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Vorrichtung zur Untersuchung von Körpern durch Ultra-
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schallabtastung Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
Untersuchung von Körpern durch Ultraschallabtastung mittels Ultraschall-Array, dessen
in Reihe nebeneinander angeordnete Wandlerelemente über die Reihe fortlaufend einzeln
oder gruppenweise erregbar sind.
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Eine Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise durch die DT-OS 1 948
463 vorbekannt. Das dort beschriebene Ultraschall-Array erlaubt jedoch wegen der
begrenzten ebenen Struktur lediglich die Abtastung kleinerer Körpergebiete. Insbesondere
in der medizinischen Diagnostik ist Jedoch die Darstellung größerer Körperschnitte
des Patienten, nach Möglichkeit sogar die eines Ganzkörperschnittes, erwünscht.
Die Darstellung solcher Körperschnitte war bisher nur mit Hilfe der Ultraschall-Compound-Scan-Technik
möglich. Nach dem Compound-Verfahren arbeitende Ultraschallgeräte, wie sie beispielsweise
aus der DT-AS 1 573 745 vorbekannt sind, haben einen Ultrascha#llkopf, der von Hand
in langsamen Bewegungen in der darzustellenden Ebene über die Körperoberfläche des
Patienten bewegt wird.
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Lage und Richtung des Ultraschallkopfes werden dabei über ein Gelenkstativ
mit Winkelmeßeinrichtungen erfaßt. Die hierbei ermittelten Lagekoordinaten werden
als entsprechende Koordinatensignale einem Elektronenstrahl-Oszillographen zugeleitet,
der die empfangenen Ultraschall-Echosignale auf dem
Bildschirm an
einer dem Lagekoordinaten-Signal entsprechenden Stelle abbildet. Ungünstig ist jedoch
beim Compound-Abtastverfahren, daß der Bildaufbau verhältnismäßig lange Zeit in
Anspruch nimmt. Darüber hinaus führt aber auch die mechanische Ausführung der bekannten
Compound-Scan-Geräte meistens zu unhandlichen Stativkonstruktionen, die nur sehr
umständlich zü bedienen sind.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ultraschallabtastung
anzugeben, die bei beliebig vorgebbarer Abtastgeschwindigkeit eine besonders großflächige
Abtastung eines Körpers, vorzugsweise Patientenkörpers, erlaubt.
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Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Mehrzahl von Ultraschall-Arrays nach Art
eines Array-Gürtels in Serie über Drehgelenke miteinander verbunden sind, die Winkelgeber
zur Angabe der Winkelstellung eines erregten Arrays zu dem oder einem der vorhergehenden
Arrays umfassen.
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Die Vorteile eines Array-Gürtels gemäß der Erfindung gegenüber dem
Stand der Technik sind, daß bei entsprechender Anzahl der Einzel-Arrays großflächige
Abtastungen von Körpergebieten beliebiger Krümmung möglich sind, daß das Anlegen
des Array-Gürtels keine Stativkonstruktion benötigt, sondern die Lage des Array-Gürtels
den Körperschnitt direkt bestimmt und daß auch die Applikation sehr einfach ist,
da die Schnittbilddarstellung über schnelle elektronische Steuerglieder nach Belieben
in sehr kurzer Zeit durchgeführt werden kann. Die Erfindung ermöglicht Jedoch nicht
nur die einfache und rasche großflächige Abtastung von Körpergebieten. Durch entsprechende
Auswahl und gezielte Ansteuerung von Einzel-Arrays oder Einzel-Wandlergruppen der
Arrays lassen sich auch Ausschnitte einer großen Fläche beliebig separat darstellen.
Hiermit ergibt sich dann beispielsweise auch die Möglichkeit der vergrößerten Darstellung
eines spezifischen Ausschnittes aus einem Gesamtbild. Durch die gezielte Ansteuerung
der Einzelelemente des Ultraschall-Array-Gürtels läßt sich also jedes
beliebig
denkbare Schallbild erzeugen, wobei zeitliche Uberlegungen die Auswahl bestimmen
können. Hierbei ist auch die Anwendung nichtlinearer Arrays möglich, die beispielsweise
Körpersektoren im Sektor-Abtastverfahren abtasten. Die Einzelsektoren können sich
dabei im Körperquerschnitt überlappen. Zur besseren Ausleuchtung des Körperquerschnittes
können die Ultraschall-Arrays zusätzlich in einem wassergefüllten Gürtel untergebracht
sein, der die bekannten Vorteile einer "Wasservorlaufstrecke" ausnützt.
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Akustische Abnehmer, die in Gürtelform angeordnet und als Gürtel beispielsweise
am menschlichen Körper postierbar sind, sind an sich bereits durch die französische
Patentschrift 1 599 527 bzw. durch die deutsche Offenlegungsschrift 1 766 841 vorbekannt.
Beim Gürtel der französischen Patentschrift handelt es sich jedoch um eine Druckmanschette
zur Abnahme von Korotkoff-Tönen bei der unblutigen Blutdruckmessung. In dieser Druckmanschette
sind einzelne Ultraschallwandlerelemente (d.h.
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nicht Arrays, wie es vorliegende Erfindung fordert) nebeneinander
angeordnet in dem Sinne, daß bei angelegter Manschette (am Arm eines Patienten)
eine Ausrichtung der Sende/Empfangskeulen der Wandlerelemente auf die pulsierende
Blutader erfolgt. Die Ultraschallstrahlen konvergieren also in Richtung auf die
Blutader und gemessen werden zudem nur jene Ultraschall-Echosignale, die von der
bewegten Aderwand stammen, d.h. in der Frequenz verschobene Ultraschall-Dopplersignale.
Beim Ultraschall-Array-Gürtel gemäß vorliegender Erfindung erfolgt Jedoch Abtastung
eines Körpergebietes in zeitlicher Aufeinanderfolge in vorzugsweise zueinander parallelen
Zeilen. Empfangen und abgebildet werden sämtliche Ultraschall-Echosignale, die aus
dem gesamten abgetasteten Körpergebiet stammen. Beim Abnahmegürtel der deutschen
Offenlegungsschrift 1 766 841 handelt es sich demgegenüber überhaupt nicht um eine
Ultraschall-Abtasteinrichtung zur Abtastung eines Körpergebietes zum Zwecke der
Gewinnung eines Echoschnittbildes. Dieser Gürtel beinhaltet vielmehr eine Reihe
gelenkig miteinander verbundener Mikrofone zum Empfang von akustischen Geräuschen
aus dem untersuchten
Körpergebiet zum Zwecke einer Lungenuntersuchung.
Die genannten Mikrofone arbeiten also nach dem Stethoskop-Prinzip, d.h.
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sie dienen zum Abhören eines Körpergebietes auf Schall, der in diesem
Körpergebiet bereits erzeugt wird, d.h. nicht vorher erst in das Körpergebiet eingestrahlt
zu werden braucht.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung
mit den Unteransprüchen.
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Es zeigen: Fig. 1 den erfindungsgemäßen Ultraschall-Array-Gürtel im
Prinzipaufbau, Fig. 2 ein Diagramm, das im Prinzip erläutert, wie aus den Drehpositionen
erregter Arrays die Lagekoordinaten-Signale für einen Elektronenstrahl-Oszillographen
(nicht dargestellt) gewonnen werden können, Fig. 3 ein Diagramm der Lagekoordinaten-Signale
bei Zuführung zum Elektronenstrahl-Oszillographen.
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In der Fig. 1 besteht der Ultraschall-Array-Gürtel beispielsweise
aus insgesamt fünf Einzel-Arrays A 2 A 1 Ao A1 und A2, die untereinander durch Drehgelenke
D1 bis D4 verbunden sind.
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Die Drehgelenke beinhalten übliche Drehpotentiometer, vorzugsweise
Sinus-Kosinus-Potentiometer, zur Erfassung der Winkelstellungen eines erregten Arrays
zu dem oder einem der vorhergehenden Arrays. Jedes Array besteht wiederum in üblicher
Weise aus den Ultraschallschwingern S nebst einem Trägerteil T für die einzelnen
Schwinger. In bevorzugter Ausgestaltung beträgt die Länge 1 eines Jeden Arrays vorzugsweise
10 cm. Die Anzahl n der Wandlerelemente S pro Array liegt im Bereich von vorzugsweise
etwa 100 Schwinger, wobei aus mechanischen Gründen die Array-Enden frei von Schwingerelementen
sind. In der nachfolgenden Rechnung wird dieser Leerbereich berücksichtigt,
zeitlich
hingegen übersprungen. Die Dicke eines jeden Wandlerelementes beträgt ca. d = 0,8
mm. Als Bezugspunkt des Array-Gürtels gemäß Fig. 1 ist der Mittelpunkt des mittleren
Arrays Ao gewählt, dem die auf dem Bildschirm der (nicht dargestellten) Oszillographenröhre
frei positionierbaren Koordinaten x = 0 und y = 0 zugewiesen werden. Von diesem
Punkt aus erfolgt eine Abtastung nach rechts und links wahlweise zeitlich nacheinander
oder auch im Zeitmultiplexbetrieb, so daß sich eventuelle Winkelablesefehler immer
nur über die halbe Länge des Array-Gürtelä addieren. Es genügt, die Berechnung der
Strahllage beispielsweise nur für die rechte Gürtelhälfte vorzunehmen (Fig. 2).
Für die linke Gürtelhälfte ergeben sich analoge Beziehungen. Ausgangspunkt der Berechnung,
d.h. Nullpunkt des Koordinatenkreuzes x, y bezüglich Array-Gürtel und Oszillographen-Bildschirm,
ist der Punkt PO, der im Sichtbild in die Mitte oberer Rand des Röhrenbildschirmes
gelegt wird.
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Mit dem mittleren Array Ao schließt rechtsseitig das Array A1 den
Winkel y 1 ein. Es folgt das Array A2 mit dem Einschlußwinkel f#2 etc. Die Drehpunkte
zwischen den Arrays sind mit P1, P2 bezeichnet. Der Endpunkt des letzten Schwingerelementes
i eines Ultraschall-Arrays ist für ein beliebiges Array A mit Pji angeführt. Jede
Strahllage (des Ultraschallstrahles und des Elektronenstrahles der Bildröhre) ist
damit also definiert durch einen Anfangspunkt Pji und durch eine Richtung, die durch
den zugehörigen Drehwinkel S j vorgegeben ist. Die empfangenen Echosignale werden
vom Ausgangspunkt Pji (xji; yji) mit der Schallgeschwindigkeit im Gewebe v in Strahlrichtung
aufgezeichnet. Dabei durchläuft der Schreibstrahl die Ortskurve: x (t) = xJi - v
~ t ~ sin y (t) = Yji + v t ~ cos im Bereich O < t <T, wobei T der Helltastdauer
für den Schreibstrahl (Elektronenstrahl) entspricht und durch die gewünschte Eindringtiefe
bestimmt ist. Der Winkel Y j ist wiederum der
Winkel zwischen dem
Array Ao und dem Array Aj, also
Der Punkt PJi läßt sich mit Hilfe der Koordinaten des zugehörigen Drehpunktes PJ
(xj, yj) wie folgt bestimmen: XJi = xj + i ~ d ~ cos Lf Sji Yj + i ~ d ~ sin Die
Lage von Pj ergibt sich aus der folgenden Beziehung:
mit 8 0 = 0; Allgemein lautet damit also die Ortskurve eines Schallimpulses, der
vom Schwinger i im Array Aj ausgesendet wird:
falls j > 0 sowie x (t) = id; y (t) = vt; falls j = 0; Mit dieser Berechnungsgrundlage
ergäbe sich also lediglich als Beispiel für die Strahllage des 15. Schwingers im
zweiten Array A2 die Beziehung:
x (t) = 2 1 + l cos F 1 + 15-d-cos
y 2 2 v t sin #2; 2 y (t) = lysin f 1 + 15-disin # 2 + v.t.cos#2; x (t) und y (t)
können dabei direkt als Ablenkspannungen der x- bzw. y-Ablenksysteme der Oszillographenröhre
interpretiert werden (Fig. 3).
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Üblicherweise werden benachbarte Schwinger einzeln oder gruppenweise
auch zeitlich nacheinander angeregt, so daß es genügt, lediglich die Positionsänderung
des Strahles in einem Integrationsverfahren zu berücksichtigen. Innerhalb eines
einzelnen Arrays bleibt die Strahlrichtung jeweils konstant. Die Lageänderung zwischen
den beiden Anfangswerten Pi und Pi+ beträgt dabei: x = d ~ cos # j y = d ~ sin S
Bei Überschreiten eines Drehpunktes muß dann nur noch die Veränderung des Drehwinkels
Y j nach der Gleichung # j+1 ap j + S ' j+1 in der Berechnung Berücksichtigung finden.
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Neben den konstanten Längenangaben (Array-Länge-l und Schwingerdicke
d) werden sehr genaue Winkelmeßgrößen (sin und cos) benötigt. #t j+n werden als
Meßwert durch die Potentiometer abgegriffen. Die Auswertung der Ortsbeziehungen
erfolgt mittels elektronischem Rechner. Dem Rechner verbleiben dabei ca. 500/u sec
bei einer Impulsfolgefrequenz von beispielsweise 2 kHz. Bei einem Array-Gürtel mit
beispielsweise neun Einzel-Arrays müssen maximal vier Winkelgrößen pro Koordinate
mit einer Konstanten multipliziert und anschließend addiert werden.
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Gemäß dem Diagramm der Fig. 2 ergibt sich beispielsweise dann für
einen beliebigen Punkt P (x, y) die Koordinatenbeziehung:
x(t)=l.(cos#1+cos#2+cos#3)
-1/2 l+id cos # 4 -v~t~sin # 4 #; Y(t)=l.(sin#1+sin#2+sin#3) + id-sin # +v.t.cos#
4, mit den Anfangswerten x(O), y(O), den Endwerten x(T), y(T) und mit beispielsweise
T = 0,2 ms für 30 cm Eindringtiefe im Untersuchungsobjekt.
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