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Verfahren zum Abtasten von Objekten bei Ultraschall-
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Schnittbilduntersuchungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Abtasten von Objekten bei Ultraschall-Schnittbilduntersuchungen unter Verwendung
von Multi-Element-Schallköpfen, wobei der Schallstrahl durch Zu- und Abschalten
von Randelemer,ten zu bzw. von den eben aktivierten Elementen schrittweise über
den Untersuchungsbereich verschoben wird.
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Eine Verschiebung des Schallbündels über den Untersuchungsbereich
ist bei der Herstellung von Schnittbildern notwendig. Je nach der Geschwindigkeit,
mit der das Schallbündel verschoben wird und der Höhe der Impulsfolgefrequenz ergibt
sich dabei ein mehr oder weniger dichtes Abtastraster. Bei Verwendung eines Einfachschallkopfes
wird dieser mechanisch verstellt, wobei sich die gewünschte Rasterdichte bei statischen
Aufnahmen durch eine entsprechend langsame Bewegung des Schallkopfes - die auch
von Hand aus gesteuert bzw.
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durchgeführt werden kann - erreichen läßt. Dabei ergibt sich eine
verhältnismäßig lange Zeitspanne, bis ein vollständiges Bild aufgebaut ist. Will
man jedoch Schnittbilder bewegter Objekte, z.B. von Organen bei medizinischen Untersuchungen,
erhalten und dabei die Bewegungsvorgänge sichtbar machen, wird es notwendig,
eine
Sildfolgefrequenz von mindestens 20 Bildern je Sekunde einzuhalten, um eine flimmerfreie
Darstellung zu erzielen. Es muß also eine entsprechende Anzahl von Schnittbildern
angefertigt und der Schallstrahl entsprechend rasch bewegt werden. Die mechanische
Verschiebung eines Einfachschallkopfes wird hier besonders bei größeren zu untersuchenden
Bereichen schwierig und oft sogar unmöglich, da neben der raschen Schallkopfbewegung
auch eine einwandfreie Ankoppelung an das untersuchte Objekt eingehalten werden
muß. Für derartige Untersuchungen werden Multi-Element-Schallköpfe verwendet, die
eine Vielzahl von Schwingern enthalten, die in einer Reihe angeordnet und zumindest
einpolig elektrisch getrennt sind. Durch einen entsprechend gesteuerten elektronischen
Umschalter werden die einzelnen Elemente nacheinander mit dem Ultraschallgerät verbunden
und aktiviert. Jedes einzelne Element bleibt mindestens so lange mit dem Gerät verbunden,
daß in dieser Zeit ein Schallimpuls ausgesandt und die von ihm erzeugten Echos empfangen
werden können.
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Wird jeweils nur ein einziger Schwinger mit dem Gerät verbunden,
so muß aus später noch näher zu erläuternden Gründen eine bestimmte Mindestgröße
des Einzelschwingers eingehalten werden. Das erzielbare Auflösungsvermögen bei der
Bilddarstellung ist durch diese Mindestgröße eines Einzelelementes bestimmt und
in dem erwähnten Fall verhältnismäßig grob. Es wurde daher vorgeschlagen, eine feinere
Unterteilung des Schallkopfes vorzunehmen und zur Erzeugung des Schallbikidels zwei
oder mehrere dieser Elemente gruppenweise zu erregen, so daß die Mindestgröße des
Schwingers infolge der sich praktisch wie ein Schwinger verhaltenden gemeinsam eingeschalteten
Elemente eingehalten werden kann, der Abtastraster
aber, da immer
nur ein Element zu- und eines abgeschaltet wird, auf die Größenordnung des kleineren
Hauptmaßes der Elemente verfeinert wird. Aus physikalischen Gründen ist es unig1ich,
die Elemente beliebig zu verkleinern, so daß auch hier Grenzen gesetzt sind.
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Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art, das in seiner bekannten
Ausführung unmittelbar vorstehend beschrieben wurde, besteht die Erfindung darin,
daß das Zu- und Abschalten der Randelemente zeitlich versetzt durchgeführt und dabei
vorzugsweise jeweils zunächst zu der aktivierten Elementgruppe das in der Verschieberichtung
des Schallstrahles folgende Randelement zugeschaltet, wenigstens ein Schallimpuls
ausgesandt und die von ihm erzeugten Echos empfangen und dann erst das andere Randelement
abgeschaltet und wieder weinigstens ein Schallimpuls ausgesandt und die von ihm
erzeugten Echos empfangen werden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es möglich, praktisch einen
durch die halbe Elementbreite eines Einzel elementes gegebenen Raster einzuhalten,
also die Darstellungsgenauigkeit gegenüber dem gleichen, nach dem herkömmlichen
Verfahren betriebenen Multi-Element-Schallkop! zu erhöhen und ein doppelt so gutes
Auflösungsvermögen bzw. die doppelte Rasterdichte einzuhalten.
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Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den Stand
der Technik sowie nähere Einzelheiten zu seiner Durchftlhrung gehen aus der nachfolgenden
Zeichnungsbeschreibung hervor.
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In der Zeichnung sind in Fig. 1 und 2 die herkönlichen Betriebsverfahren
fur Multi-Ilenent-Schallköpfe und in Fig. 3 die Betriebsweise eines Nulti-Ilnent-Schallkopfs
nach den erfindungsgemäßen Verfahren veranschaulicht.
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In den Fig. 1 bis 3 sind jeweils benachbarte Einzelelemente im Multi
-El ement-Schallkopf mit fortlaufenden arabischen Ziffern bezeichnet. Aufeinanderfolgende
Schaltzustände wurden in römischen Ziffern eingetragen.
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In Fig. 1 sind die Schaltzusiände II und III eines herkömmlichen
Multi -El ement-Schallkopfes angedeutet, wobei das jeweils eingeschaltete Einzelelement
schraffiert ist. Man könnte als Schaltzustand (römische Ziffer) auch jeweils die
Nummer des jeweils aktivierten Schwingers mit der niedrigsten Ordnungszahl bezeichnen.
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Beim herkömmlichen Schallkopf nach Fig. 1 waren quadratische Elemente
1,2 usw. vorgesehen.Im in Fig.1 oben dargestellten Schaltzustand II ist der Schwinger
2 aktiviert. Im nächsten Schaltzustand III wurde der Schwinger 2 ab- und der Einzelschwinger
3 eingeschaltet. Demgemäß springt beim Übergang von einem Schaltzustand auf den
anderen das Schallbündel um einen Betrag weiter, der dem Abstand der Mittellinie
zweier benachbarter Einzelschwinger 1, 2 usw. entspricht. Gemäß Fig. 1 käme es bei
jedem Sprung zu einer seitlichen Verschiebung des Schallbündels um beispielsweise
20 mm, was bedeutet, daß auch der Abtastraster in Richtung senkrecht zur Schallbündelrichtung
eine Rasterweite von 20 mm besitzt, also für die meisten Darstellungen viel zu grob
ist.
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Aus der Darstellung nach Fig. 1 kann man leicht ableiten, daß sich
eine Verfeinerung des Abtastrasters erzielen läßt, wenn man die Einzelschwinger
1, 2 usw.
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schmäler macht, wie dies in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht wurde.
Würde man hier aber jeden Einzelschwinger für sich betreiben, also ebenso wie bei
der Ausführung nach Fig. 1, den einzigen eben eingeschalteten Schwinger ab- und
den folgenden zuschalten, dann käme es zu einer untragbaren Verschlechterung des
Schallkopfes,
da die Divergenz des von einem Schwinger abgestrahlten
Schallbündels umso größer wird, je kleiner, hier also schmäler, der Einzelschwinger
wird. Wegen der Divergenz nimmt die Eindringtiefe und das seitliche Auflösungsvermögen
ab, so daß zwar das Abtastraster theoretisch verfeinert, gleichzeitig aber das seitliche
Auflösungsvermögen verschlechtert wird, so daß praktisch kein Gewinn bezüglich einer
besseren Bildqualität erzielt wird.
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Um die erforderlichen Mindestabmessungen für den aktivierten Schallkopfbereich
einhalten zu können, faßt man immer zwei oder mehrere, nebeneinanderliegende Einzelschwinger
zu einer Gruppe zusammen, wobei alle Schwinger dieser Gruppe gleichzeitig aktiviert
werden, ftlr die Verschiebung des Schallstrahles aber bisher gleichzeitig an einem
Ende der bis dahin eingeschaltet gewesenen Gruppe ein Einzelschwinger zu- und am
anderen Ende der letzte Einzelschwinger abgeschaltet wird. Die entsprechende Vorgangsweise
ist im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert, wo im Schaltzustand III die Schwinger
3 und 4 eingeschaltet sind und beim Übergang zum nächsten Schaltzustand IV der Schwinger
3 ab- und gleichzeitig der Schwinger 5 zugeschaltet wurde. Der Einfachheit halber
wurden in Fig. 2 nur zwei Schwinger je Gruppe eingeschaltet gezeichnet. In der Praxis
können feinere Unterteilungen Verwendung finden. Die erreichbare Feinheit des Rasters
entspricht dem Abstand der Mittellinien zweier benachbarter Einzelschwinger 1, 2,
3 usw.
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Eine beliebige Verfeinerung der Rasterteilung durch Verwendung immer
schmäler werdender Einzelschwinger ist in der Praxis nicht möglich. Die einzelnen
Schwinger müssen in ihrer Wirkungsweise getrennt werden, weshalb Zwischenräume erforderlich
sind, die zwar relativ klein bleiben, im Verhältnis zur Schwingerbreite aber
immer
größer werden, je kleiner diese Breite ist.
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Der Abstand ist notwendig, um ein Mitschwingen der benachbarten Schwinger
zu verhindern. Der Anteil der Abstände an der Gesamtfläche wird umso größer, in
je mehr Einzelschwinger eine Gruppe unterteilt wird.
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Damit sinken Wirkungsgrad und Empfindlichkeit des Multi-Element-Schallkopfes
umso mehr ab, je feiner die Unterteilung gewählt wird. Man muß also zwischen den
einander entgegengesetzten Forderungen nach feinem Abtastraster durch schmale Einzelschwinger
und gutem Wirkungsgrad eine brauchbare Kompromißlösung suchen und dabei zu vermeiden
trachten, daß eine kleine Verbesserung in einer Richtung eine starke Verschlechterung
in anderer Hinsicht bewirkt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, den Abtastraster auf
den doppelten Wert zu verfeinern, ohne die Größe der Einzelschwinger zu verändern.
Es wird also diese Rasterverfeinerung durch keine Verschlechterung des Wirkungsgrades
erkauft. Das Wesen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Zusammenhang mit Fig.
3 erläutert, die der besseren Ubersichtlichkeit halber an die Darstellung der Fig.
2 angepaßt ist, wobei auch gleiche Elementbreiten gezeigt werden. Selbstverständlich
kann und wird die Mindestgröße einer Gruppe beim erfindungsgeilßen Verfahren mehr
als die dargestellten beiden Elemente umfassen.
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Zu Beweise, daß eine Rasterverfeinerung auf die halbe Elenentbreite
möglich ist, reicht aber die Darstellung nach Fig. 3 aus.
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Die Schaltschritte III und IV entsprechen den gleichen Schaltschritt@@
bei dem ii Zusammenhang mit Fig. 2 erlluterten Verfahren. Zwischen diesen beiden
Schaltschrltten folgt aber ein Übergangsschritt
IIIA um praktisch
die halbe Elementteilung. Dies wird dadurch erreicht, daß beim Ausführungsbeispiel
im Schritt IIIA zunächst zur Gruppe 3, 4 das in Verschieberichtung folgende Einzelelement
5 zugeschaltet und wenigstens ein Sendeimpuls ausgesandt sowie die zugehörigen Echos
empfangen und weitergeleitet werden. Beim Schaltzustand III liegt der Mittelpunkt
der eingeschalteten Gruppe 3, 4 in der Mitte der Fuge zwischen den beiden eingeschalteten
Schwingern 3 und 4. Im Schaltzustand IIIA liegt der Mittelpunkt der eingeschalteten
Gruppe 3, 4, 5 in der Mitte des Elementes 4. Der Rastersprung entspricht also der
halben Elementbreite und das Schallbündel hat sich nur um den Betrag der halben
Elementbreite verschoben. Anschließend wird im Schaltzustand IV das Element 3 abgeschaltet,
so daß nun die Achse des Schallbündels in der Mitte zwischen den Elementen 4 und
5 liegt. Es wird wieder wenigstens ein Sendeimpuls ausgesandt und die zugehörigen
Echos werden empfangen. Im folgenden Schaltzustand IVA wird das Element 6 zugeschaltet,
das Element 4 bleibt aber noch eingeschaltet, so daß die Achse des Schallbündels
in der Mitte des Elementes 5 liegt und der Rastersprung wieder die halbe Elementbreite
beträgt. Es ist selbstverständlich darauf zu achten, daß bei der jeweils kleineren
Anzahl eingeschalteter Einzelelemente die erforderliche Mindestgesamtgröße des aktivierten
Schwingerbereiches eingehalten wird.
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Zum Beweis, daß das erfindungsgemäße Verfahren tatsächlich realisierbar
ist und die anderen Prüfbedingungen nicht verschlechtert, soll ein möglichst
ungünstiger
Fall diskutiert werden. Es sei angenommen, daß die zu erfassende Schnittfläche eine
Tiefe von 180 mm und eine seitliche Ausdehnung von 200 mm besitzt, wobei sich bei
einer gegebenen Schallgeschwindigkeit aus der geforderten Eindringtiefe die höchstmögliche
Impulsfolge-Frequenz mit etwa 4 kHz errechnet.
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Bei einer höheren Frequenz wUrde ein Sendeimpuls bereits ausgesandt,
bevor noch alle Echos zum vorherigen Impuls eingetroffen sind, so daß Geisterechos
entstünden. Bei einem bewegten Schnittbild müssen pro Sekunde 20 vollständige Bilder
erzeugt werden. Bei der genannten Impuls-Folge-Frequenz erhält man somit pro Einzelbild
200 Impulse und somit Bildzeilen bei einer zeilenweisen Darstellung des Schnittbildes.
Bei einer Abtastbreite von 200 mm kann man also pro mm einen Sendeimpuls abgeben
und die zugehörigen Impulse empfangen und sinngemäß auch das Schallbündel in den
einzelnen Schritten um jeweils 1 mm verschieben, wenn man optimale Verhältnisse
anstrebt. Eine größere Verschiebung würde die Aussendung von zwei oder mehr Impulsen
je Abtastlinie ermöglichen, doch brächte dies in der Einzellinie keine bessere oder
zusätzliche Information, doch käme es zu einer Vergröberung des Abtastrasters. WUrde
man das Abtastraster feiner wählen als 1 mm, so müßte man für diesen Gewinn an Feinheit
andere Verschlechterungen in Kauf nehmen. Will man jede Abtastlinie mit einem Impuls
belegen, was notwendig ist, um das Raster auszufüllen, dann darf die Haltezeit in
den einzelnen Positionen nicht verringert werden. Deshalb käme man zu einer Erhöhung
des Zeitaufwandes für die Erzeugung eines Einzelbildes, so daß nicht mehr die geforderten
20 Bilder/Sekunde erhalten werden und die Gesamtdarstellung flimmert. Wenn man die
Schrittzeit verkürzt, um die erforderliche Bildfolgefrequenz einzuhalten, kann man
wieder nicht mehr pro Abtastlinie einen Impuls aussenden, und es kommt dann
praktisch
zu einem gröberen Raster. Beim gewählten Ausführungsbeispiel ergibt sich der Wert
von einer Abtastlinie pro mm vom physikalischen Standpunkt als optimaler Kompromißwert.
Dabei können Multi-Element-Schallköpfe mit Mittellinienabständen benachbarter Elemente
von 2 mm (der doppelten Sprungweite) Verwendung finden, was bisher etwa als kleinstmöglicher
Wert bei Elementarschwingern angesehen wird, für die noch eine ausreichende Empfindlichkeit
gewährleistet ist. Selbstverständlich ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren
bei jedem gruppenweisen betrieb der Einzelschwinger von Multi-Element-Schallköpfen
eine entsprechende Rasterverfeinerung.