DE2827423A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der inneren struktur eines koerpers mit hilfe von schallstrahlen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der inneren struktur eines koerpers mit hilfe von schallstrahlen

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DE2827423A1 DE19782827423 DE2827423A DE2827423A1 DE 2827423 A1 DE2827423 A1 DE 2827423A1 DE 19782827423 DE19782827423 DE 19782827423 DE 2827423 A DE2827423 A DE 2827423A DE 2827423 A1 DE2827423 A1 DE 2827423A1
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Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, dÜ!EINDfiMM :94-,..2000 HAMBURG 1
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Verfahren und. Vorrichtlang zur Ermittlung der inneren Struktur eines Körpers mit Hilfe von Schallstrahlen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung der inneren Struktur eines Körpers, z.B. eines menschlichen Körpers, mit Hilfe von Schallstrahlen, welche, zwischen einer den Körper wenigstens teilweise umgebenden, einzelne Schallsende-Schallempfängerelemente enthaltenen Schallwandleranordnung verlaufen, auf deren Schallempfängerelemente die durch den Körper in verschiedenen Richtungen transmittierten Schallstrahlen auftreffen, aus deren Laufzeiten der Schallbrechungsindex an einzelnen Punkten eines dem Körper zugeordneten Punktrasters bestimmt wird.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 27 37 109 bereits bekannt. Mit Hilfe einer kreisbogenförmigen Empfängerwandleranordnung und eines Ultraschall-Fächerstrahls, der einen zu untersuchenden Körper unter verschiedenen in einer Ebene liegenden Richtungen durchdringt, werden für jede Richtung Laufzeitprojektionen der akustischen Signale erhalten, die in ihrer Kombination die Rekonstruktion einer Geschwindigkeitsverteilung an bekannten Koordinaten in einer Schicht des Körpers gestatten. Hierbei wird angenommen, daß der den Körper durchdringende Ultraschallimpuls über eine annähernd gradlinige bekannte Wegstrecke geleitet werden kann, so daß zur Rekonstruktion ähnliche Rekonstruktionsverfahren verwendet werden können wie bei einem Verfahren zur Rekonstruk-
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tion von Röntgentomographiebildern (J.F. Greenleaf u.a., Zeitschrift Acoustical Holography, Plenum Press, Vol. $, S. 71-89, 1975).
Der Verlauf der akustischen Signale (Schallstrahlen) ist aber von der Verteilung der Schallbrechungsindices innerhalb des zu untersuchenden Körpers abhängig, wobei die Schallstrahlen in der Regel nicht geradlinig sind, so daß zur Erzeugung von Rekonstruktionsbildern hoher Qualität derartige Rekonstruktionsverfahren nur begrenzt Anwendung finden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dessen Hilfe Schallbilder von inneren Körperstrukturen mit erhöhter Qualität rekonstruiert werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß aus einer an den Punkten des Punktrasters vorgewählten, der Struktur des Körpers angenäherten Verteilung der Schallbrechungsindices unter Berücksichtigung der Geometrie der Schallwandleranordnung wenigstens einmal für jeden Schallstrahl sein Weg zur Ermittlung seiner Laufzeit wenigstens näherungsweise bestimmt wird, und daß jeweils aus gmessener und der ermittelten Laufzeit eines Schallstrahles Korrekturdaten zur schrittweisen Verbesserung der Schallbrechungsindices an den Punkten des Punktrasters erhalten werden.
Mit diesem Verfahren ist die Ermittlung einer genauen Strukturverteilung in bestimmten Bereichen z.B. des menschlichen Körpers möglich. Insbesondere eignet sich das Verfahren für Mammauntersuchungen zur Brustkrebserkennung und -diagnose sowie zur Materialprüfung. Der Schallbrechungsindex des zu untersuchenden Körpers wird hierbei an einzelnen Punkten eines mit ihm fest verbundenen Punktrasters bestimmt. Die einzelnen Werte der Schallbrechungsindices können dann beispielsweise in entsprechende Grauwerte zur Darstellung ein- ^Lner Querschnittsbilder umgewandelt und in einer Bildmatrix (Monitor) oder auf einem Drucker dargestellt werden.
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Wach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden zur Bestimmung einer räumlichen Strukturverteilung eines dreidimensionalen Körpers Schallstrahlen, die in unterschiedlichen Richtungen verlaufen, verwendet.
Auf diese Weise wird erreicht, daß bei einem einzigen Aufnahmevorgang eines Patienten beispielsweise die Schallbrechungsindexverteilung in einem dreidimensionalen Bereich seines Körpers bestimmt werden kann. Mit Hilfe elektronischer Mittel können dann einzelne Schichten, die durch das mit dem Körper fest verbundene dreidimensionale Punktraster gelegt v/erden, auf einem Monitor sichtbar gemacht werden, wobei die Schichten nicht unbedingt eben sein müssen.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird mit Hilfe der Schallempfängerelemente zusätzlich die Intensität der einzelnen Schallstrahlen gemessen und unter Berücksichtigung des Weges der Schallstrahlen und der Abstrahlcharakteristik der Schallsendeelemente die abgestrahlte Intensität in Richtung der Schallstrahlenwege ermittelt, woraus ein die Absorption des Schallstrahls kennzeichnendes Absorptionssignal erhalten wird, daß aus einer an den Punkten des dreidimensionalen Punktrasters vorgewählten, der Struktur des Körpers angenäherten Verteilung des Absorptionskoeffizienten wenigstens einmal für alle Schallstrahlen nacheinander die Gesamtabsorption entlang des jeweiligen Schallstrahlenweges ermittelt wird, und daß jeweils durch Vergleich der Gesamtabsorption mit den gemessenen Absorptionssignalen Korrekturgrößen zur schrittweisen Verbesserung des Absorptionskoeffi- zienten an den Punkten des Punktrasters ermittelt werden.
Die Ermittlung der Verteilung des Absorptionskoeffizienten ist erst möglich, nachdem der Verlauf der Schallstrahlenwege bekannt ist (z.B. aus der vorausgegangenen Schallbrechungsindexrekonstruktion). Ist zusätzlich die Abstrahlcharakteristik der Schallsenderelemente bekannt, so kann die von ihnen abgestrahlte Intensität in Richtung der Schallstrahlenwege berechnet werden. Es wird somit erreicht, daß neben der
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Brechungsindexverteilung auch die Verteilung des Absorptionskoeffizienten zur genaueren Diagnose der inneren Struktur eines Körpers zur Verfügung steht. Die Abstrahlcharakteristik der einzelnen Schallsenderelemente ist bekannt oder kann vor s Beginn der Messungen bestimmt werden.
Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Änderung der Richtung der Schallstrahlen durch Aktivieren einzelner, um den Körper herum angeordneter Schallsende- bzw. Schallempfängerelemente der Schallwandleranordnung, deren Lage relativ zu dem mit einem Schallkoppelmedium umgebenen Körper unverändert bleibt.
Hierdurch wird erreicht, daß die Schallwandleranordnung nur noch teilweise oder gar nicht mehr um den zu untersuchenden Körper herumgedreht zu v/erden braucht. Auf diese Weise wird die Zeit zur Messung der Laufzeiten der Schallstrahlen bzw. der Intensitäten erheblich verkürzt. Es ist selbstverständlich, auch bei drehender Abtastung des Objektes, daß die Drehachse relativ zum Körper nicht verschoben werden darf, da sonst eine einwandfreie Bildrekonstruktion nicht möglich ist.
Nach einer vorteilhaften anderen Ausbildung der Erfindung besteht die Vorrichtung aus einem um eine Drehachse drelibaren und in Richtung der Drehachse verstellbaren Tank, der zur Aufnahme des zu untersuchenden Körpers mit einem Sciaallkoppelmedium füllbar ist und in dem sich eine zweidimensionale Schallwandleranordnung befindet, zwischen der die den Körper in verschienen Richtungen durchdringenden Schallstrahlen verlaufen, wobei ferner die Vorrichtung an der Schallsende- bzw. Schallempfängerseite elektronische Schalter zum Aktivieren einzelner Schallsende- bzw. Schallempfängerelemente besitzt, und wobei die Vorrichtung eine elektronische Einheit sowohl zur Ermittlung von Laufzeiten, die gemessen (T) oder berechnet (t) werden, als auch der Intensitäten bzw. der daraus bestimmten Absorptionssignale umfaßt .
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Der drehbare Tank, welcher eine zweidimensional Schallwandle ranordnung enthält, kann mit Hilfe von Motoren in seiner Höhe verstellt oder in seiner Winkellage relativ zum Körper um eine Drehachse gedreht werden. Mittels der zweidimensionalen Schallwandleranordnung ist es möglich, den zwischen der Schallwandleranordnung liegenden Körper in verschiedenen räumlichen Richtungen mit Schallstrahlen zu durchstrahlen, so daß eine Rekonstruktion der Schallbrechungsindices an einem mit dem Körper fest verbundenen Punktraster aus Laufzeitmessungen der Schallstrahlen möglich ist. Die einzelnen zur Schallwandleranordnung gehörenden Schallsender- bzw. Schallempfängerelemente sind jeweils an einen elektronischen Schalter angeschlossen, mit dem bestimmte Kombination von Schallsender- bzw. Schallempfängerelementen aktiviert werden können. Die einzelnen Schallsenderbzw. Schallempfängerelemente können beispielsweise als piezoelektrische Wandler ausgebildet sein*.
Natürlich ist es möglich, Schallsenderelemente auch als Schallempfänger und umgekehrt zu benutzen, so daß bei jeweils einer Stellung der Schallwandleranordnung zwei um 180° versetzte Messungen durchgeführt werden können, wodurch sich die Gesamtmeßzeit erheblich verringert.
Vorteilhaft ist ferner, daß mit Hilfe der Vorrichtung gleichzeitig die Intensität der Schallstrahlen gemessen werden kann, so daß zusätzlich zur Schallbrechungsindexverteilung eine Verteilung des Absorptionskoeffizienten innerhalb des Körpers zur weiteren Unterstützung einer Diagnose ermittelbar ist.
Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung besteht die Schallwandleranordnung aus ebenen Schallsende- bzw. Schallempfängermatrizen, die aus einzelnen in geeigneter Weise aktivierbaren Schallsende- bzw. Schallempfängerelementen aufgebaut sind, und deren Matrixspalten bzw. Matrixzeilen parallel bzw. senkrecht zur Drehachse liegen.
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Jeweils eine Matrixzeile von Schallsende- bzw. Schallempfängerelementen befinden sich in einer senkrecht zur Drehachse liegenden Ebene parallel und gegenüberliegend angeordnet und sind um die Drehachse drehbar. Bei jeder Winke1-stellung werden nacheinander in Richtung der Drehachse übereinanderliegende Paare von Schallsende- bzw. Schallempfängermatrixzeilen durch nacheinander erfolgendes Ansteuern jeweils einzelner gegenüberliegender Schallsende- bzw. Schallempfängerelemente einer Matrixzeile aktiviert. Auf diese Weise wird der Körper schichtweise abgetastet.
Der die Schallwandleranordnung enthaltene Tank muß hierbei nicht in Richtung der Drehachse verschoben werden. Dies erleichtert und verkürzt die Untersuchungen erheblich. Natürlieh können auch mehrere oder alle Schallempfängerelemente einer Schallempfängermatrix gleichzeitig aktiviert werden bei einem aktivierten Schallsendeelement der gegenüberliegenden Schallsendematrixzeile. Auf diese Weise wird die Informationsdichte erhöht und damit die Bildrekonstruktion verbessert.
Nach einer vorteilhaften weiteren Ausbildung der Erfindung besteht die Schallsendematrix aus einem einzigen plattenförmigen Schallsender.
Hierdurch wird erreicht, daß die vom Schallsender abgestrahlten Schallwellen nahezu eben sind, so daß die Anfangsrichtung der senkrecht zu den Schallwellenfronten verlaufenden Schallstrahlen, die auf die Schallempfängermatrix auftreffen, wenigstens annähernd vorgegeben ist. Zudem vereinfacht sich die Ansteuerung der Schallsendematrix erheblich, da keine elektronische Einrichtung zum Aktivieren bestimmter einzelner Schallsendeelemente erforderlich ist. Da die Wellenfronten der Schallwellen in einem bestimmten Winkel zur Schallempfangermatrix auftreffen, kann durch Laufzeitunterschiede der Schallstrahlen deren Auftreffrichtung wenigstens näherungsweise bestimmt werden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht die Schallempfängermatrix aus einem einzigen plattenförmigen SchalHempfär^p?,wodurch erreicht wird, daß Schallstrahlen, die von mehreren gleichzeitig aktivie±en Schallsendeelementen ausgesandt v/erden, gleichzeitig detektiert werden können.
Nach einer vorteilhaften weiteren Ausbildung der Erfindung besitzt die Vorrichtung einen ansteuerbaren Generator zur Erzeugung von aus einzelnen Schallsendeelementen bestehenden konzentrischen Kreisen aufgebauten, in Zeilen- und Spaltenrichtung verschiebbaren Schallsender zur Aussendung fokussierter Schallstrahlen.
Hierdurch wird erreicht, daß in der Schallsendermatrix Schallsender entstehen, die aus in konzentrischen Kreisen angeordneten aktivierten Schallsenderelementen bestehen. Durch geeignete Phasenansteuerung aller Schallsendeelemente eines jeweiligen Kreises wird erreicht, daß gemäß dem Fresnel-Prinzip fokussierte Schallstrahlen entstehen. Durch Verschieben der Kreise in Zeilenrichtung ist somit der zu untersuchende Körper nacheinander abtastbar. Der nach Anspruch der Schallsendematrix gegenüberliegende plattenförmige Schallempfänger detektiert hierbei die fokussierten Schallstrahlen. Ist die Schallsendermatrix groß genug, so können die konzentrisehen Kreise der Schallsender jeweils auch in Richtung der Matrixspalten zur Abtastung verschiedener Schichten des Körpers verschoben werden. Eine typische Schallsendermatrix kann beispielsweise aus einigen tausend Spalten und einigen hundert Zeilen bestehen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung besteht die Schallwandleranordnung aus in Richtung der Drehachse übereinanderliegenden Schallsendeelementen zum Erzeugen von Fächerschallstrahlen und aus einer zweidimensionalen, aus einzelnen Schallempfängerelementen aufgebauten Schallempfängermatrix, deren Matrixspalten parallel zur Drehachse verlaufen und deren Matrixzeilen in einer senkrecht zur Drehachse verlaufenden Ebene, in der jeweils das
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einer Matrixzeile zugeordnete Schallsendeelement liegt, wenigstens teilweise um die Drehachse herum gebogen sind.
Die einzelnen übereinanderliegenden Schallsendeelemente s werden nacheinander zur Aussendung fächerförmiger Strahlenbündel aktiviert. Hierbei können jeweils die einem Schallsendeelement gegenüberliegenden Schallempfängerelemente zur Messung der Laufzeiten bzw. Intensitäten der einzelnen Schallstrahlen, deren Größe durch die Geometrie der einzelnen Schallsende- bzw. Schallempfängerelemente festgelegt ist, aktiviert werden, so daß der zu untersuchende Körper für jeweils eine Winkelstellung der Schallwandleranordnung in einem dreidimensionalen Bereich abgetastet werden kann, wobei eine geeignete Zahl von ΐ/inkelstellungen gewählt wird, is Natürlich ist auch eine Abtastung des Körpers in der Weise möglich, daß bei Aktivierung jeweils eines SchallsendeeIementes mehrere oder alle Schallempfängerelemente zur Meßwertaufnahme aktiviert werden.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausbildung der■Erfindung sind die Schallempfängerelemente der Schallwandleranordnung ringförmig angeordnet und liegen zur Bildung eines Hohlzylinders zur Aufnahme des zu untersuchenden Körpers in Richtung der Drehachse übereinander, wobei ober- und unterhalb der Schallempfängerringe in gleicher Weise wie die Schallempfängerringe ausgebildete Schallsenderinge liegen.
Die Schallsenderinge bestehen aus in Umfangsrichtung nebeneinanderliegenden Schallsendeelementen, die einzeln aktivierbar (ansteuerbar) sind. Mit dieser Schallwandleranordnung werden Schallstrahlen, die von einem z.B. im oberen Schallsenderring liegenden Schallsendeelement ausgesandt werden, von einer radial gegenüberliegenden, aus einzelnen aktivierten Schallempfängerelementen bestehenden Matrixspalte empfangen. Danach wird ein unterhalb dieser Matrixspalte liegendes Schallsendeelement des unteren Schallsenderringes aktiviert, deren Schallstrahlen wiederum auf die radial gegenüberliegenden Schallempfängerelemente zur Messung auf-
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treffen. Auf diese Weise wird von den den Körper durchdringenden Schallstrahlen eine Ebene definiert, die die Drehbzw. Mittelachse des Kohlzylinders enthält, und die durch Aktivieren bestimmter radial gegenüberliegender Schallsendeelemente im jeweils oberen und unteren Schallsenderring gedreht wird, so daß eine vollständige Abtastung des Körpers ohne mechanische Drehung bzw. Verschiebung des Tanks in Richtung der Drehachse erfolgen kann. Der Betrag der Winkeldrehung hängt hierbei von der Breite der einzelnen Schallsende- bzw. Schallempfängerelemente ab.
Natürlich brauchen nicht nur einzelne Matrixspalten von Schallempfängerelementen aktiviert werden, sondern es können auch größere Bereiche von Schallempfängerelementen (arrays) gleichzeitig zur Messung der Schallstrahlen, die in einer Ringebene fächerförmig verlaufen, verwendet werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind in den Schallempfängerringen in Umfangsrichtung im Abstand voneinander einzelne übereinanderliegende Schallsendeelemente angeordnet, so daß Matrixspalten von Schallsendeelementen, die über den Umfang des Hohlzylinders verteilt sind, entstehen.. Die Matrixspalten der Schallsende elemente sind dabei radial gegenüberliegend angeordnet. Jedes Schallsendeelement kann beispielsweise bei Aktivierung ein fächerförmiges Schallstrahlenbündel aussenden, welches von einem Stück einer auf gleicher Höhe liegenden, aus einzelnen Schallempfängerelementen bestehenden Matrixzeile detektiert wird. Die eventuell noch in dieser Matrixzeile liegenden Schallsendeelemente können als Schallempfänger geschaltet werden. Ist eine Umschaltung nicht möglich, so werden die an dieser Stelle nicht vorhandenen Meßwerte entweder durch. Meßwerte benachbarter Schallempfängerelemente interpoliert oder nicht berücksichtigt. Durch das Aktivieren der einzelnen Schallsende- bzw. Schallempfängerelemente in Umfangsrichtung bzw. in Richtung der Matrixspalte wird der Körper ebenfalls in einem dreidimensionalen Bereich zur Messung der Laufzeiten und Intensitäten der Schallstrahlen durchstrahlt.
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Auch hier kann eine mechanische Drehung des Tanks entfallen, eine mechanische Verschiebung in Längsrichtung der Hohlzylinderachse kann aber, wenn notwendig, vorgenommen werden, beispielsweise zur Justierung des Tanks.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung besteht die Schallwandleranordnung aus einem einzigen Ring benachbarter Schallempfängerelemente, zwischen denen in Umfangsrichtung im Abstand voneinander einzelne Schallsendeelemente angeordnet sind, wobei die Schallwandleranordnung in Richtung der Drehachse verschiebbar ist.
Hierdurch wird erreicht, daß der elektronische Aufwand für die Aktivierung einzelner Schallsend^- bzw. Schallempfängeris elemente vermindert werden kann, wodurch sich die Herstellungskosten einer derartigen Vorrichtung verringern.
Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen schematisch dargestellten Tank mit einem zu untersuchenden Körper, dem ein Punktraster (P) zugeordnet ist,
Fig. 2 eine schematisch dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, Fig. 3 einen perspektivisch dargestellten Tank mit einer Schallsende- und Schallempfängermatrix,
Fig. 4 einen Tank mit einem plattenförmigen Schallsende- und einer Schallempfängermatrix,
Fig. 5 einen Tank mit einer Schallsendematrix und einem plattenförmigen Schallempfänger,
Fig. 6 einen Tank mit einer zellenförmigen Schallsendematrjx und einem plattenförmigen Schallempfänger,
Fig. 7 einen Tank mit einer zellenförmigen Schallsende- bzw. Schallempfängermatrix,
Fig. 8 einen Tank mit einer spaltenförmigen, in Längsrichtung der Drehachse verlaufenden Schallsendematrix und einer um die Drehachse gebogenen Schallempfängermatrix,
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Fig. 9 einen Tank mit einer hohlzylinderförmig ausgebildete Schallwandleranordnung mit jeweils einem oben und unten liegenden Schallsenderring,
Fig. 10 einen Tank mit einer hohlzylinderförmig ausgebildeten Schallwandleranordnung mit mehreren übereinanderliegenden Schallempfängerringen, zwischen denen einzelne, übereinanderliegende Schallsendeelemente liegen,
Fig. 11 einen Tank mit einem Schallempfängerring mit in Umfangsrichtung im Abstand voneinander in diesem liegenden Schallsendeelementen.
Zur einfachen Darstellung wird das Verfahren anhand der Ermittlung einer zweidimensionalen Strukturverteilung (Schallbrechungsindexverteilung) beschrieben. Das Verfahren läßt sich leicht auf drei Dimensionen ausdehnen, indem in den nachfolgenden Gleichungen jeweils die dritte Koordinate berücksichtigt wird.
Die Fig. 1 stellt eine Skizze zur Erläuterung des Verfahrens dar. Es handelt sich hierbei um eine Draufsicht auf einen quaderförmig ausgebildeten Tank 1, in dem sich eine Schallwandleranordnung 2 befindet, die aus zwei gegenüberliegenden Schallsende- 3 bzw. Schallempfängermatrizen 4 besteht, die einzelne, nebeneinanderliegende und voneinander unabhängige Schallsende- 5 bzw. Schallempfängerelemente 6 besitzten. In Fig. 1 sind jeweils nur Matrixzeilen der Schallsende- 3 bzw. Schallempfängermatrix 4 sichtbar.
Innerhalb des Tanks 1, der mit einem ebenen karthesischen Koordinatensystem (I ,'n) fest verbunden ist, dessen Achsen ζ , ^j senkrecht zu seinen Seitenwänden 7 verlaufen, befindet sich ein mit-einem Schallkoppelmedium 10, z.B. Wasser, umgebener zu untersuchender Körper K, dessen ebene Ausdehnung beispielsweise so gewählt ist, daß er den maximalen Objektkreis 8 (gestrichelt gezeichnet), der durch die Länge der Matrixzeilen bestimmt wird, ausfüllt. Mit dem Körper K ist weiterhin ein ebenes Punktraster P fest verbunden, an
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dessen Rasterpunkten Pij vorgewählte, der Struktur des Körpers K angenäherte Schallbrechungsindices nij vorgegeben sind. Das ebene Punktraster P liegt in der x-y-Ebene eines mit ihm fest verbundenen karthesischen Koordinatensystems (x,y), wobei die x-y-Ebene bzw. die,J -"^-Sbene und die Ursprünge der Koordinatensysteme (x,y) bzw. (£j ,^n) zusammenfallen. Beide Kordinatensysteme ( £ , -q) bzw. (x,y) sind um eine durch ihren Ursprung hindurchtretende und senkrecht zur ^ - T) -Ebene verlaufenden Drehachse 9 relativ zueinander dreh-
Durch Drehung des Tanks 1 um die Drehachse 9 kann der Körper nacheinander von Schallstrahlen S, z.B. von Ultraschallstrahlen, unter verschiedenen Richtungen durchsetzt werden.
Die Ultraschallstrahlen besitzen hierbei eine Freq_uenz von einigen Megahertz. Für eine Richtung bzw. für einen Winkel θ werden nacheinander die Schallsendeelemente 5 der Reihe nach zur Aussendung von Schallstrahlen S aktiviert, wobei ebenfalls nur das jeweils gegenüberliegende Schallempfängerelement 6 zum Detektieren von Schallstrahlen S aktiviert wird. Natürlich sind auch andere Kombinationen von Schallempfängerelementen 6 zum Detektieren von in unterschiedlichen Richtungen verlaufenden Schallstrahlen S bei einem festen Winkel θ möglich.
Aus den gemessenen Laufzeiten T bzw. Intensitäten I der Schallstrahlen S wird dann der Schallbrechungsindex nij an den Rasterpunkten Pij des Punktrasters P nach einem weiter unten näher beschriebenen Verfahren bestimmt. Ferner ist es möglich, zusätzlich die Verteilung des Absorptionskoeffizienten oo an den Rasterpunkten Pij zu bestimmen, wenn die Verteilung der Brechungsindices nij im Punktraster P bekannt ist.
Wenn k die Nummer eines Schallsendeelementes 5 und 1 die Nummer ist, die einen bestimmten Winkel θ bezeichnet, so gilt für das Linienintegral des Schallbrechungsindex unter Berücksichtigung eines Korrekturterms £,-, , der durch Meß-
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ungenauigkeiten und nichtzutreffende Modellannahmen (z.B., daß die geometrische Akustik gelte) eingeführt wird, daß
nds + c = skl ="vT-Tkl rkl(n)
ist. Hierbei ist υ- die Schallgeschwindigkeit im Wasser, T, Ί die gemessene Laufzeit eines Schallstrahles S, und r,-, (n) der Weg, entlang dem der gemessene Schallstrahl S gelaufen ist. Der Index k läuft hierbei von k=1,...K, wobei K die Gesamtzahl der Schallsendeelemente 5 einer Matrixzeile angibt. Der Index 1 läuft von 1=1,...,L, und L gibt die Gesamtzahl der Winkel θ an.
Der Weg rk-, (n) ist unbekannt, kann aber aus der vorgewählten Schallbrechungsindexverteilung nij wenigstens annähernd bestimmt werden. Hierzu erfolgt eine Dlskretisierung des Integrationsweges (rv1(n)) in Wegelemente, so daß gilt:
^- ePi (n) nij +?., = Skl (2)
Hierbei ist n der Vektor der Unbekannten nij, z.B. n=(n^^ ,n^ p» ··· >n-| n»n2i »···)· Der Term £,-, berücksichtigt neben £"k-, zusätzlich den Diskretisierungsfehler. Nun können die Koeffizienten a. . (n.), die von n abhängen, in bekannter Weise berechnet werden, wenn n bekannt ist. Hierzu werden durch Interpolation der die Wegelemente umgebenden Brechungsindices nij neue, auf den Wegelementen des Integrationsweges liegende Brechungsindices Hij berechnet, die jeweils, multipliziert mit den Wegelementen, die gesuchten Koeffizienten a. . (n) liefern.
Zum Berechnen der Koeffizienten a.. (n) ist natürlich die näherungsweise Bestimmung des Strahlenweges (Integrationsweges) rkl(n) erforderlich. Dazu wird eine bestimmte Differentialgleichung, nämlich die aus der Eikonalgleichung hervorgehende "Strahlgleichung (siehe auch "Computerized Tomographie Imaging using X-Rays an Ultrasound", CV.
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Jakowatz, A.C. Kak, TR-EE 76-26, July 1976, School of Elektrical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana 47907) unter Berücksichtigung der Anfangs- bzw. Randwertprobleme gelöst. Die näherungsweise Lösung ist möglieh, wenn der Vektor η bekannt ist. Man vernachlässige nun
O-
die kleinen Störungen 1 1ζ1 u*10·· versucht die Schallbrechungsindices so zu bestimmen, daß
jj(n) nid -^0 Tkl - Skl (3) 10
zumindest näherungsweise gilt. Als Nebenbedingung führt man die Forderung ein, daß nij = 1 ist, wenn nij zu einem Punkt Pij des Punktrasters gehört, der mit Sicherheit im Wasser W liegt.
Zur Bestimmung der Brechungsindices nij des Körpers K wird eine sinnvolle, vorgewählte und der Struktur des Körpers K angenäherte Brechungsindexverteilung vorgegeben (Vektor n°). Aus dieser vorgegebenen Verteilung n° lassen sich nun die zugehörigen Laufzeiten tkl ermitteln, nämlich gemäß der Gleichung ^- Q
2_ akj (n°) nij - U0 t^ , (4)
die aber im allgemeinen mit den gemessenen Laufzeiten Tk-, nicht übereinstimmen. Nach Messung der Laufzeiten T,-, der Schallstrahlen S in den unterschiedlichen Richtungen greift man nun alle Gleichungen (3) in einer sinnvollen Reihenfolge auf, z.B. nacheinander jeweils bei festem Index 1 und variablem Index k (eventuell auch mehrfach) und verändert die gegenwärtigen Brechungsindices n^. so, daß die ermittelten Laufzeiten t,-, mit den ^nessenen Laufzeiten Tkl übereinstimmen. Das geschieht durch Bestimmung des Korrekturfaktors A,
\i
Hiermit wird der gegenwärtige Vektor nq (z.B. mit q=o, erste
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Näherung) durch Korrekturdaten Ä verbessert, derart, daß für alle ij mit unbekanntem n. .. gilt:
Der Index q gibt hierbei die Zahl der Interationsschritte an,
kl
während C.. ein geeignet gewählter Dämpfungsparameter mit
kl 1^
0 < C. · ^. 1 zur Erzeugung von Konvergenz ist. Die ermittelten η.. können zur Verbesserung der Rekonstruktion gute, wenn notwenig, durch gewichtete Mittelwertbildung der umliegenden Brechungsindices in gewisser Weise geglättet werden. Die Iteration wird abgebrochen, wenn alle Gleichungen (3) genügend gut erfüllt sind, d.h., wenn die Differenz zwischen gemessener Laufzeit T1 , und ermittelter Laufzeit tkl für alle Schallstrahlen S genügend klein ist, oder nach einer festen Anzahl von Iterationsschritten.
Zur Ermittlung einer dreidimensionalen Strukturverteilung werden alle Gleichungen (1 bis 6) auf drei Dimensionen ausgedehnt. Dann kommen unbekannte aus mehreren, durch die Detektoranordmxg2 definierten .Schichten in jeder Gleichung vor. Die Rekonstruktionsgüte wird aber zusätzlich verbessert, weil der dreidimensionale Verlauf der Schallstrahlen S vollständig berücksichtigt wird.
In der Praxis kann es vorkommen, daß einzelne Meßwerte nicht vorhanden sind, weil z.B. Knochen das Ultraschallsignal (Schallstrahl) zu stark dämpfen. In einem solchen Fall kann bei der Rekonstruktion die entsprechende Gleichung, ohne daß die Rekonstruktionsgüte wesentlich verschlechtert wird, fortgelassen werden.
Die Rekonstruktion des Absorptionskoeffizienten oc erfolgt im Anschluß an die Bestimmung der Brechungsindexverteilung. Zur Ermittlung einer zweidimensionalen Verteilung des Absorptionskoeffizienten gilt, daß
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(7)
ist. Dabei sind die Absorptionssignale B, , bekannt. Da der Strahlenweg r,-, (n) aus der vorangegangenen Brechungsindexrekonstruktion bekannt ist, kann ΐ£τ> also die abgestrahlte Schallintensität bei bekannter Abstrahlcharakteristik eines Schallsendeelementes 5 in Richtung eines jeden Strahlenweges r, -, (n) ermittelt werden. Die Intensität I-, -, wird von den jeweiligen Schallempfängerelementen 6 gemessen. Statt der Intensitäten I,-, , I?-, können auch die maximalen Amplituden A.-, und A,-, gemessen bzw. ermittelt werden.
Es folgt wiederum eine Diskretisierung des Strahlenweges r,-|(n) in Wegelemente, derart, daß die Gesamtabsorption entlang eines Strahlenweges S durch die Gleichung
aii ^U11 + ^1 = Bkl (8)
beschrieben werden kann, mit oL = (oc. . , .. .^ )5 mit k=1,.. . ,K und 1=1,...,L. Der Diskretisierungsfehler C,,-, wird vernachlässigt, und die a.. (n) sind Koeffizienten, die den Strahlenweg rkl(n) beschreiben. Es sind dieselben Koeffizienten, die aufgrund der vorangegangenen Brechungsindexrekonstruktion bereits ermittelt wurden.
In der gleichen zur Bestimmung der Brechungsindexverteilung schon beschriebenen Weise läßt sich nun die Verteilung des Schall- (Ultraschall) Absorptionskoeffizienten 0^. _, an den einzelnen Punkten Pij des Punktrasters P bestimmen. Vorgegeben wird an den Punkten Pij eine Schallabsorptionskoeffizienten-Vertellung . Aus dieser vorgebenen Verteilung des AbsorptionskoeffizientenQ^0 (mit q=o) läßt sich die einem Schallstrahl zugehörige Gesamtabsorption b,-, ermitteln, nämlich gemäß der Gleichung
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die im allgemeinen nicht mit dem erhaltenen AbsorptionasL^- nal B,-, übereinstimmt. Man greift nun der Reihe nach alle Gleichungen 3 nach Bestimmung der einzelnen Absorptionssignale B, η in einer sinnvollen Reihenfolge auf, und ver- α
ändert die oL. · so, daß die Absorptionssignale B^1 jeweils mit der Gesamtabsorption b,-, übereinstimmen. Dies geschieht durch Bestimmung eines Korrekturfaktors [3,-, mit \l kl Σ 4] !3f 4] A 00)
ίο ij \ ij
Hierdurch wird die gegenwärtige Absorptionsverteilung cx3 durch Korrekturwerte B verbessert, derart, daß für alle Ij gilt:
Der Index q. ist wiederum ein Zählindex der Iteration, während für die Korrekturgröße B gilt:
B =Pkl a^ (S^) (12)
Natürlich läßt sich auch dieses Verfahren leicht auf drei Dimensionen ausdehnen, indem bei jeder Gleichung (7 bis 12) die entsprechende dritte Koordinate hinzugefügt wird. Die Störungsanteile, die aufgrund von Reflexionen der Schallstrahlen S entstehen, können in bekannter Weise durch Messung bei zwei verschiedenen Schallfrequenzen eleminiert werden.
In Fig. 2 ist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens schematisch dargestellt. Der Tank 1 ist hohlquaderförmig ausgebildet, und enthält einen von einem Schallkoppel medium 10, z.B. Wasser, umgebenden Körper K, der von oben in den Tank 1 eingebracht wird. Die Elektrodenanordnung 2, die an zwei gegenüberliegenden Wänden im innern des Tanks 1 angeordnet ist, besteht aus einer Schallsenderaatrix 3 bzw. einer Schallempfängermatrix 4, die einzelne zeilen- bzw. spaltenförmig angeordnete Schallsende- 5 bzw. Schall-
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sende- 5 bzw. Schallempfängerelemente 6 besitzen, die im
. Abstand voneinander angeordnet sind und z.B. eine ebene quadratische Sende- bzw. Empfängerfläche besitzen. Natürlich können die Sende- bzw. Empfängerflächen auch eine an-
s dere geeignete Geometrie besitzen. Beispielsweise können die Sende- bzw. Empfängerflachen der Schallsende- bzw. Schallempfängerelemente hohlspiegelförmig ausgebildet sein. Der Tank 1 ist ferner um die Drehachse 9 mechanisch drehbar (Pfeil 1-1) bzw. in Längsrichtung der Drehachse 9 verschiebbar (Pfeil 12). Hierfür ist ein entsprechender Motor 13 vorgesehen, dessen Betrieb über eine Steuereinheit 14 gesteuert wird. Es versteht sich von selbst, daß der Körper K bei Drehung des Tanks 1 durch eine geeignete Haltung 15 gehaltert werden muß. Bei Untersuchungen eines menschlichen Körpers, z.B. der weiblichen Brust, ist der Tank 1 unterhalb eines Patiententisches (nicht dargestellt) angeordnet, so daß bei Lagerung des Patienten die Brust in den Tank 1 hineingetaucht werden kann. Die Schallwandleranordnung 2 muß nicht unbedingt an den Innenwänden 7 (Fig. 1) des Tanks 1 anliegen. Die Schallsende- 3 bzw. Schallempfängermatrizen 4 können auch weiter innen im Tank 1 parallel zueinander und gegenüberliegend angeordnet sein. Auch können sie durch Öffnungen (nicht dargestellt) im Tank 1 flüssigkeitsdicht unterschiedlich weit hindurchgeschoben werden.
Die einzelnen Schallsende- 5 bzw. Schallempfängerelemente 6 sind jeweils über elektrische Verbindungsleitungen 16 mit je einem elektronischen Schalter 17 bzw. 18 verbunden, welche bestimmte Strompfade, über die die vom Impulsgenerator 19a erzeugten elektrischen Impulse laufen, gemäß der Steuerung 14 öffnen. Die Steuereinheit 14 wird hierbei vom Taktgeber 20 zur Erzeugung von Ultraschallimpulsen anregenden elektrischen Impulsen getaktet. Die Ultraschallfrequenz liegt etwa bei einigen Megahertz.
Beispielsweise kann jeweils ein Schallsendeelement 5 und ein ihm direkt gegenüberliegendes Schallempfängerelement 6 aktiviert werden, so daß für jeden gesendeten Ultraschallimpuls
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ein Ultraschallimpuls empfangen wird. Auf diese Weise kann der Körper K zeilenweise abgetastet v/erden. Natürlich können auch andere als dem Schallsendeelement 5 direkt gegenüberliegende Schallempfängerelemente 6 zum Detektieren eines 5 oder mehrerer Ultraschallimpulse aktiviert werden.
Die von den einzelnen Schallempfängerelementen 6 detektierten Schallstrahlen (Ultraschallimpulse) werden direkt in elektrische Signale umgewandelt, die den elektronischen Schalter 18 und einen nachfolgenden Verstärker 21 durchlaufen, der zu einer elektronischen Einrichtung 22 gehört. In Wirklichkeit ist für jeden Datenkanal bzw. für jedes Schallempfängerelement 6 ein derartiger Verstärker 21, eventuell mit den anschließend noch zu beschreibenden weiteren elektronischen Stufen vorgesehen.
Das analoge Ausgangssignal SQ des Verstärkers, das dem Ultraschallimpuls entspricht, wird sowohl auf ein Verzögerungsglied 23 als auch auf ein Quadrierglied 24 gegeben, welches die Amplitude des Ausgangssignals S stückweise quadriert. Danach wird das quadrierte Ausgangssignal SQ mittels eines Integrationsgliedes 25 integriert und anschließend mittels eines Radiziergliedes 26 radiziert. Am Ausgang des Radiziergliedes 26 steht ein Signal Sp (root mean square, Wurzel aus dem mittleren quadratischen Signal) des empfangenen Ultraschallimpulses zur Verfügung, welches der gemessenen Intensität I--, des Ultraschallimpulses entspricht. Dieses Signal Sp wird durch das verzögerte Ausgangssignal S- des Verstärkers 21 in einem Dividierglied 27 zur Erzeugung eines normalisierten Signals S7- dividiert, welches auf ein Schwellenglied
28 zur Messung der Laufzeit des Ultraschallimpulses gegeben wird. Ziel dieser Operation ist eine Normalisierung der Amplitude des Ausgangssignals S , um eine amplitudenunabhängige Laufzeit zu erhalten. Die durch die Verzögerungsleitung eingeführte konstante Verzögerung kann später im Digitalrechner
29 subtrahiert werden. Das Integrationsglied 25 muß natürlich, wennrur eines vorhanden ist, vor dem Eintreffen eines neuen Ausgangssignales SQ auf Null zurückgesetzt werden. Das
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Dividierglied 27 darf erst einige Zeit nach Beginn der Integration eingeschaltet werden, damit nicht z.B. ein vorhandenes Rauschsignal durch Null dividiert und dann die Schwelle im Schwellengebiet 23 überschritten wird.
Der Zähler 30 wird jeweils beim Aussenden eines Ultraschallimpulses durch die Steuereinheit 14 auf Null gesetzt und beginnt zu zählen. Der Zählvorgang wird beendet, wenn die Schwelle im Schwellenglied 28 durch die Amplitude des normalisierten Signals S^ überschritten wird, so daß auf diese Weise die Laufzeit ^j_ des Ultraschallimpulses gemessen wird.
Zur Ermittlung der Verteilung des AbsorptionskoeffizienteneC wird das der gemessenen Intensität Ik-j entsprechende Signal
is S2 einem Analog/Digitalkonverter 31 zugeleitet und in einem Speicher 32, in den auch die gemessenen Laufzeiten Ί\-, gelangen, gespeichert. Die Signale wer*den einem Digitalrechner 29 zugeführt, in dem auch das Absorptions signal B,-, für jeden Strahlenweg S ermittelt wird. Nach erfolgter Rekonstruktion des Ultraschallbildes kann dieses auf einem Display 33 oder Drucker 34 sichtbar dargestellt werden.
Fig. 3 zeigt einen hohlquaderförmig ausgebildeten Tank 1 mit an gegenüberliegenden Wänden 7 angeordneten Schallsende- 3 bzw. Schallempfängermatrizen 4. Der Tank 1 ist mit einer an seinem Boden 7a befestigten Drehachse 9 versehen, um die er drehbar ist (Pfeil 11). Eine Verschiebung in Längsrichtung der Drehachse 9 ist ebenfalls möglich. Die elektrischen Verbindungsleitungen 15 (Fig. 2) zu den einzelnen Schallsende-5 bzw. Schallempfängerelementen 6 sind hier der Übersicht wegen fortgelassen. Schallsender- 3 bzw. Schallempfängermatrix 4, die an den Innenseite der Tankwände 7 liegen, bestehen etwa aus 64 bis 128 Spalten und etwa 10 Zeilen. Natürlich können Spalten und Zeilenzahl je nach Objektgröße und -aufbau oder des zu fordernden Auflösungsvermögens erhöht oder erniedrigt werden. Durch diesen Aufbau der Schallwandler anordnung 2 sind Anfangsort und Endort der Schallstrahlen bestimmt.
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In Fig. 4 ist die im Tank 1 vorgesehene Schallsendermatrix 3 (Fig. 3) als plattenförmiger Schallsender 35 ausgebildet, während die Schallempfängerinatrix 4 aus einzelnen Schallempfängerelementen 6 besteht. Durch Aktivieren des plattenförmigen Schallsenders 35 werden annähernd ebene Schallwellenfronten erzeugt, so daß die Anfangsrichtung der senkrecht zu den Schallwellenfronten verlaufenden Schallstrahlen S bekannt ist. Es kann somit gleichzeitig mit allen aktiven Schallempfängerelementen 6 gemessen werden, wobei der Endort der Schallstrahlen bestimmt ist. Die Schallempfängermatrix besteht etwa aus 64-128 Spalten und etwa 10 Zeilen.
Fig. 5 zeigt einen Tank 1 mit einer aus einzelnen Schallsendeelementen 5 bestehenden Schallsendematrix 3 und einem ein-
is zigen plattenförmigen Schallempfänger 36. Die einzelnen Schall sendeäLemente 5 werden nacheinander aktiviert, z.B. der Reihe nach in jeweils einer Matrixzeile, wobei nacheinander die Matrixzeilen angesteuert werden. Auf diese Weise sind Anfangsort und Anfangsrichtung der Schallstrahlen bestimmt.
Die Schallsendematrix kann beispielsweise aus 68-124 Spalten und 10 Zeilen bestehen.
Die Schallsendematrix 3 kann aber auch aus einigen tausend Spalten und einigen hundert Zeilen bestehen. Hierdurch wird das Auflösungsvermögen und damit die Qualität der rekonstruierten Schallbilder verbessert. Außerdem ist es möglich, mit Hilfe eines weiteren Generators 19b (Fresnel-Generator) über die Steuereinheit 14 und den elektronischen Schalter 17 konzentrische Kreise (nicht dargestellt) von aktivierten Schallsendeelementen 5 zur Fokussierung der Ultraschallstrahlen zu erzeugen, wobei die einzelnen konzentrischen Kreise mit in geeigneter Weise phasenverschobenen elektrischen Signalen zur Erzeugung von Ultraschallstrahlen angesteuert werden. Durch Verschiebung der Kreise in Zeilen- bzw. Spaltenrichtung kann somit der gesamte Körper K abgetastet bzw. durchstrahlt werden.
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Der Tank 1 in Fig. 6 enthält eine Schallsendermatrix aus lediglich einer Zeile. Die einzelnen Schallsendeelemente 5 werden nacheinander zur Erzeugung von Ultraschallimpulsen angesteuert, die auf einen gegenüberliegenden plattenförmigen Schallempfänger 36 treffen und die fokussierte Schallstrahlen aussenden.
In Fig. 7 bestehen Schallsender- 3 bzw. Schallempfängermatrix 4 Jeweils lediglich aus einer Matrixzeile, wobei bei Aktivierung eines Schallsendelementes 5 jeweils ein oder mehrere Schallempfängerelemente die Ultraschallimpulse detektieren können. Beide Matrixzeilen liegen auf gleicher Höhe. Durch Verschiebung des Tanks 1 in Längsrichtung der Drehachse 9 (Pfeil 12) können unterschiedliche Schichten des Körpers K (nicht dargestellt) rekonstruiert werden. Die Schallsendeelemente 5 senden defokussierte Ultraschallstrahlen aus, so daß die Schallempfängerelemente 6 in Jedem Fall Ultraschallstrahlen detektieren.
Fig. 8 stellt eine Schallwandleranordnung 2 dar, deren Schallsendermatrix 3 aus einer Matrixspalte mit einzelnen Schallsendeelementen 5 besteht, während die Schallempfängermatrix 4 aus mehreren in Zeilen bzw. Spalten angeordneten Schallempfängerelementen 6 besteht, wobei die Zeilen um die Drehachse 9 herum gebogen sind. Die Schallempfängermatrix besteht etwa aus 64-128 Spalten und etwa 10 Zeilen. Der gesamte Tank 1 ist keilförmig ausgebildet und kann um die Drehachse 9 (Pfeil 11) gedreht bzw. in ihrer Längsrichtung (Pfeil 12) verschoben werden. Bei Aktivierung eines Schall-Sendeelementes 5 können beispielsweise alle Schallempfängerelemente 6 bei Jeweils einer Winkelstellung des Tanks 1 aktiviert werden, wodurch sich die Abtastzeit eines Körpers K erheblich verkürzt.
In Fig. 9 ist der Tank 1 hohlzylinderförmig ausgebildet. An seiner Innenseite befindet sich eine ringförmige Schallwandleranordnung 2, die aus einzelnen in gleicher Weise übereinanderliegenden Ringen nebeneinanderliegender Schall-
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empfängerelemente 6 besteht. Ober- und unterhalb der Schallempfängerringe 6a liegen Schallsenderringe 5a, die aus nebeneinanderliegenden Schallsendeelementen 5 bestehen. Der Tank 1 ist um seine Symmetrieachse (Drehachse 9) drehbar
s und in Längsrichtung der Drehachse 9 verstellbar. Durch geeignete Aktivierung einzelner Schallsendeelemente 55 die fächer- bzw. keulenförmige Ultraschallstrahlenbündel aussenden, kann die Richtung der Schallstrahlen S ohne mechanische Drehung des Tanks 1 erfolgen. Der Tank 1 kann deswegen auch auf bestimmte Körper bzw. Körperteile aufgesetzt werden, wenn dafür gesorgt ist, daß das Schallkoppelmedium nicht aus dem Tank 1 auslaufen kann und gleichzeitig am Körper K (nicht dargestellt) anliegt. Zu diesem Zweck kann der Tank 1 mit einer verformbaren, elastischen Folie, die sich im Tank 1 befindet, versehen werden, wobei sich zwischen der Folie, die sich an dem Körper anschmiegt und der Schallwandle ranordnung 2 ein Schallkoppelmedium befindet. Mamma-Untersuchungen sind somit in senkrechter Haltung eines Patienten durchführbar.
In Fig. 10 ist ebenfalls ein hohlzylinderförmig ausgebildeter Tank 1 dargestellt, an dessen Innenseite mehrere in gleicher Weise in Richtung der Drehachse 9 übereinaiderliegende Schallempfängerringe 6a angeordnet sind, zwischen deren Schallempfängerelementen 6 sich im Abstand voneinander einzelne Schallsendeelemente 5 in Umfangsrichtung befinden. Es ergeben sich somit in Längsrichtung der Drehachse 9 (Symmetrieachse) liegende Spalten von Schallsender- 5 bzw. Schallempfängerelementen 6. In der Fig. 10 sind nur zwei Spalten von Schallempfängerelementen 6 gezeichnet. In Wirklichkeit liegen zwischen zwei Spalten von Schallsendeelementen 5 wesentlich mehr Spalten von Schallempfängerelementen 6. Auch hier braucht der Tank 1 nicht gedreht bzw. verschoben zu werden, da die Schallsende- 5 bzw. Schallempfängerelemente in geeigneter Weise aktiviert werden können. Die einzelnen Schallsendelemente 5 (z.B. piezoelektrische Wandler) senden hierbei fächerförmige oder keulenförmige Schallstrahlenbündel aus, die mehrere der gegenüberliegenden
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Schalleinpfängerelemente 6 treffen.
Sine einfachere Ausführung des in Fig. 1 dargestellten Tanks 1 ist in Fig. 11 gezeigt, der an seiner Innenwand lediglich einen Schallempfängerring 6a trägt, ζ v/i sehen dessen Schallempfängerelementen 6 in Umfangsrichtung im Abstand voneinander einzelne Schallsenderelemente 5 angeordnet sind. Dieser Tank 1 bzw. der Körper K (nicht dargestellt) müssen zur Untersuchung verschiedener Körperschichten in Richtung der Drehachse 9 (Symmetrieachse) verschoben werden. Eine Drehung des Tanks 1 kann aber auch hier entfallen.
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Claims (16)

  1. PHILIPS PATSNTVEiWALTUNG GMBH, STEIiIDZJMM 94, 2000 HAMBURG 1
    J PHD 78-035
    PATENTANSPRÜCHE:
    h) Verfahren zur Ermittlung der inneren Struktur eines Körpers, z.B. eines menschlichen Körpers, mit Hilfe von Schallstrahlen, welche zwischen einer den Körper wenigstens teilweise umgebenden, einzelne Schallsende- und Schallempfängerelemente enthaltenen Schallwandleranordnung verlaufen, auf deren Schallempfängerelemente die durch den Körper in verschiedenen Richtungen transmittierten Schallstrahlen auftreffen, aus deren Laufzeiten der Schallbrechungsindex an einzelnen Punkten eines dem Körper zugeordneten
    ίο Punktrasters bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer an den Punkten des Punktrasters (P) vorgewählten, der Struktur des Körpers (K) angenäherten Verteilung der Schallbrechungsindices (n) unter Berücksichtigung der Geometrie der Schallwandleranordnung (2) wenigstens einmal für jeden Schallstrahl (S) sein Weg (r(n)) zur Ermittlung seiner Laufzeit (tkl) wenigstens näherungsweise bestimmt wird, und daß jeweils aus gemessener (Ττ,τ) und der ermittelten Laufzeit (tkl) eines Schallstrahles Korrekturdaten(5) zur schrittweisen Verbesserung der Schallbrechungsindices an den Punkten des Punktrasters (P) erhalten werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung einer räumlichen Strukturverteilung eines dreidimensionalen Körpers (K) Schallstrahlen (S), die in unterschiedlichen Richtungen verlaufen, verwendet werden.
    9098 8 2/0162 0RIG1NAL INSpected
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur verbesserten Ermittlung der inneren Struktur des Körpers (K) die erhaltenen Schallbrechungsindices (n) an den Punkten des Punktrasters (P) durch gewichtete Mittelwertbildung der umliegenden Schallbrechungsindices (n) geglättet werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der Schallempfängerelemente (6) zusätzlich die Intensität (Ιτ,τ) der einzelnen Schallstrahlen (S) gemessen und unter Berücksichtigung des Weges der Schallstrahlen und der Abstrahlcharakteristik der Schallsendeelemente (5) die abgestrahlte Intensität (ΐ£τ) in Richtung der Schallstrahlenwege ermittelt wird, woraus ein die Absorption des Schall-
    is Strahls kennzeichnendes Absorptionssignal (B,-,) erhalten wird, daß aus einer an den Punkten des dreidimensionalen Punktrasters (P) vorgewählten, der Struktur des Körpers (K) angenäherten Verteilung des Absorptionskoeffizienten ( ) wenigstens einmal für alle Schallstrahlen nacheinander die Gesamtabsorption (t>kl) entlang des jeweiligen Schallstrahlenweges ermittelt wird, und daß jeweils durch Vergleich der Gesamtabsorption (ΐ>νη) mit den gemessenen Absorptionssignalen (B,-|) Korrekturgrößen (B) zur schrittweisen Verbesserung des Absorptionskoeffizienten an den Punkten des Punktrasters erhalten werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Richtung der Schallstrahlen (S) durch Drehung der Schallwandleranordnung (2) um eine Drehachse (9) erfolgt, und daß die Lage der Drehachse relativ zu dem von einem Schallkoppelmedium (10) umgebenen Körper unverändert bleibt.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Richtung der Schallstrahlen (S) durch Aktivieren jeweils einzelner, um den Körper (K7 herum angeordneter Schallsende (5)- bzw. Schallempfängerelemente (6) der Schallwandleranordnung (2) erfolgt, deren Lage relativ
    909882/0162 0RIQINAl inspected
    3 PHD 73-085
    zu dem mit einem Schallkoppelmedium (10) umgebenen Körper unveränder bleibt.
  7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem s oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 unter Verwendung eines um eine Drehachse drehbaren und in Richtung der Drehachse verstellbaren Tanks, der zur Aufnahme des zu untersuchenden Körpers mit einem Schallkoppelmedium füllbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Tank (1) eine zweidimensionale Schallwandleranordnung (2) befindet, zwischen der die den Körper (K) in verschiedenen Richtungen durchdringenden Schallstrahlen (S) verlaufen, daß ferner die Vorrichtung an der Schallsender- und Schallempfängerseite ansteuerbare elektronische Schalter (17,18) zum Aktivieren einzelner oder mehrerer Schallsende (5)- bzw. Schallempfängerelemente (6) besitzt, und daß die Vorrichtung eine elektronische Einrichtung (22) sowohl zur Ermittlung von Laufzeiten (T) bzw. (t) und Intensitäten (I) bzw. der daraus bestimmten Absorptionssignale (Bkl) umfaßt.
  8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandleranordnung (2) aus ebenen Schallsende- bzw. Schallempfängermatrizen (3,4) besteht, die aus einzelnen in geeigneter Weise aktivierbaren Schallsende- (5) bzw. Schallempfängerelementen (6) aufgebaut sind, und deren Matrixspalten bzw. Matrixzeilen parallel bzw. senkrecht zur Drehachse (9) liegen.
  9. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An-
    spruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallsendematrix (3) aus einem einzigen plattenförmigen Schallsender (35) besteht.
  10. 10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallempfängermatrix (4) aus einem einzigen plattenförmigen Schallempfänger (36) besteht.
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    <Ί PIID 7rJ-(j:i'j
  11. 11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ansteuerbaren Generator (19b) zur Erzeugung von aus einzelnen Schallsendeelementen (5) bestehenden konzentrischen Kreisen aufgebauten, in Zeilen- und Spaltenrichtung verschiebbaren Schallsender zur Aussendung fokussierter Schallstrahlen besitzt.
  12. 12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallempfänger-
    10matrix (4) aus einem einzigen plattenförmigen Schallempfänger (36) und die Schallsendematrix aus einer mehrere Schallsenderelemente (5) enthaltenden Matrixzeile besteht.
  13. 13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anis spruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallsende- (3) bzw, Schallempfängermatrizen (4) aus jeweils einer Matrixzeile mit einzelnen Schallsende- (5) "bzw. Schallempfängerelementen (6) bestehen, die in Richtung der Drehachse (9) verschiebbar sind.
  14. 14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandleranordnung (2) aus in Richtung der Drehachse (9) übereinanderliegenden Schallsendeelementen (5) zum Erzeugen von Fächerschallstrahlen und aus einer zweidimensionalen, aus einzelnen Schallempfängerelementen (6) aufgebauten Schallempfängermatrix (4) besteht, deren Matrixspalten parallel zur Drehachse verlaufen und deren Matrixzeilen in einer senkrecht zur Drehachse verlaufenen Ebene, in der jeweils das einer Matrixzeile zugeordnete Schallsendeelement liegt, wenigstens teilweise um die Drehachse herum gebogen sind.
  15. 15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallempfängerelemente (6) der Schallwandleranordnung ringförmig angeordnet sind und zur Bildung eines Hohlzylinders zur Aufnahme des zu untersuchenden Körpers (K) in Richtung der Drehachse (9) übereinanderliegen, und daß ober- und unterhalb der Schall-
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    73-0S5
    empfängerringe (6a) in gleicher Weise wie die Schallempfängerringe ausgebildete Schallsenderringe (5a) liegen.
  16. 16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in den Schallempfängerringen (6a) in Umfangsrichtung im Abstand voneinander einzelne übereinanderliegende Schallsendeelemente (5) angeordnet sind.
    17· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandleranordnung aus einem einzigen Ring (6a) benachbarter Schallempfängerelemente (6) besteht, zwischen denen in Umfangsrichtung im Abstand voneinander einzelne Schallsendeelemente
    is (5) angeordnet sind, und daß die Schallwandleranordnung in Richtung der Drehachse verschiebbar ist.
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DE19782827423 1978-06-22 1978-06-22 Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der inneren struktur eines koerpers mit hilfe von schallstrahlen Granted DE2827423A1 (de)

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