im Zeitpunkt VII gestarteten Zeitgliedes 3 gelaufen. Im Zeitpunkt
X ist das Zeitglied 3 abgelaufen und der Sägezahngenerator gestoppt worden. In diesem
Zeitpunkt hat seine Spannung genau den Wert der Vergleichsspannung (O) erreicht.
Bei der nachfolgenden Lotperiode wird also die Schaltzeit des Zeitgliedes 2 nicht
verändert werden. Seine Schaltzeit beträgt jetzt t1 + f1 +# Es schließt sich nun
die dritte Lotperiode an. Im Impulsplan ist nun der Fall angenommen, daß sich die
Arterie in Richtung zur Schädelwand, an der das Ultraschallsignal eingestrahlt wird,
hin bewegt hat, so daß der Abstand lediglich noch A - A beträgt. Dadurch trifft
der Echoimpuls von der Arterie früher ein, so daß die Zeitspanne XIII - XII verkürzt
wird. Im Zeitpunkt XIII beginnt wiederum der Sägezahngenerator zu laufen.
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Vom Zeitpunkt XII bis zum Zeitpunkt XIV ist die Torschaltung geöffnet.
Bis zum Ablauf des im Zeitpunkt XII gestarteten und im Zeitpunkt XV abgelaulenen
Zeitgliedes 3 hat die Sägezahnspannung die Vergleichsspannung überschritten, so
daß bei der nächsten im Zeitpunkt XVI beginnenden Lotperiode die Schaltzeit des
Zeitgliedes 2 verkürzt werden muß, nämlich um eine Zeit r 2 die proportional ist
der Spannung, um welche die Sägezahnspannung höher als die Vergleichsspannung (0)
liegt.
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Nach Durchführung dieser Korrektur ist dann die Zeitspanne zwischen
den Zeitpunkten XVII und XIX wieder ebenso groß wie zwischen VII und IX. Die Zeitkonstante
des Zeitgliedes 2 beträgt in diesem Fall t1 +t#i +'1 + -r2. Die Zeit stellt
also die Korrektur des zu klein gewordenen Sicherheitsabstandes zwischen den Zeitpunkten
XII und XIII dar. Würde diese Korrektur nicht erfolgen, so könnte es passieren,
daß bei weiterer Annäherung der Arterie an die Schädelwand die Arterie aus dem eingestellten
Tiefenbereich auswandert.
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Die erfindungsgemäße Schaltung bewirkt also, daß bei Bewegungen des
zu untersuchenden Objektes die Torschaltung automatisch sich auf den neuen Tiefenbereich,
in dem sich das Objekt befindet, einstellt. Außerdem wird - wie die Lotperioden
(1. und 2.) zeigen-der Tiefenbereich, der in der ersten Lotperiode noch sehr groß
war, bereite in der zweiten Lotperiode auf die gewünschte Größe verengt, so daß
das Gerät mit der erfindungsgemäßen Schaltung in der LagqKst, den zu untersuchenden
Tiefenbereich automatisch abzugrenzen, was die Arbeit des Arztes beim Auffinden
des richtigen Tiefenbereiches sehr erleichtert.
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Es ist eine Schaltungsanordnung denkbar, bei der das Zeitglied 3 entfällt
und als Maß fUr die Korrektur der Zeitkonstanten des Zeitgliedes 2 die Spannung
benutzt wird, welche der Sägezahngenerator im Regelverstärker 4 während der Zeit
bildet, die vergeht zwischen dem Ablauf des Zeitgliedes 2 und dem Eintreffen des
interessierenden Echosignals. Diese Ausführung kann jedoch - wie eingangs angedeutet
- den Nachteil haben, daß bei sehr kurzer Zeitkonstante des Zeitgliedes 2 und sehr
spätem Eintreffen des Echosignals die Sägezahnspannung relativ lange ansteigen mUBte,
so daß eine Linearität dieser Spannung über diese relativ lange Zeit mit vertretbarem
te hnischem Aufwand nicht mehr sicher gewährleistet ist. Es ist daher zweckmäßiger,
in der oben geschilderten Art mit einem zusätzlichen zweiten Zeitglied 3 zu arbeiten.
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Der geforderte Sicherheitsabstand zwischen dem Ablauf des Zeitgliedes
1 und dem Eintreffen des gesuchten Echoimpulses kann sich danach richten, wie groß
die Impulsfolgefrequenz und die maximale Geschwindigkeit der Auswanderung des gesuchten
Objektes in Schalirichtung ist. Bei der Anwendung des Gerätes für mediinische Zwecke
wird im allgemeinen mit einer Impulsfolgetrequenz von 3 kHz gearbeitet und die Geschwindigkeit
der Bewegung des Objektes liegt bei etwa einigen mm bis cm pro Sekunde. Daraus ergibt
sich, daß der geforderte Sicherheitsa
Dstand lediglich p1Sekunden
zu betragen braucht. Ähnliche überlegungen gelten für die Verzögerung der Abschaltung
der Torschaltung durch den diese Torschaltung passierenden Echoimpuls; d.h. es braucht
nicht das die Torschaltung passierende Echosignal das Ende der Toröffnung zu bewirken,
sondern beispielsweise das Ende des ablaufenden zweiten Zeitgliedes. Wesentlich
ist jedoch, daß die Torschaltung nicht zu lange geöffnet bleibt; der günstigste
Zeitpunkt liegt also kurz nach dem Eintreffen des interessierenden Echos.
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Die Öffnungszeit der Torschaltung ist bei einer Ausführung des Gerätes
auf 30 /u-Sekunden eingestellt.