DE2363857B2

DE2363857B2 - Echoskop zur Prüfung von Gegenständen mit Hilfe von Ultraschallimpulsen, insbesondere für diagnostische Zwecke

Info

Publication number: DE2363857B2
Application number: DE2363857A
Authority: DE
Inventors: Charles Theodoor Waarder Lancee; Gerard Van Smitshoek Zwieten
Original assignee: Erasmus Universiteit Rotterdam
Current assignee: Erasmus Universiteit Rotterdam
Priority date: 1972-12-28
Filing date: 1973-12-21
Publication date: 1978-09-28
Also published as: GB1415759A; DE2363857A1; JPS539030B2; US4016862A; ATA1021073A; DE2363857C3; AT355185B; DK141638B; FR2212553A1; JPS4998080A; NL7217703A; DK141638C; FR2212553B1

Description

a) zumindest zwei einstellbaren, je einem Intervall-Zeitpunkt (ti, tj) zugeordneten Spannungsquellen (1—5), deren jede mit einer der jo Verstellvorrichtungen (7—11) gekuppelt ist zum Einstellen ihrer Spannung (e-, bzw. ej) zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert;

b) zumindest einem Differentialverstärker (21-25), dessen Eingänge (12—20) jeweils mit einer der einstellbaren Spannungsquellen (1 —5) verbindbar sind;

c) einem Integrator (33) zum Integrieren der am Ausgang des Differentialverstärkers (21—25) herrschenden Differenzspannung (ej-e!) während des jeweiligen Zeitintervalls ff,bis f,); und

d) Schaltmitteln (31) zum Integrieren der Differenzspannungen (ej—e) während der aufeinanderfolgenden Zeitintervalle, mit einer der Dauer (tj— t) des jeweiligen Zeitintervall (ti bis tj) entsprechenden Integrations-Zeitkonstante (RQj, derart, daß die Integratorspannung u ft)gegeben ist durch

50

u it) =

6j- e_f) dt+ «(£,),

für i, < t < tj, wobei r,— t,■ = / · (RQj, so daß u (ti) = - f ■ e,· und uftj) = — f ■ ej mit / = 0, 1, 2,...,n-l undyW+l.

2. Echoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung bei zumindest drei verschiedenen Intervall-Zeitpunkten (tj, tj, ti) innerhalb zweier Grenzwerte willkürlich einstellbar ist.

3. Echoskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerspannungsgeber ausgestattet ist mit

a) η Spannungsquellen (1—5), für jeden Intervall-Zeitpunkt (t\,... i_n)eine,

b) η Differentialverstärkern (21—25), von denen jeder mit einer Spannungsquelle (1 —5) verbunden ist,

c) einem gemeinsamen Integrator (33) zum Integrieren der Differenzspannungen (...; ej—er, ... e„— e„-1)der Differentialverstärker (21-25) während der entsprechenden Zeitintervalle (... i/bis tf,...;t„-\ bis i„)und

d) Schaltmitteln (31) zum aufeinanderfolgenden Verbinden der Ausgänge der Differentialverstärker (21—25) mit dem Eingang des gemeinsamen Integrators (33) während der entsprechenden Zeitintervalle (...; f; bis t/,...; t„-1 bis

4. Echoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle ein an eine Quelle konstanter Gleichspannung angeschlossenes Potentiometer (1—5) mit linear abzulesender Skala ist.

5. Echoskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentiometer Gleitpotentiometer (1—5) mit nebeneinander angeordneten Einstellknöpfen sind, die in im wesentlichen parallelen Richtungen verschiebbar sind, so daß ihre Stellungen den Verlauf des Signalverstärkungsfaktors als Funktion der Zeit darstellen.

6. Echoskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel einen Schrittschalter

(31) enthalten, der mit einem gemeinsamen Kontakt

(32) und einer Anzahl einzelner Kontakte (26—30) versehen ist, die nacheinander zu den Intervall-Zeitpunkten (fo, fi, ...ti, tj, tk, ·■-, in) mit dem gemeinsamen Kontakt verbindbar sind, wobei der gemeinsame Kontakt mit dem Eingang des Integrators und jeder der einzelnen Kontakte mit dem Ausgang eines Differentialverstärkers (21—25) verbunden ist.

7. Echoskop nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittschalter ein elektronischer Schrittschalter ist.

8. Echoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein elektronischer Verstärker (39,40, 41) ist, an den ein veränderbarer Widerstand (T) für die Einstellung des Verstärkungsfaktors angeschlossen ist, und daß dieser Widerstand mit Einrichtungen für die elektrische Einstellung des Widerstandswertes versehen ist und daß diese Einrichtungen an den Ausgang des Steuerspannungsgebers angeschlossen sind.

9. Echoskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand ein elektronischer Widerstand ("7} ist.

10. Echoskop nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Widerstand ein Feldeffekttransistor (7) ist.

11. Echoskop nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein Breitband-Videoverstärker (39,40,41) mit Differentialein- und -ausgang (42,43 bzw. 44,45) ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Echoskop zur Prüfung von Gegenständen mit Hilfe von Ultraschallimpulsen, insbesondere :ür diagnostische Zwecke, beste-

hend aus zumindest einem elektro-akustischen Element zum Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen während einer Sende-Empfangs-Periode, einem Verstärker mit zeitabhängiger Verstärkung zum Verstärken der vom Empfangselement gelieferten Echosignale in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Laufzeil einem Steuerspannungsgeber, der dem Verstärker eine Steuerspannung liefert zur Bestimmung des Signalverstärkungsfaktors als Funktion der Zeit, Verstellvorrichtungen für den Steuerspannungsgeber, mit welchen die Größe der Steuerspannurtg als Funktion der Zeit in aufeinanderfolgende Zeitintervalle (to bis tr,...; Λ'bis </, i/bis tk\ ■ ■.; Z_n-1 bis t„) der Sende-Empfangs-Periode veränderbar ist, welche Intervalle durch die Intervall-Zeitpunkte to, tu-., ti, tj, tk, ■ ■ ■ t„ begrenzt sind, und einer Vorrichtung zur sichtbaren Anzeige der während jeder Sende-Empfangs-Periode empfangenen Echosignale.

Ultraschall wird für medizinisch-diagnostische Zwekke vvie auch für zerstörungsfreie Untersuchung von Materialien verwendet. Eine UltraschallqueKe übermittelt intermittierend Ultraschallwellen von kurzer Dauer, welche auf das zu untersuchende Objekt gerichtet werden. Bei medizinischen Diagnosen kann dieses Objekt zum Beispiel das Herz, die Augen, der Unterleib oder das Gehirn eines Patienten sein. Die Reflexion des Ultraschalles, der in den menschlichen Körper eingedrungen ist, findet an Stellen statt, wo die akustische Impedanz Änderungen unterworfen ist, zum Beispiel an den Zwischenflächen in den Geweben. Unter »akustischer Impedanz« ist hier zu verstehen das Produkt der Dichte des untersuchten Objektes und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalles.

Das empfangene Element verwandelt die reflektierten Wellen in ein elektrisches Echosignal, welches, nachdem es verstärkt wurde, auf einem Schirm dargestellt wird. Während jeder Sende-Empfangs-Periode werden Echos dargestellt, welche zusammen ein Echogramm bilden.

Die visuelle Präsentation des Echogrammes kann auf verschiedene Art realisiert werden. Wenn im A-Modus dargestellt, werden die Echos auf einem Schirm präsentiert als Deflexionen lotrecht zu einer Zeitachse, welche die Empfangszeit der Echos anzeigt.

Wenn im B-Modus dargestellt, wird das Echo auf dem Schirm als Leuchtfleck präsentiert, dessen Helligkeit von der Stärke des Echosignales abhängt. Da die Stärke des Echos, das empfangen wird, in großem Ausmaß beispielsweise von der Länge und dem Wesen bzw. der Art des Schallweges abhängt, ist es gewöhnlich möglich, die Verstärkung bzw. Steigerung mit der Zeit zu variieren. Auf diese Weise können Differenzen in der Stärke von Echosignalen mit unterschiedlichen Laufzeiten kompensiert werden (laufzeitabhängige Verstärkung).

Bei einem bekannten Echoskop des in dem obigen einleitenden Absatz genannten Typs, welches beispielsweise für kardiologische Untersuchung anwendbar ist, ist ein Steuerspannungsgeber vorhanden für das Einstellen der Verstärkung. Mit Hilfe von vier Einstellorganen ist es möglich, die Verstärkung als Funktion der Zeit zu kontrollieren. Dies wird mit Hilfe der Kurve in F i g. 1 dargestellt. In dieser sind die Zeitangaben auf der Abszisse und der Verstärkungsfaktor auf der Ordinate dargestellt.

Eine erste Wahl bzw. Einstellung wird bei der Anfangsverstärkung G_n eingestellt, welche während eines ersten Zeitintervalles 0 bis t\ (»Nahverstärkung«) der Sende-Empfangs-Periode vorherrscht. Eine zweite Wahl bzw. Einstellung wird bei der Zeit fi eingestellt, d. h. die Dauer des ersten Zeitintervalles.

Bei einem zweiten Zeitintervall t\ bis h variiert die Verstärkung mit der Zeit Bei einer dritten Wahl bzw. Einstellung kann die Steigung der Verstärkungskurve in diesem Intervall zwischen 0 und einem positiven Wert variiert werden. Schließlich kann bei einer vierten Wahl bzw. Einstellung die Verstärkung G_L- in dem letzten Intervall eingestellt werden (»Grobverstäi kung«).

ίο Dieses bekannte Echoskop weist den Nachteil auf, daß sich die laufzeitabhängige Verstärkung schwer einstellen läßt. Wenn zum Beispiel mit Hilfe der ersten Einstellung die »Nahverstärkung« G_n in dem ersten Zeitintervall 0 —1\ auf einen höheren oder niedrigeren

ig Wert eingestellt wird, wird auch die Verstärkungskurve in dem zweiten Zeitintervall entsprechend nach oben oder nach unten geschoben, und die Dauer dieses zweiten Zeitintervalles wird entsprechend abgekürzt oder verlängert.

Wenn zum Beispiel die »Nahverstärkurig« G_n reduziert wird, wird der schräge Teil der Verstärkungskurve nach unten kommen, wobei als Folge davon das zweite Zeitintervall vergrößert wird. Dies ist in F i g. 1 mit der Verstärkungskurve mit der gestrichelten Linie angedeutet Falls aber die Verstärkung in dem zweiten Zeitintervall auf der ursprünglichen Höhe gehalten werden soll, ist dies nur möglich durch Abkürzen des ersten Zeitintervalles mit Hilfe der zweiten Wahl bzw. Einstellung.

id Falls jedoch die Dauer des zweiten Zeitintervalles beibehalten werden soll, kann dies dadurch bewerkstelligt werden, daß die Steigung λ vergrößert wird und/oder daß die »Grobverstärkung« G_c reduziert wird. Falls die Steigung α nicht geändert werden darf, dann

J5 kann die ursprüngliche Dauer des zweiten Zeitintervalles nur durch Reduzieren von G_c aufrechterhalten werden.

Eine Änderung der »Grobverstärkung« G₀, zum Beispiel durch Verringern derselben, bewirkt, daß das zweite Zeitintervall ti — fc reduziert wird. Falls dies unerwünscht sein sollte, dann muß die Zeit fi verlängert werden. Dies ist möglich durch Reduzieren der Steigung χ. Falls jedoch die Steigung die gleiche bleiben soll, dann kann die Dauer des zweiten Zeitintervalles nur durch Reduzieren der »Nahverstärkung« G_n beibehalten werden.

In der oben beschriebenen Weise wird die Dauer des zweiten Zeitintervalles auf seinen ursprünglichen Wert reduziert, aber seine Position entlang der Zeitachse wurde verschoben. Denn die Zeitpunkte fi und h werden in dem gleichen Ausmaß nach rechts verlegt Falls sowohl die Position als auch die Dauer des zweiten Zeitintervalles aufrechtzuerhalten sind, was im allgemeinen notwendig sein wird, kann dies nur dadurch bewirkt werden, daß die gesamte Verstärkungskurve auf eine niedrigere Ebene bzw. Höhe gebracht wird.

Die gleichen Probleme treten auf, falls fi und λ zu ändern sind. Bei einer diagnostischen Untersuchung muß die günstigste Verstärkungskurve immer jedem

bo individuellen Fall neu angepaßt werden, so daß alle vier Einstellgrößen (G_n, t, λ und G_c) geändert werden können. Es ist klar zu erkennen, daß die richtige Einstellung dann sehr schwierig sein wird.

Aus der US-Patentschrift 30 33 029 ist ein Echoskop

b5 zur Prüfung von Gegenständen mit Hiife von Ultraschallimpulsen im Α-Modus bekanntgeworden, welches einen Verstärker und einen Verstärkungskompensator besitzt zum Erzeugen eines im wesentlichen konstanten

Echosignals über den ganzen vom Ultraschall im Gegenstand zurückgelegten Bereich. Zu diesem Zweck ist für irgendeinen zu untersuchenden Gegenstand die charakteristische Kurve der empfangenen Signalamplitude als Funktion des vom Ultraschallimpuls durcheilten Weges festgelegt. Darauf wird eine Spannung in Treppenform erzeugt, die nach ihrer Integration an einen Verstärkungsregelkreis angelegt wird. Ausgangsspannungsänderungen, welche eine Funktion der Eindringtiefe sind, werden dadurch eliminiert.

Mit diesem bekannten Echoskop ist es lediglich möglich, die Neigung der Verstärkungskurve in einem bestimmten Zeitintervall zu ändern, und zwar durch Einstellen von neuen Spannungen, welche eine Treppenform angenähert der gewünschten Neigung erzeugen. Diese Neigungsänderung erfordert selbst in einem einzigen Zeitintervall eine abermalige Einstellung mehr als nur eines der Einstellgrößen.

Das Echoskop gemäß der Erfindung weist die Nachteile der vorbeschriebenen Echoskope nicht auf und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerspannungsgeber ausgestattet ist mit

a) zumindest zwei einstellbaren, je einem Intervall-Zeitpunkt (ti, iß zugeordneten Spannungsquellen, deren jede mit einer der Verstellvorrichtungen gekuppelt ist zum Einstellen ihrer Spannung (e, bzw. ej) zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert;

b) zumindest einem Differentialverstärker dessen Eingänge jeweils mit einer der einstellbaren Spannungsquellen verbindbar sind;

c) einem Integrator zum Integrieren der am Ausgang des Differentialverstärkers herrschenden Differenzspannung (ej—e) während des jeweiligen Zeitintervall ('(,bis f,); und

d) Schaltmitteln zum Integrieren der Differenzspannungen (ej— e,) während der aufeinanderfolgenden Zeitintervalle, mit einer der Dauer (tj—t) des jeweiligen Zeitintervalls (ti bis tj) entsprechenden Integrations-Zeitkonstante (RQj, derart, daß die Integratorspannung u ^y gegeben ist durch

u it) =

{RQ

- j\ej -ei

)df

für ti s / < tj,

wobei tj- ti= f ■ (RC)j, so daß u (ti)

und u(tj) = —{■ ej

mit/ = 0,1,2,..,/J-I und j = /+1.

-{■et

Unter Spannungen (e, bzw. ej) der Spannungsquellen sind hier die an die Eingänge des Differentialverstärkers gelegten Spannungen zu verstehen.

Das vorliegende Echoskop unterscheidet sich von dem bereits bekannten Echoskop dadurch, daß unterschiedliche Einstellgrößen gewählt sind. Statt der vier Einstellgrößen, welche oben erwähnt wurden, nämlich G_n, W, κ. und G_n, sieht die vorliegende Erfindung als Einstellgrößen die Verstärkungen zu zumindest zwei unterschiedlichen Zeiten vor. Folglich wird das Einstellen der Verstärkungskurve, die gewünscht wird, flexibler und direkter, d. h. eine breitere Auswahl von Kurvengestalt ist möglich, und die gegenseitige Abhängigkeit der Einstellgrößen wird kleiner als bei dem bereits bekannten Echoskop. Dies führt auch zu einer einfacheren und rascheren Einstellung der gewünschten Verstärkungskurve. Ein Ändern der Verstärkung bei einer der Intervall-Zeitpunkte beeinflußt nur die Verstärkungskurve in nicht mehr als zwei aufeinanderfolgenden Zeitintervallen. Außerhalb dieser Intervalle ^r> bleibt die Verstärkungskurve unverändert. Wenn man die Verstärkung an zwei aufeinanderfolgenden Inter vall-Zeitpunkten ändert, so beeinflußt eines die Verstär kungskurve in nicht mehr als drei aufeinanderfolgenden Zeitintervallen. Bei Änderung der Verstärkung an zwei nicht aufeinanderfolgenden Intervall-Zeitpunkten wird die Verstärkungskurve in nicht mehr als vier Zeitinter vallen variiert.

Nicht nur ist die Verstärkung an den verschiedenen Intervall-Zeitpunkten variabel, sondern auch diese

ι ■> Zeitpunkte selber.

Eine bevorzugte Bauart des Echoskops gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer spannung bei zumindest drei verschiedenen Intervall Zeitpunkten innerhalb zweier Grenzwerte willkürlich einstellbar ist.

Es ist denkbar, daß man für den Steuerspannungsge ber von einem Funktionsgenerator bzw. Funktionsge ber Gebrauch macht, welcher von H. Schmidt in einem Artikel beschrieben ist mit dem Titel »Sequential Analog-Digital-Computer«, Proc. of the fall join computer conference, Las Vegas, Nevada, Nov. 1965, Seiten 915—928. Der Linear-Segment-Funktionsgene rator, welcher anhand der Fig. 9 dieses Artikels umrissen ist, gestattet jedoch nicht das Erzeugen eine Spannung, welche dazu gebracht werden kann, inner halb eines bestimmten Zeitintervalles arbiträr zuzuneh men oder abzunehmen. Auch erlaubt er nicht ein Einstellen der Spannung an den Knickpunkten de erzeugten Funktion.

Ein Funktionsgenerator, welcher es möglich macht die initiale Spannung an den Knickpunkten einzustellen ist beschrieben durch S h i b a t a η i und M a t s u m ο to in »Electronic time diversion function generator« Intern, analogue computation meeting, 3rd meeting Optaija, Sept. 5 - 8,1961, Seiten 629 - 634. Jedoch ist de beschriebene Generator ein X— V-Generator, dessen Ausgangsspannung nicht eine Funktion der Zeit ist, wi es bei dem vorliegenden Steuerspannungsgeber der FaI ist, sondern von einer arbiträrer Eingangsspannung X Ein solcher X— V-Generator würde spezielle Vorkeh rungen erfordern, um den Funktionswert Y direk abhängig von der Zeit statt von Xzu machen.

Daher wird die Verwendung eines Echoskop bevorzugt, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß de Steuerspannungsgeber ausgestattet ist mit

a) η Spannungsquellen, für jeden Intervall-Zeitpunk (t r„)eine,

b) η Differentialverstärkern, von denen jeder mi einer Spannungsquelle verbunden ist,

c) einem gemeinsamen Integrator zum Integrierei der Differenzspannungen (...; e,— er, ...e„—e„-\ der Differentialverstärker während der entspre chenden Zeitintervalle (... /, bis t/, ...; t_n-1 bis t„ und

d) Schaltmitteln zum aufeinanderfolgenden Verbin den der Ausgänge der Differentialverstärker mi dem Eingang des gemeinsamen Integrators wäh rend der entsprechenden Zeitintervalle (...; i,bis t₃ ...; i„_|bisf„).

Eine sehr geeignete und zweckmäßige Ausführungs form des Echoskops gemäß der Erfindung ist dadurcl

gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle ein an einer Quelle konstanter Gleichspannung angeschlossenes Potentiometer mit linear abzulesender Skala, insbesondere ein Gleit- bzw. Schiebepotentiometer ist. Bei dem Gerät gemäß der Erfindung weisen Potentiometer mit linearer Ablesungsskala den besonderen Vorzug auf, daß sie nebeneinander gesehen der Bedienungsperson ein Bild der Verstärkungskurve vermitteln. Folglich kann die Bedienungsperson sofort die an der Verstärkungskurve hervorgerufene Wirkung einer Variation in der Einstellung beobachten, so daß diese Kurve nicht auf einem Schirm dargestellt zu werden braucht, wie es bei anderen bekannten Apparaten üblich ist.

Der Integrator dient als Funktionsgenerator, welcher die Variation der Verstärkung als Funktion der Zeit zwischen den Intervall-Zeitpunkten bestimmt. Im Prinzip kann ein Integrator für jedes Zeitintervall vorhanden sein, vorausgesetzt, daß die Anfangsspannung eines Integrators der Endspannung des Integrators für das vorhergehende Intervall entspricht.

Eine einfachere Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel einen Schrittschalter enthalten, der mit einem gemeinsamen Kontakt und einer Anzahl einzelner Kontakte versehen ist, die nacheinander zu den Intervall-Zeitpunkten (to, t\,.., ti, tj, th .., t„) mit dem gemeinsamen Kontakt verbindbar sind, wobei der gemeinsame Kontakt mit dem Eingang des Integrators und jeder der einzelnen Kontakte mit dem Ausgang eines Differentialverstärkers verbunden ist.

Der Schrittschalter ist vorzugsweise ein elektronischer Schrittschalter. Eine andere Ausführungsform des Echoskops gemäO der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein elektronischer Verstärker ist, an den ein veränderbarer Widerstand für die Einstellung des Verstärkungsfaktors angeschlossen ist, und daß dieser Widerstand mit Einrichtungen für die elektrische Einstellung des Widerstandswertes versehen ist und daß diese Einrichtungen an den Ausgang des Steuerspannungsgebers angeschlossen sind.

Der Widerstand besteht vorzugsweise aus einem elektronischen Widerstand, für welchen sehr zweckmäßig Gebrauch gemacht werden kann von einem Feldeffekttransistor.

Eine geeignete Art eines Verstärkers ist ein Breitband-Videoverstärker mit Differentialeingang und -ausgang.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der Ausführungsform, welche in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Verstärkungskurve eines bereits bekannten Echoskops;

F i g. 2 ist eine graphische Darstellung eines Steuerspannungsgebers für einen Verstärker gemäß der Erfindung;

Fig.3 ist ein Diagramm eines Dreifachverstärkers bzw. eines dreistufigen Verstärkers für ein Gerät gemäß der Erfindung;

F i g. 4 zeigt eine Einzelheit des in F i g. 3 dargestellten Verstärkers, während

F i g. 5 eine Verstärkungskurve veranschaulicht, welche mit dem Gerät gemäß der Erfindung erreicht wurde.

In F i g. 2 beziehen sich die Bezugszeichen 1 bis 5 auf eine Anzahl Schiebepotentiometer, welche an eine Lieferquelle 6 angeschlossen sind, die eine Gleichstromspannung von 6 V liefert. Die Gleitkontakte 7 bis 11 der Schiebe- bzw. Gleitpotentiometer sind mit den Eingängen 12 bis 20 der Differentialverstärker 21 bis 25 verbunden. Die Ausgänge der Differentialverstärker sind mit den Kontakten 26 bis 30 eines schematisch dargestellten Schrittschalters 31 über Widerstände R\ bis Rs verbunden, wobei der besagte Schrittschalter einen zentralen Kontakt 32 aufweist.

Der zentrale Kontakt 32 ist mit einem Integrator 33 mit Kondensator Cverbunden. Der Schrittschalter 31 ist ein elektronischer Schalter, welcher den Integrator 33 nacheinander mit den Kontakten 26 bis 30 während der

ι ο Sende- Empfangs- Periode verbindet.

Der Schalter 31 wird so betätigt, daß er den Integrator 33 mit dem Kontakt 26 während eines ersten Intervalles 0 bis t\ der Sende-Empfangs-Periode verbindet; während eines darauffolgenden zweiten Intervalles ii bis f2 mit dem Kontakt 27; während eines dritten Intervalles (2 bis /3 mit dem Kontakt 28; während eines vierten Intervalles f3 bis U mit dem Kontakt 29 und während eines fünften Intervalles U bis is mit dem Kontakt 30. Am Ende jeder Sende-Empfangs-Periode wird der Schrittschalter 31 in die in F i g. 2 dargestellte Position rückgestellt.

Parallel zum Kondensator Cbefindet sich ein Schalter 34. Die Ausgangsspannung u (t) des Integrators 33 ist mit dem Eingang 35 eines Differentialverstärkers 36 verbunden, wobei an den anderen Eingang 37 davon eine Spannung von + 6 Volt angelegt wird. Die Spannung an dem Ausgang 38 des Differentialverstärkers 36 wird dann sein C(t)=u(t) -6VoIt. Der Ausgang 38 ist mit dem Verstärker verbunden, welcher in Fig.3 schematisch dargestellt ist und aus drei identischen Verstärkerstufen 39,40 und 41 besteht Sie dienen dazu, die Echosignale von einem piezoelektrischen Empfangselement her zu verstärken, welches einen Teil eines Echokardiographen bildet, der in der

Zeichnung nicht dargestellt ist.

Die Echosignale werden den Eingängen 42, 43 zugeführt und kommen verstärkt an den Ausgängen 44, 45 an, welche mit einer Einrichtung (nicht dargestellt) für die visuelle Darstellung des Echogrammes verbun den sind. Die Verstärkerstufen 39 bis 41 sind entsprechend mit Kontakten 46, 47 und 48 versehen, durch weiche die Verstärkung eingestellt werden kann. Die Kontakte 46 bis 48 sind bei 49 mit dem Ausgang 38 des in F i g. 2 dargestellten Steuerspannungsgebers zentral verbunden.

Die drei Verstärker 39 bis 41 sind als eine integrierte Schaltung der Type S 5733 von Signetics Corporation konstruiert und vorgesehen, wie sie in deren »Preliminary Specification« vom August 1969 beschrieben ist. Bei dem Differentialverstärker hierin handelt es sich um einen Breitband-Videoverstärker mit Differentialausgang. Dieser Verstärker kann mit einem externen Widerstand verbunden werden, zum Einstellen der Verstärkung.

F i g. 4 veranschaulicht ferner die mittlere Verstärkerstufe 40. Der eigentliche Verstärker - der Type S 5733 — ist durch das Bezugszeichen 50 angedeutet. Seine Verstärkung kann in dem Bereich von 10 bis 400 variiert werden.

Damit eine Mindestverstärkung von 1 erreicht werden kann, muß eine 1Ofache Dämpfung angewendet werden. Diese Dämpfung wird realisiert mittels eines Bandfilters für jede Verstärkerstufe. Mit diesem ist es auch möglich, das Rauschen einzuschränken. Zu diesem Zweck besitzt der Differentialverstärker 50 an seinem Eingang ein symmetrisches Bandpaß-Filter bzw. symmetrisches Bandfilter, welches aus den Widerständen Rt bis /?9 und den Kondensatoren Q bis C₃ besteht.

Geeignete Werte sind: R₆ =
undC₃=82pF.

Zwischen den Steuereingängen 51 und 52 des Differentialverstärkers 50 befindet sich ein variabler elektronischer Widerstand in Form eines Feldeffekt- ^r> transistors T der Type U 1898 E, Hersteller Amelco Semiconductor, USA. Die Steuerelektrode von Γ ist mit dem Steuereingang 47 durch einen Widerstand Rw verbunden, mit einem Wert von 13 ΙίΩ. Diese Verbindung resultiert in einem Verstärkungsbereich von 1- bis ι ο 21,5mal pro Stufe.

Das oben umrissene Echoskop ist wie folgt wirksam: Die Gleitpotentiometer 1 bis 5 werden gemäß der gewünschten Verstärkungskurve eingestellt. Zusammen mit der Lieferquelle 6 konstanter Gleichstromspannung bilden sie jeweils eine Spannungsquelle, wobei die entsprechenden Spannungen durch ei, ei, e^, e₄ und es angedeutet sind. Folglich sind die Ausgangsspannungen der Differentialverstärker 21 bis 25 entsprechend ei, ft—ei.ej—ej, e₄—e3unde₅—e₄.

Der Kondensator C und die Widerstände R] bis Rs sind so gewählt, daß

R\C = f,

A₂C = t₂—t\

910 Ω; Ci = C₂= 15OpF so daß u(h) = e₃, mit R₃C = <₃- J₂= 25 jisec;

R₄C = U-1₃ RsC = fe- U

Anfänglich befindet sich der Schrittschalter 31 in der in Fig. 2 dargestellten Position; und der Schalter 34 ist geschlossen, so daß die Ausgangsspannung des Integrators Null ist.

Am Beginn der Sende-Empfangs-Periode (t=0) ist der Schalter 34 geöffnet, und der Stufenschalter 31 wird den zentralen Kontakt 32 mit dem Kontakt 26 verbinden. Als Folge wird der Integrator 33 in Tätigkeit gesetzt für ein erstes Zeitintervall 0 bis ii von 12,5 μββο.

Somit ist die Ausgangsspannung u (t)des Integrators:

M(O =

K₁ C

40

e,df Tür 0 ^ / ^ r,

so daß υ (U) = - ei, wobei Λ, C= fi = 12,5 μ5εα

Zur Zeit f= U = 12,5 μβεο verbindet der Schrittschal- 4^r> ter 31 den Integrator 33 mit dem Kontakt 27. Die Variation in der Ausgangsspannung des Integrators in dem Intervall t\ bis J₂ (ti=25\isec) ist dann gegeben durch

-1

R₂T

f.

Tür

so daß u (t₂) = ei, wobei R₂C= /₂ - fι = 12,5 \isec.

Ebenso wird der Integrator 33 über die Kontakte 28, v, 29 und 30 mit den Differentialverstärkern 23,24 und 25 zu den Zeiten h = 50 \i.sec, U = 100 \lsqc und k = 200 μβεο verbunden.

Für die folg8nden Zeitintervalle t₂ bis 6, h bis U und U bis is kann man schreiben: mi

u(0 = -ITT=T

-C₂ für

u(t) =

R₄C

(i?4-e₃)dt-t'3 fürij^f ^f₄,

so daß u (U) = <?4, wobei R₄C = i₄ — i₃ = 50 μβεο; und u(t) = γ-^ J (e_s - e₄) di - e₄ Für J₄^ t g f_s.

so daß u (ts) = e₅, wobei RsC= f₅ - U = 100

Für jedes der fünf Zeitintervalle ergibt sich die entsprechende Steuerspannung aus

C(t)= u(t)- 6 Volt.

Die Steuerspannung C(t) wird an die Steuereingäng8 46 bis 48 d8r V8rstärker 39 bis 41 über den Kontakt 49 (siehe Fig.3) angetegt. Da di8 Spannung u(t) des Int8grators 33 sich zwischen 0 und 6 Volt bewegen kann, variiert die Steuerspannung C(t) zwischen C_m,„.=6V und C_max. = 0V. Innerhalb eines großen Teiles dieses letztgenannten Bereiches ist die Verstärkung (in dB) praktisch direkt proportional zu der Steuerspannung.

F i g. 5 zeigt eine Verstärkungskurve, welche mit den Einstellungen erreicht wurde, die in F i g. 2 für die Schiebe-Potentiometer 1 bis 5 dargestellt sind. Auf der Abszisse sind die Zeitablesungen dargestellt (Zeitwerte), wobei f=0 den Beginn einer Sende-Empfangs-P8riode angibt. F i g. 5 zeigt, daß die Position der Schiebepotentiometer sozusagen den Verlauf der Verstärkung G in dB veranschaulicht. Obgleich in F i g. 5 die Verstärkungen zu alten fünf Intervall-Zeitpunkt8n zwischen der gleichen Minimum- (OdB) und Maximumverstärkung (8OdB) eingestellt werden, ist dies nicht unbedingt erforderlich. Es ist auch denkbar, daß die V8rstärkung be\ jedem Intervall-Zeitpunkt zwischen einem entsprechenden Minimum- und Maximumwert eingestellt werden kann.

Es ist deutlich zu erkennen, daß mit dem oben beschriebenen Echoskop nicht nur eine Verstärkungskurve mit einer positiven Steigung λ realisiert werden kann, sondern auch εΐηε Kurv8, wob8i ein oder m8hr8re Teile davon eine negative Steilheit aufweisen.

Mit der in F i g. 4 dargestellten Schaltung kann eine extrem rasche Änderung in der Verstärkung b8wirkt werden. Somit ist es mit einer geeigneten Steuerspannung möglich, daß die Gesamtverstärkung des dreistufigen Verstärkers, der in den F i g. 3 und 4 dargestellt ist, von der minimalen (Ix) Verstärkung zur maximalen 10 000 (21.5³) Verstärkung, d.h. von 0 bis 8OdB, innerhalb 5 μββϋ geändert wird.

Infolge dieser hohen Geschwindigkeit, welche mit Hilfe eines variablen elektronischen Widerstandes, wie beispielsweise ein Feldeffekttransistor, realisiert werden kann, ist es möglich, die Erfindung auch für sehr kurze Sende-Empfangs-Perioden zu verwenden. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn der Ultraschall sich nur über eine sehr kurze Distanz erstreckt, wie es bei Ultraschall-Untersuchung des Auges der Fall ist.

Hierzu 2 Bhilt Zcichniiimeii

Claims

Patentansprüche:

1. Echoskop zur Prüfung von Gegenständen mit Hilfe von Ultraschallimpulsen, insbesondere für diagnostische Zwecke, bestehend aus zumindest einem elektro-akustischen Element zum Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen während einer Sende-Empfangs-Periode, einem Verstärker mit zeitabhängiger Verstärkung zum Verstärken der to vom Empfangselement gelieferten Echosignale in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Laufzeit, einem Steuerspannungsgeber, der dem Verstärker eine Steuerspannung liefert zur Bestimmung des Signalverstärkungsfaktors als Funktion der Zeit, Verstellvorrichtungen für den Steuerspannungsgeber, mit welchen die Größe der Steuerspannung als Funktion der Zeit in aufeinanderfolgende Zeitintervalle (i₀ bis fi; ...; t,- bis tß tj bis te ...; f„-i bis i„) der Sende-Empfangs-Periode veränderbar ist, welche Intervalle durch die Intervall-Zeitpunkte C₀, U,... ti, tj, i/t,..., in begrenzt sind, und einer Vorrichtung zur sichtbaren Anzeige der während jeder Sende-Empfangs-Periode empfangenen Echosignale, d a durch gekennzeichnet, daß der Steuerspannungsgeber ausgestattet ist mit