DE2329386A1 - Einrichtung und verfahren zur ultraschall-echoskopie von objekten - Google Patents

Description

The Commonwealth of Australia, c/-The Department

of Health ,Philipp. Australian Capital Territory,Australia

Einrichtung und Verfahren zur Ultraschall-Echoskopie von Objekten

Die Erfindung beschäftigt sich mit der Ultraschall-Echoskopie von Objekten und zwar in Richtung einer Erweiterung der bekannten Techniken, um von einem zu untersuchenden Objekt aufschlußreichere Informationen zu erhalten. Die Erfindung richtet sich in erster Linie, aber nicht ausschließlich, auf eine wirksame Gewinnung von Daten in der medizinischen Diagnostik bei Anwendung dieser Technik.

Die Ultraschall-Echoskopie gibt von einem Untersuchungsobjekt eine Information, die in Form eines Ultraschall-Echo gramms dargestellt werden kann. Ein solches Echogramm ist eine Darstellung der akustischen Widerstandsunstetigkeiten oder reflektierenden Flächen im Objekt. Es wird dadurch erhalten, daß man kurze Pulse von Ultraschallenergie, typisch im 1-3O MHZ-Freguenzbereich»in das zu untersuchende Objekt schickt, wo jede akustische Widerstandsunstetigkeit reflektiert wird und ein Teil der Energie in Form eines Echos

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zurückkehrt. Dieses Echo wird empfangen, in ein elektrisches Signal umgewandelt und als Echogramm auf einem Kathodenstrahl-Oszilloskop, einem Film, einer Karte od.dgl. dargestellt.

Das Echogramm kann entweder eine eindimensionale oder eine zweidimensionale Darstellung bilden. In beiden Fällen ist die Information in der Lage und Größe des dargestellten Echos enthalten. Bei einer eindimensionalen Darstellung wird die Lage entlang einer Grundlinie zur Anzeige des Abstandes zur reflektierenden Fläche verwendet, während die Größe des Echos beispielsweise als Ablenkung von der Grundlinie oder als Wechsel der Intensität dargestellt wird. Bei zweidimensioneler Darstellung wird die Lage entlang der Grundlinie wie bei der eindimensionalen Darstellung zur Anzeige des Abstandes zur reflektierenden Fläche verwendet, und die Richtung der Grundlinie wird dazu verwendet, um die Richtung der Ausbreitung der akustischen Energie darzustellen. Die zweidimensionale Darstellung wird durch Änderung der Richtung der Ausbreitung der akustischen Energie und durch die Einführung einer ähnlichen, aber nicht notwendigerweise identischen Bewegung der Grundlinie der Darstellung gewonnen.

Die Technik der Ultraschall-Echoskopie wird in der medizinischen Diagnostik verwendet, um Informationen über die Anatomie des Patienten zu erhalten. Die Anwendung dieser

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Technik ist jetzt in weitern Umfang eingeführt und ist beispielsweise beschrieben von D.E. Robinson in "Proceeding of the Institution of Radio and Electronics Engineers" Australia,Voö.31, Nr.11,Seiten 384-392,November 1970: "The Application of Ultrasound in Medical Diagnosis".

Wie in diesem Aufsatz ausgeführt wird,kann Ultraschall-Echoskopie angewendet werden, um. Darstellungen zu erhalten, welche anatomischen Querschnitten ähneln, die sich klinisch als nützlich erwiesen haben, wenn die gewünschten Informationen betreffen physikalische Dimensionen, Formen von Organen, Strukturen u.dgl.Ultraschall-Echographie hat sich besonders wertvoll erwiesen als diagnostisches Hilfsmittel im Unterleib und in der Gebärmutter bei Schwangerschaft, beim Auge, bei der Brust, beim Gehirn, bei der Lunge, Niere, Leber, beim Herzen, also in Gebieten mit weichen Geweben mit wenig Knochen und Luft. Allgemein wird diese Technik als Ergänzung anderer Techniken angesehen, um ein vollständigeres Bild von dem Zustand des Patienten zu gewinnen, jedoch besonders bei der Schwangerschaft, wo die Ultraschall—Echoskopie anstelle von Röntgenstrahlen nützlich sein kann·,: die entweder keine hinreichende Information ergeben oder schädlich sein können. In der medizinischen Anwendung wird ein Puls von Ultraschall-Energie in einer bekannten Richtung dem Patienten übertragen, während Echos von reflektierenden Flächen im Körper erhalten werden. Der zeitliche Abstand zwischen übertragenem Puls und erhaltenem Echo hängt vom Abstand des Übertragers von der reflektierenden

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Fläche ab. Die so erhaltene Abstandsinformation wird auf einem geeigneten Weg zur Auswertung und zum klinischen Gebrauch als eine Ablesung eines eindimensionalen Bereiches oder als ein zweidimensionaler Querschnitt der oben beschriebenen Art dargestellt.

Die bekannten Systeme leiden an mehreren Nachteilen und zwar wegen der Mehrdeutigkeit der erhaltenen Echobildungen.

1. Die Größe des empfangenen Echos ist abhängig von der Reflektionsfähigkeit der Fläche,ihrer Winkelstellung zum Strahl und von der Zerstreuungsfähigkeit der Fläche. Wenn der Reflektor scharf gegen den Strahl geneigt ist, wird kein Echo zurückgesandt.

^. Ein Echo in einem bestimmten Bereich kann durch eine direkte Zweiwegbahn erzeugt werden, in welchem Fall die angegebene Lage der reflektierenden Fläche korrekt ist. Der Puls kann aber in dem Untersuchungsobjekt mehrfach reflektiert werden, was zu einer falschen Anzeige der reflektierenden Fläche in einem Bereich Anlaß gibt, in dem nichts existiert.

3. Fälschliche Anzeigen in den angezeigten Stellungen reflektierender Flächen im Untersuchungsobjekt infolge von Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschall-Energie durch das Objekt hindurch sind nicht feststellbar, noch ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit meßbar.

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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Einrichtung und eines verbesserten Verfahrens für Ultraschall-Echoskopie fürdie Prüfung von Objekten, wobei verläßligere und nützlichere Informationen über das Untersuchungsobjekt gewonnen werden können.

Gemäß der Erfindung enthält die Einrichtung zur Ultraschallprüfung eines Objektes eine Vorrichtung zur Übertragung von Pulsen von Ultraschall-Energie in das Objekt, weiter Mittel zum Empfang von Echos der Pulse dieser Ultraschall-Energie, die durch akustische Widerstands-Unstetigkeiten innerhalb des Objektes reflektiert werden, wobei erstens die Empfangsmittel für die Echos einen zentralen Wandler enthalten, der geeignet ist,Echos zu empfangen, die entlang einer einzigen Achse reflektiert werden, und wobei die Mittel zur Übertragung von Pulsen den genannten zentralen Wandler und eine Vielzahl von ringförmigeh Wandlern enthalten, die mit ihren Achsen in der gleichen Linie wie die genannte Wandlerachse des zentralen Wandlers liegen oder wobei zweitens die genannten Mittel zur Pulsübertragung einen zentralen Wandler zur Übertragung von Pulsen entlang einer einzigen Achse enthalten und die Mittel zum Empfang der Echos den genannten zentralen Wandler und eine Vielzahl von ringförmigen Wandlern enthalten, deren Achsen in der gleichen Linie wie die Achse des zentralen Wandlers liegen.

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Die Erfindung schafft auch ein neues Verfahreb zur Ultraschallprüfung eines Objektes, das darin besteht, daß Pulse von Ultraschallenergie in das Objekt übertragen werden und die Echos der Pulse der Ultraschallenergie empfangen werden, die durch akustische Widerstands-Unstetigkeiten im Objekt reflektiert werden,wobei entweder erstens die Echos
entlang einer einzigen Achse durch einen zentralen Wandler empfangen werden und die Pulse durch den genannten zentralen Wandler und eine Vielzahl von ringförmigen Wandlern
übertragen werden, die mit ihren Achsen in der gleichen Linie wie die genannte Achse angeordnet sind oder zweitens
wobei die genannten Pulse entlang einer einzigen Achse
durch einen zentralen Wandler übertragen werden und die
Echos durch den genannten zentralen Wandler und durch eine Vielzahl von ringf örmiaer. Wandlern empfangen werden, die
mit ihren Achsen in derselben Linie wie die genannte Achse angeordnet sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der aktive Bereich des zentralen Wandlers eine Scheibe mit fokussierenden Eigenschaften, und die Strahlachse des Wandlers liegt entlang einer Linie durch die Mitte der Scheibe unter einem rechten Winkel zu ihrer Fläche. Die aktiven
Bereiche der ringförmigen Wandler sind zweckmäßig in der
Form von dünnen kreisförmigen Ringen angeordnet, deren Achsen in der gleichen Linie liegen wie die Achse des zentralen Wandlers. Die Durchmesser der. ringförmigen Wandler

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sind zweckmäßig wesentlich größer als der Durchmesser der Scheibe des zentralen Wandlers, während die Breite jedes ringförmigen Wandlers vorzugsweise gering im Vergleich zum Durchmesser der Scheibe des zentralen Wandlers ist. Beispielsweise können vier bis zehn ringförmige Wandler in dem Apparate sein.

Die ringförmigen Wandler können in der gleichen Ebene wie der zentrale Wandler liegen, oder sie können so angeordnet werden,daß sie auf der Oberfläche eines Kegels, einer Halbkugel oder eines anderen festen Rotationskörpers liegen, dessen Achse die Achse des zentralen Wandlers ist. Zusätzlich kann jeder ringförmige Wandler aus einem einzelnen Element bestehen oder er kann in eine Anzahl von getrennten Segmentelementen aufgebrochen sein.

Der zentrale und die ringförmigen Wandler können von jeder Type der elektromechanischen Wandler sein.

Bei der Arbeit der Einrichtung gemäß der" Erfindung, bei der der zentrale Wandler als Empfänger wirkt, wird für einen Arbeitszyklus jeder übertragende Wandler der Reihe nach gepulst. Zwischen den Pulsen ist der Empfänger aktiviert, und es werden Echos entlang der Empfängerachse empfangen. Der zeitliche Abstand der empfangenen Echos von jedem ringförmigen Wandler wird korrigiert, um der bekannten Entfernung entlang der Empfängerachse zu entsprechen. Eine ähnliche Arbeitsweise wird angewandt, wenn der zentrale Wandler als Übertrager wirkt, obgleich, wenn gewünscht,Echos

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eines einzelnen Pulses gleichzeitig durch die Mehrzahl der ringförmigen Wandler empfangen werden können.

Die Auswertung der gemäß der Erfindung erhaltenen Informationen kann durch Analog- oder Digitol-Techniken ergänzt werden und kann aus einer Mehrzahl von Schritten bestehen: 1. Durch Hinzufügen von Echos mit gemeinsamem Abstand entlang der Achse für alle übertragenen Pulse eines Zyklus, werden geneigte reflektierende Flächen dargestellt als Echoanzeigen,ebensogut wie reflektierende Flächen im rechten Winkel. Beim Vergleich jeder Echogröße im gemeinsamen Abstand für alle Pulse eines Zyklus können die streuenden Eigenschaften einer reflektierenden Fläche bestimmt werden. Auf diese Weise kann ein Maß für die Reflektionsfähigkeit und die Rauheit der reflektierenden Fläche erhalten werden.

2.Durch Analyse der Differenz im angezeigten Abstand zwischen Echos, die offensichtlich von det gleichen reflektierenden Fläche herrühren, wird das Vorhandensein von vielfach reflektierenden Artefakten kenntlich gemacht.

3.Durch Vergleich der Abstansdifferenz und Einbeziehung der Grundlinien der anatomischen Struktur kann eine Schätzung der Ausbreitungsgeschwindigkeit in Bereichen des Mediums erhalten werden.

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Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung dargestellt.

Es zeigen:

Fig.1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung gemäß der Erfindung,

Fig.2 eine schematische Darstellung eines typischen Echosbildes, das mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung erhalten ist ,

Fig.3 das Echobild nach Fig.2 nach vorgenommener Zeitkorrektur.

In Fig.l bestehen die ringförmigen übertragenden Wandler aus einem axial symmetrischen Satz von im Querschnitt dargestellten Ringen mit einer Scheibe 1, die das zentrale Element und den empfangenden Wandler darstellt, und mit kreisförmigen Ringen 2 bis 5, die als achsentfernte Übertrager verwendet werdeb. Das zu untersuchende Objekt enthält bei-

che
spielsweise eine Zwischenfläge 6 im rechten Winkel zur

Strahlachse 7, eine geneigte Zwischenfläche 8 und eine

ι rauhe (streuende) Zwischenfläche 9. Die resultierenden Echobilder sind in Fig.2 dargestellt, in der A bis E die empfangenen Signale am empfangenden Wandler 1 für übertragene Pulse von den Wandlern 1 bis 5 darstellen. Die Echos bis 15 stammen von der Zwischenfläche 6, die Echos 16 bis 20 von der Zwischenfläche 8 und die Echos 21 bis 25 von der Zwischenfläche 9.Die Echos können zunächst für die Unterschiede in der Laufdauer von den verschiedenen Übertragern korrigiert werden.Die zweitkorrigierten Echos sind in Fig.3

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-Ii,-

dargestellt, in der die Signale F bis J den korrigierten Versionen der Signale A bis E entsprechen. Echos 26 bis 30, 31 bis 35 und 36 bis 40 entsprechen den korrigierten Versionen der Echos 11 bis 15, 16 bis 20 und 21 bis 25. Man sieht, daß Echo 26 das größte dieser Gruppe ist und daß die Amplitude schnell von 26 bis 30 abfällt, was eine glatte Zwischenfläche im rechten Winkel zum Strahl anzeigt. Echo 33 ist der größte seiner Gruppe, und die Amplitude fällt weniger schnell ab, was eine geneigte Zwischenfläche mit einer geringen Rauheit anzeigt. Echo 36 bis 40 sind alle von ähnlicher Amplitude, was eine rauhe, streuende Zwischenfläche ohne spiegelähnliche Reflektionseigenschaften anzeigt. Geringe Unterschiede in der Zeit zwischen den Echos innerhalb des Satzes können verwandt werden, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit innerhalb der geprüften Struktur zu messen und können auch analysiert werden, um mehrfach reflektierendeAjjtefaktenechos ausfindig zu machen.

Man erkennt, daß die Erfindung eine verläßlichere und nützlichere Information bei der Ultraschallprüfung von Objekten erzielen läßt. Der Fachmann wird erkennen, daß zahlreiche Abänderungen möglich sind, ohne den Geist und den Umfang der Erfindung zu verlassen.

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Claims (1)

1. -11-Patentansprüche:

   > I^ Einrichtung zur Ultraschallprüfung von Objekten, enthaltend Mittel zur Übertragung von Pulsen von Ultraschallenergie in das Objekt und Mit-tel zum Empfang von Echos dieser Pulse von Ultraschallenergie, die durch akustische Widerstandsunstetigkeiten innerhalb des Objektes reflektiert werden, wobei entweder die Mittel zum Echoempfang einen zentralen Wandler enthalten, der geeignet ist,entlang einer einzigen Achse reflektierte Echos aufzunehmen, wobei die Mittel zur Impulsübertragung den zentralen Wandler und eine Mehrzahl von ringförmigen Wandlern enthalten, die mit ihrer Achse in der gleichen Linie wie die Achse des zentralen Wandlers liegen oder wobei (zweitens) die Mittel zur Pulsübertragung einen zentralen Wandler enthalten, der geeignet ist, Pulse entlang einer einzigen Achse zu übertragen, wobei die Mittel zum Echoempfang einen zentralen Wandler und eine Mehrzahl von ringförmigen Wandlern enthalten, die mit ihren Achsen in der gleichen Linie wie die Achse des zentralen Wandlers eingestellt sind.

   L". Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Fläche des zentralen Wandlers eine Scheibe mit fokussierender Wirkung enthält, wobei die Strahlungsachse des Wandlers entlang einer Linie durch die Mitte der Scheibe im rechten Winkel zu ihrer Fläche liegt.

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   3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Fläche der ringförmigen Wandler kreisförmige Ringe enthält, deren Achsenentlang der gleichen Linie wie die Achse des zentralen Wandlers liegen.

   4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der kreisförmigen Ringe wesentlich größer als der Durchmesser der Scheibe des zentralen Wandlers ist.

   5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4,dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der kreisförmigen Ringe gering im Vergleich mit dem Durchmesser der Scheibe des zentralen Wandlers ist.

   6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Wandler so angeordnet sind, daß sie in der gleichen Ebene wie der zentrale Wandler liegen.

   7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Wandler so angeordnet sind, daß sie auf der Fläche eines Rotationskörpers liegen, dessen Achse wie des zentralen Wandlers ist.

   8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Wandler aus einem einzigen Element bestehen.

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   9.Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß die ringförmigen Wandler aus einer Mehrzahl getrennter Segmentelemente bestehen.

   1O. Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Objektes,umfassend die Schritte: Übertragung von Pulsen von Ultraschallenergie in das Objekt und Empfang von Echos dieser Pulse von Ultraschallenergie, die durch akustische Widerstandsunstetigkeiten innerhalb des Objektes reflektiert werden, wobei (erstens) die Echos entlang einer einzigen Achse durch den zentralen Wandler empfangen und die Pulse durch diesen zentralen Wandler und eine Mehrzahl von ringförmigen Wandler übertragen werden, die mit ihren Achsen in der gleichen Linie wie die genannte Achse angeordnet sind oder wobei (zweitens) die Pulse entlang einer einzigen Achse durch den zentralen Wandler Übertrag/werden und die E',chos durch einen zentralen Wandler und eine Mehrzahl von ringförmigen Wandler empfangen werden, die mit ihren Achsen in der gleichen Linie wie die genannte Achse angeordnet sind

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