DE2215001B2

DE2215001B2 - Vorrichtung zur untersuchung innerer koerperorgane mittels ultraschall

Info

Publication number: DE2215001B2
Application number: DE19722215001
Authority: DE
Inventors: Nicolaas Berkenwoude Born (Niederlande)
Original assignee: Erasmus Universiteit Rotterdam
Current assignee: Erasmus Universiteit Rotterdam
Priority date: 1971-03-31
Filing date: 1972-03-28
Publication date: 1977-11-03
Also published as: NL169956B; NL169956C; US3789833A; GB1322688A; DE2215001A1; DE2215001C3; NL7104271A; FR2131758A5; JPS5038429B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur diagnostischen Untersuchung sich bewegender, im Innern eines Körpers befindenden Organe, insbesondere des Herzens, mittels Ultraschall, umfassend einen außen auf der Haut des Körpers anzuordnenden Kristallhalter, welcher zumindest eine Gruppe von mehr als 10 piezoelektrischen Kristallen trägt, die im wesentlichen fest zueinander in einer Reihe angeordnet sind, für die Aussendung und den Empfang von Ultraschall-Impulsen mit einer Frequenz bis zu 10 MHz in einer Querschnittsebene, welche einen Querschnitt mit dem zu untersuchenden inneren Organ bildet, Mittel zum wiederholten Erregen der genannten Kristalle in einer vorbestimmten Ordnung bzw. Reihenfolge mit einer hohen Wiederholungsfrequenz, eine Kathodenstrahlröhre, sowie Mittel zum Darstellen von durch die Kristalle empfangenen Echosignale in jeder Aussendung-Empfang-Periode an der Kathodenstrahlröhre, um ein zweidimensionales Bild des genannten Querschnittes zu erhalten. Mit »Kristall« ist irgendein Element mit piezoelektrischen Eigenschaften gemeint, welches für die Sendung und den Empfang von Ultraschall geeignet ist.

Ein bereits bekanntes Gerät dieses Typs für die Untersuchung des menschlichen Schädels zeigt eine lineare Anordnung von 21 Kristallen, welche einzeln erregt werden können (Ultrasonics, Juli 1968, Seiten 153 bis 159). Die Breiten der Kristalle in der Querschnittsebene sind so gering, daß sie sich wie isotrope Strahler in der genannten Ebene verhalten. Die von den einzelnen Kristallen erzeugten Ultraschallbündei besitzen daher keine Richtwirkung in der Querschnittsebene. Jedes Kristall ist mit seinem entsprechenden Oszillator verbunden, welcher durch einen Triggerimpuls getrig-

σ»χΐ werden kann, der über eine variable Verzögerungsschaltung nach dem lokalen Oszillator hin geliefert wird. Die Verzögerung jedes Verzögerungskr»ises wird durch eine Steuerspannung gesteuert und ist von dieser linear abhängig, welche durch ein Potentiometer eingestellt wird. Die Verzögerungszeiten von jeweils zwei benachbarten Verzögerungsstromkreisen differieren um den gleichen Betrag. Nach Erregung bauen alle die einzelnen Wellenfronten bzw. Wellenköpfe der Kristalle gemeinsam eine Wellenfront unter einem bestimmten Winkel zu der strahlenden Oberfläche auf. Folglich ist die Strah'richtung abhängig von der Differenz in der Zeitverzögerung zwischen zwei benachbarten Verzögerungsstromkreisen. Durch zyklisches Variieren der Steuerspannung der Verzögerungs-Stromkreise tastet der Ultraschall einen bestimmten Sektor in der Querschnittsebene ab. Der Sektor wird auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre abgebildet und besteht aus einer Anzahl radialer Linien, wobei jeder von diesen einer bestimmten Strahlrichtung entspricht,

Diese bekannte Vorrichtung ist ziemlich kompliziert, derart, daß für jedes Kristall ein Oszillator und ein Verzögerup.gsstromkreis vorzusehen sind. Ferner müssen für die Darstellung jeder einzelnen Sektorlinie 21 Kristalle sukzessiv erregt werden, und alle Verzögerungsstromkreise müssen auf Verzögerungen eingestellt werden entsprechend der Richtung der entsprechenden Sektorlinie.

In »Ultrasonics«, Jan.-März 1965, Seiten 18 bis 2I₁ beschreibt Buschmann eine Vorrichtung zum Untersuchen des Auges mittels Ultraschall. Um die Notwendigkeit zu vermeiden, daß der Patient das Auge während der Untersuchung ruhig hält, schlägt der Autor vor, von einer Anordnung von zehn fokussierten Kristallen Gebrauch zu machen, die entlang einem Bogen befestigt werden, welcher der Krümmung des Augapfels entspricht, wobei alle Kristalle auf das Zentrum des Auges gerichtet sind.

Die Kristalle werden, einer nach dem anderen, rasch erregt. Auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre wird ein doppelfächerförmiger Querschnitt des Auges dargestellt. Sowohl diese Art von Abtastung wie auch die bekannte Sektorabtastung, die oben erörtert wurde, weisen den Nachteil auf, daß keine vollständige Erfassung der Querschnittsfläche erreicht wird, was zur Durchführung von Volumenmessungen erforderlich ist.

Ferner gibt Buschmann an, daß ein Hauptnachteil einer solchen geschalteten Reihe darin besteht, daß es notwendig ist, daß die reflektierenden Oberflächen nahezu senkrecht zu den abgegebenen Ultrasuhallstxahlen sind. Obwohl Buschmann diesen Nachteil weniger schwerwiegend bei der Untersuchung des Auges als in anderen Fällen ansieht, so schlägt er doch vor, diesen Nachteil bei der ersteren Anwendung zu verringern, indem spezielle Schwinger bzw. Schallgeber vorgesehen werden, welche nur während des Empfanges der Echoimpulse zusammenwirken müssen. Zu diesem Zweck wird ein spezieller elektronischer Schalter benötigt, um sicherzustellen, daß nur ein Kristall während der Sendung aktiv ist, daß aber während des Empfanges sowohl dieser Kristall als auch seine zwei benachbarten Kristalle Echos empfangen (sog. SER- oder Kombinationsverfahren). Auf diese Weise können auch achsenentfernte Echosignale empfangen werden. Wenn keine besonderen Schritte unternommen werden, werden jedoch diese achsenentfernten Signale geometrisch auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre ui richtig dargestellt.

In einer anderen Veröffentlichung über dieses Augenuntersuchungsgerät, wobei auch im Kombinationsverfahren gearbeitet wird, wird die Möglichkeit einer Bildwiedergabe mit parallelen Bildlinien angegeben (Wiss. Zeitschrift der Humboldt-Universität zu Berlin, Jg. XIV, 1965, Seiten 31 -35).

Gemäß einer späteren Veröffentlichung von Buschmann (Ultraschallsonics in Ophthalmology, Symp. Münster, August 1966, Seiten 54 bis 75) wurde sein Mehrfachkristallsystem fallen gelassen, sobald geeignete Kathodenstrahlröhren mit Bildspeicherschirm zur Verfügung kamen, die von langer auf kurze Nachleuchtdauer umgeschaltet werde können (ibid. Seite 70).

Auf dem Gebiete der Herzuntersuchung ist es auch bekannt, Ultraschall als diagnostisches Mittel bzw. Werkzeug zu verwenden.

Die US-Patentschrift 36 24 744 beschreibt zum Beispiel eine Ultraschallprüfeinrichtung mit einem piezoelektrischen Kristall. Mit dieser Vorrichtung ist es unmöglich, ein augenblickliches Querschnittsbild sich bewegender Herzstrukturen hervorzubringen.

Bei einem weiteren bekannten Gerät gemäß der US-Patentschrift 36 05 724 wird eine stroboskopische Wirkung verwendet, um ein Querschnittsbild des Herzens zu erhalten. Es wird von einem einzelnen Schwinger bzw. V/andler Gebrauch gemacht, welcher eine oszillierende Bewegung über der Brust des Patienten ausführt. In entsprechenden Augenblicken einzelner aufeinanderfolgender Herzzyklen, welche mittels eines Elektrokardiographen ausgewählt werden, werden auf einem Oszillographen mit Speicherdarstellung Herzechos erzeugt. Auf diese Weise wird ein Querschnittsbild des Herzens erhalten, welches in dem gewählten Augenblick des Herzzyklus vorherrscht. Ein Zeitlupenquerschnittsbild kann nur dadurch erzeugt werden, daß die Augenblicke aufeinanderfolgender Zyklen, in welchen Echos auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre dargestellt werden, progressiv bzw. schrittweise geändert werden. Es ist nicht möglich, mit diesem Verfahren ein sofortiges Querschnittsbild des sich bewegenden Herzens hervorzubringen.

In der US-Patentschrift 35 48 642 beschreibt Flaherty eine Einrichtung zur Untersuchung von beispielsweise des Herzens mittels Ultraschall, wobei die Apertur des Ultraschallwandlers künstlich vergrößert wird. In einer der beschriebenen Ausführungen wird ein Mehrelementswandler verwendet, der aus 10 in einer Reihe angeordneten elektroakustischen Wandlerelementen besteht. Die Elemente befinden sich in einem mit Flüssigkeit gefüllten Behälter und funktionieren als Sender und Empfänger von Ultraschall. Den Elementen werden sukzessive Sendeimpulse zugeführt, die von einem Oszillator herrühren. Synchron mit der Erregung des Wandlers erscheinen 10 vertikale Bildlinien auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre. Die Lage der 10 Bildlinien ändert sich entsprechend der Bewegung des Wandlers. Die Einrichtung enthält ferner einen synchrones Demodulator, der die Aufgabe hat, die Phase der Echosignale mit derjenigen eines Referenzsignals zu vergleichen. Das Ausgangssignal des synchronen Demodulators wird über einen Verstärker an das Steuergitter der Kathodenstrahlröhre gelegt zur Steuerung der Intensität des Kathodenstrahls. Sind die Echosignale mit dem Referenzsignal in Phase, so werden dunkle Punkte auf dem Schirm sichtbar. Sind sie 180^c aus Phase, so entstehen leuchtende Punkte, während bei Echosignalen, die eine Phasendifferenz von

90° gegenüber dem Referezsignal zeigen, Punkte von mittlerer Intensität hervorgebracht werden. Ein lichtempfindlicher Film bewegt sich vor dem Schirm mit einer Geschwindigkeit, die derjenigen des Wandlers proportional ist. Der Film wird danach in einer optischen Einrichtung verarbeitet, die für eine Kreuzkorrelation und Integration der Echosignale sorgt, damit die reflektierenden Punkte des untersuchten Gebietes als helle Punkte auf einem zweiten Film reproduziert werden. Dieses System der künstlichen Aperturvergrößerung ist zeitraubend, weshalb es sich nicht für die momentane Widergabe von Querschnittsbildern bewegender Körperorgane eignet. Beiläufig weist Flaherty auch noch auf die Möglichkeit einer direkten Wiedergabe auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre hin, d. h. ohne dabei von einem Korrelations- und Integrationssystem Gebrauch zu machen. Hierbei ist die Wiedergabe jedoch von der Phase der Echosignale abhängig. Reflektierende Punkte, die in Abständen des Wandlers liegen, die gleich

π · 4- (η = O, 1, 2, 3 etc. und / = Wellenlänge)

sind erscheinen als dunkle Punkte auf eine Linie mittlerer Intensität. Reflektierende Punkte, die in Abständen des Wandlers liegen, die gleich

sind, sind überhaupt nicht zu unterscheiden, da sie zu Punkten derselben Intensität Anlaß geben als diejenigen der Linie, auf der sie liegen. Reflektierende Punkte, die in Abständen vom Wandler liegen, die gleich

sind, sind als dunkle Punkte sichtbar.

Es ist klar, daß eine solche Wiedergabe, wobei Echosignale nach ihrer Phase diskriminiert werden, für diagnostische Zwecke ungeeignet ist.

Schließlich sei noch auf die deutsche Auslegeschrift 19 00 863 hingewiesen. Die darin beschriebene Ultraschall-Wandleranordnung dient der Blutdruckmessung und bezweckt insbesondere das rasche Aufsuchen der für die Blutdruckmessung günstigsten Stelle am Arm des Patienten. Es sind dazu auf einem flexiblen Träger (12) mehrere Ultraschall-Wandlerelemente (13—17) im Abstand voneinander angeordnet, damit das umständliche Aufsuchen eines geeigneten Meßortes durch Verschieben eines einzigen Wandlerelementes entfallen kann. Die eigentliche Messung erfolgt nach dem Doppel-Prinzip. Es treten jeweils einige Wandlerelemente als Sender und die übrigen als Empfänger von kontinuierlichen Ultraschallwellen auf.

Ein an die Empfängerelemente angeschlossener Empfänger stellt die Doppler-Signalkomponente fest, welche die Bewegung einer Arterienwand anzeigt. Zur Erzielung eines großen Ultraschallwirkungsbereiches sind auf den Wandlerelementen Linsen (27) angebracht, wodurch die Ultraschallbündcl einen großen Streuwinkel ei in der Reihenrichtung C-C der Wandlerelcmente aufweisen (siehe F i g. 8).

Diese bekannte Anordnung ist für die momentane Wiedergabe von Querschnitten bewegender, sich im Innern eines Körpers befindenden Organe ungeeignet, noch bietet sie irgendeine Anregung zur Lösung dieser

s Aufgabe.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Aussendung-Empfang-Periode höchstens ein Teil der Kristalle arbeitet, daß die jeweils in einer Aussendung-Empfang-Periode tätigen

ίο Kristalle ein Ultraschallbündel mit Richtwirkung in der Querschnittsebene erzeugen, daß die Richtungsdiagramme der Ultraschallbündel im wesentlichen parallele, in der Querschnittsebene liegende Hauptstrahlrichtungen aufweisen, und daß die Echosignale ungeachtet

is ihrer Phase auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre in einem cartesianischen Koordinatensystem dargestellt werden, dessen eine Koordinate die Lage der ausgesandten Ultraschallbündel und dessen andere Koordinate die Laufzeit der Echosignale wiedergibt.

Mit dieser Vorrichtung kann ein momentanes rechteckiges Querschnittbild sich bewegener biologischer Strukturen erreicht werden. Bei klinischen Auswertungen hat die Vorrichtung ihre Nützlichkeit für die Kardiologie unter Beweis gestellt, wobei sofortige Querschnittsbilder sogar von sich sehr schnell bewegenden Herstrukturen hervorgebracht wurden (Ultrasound in Med. & Biol., Bd. 1,1974, Seiten 243-252). Bei diesen Auswertungen wurde der Vorschlag von Buschmann, spezielle Schwinger bzw. Wandler zu verwen- den, nicht befolgt. Ebensowenig wurde die Form des Kristallhalters an die Form des zu untersuchenden Organs angepaßt, wie dies beim Auge möglich ist. Eine solche Anpassung ist naturgemäß im Falle eines weitaus komplizierter und unregelmäßiger gebildeten Organs wie das Herz, nicht vorhanden. Es wurden auch keine anderen speziellen Schritte unternommen, um die Darstellung reflektierender Oberflächen zu verbessern. welche nicht senkrecht zu den abgegebenen Ultraschallstrahlen angeordnet sind. Die Vorrichtung, welche bei den Auswertungen verwendet wurde, wurde gemäß der einfachen Ausführungsform nach F i g. 3 vorgesehen.

Im allgemeinen sind die Echosignale, welche durch Teile erzeugt werden, die näher an den Kristallen liegen, stärker als die Echosignale, die durch Teile hervorgerufen werden, welche in einem größeren Abstand von den Kristallen liegen. Dies ist nachteilig für eine klare Darstellung der Echosignale. Dieses Problem wird vorzugsweise durch eine Ausführungsform beseitigt, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Taktgeber vorgesehen wird für das Steuern der Erregung der Kristalle und ein Verstärker für die Echosignale, von welchen der Verstärkungsgrad mit der Zeit variiert wird unter der Kontrolle des Taktgebers.

Eine weitere Variante einer Ausführungsform dei Vorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekenn zeichnet, daß sie zumindest zwei Gruppen vor Kristallen aufweist, wobei die Richtungen der Haupt strahlen der einen Gruppe einen Winkel mit der Richtungen der Hauptstrahlen der anderen Gruppt

do bilden und daß die Richtungen der Hauptstrahlcn ir einer Ebene liegen, welche mit der Ebene zusammenfäll oder parallel zu dieser angeordnet ist, in welcher di< Richtungen der Hauptstrahlen der letzteren Gruppe angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform könncr ds Teile, welche sich unter ungünstigen Winkeln zu den Kristallhalter befinden, besser dargestellt werden.

Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung drei Gruppei von Kristallen, wobei die Richtung der Hauptstrahlei

von zwei der Gruppen einen Winkel miteinander bilden, von welchem die Mittelinie bzw. die Halbierende durch die Richtung der Hauptstrahlen der anderen Gruppe gebildet wird, und daß Mittel vorgesehen sind, um die Echosignale der ersteren zwei Gruppen den Echosignalen der letzten Gruppe bei der Darstellung der Echosignale auf der Kathodenstrahlröhre zu überlagern.

Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ι ο die Gruppen von Kristallen in dem Kristallhalter nebeneinander gestellt sind.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Gruppen von Kristallen versetzt zueinander angeordnet.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiel dargestellt sind, näher erläutert.

F i g. 1 zeigt den Kristallhalter einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Untersuchung des Heizens, wobei das Herz durch einen Kreis schematisch angedeutet wird;

F i g. 2 zeigt das Bild, das bei der Wiedergabe der Echosignale auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre erhalten wird;

F i g. 3 zeigt eine Unteransicht des Ktistallhalters und der darin angeordneten Kristalle;

F i g. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;

F i g. 5 zeigt einen auf dem Körper eines Patienten anzuordnenden Kristallhalter mit drei Kristallgruppen, wobei die Strahlungseinrichtung für die einzelnen Gruppen verschieden ist;

F i g. 6 zeigt das Bild, das bei der Wiedergabe der mit dem Kristallhalter nach Fig.5 erhaltenen Echosignale auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre entsteht;

F i g. 7 zeigt eine Unteransicht des Kristallhalters nach F i g. 5 und der darin angeordneten Kristalle;

F i g. 8 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei welcher ein Kristallhalter mit drei Kristallgruppen verwendet wird.

F i g. 1 zeigt einen Multikristall-Schallgeber bzw. -Schwinger, welcher aus einem Kristallhalter 1 besteht und mehrere in einer Reihe angeordnete piezoelektrische Kristalle 2 aufweist. Die Zahl der Kristalle wird durch die gewünschte Auflösung bestimmt und kann zum Beispiel zwanzig betragen. Die Kristalle können als kreisförmige Plättchen ausgebildet sein, deren Frontflächen in einer gemeinsamen Ebene liegen.

Die Vorder- und Hinterseite der Kristalle müssen so elektrisch mit dem sie erregenden Oszillator verbunden werden, damit sie in einer senkrecht zu diesen Seiten stehenden Richtung schwingen. Dazu werden beide Seite eines jeden Kristalls mit einer Elektrode in Form einer elektrisch leitenden Schicht versehen, an die ss elektrische Anschlüsse festgelötet werden.

Um eine direkte Berührung des Körpers mit diesen Elektroden zu vermeiden, wird darauf eine Isolationsschicht angebracht. Die Isolation kann auch durch eine '. Anpassungsschicht (A = Wellenlänge) erfüllt werden.

Eine solche Schicht dient der akustischen Anpassung zwischen den Kristallen und dem zu unersuchenden Körper, und ist in der Technik allgemein bekannt (vgl. zum Beispiel G. Kossoff et al., Two-dimensional <>s ultrasonogruphy in obstetrics, Proc. First Intern. Conference on Diagnostic Ultrasound. Univ. of Pittsburgh, I%5, Seiten 333 bis 347).

Die Außenseite der auf den Kristallen angebrachten Übertragungsschicht, die aus den Elektroden und der

Isolationsschicht bzw. der ~ Anpassungsschicht bestehen kann, bildet die akustisch aktive Fläche des Schallgebers, welche die Ultraschallenergie auf den zu untersuchenden Körper überträgt. Die akiive Fläche fällt dazu mit der Körperfläche im wesentlichen zusammen, wenn der Schallgeber auf der Haut eines Patienten placiert wird.

Der Körper des Patienten ist in der F i g. 1 schematisch mit 3 bezeichnet, während der kreisförmige Raum 4 das Herz darstellt, die von einem bestimmten Kristall ausgesandten Ultraschallwellen werden in einem Punkt 5 von der Vorderwand und in einem Punkt 6 von der Hinterwand des Herzens reflektiert, so daß der betreffende Kristall zwei aufeinanderfolgende Echosignale empfängt.

Die Kristalle 2 werden mit einer hohen Abtastfrequenz zyklisch erregt, z. B. derart, daß die Kristallreihe 190mal pro Sekunde durchlaufen wird.

Die erhaltenen Echosignale werden gemäß F i g. 2 auf dem Schirm 7 einer Kathodenstrahlröhre abgebildet, wobei die vertikale Ablenkung des Kathodenstrahles schrittweise erfolgt, so daß die Lage jedes Bildpunktes der Lage des jeweiligen ausgesandten Ultraschallbündels gegenüber dem Kristallhalter entspricht, während die horizontale Ablenkung als Funktion der Zeit stattfindet, so daß die Lage jedes Bildpunktes dem Zeitpunkt entspricht, an dem das betreffende Echosignal empfangen wird.

In Fig. 2 ist die horizontale Ablenkrichtung mit X und die vertikale Ablenkrichtung mit Y bezeichnet.

Auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre entsteht nunmehr ein Bild, das einem horizontalen Querschnitt des Herzens entspricht, wobei alle Bewegungen, z. B. der Herzwand, deutlich beobachtet werden können. Im allgemeinen sind die empfangenen Echosignale am stärksten, wenn die Ultraschallwellen die Herzwand senkrecht treffen. Infolge der Bewegung der Herzwand kann es vorkommen, daß die Wellen an einem bestimmten Zeitpunkt unter einem ungünstigen Winkel einfallen, so daß das Echosignal in der Abbildung geschwächt oder sogar völlig unterdrückt wird. Durch die interpolierende Wirkung des Auges werden solche Unterbrechungen oder Schwächungen jedoch nicht wahrgenommen, so daß trotzdem ein deutliches Bild der Bewegungen der Vorderwand und der Hinterwand des Herzens erhalten wird. An den Teilen der Herzwand, die parallel zur X-Achse laufen, ist der Einfallswinkel der Ultraschallwellen immer ungünstiger, so daß diese Teils nicht deutlich wiedergegeben werden. Dieser Nachtei kann erwünschtenfalls dadurch beseitigt werden, daf: man unter verscheidenen Winkeln strahlende Kristalle verwendet, wie nachstehend noch näher erläutert wird.

Fig. 3 zeigt eine Unteransicht des Kristallhalters 1 mit den darin angeordneten kreisförmigen Kristallen 2.

F i g. 4 zeigt das Blockschaltbild einer Vorrichtunj gemäß der Erfindung, bei welcher der Kristallhalte nach den Fig. 1 und 3 verwendet wird. Die Schaltun] wird von einem Taktgeber 8 gesteuert, der die Kristall· 2 in zyklischer Reihenfolge einschaltet. Der Taktgebe steuert dazu ein elektronisches Schaltglied 9, dessei Ausgänge je mit einem der Kristalle 2 verbunden sine Ein Oszillator 10, der gleichfalls vom Taktgebe gesteuert wird, erzeugt die Schwingungen, mit denen di Kristalle erregt werden, und deren Frequenz von de Größenordnung von 1-10 MHz sein kann. Die von de

ino t/U/11

einzelnen Kristallen empfangenen Echosignale werden je über einen zugehörigen Verstärker U einem elektronischen Schaltglied 12 zugeführt, das die Kristalle in zyklischer Reihenfolge mit einem Verstärker 13 verbindet und dazu gleichfalls vom Taktgeber 8 gesteuert wird. Der Verstärker 13 hat einen als Funktion der Zeit veränderlichen Verstärkungsgrad und wird dazu auch vom Taktgeber 8 gesteuert. Die Änderung des Verstärkungsgrades erfolgt in solcher Weise, daß er während der Erregungsperiode jedes Kristalls allmählich zunimmt, so daß ein von der Hinterwand des Herzens erzeugtes Echosignal mehr verstärkt wird als ein von der Vorderwand herrührendes Echosignal. Der Intensitätsunterschied zwischen den beiden Echosignalen wird dadurch ausgeglichen. Die Ausgangssignale des Verstärkers 13 werden über einen Detektor 14 einem Organ 15 zugeführt, das eine Intensitätsmodulation des Kathodenstrahles herbeiführt.

Die vertikale Ablenkung des Kathodenstrahles erfolgt mittels eines schrittweise zunehmenden Signals, das von einem Schrittgenerator 16 erzeugt wird; der Schrittgenerator wird dazu vom Taktgeber 8 gesteuert. Es wird dadurch erreicht, daß die vertikale Lage des Kathodenstrahles jeweils der Lage des wirksamen Kristalls in dem Halter entspricht. Die horizontale Ablenkung erfolgt mittels eines Sägezahnsignals, das von einem Zeitglied 17 erzeugt wird; das Zeitglied wird dazu gleichfalls vom Taktgeber 8 gesteuert. Die horizontale Lage des Kathodenstrahles entspricht demzufolge jeweils der seit dem Anfang der Erregung eines Kristalls verlaufenden Zeit, so daß jedes Echosignal in einer horizontalen Lage wiedergegeben wird, die dem Zeitpunkt entspricht, an dem das Echosignal vom betreffenden Kristall empfangen wurde.

Die Fig.5 zeigt einen Kristallhalter 18, der drei Kristallreihen enthält, welche Reihen in einer Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene nebeneinander angeordnet sind. Die Kristalle einer der Reihen sind in gleicher Weise angeordnet, wie in dem Halter nach Fig. 1, so daß die Strahlungsachsen, wenn der Halter auf dem Körper eines Patienten angeordnet ist, senkrecht zur Körperoberfläche stehen. Mit dieser Kristallgruppe werden die gleichen Bilder erhalten, wie mit dem Halter nach Fig. 1 Die Kristalle der beiden anderen Gruppen sind derart angeordnet, daß ihre Strahlungsachsen schräg zur Körperoberfläche gerichtet sind, und ^war für die beiden Gruppen unter gleichen, aber entgegengesetzten Winkeln. Die Strahlungsachsen sind für eine der letzteren Gruppen mit 19 und für die andere mit 20 bezeichnet.

Die erhaltenen Echosignale werden nunmehr in solcher Weise auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre abgebildet, daß die sich auf einen gleichen Punkt der Herzwand beziehenden Echosignale einander überlagert werden. Man erzielt in dieser Weise ein Bild der in F i g. 6 dargestellten Art.

Zur Erreichung der Überlagerung müssen die Ablenksignale der Kathodenstrahlröhre einer Koordinatentransformation unterzogen werden, die nachstehend näher erläutert wird.

Die F i g. 7 zeigt eine Unteransicht des Kristallhalters 18, aus der hervorgeht, daß der Halter drei nebeneinander angeordnete Kristallreihen enthält. Die Kristalle der mittleren Reihe 21 sind dabei im Allgemeinen derart angeordnet, daß die aktiven Oberflächen in einer gemeinsamen Ebene liegen, genau so wie bei dem Halter nach Fig. 1 Die Kristalle der äußeren Gruppen 22 und 23 sind in solcher Weise im Halter angeordnet, daß ihre aktiven Oberflächen schräg stehen, und zwar für die Gruppe 22 unter einem bestimmten Winkel, z. B. von 15° und für die Gruppe 23 unter dem gleichen s Winkel nach der anderen Seite. Es ist dabei unvermeidlich, daß die schräggestellten Kristalle teilweise mit der Körperoberfläche außer Berührung sind, so daß es erforderlich sein kann, ein Übertragungsmedium vorzusehen; zu diesem Zweck kann man z. B. Vaseline oder

ίο einen weichen Kunstgummi verwenden.

F i g. 8 zeigt das zugehörige Schaltbild. Die drei Kristallgruppen sind durch die Blöcke 21, 22 und 23 angedeutet. Diese Gruppen werden nacheinander erregt, wobei die Kristalle jeder Gruppe in gleicher Weise wie bei der Schaltung nach Fig.4 vom Schaltglied 9 eingeschaltet werden. Das Schaltglied 12 sorgt dafür, daß die Echosignale der einzelnen Gruppen nacheinander nach dem Verstärker 13 übertragen werden. Die aufeinanderfolgende Einschaltung der Gruppen wird von einem Programmgeber 24 gesteuert.

Bei der Wiedergabe der Echosignale, die von den schräg strahlenden Kristallgruppen 22 und 23 erzeugt werden, müssen die Ablenksignale der Kathodenstrahl-

if, röhre 7 einer Koordinatentransformation unterzogen werden. Dazu werden vom Programmgeber 24 die Verstärker 25 und 26 eingeschaltet, während nötigenfalls gleichzeitig ein Organ 27 betätigt wird, das eine Verschiebung der Bildpunkte in der V-Richtung herbeiführt. Bei der Wiedergabe der Echosignale der Gruppen 22 und 23 wird das sägezahnförmige Ausgangssignal des Zeitgliedes 17 in dem Verstärker 25 mit einem Faktor multipliziert der zu cos χ proportional ist, während dieses Signal im Verstärker 26 mit einem Faktor multipliziert wird, der zu sin χ proportional ist, wobei mit λ der Winkel zwischen der Strahlungsachse und der Körperoberfläche bezeichnet wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 25 steuert die Ablenkung in der X-Richtung, während das Ausgangssignal

_io des Verstärkers 26 in einem Addierglied 28 zum Ausgangssignal des Schrittgenerators 16 addiert wird.

Wenn der Kristallhalter in der in F i g. 7 angegebenen Weise ausgebildet ist, wobei entsprechend Kristalle der drei Gruppen in einer geraden Linie parallel zur kurzen Seite des Kristallhalters liegen, wird die erforderliche Koordinatentransformation durch die obenerwähnten Maßnahmen vollständig erreicht. Es kann jedoch unter Umständen erwünscht sein, die entsprechenden Kristalle der drei Gruppen in der Längenrichtung des Halters

so gegeneinander zu verschieben, z. B. derart, daß die Kristalle der beiden äußeren Gruppen in einem Wabenmuster zwischen denjenigen der mittleren Gruppe liegen, oder derart, daß die Kristalle der drei Gruppen alle in einer einzigen Reihe angeordnet sind. In

ss diesem Fall ist es noch erforderlich, die gegenseitige Verschiebung entsprechender Kristalle in den einzelnen Gruppen zu kompensieren. Zu diesem Zweck wird das Organ 27 verwendet, das nötigenfalls vom Programmgeber 24 eingeschaltet wird und das während der

(>o Wiedergabe der Echosignale der Gruppen 22 und 23 zu dem Ausgangssignal des Schrittgenerators 16 einen Festbetrag addiert; dieser Festbetrag kann je nach Umständen positiv oder negativ sein.

Eine Strahlung in drei verschiedenen Richtungen

(15 gemäß Fig. 5 kann auch dadurch erzielt werden, daß man von dem Kristallhalter nach Fig. 3 ausgeht, und dabei jeden Kristall in drei Elemente mit verschiedenen Strahlungsrichtungen zerlegt.

Hicr/u 4 Blatt Zcichnunucn

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur diagnostischen Untersuchung sich bewegender, im Innern eines Körpers befindli- :hen Organe, insbesondere des Herzens, mittels Ultraschall, umfassend einen außen auf der Haut des Körpers anzuordnenden Kristallhalter, welcher zumindest eine Gruppe von mehr als 10 piezoelektrischen Kristallen trägt, die im wesentlichen fest zueinander in einer Reihe angeordnet sind, für die Aussendung und den Empfang von Ultraschall-Impulsen mit einer Frequenz bis zu 10 MHz in einer Querschnittsebene, welche einen Querschnitt mit dem zu untersuchenden inneren Organ bilder, Mittel zum wiederholten Erregen der genannten Kristalle in einer vorbestimmten Reihenfolge mit einer hohen Wiederholungsfrequenz, eine Kathodenstrahlröhre, sowie Mittel zum Darstellen von durch die Kristalle empfangenen Echosignalen in jeder Aussendung-Empfang-Periode an der Kathodenstrahlröhre, um ein zweidimensionales Bild des genannten Querschnittes zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Aussendung-Empfang-Periode höchstens ein Teil der Kristalle arbeitet, daß die jeweils in einer Aussendumg-Empfangs-Periode tätigen Kristalle ein Ultraschallbündel mit Richtwirkung in der Querschnittsebene erzeugen, daß die Richtungsdiagramme der Ultraschallbündel im wesentlichen parallele, in der Querschnittsebene liegende Hauptstrahlrichtungen aufweisen, und daß die Echosignale ungeachtet ihrer Phase auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre in einem cartesianischen Koordinatensystem dargestellt werden, dessen eine Koordinate die Lage der ausgesandten Ultraschallbündel und dessen andere Koordinate die Laufzeit der Echosignale wiedergibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgeber vorgesehen ist für das Steuern der Erregung der Kristalle und ein Verstärker für die Echosignale, von welchem der Verstärkungsgrad mit der Zeit variiert wird unter der Kontrolle des Taktgebers.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zumindest zwei Gruppen von Kristallen aufweist, daß die Richtungen der Hauptstrahlen der einen Gruppe einen Winkel mit den Richtungen der Hauptstrahlen der anderen Gruppe bilden, und daß die Richtungen der Hauptstrahlen in einer Ebene liegen, die mit der Ebene zusammenfällt oder parallel zu dieser angeordnet ist, in welcher die Richtungen der Hauptstrahlen der letzteren Gruppe liegen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie drei Gruppen von Kristallen aufweist, daß die Richtung der Hauptstrahlen von zwei der Gruppen einen Winkel miteinander bilden, von welchem die Halbierende durch die Richtung der Hauptstrahlen der anderen Gruppe gebildet wird, und daß Mittel vorgesehen sind, um die Echosignale der ersteren zwei Gruppen den Echosignalen der letzteren Gruppe bei der Darstellung der Echosignale auf der Kathodenstrahlröhre zu überlagern.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen von Kristallen in dem Kristallhalter nebeneinandergestellt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen von Kristallen versetzt zueinander angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das vertikale Ablenksignal der Kathodenstrahlröhre für die senk^rechi zur Körperoberfläche strahlenden Kristalle eine Schnittfunktion ist, welche die Lage des Kristalls in der Gruppe angedeutet, während das horizontale Ablenksignal ein die Zeit andeutendes Sägezahnsignal ist, dadurch gekennzeichnet, daß für die Wiedergabe der Echosignale der schräg strahlenden Kristallgruppen zur Schrittfunktion ein Signal addiert wird, das durch die Multiplikation des Sägezahnsignals mit einem zum Sinus des Strahlungswinkels proportionalen Faktor erhalten wird, und daß für die horizontale Ablenkung ein Signal verwendet wird, das durch die Multiplikation des Sägezahnsignals mit einem zum Kosinus des Strahlungswinkels proportionaler Faktor entsteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Kristalle der einzelnen Gruppen in der Reihenrichtung gegeneinander verschoben sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum vertikalen Ablenksignal gleichzeitig ein Signal addiert wird, das die gegenseitige Verschiebung kompensiert.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinatentransformation der Ablenksignale von einem Programmgeber gesteuert wird, der gleichzeitig die abwechselnde Erregung der Gruppen steuert.