DE2631153A1 - Ultraschall-pruefgeraet - Google Patents

Description

Ultraschall-Prüfgerät

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Erzeugen elektrischer Signale, und zwar zum sofortigen Ermitteln der Position eines Gegenstandes in bezug auf ein Koordinatensystem. Insbesondere handelt es sich hierbei um ein Gerät zum Prüfen von Körpern mit nicht planen Oberflächen durch Ultraschall. Ein besonderer Anwendungsfall der Erfindung besteht in einem drei-dimensionalen Ultraschall-Impuls -Echoabtaster für medizinische Diagnosezwecke.

Ultraschall-Prüfungsgeräte bekannter Art sind z.B. in der GB-PS Nr. 1 212 3>^9 beschrieben. Solche Geräte weisen eine Sonde auf, die derart gelagert ist, daß sie eine translatorisehe Bewegung entlang dreier Koordinatenachsen sowie zwei Drehbewegungen ausführen kann. Die vorliegende Erfindung geht ebenfalls von einer solchen Sondenaufhängung und Anordnung aus. Bei dem vorbekannten Gerät gemäß jener Patentschrift werden die die augenblickliche Lage und Stellung der Sonde definierenden Signale von Potentiometern abgeleitet. Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein System zu schaffen, bei welchem die Positionssignale ohne die Verwendung von Potentiometern gewonnen werden können.

Das erfindungsgemäße Gerät vermag elektrische Signale zu erzeugen, welche augenblicklich die Lage eines Gegenstandes in bezug auf ein Koordinatensystem wiedergeben. Es weist einen Sender auf, der derart angeordnet und gesteuert ist, daß seine augenblickliche Lage relativ zu einer Vielzahl von Empfängern der augenblicklichen Lage des Gegenstandes relativ zu dem genannten Koordinatensystem entspricht, und wobei die Empfänger derart angeordnet sind, daß sie Schwingungsenergie aus dem genannten Sender empfangen und diese Energie in elektrische Signale umwandeln, die die augenblick-

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liehe Lage der genannten Sender relativ zu den genannten Empfängern veranschaulichen.

Ein solcher Sender ist vorzugsweise als Ultraschallimpulsgeber ausgebildet; dementsprechend sind die Empfänger Ultraschall-Transducer. Man verwendet gemäß der Erfindung vorzugsweise drei Transducer, deren jeder eine efoene Empfangsfläche aufweist, wobei die drei Flächen rechtwinkelig zueinander angeordnet sind und somit ein System orthogonaler Achsen definieren. Dabei geben die elektrischen Signale vorzugsweise die Zeit wieder, die ein Ultraschallimpuls benötigt, um von dem Transmitter zu jedem einzelnen der drei Transducer zu gelangen .

Gemäß der Erfindung wird weiterhin vorgesehen, nicht nur Signale zum Wiedergeben der augenblicklichen Lage des Gegenstandes im Koordinatensystem zu erzeugen, sondern auch solche Signale, die die Lage einer Achse des Gegenstandes in demselben System wiederspiegeln. Zu diesem Zweck werden zwei Sender verwendet, die derart angeordnet und gesteuert sind, daß die Linie, die deren Zentren miteinander verbindet, derart ausgerichtet ist, daß sie der Lage der Achse in dem Gegenstand entspricht. Die Signale, welche die Lage der die Transmitter miteinander verbindende Linie definieren, werden abgeleitet aus den Differenzen der Zeitdauer, die die Ultraschallenergie benötigt, um von den beiden Sendern zu den drei Empfängern zu gelangen.

Wie bereits vorausgeschickt, ist die vorliegende Erfindung insbesondere anwendbar für die Ultraschallerfassung oder für Prüfgeräte. In einem solchen Falle ist der obengenannte Gegenstand die Ultraschallsonde, und die Achse in dem Gegenstand ist die Richtachse der Schwingungsenergie, die von der Sonde übertragen wird.

Die Sonde kann derart montiert werden, daß sie drei Freiheitsgrade translatDDischer Bewegung und zwei Freiheitsgrade der Drehbewegung aufweist, soweit dies das Gerät mechanisch zuläßt. Zu diesem Zwecke kann die Sonde in Kardanlagern gelagert werden, um zwei Freiheitsgrade der Drehbewegung zu erlauben. Die kardanische Lagerung wird am Ende eines Tragarmes vorgesehen, welcher seinerseits in einem

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Kreuzgelenk gelagert ist, so daß er frei angehoben und abgesenkt werden kann, von einer Seite nach der anderen schwenkbar ist, und auch um seine eigene Achse verdrehbar ist. Dieses Kreuzgelenk kann in einem vertikalen Säulenstativ angeordnet werden, welches seinerseits entlang einer horizontalen Achse verfahrbar ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung dient das Gerät der Ultraschalluntersuchung von Körpern mit nicht planen Oberflächen. Es weist eine länglich gestaltete Sonde auf, welche einen Strahl von Ultraschallimpulsen auf einen Körper zu richten und die von dem Körper reflektierten Impulse wieder aufzufangen vermag. Dabei ist die Sonde derart auf einem Tragarm montiert, daß sie um eine erste und um eine zweite Achse schwenkbar ist, wobei diese beiden Achsen senkrecht zueinander angeordnet und in dem Tragarm befestigt sind. Der genannte Tragarm ist auf einem Säulenstativ montiert, so daß er eine begrenzte Drehfreiheit um seine eigene Achse hat, wie auch um eine dritte Achse verschwenkbar ist, welche senkrecht zu der Achse des Tragarmes und zu einer vierten Achse verläuft. Die dritte und die vierte Achse sind in dem Säulenstativ angeordnet. Ebenfalls sind hierin Mittel angeordnet, um elektrische Signale zu erzeugen, welche die augenblickliche Lage eines Punktes auf der Längsachse der Sonde und die augenblickliche Haltung der genannten Achsen in bezug auf ein Koordinatensystem definieren.

Bei Jener Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die elektrischen Signale zum Anzeigen der Position und der Lage der Sonde dienen, werden die beiden Sender derart angeordnet und gesteuert, daß sie den Winkelbewegungen der Sonde relativ zu dem Tragarm und auch den Bewegungen des Tragarmes relativ zum Säulenstativ folgen. Sie können außerdem derart gestaltet und/oder veranlaßt werden, daß sie der Bewegung des Statives entlang dessen horizontaler Achse folgen. Um dieser besonderen Bewegung zu folgen, ist es jedoch einfacher., daß die empfangende Oberfläche eines der Transducer senkrecht zur Richtung der genannten horizontalen Achse ist gelegt wird, und daß dieser Transducer veranlaßt wird, die Bewegung des Statives nachzuvollziehen.

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Die Winkelbewegungen der die Sender miteinander verbindenden Linie entsprechen den Winkelbewegungen der Sonde. Die translatorischen Bewegungen der Transmitter sind aber den translatorischen Bewegungen der Sonde in verringertem Maßstab proportional.

Die beiden Energietransmitter (Sender) werden zweckmäßigerweise in einem Behälter angeordnet, welcher ein akustisch übertragendes Medium enthält. Das Medium ist vorzugsweise eine Flüssigkeit, es kann aber auch in besonderen Fällen Gas oder Luft sein. Die Transmitter können als Tropfen (auch sogenannte Pillen oder Tabletten genannt) ausgebildet werden, um sphärische akustische Wellenserien zu erzeugen. Jeder der in dem Behälter angeordneten Transducer kann aus einer einzelnen flachen Scheibe oder einem coplanaren Mosaik solcher Scheiben bestehen, die vorzugsweise elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Gesamtabmessungen der Platten oder Scheiben oder der Mosaiken ist derart gewählt, daß jegliche Senkrechte, welche durch irgendeine Tablette auf einer der Ebene eines der Transducer-Oberflächen errichtet wird, stets innerhalb der Grenzen der jeweiligen Platte oder des jeweiligen Mosaiks innerhalb der Grenzen der Bewegung der Ultraschallsonde und der zugehörigen Bewegung des Transmitters liegt. Wie bereits ausgeführt, kann eine der Scheiben oder Mosaiken derart angeordnet werden, daß eine Bewegung senkrecht zu seiner Ebene möglich ist. Hierbei ist eine solche Bewegung proportional zu - und in umgekehrter Richtung zu der Bewegung, welche sonst dem Sender aufgeprägt würde.

Es werden ferner Mittel vorgesehen, um kurze Impulse elektrischer Energie zu erzeugen, die den beiden Transmitters zugeführt werden, um sphärische Impulsserien von Ultraschallenergie zu erzeugen. Ferner werden Mittel vorgesehen, um elektrische Signale zu erzeugen, welche proportional zu der verstrichenen Zeit zwischen dem Senden der Wellenserie einer jeden Pille und dem Empfangen der Wellenserie durch jeden Empfänger ist. Jedes derartige Signal ist dabei proportional zum senkrechten Abstand zwischen dem jeweiligen Sender und der zugehörenden Empfängerfläche. Die Signale, welche die Lage der Sonde im Raum wiederspiegeln, können nur von den

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Signalen abgeleitet werden, welche von dem ersten Transmitter empfangen werden; sie können aber auch dadurch hergeleitet werden, daß man diese Signale kombiniert mit Jenen, die man von dem zweiten Transmitter empfängt. Die Signale, welche die Lage der Sonde im Raum wiedergeben, werden stets abgeleitet von einer Kombination der von den beiden Transmittern empfangenen Signalen.

Die Wellentransmitter können dazu gebracht werden, der translatorischen Bewegung der Sonde zu folgen. Dies geschieht dadurch, daß man sie auf Stangen (Hebeln) montiert, die in einer rückwärtigen Portsetzung des Tragarmes angeordnet sind, welcher seinerseits die Sonde trägt. Die Länge dieser Portsetzung kann z.B. ein Zehntel der Länge des Tragarmes selbst betragen. Bei einer solchen Anordnung führt das freie Ende der Portsetzung Bewegungen aus, welche umgekehrte Bilder der Bewegungen des vorderen Endes des Tragarmes sind, und zwar in einem um den Paktor 10 reduzierten Maßstab.

Der Schnittpunkt der beiden zueinander senkrechten ersten und zweiten Achsen, um welche die Sonde schwenkbar ist, liegt zweckmäßigerweise in einem Abstand von der Längsachse des Tragarmes. Die Längsachse der Probe kann ebenfalls einen Abstand von diesem Schnittpunkt entlang der genannten ersten Achse aufweisen. Die Stifte (Stäbe oder Stangen), welche die beiden Pillen an ihren freien Enden tragen, können von einem Wellenstumpf herausragen, welcher in einem Lager drehbar ist. Einer der Stifte ist gerade und senkrecht zu dem Wellenstumpf,und die Entfernung zwischen dem Wellenstumpf und dem Zentrum der von diesem Stift getragenen Pille entspricht dem Abstand zwischen der genannten ersten Achse und der Abstrahlungsflache des Ultraschallgebers in der Sonde. Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel ist die Entfernung zwischen dem Wellenstumpf und der Pille demgemäß ein Zehntel der Entfernung zwischen der ersten Achse und der genannten Fläche. Der andere Stift ist gekröpft und ist derart angeordnet, daß er eine zweite Pille trägt, so daß diese von der ersten Pille einen Abstand einnimmt. Die die beiden Pillen miteinander verbindende Linie verläuft senkrecht zu dem Wellenstumpf. Auf diese Weise entspricht die Lage der zweiten

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Pille einem Punkt der Richtachse des Strahles von dem Geber in der Sonde.

Das Lager, in welchem der Wellenstumpf drehbar ist, ist in einem Bauteil befestigt, das um eine Achse drehbar ist, welche sich ihrerseits mit der Wellenstumpfachse unter einem rechten Winkel schneidet. Die Rotationsachse dieses Bauteiles nimmt einen Abstand zur Ebene ein, in der die die beiden Pillen miteinander verbindende Linie liegt. Dieser Abstand ist gleich einem Zehntel des Abstandes zwischen der zweiten Achse und der Längsachse der Sonde. Die Drehachse des Bauteiles ist ebenfalls in einem Abstand von der Längsachse des Tragarmes angeordnet; es hat eine Längserstreckung von einem Zehntel der Entfernung zwischen der zweiten Achse und der Längsachse des Tragarmes. Zu diesem Zwecke kann das rückwärtige Ende seiner Erstreckung gekröpft sein.

Die Drehbewegungen der Sonde um die erste und die zweite Achse werden vorzugsweise auf den Wellenstumpf sowie auf das drehbare Bauteil mittels Zugseilen übertragen, welche innerhalb des Tragarmes angeordnet sind.

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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist:

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Prüfgerät.

Fig. 2 zeigt ebenfalls in perspektivischer Ansicht, jedoch in vergrößertem Maßstab, die Aufhängung der Ultraschallsonde, die in dem in Fig. 1 wiedergegebenen Gerät verwendet wird.

Fig· 3 gibt in perspektivischer Darstellung in ver-• · größertem Maßstab eine Seitenansicht der Sonde

sowie der Aufhängevorrichtung wieder, die bereits in Fig. 2 zu sehen ist.

Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung und teilweise weggeschnitten das Innere einer Meßvorrichtung, so wie sie in dem in Fig. 1 wiedergegebenen Gerät verwendet wird.

Fig. 5 stellt in Seitenansicht in vergrößertem Maßstab einen Teil der in Fig. 4 wiedergegebenen Meßvorrichtung dar.

Fig. 6 ist eine Draufsicht desjenigen Teiles der Meßvorrichtung, der in Fig. 5 gezeigt ist.

Fig. 7 zeigt die um 90° geschwenkte und teilweise im Schnitt dargestellte Aufhängevorrichtung, die zur Montage auf dem in Fig. 1 gezeigten Stativ des Gerätes bestimmt ist.

Fig. 8 stellt eine Bremsvorrichtung für das in Fig. wiedergegebene Gerät dar, und zwar in geschnittener Seitenansicht.

Fig· 9 gibt schematisch die Elemente wieder, die dem

Übertragen der Bewegung vom Stativ des in Fig. gezeigten Meßgerätes dienen.

Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht der Einrichtung zum Verbinden des Tragarmes mit dem Stativ.

Fig. 11 gibt in Draufsicht und teilweise in Schnittdarstellung einen Teil der in Fig. 10 wiedergegebenen Tragvorrichtung an.

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Pig. 12 ist ein Blockschaltbild der elektrischen Ausrüstung, die bei einem in den Figuren 1 bis 11 veranschaulichten Gerät benutzt wird.

Fig. 13 ist ein weiteres Blockschaltbild zur Veranschaulichung der elektrischen Ausrüstung, jedoch mehr ins Einzelne gehend, als in Fig. 12.

Das in Fig. 1 dargestellte Gerät weist eine Grundplatte 1 auf. Diese ist auf Laufrollen verfahrbar, von denen die Rollen 2 und 3 teilweise erkennbar sind. Sobald das Gerät in bezug auf eine Untersuchungsliege 4 in die gewünschte Position verbracht ist, wird es mittels Bremsklötzen 5 festgestellt, die ihrerseits durch Drehgriffe 6 betätigt werden.

Ein Stativ 7 ist auf Schienen in bezug auf die Grundplatte 1 verfahrbar. Am oberen Ende der Stativsäule befindet sich eine Meßvorrichtung 8. Am einen Ende der Meßvorrichtung 8 ist ein Tragarm 10 vorgesehen, der in einem Kreuzgelenk gelagert ist. Wie durch Pfeil 11 angedeutet, ist dieser Tragarm um seine eigene Achse verschwenkbar, ferner um eine horizontale Achse, wie durch Pfeil 12 angedeutet, und schließlich um eine im wesentlichen vertikal verlaufende Achse, wie durch Pfeil 13 veranschaulicht.

Auf dem freien Ende des Tragarmes 10 ist ein Kopf 14 montiert, welcher ein Getriebe 15 trägt. Dieses ist um eine Achse 16 verdrehbar, wie durch Pfeil 17 veranschaulicht. Eine Ultraschallsonde 18 ist um eine Achse 19 im Getriebe 15 verschwenkbar, veranschaulicht durch Pfeil 20. Die Bewegungen des Getriebes 15 um die Achse 16 werden auf eine Meßvorrichtung 8 übertragen, und zwar mittels Kabelzügen 21. Diese letzteren umschlingen eine Seilscheibe J>0, die mit dem Getriebe 15 verschwenkbar sind, und sie sind außerdem über Seilscheiben 22 sowie im Inneren des Tragarmes 10 geführt. Eine Bewegung der Sonde 18 um die Achse 19 zur Meßvorrichtung 8 wird auch durch weitere Kabel übertragen, welche sich entlang dem Tragarm 10 erstrecken - näheres siehe Figuren 2 und 3·

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Wie man sieht, ist auf dem Tragarm 10 ein nockenförmiger Bund montiert, der mit einem in der Vorderwand des Gehäuses 161 der Meßvorrichtung 8 befindlichen Schlitz 1βθ zusammenarbeitet und dadurch die Bewegung des Tragarmes 10 bei dessen Auslenkung in jeglicher Richtung begrenzt.

Figur 2 zeigt den Kopf 14 in einer mehr ins Einzelne gehenden Darstellung. Hieraus sind auch die Kabelzüge 23 erkennbar, die die Bewegung der Sonde 18 um die Achse 19 der Me 13vorrichtung 8 übertragen. Die Sonde 18 ist mittels einer Schraube 25 abnehmbar an einem Sattel 2h befestigt, wie aus Figur 3 hervorgeht. Der Sattel ist auf einem Wellenstumpf 25 drehbar, welcher seinerseits in Lagern im Gehäuse 15 gelagert ist. Auf dem Wellenstumpf 25 ist ein Kegelzahnrad 26 angeordnet, das mit einem weiteren Kegelrad 27 auf einem Wellenstumpf 28 kämmt. Auf dem Wellenstumpf 28 ist außerdem eine Seilscheibe 29 befestigt. Die Kabelzüge 23 sind um die Seilscheibe 29 herumgeführt. Hierdurch ruft jede Bewegung der Sonde 18 um die Achse 19 eine Bewegung eines der Kabel 23 in einer Richtung entlang dem Tragarm 10 hervor, während das andere Kabel 23 in Gegenrichtung verläuft. Die Seilscheibe 30, die in den Figuren 2 und 3 nicht erkennbar ist, ist auf einem anderen Wellenstumpf befestigt, welcher im Getriebe 15 gelagert ist. Hieraus folgt, daß eine Bewegung des Getriebes um die Achse 16 eine Verdrehung der Seilscheibe 30 erzeugt, was wiederum eines der Kabel 21 dazu veranlaßt, in einer Richtung entlang dem Tragarm 10 zu laufen, während das andere Kabel 21 in Gegenrichtung läuft.

Figur 4^z-£igt in Gesamtansicht die Meßvorrichtung 8. Man :erkennt hieraus, daß diese einen Meßbehälter 31 aufweist, der von einem Gehäuse l6l umschlossen ist. Der Meßbehälter ist mit Öl gefüllt, welches ein gutes Medium zur Übertragung von Schallwellen darstellt. Der Behälter ist ausgekleidet mit akustischem Material 32; dieses absorbiert Ultraschallwellen und verhindert Reflexionen. Der Tragarm 10 ragt in den Behälter hinein, und zwar durch eine nicht dargestellte öldichtmuffe. Ein gekröpfter Arm 33 ^ist am inneren Ende des Tragarmes befestigt. Er trägt Stellhebel ^a und 35* auf welchen Ultraschalltransmitter 36 und 37 vorgesehen sind. Diese sind tropfenförmig gestaltet, um sphärische akustische Wellen zu erzeugen. Bei dem besonderen, hier dargestellten Ausführungs-

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beispiel beträgt der Abstand zwischen dem äußeren Ende des Tragarmes 10 und dem Schnittpunkt der Schwenkachsen des Kreuzgelenksystems 9 das Zehnfache des Abstandes zwischen dem genannten Schnittpunkt und dem inneren Ende des Tragarmes. Hieraus folgt, daß der Bereich, durch den sich das äußere Ende des Tragarmes hindurch bewegt, wenn dieser um eine der Gelenkachsen geschwenkt wird, stets das Zehnfache des Ausschlages ist, um den das innere Ende des Tragarmes sich zu bewegen vermag.

Die beiden Stellhebel 34 und 35 sind auf einer Welle 38 befestigt, die aus den Figuren 5 und 6 besser erkennbar ist. Diese Welle ist drehbar auf Lagern 40 in einem Winkelstück 39 gelagert und trägt ein Kegelrad 41, das mit einem weiteren Kegelrad 42 kämmt. Kegelrad 42 ist auf einer Welle 43- befestigt, die auf dem gekröpften Arm 33 gelagert ist. Am äußeren Ende der Welle 43 ist eine Seilscheibe 44 angeordnet. Diese ist über einen Riemen 45 mit einer weiteren Seilscheibe 46 verbunden, welche in Lagern im Tragarm 10 drehbar gelagert ist. Eine weitere Seilscheibe (in den Zeichnungen nicht sichtbar) ist zusammen mit der Seilscheibe 44 drehbar, und die beiden Kabelzüge 23 sind mit dieser Seilscheibe verbunden, so daß jegliche Winkelbewegungen der Sonde 18 um die Achse I9 in einer gleichförmigen Winkelbewegung des Wellenstumpfes 38 um seine eigene Achse resultieren.

Das Winkelstück 39 ist um die Achse des Wellenstumpfes 43 drehbar. Es ist mit der Seilscheibe 47 verbunden, die ihrerseits mittels eines Riemens 48 mit einer weiteren Seilscheibe 49 verbunden ist. Eine weitere, in den Zeichnungen nicht sichtbare Seilscheibe, ist mit der Seilscheibe 49 drehbar, und die zwei Kabelzüge 21 sind mit dieser Seilscheibe verbunden, so daß jegliche Winkelbewegung (Schwenkbewegung) des Getriebes I5 um die Achse l6 in einer eben solchen Winkelbewegung des Winkelstückes 39 um die Achse des Wellenstumpfes 43 resultiert.

Im Behälter 31 sind drei Ultraschall-Meßköpfe. Jeder von ihnen besteht aus einem in einer Ebene liegenden Mosaik von Schwingerscheiben (Transducer), die elektrisch hintereinander geschaltet

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sind. Einer der Meßköpfe 50 ist an einer Seitenwand des Behälters montiert, ein zweiter Meßkopf 51 ist am Deckel des Behälters befestigt, lind ein dritter Meßkopf 52 ist auf einer Welle 53 angeordnet, die in einem in der Rückwand des Behälters befindlichen Lager gleitbar ist. Ein Paltenbalk 54 ist als Öldichtung über diese Welle gestülpt. Der Meßkopf 52 ist so gesteuert, daß er jeglicher Bewegung der Stativsäule 7 auf der Grundplatte 1 folgt. Zu diesem Zweck ist der Fuß 55 des Statives 7 mit einer Welle 56 versehen, die zwei Seilscheiben 57 und 58 trägt (siehe insbesondere Figur 9)· Ein Zugdraht 59* der an seinen beiden Enden mittels Klemmen 60 und 6l an der Grundplatte 1 befestigt ist, umschlingt die Seilscheibe 57* so daß die Welle 56 dann in Drehung versetzt wird, wenn die Seilscheibe 57 auf dem Zugdraht abrollt. Eine solche Rotation wird auf einen weiteren Zugdraht 62 übertragen, der sich im Inneren der Säule nach oben erstreckt und der um Seilscheiben 63 und 64 herumgeführt ist, um sodann eine weitere Seilscheibe 65 zu umschlingen (siehe insbesondere Figur 4). Diese Seilscheibe 65 ist fest auf einer Welle 66 angeordnet, die auch ein Ritzel 67 trägt. Das Ritzel 67 greift seinerseits in eine Zahnstange 68 auf der Welle 55 ein, so daß jegliche Bewegung des Statives 7 relativ zur Grundplatte 1 eine entsprechende Bewegung des Meßkopfes 52 relativ zum Behälter ^l hervorruft. Die Durchmesser der verschiedenen Seilrollen und die Zähnezahl des Ritzels 67 sind derart gewählt, daß die Strecke, welche die Schwingerscheibe 42 durchmißt, gleich einem Zehntel der Strecke ist, die die Säule 7 relativ zur Grundplatte 1 zurücklegt.

Der Bund 9 arbeitet derart mit der schlitzförmigen Aussparung I60 zusammen, daß die Bewegung der Tragarmes 10 begrenzt wird. Diese beiden Teile sind derart aufeinander abgestimmt, daß die Energietransmitter 56 und 37 nicht in Berührung mit den drei Ultraschall-Meßköpfen 50, 51 und 52 gelangen können. Bund und Aussparung sind ferner derart gestaltet, daß sie in allen Betriebszuständen eine größtmögliche Bewegung erlauben. So ist es z.B. möglich, den Tragarm 10 auch dann noch weiter um seine horizontale Achse hinabzuschwenken, wenn dieser Tragarm derart verdreht ist, daß die Hebel 34 und 35 ©ine im wesentlichen horizontale Stellung einnehmen - im Gegensatz zu der in Figur 4 dargestellten vertikalen Stellung.

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Wie das Stativ 7 selbst gelagert ist, erkennt man am besten aus Figur 7· Hieraus geht hervor, daß das Stativ auf zwei Schienen 69 und 70 läuft, die an' der Grundplatte 1 befestigt sind. Der Fuß 55 der Säule 7 ist mit zwei dreieckförmigen Blöcken 71 und 72 ausgestattet, die insgesamt acht Tragräder tragen. Vier dieser Räder, nämlich die Räder 7J5, 74, 75 und 76,sind aus Figur J erkennbar. Die Tragräder sind einzeln einstellbar, so daß das Stativ mit geringster Reibung und größter Stabilität auf der Grundplatte 1 vorwärts und rückwärts verfahrbar ist.

Mit der in Figur 8 im einzelnen dargestellten Bremsvorrichtung läßt sich jegliche Bewegung des gesamten Gerätes in dem Augenblick unterbinden, intern das Gerät die gewünschte Position erreicht hat. Wie man hieraus erkennt, wird der Bremsklotz 5 durch Verdrehen des Drehgriffes 6 betätigt. Ein Ende eines Verbindungshebels 77 ist mittels eines Stiftes 78 mit einem Rad 79 verbunden, welches mit dem Drehgriff 6 verdrehbar ist. Das andere Ende des Verbindungshebels 77 ist mittels eines Stiftes 80 an ein Paar von Kniehebeln 8l und 82 angeschlossen. In der Zeichnung sind diese Kniehebel in jener Stellung voll augezogen, in welcher der Bremsklotz 5 abgelassen ist, und in jener Stellung strichpunktiert gezeichnet, in welcher der Bremsklotz 5 angehoben ist. Wie ferner erkennbar ist, ist der Kniehebel 81 im Gehäuse 85 in einem Gelenk 84 gelenkig gelagert, während der Kniehebel 82 mittels eines Gelenkes 85 mit einer vertikalen Stange 86 verbunden ist. Diese ist in Lagern innerhalb des vertikalen Teiles des Gehäuses 83 gleitbar. Der Bremsklotz 5 ist am unteren Ende der Stange 86 angeordnet. Eine Feder 87 dient dazu, den Bremsklotz anzuheben. Ein Stift 88 verhindert eine Verdrehung des Bremsklotzes um die Achse der Stange 86.

Aus den Figuren 10 und 11 ergibt sich im einzelnen, in welcher Weise der Tragarm 10 im Behälter 8 montiert ist. Wie man erkennt, ist der Tragarm 10 in einem Kardanlager gelagert. Dieses weist einen äußeren Käfig 90 auf, welcher relativ zum Behälter um eine horizontale Achse schwenkbar ist. Das Kardanlager umfaßt ferner einen inneren Käfig 9I, der relativ zu dem äußeren Käfig um eine zu der genannten horizontalen Achse senkrechte Achse schwenkbar

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ist. Der äußere Käfig 90 ist um zwei Wellen drehbar. Eine dieser beiden Wellen, nämlich die Welle 92, ist aus Figur 11 erkennbar. Diese Welle 92 ist in einer Wand 95 des Behälters gelagert und trägt ein Lager 9^, welches im äußeren Käfig 90 angeordnet ist. Spiralfedern 95 und 96 (Blattfedern) sind vorgesehen, um das Gewicht des Tragarmes 10 zu tragen. Auf diese Weise kann dieser Mcht um die genannte horizontale Achse verschwenkt werden; er verbleibt dann normalerweise in jeglicher Lage, in welche er verbracht ist. Das innere Ende der Spiralfeder 95 ist durch einen Schlitz in einem Becher 97 hindurchgeführt und somit in diesem Becher verankert. Der Becher 97 ist mittels versenkter Schrauben 98 an der Wand 93 befestigt. Das äußere Ende der Feder 95 ist an einem Stab 99 befestigt. Das eine Ende dieses Stabes 99 ist an einem herausragenden Teil 100 des äußeren Käfigs 90 verankert. Das andere Ende dieses Stabes 99 ist an einem Hebel 101 befestigt. Dieser ist seinerseits fest verbunden mit bzw. bildet einen Teil einer im wesentlichen zylindrischen Hülse 102. Die Hülse 102 hat einen flachen Boden 103* der mittels einer Schraubenfeder 104 gegen den Boden des Bechers 97 gedrückt ist. Eine Unterlegscheibe 105 ist zwischen den Boden I03 der Hülse und den Boden des Bechers

97 eingelassen. Die Feder 104 kann mittels einer Mutter IO6 gespannt werden, um somit den notwendigen Grad der Reibung zwischen den Teilen 102 und 97 herbeizuführen. Wie man erkennt, ist die Hülse 102 zusammen mit dem Tragarm 10 um die horizontale Achse verschwenkbar, während der Becher 97 in bezug auf den Behälter 8 in seiner LageArerbleibt. Demgemäß bewirkt der Reibring 105 eine Dämpfung der Ausschläge des Tragarmes um die horizontale Achse. Die von jeder der Spiralfedern 95 und 96 auf den Tragarm 10 ausgeübte Kraft kann dadurch eingestellt werden, daß man die Schrauben

98 entfernt und den Becher 97 um die Achse der Welle 92 verdreht. Sobald die gewünschte Spannung eingestellt ist, werden die Schrauben 98 wieder in ihre Lage verbracht und angezogen. Die Bewegung des Tragarmes 10 um die horizontale Achse kann, falls gewünscht, mittels einer elektromagnetischen Bremse I62 verhindert werden.

Der innere Käfig 97 ist um eine durch einen Stab I07 definierte Achse drehbar. Wie man erkennt, sind die Bewegungen um diese Achse

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mittels eines weiteren Reibringes 108 gedämpft, welcher gegen eine ebene Fläche des äußeren Käfigs 90 mittels einer Schraubenfeder 109 und einer Mutter 110 gepreßt ist.

Der Tragarm 10 ist nicht nur um die horizontale und vertikale Achse in der kardanischen Lagerung schwenkbar. Er kann auch um seine eigene Achse verdreht werden, und zwar durch Lagerung im inneren Käfig 91 in einem Lager 111(siehe Figur 11). Das Auslaufen von Öl aus dem Behälter 8 durch dieses Lager 111 wird durch geeignete Dichtungen verhindert.

Aus der vorausgegangenen Beschreibung ist erkennbar, daß die Sonde 18 um zwei senkrechte Achsen 15 und 19 in bezug auf den Tragarm 10 verschwenkbar ist, und daß der Tragarm 10 seinerseits um zwei senkrechte Achsen verschwenkbar und um seine eigene Achse verdrehbar ist. Außerdem ist das Stativ 7 auf der Grundplatte 1 linear verfahrbar. Diese Bewegungen erlauben es, daß die Sonde 18 über den größten Teil der Oberfläche des Körpers eines Patienten hinwegbewegt wird, welcher auf einer Couch 4 liegt (siehe Figur 1). Somit kann man Ultraschallstrahlen praktisch in alle Richtungen durch den Körper des Patienten hindurchsenden. Alle diese Bewegungen der Sonde sind abgestimmt mit den entsprechenden Bewegungen der beiden Ultraschall-Meßkopf-Kügelchen J56 und 37. Das Kügelchen 36 ist derart montiert und gesteuert, daß seine Lage relativ zu den drei Meßköpfen 50, 51 und 52 der jeweiligen Lage der wirksamen Fläche des Meßkopfes in einem zur Grundplatte 1 fixierten Koordinatensystem entspricht. Das Kügelchen 37 ist derart angeordnet und gesteuert, daß es einen Punkt auf der Achse des von der Sonde ausgesandten Ultraschallstrahles darstellt. Auf diese Weise läßt sich die jeweilige Lage der wirksamen Fläche der Sonde bestimmen, und zwar durch Messen der jeweiligen Abstände zwischen dem Kügelchen 36 und den drei Meßköpfen 50, 51 und 52. Die Neigung der Richtungsachse der Sonde kann dadurch bestimmt werden, daß man die Neigung jener Linie bestimmt, welche die beiden Kügelchen 36 und 37 in allen drei Ebenen senkrecht zu den drei Meßköpfen 50, 51 und 52 bestimmt. Die letztgenannte Neigung kann leicht gemessen werden durch Ermitteln der Differenz zwischen den Abständen der beiden

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Kügelchen von jedem der drei Meßköpfe (Transducer oder Wandler). Das System zum Messen der erforderlichen Abstände ist in den Figuren 12 und 13 dargestellt. Aus Figur 12 ist erkennbar, daß ein Impulsgenerator 120 Impulse von Ultraschallenergie mittels eines veränderlichen Abschwächers 121 an die Sonde 18 liefert, welcher einen Ultraschallwandler umfaßt, der sowohl als Transmitter als auch als Empfänger von Ultraschallenergie geeignet ist. Die reflektierten Impulse, die von der Sonde 18 aufgefangen werden, werden an einen Verstärker 122 weitergegeben und von dort an einen Detektor und Signal-Verarbeiter 123· Der Ausgang des letzteren wird einem Endglied 154 eingespeist und dient dazu, die Intensität: des Strahles einer Kähodenstrahl-Röhrenanlage 124 zu modulieren. Der Detektor 123 ist ein Nullpunkt-Detektor. Er erfaßt den Augenblick, bei dem der erste Zyklus der'aufgefangenen, gedämpften Sinusschwingung durch Null hindurchgeht. Ein solcher Detektor ist unabhängig von der Verstärkung des Systems und ist daher einem gewöhnlichen Vorderflanken-Detektor überlegen. Die Verstärkung des Verstärkers 122 wird durch einen Verstärkerregelkreislauf 125 geregelt, die Betriebsweise des Detektors 123 durch eine Verknüpfungs-Torschaltung 126. Ein logisches Regel- und Zeitsteuersystem 127 hat einen Ausgang 128, der dem Generator 120 zugeführt wird sowie dem Verstärkerregelkreislauf sowie der Verknüpfungs-Torschaltung 126.

Die aus den drei Transducern 50, 51 und 52 austretenden Signale werden drei einzelnen, zeitabhängigen Systemen 129, 130 und I3I eingespeist, die allesamt durch das logische System 127 gesteuert sind. Die Ausgänge dieser drei zeitabhängigen Systeme werden an zwei Meßwert-Verarbeitungssysteme 132 und I33 (Koordinations-Trans format ions -Net ze) weitergegeben, die normalerweise von Hand gesteuert werden. Der Ausgang des zweiten Meßwert-Verarbeitungssystemes wird durch ein Anzeige-Auswahl-System 134 den Deflektorblättchen des Anzeigesystems 124 weitergegeben. Wie gezeigt, besteht das Anzeigesystem aus einer einzigen Kathodenstrahlröhre, wobei sich jedoch versteht, daß es durch einen Bildrasterwandler mit zugehörenden Ableseeinrichtungen ersetzt werden kann. In jedem Falle kann die Anzeige- oder Speicherungsfläche in zwei horizontal voneinander entfernte Bereiche unterteilt werden, und diese Be-

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reiche können derart angeordnet werden, daß sie stereoskopische Bildpaare darstellen. Das Anzeige-Auswahl-System kann ebensogut dazu benutzt werden, einem solchen Bild oder solchen Bildern eine lineare perspektivische Korrektur einzugeben. (Siehe z.B.: "Interactive Single-Entry-Point Scanning for Medical Diagnosis" by T.G. Brown and J.R. Greening, pages 208-213, Ultrasonics International 1973 Conference proceedings published by IPC Science and Technology Press Ltd., Guildford.)

Jedes der drei Zeitbasiseinheiten kann so gestaltet werden, wie z.B. in Figur 13 veranschaulicht. Die Figur zeigt zusätzlich zu den verschiedenen Teilen des einen Zeitbasisgerätes eine der drei Schwingerscheiben. Diese können z.B. die Schwingerscheibe 50 und die beiden "Pillen" 36 und 37 sein, zusammen mit einer Linie l4l, die durch die beiden Pillen und einen fiktiven Schwenkpunkt l40 hindurchgeht. Wie bereits auseinandergesetzt, entspricht die Linie der Strahlwinkelachse (Richtungsachse) der Sonde 18 und der Richtung der Schallfortpflanzung in dem Patienten. Die jeweilige Entfernung der Pille 36 von der Empfängerfläche der Scheibe 50 ist mit dl bezeichnet, während die Pille 37 eine Entfernung d2 von der Oberfläche der Scheibe 50 hat. Auf diese Weise ist die Differenz zwischen den beiden Abständen (dl-d2) proportional zu dem Kosinus des Winkels J* , welcher die Neigung der Linie l4l in der Zeichenebene in bezug auf eine Linie senkrecht zu der Scheibe 50 definiert. Auf diese Weise ist die Differenz zugleich ein Maß für den Neigungswinkel der Sonde in einer der drei senkrechten Ebenen des Koordinatensystems oder, anders gesagt, ein Maß der Komponente der Schallimpulsgeschwindigkeit in dem Patienten entlang einer dieser drei Koordinatenachsen.

Das logische System 127, das bereits abgehandelt wurde, ist allen drei Zeitbasissystemen sowie dem übrigen in Figur 12 veranschaulichten System gemeinsam. Darüber hinaus sind auch die drei Impulsgeneratoren 142, 143 und 144 in allen drei Zeitbasissystemen gleich, was in der Zeichnung jeweils durch eine gestrichelte Linie innerhalb eines jeden Blocks veranschaulicht ist.

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Die beiden Impuls generatoren 142 und 143 liefern Ultraschall-Impulsserien an die zwei Pillen 36 und 37 in durch das logische System 127 vorbestimmten Intervallen. Diese Impulse werden von der Schwingerscheibe 50 aufgefangen, und zwar mit Verzögerungen, die durch die Entfernungen dl und d2 angezeigt werden. Sobald das logische System 127 den Impulsgenerator 142 veranlaßt, einen Impuls an die Pille 36 zu liefern, veranlaßt es ebenfalls einen Digitalrechner 145, zu zählen zu beginnen. Sobald der Impuls von der Pille 36 durch die Schwingerscheibe 50 aufgefangen ist, wird er auf einen Detektor 146 aufgebracht, dessen Ausgang wiederum dazu verwendet wird, den Rechner 145 abzuschalten. Die von dem Rechner registrierte Zahl zeigt somit die Zeitdauer an, die ein Impuls benötigt hat, von der Pille 36 zu der Platte 50 zu wandern; die Zahl ist somit ein Maß für die Entfernung dl. Diese Zahl wird eingegeben und gespeichert in einen Schaltspeieher. Sobald das logische System den Impulsgenerator l43 einschaltet, veranlaßt es den Zähler 145, von der zuvor registrierten Zahl herabzuzählen. Sobald der Impuls von der Pille 37 die Schwingerscheibe 50 erreicht und von dem Detektor 146 aufgefangen wird, wird der Rechner 145 wiederum angehalten. Die von dem Rechner nunmehr registrierte Zahl stellt somit die Differenz dl-d2 dar. Diese Zahl wird eingegeben und gespeichert in einem zweiten Schaltspeicher 148.

Die in dem Schaltspeieher 147 gespeicherte Zahl wird in einem Digital-Analog-Wandler 153 in ein Analog-Signal umgewandelt, und die in dem Schaltspeicher 148 gespeicherte Zahl wird in ähnlicher Weise von einem Digital-Analog-Wandler 149 in ein Analog-Signal umgewandelt. Der Ausgang des Wandlers 149 regelt einen Integrator 150. Dieser erzeugt ein Rampensignal (linear ansteigende Wellenfront), dessen Steigung proportional dem Signal aus dem Wandler 149 ist, und dementsprechend auch proportional zu der Komponente der Schallgeschwindigkeit im Patienten entlang der jeweiligen Koordinatenachse, Der Ausgang des Integrators I50 wird dem Ausgang des Wandlers 153 in einem Additionsverstärker I51 zuaddiert. Der Integrator I50 und der Wandler 153 werden von den Koinzidenzschaltungen I27 gesteuert, so daß das Ausgangssignal 152 von dem Summierverstärker 151 eine Rampe ist, die bei einem bestimmten Zeitpunkt beginnt, bei einem Pegel, der durch dl bestimmt ist und

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der eine Neigung hat, die von d2 bestimmt ist. Da somit dl ein Maß für eine Komponente der Lage der wirksamen Fläche der Sonde darstellt und d2 ein Maß für eine Komponente der Geschwindigkeit des übertragenen Impulses in dem Patienten, ist der augenblicklich angezeigte Wert der Rampe auch eine Anzeige desjenigen Ortes im Patienten, von welchem ein Echo aufgefangen wird. Es versteht sich in diesem Zusammenhang jedoch, daß der Pegel der Rampe (also der linear ansteigenden Wellenfront) mit der halben Schallgeschwindigkeit im Patienten ansteigt, da der Schall von der wirksamen Fläche der Sonde zu der reflektierenden Fläche und wieder zurück zur Sonde verlaufen muß.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des gesamten Systems beschrieben unter der Annahme, daß dieses sich bereits in Betrieb befindet. Die Vierte von dl und dl - d2 für jede Koordinate werden somit in dem jeweiligen Schaltspeicher 147 und 148 der zugehörenden Zeitbasiseinheit gespeichert. Der Impulsgenerator 120 wird durch die Koinzidenzschaltung 127 ausgelöst, so daß ein Schaltimpuls in den Patienten eingeleitet wird, und daß Echos aufgefangen und durch den Verstärker 122 hindurchgeleitet werden; der Detektor 123 moduliert hierbei die Intensität des Strahles in einem Kathodenstrahl-Anzeige-System 124. Die Rampen von den Ausgangsterminalen 152 der drei Zeitbasiseinheiten werden durch die beiden Meßwert-Verarbeitungssysteme 132 und 133 hindurchgeführt, deren Arbeitsweise für die Zwecke der jetzigen Erklärung vernachlässigt werden kann, und werden dem Anzeige-Auswahl-System 134 zugeführt. Im einfachsten Falle dient dieses System dazu, zwei der Rampen auszuwählen, und zwar zur Anwendung bei den X- und Y-Ablenkungsblättchen des Kathodenstrahl-Anzeige-Systems 124 über die Terminale 155 und I56. Der Strahl wird auf diese Weise veranlaßt, sich in einer Richtung über den Schirm zu bewegen, die zwei senkrechte Komponenten hat, welche den beiden Achsen entspricht, die von dem System 134 ausgewählt wurden. Da die reflektierten Signale wirkungsvoll dem Strahlmodulationsterminal 154 aufgegeben werden, erscheinen helle Flekken auf dem Schirm an denjenigen Positionen, die den aufgefangenen Echos entsprechen.

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Wie man erkennt, wird die Sonde beim Betrieb des Gerätes normalerweise von Hand bewegt, um den in Rede stehenden Bereich des Patienten abzutasten. Demgemäß verändern sich die in den Schaltspeichern 147 und 148 gespeicherten Werte beständig und tragen somit den Bewegungen der Sonde Rechnung. Der Gang der durch das logische System 127 gesteuerten Ereignisse ist wie folgt: Die Schaltspeicher 147 der drei Zeitbasiseinheiten 129, 130 und I3I werden gelöscht und der Impulsgenerator 142 wird ausgelöst, so daß ein Impuls von der Pille J>6 übertragen wird, so daß drei neue Werte von dl übertragen und gespeichert werden in den drei Schaltspeichern 147. Der Impulsgenerator 120 wird sodann ausgelöst, um einen Schallimpuls in den Körper des Patienten zu übertragen, so daß Echos aufgefangen und entsprechende Signale dem Terminal I54 des Anzeige-Systems aufgegeben werden. Der Strahl der Kathodenstrahlröhre des Anzeige-Systems wird somit entlang einer Linie gebeugt. Diese beginnt an einem Punkt auf dem Schirm, dessen Position bestimmt wird durch die Werte,die in den Schaltspeichern 147 der Zeitbasiseinheit gespeichert sind, zusammen mit den beiden Koordinaten, die von dem Anzeige-Auswahl-System 1J4 ausgewählt sind. Die Richtung, in welche der Strahl von seinem Ausgangspunkt über den Schirm wandert, hängt von den zuvor in den Schaltspeichern 148 derselben beiden Zeit-Basis-Geräte ab. Der Schaltspeicher 148 ist nun gelöscht und der Impulsgenerator 143 ist ausgelöst, so daß ein Schallimpuls durch die Pille 37 übertragen wird, so daß drei Werte von dl - d2 in den Schaltspeichern 148 der drei Zeit-Basis-Geräte I29* 130 und 131 gespeichert werden. Der Impulsgenerator 120 wird sodann erneut eingeschaltet, so daß er einen weiteren Schallimpuls dem Patienten zuführt. Die Echos dieser weiteren Impulse werden auf der Kathodenstrahlröhre angezeigt, wobei die neuen Werte von dl - d2 und der vorausgegangene Wert von dl verwendet wird. Die Schaltfolge läuft dann so weiter, wobei ein Schallimpuls auf den Patienten übertragen wird, nachdem ein neuer Satz von Werten von dl gespeichert ist, und auch nachdem Jeder neue Satz von Werten von dl - d2 gespeichert ist.

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Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel beträgt die Ultraschallfrequenz, die für die von der Sonde 18 übertragenen Impulse verwendet wird, 1,5 MHz; die angewandte Grundfrequenz ist etwa 22 MHz; die Repetitionsrate des Systems ist angenähert 1500 Hz; die Schallgeschwindigkeit im Behälter beträgt I500 m/sec. und der Pillenabstand ist 32 mm. Der größte Wert von dl beträgt 168 mm auf der Z-Achse, und 122 mm auf der X- und Y-Achse, während der größte Wert von d2 200 mm auf der Z-Achse und 154 mm auf der X- und Y-Achse beträgt.

Wie man erkennen wird, ist das System dazu in der Lage, mehr Informationen wiederzugeben, als auf dem einfachen Anzeigegerät bequem angezeigt werden können. Es ist deshalb für den das Gerät Bedienenden möglich, statt eines einfachen zwei-dimensionalen Abtastens auch ein drei-dimensionales Abtasten vorzunehmen. Eine aussagekräfte Anzeige eines drei-dimensionalen Abtastens verschafft man sich dadurch, daß man zwei Hälften eines Kathodenstrahlröhren-Bildschirmes im Zeitmultiplex benutzt, um abwechselnd das komplette linke und rechte Augenbild anzuzeigen, wobei die beiden Bilder modifiziert werden, um ein echtes stereoskopisches Bildpaar abzugeben. Dementsprechend kann die Anzeige-Auswahl-Vorrichtung 1J54 notwendigenfalls so angeordnet werden, daß sie die ihr zugeführte Information entsprechend aufarbeitet, um das entsprechende Signal den Ablenkungsblättchen der Anzeigeeinheit zuzuführen.

Die beiden Meßwert-Verarbeitungssystems 122 und 123 sind ebenfalls dazu vorgesehen, um die aus den drei Zeit-Basis-Geräten erhaltenen Informationen zu verarbeiten. Das Bedienungspersonal des Abtastgerätes ist dazu in der Lage, den Strahl direkt auf irgendwelche Gewebe zu richten, und zwar innerhalb eines Volumens eines Würfels von etwa 500 mm Kantenlänge um den Körper des Patienten herum. Führt die Bedienungsperson z.B. ein ebenes Abtasten entlang der Mittellinie des Patienten durch, so kann dieses Abtasten als ein gewöhnlicher Mittellinien-Längsschnitt angezeigt werden durch Einstellen des Meßwert-Verarbeitungssystems, so daß dieses das Anzeigesystem veranlaßt, ein Bild aufzuzeichnen, so wie man es vom Patienten aus sieht, in arideren Worten, von entlang der X-Achse. Dementsprechend kann ein konventionelles Querabtasten

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angezeigt werden, wenn die Meßwert-Verarbeitungssysteme derart eingestellt werden, daß sie die Anzeigesysteme dazu veranlassen, das Bild als entlang der Z-Achse gesehen wiederzugeben.

Sofern die äußeren Kontrolleinrichtungen in eine Lage zwischen der Quer- und der Längseinstellung verbracht sind, kann man die Echobilder des Patienten in Schrägansicht sehen. Querabtastungen, die mit dem Kontrollgerät in dieser Weise gemacht werden, erscheinen dabei in Schrägprojektion parallel zu den Endflächen des oben erwähnten Würfels. Abtastungen in verschiedenen Ebenen erscheinen in ihren genauen relativen Lagen und, obwohl sie sich überlappen können, wird die Beziehung zwischen den verschiedenen Teilen desselben Gewebes, das in beiden Abtastungen erscheint, deutlich gemacht. Falls eine Längsabtastung vorgenommen wurde, so würde diese die beiden Querabtastungen an den richtigen Stellen schneiden. Da zusammengesetzte Bilder dieser Art schwierig zu interpretieren sind, wird ein Filter 126 verwendet, um alle jene Echos herauszufiltern außer denjenigen, die in einer vorbestimmten Tiefe erscheinen.

Die Verstärkerregelung 125 dient dazu, die Verstärkung des Empfangsverstärkers 122 in einer vorbestimmten Weise anzupassen nach dem Übertragen eines jeden Schallimpulses auf den Patienten. So kann z.B. nach dem Aussenden eines jeden Impulses die Verstärkung zunehmend gesteigert werden, so daß alle dem Detektor 125 aufgegebenen Signale im wesentlichen konstante Werte haben, wenn sie von gleichermaßen reflektierenden Oberflächen empfangen werden, und zwar ungeachtet des von dem Schall durch den Körper des Patienten zurückgelegten Weges.

Es gibt verschiedenerlei Anwendungsarten der Erfindung. So ist es z.B. denkbar, daß einer der Transducer in dem beschriebenen und dargestellten Gerät in dessen Behälter beweglich ist, und zwar um eine Bewegung der Sonde entlang einer Achse zu reproduzieren. Selbstverständlich können auch mehrere Transducer beweglich sein. .-Insbesondere können die Energietransmitter, falls gewünscht, in

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bezug auf den Behälter feststehen, während die drei Transducer beweglich sind, um Bewegungen der Sonde entlang zueinander senkrechten Achsen zu reproduzieren. Bei einem solchen System kann die Sonde fest auf dem Tragarm verankert sein, und die beiden Energietransmitter können fest auf einer Verlängerung des Tragarmes befestigt sein. Außerdem ist es denkbar, den Behälter so zu montieren, daß er entlang dreier Koordinatenachsen beweglich ist, und daß die Bewegungen des Behälters durch entsprechende Bewegungen der drei Transducer innerhalb des Behälters in verringertem Maßstab reproduziert werden.

Eine weitere denkbare Ausführungsform der Erfindung besteht darin, die sich längserstreckende Sonde, welche einen einzigen Strahl eines Ultraschallimpulses auf den Patienten richtet, durch eine ganze Gruppjamng zu ersetzen, welche eine Vielzahl von Strahlen erzeugt, deren Richtungsachsen parallel und coplanar sind. Dieses Multielement kann in der gleichen Weise auf dem Tragarm 10 montiert werden, wie die hier beschriebene Sonde. Die Meßvorrichtung dient dann jedoch dazu, elektrische Signale zu erzeugen, die die Position jener Ebene wiedergeben, welche alle genannten Richtachsen umfassen, anstatt nur der Position einer einzigen Richtungsachse. Zu diesem Zwecke kann öin dritter Energietransmitter auf dem Tragarm/auf dessen Verlängerung montiert werden. Er kann in einer Ebene angeordnet werden, welche der Ebene entspricht, die der Strahlrichtungsachse entspricht. Mit einer solchen Anordnung werden die verschiedenen Strahlen von Ultraschallenergie aufeinanderfolgend erzeugt, und die Reflexionen von den verschiedenen Strahlen werden dazu benutzt, ein Bild der reflektierenden Oberflächen zu erzeugen, das von aufeinanderfolgenden Strahlen geschnitten wird.

Heidenheim, den 08.07.76
DrW/Srö

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Claims (24)

Patentansprüche

1.) Gerät zum Erzeugen elektrischer Signale, welche die augenblickliche Lage eines Gegenstandes in bezug auf ein Koordinatensystem wiedergeben, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät einen Sender aufweist, der derart angeordnet und gesteuert ist, daß seine augenblickliche Lage relativ zu einer Mehrzahl von Empfängern der augenblicklichen Lage des Gegenstandes relativ zu dem genannten Koordinatensystem entspricht, daß die Empfänger derart angeordnet sind, daß sie Schwingungsenergie von dem genannten Sender aufnehmen und diese Energie in elektrische Signale umwandeln, welche der augenblicklichen Lage des genannten Senders relativ zu dem genannten Empfänger entsprechen.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender derart angeordnet ist, daß er Ultraschallimpulse sendet und daß die Empfänger als Ultraschall-Transducer ausgebildet sind.

J>. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei Ultraschall-Transducer vorgesehen sind, daß jeder Ultraschall-Transducer eine ebene Abstrahlungsfläche aufweist, daß die drei Abstrahlungsflächen zueinander senkrecht stehen und damit ein System von orthogonalen Achsen definieren, und daß die elektrischen Signale die Zeit wiedergeben, welche Ultraschallimpulse benötigen, um vom Sender zu jedem der drei Transducer zu gelangen.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis J>, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sender derart angeordnet und gesteuert sind, daß die ihre Zentren durchquerende Linie so ausgerichtet ist, daß sie der Lage einer Achse in dem zu ermittelnden Gegenstand entspricht, und daß Mittel zum Erzeugen eines elektrischen Signa-

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les vorgesehen sind, welches die Ausrichtung der die Sender verbindenden Linie definiert, wobei die Signale aus den Differenzen der Zeiten abgeleitet sind, welche der Ultraschall benötigt, um von den zwei Sendern zu den drei Transducern zu gelangen.

5. Gerät zur Ultraschall-Untersuchung von Körpern mit nicht planen Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß eine länglich gestaltete Sonde vorgesehen ist, welche einen Strahl von Ultraschallimpulsen in den Körper sendet und die reflektierten Impulse aus dem Körper wieder empfängt, daß die Sonde an einem Tragarm derart montiert ist, daß sie um zwei an dem Tragarm fixierte Achsen schwenkbar ist, welche senkrecht zueinander stehen, daß der Tragarm auf einem Stativ derart montiert ist, daß er schwenkbar ist um eine dritte Achse senkrecht zur Tragarm-Achse und um eine vierte Achse, senkrecht zu der genannten dritten Achse, daß die genannte dritte und die genannte vierte Achse in dem Stativ befestigt sind, und daß Mittel vorgesehen sind, um elektrische Signale zu erzeugen, welche die augenblickliche Lage eines Punktes auf der Längsachse der Sonde und die augenblickliche Stellung der genannten Achse in bezug auf ein Koordinatensystem definieren.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragarm derart angeordnet ist,daß er eine begrenzte Drehbewegung um seine eigene Achse ausführen kann.

7. Gerät zum Untersuchen von Körpern mit nicht ebenen Oberflächen mittels Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sonde von länglicher Gestalt vorgesehen ist, welche einen Strahl von Ultraschallimpulsen in den Körper einleitet und von dem Körper reflektierte Impulse wieder empfängt, daß die Sonde auf einem Tragarm derart angeordnet ist, daß sie um wenigstens eine in dem Tragarm feste Achse schwenkbar ist, daß der Tragarm auf einem Stativ derart montiert ist, daß er eine begrenzte Drehfreiheit um seine eigene Achse hat, und daß er ebenfalls um eine dritte Achse senkrecht zu der Tragarm-Achse und um eine

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vierte Achse senkrecht zu der dritten Achse verschwenkbar ist, wobei die dritte und vierte Achse in dem Stativ befestigt sind, daß Mittel vorgesehen sind, um elektrische Signale zu erzeugen, welche die augenblickliche Lage eines Punktes auf der Längsachse der Sonde und die augenblickliche Stellung der genannten Achsen in bezug auf ein Koordinatensystem definieren.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß drei elektrische Signale erzeugt werden, deren jedes die Form einer Rampe aufweist (linear ansteigende Wellenfront), deren Ausgangspegel ein Maß für die augenblickliche Position des genannten Punktes in der Sonde relativ zu einer Achse eines Systemes von drei orthogonalen Achsen ist und deren Neigung ein Maß für eine Geschwindigkeitskomponente des Strahles entlang der Längsachse der Sonde ist.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und ein zweiter Energietransmitter (Sender) derart angeordnet und gesteuert sind, daß die augenblickliche Lage des ersten Senders relativ zu einer Vielzahl von Empfängern der augenblicklichen Lage des genannten Punktes in der Sonde entspricht und daß die Linie,/die Zentren der ersten und zweiten Sender miteinander verbindet, derart ausgerichtet ist, daß sie der Lage der Achse der Sonde relativ zu dem genannten Koordinatensystem entspricht, und daß die genannten Empfänger derart angeordnet sind, daß sie Wellenenergie von den genannten Sendern empfangen und diese Energie in die genannten elektrischen Signale umwandeln.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Sender derart angeordnet sind, daß sie Ultraschallimpulse aussenden und daß die genannten Empfänger Ultraschall-Transducer sind, daß ferner drei Transducer vorgesehen sind, deren jeder eine ebene Empfangsfläche aufweist, daß die drei Empfangsflächen zueinander senkrecht stehen und somit ein System von orthogona-' len Achsen definieren, daß die elektrischen Signale die von den Ultraschallimpulsen benötigte Zeit zum Zurücklegen der Strecke

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von dem ersten Sender zu jedem der drei Transducer wiedergeben, und ebenfalls die zeitlichen Unterschiede wiedergeben, die die Schallenergie benötigt, um von den beiden Sender zu jedem der drei Transducer zu gelangen.

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sender derart angeordnet und gesteuert sind, daß sie den Winkelbewegungen der Sonde relativ zu dem Tragarm wie auch den Bewegungen des Tragarmes relativ zu dem Stativ folgen.

12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Stativ eine begrenzte Freiheit translatorischer Bewegung entlang einer zu der Achse des Statives senkrechten Achse aufweist.

13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die empfangende Fläche eines der Transducer senkrecht zur Achse verläuft, entlang welcher das Stativ verschiebbar ist, und daß Mittel vorgesehen sind, um den Transducer zur Wiedergabe der Bewegung des Statives zu veranlassen.

14. Gerät nach Aeinem der Ansprüche 9 bis Ij5, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelbewegungen der die beiden Sender miteinander verbindenden Linie gleich den Winkelbewegungen der Sonde relativ zu dem Tragarm ist, wobei jedoch die translatorischen Bewegungen der beiden Transmitter, die durch die Winkelbewegung des Tragarmes relativ zu dem Stativ erzeugt wurden, proportional den entsprechenden translator!sehen Bewegungen der Sonde in verkleinertem Maßstab sind.

15. Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sender in einem Behälter angeordnet sind, der ein akustisch-leitendes Medium enthält, daß die Sender die Gestalt von Tropfen (sogenannten Pillen, Tabletten) aufweisen, um sphärische akustische Wellenserien zu erzeugen, und daß jeder der Transducer, die ebenfalls in dem Behälter angeordnet sind, aus einer flachen Platte (Scheibe) besteht, wobei die Gesamtabmessungen der Platten derart gewählt sind, daß jegliches

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senkrechte Aufrichten durch irgendeine der Pillen in der Ebene einer der Transducer-Oberflächen stets innerhalb der Grenzen der jeweiligen Platte liegt, innerhalb der Bewegungsgrenzen der Pillen.

16. Gerät nach Anspruch I5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Transducer aus einem coplanaren Mosaik von flachen Platten (Scheiben) besteht, die elektrisch in Serie geschaltet sind.

17. Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis l6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender auf Stangen montiert sind, die in einer rückwärtigen Fortsetzung des Tragarmes gelagert sind.

18. Gerät nach Anspruch I7, dadurch gekennzeichnet, daß die die beiden Pillen tragenden Stangen an ihren freien Enden von einem Wellenstumpf ausgehen, welcher in einem Winkelstück drehbar ist, das seinerseits um eine Achse verschwenkbar ist, welche sich mit der Achse des Wellenstumpfes unter einem rechten Winkel hierzu schneidet, und daß die Drehbewegung der Sonde um die erste und um die zweite Achse auf den Wellenstumpf und auf das drehbare Winkelstück übertragen wird.

19. Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signale drei einzelnen Zeit-Basis-Geräten aufgegeben werden, welche von einem logischen System kontrolliert werden, daß die Ausgangssignale der drei Zeit-Basis-Geräte über ein Anzeige-Auswahl-System den Deflektorplatten eines Anzeigesystems zugeführt werden, und daß dieses Anzeigesystem seinerseits geregelt wird durch weitere elektrische Signale, die aus von dem Körper reflektierten Echos der von der Sonde ausgesandten Ultraschallimpulse gewonnen werden.

20. Gerät nach Anspruch I9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der drei Zeit-Basis-Einheiten dem Anzeige-Auswahl-System durch wenigstens eine Meßwert-Verarbeitungseinrichtung zugeführt wird.

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21. Gerät nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Zeit-Basis-Geräte einen Digitalrechner aufweisen, der durch jeden von dem ersten der genannten Sender abgegebenen Impuls aufgesehaltet wird und gestoppt wird, wenn der genannte Impuls von dem zugehörigen von einem der genannten Empfänger aufgefangen wird, und der von jedem Impuls herabgeschaltet wird, der von dem zweiten der genannten Sender gesendet wird, und der gestoppt wird, wenn der genannte Impuls von dem genannten Empfänger empfangen wird.

22. Gerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem genannten Digitalrechner registrierte Anzahl nach dem Aufzählen in einem ersten Schaltspeicher gespeichert wird, und daß die von dem genannten Rechner nach dem Abzählen registrierte Zahl in einem zweiten Schaltspeicher gespeichert wird, wobei die gespeicherten Zahlen in dem ersten und in dem zweiten Schaltspeicher in Analogsignale in einem ersten und in einem zweiten Digital-Analog-Wandler umgewandelt werden, daß die Ausgangssignale des zweiten Digital-Analog-Wandlers die Steigung eines Rampensignals regeln, welches von einem Integrator erzeugt wurde, und daß der Ausgang des ersten Digital-Analog-Wandlers dem Ausgang des genannten Integrators in einem Summierverstärker zuaddiert werden.

23. Gerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallimpuls von der genannten Sonde in den genannten Körper erst dann übertragen wird, wenn jeder Impuls von dem genannten ersten Sender und auch von dem genannten zweiten Sender übertragen wurde.

24. Gerät nach Anspruch 2$, dadurch gekennzeichnet, daß das Rampensignal von dem genannten Integrator durch ein von der genannten Koinzidenzschaltung ausgehendes Rückstellsignal solange auf Null gehalten wird, bis jeder Ultraschallimpuls in den genannten Körper gesandt ist.

Heidenheim, den O8.O7.76
DrW/Srö

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