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Verfahren zum Darstellen von bewegten Schnittbildern durch Objekte
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung von bewegten Schnittbildern
durch Objekte nach dem Ultraschall-Schnittbildverfahren, wobei das Objekt mit Hilfe
eines umschaltbaren Mehrfachschallkopfes durchschallt und die zu den von den einzeln
aktivierbaren Systemen des Mehrfachschallkopfes ausgesandten Schallimpulsen empfangenen
Echos auf einem Bildschirm an dem geometrischen Ort ihrer Entstehung zugeordneter
Stelle zur Anzeige gebracht werden.
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Zur Erzeugung von Schnittbildern ist es notwendig, das zu untersuchende
Objekt in der gewählten Schnittebene in verschiedenen Richtungen zu durchschallen
bzw. den Schallstrahl in der Schnittbildebene zu verstellen, um aus den bei den
einzelnen Durchschallungen empfangenen Echosignalen das Schnittbild aufbauen zu
können. Jedes Schnittbild setzt sich daher aus einer Vielzahl nacheinander ermittelter
Bildpunkte oder -linien zusammen und benötigt für seinen Aufbau auch
eine
gewisse Zeit. Will man im Schnittbild Bewegungsvorgänge z.B. aus einem lebenden
Organismus darstellen, so muß man wie bei einer Filmaufnahme oder beim Fernsehen
sehr viele Schnittbilder in kurzen Zeitabständen, also in der Bildfolgefrequenz
nacheinander anfertigen und es steht daher für den Aufbau eines einzelnen Bildes
nur wenig Zeit zur Verfügung, in der das zu untersuchende Objekt mit den Schallstrahlen
in der Schnittebene möglichst vollständig abgetastet werden muß.
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Für die Verstellung des Schallstrahles in der Schnittebene werden
bisher grundsätzlich zwei verschiedene Verfahren angewandt, Nach dem einen Verfahren
wird der Schallkopf, der hier als Einzelschallkopf ausgeführt wird, in der Schnittebene
am Objekt verstellt und damit die Lage des Schallstrahles verändert. Bei dem anderen
Verfahren handelt es sich um ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem bisher
der Mehrfachschallkopf während der Durchführung der Aufnahme ortsfest auf das zu
untersuchende Objekt aufgesetzt und durch eine Umschalteinrichtung die einzelnen
Systeme dieses Mehrfachschallkopfes nacheinander aktiviert werden, wobei dieser
Vorgang bei beiden Verfahren in bestimmten Zeitabständen periodisch wiederholt wird.
Beide bisher üblichen Methoden können nicht oder nur in Sonderfällen voll befriedigen.
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Um von einem bewegten Vorgang unmittelbar, also ohne Zwischenspeicherung
und Wiedergabe in einer Zeitrafferdarstellung ein flimmerfreies bewegtes Bild zu
erhalten, ist es notwendig, etwa 20 vollständige Schnittbilder pro Sekunde aufzunehmen
und anzuzeigen. Für die Anfertigung eines einzelnen Schnittbildes steht daher nur
eine Zeit von etwa 50 Millisekunden zur Verfügung. Verwendet man für die Abtastung
einen hin- und herbewegten Schallkopf, so muß dessen Bewegungsfrequenz 20 Hz betragen.
Mit einem Schallkopf, der nur auf eine Stelle des Objektes aufgesetzt wird und eine
periodische Schwenkbewegung um wenige Grade durchführt, läßt sich zwar technisch
die erforderliche Frequenz erreichen, doch
ergibt sich der grundlegende
Nachteil, daß mit dem Schallstrahl nur ein schmaler, dreieckiger Bereich der Schnittebene
abgetastet werden kann, so daß dieses Verfahren schon aus diesem Grund für viele
Anwendungsfälle, wo größere Schnittflächen dargestellt werden sollen, ungeeignet
ist. Ein grundlegender Nachteil besteht hier darin, daß wegen der polaren Abtastung
die Schall strahlen in Schallkopfnähe viel näher als im größeren Abstand vom Schallkopf
beisammenliegen, so daß im schallkopfnahen Bereich die Abtastgenauigkeit des Objektes
in der Schnittbildebene wesentlich größer ist als in weiter entfernten Bereichen
und somit die Schärfe und Genauigkeit der Bildwiedergabe vom schallkopfnahen Bereich
gegen die weiter entfernten Bereiche und Zonen stark abnimmt. Diese Abnahme betrifft
sowohl die Empfindlichkeit als auch das Auflösungsvermögen. Theoretisch kann dieser
Mangel dadurch beseitigt werden, daß man den Schallstrahl in der Schnittebene im
wesentlichen parallel zu sich selbst verschiebt. Es könnte dann eine rechteckige
Fläche dargestellt werden, deren Breite durch den Verschiebeweg des Schallkopfes
und deren Tiefe durch das Eindringvermögen der Schallwellen bestimmt wird. Ein entsprechendes
Verfahren wird bei statischen Schnittbildern, bei denen zum Aufbau eines Einzelbildes
viel Zeit zur Verfügung steht, bereits angewandt. Will man jedoch ein bewegtes Schnittbild
erhalten, also Einzelschnittbilder mit hoher Bildfolgefrequenz erzeugen, dann ergeben
sich erhebliche Schwierigkeiten, die bisher noch nicht in befriedigender Weise überwunden
wurden. Bei der Abbildung einer Fläche von nur 10 cm Breite treten bei der erforderlichen
Bewegungsfrequenz am Schallkopf bereits hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungs-
bzw. Verzögerungskräfte auf.
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Die hohen Geschwindigkeiten führen zu Ankopplungsschwierigkeiten an
das Objekt. Ein prinzipieller Nachteil bei einer so raschen geradlinigen Schallkopfbewegung
ergibt
sich jedoch daraus, daß die ausnützbare Eindringtiefe der
Schallwellen in das Objekt stark reduziert wird, wil der Schallkopf seine Relativlage
zum Objekt so schnell ändert, daß er aus größeren Tiefen stammende Echos nicht mehr
empfangen kann.
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Die bereits erwähnte Verwendung eines Mehrfachschallkopfes hat ebenfalls
prinzipielle Nachteile. Durch eine hohe Umschaltfrequenz von einem zum anderen System
innerhalb des Schallkopfes kann zwar eine hohe Schallkopfgeschwindigkeit simuliert
werden, doch wird der Schall strahl im Objekt sprungartig verschoben, wobei die
einzelnen Sprünge relativ groß sind, so daß die Abtastung des Objektes in der Schnittebene
und dementsprechend auch die Sclmittbildwiedergabe nur in einem sehr groben Raster
erfolgt, wodurch kleinere Reflexionsflächen häufig nicht angezeigt werden oder nur
als undefinierbare Aufhellungen des Bildes im jeweiligen Rasterbereich angedeutet
werden. Aus physikalischen Gründen ist es unnbglich, den Raster durch Verwendung
sehr kleiner Einzelschallköpfe zu verfeinern, da mit abnehmender Schwingergröße
der Öffnungswinkel des abgestrahlten Schallbündels zunimmt, so daß die strahlenartige
Bündelung des Schalles, die für die Erzeugung guter Schnittbilder unbedingt erforderlich
ist, verloren geht.
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Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art besteht
die Erfindung im wesentlichen darin, daß der Mehrfachschallkopf bzw. ein die Systeme
tragender Teil davon in der Schnittebene vorzugsweise oszillierend gegenüber dem
Objekt bewegt und die Echos in der Augenblickslage des aktivierten Systems zugeordneten,
analog zum Schallkopf in der Schnittbildebene verschiebbaren Zeilen am Bildschirm
dargestellt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tastet jedes Einzelsystem des
Mehrfachschallkopfes eine schmale Rechteckzone
des untersuchten
Objektes in der Schnittebene ab, wobei die Breite dieser Rechteckzone durch die
Bewegungsamplitude des Mehrfachschallkopfes gegeben ist. Vorzugsweise wird die Bewegungsfrequenz
des Schallkopfes bzw.
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Schallkopfteiles entsprechend der Bildfolgefrequenz bei der Schnittbilddarstellung
gewählt und die Bewegungsamplitude des Schallkopfes bzw. Schallkopfteiles braucht,
um ein vollständiges Schnittbild zu erhalten, nur etwa dem Abstand benachbarter
Systeme im Mehrfachschallkopf zu entsprechen, beträgt also nur einen durch die Anzahl
der Systeme gegebenen Bruchteil der notwendigen Amplitude eines Einzelschallkopfes
zur Erzeugung des gleichen Schnittbildes. Damit ergeben sich relativ niedrige Geschwindigkeiten
und Beschleunigungen für den Mehrfachschallkopf, und es werden sowohl die auftretenden
Kräfte verringert als auch Ankopplungsschwierigkeiten vermieden.
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Die Bewegungsfrequenz kann, bezogen auf die Umschaltfrequenz von System
zu System im Schallkopf niedrig gewählt werden. Nach jedem Umschaltzyklus,ist der
Schallkopf um einen kleinen Betrag gegenüber der Lage vor diesem Umschaltzyklus
versetzt, so daß sich im Endeffekt ein feiner Raster für die Abtastung erzielen
läßt0 Man könnte auch sagen, daß der durch die Abstände der Einzelsysteme im Schallkopf
gegebene grobe Raster während einer Hin- und Herverstellung des Schallkopfes parallel
zu sich selbst verschoben wird, so daß die Rasterzwischenräume nach und nach vollständig
ausgefüllt werden. Da die Umschaltgeschwindigkeit sehr hoch gewählt werden kann,
ist dieses Ausfüllen von Rasterzwischenräumen visuell nicht feststellbar, sondern
es wird vielmehr der Eindruck entstehen, daß die Abtastung von vornherein mit einem
sehr dichten Raster erfolgt. Vorzugsweise wird die Umschaltfrequenz von System zu
System auf die Impulsfolgefrequenz synchronisiert. Wegen der geringen Verstellgeschwindigkeit
des Schallkopfes kann jedes System zu den von ihm ausgesandten
Impulsen
auch Echos aus tieferen Schichten des Objektes empfangen. Um Rückwirkungen der einzelnen
Systeme aufeinander zu vermeiden und insbesondere um zu verhindern, daß ein System
des Schallkopfes die zu von einem anderen System ausgesandten Impulsen einl#enden,
aus sehr tiefen Schichten stammenden Echos während der Aktivierungsphase empfängt,
können die einzelnen Systeme des Schallkopfes in einer vorprogrammierten Folge aktiviert
werden, so daß zwischen den unmittelbar nacheinander aktivierten Systemen im Schallkopf
jeweils ein oder mehrere andere Systeme liegen.
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Um störende Vibrationen des Schallkopfes sowie dadurch bedingte Rücwirkungen
auf das Objekt zu vermeiden, können bei einem erfindungsgemäßen Schallkopf die Systeme
in einem über einen Antrieb relativ zum übrigen, auf das Objekt aufsetzbaren Schallkopfkörper
hin- und herverstellbaren Träger untergebracht sein, wobei mit dem Antrieb eine
im Schallkopf gegenläufig zum Träger verstellbare Ausgleichsmasse gekuppelt ist,
deren Masse bei gleicher Antriebsübersetzung der Masse des Trägers mit den Systemen
entspricht, bei unterschiedlicher Ubersetzung entsprechend dieser Masse und dem
Verhältnis der Antriebsübersetzungen gewählt wird.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht.
Es zeigt Fig. 1 einen Mehrfachschallkopf im Längsschnitt, Fig. 2 ein Blockschaltschema
eines Schnittbildgerätes und Fig. 3 in schaubildlicher Darstellungsweise schematisch
eine Antriebsanordnung für den Schallkopf.
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Bei dem Schallkopf nach Fig. 1 ist in einem Gehäuse 1 ein blockförmiger
Träger 2 verschiebbar gelagert, der mehrere getrennte Systeme 3a bis 3f enthält.
Jedes System ist mit einer eigenen Leitung 4a bis 4f mit der Elektronik der Ausbrüstung
verbunden. Für die Funktion ist es ohne Bedeutung, ob das einzelne System zum Senden
und Empfangen benützt wird oder selbst wiederum aus einem getrennten Sende- und
Empfangsteil
besteht. In letzterem Fall müßten natürlich dann von
Jedem System zwei Leitungen fortgefUhrt werden. Ebenso ist es möglich, an Stelle
der gezeichneten sechs Systeme eine größere uder kleinere Anzahl zu verwenden. Der
Schallkopfblock ist mit dem Schleifer eines Potentiometers 5 verbunden, das seinerseits
am Gehäuse 1 sitzt. Die über die Leitung 6 abgegebene Spannung kennzeichnet somit
die Lage des Schallkopfblockes innerhalb des Gehäuses. Auch hier ist es denkbar,
an Stelle des Potentiometers irgendeinen anderen Wegaufnehmer zu benützen, der ein
Signal abgibt, das ein Maß für die Stellung des Schallkopfblockes im Gehäuse darstellt.
Der Schallübergang zwischen Schallkopfblock und Unterseite des Gehäuses wird am
einfachsten dadurch bewirkt, daß das Gehäuse mit einer schalleitenden Flüssigkeit
gefüllt wird. Der Schallkopfblock 2 wird, entsprechend der erforderlichen Bewegungsfrequenz
von etwa 20 Hz von einem in Fig. 1 nicht gezeichneten Motor oszillierend angetrieben.
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Nach Fig. 2 führen die aus dem Schallkopf 1 kommenden Leitungen 4a
bis 4f zu einem elektronischen Umschalter 7, der einerseits über eine Leitung 9
mit einem Ultraschallgerät 12 und anderseits über eine Leitung 8 mit einer Summierungseinheit
10 verbunden ist. Durch den Umschalter 7 werden die einzelnen Systeme 3a bis 3f
im Schallkopfblock 2 nacheinander mit dem Ultraschallgerät 12 verbunden. Handelt
es sich bei den Systemen um getrennte Einrichtungen zum Sanden und Empfangen, so
genügt es, wenn nur einer der beiden Teile, z*BO der Empfangsteil, umgeschaltet
wird, wogegen der andere Teil dauernd mit dem Ultraschallgerät verbunden bleibt.
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Natürlich können auch beide Teile gemeinsam umgeschaltet werden. Die
dem Ultraschallgerät zugeführten Echosignale werden nach entsprechender Verstärkung
über eine Leitung 13 abgegeben und zur Helligkeitssteuerung einer Kathodenstrahlröhre
18 verwendet. Der Umschalter 7 wird zweckmäßigerweise so auf die Impulsfolgefrequenz
des Ultraschallgerätes 12 synchronisiert, daß die Umschaltung auf ein anderes System
immer
unmittelbar vor Aussendung eines Schallimpulses erfolgt.
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Es ist jedoch durchaus möglich, jedem System mehrere aufeinanderfolgende
Sendeimpulse zuzuleiten und dann erst umzuschalten.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die einzelnen Systeme nicht
in der Reihenfolge ihrer Anordnung im Schallkopfblock anzuschalten, sondern ein
Sprungverfahren zu benützen, so daß die Aktivierung z.B. in der Reihenfolge 3a-3d-3b-3e-3c-3f
erfolgt, worauf wieder bei 3a begonnen wird. Durch diese Maßnahme wird bewirkt,
daß zwei nacheinander in Betrieb genommene Systeme möglichst weithuseinander liegen
und daher eine gegenseitige Beeinflussung durch Nachwirkungen weitgehend unterbunden
wird.
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Außerdem ergibt sich durch diese Umschaltfolge eine gleichmäßigere
Ausleuchtung des Bildschirmes der Kathodenstrahlröhre. Der Umschalter 7 erzeugt
eine Spannung, die kennzeichnend für das jeweils angeschaltete System ist und über
die Leitung 8 der Summierungseinheit 10 zugeleitet wird. Diese Einheit erhält außerdem
über die Leitung 6 aus dem Schallkopf eine Spannung, die, wie bereits beschrieben,
kennzeichnend für die Stellung des Schallkopfblockes im Gehäuse ist. Durch Zusammenfügen
beider Spannungen entsteht am Ausgang in der Leitung 11 eine Spannung, die sowohl
die Lage des Schallkopfblockes als auch die Stellung des augenblicklich in Betrieb
befindlichen Systems berücksichtigt und damit die Position des Schallbündels im
Objekt eindeutig beschreibt. Diese Spannung wird einer Ablenkeinheit 14 zugeführt,
die daraus die Ablenkspannung bildet und über Leitungen 15a und 15b einem Plattenpaar
der Kathodenstrahlröhre 18 zuführt. Das andere Plattenpaar wird vom Kippgenerator
16 über Leitungen 17a und 17b versorgt.
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In der beschriebenen Anordnung würde unter Zugrundelegung der erwähnten
Umschaltfolge das Schnittbild wie folgt aufgebaut werden. Zunächst wird die erste
Bildzeile senkrecht am linken Bildrand geschrieben, dann die zweite Zeile etwas
rechts von der Bildschirmmitte. Hierauf folgt die dritte Zeile in einigem Abstand
rechts von der ersten Zeile und die vierte Zeile im gleichen Abstand rechts von
der zweiten Zeile. Die
5. Zeile wird in die Mitte zwischen 3. und
2. Zeile geschrieben und die 6. Zeile rechts von der 4. Zeile in einem gewissen
Abstand vom rechten Bildrand. Nach Beendigung dieses ersten Schaltzyklus stehen
am Bildschirm sechs Zeilen in gleichmäßigen Abständen. Bei einer Impulsfolgefrequenz
von 6 kHz ist dieser Vorgang nach 1 Millisekunde beendet. Es wird nun wieder mit
dem Schreiben der ersten Zeile ein neuer Schaltzyklus begonnen. Allerdings liegen
die jetzt geschriebenen Zeilen nicht genau am gleichen Ort wie die vorher geschriebenen
Zeilen, sondern sind etwas nach rechts versetzt.
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Mit jedem Schaltzyklus wird diese Versetzung größer, so daß der beim
ersten Zyklus zwischen den Zeilen entstandene Zw#schenraum völlig ausgefüllt wird.
Dieser Vorgang dauert unter den eingangs erhobenen Forderungen 50 Millisekunden,
kann also mit dem Auge nicht beobachtet werden. Nimmt man an, daß eine Fläche von
10 cm Breite abgebildet werden soll, die Impulsfolgefrequenz 6 k-Hz beträgt und
ein Schallkopf mit sechs Systemen, die einen Abstand von 16 mm besitzen, verwendet
wird, so beträgt bei einer Bildfolgefrequenz von 20 Hz der Abstand der einzelnen
Bildzeilen nach vollständiger Abtastung ca. 0,3 mm, was in Anbetracht der Breite
des Schallbündels einer lückenlosen Abtastung gleich kommt. Man kann also trotz
geringer Bewegungsamplitude und Geschwindigkeit eine größere Fläche vollständig
abtasten, ohne daß bei der hohen Bildfolgefrequenz nur ein grober Raster entsteht
und kleinere Reflexionsstellen übersehen werden.
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Abschließend sei noch eine Ausführungsmöglichkeit des Schallkopfes
beschrieben, der vereinfacht in Fig. 3 dargestellt ist, Mit dem nicht gezeichneten
5challkopfgehäuse ist ein Antriebsmotor 19 fest verbunden, der eine Kurbelwelle
20 in Drehung versetzt. Die Kurbel 20 greift in einen Schlitz 21 einer Ausgleichsmasse
22 ein, die in einer ebenfalls nicht gezeichneten horizontalen Führung läuft. Sie
wird daher durch die drehende Kurbel in eine waagrechte oszillierende Bewegung versetzt.
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Mit der Ausgleichsmasse fest verbunden ist eine Zahnstange 23, die
über ein Umlenkzahnrad 24 eine Zahnstange 25 antreibt, die am Schallkopfblock 2
befestigt ist. Durch diese Anordnung führen der Schallkopfblock 2 und die Ausgleichs
masse 22 gegenläufige Bewegungen aus und kompensieren bei gleicher Masse die auftretenden
horizontalen Trägheitskräfte.
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Man könnte sich noch die Achse eines Dreh-Potentiometers mit der
Umlenkrolle 24 verbunden vorstellen und könnte dann an diesem Potentiometer die
für die Stellung des Schallkopfblockes kennzeichnende Spannung abnehmen. Eine andere
Möglichkeit bestünde darin, an der Ausgleichsmasse oder am Schallkopfblock einen
HFnKern anzubringen, der bei der Bewegung in eine feststehende Spule hineingeschoben
bzw. aus dieser herausgezogen wird und sdden induktiven Widerstand dieser Spule
analog zur Stellung des Schallkopfblockes ändert.
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Es wurden nur Beispiele für Ausführungsmöglichkeiten beschrieben
und es sind viele Änderungen möglich, ohne daß der erfindungsgemäße Grundgedanke,
die Bewegung des Schallbündels im Objekt durch eine Umschaltung der Systeme im Schallkopf
und eine gleichzeitig auszuführende Bewegung des Schallkopfes zu bewirken und beide
Vorgänge auf den Bildschirm zu übertragen, verlassen wird.