DE2329387A1 - Verfahren und einrichtung fuer die ultraschallpruefung eines objektes - Google Patents

Verfahren und einrichtung fuer die ultraschallpruefung eines objektes

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Description

F Wpt7pl I Unser Zeich«, bitte angeben
. t. wetzei L.5/6 (235/73) Dipl.-Ing. E.Tergau '—
Patentanwälte
Nürnberg, den 6. Juni 1973
The Commonwealth of Australia, c/-The Department of Health, Philipp, Australian Capital Territory,Australia
Verfahren und Einrichtung für die Ultraschallprüfung eines Objektes
Die Erfindung bezieht sich auf die Technik der Ultrallschall-Echoskopie von Objekten und beschäftigt sich insbesondere mit der Aufgabe, die Zeit, die für die Prüfung eines Objektes mit der Puls- Echo- Technik benötigt wird, herabzusetzen. Sie ist im wesentlichen, aber nicht ausschließlich, auf die Anwendung dieser Technik für die medizinische Diagnostik gerichtet.
Ultraschall- Echoskopie schafft Informationen über ein Prüfobjekt, die in Form eines Ultraschall- Echogramms darstellbar sind. Ein solches Echogramm ist eine Darstellung akustischer Widerstandsunstetigkeiten .oder reflektierender Flächen im Objekt. Es wird dadurch erhalten, daß mab kurze Pulse von Ultraschallenenergie, typisch im 1-30 MHZ-Bereich, in das Prüfobjekt richtet, wo jede akustische Widerstandsunstetigkeit im Objekt reflektiert wird und ein Teil der eingeleiteten Energie in der Form eines Echos zurückkehrt. Das Echo wird aufgenommen, in ein elektrisches Signal
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umgewandelt und als Echogramm auf einem Kathodenstrahl Oszilloskop, einem Film, einer Karte od.dgl.dargestellt.
Das Echoqramm kann entweder eine eindimensionale oder eine zweidimensionale Darstellung bilden. In beiden Fällen ist die Information in der Stellung und Größe des dargestellten Echos enthalten. Bei der eindimensionalen Darstellung wird die Stellung entlang einer Basislinie zur Anzeige des Abstandes der reflektierende!Fläche verwendet, während die Größe des Echos beispielsweise als Ablenkung der Basislinie oder als Intensitätsänderung dargestellt wird. Bei der zwei-dimensionalen Darstellung wird die Stellung entlang einer Grundlinie benutzt, um den Abstand zur reflektierenden Fläche anzuzeigen, wie bei der eindimensionalen Darstellung, und die Richtung der Basislinie wird verwendet, um die Richtung der Ausbreitung der akustischen Energie zu repräsentieren. Die zweidimensionale Darstellung wird dadurch erhalten, daß man die Richtung der Ausbreitung der akustischen Energie ändert und eine ähnliche, aber nicht identische Bewegung der Basislinie der Darstellung einführt. Die Größe des Echos wird wie bei der eindimensionalen Darstellung beispielsweise als Ablebkung der Basislinie oder als Intensitätsänderung eingeführt.
Die Technik der Ultraschall-Echoskopie wird in der medizinischen Diagnose verwendet, um Informationen über die Anatomie des Patienten zu gewinnen. Die Anwendung dieser Technik ist
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jetzt weitgehend in Gebrauch und ist beispielsweise beschrieben in D.E.Robinson in Proceedings of the Institution of Radio and Electronics Engineers Australia, Vol.31,Nr.11 Seiten 385 bis 392, November, 1970:. "The Application of Ultrasound in Medical Diagnosis". Wie in diesem Aufsatz ausgeführt wird, kann die Ultraschall-Echoskopie verwendet v-ierden, um Darstellungen zu schaffen, die anatomischen Querschnitten ähneln, die sich klinisch als nützlich erwiesen haben, wenn die. Diagnose physische Abmessungen, Formen von Organen,Strukturen usw. betrifft. Ultraschall- Echographie hat sich von besonderem Wert erwiesen als diagnostisches Hilfsmittel im Unterleib und in der Gebärmutter,Auge,Brust, Gehirn,Lunge,Niere,Leber und Herz, d.h. in Bereichen mit weichem Gewebe mit wenig Knochen und Luft. Im allgemeinen wird die Technik als Ergänzung anderer Techniken betrachtet, um ein vollständigeres Bild des Zustandes des Patienten zu erhalten. Jedoch ist jede Ultraschall-Echoskopie besonders nützlich bei Schwangerschaft anstelle von Röntgenstrahlen, wo diese keine genügende Information geben oder schädlich sein können. Bei medizinischer Anwendung wird ein Puls von Ultraschall-Energie in den Patienten in einer bekannten Richtung übertragen, und Echos werden empfangen * von reflektierenden Flächen innerhalb des Körpers. Der zeitliche Abstand zwischen dem übertragenen Puls und dem empfangenen Echo hängt ab von dem Abstand des Übertragers zur reflek-
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tierenden Fläche. Die so erhaltene Abstandsinformation kann auf geeigneten Wege für Deutung und klinischen Ge» brauch verwendet werden als eindimensionale Ablesung eines Bereiches oder als zweidimensionaler Querschnitt wie oben beschrieben.
In der bisher bekannten Form der Ultraschall-Diagnostik wird ein einziger Wandler verwendet und wird physisch in verschiedene Stellungen um den Patienten herum bewegt. In jeder dieser Stellungen wird der Strahl in einer oszillierenden Bewegung geschwungen, während er veranlaßt wird, in einer einzelnen Ebene zu bleiben und zwar durch eine mechanische Schwingung des Übertragers, um das gewünschte Abtastbild zu erhalten. Bei Verwendung der einzelnen Ablenkungskreise, beispielsweise in einer Kathodenstrahlröhre, wird eine Linie veranlaßt, den Bewegungen der Strahlachse zu folgen.Echos innerhalb des untersuchten Teiles werden infolgedessen in ihrer korrekten geometrischen Stellung dargestellt. Beispielsweise kann für einen (Querschnitt der Übertrager horizontal in einem Bogen von 150 um den Patienten bewegt werden,der im wesentlichen aufrecht steht, während er Schwingungen von + 15 unterworfen ist. Für Längsschnitte kann der Wandler vertikal bewegt werden, wobei er Schwingungen von_+__30°unterliegt.
Es hat sich jedoch ergeben, daß in diesen Systemen, in denen der Wandler physisch um den Patienten herum bewegt wird, diese Bewegung zu einer Begrenzung der Untersuchungszeit
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zwischen 10 und. 20 Sekunden für jeden Querschnitt führt und zwar wegen der mechanischen Trägheit. In Fällen, in denen der Wandler mit dem Patienten über ein Kupplungsmedium verbunden ist, beispielsweise Wasser, ist die Erzeugung von Turbulenzen durch den Übertrager von Einfluß, wenn dieser sich schnell im Kupplungsmedium bewegt.
Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Objektes zu schaffen, das die erwähnten Beschränkungen vermeidet und die eine Verkürzung der Zeit ermöglicht, die für jede Querschnittsbetrachtung erforderlich ist.Es ist einleuchtend, daß eine Verringerung der Prüfzeit eines Patienten zu einer technischen Verbesserung in den sich ergebenden Echogrammen führt, als der Einfluß der Bewegung des sich unter Prüfung befindlichen Teiles reduziert wird. Zusätzlich hat eine Verringerung der Untersuchungszeit des Patienten den wirtschaftlichen Vorteil, daß mehr Querschnittsuntersuchungen und infolgedessen mehr Prüfungen möglich sind, die in einer gegebenen Zeit durchgeführt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die Einrichtung für die Ultraschallprüfung eines Objektes eine Mehrzahl von Wandlern, wobei jeder Wandler in der Lage ist,Pulse von Ultraschallenergie entlang eines Strahles in das Objekt zu richten und Echos dieser Pulse zu empfangen, die entlang dieses Strahles durch akustische Widerstandsunstetig-
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keiten im Objekt hervorrufen werden, wobei die Wandler relativ zueinander und zum Objekt im Abstand eiragestellt werden und der Strahl jedes Wandlers in einer einzigen Ebene in eine Mehrzahl vpn V/i nkel richtungen steuerbar ist. Die vorliegende Erfindung gestattet die Einwirkung dieser Begrenzung zu minimieren und zwar dadurch, daß geeignete Schaltmittel vorgesehen sind, die den Wandler veranlassen, nur einmal während einer kompletten Querschnittsbetrachtung abzutasten. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht dann darin, döß jeder Wandler der Reihe nach aktiviert wird, um einen Puls von der Ultraschallenergie entlang seiner Strahlachse auszusenden und die Echos zu empfangen, die entlang der Strahlachse zuruckrefektiert werden, wobei das Maß, in dem die Wandler aktiviert werden, hinreichend schnell ist, verglichen mit dem Maß der mechanischen Schwingung der Wandler. Jeder Wandler schwingt nur um einen geringen Abstand zwischenaufeinanderfolgenden Aktivierungen. Das endgültige Resultat, das bei dieser Arbeits-
jeden
weise erhalten wird, ist, daß am Ende einer rxkxx^sh mechanischen Abtastung jeder der Wandler aktiviert worden ist, während sein Strahl in allen erforderlichen Richtungen gerichtet war.
Die alternativen Mittel zur Erhaltung oszillierender Bewegung der Strahlachse ist die Anwendung von Wandleranordnumgen in jeder V/andlersteilung, wobei die Anordnungen ent-
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sprechend beschaffen sind,daß sie elektronisch gesteuert werden können. In einem solchen System sind keine bewegten Teile enthalten, und die Abtastrate, die mit diesem System erhalten wird, ist nur begrenzt durch Überlegungen der elektronischen Schaltgeschwindigkeiten und dem Maßverhaltens von Ultraschallinformationen durch die Wandler nach jedem ausgesandten Puls. Da derartige Anordnungen elektronisch gesteuert werden können, um ihre Strahlen in allen gewünschten Richtungen zu richten und zwar in einem Maß, das viel schneller ist als das, das bei der mechanischen Oszillation des Wandlers gefordert wird, ist es möglich, dieses System dadurch zu betätigen, daß der Str*ahl von jeder Wandleranordnung zu jeder gewünschten Richtung gesteuert wird, um die reflektierten Echos zu messen, bevor die nächste Wandleranordnung aktiviert wird und der Strahl voh ihm zu jeder gewünschten Stellung gesteuert wird u.s.w. Man sieht jedoch, daß die Mehrzahl von Wandleranordnungen, die elektronisch gesteuert werden können, auch in- einer Weise ähnlich der Betätigung der mechanisch oszillierten Wandler betätigt werden können, wie früher beschrieben.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung seien an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig.1 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise bekannter Einrichtungen zur Ultraschalluntersuchung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise einer ersten Ausführungsmöglichkeit der Einrichtung zur Ultraschallprüfung gemäß der Erfindung,
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_Λ_
Fiq.3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung.
In Fig.l bezeichnet 1 den Umriß der sich in Untersuchung befindlichen Struktur, 2 den Wasserkupplungsbehälter und Bogen 3 den Bewegungspfad des einzigen Prüfwandlers. Wenn der Wandler den Pfad 3 durchläuft, führt er eine schwingende Bewegung aus mit üblicherweise zehn Schwingungen für jeden Durchlauf des Pfades 3. Die Struktur 1 wird also während des Abtastens von einer Vielzahl von Stellungen und Richtungen aus gesehen. In jeder dieser Stellungen wird ein Puls von Ultraschallenergie in die Struktur geleitet. Die reflektierten Echos wetden empfangen.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist in Fig.2 dargestellt, bei der zur Vereinfachung der Darstellung nur drei Wandler angenommen sind. Verständlicherweise kann jede andere geeignete Anzahl, beispielsweise acht, angewandt werden. Im vorliegenden Falle gehören die Wandler 11,12,13 zu einer Viel-Elementen- Anordnung, die elektronisch steuerbar ist. Der elektrisch gesteuerte Strahl 14 vom Wandler wird zuerst verwendet. Der Strahl wird dann jeweils um einen kleinen Winkel bewegt, bis er die Strahlrichtung 15 einnimmt. Die Ausrüstung wird dann auf Wandler 12 geschaltet und der Strahl vom Wandler IG nach Strahl 17 geschwenkt. Der Vorgang wird mit Wandler 13 und Strahlen 18 und 19 wiederholt. In jeder Stellung zwischen 14 und 15,16 und 17, 18 und 19 wird der zugehörige Wandler 11,12 und 13 aktiviert,
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um einen Puls von Ultraschallenergie in die Prüfstruktur zu richten und die reflektierten Echos zu empfangen.
Die zweite Ausführungsform verwendet mechanisch abgetastete Wandler. Die Arbeitsweise ist in Fig.3 dargestellt, in der die mechanisch abgetasteten Wandler 31,32 und 33 zunächst in die Richtungen 41,42,4 3 ausgerichtet sind. Wandler 31 wird aktiviert und ein Puls ausgesandt und ein Echo empfangen und zwar entlang der Strahlachse 41. Dann wird Wandler 32 aktiviert und ein Puls ausgesandt und Echos empfangen länqs des Strahles 42 und schließlich analogerweise mit Wandler 33 und Strahler 43. Die Wandler werden dann in Strahlachsstellungen 44,45 und 46 bewegt.
Ein Puls wird gerichtet und Echos werden empfangen zunächst vom Wandler 31 entlang der Strahlrichtung 44 und dann auf den anderen entsprechenden Strahl. Der Vorgang wird wiederholt, bis die Strahlrichtungen 47, 48 und 49 erreicht sind. Zu dieser Zeit ist von dem Wandlersatz eine vollständige Abtastung der Prüfstruktur erreicht mit nur einem Zyklus von mechanischer Schwingung. Wie oben gesagt, kann dieses Verfahren der Folgeaktivierung der Wandler auch mit der Wandleranordnung durchgeführt werden, die im Zusammenhang mit Fig.2 beschrieben wurde. Die mit dem Ausführungen nach Fig.2 und 3 erhaltenen Signale können dann weiterbehandelt und als Querschnitt oder andere Sichtbarmachung der Prüfstruktur dargestellt werden.
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-ΙΟ-Man erkennt aus der vorstehenden Beschreibung, daß die Erfindung eine schnellere Abtastung eines der Ultraschallprüfung unterworfenen Objektes ermöglicht. Es bieten sich für den Fachmann verschiedene Änderungsmöglichkeiten an, ohne den Geist oder den Umfang der Erfindung zu verlassen.
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Claims (9)

  1. -11-Patentansprüche:
    ι lJ Einrichtung zur Ultraschallprüfung eines Objektes, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Mehrzahl von Wandlern enthält, daß jeder Wandler in der Lage ist,Pulse von Ultraschallenergie entlang eines Strahles in das Objekt zu richten und Echos zu empfangen, die entlang dieses Strahles durch akustische Unstetigkeiten im Objekt reflektiert werden, daß die Wandler.relativ zueinander und zum Objekt im Abstand angeordnet sind und daß der Strahl jedes Wandlers in eine Vielzahl von Winkelrichtungen in einer einzigen Ebene einsteuerbar ist.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler mechanisch schwingbar ist, um den Strahl,entlang dessen die Pulse gerichtet und die Echos empfangen werden, in die Vielzahl der Winkelrichtungen in einer einzicen Ebene einzusteuern.
  3. 3.Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler gleichzeitig schwingbar sind.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Wandler eine Viel- Elernenten-Anordnung bildet, die elektronisch steuerbar sind, um den Strahl, entlang dessen die Pulse gerichtet und die Echos empfangen werden, in die Mehrzahl von Winkelrichtungen in einer einziaen Ebene einzusteuern·»
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  5. 5. Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Objektes, dadurch gekennzeichnet, daß Pulse von Ultraschallenergie entlang einer Mehrzahl von Strahlen in das Objekt gerichtet und Echos dieser Pulse empfangen werden, die entlang dieser Strahlen durch akustische Widerstandsunstetigkeiten im Objekt reflektiert werden, daß die Strahlen in das Objekt von Stellungen ausgerichtet werden, die untereinander einen Abstand haben und daß jeder Strahl in eine Vielzahl von Winkelrichtungen in einer einzigen Ebene einsteuerbar ist.
  6. 6.Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulse von Ultraschallenerqie in das Objekt gerichtet und Echos empfangen werden von einer Mehrzahl im Abstand voneinander angeordneten Wandlern, die gleichzeitig mechanisch Lh Schwingung versetzt werden.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulse von Ultraschallenergie in das Objekt gerichtet und Echos empfangen weiden durch eine Mehrzahl von im Abstand voneinander angeordneten Wandlern, von denen jedes ■ eine Viel-Elementen-Anordnung enthält, die elektronisch gesteuert wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch G oder 7,dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler der Reihe nach aktiviert wird, um Pulse von Ultraschallenergie entlang eines Strahles in das Objekt zu richten und Echos zu empfangen, die entlang des Strahles reflektiert werden, wobei das Maß, in dem die Wandler aktiviert werden, hinreichend schnell ist im Vergleich mit
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    dem Maß der mechanischen Schwingungen der Wandler, und daß jeder Wandler nur um einen kleinen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Aktivierungen schwingt.
  9. 9.Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl jedes Wandlers elektronisch in alle der vielen Winkelrichtungen eingesteuert wird und daß der Wandler aktiviert wird, um einen Puls von Ultraschallenergie und entlang des Strahles zu richten und Echos zu empfangen in jeder Richtung vor der Aktivierung des nächst folgenden Wandlers.
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