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Einrichtung zur Untersuchung von Objekten
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nach dem Reflexionsprinzip Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur Untersuchung von Objekten nach dem Reflexionsprinzip, mit einem Sender zur Frzeugung
eines auf das Objekt gerichteten Strahles, insbesondere Ultrsschalletrahles, und
mit einem Empfänger zur Erfassung des von einem Punkt des Objektes reflektierten
Strahles, Einrichtungen dieser Art, die sich des Ultraschalles als Energieform für
die Sender- und Empfängeranlage bedienen, sind u.n. aus den fachgebieten der medizinischen
Diagnostik, der zerstörungsfreien Materialprüfung und der Navigation bereits bekannt.
Diesen Einrichtungen liegt das auf dem Reflexionsprinzip beruhende Ultraschall-Echoverfahren
zugrunde, bei dem ein Ultraschallimpuls in das zu untersuchende Gebiet eindringt,
wobei an Grenzschichten, an denen sich der akustische Widerstand des Objektes sprunghaft
ändert, ein Teil der Schallenergie reflektiert wird. Unter. der Voraussetzung einer
in den durchschallten Bereichen konstanten Schallgeschwindigkeit ist die Laufzeit
des Ultraschallimpulses von seiner Aussendung bis zum Eintreffen des Echos am Empfänger
ein Maß für die Entfernung zur reflektierenden Stelle des Objektes. Für Sender und
Empfänger wird üblicherweise dieselbe Schwingkristallanordnung verwendet, sodaß
vom Empfänger nur die in entgegengesetster Richtung zum Sende strahl reflektierten
Echos erfaßt werden. Die Schwächung des Schails innerhalb des Objektes, z.3. im
Gewebe, durch Absorption und Streuung wird dabei durch eine stetig wachsende Verstärkung
des vom Empfänger aufgenommenen Echosignals näherungsweise kompensiert.
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In Abhängigkeit von der Zeit erhält man einen Amplitudenverlauf,
der im sogenannten A-Scan-Verfahren direkt ausgewertet wird. Im B-Scan-Verfahren
wird aus einer Vielzahl von A-Scan-Abbildungen zeilenweise ein zweidimensionales
Bild aufgebaut, indem ein gleichzeitig mit der Aussendung des ultraschallimpulses
gleichförmig bewegter Elektronenstrahl eines der Einrichtung zugeordneten Oszillographen
durch die vom Sender-Empfänger aufgenommenen Echosignale hellgetsstet wird. Die
zweidimensionale Darstellung wird entweder photographisch festgehalten oder von
elnem Speicheroszillographen längere Zeit angezeigt.
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Während wegen der in der Röntgentechnik verwendetau bachenergetischan
Strahlung die Röntgendiagnostik in jcdem Fall Sch9.digungen des Patienten zur Folge
hat, konnten aufgrund der Anwendung der in der Ultraschall-Disgnostik verwendeten
Schallintensitäten bei den bekannten Einrichtungen bis heute noch keinerlei gesundheitliche
Schädigungen nachgewiesen werdon.
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Diesem großen Vorteil der Ultraschall-Diagnostik stchen jedoch erhebliche
Nachteile der bisher verwendeten Fincichtungen gegenüber. Vor allem hat die vom
Sender-Empfänger ermittelte Größe der Echoamplituden keine quantitative Aussagekraft,
da sie nicht nur. von der Größe der Widerstandsänderung 9-n @ der Crenzschicht und
der Schwächung im Gewebe, sondern zusätzlich von folgenden Faktoren abhängt : a)
Neigung der Grenzfläche : Da für die Beschreibung der an Grenzflächen stattfindenden
Vorgänge die aus der Optik bekannten Gesetze auch für Ultraschall gelten, wird das
Sendersignal nur dann wieder zum Sender-@ Empfänger. reflektiert, wenn der Sendestrahl
senkrecht auf die. Grenzfläche trifft. Bei sohrägem Einfall des Ultraschallstrahles
können daher glatte Gronzflächen nicht. registriert werden. Eine Berücksichtigung
dieses Umstandes ist zwar durch das bekannte Oompound-Ver fahren in jenen Fällen
möglich, in denen die geneig- -ten oder gekrümmten Grenzflächen auf die durch die
Gesa.mtheit der Ultraschallstrahlen bei Abtastung des Objektes bestimmte Scan-Ebene
senkrecht stehen, jedoch sind der Anwendung des Compoumd-Verfahrens Grenzen gesetzt,
wenn
die infolge nicht konstanter Schallgeschwindigkeit oder Beugungen des Sende strahls
auftretenden Dislokalisationen den Signal-Rausch-Abstand zu weit reduzieren.
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-b) Rauhigkeit der Grenzflächen : Da die in der Praxis vorkommenden
Grenzflächen nicht vollkommen glatt aind, wird auch bei nicht senkrechtem Einfall
des Sendestrahles im allgemeinen wegen der auftretenden diffusen Reflexion ein Teil
des reflektierten Strahlanteils vom Sender-Empfänger aufgenommen. Das empfangene
Echo hangt dann aber nicht mehr eindeutig von der Änderung des akustischen Widerstandes
ab.
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c) Diffuse Reflexion tritt im allgemeinen aber auch donn ein, wenn
die abmessungen der Grenzfläche gegenüher dem Durchmesser des Sendestrahles klein
sind. Wene dan empfangene Echo im Rauschen untergeht, ist dann eino Identifizierung
des Objektes überhaupt nicht möglich.
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Auch in diesem Fall verhindert diffuse Reflexion eine quantitative
Aussage über die Große der akustischen Widerstandsänderung.
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Ein weiterer wesentlicher Nachteil der bekannten Ultrsschall-Diagnoseeinrichtungen
besteht darin. daß sie Änderungen der Schallgeschwindigkeit in Richtung des Sendestrahles,
die bei den vorliegenden heterogenen mediziniechen Untersuchungsobjekten in der
Regel immer gegeben sind, nicht berüoksichtigen, Es kommt daher zur Dislokalisationen,
in der B-Scan-Abbildung.
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zu einer Verzeichnung, da die der gemessenen Laufzeit zugeordnete
Entfernung nur mehr näherungsweise stimmt.
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Weitere Nachteile ergeben sich bei den bekannten Ein richtungen aus
der Vernachlassigung der Beugung des durchgehenden # endsstrahlanteils bei schrägem
Einfall auf eine Grenzflache, die ebenfalls zu einer Verfälschung der ermittelten
Orteangaben führt.
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Infolge des mehrere Wellenlängen betragenden Sohallstrahl durchmessers
ist auch die mit den bekannten Einrichtungen erreichbare radiale Auflösung unbefriedigend,
da sehr kloinp.
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Objekte in mehreren benechbarten Soen-Linien erfaßt werden und daher
punktförmige Gegenstände in der zweidimensionalen
Abbildung als
Linien aufscheinen. Eine Verbesserung dieser Verhältnisse durch das Compound-Verfahren
ist nur dann möglich, wenn Übrigen, obenerwähnten fehlerquellen relativ klein sind.
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Schließlich treten bei den bekannten Ultraschall-diagnosaeinrichtungen
infolge von Mehrfachreflexionen zwischen Gronzflächeen häufig nur schwer zu erkennende
Abbildungsfehler, sogenannte Artefakto, auf.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Finuichtung der
eingangs genannten Art zur Untersuchung von Oh'finktn nach'dem Reflexionsprinzip
zu schaffen, welche die Naolltsile der bekannten Ausführungen vermeidet und die
sehr präzise Untersuchungsergebnisse von hohem Informstionswert liefert. Dobei sollen
diese Verbesserungen gegenüber den konventionellen Einrichtungen ohne bedeutenden
baulichen Mehraufwand erreicht worden. Die, Erfindung soll überdies für slle Strahlungsarten
mit definiertem. Reflexionsverhalten, also keineswegs auschließlich für Ultraschallstrahlung,
anwendbar sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens-
ein Empfänger zur Erfassung von vom Objoktpunkt in cinem Raumwinkelbereich reflektierten
Strahlen vorgesehen int.
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Durch diese ausbildung der Einrichtung werden die gründsätzlichen
Voraussetzungen für Untersuchungsergebnises hoher Präzision und.quantitativer. Aussagekraft
geschaffen, die nicht nur eine einwandfreie Ortung von im untersuchten Gebiet vorhandenen
Grenzschichten ermöglichen, sondern auch Aufschluß einer -die Neigungsverhältnisse,
die Form und Ausdehnung sowie die Oberflächenbeschaffenheit, dieser Grenzschichten
geben.
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Darüberhinaus ermöglicht die Erfindung eine wesentliche Verfeinerung
der Abbildungsverhältnisse bei weitgehender Unterdrükkung von Artefakten, was für
die Bewertung des Untersuchungsergebnisses ton erheblichem Vorteil ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis. zugrunde, daß man die tatsächlichen
Gegebenheiten an jenen markanten Stellen des untersuchten Objektes, die aus der
sprunghaften Anderung des akustischen Widerstandes auf das -Vorhandensein einer
Grenzschicht schließen. lassen und auf die sich demnach das Interesse bei der Untersuchung
des Objektes konzentriert, nur dann einwandfrei
erkennen kann.
wenn man die Richtung, Intensität sowie die räumliche und zeitliche Verteilung der
vom betroffen den Objektpunkt insgesamt in einen gewissen RumwJnkr1br'rn:ici reflektierten
Strahlen erfaßt. Erst dann ist es möglich, die Fehlerquellen, die sich durch die
ausschließligle Erfassung und Bewertung der vom Objektpunkt entgegen der Strahlrichtung
des Senders reflektierten Echokomponente bei den bekannten Einrichtungen ergeben,
auszuschalten.
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Die Erfassung #ämtlicher. vom Objektpunkt in den vorgesehenen Raumwinkelbereich
ausgestrahlter Echokomponenten hinsichtlich ihrer Richtung, ihrer Amplitudenverteilung
wie auch der Verteilung ihrer Laufzeiten kann na.ch der Erfindung auf verschiedenartige
Weise erfolgen. Gemäß einer besonder einfachen AusfÜhrungsform der Erfindung kann
zu diesem Zweck wenigstens ein Empfänger innerhalb des Raumwinkelbereiches orsveränderlich
angeordnet sein. Auf diese Weise wird es mög lich. mit einem sehr geringen baulichen
und kostenmäßigen Aufwand mittels eines einzigen Empfängers alle erforderlichen
Informationen Über die in den betreffenden Raumwinkelbereich reflektierten Strahlanteile
zu erhalten, und zwar vor allem die Echoamplitudenverteilung in einem Raumwinkel
über dem betreffenden Objektpunkt zu ermitteln , in dem der Empfänger innerhalb
dieses Raumwinkelbereiches in verschiedene Positionen gebracht wird. Dies kann sowchl
manuell als auch mittels geeigneter Antriebsvorrichtungen geschchen.
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Die Kenntnis der Echoamplitudenverteilung über einen gewissen Raumwinkelbereich
bietet gegenüber den bekannten, auf dem Reflexionsprinzip beruhenden Systemen wertvolle
und äußerst aufschlußreiche mehrinformationen. So können auch jeune Grenzflachen
erkannt und geortet werden, die auf die Scnn-Ebene nicht senkrecht stehen. Wird
weiterhin dem Objektpunkt die in Hauptreflexionsrichtung gemessene Echoamplitude
zugeordnet, so besitzt diese wesentlich mebr Informationswert als die mit den derzeit
bekannten Einrichtungen gemessenen Amplituden. Bei Kenntnis der Grenzflächenneigung,
durch die die Richtung des Reflexionsmaximums bestimmt ist, besteht die Mög lickeit,
einen Sendestrahl auf das Objekt zu richten, der im
Objektpunkt
senkrecht auf die Grenzfläche trifft, und des empfangene Echomeximum sodann dem
Objektpunkt zuzuordnen.
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Damit ist gewährleistet, daß die Roflexionsverhältnisse in allen vermessenen
Punkten des Objektes gleich sind.
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Die Kenntais der Grenzflächenneigung gestattet darüberhinaus auch
die Vermeidung oder, bei Kenntnis der Widerstandsänderung, eine weitgehende Korrektur,
der durch Beugung verursachten Fehler.
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Bei bekannter Echoamplitudenverteilung sind aber auch die Grenzflächenrauhigkeit
und Grenzflächenkrümmung anhand der nachstehenden Kriterien bestimmbar. Bei ideal
glatten und ebenen Grenzflächen ergibt sich eine charakteristische Echoamplitudenverteilung
mit einem in Hauptreflexionsrichtung auftretenden, sehr kleinen und scharf begrenzten
Bereich hoher Energiedichte.
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Eine Vergrößerung dieses Bereiches kennzeichnet das Vorhaudensein
einer konstanten Krümmung dieser ideal glatten Grenzfläche, wobei über einem, von
der Krümmung abhängigen Raumwinkel eine näherungsweise konstante Echoamplitude empfangen
wird.
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Bei rauhen Grenzflächen ist statt unendlich steiler Flnnken ein allmählicher
Abfall der Amplituden von einem Maximalwert gegen Null zu verzeichnen, der mit der
Rauhigkeit der Grenzfläche in enger Beziehung steht.
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Die Kenntnis der Grenzflächenkrümmung bietet die Möglich keit einer
Verbesserung der radialen Auflösung bei der Abbildung des Objektes.
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Die aus der Echoamplitudenverteilung gewonnenen Informationen können
zu einer Korrektur der Echoamplitude in dem Sinne verwendet werden, daß die Echoamplitude
nur mehr von der Schwächung des Sendestrahles und der an der Grenzfläche herrschenden
Widerstandsänderung abhängt. Liegt der erste vermessene Funkt an der Grenzfläche
des Koppelmediums (in der Ultraschall-diagnostik ist dies in der Regel Wasser) zum
Objekt, so kann damit bei bekannter Schwächung und bekanntem nkuntischen Widerstand
im Koppelmedium die Widerstandsänderung, und damit der akustische Widersta.nd im
Objekt bestimmt werden.
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Mit Hilfe charakteristischer Echoamplitudenverteilungen können bei
Anwendung der Erfindung auf dem medizinisch-diagnostischen Gebiet besonders krankhafte
Veranderungen leichter
diagnostiziert und differenziert werden.
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In weitorer Ausgestaltung der Erfindung orgeben sich besondere Vorteile
dadurch, daß der Abstand von einem oder mchreren. ortsveränderlichen Empfängern
vom Objektpunkt im gasamten Bewegungsbereich der Empfänger konstant gehalten ist.
Diene Anordnung vereinfacht und erleichtert die Messung der räumlichen Verteilung
der Echolaufzeiten über den Vorgesehenen Rsumwinkelbereich, die bei der Beseitigung
der bol den bekannten Systemen vorhandenen Fehlerquellen gleichfalls eine wichtige
Rolle spielt, wie noch an anderer Stelle naher erläutert wird. DA sich aus dem konstanten
Abstand zwischen Empfänger und Objektpunkt und der Annahme konstanter Schallgeschwindigkeit
für jede im Raumwinkel auftretende Echokomponente theoretisch dieselbe laufzeit
ergibt, können aus örtlich auftretenden Abweichungen von diesem Laufzeit-Sollwert
wichtige Rückschlüsse gezogen werden.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsmöglichkeit der Einrichtung ist
erfindungsgemäß d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß wenigstens ein ortsveränderlichor
Empfänger in einer Ebene bell@bib bewegbar und bzw. oder neigbar ist. In diesem
Fall sind @edoch Laufzeit und zeitlicher Sollwert von der Empfängerposition abhängig.
Der Vorteil dieser ordnung liegt doch in der Möglichkeit, daß bei stationärem Sender-Empfängersystem
de@ untersuchte Punkt durch geeignete Wahl der empfangenen schon festgelegt wird
und dadurch eine Abtastung in Sendestrahlrichtung wesentlich rascher erfolgen kann.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß mehrere stationäre Empfänger innerhalb den Raumwinkelbereiches in vorzugsweise
flächenhafter Verteilung angeordnet sind. Durch das Vorhandensein mehrerer Empfängen
ergibt sich zwar ein etwas größerer baulicher Aufwand. dir aber zum Teil durch den
Entfall eines Bewegungs- und Antrichsmechanismus für den ortsverändorlichen Empfänger
und die mög liche Zoitersparnis wettgemadht wird. Auch diese gestsltungs form der
erfindungsgemäßen Einrichtung erlaubt die Bestimmung.
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Registrierung und Auswertung der erwähnten, für das Unter suchungsergebnis
maßgeblichen bzw. als Korrekturfaktoren n,,ij berücksichtigenden Größen.
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Bei der letzterwähnten Konstruktion ist es nach einen
weiteren
Erfindungsmerkmal besonders vorteilbaft. wenn sich die stationären Empfänger in
einer Fläche, vorzugsweise einer Ebene, befinden und die Auswahl des Objektpunktes
durch Wahl der Strahlechos oder deren Empfangszeitpunkte erfolgt. Diese Auordnung
ermöglicht bei Abtestung in 5endestrafilrictIlng wie e schon erwähnt, eine zusätzliche
Zeitersparnis.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist dedurch gekennzeichnet,
daß die stationären Empfänger nach einer Kugelfläche verteilt angeordnet sind, wobei
der Kugelmittelpunkt der Kugelfläche und der Objektpunkt bei der Messung in Deckungslage
hringbar sind. Damit ergibt sich ein konstanter Abstand zwischen den Empfängern
und dem Objektpunkt mit den bereits beschriebenen Vorzügen.
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In Weiterbildung des Erfindungsgedankens. ergeben sich gegenüber
den bekannten Systemen besondere Vorteile dadurch, daß die innerhalb des Raumwinkelbereiches
vom Objektpunkt @@ flektierten Strahlen dem Empfänger über ein ggf. mehrteiliges
Spiegelsystem. zugeführt werden. Durch die Berücksichtigung sämtlicher, vom Objektpunkt
in den Raumwinkelbereich susgestrahlter Echos erhalt man ein Signal, das gegenüber
den mii; den bekannten Einrichtungen gemessenen Amplituden eine erheblich gesteigerte
Aussagektraft besitzt.
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Vorteilhafterweise kann nach der Erfindung das Spiegalsystem ein
Hohlspiegel mit dem Objektpunkt zugewandter Spiagel fläche sein. Besonders günstige
Verhältnisse ergeben sich dabei, wenn nach einem weiteren Erfindungsmerkmal die
Spiegelfläche Teil eines Rotationsellipsoides ist, in dessen einem Brennpunkt sich
der' Empfänger befindet, und dessen anderer Brennpunkt mit dem Objektpunkt in Deckungslage
bringbar ist. Damit ist gewahrleistet, daß alle vom Objektpunkt ausgestrahlten Echokomponenten
nach Reflexion an der Spiegelfläche auf den im anderen Brennpunkt des Rota.tionsellipsoides
befindlichen Empfänger konzentriert werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die in an sich bekannter
Weise in Ihrer Gesamtheit verfahrbare Sender-Empfängeranordnung längs einer beliebigen
Bahnkurve bewegbar, wodurch sich Vorteile für die Auswahl des zu untersuchenden
Objektpunktes ergeben.
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Wenn überdies gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ein
die
Bahnkurve der Sendor-Empfängeranordnung registrierendes Aufnehmegerät, z.B. ein
Kurvenschrsiber, vorgesehen ist, eröffmet sich die Möglichkeit einer Vermessung
von Objekten oder Bereichen im Objekt durch entsprechende Auswertung der Bewegungsbahn.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Sender-Empfängeranordnung
eine Einrichtung zur Mossung der Laufzeiten, die das Sendesignal zur Zurücklegung
der Strecke Sender - Objektpunkt - Empfänger benötigt und bzw. oder der Abweichungen
der Laufzeiten von für eine angenommene Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Sendersignales
vorgegebenen Laufzeit-Sollwerten nachgeschaltet. Mit Hilfe dieser Anordnung ist
in präzise Messung der räumlichen Echolaufzeitenverteiling, welche die Grundlage
für weitere, nachstehend noch näher boschriebene Informationen bzw. Korrekturmöglichkeiten
bietet, müglich. Sind beispielsweise mehrere stationäre Empfänger vorhanden, so.
ist für jeden derselben der Zeitpunkt festgelegt, in dem das vom Objektpunkt reflektierte
Echo eintroffen müßte, das heißt. os ist also eine rnumliche Verteilung der zeitlichen
Sollwerte gegcnen.
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Um die räumliche Verteilung der tatsächlichen Echolaufzeiten zu ermitteln,
genügt es also, bei jedem Empfänger nur ein zeitliches Intervall um den zeitlichen
Sollwert zu berücksicntigen.
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Infolge der Auswertung nur eines kurzen Zeitintervalls werden Artefakte
infolge von Mehrfachreflexionen weitgehend vermieden.
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Die Messung der räumlichen Verteilung der Abweichungen von den zeitlichen
Sollwerten eröffnet die Möglichkeit, Schallgeschwin digkeitsänderungen im untersuchten
Bereich zu messen, weitere bei. nicht konstanter Schallgeschwindigkeit eine Entfernungskorrelctur
vorzunehmen, und schließlich eine Verbesserung der radialen Auflösung bei zusätzlicher
Berücksichtigung der von der Grenzflächenkrümmung abhängenden zeitlichen Abweichungen
vom Sollwert zu erreichen. Außerdem können unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit
und des akustischen Widerstandes Dichteänderungen bestimmt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann wonigstens
ein innerhalb eines Raumwinkelbereiches ortsveränderlicher Sender vorgesehen sein.
Beispielsweise kann damit, wie schon oben erwähnt, der Sendestrahl in eine Richtung
senkrecht
zur untersuchten Grenzfläche eingestellt werden.
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Für verschiedene andere Untersuchungszwccke kann es sich auch als
vorteilhaft erweisen, erfindungsgemäß innerhalb eines Raumwinkelbereiches mehrare
stationäre, wahlweise betreibbare Sender vorzusehen.
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Nach der Erfindung kann schließlich der Sender-Empfängeranordnung
ein die Meßdaten aufnehmendes Anzeige- und bzw. oder Auswertegorät nachgeschaltet
sein. An diesem können auch die systemspezifischen Daten eingegeben werden, um am
Anzeigagerät eine optimale Abbildung des untersuchten Objektes zu erbalten.
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Die Erfindung wird nachstchend enhand in der Zeichnung dargestellter,
auf die beispielsweise Anwendung der Erfindung in der Ultraschall-Diagnostik beschränkter
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische, zum Teil
perspektivische Ansicht der -Gesamtanordnung einer Einrichtung nach der Erfindung
in einer Ausführungsform, Fig.2 eine gleichartige Darstellung einer anderen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung, Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Baueinheit
zu einer Einrichtung nach der Erfindung unter Verwendung eines Hohlspiegels, und
die Fig. 4 und 5 je ein Rweiteras Ausbildungsbeispiel einer Einrichtng nach der
Erfindung.
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In der beispielsweisen Ausführungsform nach Fig. 1 umfaßt das Ultraschall-Sender-Empfängersystem
einen Schirm 1 in Form einer Kugelkalotte, in deren Zentrum sich ein Ultraschall-Sender-Empfänger
2 gebräuchlicher Art, z.B. ein Schwingqunrzmy atem, befindet, der im Sendebetrieb
von einem Froqucnzgenerntor 3 mit einer wählbaren Frequenz erregt wird. Das Signal
des Frequenzgenerators 3 wird zugleich auch dem Auswerte- und Anzeigegerät 4 der
Einrichtung zugeführt.
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Auf der Innenseite des kalottenförmigen Schirmes 1 ist eine Anzehl
von Ultraschallempfängern 5 in regelmäßiger Vertei lung angeordnet, Jeder Empfänger
5 ist über eine Verbindungsleitung 6 mit einem Eingang des Auswerte- und Anzeigegerätes
4 verbunden.
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Der Schirm 1 mit dem gesamten Sender-Empfängersystem ist Über eine
Stange 7 od.dgl. mit einer schematisch dargestellten Antriebsvorrichtung 8 verbunden,
die eine Bewegung des Schirmes
1 in-den drei aufeinander senkrecht
stehenden Koordinatonrichtungen x,y und z, wie durch die Pfeile veranschaulicht,
gestattet, sodaß auch eine beliebige räumliche Bahnkurve für die Schlrmbewegung
vorgegeben werden kann. Die Daten der jeweiligen P>e'-wegungsbahn werden von
Vorschubeinheiten 9, 10 und 11 filr den Längs, Quer- und Höhenvorschub über die
mit strichpunktiorten Linien angedeuteten Verbindungen 12 mechanisch oder elejctrinch
einem aufnahmegerät 13, z.B. einem Kurvenschroiber, eingege ben. Außer diesen drei
Vorschubmöglichkeiten kann der Schirm 1 mit der Sender-Empfängeranordnung auch noch
weitere Bewegungsmöglichkeiten, beiapielsweise durch kardanische Aufhänung 33 des
Schirmes 1, besitzen, wobei die Neigungsdeten des Schirmes, wie schematisch durch
die Winkel # und # und den strichpunktierten Verbindungen 12 angedeutet, einem Aufnahmegorät
17 eingegeben werden können. Zusätzlich werden die Positionsdaten des Schirmes über
die strichpunktiert angedeuteten verbindungen 12' dem Auswerte- und Anzeigegerät
4 zugeführt.
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Aus Fig, 1 ist die Untersuchung eines nur schematisch dargestellten
Objektes 14, z.B. eines organischen Gewebes, ersicht lich, welches durch die Linien
15, 16 angedeutete Grenzschichten enthält, an welchen sich der akustische Widerstand
des Objektes 14 sprunghaft ändert. Die Auffindung, Ortung und Untersuchung dieser
Grenzschichten 15,16 ist die hauptsächliche Aufgabe der erfindungsgemäßen Einrichtung,
da solche Grensschichten 15,16 strukturelle Unregelmäßigkeiten des Objektes 14,
im medizinisch-dia.gnostischen Bereich, vor allem krankhafte Veränderungen des Gewebes,
erkennen lassen. In gleicher Weise sind derartige Grenzschichten auch bei technologischen
Materialuntersuchungen oder bei geologischen Untersuchungen mittels eletromagnetischer
Wellen signifikant.
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In der aus Fig. 1 ersichtlichen Position des Schirmes 1 wird vom
Sender-Empfänger 2 ein Ultraschallstrahl 17 von durch den Frequenzgenerator 3 vorgegebener
Frequenz ausgesandt, der in Achsrichtung dos Schirmes 1 verläuft und der auf einen
an der Grenzschicht 16 gelegenen Objektpunkt 18 gerichtet ist. Im dargestellten
Beispiel wird angenommen, daß die Grenzschicht 16 im Objektpunkt 18 gegenüber einer
Normalebene zur Richtung des Ultraschallstrahles 17 geneigt ist, wie durch die im
Objektpunkt 18 an die Grenzschicht 16 gelegte Tangentislebene 19 angedeutet.
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Zur Vereinfachung der Messung ist der kalottenförmige Schirm 1 in
einem solchen Abstand oberhalb des Objektes 14 angeordnet, daß sein Kuglemittelpunkt
mit dem Objektpunkt 18 zusammenfällt. Diese, nicht notwendigerweise vorzusehende
Anordnung hat den Vorteil, däß sämtliche Empfünger 5 denselben Abstand vom Objektpunkt
18 haben. Der Raum zwischen Schirm 1 und Objekt 14 ist mit einem Koppelmedium 20
bekannter Schwächung und akustischen Widerstandes, in der medizinischen Diagnostik
Üblicherweise Wasser, erfüllt, das sich in einem auf das Objekt 14 aufsetzbaren
Behälter 20' befindet.
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Infolge der Neigung der Grenzschicht 16 im Objektpunkt 18 wird der
man der Grenzschicht reflektierte Anteil des vom Sender-Empfänger 2 ausgesandten
Ultraschallsignals, den be@annten Gesetzen der Optik folgend, zum überwiegenden
Teil in von der Richtung des Ultraschallstrahles 17 abweichenden Richttigen auf
den Schirm 1 zurückgestrahlt. Je nach der Neigung Krümmung sowie Oberflächenbeschaffenheit
der Grenzschicht 16 im Objektpunkt 18 ergibt sich dabei eine charakteristische Ver
teilung der vom Objektpunkt 18 reflektierten Strahlen und Amplituden dieser Echos
auf die Fmpfänger 5 in einem durch die Abmessungen des Schirms 1 festgelegten Raumwinkelbereich.
D@-bei kann sich, wie in Fig. 1 gezeigt, die mit 71 bezeichnete Hauptreflexionsrichtung
ergeben, bei welcher der das co tiufnehmende Empfänger 5, die maximale Echoamplitude
empfängt. Da der Objektpunkt 18 als Sender anzusehen ist, dessen Abstrahldarakteristik
von der Neigung, Rauhigkeit und Krümmung der Grenzfläche 16 abhängt, kann sich beispielsweise
eine durch die Linie 22 angedeutete Verteilung der von der Grenzschicht 16 ib,-gestrahlten
Echos ergeben. Der an der Grenzschicht 16 nicht reflektierte Anteil des Ultraschallstrahles
17 durchdringt die Grenzschicht und läuft im Objekt 14 direkt oder gebeugt weiter.
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Mit der gezeigten Sender-Empfängeranordnung erhält mnn somit zunächst
die räumliche Echosmplitudenverteilung in einem Raumwinkelbereich über dem Objektpunkt
18. Aus der Echoamplitudenverteilung erhält man die bereits eingangs ausführlich
erläuterten Informationen über das Vorhandensein von Grenzflächen, deren Neigungs-
und Krümmungsverhältnisse und ihrer Oberflächenbeschaffenheit. Aufgrund dieser Informationen
können,
wie erwähnt, durch Beugung verursachte Fehler vermieden
bzw. korrigiert, eine Verbesserung der radialen Auflösung erreicht und unter gewissen
Voraussetzungen der akustische Widerstand im Objekt bestimmt werden. Bei der speziellen
Anwendullg der Erfindung im medizinisch-diagnostischen Bereich können nnhand charakteristischer
Echonmplitudenverteilungen Insbesondere krankhafte Veränderungen leichter orkannt
und differn@nziert werden.
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Mit der Anordnung nach Fig. 1 läßt sich woitere die räumliche Verteilung
der Echolaufzeiten messen, wobei sich durch die Deckungslage von Objektpunkt 18
uind Kugelmittelpunkt des kalottenförmigen Schirmes 1 besondere Vereinfachungen
argeben, da bei angenommener Schallgeschwindigkeit für die einzelnen Empfänger 5
das vom Sender-Empfänger 2 ausgestrahlte Signal für die Zurücklegung des Weges zum
Objektpunkt 18 und von diesem zu jedem beliebigen Empfänger 5 dieselbe Zeit benötigt,
sodaß sich also' eine konstante räumliche Verteilung der zPi tlichen Sollwerte ergibt.
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Die Kenntnis der aus den Abweichungen von diesen zeitlichen Sollwerten
bei den einzelnen Empfängem 5 bastimlllh.^xor] räumlichen Echolaufzeitenverteilung
vermittelt dio schon eingangs näher beschriebenen informationen, durch die Artefakte
weitgehend vermicden, Schallgeschwindigkeitsänderungon gemmesnen, Entfernungskorrekturen
bei nichtkonstanter Schallgeschwindigkeit vorgenommen, weiters eine Verbesserung
der radialen Auflösung erreicht und. Dichteänderungen innerhalb des Objektes bestimmt
werden können.
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Die Ausftihrung der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig. 2 unterscheidet
sich vom zuvpr beschriehenen Ausführungs.
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beispiel hauptsächlich durch die ausbilding der Sender-Empfüngeranordnung.
An die Stolle ciner vielznhl ortofoster Empfänger 5 tritt hier ein einziger, innerhalb
des vorbestimmten Raumwinkelbereiches um die Hauptstrahlrichtung 17 ortsvoränderlicher
Ultreschall-Empfänger 23. Damit dieser Empfänger 23 innerhalb des vorgesehenen Raumwinkelbereiches
in jede beliebige Position gebracht werden kann, ist er längs einer kreisförmigen
Bahn 24, deren Mittelpunkt mit dem Objektpunkt 18 in Deckungslage gebrecht werden
kann, versahwenkbar und gleichzeitig um die mit der Hauptstrahlrichtung 17 zusammenfallende
Achse
drehber angeordnet. Die jeweilige Position des Empfängers 23 innerhalb des durch
die Kreisbshn 25 begrenzten Raumwinkelbereiches (entsprechend der Außenkontur des
Schirmes 1 bei dem Beispiel nach Fig. 1) wird dem Auswerte- und Anzeigegerät 4 in
Form der Winkelangaben α und # eingegehen, Alle übrigen Teile der Einrichtung
stimmen mit der Ausf2hrung uach Fig. 1 überein.
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Es ist chneweiteres erkennbar, daß auch mittels der Einrichtung nach
Fig.2 sowohl die räumliche Echoamplitudenverteiling als avch die räumliche Verteilung
der Echolaufzeiten in gleicher Weise wie mit der Einrichtung nach Fig. 1 bestinrnbar
sind. Anhand der Fig. 2 ist such die Vorgangsweise für die Zurodnung des Echomaximums
zu dom untersuchten Objcktpunkt 18 leicht zu erklären. Unter der Annahme, da.ß der
Empfänger 23 in der dargestellten Position die größte Echoamplitude im genamten
Raumwinkelbereich verzeichnet, steht zunüchst die Hauptreflexionerichtung 21 fest.
Diese schließt mit der Richtung des Ultraschallstrahles 17 den Winkel α ein.
Die Tangetialebene der Grenzschicht 16 im Objektpunkt 18 ergibt sich dann als Normalebene
19 zu der Winkelsymmetrale 26 zwischen den Strahlrichtungen 17 und 21, Bringt man
num einem Sender-Empfänger in die durch die Winkelsymmetrale 26 bestimmte Position,so
trifft der. von ihm abgegebene Ultraschallstrahl im Objektpunkt 18 senkrecht auf
die Grenzschicht 1,6 und wird von die ser hauptsächlich in Richtung der Winkelsymmetrals
26 auf den Empfänger. reflektiert. Das empfangene Echomaximum kann nu dem Objektpunkt
18 zugeordnet werden.
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Durch elektronische, analoge oder digitale Auswertung der empfangenen
Echos und ihrer Verteilung können nicht nur genaue Amplitudenwerte, sondern auch
genaue Entfernungsbestimmungen erhalten werden.
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Um sämtliche von einem Objektpunkt 18 in den vorbestimmten Raumwinkelbereich
reflektierten Echos berücksichtigen zu können, ist eine in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung
vorgesehen, die aus einem Hohlapiegel 27 bestcht, dessen Spiegelfläche dem Objektpunkt
18 zugewendet ist und die einem Teil eines Rotationsellipsoides bildet. Dieser Hohlspiegel
27 ist in gleicher Weise wie der Schirm 1 beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ilber
eine Stange 7 mit der Antriebsvorrichtung 8 verbunden.
Während
der Sender-Empfänger 2 an einer beliebigen Stelle der Längsachse 28 des die Spiegelflache
bildenden Rotationsellipsoids angeordnet ist, befindet sich ein Ultraschallempfänger
29 in dem einen Brennpunkt 30 des Rotatiorlsellipsoids. Der andere Brennpunkt 31
wird bei der Messung, wie dargestellt, in Deckungslage mit dem Objektpunkt 18 gbracht.
Wird nun vom Sender-Empfänger 2 ein Signal in Richtung der Längsachse 28 ausgestrahlt,
so werden sämtliche vom Objektpunkt 18 in den durch die gestrichelten Linien 32
definierten Raumwinkelbereich reflektierten Echos auf den Hohlspiegel 27 geworfen,
von wo sie zum Brennpunkt 30 hin reflektiert werden. Der Empfänger 29 erhält somit
dos Ges signal aller vom Objektpunkt 18 in den erwähnten Raumwinkel reflektierten
Echos. Das erhaltene Signal bositzt selbstverständlich gegenüber den mit den bisher
üblichen Vorfshren gemessenen Amplituden weitaus mehr Aussagekraft.
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Die Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig. 4 unterscheidet
aich vom Ausf2hrungsbeispiel nach Fig. 1 hauptsächlich durch eine flächenförmige
Sender-Empfängeranordnung 34. Ihre Positionierung erfolgt in der schon beschrlebenen
Weise. Die Auswahl des untersuchten Objektpunktes 18 erfolgt durch geeignete Wahl
der von den stationären Empfängern 5 empfangenen Echos bzw. der nun nicht konstanten
zeitlichen Sollwertverteilung. Neben der schon beschriebenen Möglichkeit der Untersuchung
von Objekten, ober von Objektteilen durch eine entsprechende Bewegung der Sender-Empfängerenordnung
bringt eine Abtastung entlang der Sendestrahlrichtung 17 durch entspreohende Änderung
der zeitlichen Sollwertverteilung de Vorteil einer kürzeren Untersuchungsdauer,
da nach Auswahl einer Scan-Linie die Sender-Empfngeranordnung nicht mehr zusätzlich
bewegt werden muß.
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Die Ausf2hrung der Einrichtung nach Fig.5 unterscheidet sich von
jener nach Fig.4. hauptsächlich dadurch, daß @ ähnlich wie bei dem Beispiel nach
Fig. 2 statt mehrerer stationärer Empfänger innerhalb einer durch die Anordnung
37 gegebener Ebene wenigstens ein ortaveränderlicher Empfänger 29 beliobig bewegt
werden kann. Seine Position ist durch die Lage der Vorschubeinheiten 35,38 und 39
gegeben und wird über die strichpunktiert angedeuteten Linien der Auswerte- und
Anzeigecinheit 4
ingegeben, Die zusätzlichen Freitheitsgrade durch
die kardanische Aufhängung 39 ermöglichen es, wie schon beim Beispiel der Fig.?
beschrieben, den Sendestrahl senkrecht nuf die untersuchte Grenzfläche zu richten,
was die schon beschriebenen Vorteile zur Folge.hat.
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Die durch. die Antriebsvorrichtung 8 bei den beschriebenen Anordnungen
nach Fig.1 bis 5 gegebene Bewegungsmöglichkeit der jeweiligen Sender-Empfängeranordnung
erlaubt die systematische Untersuchung wie auch Vermessung von Objekten oder von
Bereichen derselben, wie schon eingengs näher erläutert.
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L e e r s e i t e