DE2508478A1 - Verfahren und anordnung zur ultraschalluntersuchung - Google Patents

Description

PIIP. 7^518. ¹ "''" WIJN/EVH.

H. V. F? .■:·,:■ CM--\rvr*-SrhmVsü 19.2.1975.

,· PHF-74.518
«.-na 24. Febr. 1975

"Verfahren und Anordnung zur Ultraschalluntersuchung¹¹

Die Erfindung· bezieht sich auf* ein Verfahren zur Ultraschalluntersuchung eines Schnittes durch einen Körper, wobei ein Messkopf mit mindestens einer Reihe Ultrasehall-Sende-Einpfangswandler verwendet wird, welche Reihe bei Erregung der Wandler mit Sendeimpulsen einen. Ultraschallstrahl sendet, der mit der Normalen auf der Reihe einen Uiiilcel einschliesst, der von den Phasenunterschieden zwischen den Impulsen, mit denen die jeweiligen Wandler der Reihe erregt werden, abhängig ist, sowie auf eine Ajiordnung zum Durchführen dieses Verfahrens. Insbesondere 15sst sich die Erfindung anwenden bei einem Ultraschalltomographieapparafc, der das Hessresultat

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gegebenenfalls gleichzeitig zur Verfügung stellt.

Es ist bekannt, dass ein orientierbarer Ultraschallstrahl durch eine Reihe von Sendern ausgestrahlt werden kann, die beispielsweise durch piezoelektrische Streifen gebildet werden, die praktisch aneinander grenzen. Damit der Strahl die gewünschte Orientation erhält, wird auf die relative Phasenverschiebung der elektrischen Signale, mit denen jeder Sendewandler erregt wird, ein bestimmter Einfluss ausgeübt. Dies ist beispielsweise in dem Artikel von J.C, Somer: "Electronic Sector Scanning for Ultrasonic Diagnosis" in der Zeitschrift "ULTRASONICS", Heft 6, Seiten 153 bis 159, (Juli I968) und ebenfalls im Artikel desselben Autors und mit dem Titel "Instantaneous and Continuous Pictures Obtained by a New Two-Dimensional scan Technique with a Stationary Transducer" in der Zeitschrift "PROCEEDINGS IN ECHO-ENCEPHALOGRAPHY" infolge des "Symposxtim International d¹ echo-Enoe'phalograph.ieV , das in Erlangen (Bundesrepublik Deutschland) am 14. und 15. April 1967 gehalten wurde, beschrieben.

Die Erfindung bezweckt, eine Verbesserung des genannten Verfahrens zu schaffen, wodurch es möglich wird, Echosignale unterschiedlicher Herkunft wiederzugeben und im allgemeinen gewisse Beschränkungen in bezug auf den Empfang zu beseitigen.

Das erfindungsgemässe Verfahren weist dazu.das

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Kennzeichen auf, dass' der Messkopf mehrere nahezu fluchtende Reihen Sende-Empfangswandler enthält, von denen Jeweils einer eine Anzahl Male nacheinander erregt wird, so dass er jeweils in einer anderen Richtung einen Ultraschallstrahl - sendet , während nach jeder dieser Erregungen nacheinander eine Anzahl als Empfänger geschalteter Wandler gruppenweise selektiert werden und zwar ausgehend von der Reihe, die als Sender wirksam war und fortschreitend längs des Messkopfes in einer Richtung, die von der Richtung des ausgesendeten Strahles gegenüber der Normalen auf der" Reihe abhängt und mit einer Geschwindigkeit, die u.a. von der Grosse des Winkels zwischen diesem Strahl und dieser Normalen abhängig ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Pig. 1 eine sehr schematische Darstellung, der Fortpflanzung der Ultraschallstrahlen in einem erfindungsgemässen Apparat und nach einem erfindungsgemässen Verfahren,

Fig. 2 den Schaltplan des erfindungsgemässen Untersuchimgsapparates.

In Fig. 1 sind drei Sendestellon E₁, E.,En dargestellt, die einen Toil von η Sendestellen bilden, die über eine Sonde-/Einpfangslinio LKR, die einen Teil

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eines nicht dargestellten Messkopfes bildet, verteilt sind. Jede der η Stellen stellt die Mitte einer Reihe von m Ultraschal1-Sende-Empfangswandler dar, die sich in Richtung der Linie LER erstreckt. Der Messkopf enthält also η Reihen zu je m Wandlern. Die Linie LER, die diese Stellen verbindet, bildet die Begrenzung eines Analysenfeldes, in dem sich der durch die Kurve C dargestellte Schnitt durch einen zu analysierenden Körper befindet. Das erfindungsgemässe Verfahren umfasst, wie bereits obenstehend erwähnt, die nachfolgenden Stadien:

1) das nacheinander Erregen der Sendestellen ausgehend von der Stelle E₁ bis einschliesslich die Stelle E , damit auf diese Weise in jeder der genannten Sendestellen Ultraschallstrahlen entsprechend verschiedenen Senderichtungen ausgestrahlt werden; das Analysefeld wird dabei durch die Strahlen in verschiedenen Richtungen durchkreuzt, wie in der Figur angegeben; jeder Strahl in einer bestimmten Richtung wird in Form einer Reihe Ultraschallimpulse ausgesendet.

2) das für jede auf diese Weise ausgestrahlte Ultraschallimpulsreihe nacheinander Selektieren der (als Empfänger geschalteten) Wandler der Reihen, die gegenüber der betreffenden Sendestelle denjenigen Teil des Analysefeldes begrenzen, in dem die gerade Linio liegt, die die betreffende Sendericlitung darstellt« So werden

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beispielsweise für die Senderichtung, die durch die gerade Linie f.. dargestellt wird, nacheinander die Empfänger bei den Sendestellen E₁ ... E selektiert, während für die durch die gerade Linie f. dargestellte Senderichtung, diese Wahl entsprechend E. ... E₁ erfolgt.

Bei Betrachtung der Fig. 1 ist ersichtlich, dass die geraden Linien f- und f. an der Stelle, wo sie . einander schneiden, einer Treiinf lache SS begegnen, die einen Teil des zu untersuchenden Körpers bildet, der durch die Kurve C dargestellt wird. Diese Trennfläche verursacht die Bildung zurückgeworfener Ultraschallstrahlen, zu denen u.a. auch ein Strahl gehört, der durch die gerade Linie f im Falle einer Ausstrahlung von der Stelle E₁ und auch im Falle einer Ausstrahlung von der Stelle E. dargestellt wird. Um ¥ahrzunehmen, dass ein Echosignal durch Reflexion an einer Trennf l'Iche, wie der Fläche SS, gebildet ist, welches Echosignal entsprechend einer Senkrechten auf die Sende-/Ernpfangslinie LER gerichtet ist, wie das Echosignal f , kann man die dxirch diese Senkrechte geschnittenen, als Empfänger geschalteten viand 1 or selektieren und die von diesen Wandlern gelieferten elektrischen Signale ohne Phasenverschiebung addieren und dies im Zeitpunkt t, der durch die Formel χ - ν t cos OO/l + Bin^) bestimmt wird, in dert

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- x der Abstand zwischen den selektierten Wandlern und der Sendestelle des Strahles ist, der das Echosignal verursacht hat,

- ν die Geschwindigkeit der Ultraschallschwingungen im betreffenden Mittel ist,

- cfcdas Komplement des Winkels zwischen dem ausgesendeten Strahl und der Senkrechten auf der Reihe von Wandlern ist, die als Sender dienen; im wesentlichen ist 0& also der Winkel, den der ausgesendete Strahl mit der Sende~/Empfangslinie LER einschliesst.

Wenn auf diese Weise nach jedem Sendeimpuls nacheinander Reihen von Empfangswandlern mit einer

Geschwindigkeit -? - ·= ~—~ selektiert werden, werden

^ü ti + sxii<£ *

die Echosignale empfangen werden, die an jeder beliebigen Trennfläche gebildet sind, die dort liegt, wo der Sendestrahl die Senkrechten auf jeder der Reihen von Wandlern schneidet. ■

Fig. 2 zeigt den Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgenicissen Anordnung. In Fig. 2 sind vier der η Reihen von Wandlern dargestellt und zwar die Reihen ER₁, ER₂ ...ER_n-1, ER_nj der erste und der letzte der m Wandler in jeder Reihe sind dargestellt. Fig. 2 zeigt ebenfalls einen Elektronenstrahlröhre TC zum Wiedergeben der detoktierten Treimflachen in der Ebene des Analysefeldes; von dieser Rc5hre cind die Wehnelt-Blektrode W

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und die Ablenksysteme' in den X- und den Y-Richtungen dargestellt.

Weiter enthält die Anordnung:

- einen Synchronimpulsgeber (Taktimpulsgeber) H, der am Anfang jeder Abtastung einen Impuls liefert,

- eine Steueranordnung B, die vom Taktimpulsgeber H synchronisiert wird. Das Programm der Steueranordnung umfasst η Stadien entsprechend der Anzahl Reihen von Wandlern (es sei darauf hingewiesen, dass diese Reihen nacheinander selektiert werden), jede Reihe ist durch eine Adresse ad gekennzeichnet, die von der Steueranordnung B erzeugt wird. Diese letztere liefert also nacheinander die Adressen der Reihen ER., bis einschliesslich ER , Jeder Abschnitt des Programms enthält eine Abtastzahl, die abhängig von der Adresse der gewählten Reihe, ändert; bei Betrachtung der Fig. 1, die das Prinzip des erfindungsgemässen Verfahrens darstellt, ist es ersichtlich, dass es nützlich sein kann, für beispielsweise die Sendestellen E- und E nicht die gleiche Anzahl Sonderrichtungen wie für die Sendestelle E. zu verwenden, wodxirch im Grunde die Breite des Analysefeldes beschränkt vird. Jede Abtastung ist durch einen Winkelwert an und durch eine Richtung s gekennzeichnet, welche beiden Informationen von der Steueranordnung B geliefert werden;

- einen Generator G-, der. Reihen Ultraschallimpulse

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liefert und vom Taktimpulsgenerator H synchronisiert wird,

- einen Phasenschieber D, der mit den Ausgängen des Generators G gekoppelt ist und ( ρ + l) Kombinationen liefert, die je m Sigiiale umfassen (wobei m die Anzahl Wandler pro Reihe ist), ausgehend von der Kombination dO (nicht—phasenverschobene Signale, Senderichtung gemäss der Senkrechten auf der Reihe) bis zur Kombination dp (phasenverschobene Signale zum Senden eines Strahles, der mit der Senkrechten den maximal möglichen Winkel einschliesst),

- eine Winkelselektionsschaltung DA, die mit den Ausgängen des Phasenschiebers D gekoppelt ist und eine der Kombinationen wählt, die von diesem Phasenschieber abhängig von der von der Steueranordnung B gelieferten Information an geliefert werden,

- eine Richtungsselektionschaltung DS₁ die mit dem Ausgang der Winkelselektionsschaltung DA gekoppelt ist und abhängig von der von der Steueranordnung B gelieferten Information s gegebenenfalls die Reihenfolge der Er~ regungen der Kombination, die durch die Winkelselektionsschaltung DA selektiert ist, umkehrt,

- η Sendeschalter, von denen in der Figur vier Stück dargestellt sind und zwar die Schalter CE1, CE2, ... CEn~1 , CEn; jeweils einor dieser Schalter v/ird ge sch los f. cn (tinter Ansteuerung der Adresseninforiuation ad, die von

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der Steueranordnung B geliefert wird) und überträgt auf diese ¥eise an die Reihe von Wandlern, der der betreffende Schalter zugeordnet ist, jdie Kombination der durch die Richtungsselektionsschaltung DS gelieferten Signale,

- n,m. Sende-y/Empfangstrennanordnungen S₁₁. ... S , d.h., m Trennanordnungen pro Reihe bzw, eine Trennanordnung für jeden Wandler, über welche Trennanordnungen einerseits die Sendesignale gehen und andererseits die Empfangssignale, die entsprechend der nachfolgenden Beschreibung weiter verarbeitet werden. Derartige Trennschaltungen sind bekannt; im wesentlichen sind sie beim Senden als Verstärker und beim Empfangen als Uebertrager wirksam, ohne dass die Sendespannung das empfangene Signal beeinflussen kann,

- n.m. UND-Tore P.... ... P , deren Ausgänge mit einem

Verstärker A gekoppelt sind, der seinerseits mit der Wehiielt-Elektrode der Elektronenstrahlröhre TC gekoppelt ist, wobei der erste Eingang jedes der genannten Tore mit einer der n.m. Sende~/Empfangstrennanordnungen gekoppelt, ist, wähi*end der zeite Eingang mit einem der n.m, Ausgänge eines in zwei Richtungen arbeitenden Schieberegisters RD verbunden ist;

- d3.s Schieberegister RD, das, vie aus dem Obenstellenden

,hervorgeht, n.m. Stollen enthalt; dieses Register erhält; 1) die Information ad, die abhängig von der

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Adresse der Reihe von. Sendewandlern die Ausgangslage des Schieberegisters bestimmt,

2) die Information s, die bestimmt, in welcher Richtung die Information im Register schieben wird,

3) die Synchronsignale des Taktimpulsgenerators H, die die Verschiebung der Information im Register anfangen lassen, und *

k) Steuersignale zum Verschieben der Information, die von einer Schiebesteuerschaltung CP geliefert werden, die ihrerseits die Winke!information an erhält, wobei die Frequenz der genannten Steuersignale durch die bereits gegebene Formell

1 + sin
gegeben wird.

Die Schaltungsanordnung CP bildet also einen Impulsgenerator, dessen Frequenz abhängig von der Winke1-information an und von einer Information, die die Abmessung χ darstellt, d»h. dem Abstand zwischen der bei Ausstrahlung selektierten Reihe einerseits und der selektierten Reihe von Empfangswandlern andererseits, welche letztere längs der Linie LER zeitlich fortschreitet, geändert werden kann. Die Grundlage der letztgenannten Information ist der Festabstand zwischen zwei benachbarten Wandlern,

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- zum Schluss enthalten die in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnungen eine Recheneinheit C, die die Adresseninformation ad, die Richtungsinformation s und die Winkelinformation an erhält und die die x- und y-Signale bildet, die dem Ablenksystem der Elektronenstrahlröhre TC geliefert werden«

Was die Selektion anbelangt, die bei Signalempfang durchgeführt wird, ist bereits erwähnt, dass die Adresseninformation ad dem Schieberegister RD geliefert wird ι am Anfang einer Abtastung führt diese Information zum Oeffnen der UND-Tore, die mit den m Wandlern der Reihe, die zum Senden gewählt worden war, verbunden sind. Von dieser Anfangsreihe an erfolgt die Verschiebung in der durch die Information s bestimmten Richtung mit einer Frequenz, die durch die Winke!information an bestimmt wird, dadurch, dass die UND-Tore zu Gruppen von in Toren geöffnet werden, mit einer Verschiebung um nur ein Tor bei jedem von der Schaltungsanordnung CP gelieferten Impuls. Da die von den Wandlern gelieferten Signale empfangen und in Phase addiert werden, lässt sich sagen, dass Echosignale empfangen werden, die entsprechend der Senkrechten auf der Mitte der auf diese Weise gebildeten und selektierten "Empfängerreihe" selektiert v;erden.

Die Wchnelt-Elektrode dor Elektronenstrahlröhre

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ist normalerweise gesperrt; diese Elektrode wird durch die Signale, die im Verstärker A verstärkt sind und von der durch Oeffnung der UND-Tore selektierten Gruppe von Wandlern herrühren, entsperrt,

Wenn beispielsweise der Fötus im Körper einer Frau untersucht werden muss, kann die Anordnung 12 Reihen zu je 16 Wandlern enthalten; die Anzahl Senderichtungen pro Sendestelle: kann 5 bis 10 betragen (im Mittel 8)5 die Zeitdauer eines Abtastvorganges kann in der Grössenordnung von 500<us liegen, was für ein vollständiges Bild eine Äbtastzeit von etwa 50 ms ergibt, alss20 Bilder/s, Wenn die gewählten Werte zu einer geringeren Anzahl von Bildern/s führen, was fürs Auge ein unerträgliches Flimmern bedeuten würde, oder vrenn es nicht notwendig ist, die Bilder in der Realzeit zu untersuchen, so dass es möglich ist, die Bildzahl pro Sekunde zu verringern und zwar zur Verbesserung der Bildqualität, können in den Schaltungsanordnungen Speichermittel vorgesehen werden, wie Gruppen digitaler Speicher oder ein Speicheroszillograph.

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Claims (1)

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   PATENTANSPRÜCHE:

   1 ,*) Verfahren zur Ultraschal lunt er suchung eines Schnittes durch einen Körper, wobei ein. Messkopf mit mindestens einer Reihe Ultraschall-Sende-Empfangswandler verwendet wird, welche Reihe bei Erregung der Wandler mit Sendeimpulsen einen Ultraschallstrahl sendet, der mit der Normalen auf der Reihe einen ¥inkel einschliesst, der von den Phasenunterschieden zwischen den Impulsen, mit denen die jeweiligen Wandler der Reihe erregt werden, abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf mehrere nahezu fluchtende Reihen Sende-Empfangswandler enthält, von denen jeweils einer eine Anzahl Male nacheinander erregt wird, so dass er jeweils in einer anderen Richtung einen Ultraschallstrahl sendet, während nach jeder dieser Erregungen nacheinander eine Anzahl als Empfänger geschalteter Wandler gruppenweise selektiert werden und zwar ausgehend von der Reihe, die als Sender wirksam war und längs des Messkopfes.fortschreitend in einer Richtung, die von der Richtung des ausgesendeten Strahles gegenüber der Normalen auf der Reihe abhängt und mit einer Geschwindigkeit, die u.a. von der Grosse des Winkels zwischen diesem Strahl und dieser Normalen abhängig ist.

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   2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit, mit der die Selektion der Empfangswandler fortschreitet, durch die untenstehende Formel bestimmt wirdj

   vt cos tf-"

   x. = ■= 3 — in der,

   1 + sin C^- '

   — χ der Abstand ist zwischen den im Zeitpunkt t selektierten Empfangswandlern und der Stelle, an der im Zeitpunk-fc 0 der Ultraschallstrahl ausgesendet wurde,

   — $* das Komplement ist des Winkels zwischen dem ausgesendeten Strahl und der Senkrechten auf der Reihe von Wandlern, die als Sender wirksam waren,

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Portschreiten in Schritten von jeweils einem Wandler erfolgt,

   k» Anordnung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:

   a) einen Messkopf (LEE) mit einer Anzahl fluchtender Reihen (ER1, ER2, .,. ERn) Ultraschallwandler,

   b) einen Generator (g) zum Erzeugen von Impulsreihen zur Erregung der Wandler,

   c) Mittel zum Zuführen vom Generator erzeugter Impulse zu den Wandlern jeweils einer Reihe mit bestimmten Phasenunterschieden zwischen den jeweiligen Wandlern einer Reihe zugeführten Impulsen,

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   d) Mittel zum Selektieren jeweils einer Gruppe als Empfänger geschalteter Wandler,

   e) Mittel zum Verschieben der selektierten Gruppe von Empfangswandlern längs des Messkopfes in einer steuerbaren Richtung und mit einer steuerbaren Geschwindigkeit,

   f) Mittel zum Wiedergeben der von den selektierten Empfangswandlern empfangenen Signale an einem Bildschirm

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