DE2619231A1

DE2619231A1 - Verfahren und vorrichtung zur ultraschallpruefung

Info

Publication number: DE2619231A1
Application number: DE19762619231
Authority: DE
Inventors: George Kosoff
Original assignee: Commonwealth of Australia
Current assignee: Commonwealth of Australia
Priority date: 1975-05-01
Filing date: 1976-04-30
Publication date: 1976-11-11
Also published as: US4094306A; ATA323576A; CA1076244A; DE2619231C2; JPS52484A; GB1543740A; AT361605B; JPS5930423B2; FR2309865B1; GB1543739A; FR2309865A1

Description

Mein Zeichen bitte angeben

Dipl.-lng.E.Tergau _{8/45 (76O}241)

Patentanwalt

Nürnberg, den 29 . April 1976

The Commonwealth of Australia, C/- The Department of Health, of Alexander Building, Phillip, Australian Capital Territory, Commonwealth of Australia

Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallprüfung

Die Erfindung bezieht sich auf die Technik' der Ultraschallechoskopie von Gegenständen und insbesondere auf Mittel zur Verringerung der Zeit für die Prüfung eines Gegenstandes, bei der die Impulsechoultraschalltechnik verwendet wird, und zur Verbesserung der Klarheit und folglich des Nutzens der Prüfungsergebnisse. Sie ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf die Verwendung dieser Technik in der medizinischen Diagnostik gerichtet.

Die Ultraschallechoskopie liefert Informationen über einen zu untersuchenden Gegenstand, die in Form eines Ultraschallechogramms dargestellt werden können. Ein solches Echogramm besteht aus der Aufzeichnung akustischer Widerstandsunstetigkeiten oder reflektierender Flächen im Gegenstand. Es wird dadurch erhalten, daß ein kurzer Impuls von Ultraschallenergie im Frequenzbereich von 1 bis 30 MHz in den zu untersuchenden Ge-

609846/0931

genstand gerichtet wird, wo irgendwelche akustische Widerstandunstetigkeiten im Gegenstande einen Teil der Energie in Form eines Echos reflektieren. Dieses Echo wird empfangen, in ein elektrisches Signal umgewandelt und als ein Echogramm in einem Katodenstrahloszillographen, auf einen Film, einer Karte o.dgl. aufgezeichnet.

Das Echogramm kann entweder eine eindimensionale oder eine zweidimensionale Darstellung bilden, und in beiden Fällen ist die Information in der Lage und Größe des dargestellten Echos enthalten. Bei einer eindimensionalen Darstellung wird die Lage entlang einer Grundlinie dazu verwendet, die Entfernung von der refelektierenden Fläche anzuzeigen, während die Größe des Echos beispielsweise als eine Ablenkung von der Grundlinie (Α-Methode) oder als eine Intensitätsänderung (B-Methode) dargestellt wird. Bei einer zweidimensionalen Darstellung wird die Lage entlang einer Grundlinie dazu verwendet, die Entfernung von der reflektierenden Fläche wie bei einer eindimensionalen Darstellung anzuzeigen, und die Richtung der Grundlinie wird dazu verwendet, die Richtung der Ausbreitung der akustischen Energie darzustellen,, Die zweidimensionale Darstellung wird durch Änderung dieser Ausbreitungsrichtung der akustischen Energie und durch die Einführung einer ähnlichen, aber nicht notwendigerweise identischen Bewegung der Grundlinie der Darstellung erhalten. Die Größe des Echos wird wie

609848/0931

1619531

für eine eindimensionale Darstellung aufgezeichnet, z.B. als eine Ablenkung der Grundlinie oder als eine Intensitätsänderung.

Die Technik der Ultraschallechoskopie wird in der medizinischen Diagnostik verwendet, um Informationen über die Anatomie der Patienten zu erhalten. Die Anwendung dieser Technik ist jetzt in weitem Umfang erforscht und z.B. von D.E. Robinson beschrieben in Proceedings of the Institution of Radio and Electronics Engineers Australia, Vol. 31, No. 11, Seiten 385-392, November 1970: "The Application of Ultrasound in Medical Diagnosis", Wie in diesem Aufsatz ausgeführt wird, kann die Ultraschallechoskopie dazu verwendet werden, Aufzeichnungen anzufertigen, die anatomischen Querschnitten ähneln, die sich klinisch als nützlich erwiesen haben, wenn die gewünschten Informationen körperliche Abmessungen, Organformen, Strukturen o.dgl. betreffen. Die Ultraschallechographie hat sich als besonders wertvoll erwiesen als ein diagnostisches Hilfsmittel beim Unterleib und bei der Gebärmutter während der Schwangerschaft, beim Auge, bei der Brust, beim Gehirn, bei der Lunge, bei der Niere, bei der Leber und beim Herzen, also in Bereichen mit weichem Gewebe mit wenig Knochen und Luft. Im allgemeinen wird diese Technik als Ergänzung anderer Techniken angesehen, um ein vollständigeres Bild vom

609846/0931

Zustand der Patienten zu gewinnen, jedoch besonders bei Schwangerschaften kann die Ultraschallechoskopie an Stelle von Röntgenstrahlen nützlich sein, die entweder keine genügende Information ergeben oder gefährlich sein können. Bei der medizinischen Anwendung wird ein Impuls von Ultraschallenergie in einen Patienten in einer bekannten Richtung übertragen, und Echos werden von reflektierenden Flächen innerhalb des Körpers empfangen. Die zeitliche Verzögerung zwischen einem übertragenen Impuls und dem empfangenen Echo hängt von der Entfernung des Senders von der reflektierenden Fläche ab, und die so erhaltene Entfernungsinformation kann in einer geeigneten Weise zur Auswertung und klinischen Verwendung als eine eindimensionale Entfernungsanzeige oder als ein zweidimensionaler Querschnitt dargestellt werden, wie vorher beschrieben worden ist.

Bei der bisher bekannten Art der Ultraschalldiagnostik wird ein einziger Wandler verwendet und physisch in

verschiedene Stellungen um den Patienten herum bewegt. In jeder dieser Stellungen wird der Strahl mit einer oszillierenden Bewegung geschwenkt, während er dazu gezwungen wird, in einer einzigen Ebene zu verbleiben, und zwar durch eine mechanische Schwingung des Wandlers, um"das gewünschte Abtastbild zu erhalten. Durch Verwendung geeigneter Ablenkungskreise, z.B. in einer Katoden-

609846/0931

strahlröhre, wird eine Linie dazu veranlaßt, den Bewegungen der Strahlachse zu folgen, und Echos werden infolgedessen innerhalb des untersuchten Teiles in ihren genauen geometrischen Stellungen aufgezeichnet. Beispielsweise kann für quer verlaufende Aschnitte der Wandler horizontal in einem Bogen von 150 ° um einen Patienten bewegt werden, der im wesentlichen aufrechtsteht, während er Schwingungen von + 15 ° unterworfen wird. Für längsverlaufende Abschnitte kann der Wandler vertikal bewegt werden, wobei er Schwingungen von + 30 ° unterworfen

Es wurde jedoch festgestellt, daß in solchen Systemen, in denen der Wandler physisch um den Patienten herum bewegt wird, diese Bewegung wegen der mechanischen Trägheit zu einer Begrenzung der Prüfzeit zwischen 10 und 20 Sek. für jede Querschnittsanzeige führt. In dem Falle, in dem der Wandler mit dem Patienten über ein Kopplungsmedium, z.B. Wasser, gekoppelt ist, wird Turbulenz durch den Wandler erzeugt, wenn dieser sich schnell im Kopplungsmedium bewegt.

Verschiedene Arten von Ultraschallprüfgeräten sind geschaffen worden, welche die erwähnten Begrenzungen vermeiden und so eine Verringerung der Zeit für jede Querschnittsichtbarmachung ermöglichen. Es ist klar, daß eine Reduzierung der Prüfzeit eines Patienten zu ei-

609846/093 1

ner technischen Verbesserung der sich ergebenden Echogramme führt, da die Auswirkungen der Bewegung des zu prüfenden Teiles reduziert werden. Außerdem hat die Reduzierung der Prüfzeit eines Patienten den wirtschaftlichen Vorteil, daß mehr Querschnittssichtbarmachungen und deshalb mehr Prüfungen in einer gegebenen Zeit durchgeführt werden können.

In den allgemein verwendeten zweidimensionalen Systemen der Ultraschallprüfung nach der B-Methode wird ein einzelner Wandler entweder mechanisch angetrieben oder von Hand betätigt, um ein Echogramm zu erhalten. Um eine Prüfung des interessierenden Bereiches, z.B. eines Patienten, zur ermöglichen, wird die Abtastebene in gewünschter Weise eingestellt, so daß in dieser Ebene ein Echogramm erhalten wird, und dann wird die Abtastebene bewegt usw., und zwar in einer Weise, daß parallele Abschnitte des interessierenden Bereiches geprüft werden. Da jede Querschnittssichtbarmachung, die die bekannten Systeme verwenden, 10 bis 20 Sek. erfordern, kann die gesamte Prüfung etwa eine halbe Stunde dauern. Eine solch lange Prüfungszeit ist aus zahlreichen Gründen nicht erwünscht. Erstens kann eine beträchtliche Bewegung während der Prüfungszeit auftreten, insbesondere des Fötus in einer Gebärmutter, wodurch die einzelnen Echogramme verwischt werden und

609846/0931

dadurch Schwierigkeiten in der Interpretation eines vollständigen Satzes von Querschnittssichtbarmachungen im interessierenden Bereich bewirken. Weiterhin ist eine verlängerte Prüfung oft nicht möglich oder mindestens unerwünscht, wenn die Technik bei der Prüfung kranker Patienten verwendet wird. Natürlich schließt eine längere Prüfungszeit die Verwendung der Technik als ein Abschirmtest aus, und der reduzierte Durchsatz der Patienten hat eine offensichtlich schädliche Wirkung auf die Wirtschaftlichkeit der Technik.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Gegenstandes mittels des Impulsechoverfahrens vorzusehen, mit der eine vollständige Ultraschallprüfung in einer Zeit durchgeführt werden kann, die beträchtlich kleiner ist als die bisher mögliche Zeit. Wie aus den vorhergehenden Ausführungen ersichtlich ist, hat die Reduzierung der für die Prüfung notwendigen Zeit den weiteren Vorteil, daß die Qualität der erhaltenen Echogramme verbessert wird, da die Wirkungen der Patientenbewegung reduziert werden.

Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Gegenstandes vorgesehen, die ein Gehäuse mit einem Kopplungsmedium, einer Öffnung und in das Kopplungsmedium eingetauchte Wandler, die Im-

609846/0931

pulse von ültraschallenergie durch diese öffnung in den Gegenstand'übertragen, und Mittel zum Empfang von Echos dieser Impulse von Ultraschallenergie aufweist, die durch diese öffnung von akustischen Widerstandsunstet igkei ten innerhalb des Gegenstandes reflektiert werden.

Vorzugsweise besteht das Gehäuse aus einem mit Wasser als Kopplungsmedium gefüllten Bad. Die öffnung ist im obersten Teil des Bades vorgesehen, welcher sonst vollständig das Kopplungsmedium einschließt. Vorzugsweise ist eine flexible Kopplungsmembran, z.B. eine Polyäthylenmembran, vorgesehen, um die öffnung zu verschließen und so einen befriedigenden Kontakt zwischen dem Kopplungsmedium und dem zu prüfenden Gegenstand, z.B. einem Patienten, ohne Verlust des Kopplungsmediums durch die öffnung zu sichern. Bei einer geeigneten Anordnung, die besonders für medizinische, diagnostische Prüfung geeignet ist, ist das Bad in der Form einer Couch hergestellt, auf welcher ein Patient mit dem zu prüfenden Körperbereich liegen kann, der in Verbindung mit der Kopplungsmembran steht. Vorzugsweise ist auch das Kopplungsmedium temperiert. Während der Gebrauch einer flexiblen Kopplungsmembran, wie sie oben beschrieben ist, als Annehmlichkeit bevorzugt wird, insbesondere dort, wo eine große Anzahl von Patienten überprüft wird, ist es klar, daß der Gebrauch

609846/0931

dieser Membran nicht unbedingt notwendig ist, so daß ein direkter Kontakt des Kopplungsmediums mit der Haut des Patienten möglich ist.

Wie vorher erwähnt, sind die Wandler gemäß der Erfindung in das Kopplungsmedium eingetaucht, das sich in dem Gehäuse befindet. Bei bekannten Ultraschallprüfungssystemen wird die notwendige Kopplung des Wandlers mit dem Patienten entweder durch Hautkontakt oder durch den Gebrauch z.B. eines Wasserverzögerungsbades erreicht. Die Verwendung eines Wasserverzögerungsbades wird als ein Mittel angesehen, das Verschwommenheiten infolge der vielfachen Reflektionen hervorruft, obgleich diese durch eine solche Anordnung des Systems vermieden werden können, daß die Entfernung zwischen dem Wandler und der Hautoberfläche des Patienten größer ist als die größte verwendete Eindringtiefe. Wenn auch die Hautkontaktsysteme im allgemeinen dem Patienten

eine größere Bequemlichkeit bieten, weisen die sich daraus ergebenden Echogramme eine geringere Klarheit auf, und die Verwendung von Wasserverzögerungsbädern ergibt qualitätsmäßig bessere Echogramme. Die Erfindung sieht eine Vorrichtung vor, mit der diese qualitätsmäßig besseren Echogramme bequem erreicht werden können.

Um eine gute Kopplung zwischen den Wandlern und der

flexiblen Kopplungsmembran oder der Hautoberfläche 609846/0931

des Patienten zu erhalten, ist gemäß der Erfindung das Gehäuse mit dem Kopplungsmedium gefüllt und vorzugsweise das Gehäuse oben mit einem Behälter versehen, um sicherzustellen, daß das Gehäuse während der Bewegungen der Membran gefüllt bleibt, z.B. während der Anordnung des Patienten auf der Vorrichtung. Der von dem Kopplungsmedium ausgeübte Flüssigkeitsdruck, der in dem oberen Behälter gespeichert wird, hält den Druck an der Kopplungsmembran aufrecht, wodurch auch der enge Kontakt zwischen der flexiblen Membran und der Haut des Patienten aufrecht erhalten wird.

Gemäß einem besonders wichtigen Merkmal der Erfindung ist eine Vielzahl von Wandlern in einem einzigen Arm angeordnet, der innerhalb des Gehäuses von einem Tragmechanismus unterstützt wird, um den Arm in bezug auf den zu prüfenden Gegenstand zu bewegen, und die Prüfung dieses Gegenstandes in einer gewünschten Ebene zu erleichtern. Vorzugsweise sieht der Tragmechanismus Bewegungen in den x-,y- und z- Richtungen in bezug auf den Gegenstand und auf eine Rotations- und Kippbewegung des Armes in bezug auf den Gegenstand vor, wodurch eine Scharfeinstellung der Wandler des Armes auf den gewünschten Bereich des Gegenstandes und eine Abtastung in einer gewünschten Ebene möglich ist. Vorzugsweise ist auch der Tragarm für die Wandler gebogen,

609846/0931

wodurch ein bestimmter Grad von mechanischer Scharfeinstellung der Wandler auf einen Punkt innerhalb des zu prüfenden Gegenstandes möglich ist. Der Arm kann kreisförmig gebogen sein, jedoch können lineare Arme oder andere nichtlineare Arme verwendet werden, falls es erwünscht ist.

Es wurde festgestellt, daß die Verwendung einer Mehrzahl von Wandlern eine Verringerung der Zeit ermöglicht, die für jede Querschnittssichtbarmachung erforderlich ist. Bei einer typischen Betätigung" sind die Wandler räumlich voneinander in einer einzigen Ebene relativ zueinander und zum zu prüfenden Gegenstande angeordnet, indem sie in einem oben beschriebenen Arm untergebracht sind, und der Strahl eines jeden Wandlers wird in eine Anzahl von Winkelrichtungen in dieser Ebene, z.B. durch Oszillation der Wandler, in der Ebene des Armes gesteuert. Die Wandler können dann nacheinander erregt werden, wobei die Zeit der Erregung eines jeden Wandlers so festgesetzt ist, daß die gesamten Wandler erregt werden, bevor der entsprechende Strahl eines jeden Wandlers sich um eine bedeutsame Entfernung bewegt hat. Auf diese Weise kann ein vollständig abgetasteter Querschnitt in einem Zyklus der Wandler gebildet werden.

Eine oszillatorische Bewegung der Strahlachsen der Wand-609846/0931

ler, um eine vollständige Querschnittssichtbarmachung zu erstellen, kann durch zwei Alternativmittel vorgesehen werden. Die ersten Mittel zum Erhalt einer oszillatorischen Bewegung der Strahlachsen sind durch die mechanische Abtastung aller Wandler entweder unabhängig voneinander oder gleichzeitig gegeben. In diesem Falle kann, obgleich die mechanische Bewegung der Wandler eine Begrenzung der Abtastrate einführt, die

Wirkung dieser Begrenzung dadurch verkleinert werden, daß geeignete Schaltmittel vorgesehen werden, welche die Wandler dazu veranlassen, nur einmal abzutasten, während eine vollständige Querschnittssichtbarmachung erhalten wird. So wird jeder Wandler nacheinander aktiviert, um einen Impuls von Ultraschallenergie entlang der Strahlenachse zu richten, wobei die Zeit, zu welcher die Wandler aktiviert werden, genügend klein ist, verglichen mit der Zeit der mechanischen Oszillation der Wandler, wobei jeder Wandler nur eine kleine Entfernung zwischen aufeinanderfolgenden Aktivierungen der Wandler oszilliert. Das endgültige Resultat, das durch diese Betriebsart erreicht wird, besteht darin, daß am Ende einer einzigen mechanischen Abtastung jeder Wandler aktiviert worden ist, während sein Strahl in alle gewünschten Richtungen gerichtet worden ist. Es ist klar, daß die überwachung der Richtung der Strahlenachsen notwendig ist, um eine vollständige Sichtbarmachung zu bewirken.

609846/0931

Die Alternativmittel zur Erhaltung einer oszillatorischen Bewegung der Strahlenachsen ergibt sich durch die Verwendung der Wandleranordnungen bei jeder Wandlerstellung, wobei die Anordnungen in geeigneter Weise entworfen sind, damit sie elektronisch gesteuert werden können. In einem solchen System gibt es keine beweglichen Teile, und das mit diesem System erreichbare Abtastmaß ist nur begrenzt durch die Berücksichtigung der elektronischen Schaltgeschwindigkeiten und das Maß der Erfassung der Ultraschallinformation durch den Wandler nach jedem übertragenen Impuls. Da solch eine Anordnung elektronisch gesteuert werden kann, um den Strahl in alle gewünschten Richtungen bei einer Geschwindigkeit zu richten, die größer ist als die mögliche Geschwindigkeit, wenn eine mechanische Oszillation des Wandlers verlangt wird, ist es möglich, dieses System durch Steuerung des Strahles einer jeden Wandleranordnung in jede der gewünschten Richtungen zu betätigen, um die reflektierten Echos vor Aktivierung der nächsten Wandleranordnung und Steuerung des Strahles von dieser in die gewünschten Richtungen zu messen usw.. Es ist jedoch ersichtlich, daß diese Mehrzahl von Wandleranordnungen elektronisch gesteuert und auch in einer ähnlichen Weise wie die mechanisch oszillierten, vorher beschriebenen Wandler betätigt werden kann.

Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung 609846/0931

können jedoch die einzelnen Wandler einer Anordung, die mechansich abgetastet worden ist, durch eine zerstreute Betätigung eher erregt werden als in einer Folge von Erregung benachbarter Wandler. So kann anstatt der Erregung des Wandlers Nr. 2 nach dem Wandler Nr. 1 und dann Wandler Nr. 3 Wandler Nr. 4 usw. gemäß der Erfindung Wandler Nr. 5 in der Anordnung nach dem Wandler Nr. 1 erregt werden, dann Wandler Nr. 2 gefolgt vom Wandler Nr. 6 usw. Es wurde festgestellt, daß solch eine verstreute Betätigung einer Mehrzahl von Wandlern sogar eine weitere Beschleunigung der Sichtbarmachung ermöglich, weil dadurch ein Wandler erregt werden kann, ohne auf die vielfachen Reflektionen zu warten, die sich durch die Erregung der früheren Wandler ergeben und dann abklingen. Das ist möglich, weil der Wandler seinen Impuls überträgt und die Reflektionen entlang eines Strahles empfängt, der im wesentlichen von dem Strahl des vorhergehenden Wandlers entfernt ist. Da die "Warteperiode", die durch eine solche verstreute Betätigung vermieden werden kann, etwa 500 η sec. betragen kann, wird dadurch eine bedeutende Beschleunigung der Prüfung erreicht.

Bei noch einer anderen Betriebsart der er-findungsgemäßen Vorrichtung können die einzelnen Wandler einer Anordnung in solch einer Weise erregt werden, daß die Zeit der Aufzeichnung der Echos sich der gesamten zur

609846/0931

Verfügung stehenden Zeit nähert. Bei der oben beschriebenen verstreuten Betätigung, bei welcher der Stromkreis in herkömmlicher Weise einen einzigen Ablenkungsgeneratorstromkreis für die Aufzeichnungsmittel enthält, ist die Zeit der Aufzeichnung der Echos etwa die Hälfte der insgesamt zur Verfügung stehenden Zeit, wobei die andere Hälfte der zur Verfügung sstehenden Zeit durch die Zeit zur übertragung der Impulse durch das Kopplungsmedium verbraucht wird. Bei der Alternativmethode der Betätigung jedoch wurde festgestellt, daß die Verwendung von zwei Ablenkungsgeneratorstromkreisen es ermöglicht, einen Impuls durch das Kopplungsmedium während der Periode der Aufzeichnung von Echos von dem vorhergehenden Impuls zu übertragen, so daß die Aufzeichnung der Echos von dem einen Impuls fast unmittelbar nach dem Ende der Aufzeichnung von Echos von dem vorhergehenden Impuls beginnen kann.

Wo die Mehrzahl der Wandler in einem einzigen Arm gemäß der Erfindung für die Oszillation in der Ebene des Armes angeordnet ist, ist es vorzuziehen, daß die Wandler mechanisch zur gleichzeitigen Oszillation verbunden sind. So wird ein einziger Motor für die Oszillation aller Wandler und, falls erwünscht, eine einzige überwachungsvorrichtung verwendet, um die Oszilla-

609846/0931

tionen aller Wandler zu überwachen, da ihre entsprechenden Strahlen relativ zueinander fest sind. Gemäß einem bevorzugtem Merkmal der Erfindung ist der einzige Arm auf einem Tragmechanismus befestigt, der sowohl eine Rotation als auch ein Kippen des Armes in bezug auf den zu prüfenden Gegenstand vorsieht. Die Rotation des Armes ermöglicht natürlich verschiedene Querschnittssichtbarmachungen/ die ohne Rückstellung des Gegenstandes zu erhalten sind, während das Kippen des Armes es den Wandlern ermöglicht, auf einen einzigen Punkt von verschiedenen Winkeln aus gerichtet zu werden, wodurch geneigte Abschnitte erhalten werden können. Geeignete Antriebsmittel können zur Erzeugung der Rotation und des Kippens und Überwachungsmittel vorgesehen sein, um die Stellung der Wandler zu messen. In ähnlicher Weise können Antriebsmittel und überwachungsmittel vorgesehen sein, um den Arm in den x-, y- und z-Richtungen zu bewegen und diese Bewegungen zu überwachen .

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 schematisch eine Vorrichtung gemäß

der Erfindung,
Fig. 4 genauer den Mechanismus zur Oszillation der

609846/0931

Wandler der Vorrichtung gemäß den Fig. 1-3,

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Elektronik für eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung gemäß der Erfindung,

Fig. 6 ein Übertrager- und Empfänger-Schaltblockdiagramm für den Stromkreis der Fig. 5,

Fig. 7 ein Blockdiagramm eines Winkel- und Ursprungsschaltungsnetzwerkes für den Stromkreis der Fig. 5,

Fig. 8 eine verstreute Methode der Betätigun-g der Vorrichtung, die den Stromkreis der Fig. 5 verwendet,

Fig. 9 eine Abänderung des Stromkreises der Fig. 5 und

Fig. 10 eine alternative Methode der Betätigung der Vorrichtung, die den abgeänderten Stromkreis der Fig. 9 verwendet.

Gemäß den Figuren 1-3 weist die Vorrichtung gemäß der Erfindung ein Gehäuse 19 in der Form einer Couch auf, auf der sich ein Patient 17 befindet. Der Patient 17 ist mit dem zu prüfenden Bereich in Kontakt mit einer flexiblen Kopplungsmembran 18, die eine öffnung im obersten Teil des Gehäuses 19 abdichtet. Das Gehäuse 19 ist mit einem Kopplungsmedium, z.B. Wasser, gefüllt und mit einem oberen Behälter 24 versehen, um einen geeigneten Kontakt zwischen dem Patienten

609846/0931

und der Membran 18 aufrechtzuerhalten.

Innerhalb des Gehäuses 19 befindet sich eine Mehrzahl von Wandlern 2, die in das Kopplungsmedium eingetaucht sind. Die Wandler 2 sind räumlich auf einem Tragarm

1 angeordnet, so daß sie in der Ebene dieses Armes oszillieren können, wodurch die entsprechenden Impulse von ültraschallenergie entlang von Strahlen gerichtet sind, die in dieser Ebene steuerbar sind. Acht Wandler

2 sind beispielsweise in den Figuren dargestellt, jedoch wird darauf hingewiesen, daß diese Zahl wunschgemäß verkleinert oder vergrößert werden kann. Gemäß Fig. 4 ist jeder Wandler 2 so angeordnet, daß er um einen Mittelpunkt 3 unter Wirkung eines Oszillatorarmes 4 oszillieren kann. Die entsprechenden Oszillatorarme 4 der Wandler 2 sind mittels Glieder 5 gekuppelt, die mit Einstellern 6 versehen sind, um die genaue Stellung der Wandler 2 in bezug zueinander und den Arm 1 einstellen zu können. Einer der Oszillatorarme 4 ist mit einem Zahnradsektor 7 versehen, der mit einem Zahnradritzel 8 eines Motors 9 in Eingriff steht, der am Tragarm 1 befestigt ist. Es ist klar, daß eine Rotation der Welle des Motors 9 eine gleichzeitige Drehung eines jeden Meßwandlers 2 um seinen Mittelpunkt 3 bewirkt. Die Stellung oder der Winkel eines jeden Wandlers 2 wird durch Mittel zur überwachung von Potentiometern 10 überwacht.

609846/0931

Wie Fig. 1 zeigt, ist der Arm 1 an einem Rahmen befestigt, der zum Patienten 17 hin und von ihm weg verschoben werden kann, um die Lage der am Arm 1 befestigten Wandler in bezug auf den Patienten einstellen zu können. Der Rahmen ist verschiebbar auf Säulen 11 angeordnet, und die Bewegung auf diesen Säulen wird von einem Motor 12, z.B. mittels einer Zahnstange und eines Antriebsritzels, gesteuert. Der Rahmen ist auch auf einem Wagen 25 befestigt, der entlang einer Bahn 15 gleitet und von einem Motor 22 (Fig. 3) mittels einer Zahnstange und eines Antriebsritzels oder dgl. gesteuert wird. Wie dargestellt, ermöglicht die Vorrichtung eine Bewegung des Wagens 25 entlang der Bahn 15 quer zum Patienten 17 in die dargestellte Lage. Eine Längsbewegung des Armes 1 in bezug auf den Patienten wird durch eine Bewegung entlang einer Bahn 16 mittels eines Motors 23 (Fig.3), z.B. mittels einer Zahnstange und eines Antriebsritzels bewirkt.

Wie am besten Fig. 2 zeigt, ist der Arm 1 auf einem Rahmen 20 befestigt, der von Lagern o.dgl. auf dem Wagen 25 unterstützt ist, um eine Kippbewegung in b-ezug auf den Patienten zu ermöglichen. Dieser Rahmen 20 ist mit einem bogenförmigen Bahnabschnitt versehen, der die Welle eines Motors 13 z.B. in Eingriff mit einer Zahnstange und einem Antriebsritzel bringt, um den Arm zu kippen.

609846/0931

Der Rahmen 20 ist wiederum auf einem Plattenteller 21 befestigt, der eine Drehbewegung des Armes 1 in bezug auf den Wagen 25 bewirkt, die von einem Motor 14 gesteuert wird. Es ist klar, daß durch die Anordnung geeigneter Mechanismen der Tragarm 1 quer, längs oder auf den Patienten 17 zu oder von ihm weg verstellt werden kann. Weiterhin kann der Tragarm 1 gekippt oder relativ zum Patienten gedreht werden, um irgendeine gewünschte Abtastebene der Wandler 2 zu ermöglichen. Z.B. kann der Arm um 1° bis 180 ° gedreht werden, um Quer-, Längs- oder schräge Echogramme zu bewirken, und er kann um Winkel von 1 ° bis + 30 ° gekippt werden, um einen geneigten

Abschnitt zu ergeben. Durch die Kippbewegung soll der Arm um die Haut des Patienten gedreht werden, wodurch die Übertragungsbewegung der Abtastebene verringert

wird, die normalerweise bei der Kippbewegung erhalten wird. Der Arm kann auch in die x-, y- und z-Richtungen um Beträge von 1 mm bis 2 cm übertragen werden, um automatisch eine Anzahl von parallelen Echogrammen zu erhalten, die durch ausgewählte Abstände voneinander getrennt
sind. Bei der Wasserkopplungsmethode werden alle diese Abschnitte ohne Änderung der Kopplung mit dem Patienten erhalten, wodurch zuverlässige Querschnittswechselbeziehungen der Einzelheiten in Echogrammen möglich sind, die in
den verschiedenen Ebenen erhalten werden.

Vorzugsweise werden alle Bewegungen der Wandler durch 609846/0931

Schrittmotoren verursacht. Diese haben den Vorteil, daß ihre Betätigung durch die Verwendung von elektrischen Impulsen gesteuert werden. Für die oszillatorische Bewegung der Wandler wird der Grad der Verwendung nach und nach aufgebaut, dann während der Echogrammbildung konstant gehalten und dann nach und nach verlangsamt, wodurch eine reproduzierbare gleichförmige Bewegung gegeben ist, die für die Erreichung einer konsistenten Grauskala notwendig ist und die Vibrationen reduziert, die während der Beschleunigung oder Verzögerung der Wandler auftreten. Schrittmotoren können auch durch Computer gesteuert werden, und alle Bewegungen des Abtasters können von Computern gesteuert werden.

Der schnelle Erhalt von hochqualifizierten Echogrammen hat offensichtlich Vorteile. Er reduziert Verschwommenheiten von Einzelheiten, die durch die Bewegung von Strukturen während der Ausbildung der Echogramme verursaht werden, und ermöglicht gewissermaßen eine Realzeitbetrachtung desselben Abschnittes. Alternativ ermöglicht er die Aufnahme mehrerer Ansichten unter verschiedenen Winkeln, wodurch die Prüfung der Durchleuchtung etwas ähnlich gemacht wird. Die Gesamtzeit, die für die Gesamtüberprüfung notwendig ist, wird auch bedeutend reduziert, wodurch es möglich ist, mit der gleichen Vorrichtung eine größere klinische Belastung zu bewältigen. Die Vorrichtung hat auch

609846/0931

den Vorteil, daß sie eine srdnimale Anzahl von Impulsen verwendet, um ein zusammengesetztes Abtastechogramm zu erhalten, und kein Gewebe braucht mehr als z.B. achtmal bestrahlt zu werden. Um die Bestrahlungsdosis zu verringern, steuern die Dämpfungsgliedeinstellungen des Echoskops die Größe der übertragenen Energie und nicht die Verstärkung des Empfängers. Beim Echoskop der Erfindung kann auch die Möglichkeit gegeben sein, irgendwelche Wandler abzuschalten und auch eine einfache Abtastung zu ermöglichen, die von einem beliebigen Wandler erhalten werden kann.

Infolge der vielen Bewegungsgrade ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr vielseitig, und sie kann in einer Vielfalt von anderen Betriebsarten verwendet werden. Z.B. wird durch die Verbindung einer Übertragungsbewegung in der Längsrichtung des Armes ein zusammengesetztes Abtastechogramm erhalten, wobei der Ursprung der Oszillation der Wandler bewegt wird. Diese Betriebsart ist in Fällen nützlich, wo es erwünscht ist, die Bereiche um einige übereinanderliegende schattenbildende Strukturen, z.B. Rippen, zu betrachten. Diese Übertragungsbewegung reduziert auch die Mohrschen Interferenzmuster, die bei der stationären Betriebsart erhalten werden. Die Übertragungsbewegung in diesem Falle braucht nicht groß zu sein, da eine der Entfernung zwischen den Wandlern entsprechsnds Bewegung angemessen ist und

609846/0331

diese Bewegung in derselben Zeit erhalten werden kann, die für die einzige oszillatorische Bewegung notwendig ist.

Bei einer anderen Betriebsart können alle Wandler so ausgebildet sein, daß sie wie ein einziger Wandler wirken, der der Größe des Armes entspricht und der hinsichtlich der Fokussierung von der Art ist, wie sie bei ringförmigen Phasenfeldwandlern verwendet werden, um eine stark fokussierte Sichtlinie entlang der Achse des Armes zu erzeugen. Eine lineare Abtastung kann dann durch Übertragung des Armes in die Längsrichtung erfolgen.

Die Vielfachwandleranordnung des Echoskops kann dazu verwendet werden, Gewebe in dem einzigen Sender-Empfänger zu prüfen, eine Betriebsart, die dem Vielkanalempfängerbetrieb analog ist, der in der Seismologie verwendet wird. Querwechselwirkung der Informition, die von dem Vielfachwandler empfangen wird, kann dann dazu verwendet werden, die Vielfachreflektionsgegenstände im Gewebe zu reduzieren und lokale Werte der Geschwindigkeit in den verschiedenen sichtbar gemachten Geweben zu messen.

Der Querschnitt des Gewebes mit den verstreuten Echos kann auch durch zwei Methoden mit dem Echoskop erhalten

609846/0931

werden. Bei der ersten Methode wirx die Kippbewegung des Echoskops verwendet, wobei der Querschnitt mit den verstreuten Echos des Gewebes in einer Tiefe erhalten wird, die der Projektion von dem Wandler auf die Rotationsachse der Kippbewegung entspricht. Für einen Wandler, der aufrechtsteht, ist diese Tiefe gleich dem Krüm» mungsradius der Kippbewegung. Wenn alternativ die Wandler so ausgerichtet werden, daß sie sich im Zentrum kreuzen, dann liegt der Querschnitt des Gewebes mit den verstreuten Echos auf dem Radius der Kurve des Armes, und er wird durch Rotation des Armes erhalten. Die erste Methode gibt die Echoquerstreuung als _>Funktion eines Winkels in einer festen Ebene wieder, während die zweite Methode den Wert dieses Parameters wiedergibt, wenn er unter einem konstanten Winkel in einer variablen Ebene betrachtet wird. Bei beiden Methoden ermöglicht die Vielfachwandleranordnung des Echoskops eine relativ grobe zweidimensionale Abhängigkeit des Parameters.

Eine Betriebsart der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in den Fig. 5 bis 7 dargestellt.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, liefert eine Hauptuhr 65 Grundzeitimpulse, um eine Vielkanaluhr 64 in Gang zu bringen und Motoren 52,54 über eine Motorsteuerung 57,58,59

609848/0931

2S19231

anzutreiben.

Die Ausgänge der Vielkanaluhr 64 wiederum löst Impulse für jeden Kanal bei Erhalt eines Impulses von der Hauptuhr 65 aus.

Ein Kanalwähler 60 zählt Triggerimpulse und sendet einen binären Kanaladressencode an das Sender- und Empfänger-Schaltnetzwerk 65 und zum Winkel- und Ursprungsschaltnetzwerk 56.

Ein Signalverarbeiter 62 verarbeitet Echos von dem Sender- und Empfänger-Schaltnetzwerk 55. Diese Echosignale werden zusammen mit ausgetasteten Impulsen einem Intensitätsmodulationseingang einer Darstellungseinheit 66 zugeführt.

Ein Ablenkungsgenerator 61 erzeugt X- und Y-Ablenkungsspannungen von Signalen, die vom Winkel-und Ursprungs-Schaltnetzwerk 56 erhalten werden.

Die Fig. 6 zeigt das Sender- und Empfänger-Schaltnetzwerk in genauerer Darstellung. Wie Fig. 6 zeigt, dekodiert ein Sender- und Empfangsdekoder 73 Kanalwähler-Ausgangssignale von dem Kanalwähler 60, um den genauen Diodenschaltantrieb 72 und den Senderantrieb 71 wirksam zu machen. Der Vielfachkanaluhrausgang

609846/0931

triggert dann den Senderantrieb 71, um den Sender 70 zu erregen.

Ein Empfängerdiodenschalter 74 wird durch den Dekoder über den Diodenschaltantrieb 72 erregt, welcher die Abgabe von Echosignalen an einen Vorverstärker 76 ermöglicht.

In Fig. 7 ist das Winkel- und Ursprungsschaltnetzwerk 56 der Fig. 5 genauer offenbart. Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, dekodiert ein Winkel- und Ursprungs-Dekoder 82 den Kanalwählerausgang, um den genauen Schaltantrieb 81 wirksam zu machen und folglich den genauen Potentiometerversorgungsschalter 80 zu drehen. Der Versorgungsschalter 80 liefert Bezugsspannungen an die Sinus-Kosinus-Winkel-Überwachungspotentiometer 83 und an das Ursprungsnetzwerk 84.

Die X- und Y-Ursprungskoordinaten des Ursprungsnetzwerkes 84 und der Sinus- und Kosinus-Winkelausgang des Potentiometers 83 werden über ihre entsprechenden OR-Tore an die Ablenkungsgeneratoren 61 (Fig. 5) innerhalb der Verarbeitungselektronik gelegt.

Fig. 8 zeigt graphisch die verstreute Betriebsart, von welcher angenommen werden kann, daß sie die Stromkreise der Fig. 5-7 benutzt. Aus Fig. 8 ist ersichtlich, daß durch Einstellung die Impulse, z.B. der Impuls 1 vom 609846/0931

Impuls 5 gefolgt wird, und zwar eher als direkt vom Impuls 2, und der Impuls 5 durch das Wasser, das als Kopplungsmedium wirkt, nach einem kurzen Zeitablauf, die Anlaufzeit, die Vervollständigung der Aufzeichnung der Echos des Impulses 1 folgt. Wie oben beschrieben, braucht bei dieser verstreuten Betriebsart die Übertragung des Impulses 5 durch das Kopplungsmedium nicht verzögert zu werden, bis die Vielfachreflektionen des Impulses 1 abklingen, da der Strahl des Impulses 5 wesentlich von dem Strahl des Impulses 1 entfernt ist. Wenn natürlich der Impuls 2 nach der Aufzeichnung der Echos des Impulses 5 übertragen und eine kurze Anlaufzeit gegeben ist,'werden dann die Vielfachreflektionen des Impulses 1 abgeklungen sein. Fig. 8 zeigt, daß bei Verwendung dieser Betriebsart eine Aufzeichnungszeit von etwa der Hälfte der insgesamt zur Verfügung stehenden Zeit erhalten werden kann.

Fig. 9 zeigt eine Abänderung des Stromkreises gemäß Fig. 5, in welchem ein Ablenkungsgenerator 61 durch einen Ablenkungsgenerator 1 ersetzt ist. Außerdem sind ein Ablenkungsgenerator 2 und ein Ablenkungswähler dargestellt. Getrennte Winkel- und Ursprungs-Schaltnetzwerke sind für jeden Ablenkungsgenerator vorgesehen. Andere ganze Zahlen der Fig. 9, welche nicht gezeigt sind, gehen aus Fig. 5 hervor.

609846/0931

Die Fig. 10 zeigt eine Alternativbetriebsart der Vorrichtung gemäß der Erfindung, die einen abgeänderten Stromkreis der Fig. 9 verwendet. Bei dieser alternativen Betriebsart ermöglicht das Vorhandensein eines zweiten Ablenkungsgenerators, einen Impuls 5 durch das Kopplungsmedium im wesentlichen zur gleichen Zeit zu übertragen, zu der die Darstellung der Echos vom Impuls 1 ausgeführt wird, wobei der erste Ablenkungsgenerator verwendet wird. So kann die Darstellung der Echos vom Impuls 5 fast unmittelbar nach Vervollständigung der Darstellung der Echos vom Impuls 1 durchgeführt werden. Zur im wesentlichen gleicher Zeit kann der Impuls 2 durch das Kopplungsmedium übertragen werden, wobei der erste Ablenkungsgenerator verwendet wird. Fig. 10 zeigt, daß durch die Verwendung dieser Betriebsart eine Darstellungszeit erreicht werden kann, die der insgesamt verfügbaren Zeit näher kommt.

Aus der vorhergehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Erfindung eine schnellere und vollständigere Abtastung eines Gegenstandes ermöglicht, der der Ultraschallprüfung unterworfen wird.

609848/0931

Claims

2613231 Patentansprüche

1.JVorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Gegenstandes, die ein Gehäuse, das mit einem Kopplungsmedium gefüllt ist, eine öffnung besitzt und mit Wandlern versehen ist, die in das Kopplungsmedium eingetaucht sind und zum Senden von Impulsen von Ultraschallenergie durch die öffnung in einen Gegenstand dienen, der in der Nähe der öffnung liegt, und Mittel zum Empfang von Echos der Impulse von Ultraschallenergie aufweist', die durch die öffnung von akustischen Widerstandsunstetigkeiten innerhalb des Gegenstandes reflektiert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsmedium Wasser ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die öffnung im Gehäuse mit einer

flexiblen Membran abgedeckt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse oben mit einem Behälter versehen ist, der das Kopplungsmedium einschließt, um den Flüssigkeitsdruck auf die Kopplungsmembran während ihrer Durchbiegung aufrechtzuerhalten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

609846/0331

daß eine Mehrzahl von Wandlern in einem Arm befestigt sind, der innerhalb des Gehäuses mittels eines Tragmechanismusses für die Bewegung in bezug auf den Gegenstand befestigt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm kurvenförmig um einen Punkt innerhalb des zu prüfenden Gegenstandes ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragmechanismus Mittel, um den Arm zum und vom Gegenstand weg zu bewegen, und Mittel, um den Arm längs und quer in bezug auf eine Achse des Gegenstandes zu bewegen, sowie Mittel aufweist, um den Arm in bezug auf den Gegenstand zu drehen und zu kippen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler in diesem Arm drehbar in der Ebene des Armes angeordnet ist und sämtliche Wandler mechanisch für eine gleichzeitige Bewegung miteinander verbunden sind.

9. Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Gegenstandes, bei dem Impulse von Ultraschallenergie entlang einer Mehrzahl von Strahlen in den Gegenstand gerichtet und Echos dieser Impulse empfangen werden, die entlang

609846/0931

dieser Strahlen durch akustische Widerstandsunstetigkeiten in dem Gegenstand reflektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen in den Gegenstand von Stellungen aus
gerichtet werden, die voneinander entfernt sind, wobei diese Strahlen in einer einzigen Ebene in mehrere Winkelrichtungen gesteuert und die Impulse nacheinander entlang eines jeden Strahles in jede dieser Winkelrichtungen mit einer genügend großen Geschwindigkeit gerichtet werden, verglichen mit der Bewegungsgeschwindigkeit der Wandlerstrahlen, daß jeder Wandlerstrahl sich nur eine kleine Entfernung zwischen aufeinanderfolgenden Aktivierungen

bewegt und daß die folgende Aktivierung entlang den
Wandlerstrahlen eine aufeinanderfolgende Aktivierung

entlang nicht benachbarter Strahlen aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impuls von Ultraschallenergie in den Gegenstand entlang einer der Wandlerstrahlen im wesentlichen gleichzeitig mit dem Empfang der Echos eines vorhergehenden Impulses gerichtet wird.

11. Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Ge-genstandes mit einer Mehrzahl von Wandlern, von denen Impulse von Ultraschallenergie entlang eines Strahles in den Gegenstand gerichtet und Echos dieser Impulse empfangen werden, die entlang dee Strahles durch akustische Widerstandsunstetigkeiten in dem Gegenstand reflektiert werden, wo-

G09846VG931

bei die Wandler räumlich voneinander in bezug aufeinander und den Gegenstand angeordnet sind, mit Mitteln zum Steueren des Strahles eines jeden Wandlers in eine Mehrzahl von Winkelrichtungen in einer einzigen Ebene, und mit Mitteln zur aufeianderfolgenden Aktivierung eines jeden Wandlers, um einen Impuls von Ultraschallenergie entlang eines Strahles in den Gegenstand zu richten und Echos zu empfangen, die entlang dieses Strahles in den Winkelrichtungen mit genügend großer Geschwindigkeit reflektiert werden, verglichen mit der Bewegungsgeschwindigkeit des Wandlerstrahles, wobei sich jeder Wandlerstrahl nur eine kleine Entfernung zwischen aufeinanderfolgenden Aktivierungen bewegt und die Mittel zur aufeinanderfolgenden Aktivierung eines jeden Wandlers Mittel zur Aktivierung nichtbenachbarter Wandler aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur aufeinanderfolgenden Aktivierung eines jeden Wandlers Mittel zur Aktivierung eines Wandlers aufweisen, um einen Impuls von Ultraschallenergie entlang einem Strahl in den Gegenstand im wesentlichen gleichzeitig mit dem Empfang von Echos aufweisen, die von der Aktivierung des vorhergehenden Wandlers herrühren.

609848/0931

Leerseite