DE2506506B2 - Anordnung für Untersuchungen eines in einer Analyseebene liegenden Körperquerschnitts mittels Ultraschall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Die französische Patentschrift Nr. 14 97 496 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung für Untersuchungen an Reflektionsflächen mittels Ultraschallschwingungen, welche Flächen stark verschiedene Krümmungen aufweisen, z. B. Oberflächen lebender Gewebe; insbesondere eignet sich diese Anordnung für die Topographieuntersuchungen von Organen, die sich im Inneren des menschlichen,Körpers befinden, um auf diese Weise eine Diagnose zu stellen. Die erwähnte Patentschrift beschreibt ein Verfahren, nach dem eine Sendeanordnung Ultraschallwellen nach dem zu untersuchenden Organ aussendet und ein Teil der reflektierten Wellen in einer Empfangsanordnung aufgefangen wird; die Sendeanordnung enthält eine Reihe ungefähr punktförmiger Sender, die nacheinander Impulse aussenden, die einen schmalen Strahl bilden, welche Strahlen zusammen einen nahezu flachen Sendebereich bilden. Die Empfangsanordnung enthält eine Reihe ungefähr punktförmiger Empfänger, die einen ungefähr flachen Empfangsbereich bilden, der den Sendebereich schneidet. Einige Empfänger empfangen die Ultraschallwellen, die im Empfangsbereich und auf der Schnittlinie des Sendebereichs reflektiert werden, und der Empfangsbereich kann in der Ebene des betreffenden Durchschnitts des zu untersuchenden Organs verschoben werden. Die Positionen der verschiedenen Echo punkte werden einerseits aus den Koordinaten der Sender und Empfänger, die zur Bildung eines Echosignals beitragen, und andererseits aus der Laufzeit der Ultraschallwelle zwischen Sender und Empfänger ermittelt Bei dieser Anordnung erfolgt die Abtastung mechanisch.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Vorteile der bekannten Anordnung ohne mechanische Abtastung zu erreichen.

is Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Maßnahmen gelöst

An dieser Stelle sei erwähnt daß außer der eingangs genannten eine Anzahl weiterer Anordnungen zur Ultraschalluntersuchung bekannt war. So ist in der US-PS 36 93 415 sowie in der DE-OS 19 48 463 jeweils eine Ultraschalluntersuchungsanordnung beschrieben mit einer Reihe von Wandlerelementen. Sie haben deher weniger mit der Erfindung gemein als die

Anordnung nach der FR-PS 14 97 496,.

In der DE-OS 22 15 001 ist eine Vorrichtung zur Herzuntersuchung mittels Ultraschallwellen beschrieben, bei der die Ultraschallsender zugleich als Empfänger dienen und in einer Reihe in einem Halter aufgenommen sind, Die Sender werden nacheinander zyklisch erregt Eine gruppenweise Anordnung der

Empfänger und die Zusammenfassung dieser Gruppe zu

einem Empfangselement sind darin nicht beschrieben.

Das gleiche gilt für die DE-OS 15 66 128, in deren Anspruch 4 angegeben ist, daß die Schallgeber

nacheinander betätigt werden können. Über die aufeinanderfolgende Erregung von Empfängern ist keine Aussage gemacht

In der DE-OS 22 60 257 ist eine Ultraschallwandler-

anordnung beschrieben, die nur einen einzigen Ultraschallempfänger 12 aufweist. In der DE-OS 20 23 929 ist schließlich ein piezoelektrischer Ultraschallwandler beschrieben, bei dem ein Ultraschallsender von acht Ultraschaüempfängern umgeben ist. Es ist nicht vorgesehen, ob und wie diese Empfangselemente miteinander verbunden sind.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 die Grundanordnung der Sender und der

Empfangsstruktur nach der Erfindung,

Fig.2 schematisch die praktische Anordnung der Elemente nach F i g. 1 sowie ein Ausführungsbeispiel der damit zusammenarbeitenden Schaltungen, und F i g. 3 eine Abwandlung der Anordnung nach F i g. 2.

In einer mit der Zeichenebene der F i g. 1 zusammenfallenden Ebene P befinden sich η Ultraschall-Sender e 1 bis en. Jeder dieser Sender ist derart angeordnet, daß seine Senderichtung in der P-Ebene liegt, was bedeutet, daß sich der vom Sender ausgesandte (im allgemeinen fächerförmige) Strahl in dieser Ebene in verschiedenen Richtungen fortpflanzt und daß insbesondere die Achse dieses Strahls in der P-Ebene liegt.

F i g. 1 zeigt ebenfalls teilweise die Empfangsstruktur, die mit den η Sendern zusammenarbeitet. Diese Struktur enthält eine Anzahl Anschlüsse f, von denen nur vier fl, ti, f3 und i4 dargestellt sind. Jeder Anschluß ist mit einem Empfangselement verbunden: jedes Empfangselement gehört zu einer Gruppe von

Empfangselementen, die in einer senkrecht auf der P-Ebene und auf der Reihe von Sendern stehenden F-Ebene liegen. Es gibt m Gruppen (m>n) und somit auch P-Ebenen, von denen in Fig.; vier dargestellt sind (FX, FXX, FXXX, P⁷IV), in denen sich die Gruppen mit den Empfangselementen befinden, die mit den oben erwähnten Anschlüssen 11... 14 verbunden sind. Jedes Empfangselement liegt gleichfalls in einer /"'-Ebene, die senkrecht auf den P- und P'-Ebenen steht; die dargestellten Empfangselemente befinden sich in nur zwei P"-Ebenen: die mit den Anschlüssen il und <4 verbundenen Empfangselemente liegen in der F'e- Ebene, die auch die Reihe von Sendern enthält, und die mit den Anschlüssen f 2 und /3 verbundenen Empfangselemente liegen in der F'g-Ebene.

Aus der F i g. 1 ist ersichtlich, daß jedes Empfangselement faktisch zwei Empfänger enthält, die zur P-Ebene symmetrisch liegen. So bilden z. B. die Empfänger r\A und r\B das mit dem Anschluß ti verbundene Empfangselement, usw. Der Vorteil der dargestellten Struktur wird weiter unten erläutert

Auf der Schnittlinie der P-Ebene und der P7//-Ebene ist eine Trennebene ss der Struktur eines Körpers angegeben, von dem ein in der P-Ebene liegender Querschnitt untersucht werden muß. Wenn in einem bestimmten Augenblick Γ der Sender e2 erregt wird und dadurch ein impulsförmiger Ultraschallstrahl fe ausgesandt wird, pflanzt sich dieser Strahl in der angegebenen Richtung in der Analyseebene P fort. Der Strahl fe erreicht die Ebene ss und löst damit ein Echosignal aus, das in der P'III-Ebene in einer Richtung zurückgestrahlt wird, die mit der Schnittlinie der P- und P'IH-Ebenen einen Winkel bildet, dessen Wert und Richtung vom Neigungswinkel der Trennebene ss abhängig sind. Zwei mögliche Echostrahlen fa 1 und fa 2 sind in F i g. 1 dargestellt. Daraus ergibt sich der Vorteil der Anorndung zweier Empfänger, die zur P-Ebene symmetrisch und mit einem einzigen Anschluß verbunden sind; bei einem gegebenen Neigungswinkel der Ebene ss wird richtungsunabhängig von der Orientierung der Ebene ss gegen die P-Ebene ein Echosignal aufgefangen.

Wenn nun angenommen sei, daß

c die Schallgeschwindigkeit im Medium zwischen e2

und ss, χ der Abstand zwischen dem Sender e 2 und der

p'HI-Ebene,
y der Abstand zwischen den mit dem Anschluß 13 verbundenen Empfängern r3A bzw. r3B einerseits

und der P-Ebene andererseits, und
ζ der Abstand zwischen der P'£-Ebene und der P"e-Ebene ist,

dieses Mosaik M also m Spalten (ei, c2, ...cm) und (2/·+ 1) Zeilen, nämlich die Senderreihe Ie und 2r Empfänger 1IA, 12A...IrA und iiBJ2B...IrB, die in bezug auf die Senderreihe symmetrisch verteilt sind Im dargestellten Beispiel ist die Anzahl der Sender π gleich der Anzahl von Spalten m und jede Spalte enthält und einen einzigen Sender. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen möglich.

Die Empfänger jeder Spalte sind mit r Anschlüssen

ίο t i, /2... tr verbunden, wobei jeder Anschluß mit zwei Empfängern verbunden ist, die in bezug auf den Sender dieser Spalte symmetrisch liegen. Diese zwei Empfänger [z.B. riA(\) und rlÄ(l)] bilden zusammen ein Empfangselement, so daß das Mosaik r ■ m Empfangselemente enthält, die je durch eine Spaltennummer (von I bis m) und durch eine Zeilennummer (von 1 bis r) gekennzeichnet sind.

In Fig.2 ist gleichfalls eine Steuereinheit B dargestellt Sie liefert folgende Impulse und Signale:

20

— Synchronimpulse s, durch die ein Generator G mit Zeitintervallen T Ultraschallimpulsfolgen iu aussendet;

— ein Signal ae (Senderadresse), durch das eine Auswahlschaltung DA hintereinander die Sender

e 1... ein auswählt, um auf jeden dieser Sender r Ultraschallimpulse zu übertragen (nämlich eine Impulszahl gleich der Anzahl von Anschlüssen pro Spalte oder gleich der Anzahl von Doppelzeilen des jo Mosaiks);

— ein Signal al (Zeilenadresse), durch das den m Spalten zugeordnete Auswahlschaltungen MA 1 bis MAm im Zeitintervall T das dem Zuführen eines Ultraschallimpulses an einen Sender folgt, auf einer einzigen Zeile liegende Empfangselemente, beispielsweise die Zeile d des Mosaiks, erregen; jeder Sender empfängt also hintereinander r Ultraschallimpulse, wobei die jeweils mit einem der Anschlüsse 11 bis fr (im Beispiel der Anschluß td) verbundenen Empfangselemente erregt sind;

— ein Signal ac (Spaltenadresse), durch das eine ultraschnelle Auswahlschaltung DU, die mit den Ausgängen der analogen Auswahlschaltungen MA 1 bis AfAm gekoppelt ist, in jedem der STeilintervalle T/S, in die das Zeitintervall Γ geteilt werden kann, das einem Ultraschallimpuls mit der Rangordnung d folgt, der einem Sender mit der Rangordnung e zugeführt wird, hintereinander die Empfangselemente erregt, die im Mosaik in der Zeile d und in q

so Spalten liegen, die sich an beiden Seiten der den Sender mit der Ranganordnung e enthaltenden Spalte befinden.

und wenn angenommen sei, daß im Augenblick T + t ein Echosignal am Anschluß 13 erscheint, so kann durch Dreiecksberechnung der Abstand A zwischen der Ebene ss und der Linie der P-Ebene, die die Reihe von Sendern enthält, ermittelt werden:

h = f(ct,x.y.z)

(D

Faktisch und auch gemäß F i g. 2 wird die Empfangsstruktur vorzugsweise und nach der einfachsten Lösung durch ein flacljes Mosaik M gebildet, das in der die Reihe von Sendern enthaltenden P"e-Ebene liegt. In *>5 diesem Falle enthält die Formel (1) keine von ζ abhängigen Terme. In der Fig. 2, deren Zeichenebene mit der P"e-Ebene der Fig. 1 zusammenfällt, enthält Der oben beschriebene Vorgang ist in der Tabelle schematisch wiedergegeben. Mit Hilfe der in F i g. 2 nicht dargestellten Zähler I, Il und III kann die zu wiederholende Anzahl der verschiedenen Teilprogramme kontrolliert werden.

Die Synchronimpulse s und die Signale ae, al, ac werden auf eine Recheneinheit C übertragen, die einer nicht dargestellten Kathodenstrahlröhre Signale für die Abtastung des Schirmes dieser Röhre in X- und K-Richtung zuführt. Die Abtastung in der X-Richtung erfolgt mit einer Periode T/S und die Abweichung Λ in der K-Richtung entspricht dem Ausdruck:

V(C²I²-x²)'²)²-2 el

Hierin ist

Ausdruck

c die Schallgeschwindigkeit im betreffenden Medium, t die Zeitspanne nach dem Aussenden des letzten synchronisierten Impulses iu,

χ der Abstand zwischen dem von diesem /u-Impuls gesteuerten Sender einerseits und der das erregte

Empfangselement enthaltenden Spalte andererseits, y der Abstand zwischend er Reihe von Sendern und der das erregte Empfangselement enthaltenden Reihe;

Die von der ultraschnellen Auswahlschaltung DU ausgewählten Signale gelangen an die Steuerelektrode W der Kathodenstrahlröhre, welche Elektrode normalerweise den Elektronenstrahl in der Röhre sperrt und ihn freigibt, wenn dieser Elektrode Signale zugeführt werden, die den Empfang eines Echosignals an der Stelle des erregten Empfangselements bedeuten.

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß das in der Kathodenstrahlröhre vom Elektronenstrahl aufgebaute Bild für jeden Sender aus r Gruppen zu je S parallelen, in ^-Richtung verlaufenden Linien besteht. Die Bildbreite gibt den Abstand zwischen den beiden Enden der q erregten Spalten wieder. Jede Linie wird während einer Erregungsreihe der q Spalten abgetastet.

Die S Linien einer Gruppe werden zwischen zwei ausgesandten Impulsen iu, also während des Intervalls T, abgetastet Jede folgende Linie gibt als Echosignale aus einer größeren Tiefe als die vorherige wieder, indem seit dem Aussenden des ersten der erwähnten Impulse iu eine längere Zeit vergangen ist; eine Tiefe Null (die erste Linie) entspricht einem Echo der P"e-Ebene, die die Reihe von Sendern enthält Der Wert /-(Anzahl von Doppeizeiien) bestimmt die Grenzen, zwischen denen sich die Neigung der Trennebenen befindet, die den js Empfang eines Echosignals verursachen. Der Fortschritt in ^-Richtung der Fig. 1, der durch das aufeinanderfolgende Auswählen der Sender e 1... em verursacht wird, führt zum vollständigen Abtasten eines Bildes, das jenem Teil der P-Ebene entspricht, in dem der untersuchte Durchschnitt des zu untersuchenden Körper liegt Es leuchtet ein, daß das Bild aus LinienstOcken aufgebaut ist die mit je einem kleinen Teil einer Berührungslinie an dem Oberflächenteil entsprechen, der das Echosignal auslöste.

In Fig.3 ist schematisch eine Abwandlung dargestellt von der zunächst das Prinzip erläutert wird. Diese Abwandlung vereinfacht die Signalwirkung, denn dadurch ist die Möglichkeit gegeben, entweder nur eine Abtastung für die Empfänger der verschiedenen Zellen durchzuführen, oder die Empfängersignale, für die * den gleichen Wert, y jedoch verschiedene Werte hat gleichzeitig zu verarbeiten. Dies erfordert die Bestimmung einer Funktion A t, (t, x, y), die derart ist daß

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h(t-At, x,y) = h(t,x,yo)

(2)

so daß durch die Verzögerung des Signals um einen Betrag Atdas Signal betrachtet werden kann, als käme es aus der Reihe yo. In diesem Falle beantwortet die Abtastung des Schirmes der Kathodenstrahlröhre dem Λ= f(c,t,x,yo)

und die Echosignale aller Zeilen werden gleichzeiti) sichtbar.

Obige Gleichung (2) ist nicht beliebig verwirklichbai jedoch gibt es die Möglichkeit, eine zlf-Funktion zi finden, mit der die Gleichheit auf eine ausreichend! Weise angenähert und das Auflösungsvermögen voi Ultraschallsystemen berücksichtigt wird.

Nach den Ergebnissen eines Rechenbeispiels könnet für yo und At folgende Werte ausgewählt werden:

0,

F i g. 3 enthält einige Schaltungen entsprechenc Schaltungen in F i g. 2 und mit den gleichen Bezugsanga ben, die Steuereinheit B, die Recheneinheit C die ultraschnelle Auswahlschaltung DU, den Ultraschallgenerator G und die Auswahlschaltung DA.

Beim Ausgang des Mosaiks M sind die Anschlüsse f 11 bis fr/n mit einer Ganzheit von (m χ ή Phasenver Schieberegistern RD verbunden, d. h. mit einem Registei für jedes Empfangselement. Die Phasenverschiebungs register werden von einem Phasenverschiebungssigna cd gesteuert, das von einer Recheneinheit C geliefer wird. Die aus einer Spalte herrührenden Empfangssi gnale erscheinen gleichzeitig am Ausgang der Phasen Verschiebungsregister, die den Empfangselementer dieser Spalte zugeordnet sind. Die Ausgänge diesel Register sind mit den Eingängen der Summenerzeu gungsanordnung ADi für die Spalte 1, AD2 für die Spalte 2, ... ADm für die Spalte m verbunden. Die Auswahl der unterschiedlichen Spalten erfolgt au gleiche Weise wie in F i g. 2 mit Hilfe der Auswahlschal tungöt/.

Dies bedeutet in der Tabelle, daß nach den· Aussenden eines einzigen Impulses iu vom ausgewähl ten Sender Erregungsreihen von je q Spalten auftreter (vom Zähler I geprüft; ungeändert), was jedoch nach dem gleichzeitigen Erregen aller Reihen von Spalter geschieht so daß das Zählen der Anzahl vor Doppelzeilen (Zähler 11) entfällt

Unter Berücksichtigung gewisser Einschränkunger (Bildzahl pro Sekunde am Schirm der Kathodenstrahlröhre, Abtastzeit für die Auswahlschaltung DL· Sondierungstiefe usw.) kann die Erfindung beispielswei se als ein Mosaik mit 24 Sendern, 24 Spalten und <■ Doppelzeilen ausgeführt werden. Die Anzahl vor ausgewählten Spalten q beträgt z. B. 15, also 7 Spalter an beiden Seiten der den gesteuerten Sender enthalten den Spalte.

— Maximale Empfangszeit nach jeder Sendung: 200 μ: mit einer Totzeit von 300 μβ zur Vermeidung parasitäter durch mehrfache Reflektionen verur sachter Echosignale.

— Aufbauzeit für ein vollständiges Bild: 48 ms (alsc etwas mehr als 20 Bilder pro Sekunde).

Für die beiden "beschriebenen Ausführungsformel wurde als die Anzahl von Erregungsreihen S der Wer 200 und als Dauer jeder Reihe 1 \is gewählt

Tabelle I

START

Zähler auf 1 Stellen

Sender auswählen (Signal ae, Schaltung DA )

Doppeizeiie von Empfangern erregen (Signal al, Schaltungen MA1... MAm)

/iv-Impuls aussenden

nacheinander Signale von q Spalten auswählen (Signal ae, Schaltung DU)

Steht der Zähler I auf Sl

Steht der Zähler II auf r?

Steht der Zähler III auf n?

Zähler I
+ 1

Zähler Il + 1

nein

Zähler III +

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung für Untersuchungen eines in einer Analyseebene P liegenden Körperquerschnitts mittels Ultraschallschwingungen, mit einer Anzahl von Sendern, deren Senderichtung in der P-Ebene liegt und die auf einer in der /"-Ebene liegenden Unie angeordnet sind, und mit einer Anzahl richtungsabhängiger Empfänger, die derart angeordnet sind, daß sie durch Spiegelreflektion an Trennebenen im untersuchten Körper gebildete Echosignale auffangen können, wobei die Empfangsrichtungen der Empfänger in mindestens einer /"-Ebene liegen, die senkrecht auf der Linie von Sendern steht, wobei Mittel zum Erregen jeweils eines Senders mit einem Ultraschall-SendeerregunEsimpuls vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger (r\A, riBX...) gruppenweise mit gemeinsamen Anschlüssen (ti,...) verbunden sind, derart, daß alle mit einem einzigen gemeinsamen Anschluß verbundenen Empfänger zusammen ein Empfangselement bilden, das sich längs einer senkrecht auf der P-Ebene stehenden Linie erstreckt, daß es mehrere P-Ebenen gibt, die je mindestens ein Empfangselement enthalten und daß Schaltmittel zum aufeinanderfolgenden Anschalten bestimmter Empfänger in dem jedem Sendeerregungsimpuls folgenden Zeitintervall vorgesehen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger ein flaches Mosaik bilden, das in einer die Senderreihe enthaltenden P"-Ebene liegt

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das flache Mosaik eine Rechteckform aufweist und eine gerade Anzahl von Empfängerreihen enthält, die je zwei und zwei in bezug auf die Reihe der Sender symmetrisch sind, während jedes Empfangselement zwei Empfänger enthält, die auf den beiden Reihen eines derartigen symmetrischen Reihenpaares liegea