DE2743480A1

DE2743480A1 - Ultraschallechoskop

Info

Publication number: DE2743480A1
Application number: DE19772743480
Authority: DE
Inventors: Robert Dick Lee
Original assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1976-09-30
Filing date: 1977-09-28
Publication date: 1978-04-06
Also published as: ES462776A1; FR2366002A1; GB1584271A; US4156304A; CH626245A5; FR2366002B1; JPS5392579A; SE7710555L; CA1099009A; SE420975B; MX143419A; BR7706518A

Description

Ultraschallechoskop

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Untersuchen des Körperinneren eines Patienten nach dem Ultraschallechoverfahren bei der ohne Eingriffe durchgeführten medizinischen Diagnose .

Bei einem erfindungsgemäßen Echokardioskop, Echokardiograph, Echoencephalograph oder allgemein Ultraschallechoskop werden. im Körperinneren von Lebewesen befindliche Organe unter Verwendung eines einzigen Ultraschallwandlers sichtbar gemacht, ohne daß ein Eingriff vorgenommen werden muß, wobei zusätzlich mechanische und/oder elektrische Vorrichtungen verwendet werden, um eine Mehrzahl unterschiedlicher Darstellungsarten zu erhalten. Zu diesen Ultraschalldiagnoseverfahren gehört das lineare mechanische Abtasten, das bogenförmige Abtasten unter Verwendung eines von Hand gehaltenen Sektors und das kombinierte Abtasten, wobei diesen verschiedenen Abtastarten entsprechende Darstellungsarten zugeordnet sind. Das am häufigsten verwendete Ultraschall-Diagnosegerät ist der Echokardiograph. Bei diesem wird ein einziges, von Hand gehaltenes Ultraschallwandlerelement zum Untersuchen des Herzens des Patienten ohne Eingriff verwendet, wobei man eine visuelle Darstellung vom "A"-Typ und "M"-Typ auf einem Oszilloskop, d.h. einer Kathodenstrahlröhre erhält.

Keines der bekannten in der Biomedizin verwendeten Ultraschallechoskope kann gleichermaßen das Ergebnis einer "C"-Abtastung und das Ergebnis der üblichen "A"- und "M"-Abtastung darstellen. Darüber hinaus sind die bekannten Ultraschallechoskope groß und sperrig; sie lassen sich daher nicht tragen und unter Verwendung einer Batterie betreiben.

8098U/0700

Durch die vorliegende Erfindung wird in einem in der Biomedizin verwendeten Ultraschallechoskop mit einer Abtasteinrichtung für "A"-Abtastung und "M"-Abtastung zusätzlich eine Abtasteinrichtung für "C"-Abtastung geschaffen. Zu der erstgenannten Abtasteinrichtung gehört ein Taktimpulsgenerator, eine Kathodenstrahlröhre mit der X-Achse, der Y-Achse und Z-Achse zugeordneten Eingangsklemmen, ein synchronisierter Ablenkspannungs-Signalgenerator, der zwischen den Taktimpulsgenerator und die der X-Achse zugeordneten Eingangsklemme geschaltet ist, und ein mit der der Z-Achse zugeordneten Eingangsklemme verbundener Empfänger. Die der "C"-Abtastung zugeordnete Abtasteinrichtung weist eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern auf, die in einer Reihe angeordnet sind und auf der Haut des Körpers des Patienten anordenbar sind. Dabei sind einzelne einer Mehrzahl von Sende/Empfangsweichen (Transmitter) jeweils mit einem zugeordneten Ultraschallwandler verbunden. Durch die Sende/Empfangsweiche wird jeweils dem zugeordneten Ultraschallwandler ein gepulstes elektrisches Signal zugeführt und das vom Ultraschallwandler aus dem empfangenen Echo erzeugte elektrische Signal direkt zu dem Empfänger geleitet. Die Abtasteinrichtung für "C"-Abtastung weist ferner einen Umschaltkreis und einen synchronisierten Treppenspannungsgenerator auf. Der Umschaltkreis ist zwischen den Taktimpulsgenerator und die Vielzahl von Sende /Empfangsweichen geschaltet und aktiviert die Sende/Empfangsweichen bei Erhalt von Taktimpulsen in zyklischer Reihenfolge. Der Treppenspannungsgenerator ist zwischen den Taktimpulsgenerator und die der Y-Achse zugeordneten Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre geschaltet.

Zu den wichtigen Merkmalen der vorliegenden Erfindung gehört ferner die Verwendung eines einzigen Empfängers für die Gesamtheit der in der Reihe angeordneten Ultraschallwandler anstelle von getrennten Empfängern sowie die Verwendung von integrierten COS/MOS-Logikschaltkreiskomponenten, wodurch die

B098U/0700 ·^Λ

Leistungsaufnahme sehr klein gehalten werden kann.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ultraschallechoskops von außen;

Fig. 2: ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallechoskops;

Fig. 3: die Darstellung eines Echosignals auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre bei "A"-Abtastung;

Fig. 4: die Darstellung eines Echosignals bei "M"-Abtastung; Fig. 5: die Darstellung eines Echosignals bei "C"-Abtastung;

Fig. 6: einen ersten Teil des schematischen Schaltplans einer erfindungsgemäßen "C"-Abtasteinrichtung;

Fig. 7: einen zweiten Teil des schematischen Schaltplans einer erfindungsgemäßen "C"-Abtasteinrichtung;

Fig. 8: in Teilfiguren 8A bis 8H den zeitlichen Verlauf eines ersten Satzes von Signalen, die an verschiedenen Punkten des schematischen Schaltplans nach den Fign. 6 und 7 beobachtet werden; und

Fig. 9: in Teilfiguren 9A bis 9E den zeitlichen Verlauf eines zweiten Satzes von Signalen, die an verschiedenen Punkten in dem schematischen Schaltplan nach den Fign. 6 und 7 erzeugt werden.

8098H/0700 ·/.

In Fig. 1 ist die Außenansicht eines tragbaren, batteriebetriebenen Ultraschallechoskops 11 gezeigt, das zum Untersuchen des Körperinneren eines Patienten dient. Fig. 1 zeigt die Schaltung des Ultraschallechoskops in Form eines Blockschaltbildes. Ein zentraler Taktimpulsgenerator 13 erzeugt aufeinander folgende Taktimpulse, die als Triggerimpulse auf eine Sende/Empfangsweiche 15 gegeben werden. Die letztere gibt einen elektrischen Impuls an einen Ultraschallwandler 17 ab, der auf der Haut des Patienten angeordnet ist. Der Ultraschallwandler 17 setzt das elektrische Signal in einen Ultraschallimpuls um, der vom Ende des Ultraschallwandlers in den Körper des Patienten abgestrahlt wird. Von der Oberfläche des Körpers und von im Körper liegenden Grenzflächen werden Echos zurückgestrahlt. Die Echos werden von dem Ultraschallwandler 17 aufgenommen und in elektris die Echosignale umgesetzt, die dann über einen Empfänger 19 auf eine Kathodenstrahlröhre 21 gegeben werden. Der vom zentralen Taktimpulsgenerator 13 erzeugte Taktimpuls wird als Triggerimpuls zugleich auf einen Zeitbasis-Ablenkspannungsgenerator 23 gegeben. Dieser erzeugt ein Sägezahnsignal, das auf die der X-Achse zugeordneten Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre 21 gegeben wird. Hierdurch wird ein auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre erzeugter Lichtfleck synchron zum Pulsen des Ultraschallwandlers 17 in horizontaler Richtung abgelenkt. Das Ultraschallechoskop bietet gleichermaßen die Möglichkeit zur "A"-Abtastung und zur "M"-Abtastung. Bei der ersteren wird das vom Empfänger 19 bereitgestellte Signal auf die Y-Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre 21 gegeben, während bei der "M"-Abtastung das vom Empfänger 19 bereitgestellte Signal auf die Z-Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre gegeben wird.

In Fig. 3 ist das Schirmbild bei "A"-Abtastung gezeigt. Die Echos werden hierbei als vertikale Auslenkungen der Spur des Kathodenstrahls, d.h. als Zacken auf dem Schirm dargestellt. Da die Zeitspanne, die zwischen dem Aussenden eines Ultra-

B098U/0700

schallimpulses und dem Empfang des Echos liegt, von dem Abstand zwischen dem Ultraschallwandler und der reflektierenden Grenzfläche liegt, wird der Abstand der Grenzfläche vom Ende des Ultraschallwandlers in X-Richtung zur Anzeige gebracht. Dieser Abstand entspricht der Tiefe der inneren Grenzfläche unter der Haut des Patienten.

In Fig. 4 ist das Schirmbild der Kathodenstrahlröhre bei "M"-Abtastung gezeigt. Dabei werden die Echos als Helligkeitsmodulation, d.h. Intensitätsänderung der von der Zeitbasis erzeugten Spur dargestellt. Die Zeitbasis wird in rechtem Winkel zu ihrer Ablenkrichtung verschoben, was der Aufzeichnung der Stellung einer bewegten Grenzfläche entspricht. Die abgelaufene Zeit wird längs der Y-Achse zur Anzeige gebracht, während die Tiefe der reflektierenden Grenzfläche gerechnet vom Ende des Ultraschallwandlers längs der X-Achse zur Anzeige gebracht wird.

Das Ausgangssignal des zentralen Taktimpulsgenerators 13 wird ferner auch einem Tiefenmarken-Generator 25 zugeführt, der aufeinanderfolgende Impulse erzeugt. Diese werden auf die Y-Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre 21 gegeben, und man erhält so längs der Basislinie der Schirmdarstellung Tiefenmarken. Diese sind in den Fign. 3 und 4 mit dem Bezugszeichen 53 gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß weist das Ultraschallechoskop ferner eine insgesamt mit27 bezeichnete Abtasteinrichtung für "C"-Abtastung auf, die in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie eingefaßt ist.

Bei ¹¹C"-Abtastung werden die vom Taktimpulsgenerator 13 erzeugten aufeinanderfolgenden Taktimpulse über eine Leitung 31 als Triggerimpulse auf einen Treppenspannungsgenerator 29 gegeben. Der Treppenspannungsgenerator 29 erzeugt ein treppenförmiges Spannungssignal, dessen Stufen mit den Taktimpulsen

8098U/0700 ./.

synchronisiert sind. Das treppenförmige Spannungssignal wird über eine Leitung 33 auf die der Y-Achse zugeordneten Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre 21 gegeben. Das Ausgangssignal des zentralen Taktimpulsgenerators wird ferner auch über eine Leitung 37 auf einen Umschaltkreis 35 gegeben. Der Umschaltkreis 35 hat eine Vielzahl von Ausgangsklemmen, deren Anzahl (N + 4, wobei N eine positive ganze Zahl ist) durch die gewünschte Auflösung der Anzeige vorgegeben ist. Diese Anzahl kann z.B. 24 betragen. Der Umschaltkreis wird durch den Taktimpuls so aktiviert, daß er in zeitlicher Aufeinanderfolge an jeder seiner Ausgangsklemmen einen Triggerimpuls erzeugt. Die zweite Ausgangsklemme und die zweitletzte Ausgangsklemme sind über eine Leitung 39 mit dem Tiefenmarken-Generator 25 verbunden. Der zweite und der zweitletzte Triggerimpuls des Zyklus aufeinanderfolgender Triggerimpulse bewirken die Darstellung von Tiefenmarken beim unteren und oberen Rand des Schirms der Kathodenstrahlröhre. Eine Mehrzahl von Sende/Empfangsweichen (Transmittern) 41, deren Anzahl N beträgt, sind jeweils mit der dritten,vierten usw. bis zur drittletzten Ausgangsklemme des Umschaltkreises 35 verbunden. Nach Abgabe der ersten beiden Triggerimpulse des einen Zyklus darstellenden Satzes führt ein jeder der nächsten N Triggerimpulse zum Aktivieren der Sende/Empfangsweichen 41 in zyklischer Reihenfolge. Eine jede der Sende/Empfangsweichen übermittelt über eine Leitung 43 einem zugeordneten Ultraschallwandler 45 eines Satzes von N Ultraschallwandlern ein elektrisches Signal. Die Ultraschallwandler sind in einer Reihe angeordnet und befinden sich auf der Haut des Körpers des Patienten. Jeder der Ultraschallwandler wandelt das elektrische Signal in einen Ultraschallimpuls um, der vom Ende des Ultraschallwandlers in den Körper des Patienten abgestrahlt wird. Die reflektierten Schallwellen werden von dem Ultraschallwandler wieder aufgefangen und in elektrische Echosignale umgesetzt, die dann über eine Leitung 47 auf den Empfänger 19 gegeben werden. Die letzte Ausgangsklemme des Umschaltkreises 35 ist mit einem Vorspannspannungsgenerator 49 verbunden. Damit wird durch den letzten Triggerimpuls

8098 1 4/0700 /

eines Satzes der Vorspannspannungsgenerator 49 aktiviert; dieser erzeugt eine Vorspannspannung zum Verschieben der vertikalen Stellung der treppenförmigen Spannung um die Hälfte einer Rasterlinie aus der Stellung heraus, die die treppenförmige Spannung beim Schreiben des vorhergehenden Bildes auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre 21 hatte. Das Vorspannspannungssignal wird über eine Leitung 51 auf die Y-Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre gegeben.

Bei "C"-Abtastung wird das vom Empfänger bereitgestellte Signal auf die der Z-Achse zugeordneten Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre gegeben.

In Fig. 5 ist das Schirmbild bei "C"-Abtastung gezeigt, bei der die Echos als Helligkeitsmodulation, d.h. Intensitätsänderung des Kathodenstrahls dargestellt werden. Die vertikale Stellung des Kathodenstrahls entspricht zu jedem Zeitpunkt der Stellung des jeweils aktivierten Ultraschallwandlers des Ultraschallwandlersatzes. Die Tiefe der reflektierenden Grenzfläche gerechnet von der Ebene des Ultraschallwandlers wird in X-Richtung zur Anzeige gebracht. Die Anzahl horizontaler Linien eines Bildes ist doppelt so groß gewählt wie die Anzahl von Ultraschallwandlern, wozu noch zwei zusätzliche Linien am oberen und unteren Rand des Schirms für die Tiefenmarken 53 kommen. Dadurch, daß auf die Y-Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre die Vorspannspannung gegeben wird, erhält man visuell den Eindruck, als sei in dem Ultraschallwandlersatz die doppelte Anzahl von Ultraschallwandlern enthalten. Hierdurch wird die Anzeige verbessert. Die so erhaltene Darstellung gibt somit das Bild eines zweidimensionalen Schnitts durch anatomische Organe, andere Strukturen des Körpers usw. wieder, in/dem alle Bewegungen, z.B. die Bewegungen der Herzwand beobachtet werden können.

Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Fign. 6 und 7 der Aufbau einiger Blöcke der Abtasteinrichtung 27 genauer beschrieben.

8098U/0700 ·/·

Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, weist der Treppenspannungsgenerator 29 einen nicht invertierenden Verstärker 55 auf, der mit der Eingangsleitung 31 verbunden ist. Die Ausgangsklemme des Verstärkers 55 ist mit einer ersten Eingangsklemme eines NOR-Gliedes 57 verbunden, dessen Ausgangsklemmen mit den Eingangsklemmen eines weiteren NOR-Gliedes 59 verbunden sind. Die Ausgangsklemme des Verstärkers 55 ist ferner mit der Takteingangsklemme CL eines Flipflops 61 vom D-Typ verbunden. Die Setzausgangsklemme Q des letzteren ist mit der zweiten Eingangsklemme des NOR-Gliedes 57 verbunden. Die Ausgangsklemme des NOR-Gliedes 59 ist mit der Takteingangsklemme CL eines siebenstelligen Binärzählers 63 verbunden, während die Setzausgangsklemme Q des Flipflops 61 mit der Rückstelleingangsklemme R des Binärzählers 63 verbunden ist. Die Ausgangsklemmen des Binärzählers sind mit einem leiterförmigen, zur Analog/Digital-Umsetzung geeigneten Widerstandsnetzwerk 65 verbunden, dessen Ausgangsklemme über eine Emitterfolgestufe 67 mit der Leitung 33 verbunden ist. Jedesmal dann, wenn auf der Leitung 31 ein Taktimpuls ansteht, nimmt das Ausgangssignal des NOR-Gliedes 57 bei hohem Signalpegel an seinen Eingangsklemmen einen niederen Pegel an. Hierdurch wird das Ausgangssignal des NOR-Gliedes 59 hochgezogen und der Binärzähler 63 wird aktiviert. Dies führt dazu, daß an dem Widerstandsnetzwerk 65 eine bestimmte Spannungsverteilung anliegt, die über die Emitterfolgestufe 67 auf die Y-Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre 21 gegeben wird.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, ist die Ausgangsklemme des nicht invertierenden Verstärkers 55 über eine Leitung 68 ferner mit der Takteingangsklemme CL eines im Umschaltkreis 35 angeordneten dekadischen Zählers 69 verbunden, der Einer zählt. Die Setzausgangsklemme Q des Flipflops 61 ist über eine Leitung 70 mit der Rückstelleingangsklemme R des Zählers 69 verbunden. Ein Zehner zählender dekadischer Zähler 71 ist in Reihe zum Zähler 69 geschaltet und wird durch diesen an-

./. 8098U/0700

gesteuert und zählt so die Zehner. Die Ausgangsklemmen des Zählers 69 sind mit Dateneingangsklemmen IN bilateraler Impulsschalter PS_N_₂ bis PS j verbunden. Dabei sind die Ausgangsklemmen der ersten Stufe ausgehend von PS«, mit einem jeden zehnten der Impulsschalter verbunden, während die Ausgangsklemmen der zweiten Stufe ausgehend von dem Impulsschalter PS , mit jedem zehnten Impulsschalter verbunden sind usw. Die Ausgangsklemmen des Zählers 71 sind mit Steuereingangsklemmen VC der bilateralen Impulsschalter verbunden, wobei die Ausgangsklemme der ersten Stufe mit den ersten zehn Impulsschaltern verbunden ist, die Ausgangsklemme der zweiten Stufe mit den zweiten zehn Impulsschaltern verbunden ist usw. Die Ausgangsklemmen OUT der Impulsschalter sind über Widerstände R mit Erde verbunden. Die Ausgangsklemme des zweiten bilateralen Impulsschalters PS_n- und des vorletzten bilateralen Impulsschalters PS_n+1 sind über eine Diode 73 bzw. 75 mit einem Impulse verstärkenden Treiberkreis 77 verbunden, dessen Ausgangsklemme über die Leitung 39 mit dem Tiefenmarken-Generator 25 verbunden ist. Die Ausgangsklemme des dritten bis zum drittletzten Impulsschalters PS. bis PS_n sind mit Impulsverstärkern A- bis A_n verbunden.

Nachstehend wird das Arbeiten des Umschaltkreises 35 unter Bezugnahme auf die in Fig. 8 gezeigten Signalformen beschrieben. Die Taktimpulse haben die in Fig. 8 gezeigte Form. Es sei nun angenommen, daß der Einer zählende dekadische Zähler 69 und der Zehner zählende dekadische Zähler 71 durch einen auf ihre Rückstelleingangsklemmen R gegebenen positiv ansteigenden Impuls zurückgestellt worden sind. Steht auf der Leitung 31 der erste Taktimpuls an, so wird die Takteingangsklemme CL des Zählers 69 auf das Hochziehen der Ausgangsklemme des Verstärkers 55 hin ebenfalls hochgezogen. Hie in Fig.8C gezeigt, erscheint dann an der Ausgangsklemme dsr ersten Stufe des Zählers 69 ein Spannungsimpuls P_N_₂· Beginnend mit dem ersten Schalter PS_n-2 steht somit auch an den Dateneingangs-

8098U/0700

27Λ3Λ80

klemmen IN eines jeden zehnten der bilateralen Impulsschalter ein Signal an. Damit die Impulse P_N_₂ durch die Impulsschalter hindurch zu deren Ausgangsklemmen OUT gelangen können,
wird an den Steuereingangsklemmen VC der Impulsschalter eine positive Spannung benötigt. Diese Spannung ist vom Ausgangssignal der ersten Stufe des Zählers 71 abgeleitet und liegt nur an den ersten zehn Impulsschaltern PS _ bis PSg an. Damit wird nur der Impulsschalter PS„ „ angeschaltet, so daß
der Impuls P_N_₂ durch diesen Impulsschalter hindurch an dessen Ausgangsklemme OUT gelangen kann und am zugeordneten Widerstand R abfällt. In der Zwischenzeit ist die Stufe S„ _

N — 2.

der Treppenspannung erzeugt worden, wie aus Fig. 8B ersichtlich ist. Man läßt der Treppenspannung während des Zurückfahrens des Strahls Zeit, sich einzustellen. Steht auf der Leitung 31 der zweite Taktimpuls an, so wird die Takteingangsklemme CL des Zählers 69 hochgezogen und an der Ausgangsklemme der zweiten Stufe desselben erscheint ein Spannungsimpuls P₁, wie in Fig. 8D gezeigt ist. Durch diesen Taktimpuls
wird zugleich die Bildung der Stufe S , der Treppenspannung eingeleitet. Da an der Steuereingangsklemme VC des Impulsschalters PS , von der Ausgangsklemme der ersten Stufe des Zählers 71 her eine positive Spannung ansteht, wird der Impulsschalter PS_n-1 als nächster angeschaltet. Der Impuls P_n-1 läuft durch diesen Impulsschalter hindurch und fällt am Widerstand R ab. Der Impuls P_n-1 wird ferner über die Diode 73 auf den Treiberkreis 77 gegeben. Steht auf der Leitung 31 der
dritte Taktimpuls an, so wird die Treppenspannung um einen
Schritt auf S₁ weitergeschaltet, wie aus Fig. 8B ersichtlich ist. An der Ausgangsklemme der dritten Stufe des Zählers 69 und an der Eingangsklemme des Impulsschalters PS₁ und jedes zehnten auf diesen folgenden Impulsschalters liegt ein Spannungsimpuls P₁, wie aus Fig. 8E ersichtlich ist. Es wird jedoch nur der Impulsschalter PS₁ angeschaltet, da nur dessen Steuereingangsklemme VC auf hohem Potential liegt. Der Impuls P₁ läuft so durch den Impulsschalter PS₁ zum Verstärker A1.

809814/0700

27A3A80

Die soeben für den Impuls P₁ beschriebene Aufeinanderfolge von Schritten wird dann für einen jeden der Impulse P₂ bis Pg wiederholt. Der Spannungsimpuls Pg stellt für den Einer zählenden dekadischen Zähler 69 das zehnte Impulsereignis dar. Der nächste Taktimpuls hat zwei Folgen. Die erste ist die, daß der Zähler 69 überläuft, wodurch an der Ausgangsklemme seiner ersten Stufe ein Impuls P- erzeugt wird. Die zweite Folge ist die,daß ein positiv ansteigender Impuls an einer Ausgangsklemme CO des Zählers 69 auf die Eingangsklemme CL des Zählers 71 gegeben wird. Durch diesen letzteren Impuls wird die positive Spannung an der Ausgangsklemme der ersten Stufe des Zählers 71 abgeschaltet und stattdessen erhält man eine positive Spannung an der Ausgangsklemme der zweiten Stufe dieses Zählers. Infolgedessen werden nunmehr die Steuereingangsklemmen VC der Impulsschalter PSg bis PS₁₈ hochgezogen. Der Impulsschalter PS_g wird angeschaltet, und der Impuls P. läuft durch diesen Impulsschalter hindurch und zu dem neunten Impulsverstärker A„. Die nachfolgenden Taktimpuls führen dazu, daß Impulse P₁₀ bis P_n durch die Impulsschalter PS₁₀ bis PS., hindurchgelassen werden. Der Spannungsimpuls P_n ist in Fig. 8F gezeigt, während die entsprechende Stufe S-. der treppenförmigen Spannung in Fig. 8B dargestellt ist. Wird auf der Leitung 31 der N+1. Taktimpuls erhalten, so wird die Treppenspannung auf die Stufe S_n+1 erhöht. An der Ausgangsklemme der entsprechenden Stufe des Zählers 69 und an der Dateneingangsklemme IN des Impulsschalters PS_n+1 steht ein Spannungsimpuls P_n+-I » wie aus Fig. 8G ersichtlich. Der Impuls P_n+1 durchläuft den Impulsschalter PS_n+1 und fällt am zugeordneten Widerstand R ab. Dieser Impuls wird über die Diode 75 auf den Treiberkreis 77 gegeben. Wird schließlich der N+2. Taktimpuls auf der Leitung 31 erhalten, so steht an der Dateneingangsklemme IN des Impulsschalters PSjJ _{+ 1} ein Spannungsimpuls P_n+2 (vgl. Fig. 8H) und läuft durch diesen Impulsschalter hindurch und gelangt über eine Leitung 84 zu der direkten Setzeingangsklemme S des Flipflops 61. Hierdurch wird die Setzausgangsklemme Q hochgezogen. Hierdurch wird wiederum

8098U/0700

der Binärzähler 63, der Einer zählende dekadische Zähler und der Zehner zählende dekadische Zähler 71 für einen neuen Betriebszyklus zurückgestellt.

In Fig. 7 sind einzelne Ultraschall-Sende/Empfängerweichen TX1 - TXN durch eine gestrichelte Linie eingefaßt. Es sind nur Einzelheiten der ersten Sende/Empfängerweiche TX1 gezeigt, da eine jede der anderen N Sende/Empfängerweichen gleichen Aufbau aufweist. Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die Fign. 7 und 9 das Arbeiten der ersten Sende/Empfängerweiche beschrieben, da diese beispielhaft für das Arbeiten einer jeden der Sende/Empfängerweichen ist. Das Aktivieren des zugeordneten Ultraschallwandlers durch die Sende/Empfängerweiche erfolgt durch Entladung eines Kondensators. Erscheint an der Ausgangsklemme des Impulsverstärkers Al ein Impuls P1, wie in Fig. 9A gezeigt, so erfolgt eine Abschirmung dieses Spannungsimpulses und eine Teilung der Impulsamplitude durch zwei Widerstände R1 und R2. Ein Kondensator C1 filtert Störsignale hoher Frequenzen aus, während ein Kondensator C2 den Impuls differenziert. Der negative Anteil des differenzierten Impulses wird durch eine Diode CR1 abgeschnitten, und der positive Anteil des Impulses, der in Fig. 9B gezeigt ist, läuft zu einem Transformator T1. Hierdurch wird ein Strom in der Sekundärwicklung desselben induziert, und hierdurch werden Thyristoren SCR1 und SCR2 getriggert. Widerstände R3 und R4 sind dazu vorgesehen, die Empfindlichkeit der Steuerelektroden der Thyristoren gegen unbeabsichtigtes Durchsteuern (RFI Firing) auszuräumen. Durch Spannungsteilerwiderstände R5 und R6 vorgespannte Dioden CR2 und CR3 wird das unbeabsichtigte Anodendurchsteuern (Anode RFI Firing) der Thyristoren so klein wie möglich gehalten. In der Zeichnung sind zwar nur zwei Thyristoren gezeigt, es können jedoch, je nach der Grö-Be der verwendeten Hochspannung HV zusätzliche Thyristoren in Reihe geschaltet sein. Ein Kondensator C3 wird von der Hochspannungsquelle HV her aufgeladen. Dies erfolgt über ei-

8098U/0700

nen Widerstand R9, eine Diode CR9, eine Spule L1 und eine Diode CR4. Werden durch die vordere Flanke des Impulses P- die Thyristoren durchgesteuert, so entlädt sich der Kondensator C3 durch diese und über eine Diode CR5 und einen parallel zum ersten Ultraschallwandler geschalteten Widerstand R7. Der Entladestromimpuls, der in Fig. 9C gezeigt ist, führt dazu, daß der erste Ultraschallwandler einen Ultraschallimpuls in den Körper des Patienten abstrahlt. Die vom Ultraschallwandler aufgenommenen reflektierten Echos werden in elektrische Signale umgesetzt, die am Widerstand R7 abfallen, wie in Fig. 9D gezeigt. Diese Signale werden über einen Kondensator C4 auf die Dateneingangsklemme IN eines Analogschalters AS₁ gegeben. Große Signale werden durch Dioden CR7 und CR8 beschnitten. Ein Widerstand R8 ist als Eingangswiderstand für den Analogschalter vorgesehen. Der Analogschalter AS₁ wird durch den Impuls P₁ eingeschaltet, der an seiner Steuereingangsklemme VC anliegt. Die Echosignale werden durch den Analogschalter AS₁ auf eine gemeinsame Signalschiene 81 gegeben und gelangen dann auf die Basisklemme eines Transistors 83, dessen Ausgangsklemme über die Leitung 47 mit dem Empfänger 19 verbunden ist. Dieses zur Helligkeitsmodulation verwendete Signal hat eine Form, wie sie in Fig. 9E gezeigt ist.

Die Ausgangsklemme des Impulsschalters PS_n+2 ^ist über eine Leitung 84 mit der Taktimpulseingangsklemme CL eines Flipflops vom D-Typ verbunden, das einen Teil des in Einzelheiten näher in Fig. 6 gezeigten Vorspannspannungsgenerators 49 darstellt. Die Setzausgangsklemme Q des Flipflops 79 ist mit dem Eingang eines Impulsverstärkers 85 verbunden. Die Ausgangsklemme des letzteren ist mit zwei Potentiometern 87 und mit einer Feldeffekt-Emitterfolgestufe 89 verbunden, welche ihrerseits über die Leitung 51 mit der Y-Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre 21 verbunden ist. Wird auf der Leitung 31 der letzte Taktimpuls innerhalb eines Zyklus erhalten, so wird durch den

8098U/0700

Spannungsimpuls Py₊₂ das Flipflop 79 gesetzt, wodurch dessen Setzausgangsklenune Q hochgezogen wird. Damit erhält man auch eine Eingangsspannung an der Feldeffekt-Emitterfolgestufe 89. Hierdurch wird eine Vorspannung erzeugt, durch welche die an der Y-Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre 21 anliegende Treppenspannung verschoben wird.

Zusammenfassung;

In einem tragbaren, batteriebetriebenen Ultraschallechoskop für biomedizinische Zwecke mit "A"- und "M"-Abtastelektronik wird zusätzlich eine "C"-Abtastelektronik vorgesehen. Zu der erstgenannten Abtastelektronik gehört ein Taktimpulsgenerator, eine Kathodenstrahlröhre mit der X-, Y- und Z-Achse zugeordneten Eingangsklemmen, ein synchronisierter Ablenkspannungsgenerator, der zwischen den Taktimpulsgenerator und die X-Eingangsklemme geschaltet ist, und ein mit der der Z-Achse zugeordneten Eingangsklemme verbundener Empfänger. Die "C"-Abtastelektronik weist auf: eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern, die in einer Reihe angeordnet sind und auf der Haut des Körpers eines Patienten anordenbar sind, eine Mehrzahl von Sende/Empfangsweichen, die jeweils mit einem zugeordneten der Ultraschallwandler verbunden sind und dazu dienen, diesem ein gepulstes elektrisches Signal zuzuführen und die durch Umsetzung der erhaltenen Echosignale gebildeten elektrischen Signale direkt von dem Ultraschallwandler auf den Empfänger zu geben, eine zwischen den Taktimpulsgenerator und die Vielzahl von Sende/Empfangsweichen geschalteten Umschaltkreis, der bei Erhalt der Taktinpulse die Sende/Empfangsweichen in zyklischer Reihenfolge aktiviert, und einen synchronisierten Treppenspannungsgenerator, der zwischen den Taktimpulsgenerator und die der Y-Achse zugeordnete Eingangsklemme geschaltet ist.

8098 1 A/0700

Claims

National Aeronautics and Space Administration NASA Headquarters Washington, D.C, USA 9.9.77 Akte 413112 ultraschallechoskop Patentansprüche

1./Ultraschallechoskop für biomedizinische Anwendungen, insbesondere zur Untersuchung am Körperinneren eines Patienten mit einer Abtasteinrichtung für "A"- und "M"-Abtastung, welche aufweist: einen Taktimpulsgenerator, eine Kathodenstrahlröhre mit X-, Y- und Z-Eingangsklemmen, einen Ablenkspannungsgenerator, der zwischen den Taktimpulsgenerator und die Y-Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre geschaltet ist und ein durch die Taktimpulse synchronisiertes Ablenkspannungssignal für den Kathodenstrahl erzeugt, und einen mit der Z-Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre verbundenen Empfänger, gekennzeichnet durch eine Abtasteinrichtung (27) für "C"-Abtastung, welche aufweist:

eine Wandleranordnung mit einer Vielzahl von Ultraschallwandlern (45), die in einer Reihe angeordnet sind und dazu dienen, elektrische Signale in Ultraschallimpulse umzusetzen, diese Ultraschallimpulse in den Körper des Patienten abzustrahlen, die von Grenzflächen im Körper des Patienten reflektierten Echos wieder aufzufangen und die Echos in elektrische Signale umzusetzen, ·

8098 U /0700

27A3A80

eine Mehrzahl von Sende/Empfangsweichen (41), die jeweils mit einem der Ultraschallwandler (45) verbunden sind, und dazu dienen, an diesen ein impulsförmiges elektrisches Signal weiterzuleiten und das durch Umsetzen der Echos erhaltene elektrische Signal direkt auf den Empfänger (19) zu geben,

einen Umschaltkreis (35), der zwischen den Taktimpulsgenerator (13) und die Mehrzahl von Sende/Empfangsweichen (41) geschaltet ist und bei Erhalt von Taktimpulsen die Sende/Empfangsweichen in zyklischer Reihenfolge aktiviert, und

einen Treppenspannungsgenerator (29) , der zwischen den Taktimpulsgenerator (13) und die Y-Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre (21) geschaltet ist und eine treppenförmige Spannung erzeugt, deren Stufen durch die Taktimpulse synchronisiert sind.

2. Ultraschallechoskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Vorspannspannungsgenerator (49) , der zwischen den Umschaltkreis (35) und die Y-Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre (21) geschaltet ist und eine Vorspannung erzeugt, durch welche die vertikale Lage der Treppenspannung nach jedem auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre erzeugten Bild verschoben wird.

3. Ultraschallechoskop nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Tiefenmarken-Generator (25) , der zwischen den Taktimpulsgenerator (13) und die Y-Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre (21) geschaltet ist und bei Erhalten von Taktimpulsen auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre parallel zur X-Achse Tiefenmarken (53) erzeugt.

4. Ultraschallechoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltkreis (35) aufweist: einen mit dem Taktimpulsgenerator (13) verbundenen ersten

8098U/0700 ·/·

27A3A80

Zähler (69) zum Zählen der Taktimpulse, einen mit dem ersten Zähler (69) verbundenen zweiten Zähler (71) zum Zählen von Vielfachen der Taktimpulse und eine Vielzahl von Impulsschaltern (PS₁ - PS_n), bei denen jeweils eine Dateneingangsklemme mit dem ersten Zähler (69) verbunden ist, eine Steuereingangsklemme (VC) mit dem zweiten Zähler (71) verbunden ist und eine Ausgangsklemme mit der Zugeordneten der Vielzahl von Sende/Empfangsweichen (TX₁ - TX..) verbunden ist.

1 N

5. ültraschallechoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine jede der Sende/Empfangsweichen (TX₁ - TX-.) aufweist: einen Kondensator (C3) , dessen eine Elektrode mit dem zugeordneten Ultraschallwandler (4 5) verbunden ist, eine Einrichtung (HV, CR9, L1, CR4) zum Laden des Kondensators (C3) und eine Einrichtung (SCR1, SCR2, CR2, CR3) zum Entladen des Kondensators (C3), so daß dem zugeordneten Ultraschallwandler (45) ein gepulstes elektrisches Signal übermittelt wird.

6. Ültraschallechoskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladekreis für den Kondensator (C3) Bauelemente (R9, CR9, L1) aufweist, durch welche die andere Elektrode des Kondensators (C3) mit einer externen Hochspannungsquelle (HV) verbunden ist, und daß der Entladekreis für den Kondensator (C3) zumindest einen Thyristor (SCR1, SCR2) aufweist, der zwischen die andere Elektrode des Kondensators (C3) und Erde geschaltet ist.

7. Ültraschallechoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Treppenspannungsgenerator (29) aufweist: einen mit dem Taktimpulsgenerator (13) verbundenen Binärzähler (63) und ein leiterförmiges Widerstandsnetzwerk (65), das einen Digital/Analogwandler darstellt und zwischen den Binärzähler und die Y-Eingangsklemme der Kathodenstrahlröhre geschaltet ist.

8098U/0700