DE2843985B2

DE2843985B2 - Ultraschall-Diagnosegerät

Info

Publication number: DE2843985B2
Application number: DE2843985A
Authority: DE
Inventors: Takahisa Fuchu Tokio Okazaki (Japan)
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1977-10-08
Filing date: 1978-10-09
Publication date: 1980-01-31
Also published as: US4237902A; JPS6151894B2; JPS5454484A; DE2843985A1; DE2843985C3

Description

, „ , 2(P-α)

C sin θ ■ cos \

worin bedeuten:

v(a,6, λ) eine Zeitverzögerung des von der Tiefen- "■* einstelleinrichtung (76) nach Aussenden des Ultraschallstrahls erzeugten Impulses,

a das Ausmaß der Verschiebung,

C die Geschwindigkeit des Ultraschail-

strahls in dem betreffenden Körper,

D die Diagnosetiefe,

θ der Sektorabtastwinkel, und

x. der Ablenkwinkel

durch eine Torsteuereinrichtung (78) für die j-, Torsteuerung des elektrischen Signals des reflektierten Ultraschallstrahls entsprechend der Gleichung und durch eine Anzeigeeinrichtng (79) für die Darstellung eines C-Betriebsarten-Bildes des Körpers (57). 4,,

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Diagnosegerät, bestehend aus einer Ultraschallscnde, um entsprechend einer sektorförmigen Abtastung eine Ultraschallwelle bzw. Ultraschallimpuls in einen zu untersuchenden Körper zu strahlen und die Reflexionswelle von dem Körper zu empfangen, wobei die Ultraschallsonde mehrere elektromechanische Wandlerelemente enthält, aus einem Scanner zur mechanischen Bewegung der Ultraschallsonde, einer Einrichtung zur Erzeugung eines Impulses zum Treiben der Wandlerelemcnte, aus einem Abtastregler zur Regelung der Impulserzeugung der Einrichtung und der Impulsphase, zur Änderung der Richtung der von den Wandlerelementen ausgesendeten Ultraschallwelle, aus einer Detektoreinrichtung zur Feststellung der Lage der Ultraschal'sonde, aus einer Tiefen-Einstelleinrichtung zum Erzeugen eines Impulses der die Diagnosetiefe einer Ortungsobjektebene (F) in dem betreffenden Körper angibt, einer an die Wandlerelemente gekoppelten Einrichtung zur Ableitung eines C-Betriebsarten-Bildsignals aus der reflektierten Ultraschallwelle in Abhängigkeit von dem Ausgangsimpuls der Tiefeneinstelleinrichtng, und aus einer Anzeigeeinrichtung zur Anzeige des C-Betriebsarten-Bildsignals.

Eine Ultraschallsonde für eine sektorformige Abtastung, die in einem Ultraschalldiagnosegerät zur Anwendung gelangt, enthält mehrere Wandlerelemente oder in Phase gesetzte Wandlerelemente 2, die auf einem Dämpfungsteil 1 angeordnet sind, wie dies in F i g. 1 gezeigt ist Allgemein besteht das Wandlerelement 2 aus einem piezoelektrischen Element durch welches ein elektrisches Signal in eine mechanische Schwingung und umgekehrt umgewandelt werden kann. Jedes Wandlerelement 2 ist mit einer eigenen Elektrode 3 verbunden. In der praktischen Anwendung wird die Sonde auf die Fläche des Körpers eines Patienten aufgesetzt und wird mit elektri.schen Signalen beschickt um elektronisch eine Fehl- oder Ortungsebene in dem Körper abzutasten.

Im folgenden soll nun das Prinzip der elektronischen Abtastung erläutert werden. Gemäß F i g. 2 gelangt ein elektrisches Signal zu jeder Gruppe von fünf Wandlerelementen, die allgemein mit 2 bezeichnet sind und zwar von links nach rechts. Speziell wird das Signa! aufeinanderfolgend jeder Gruppe ..-der jedem Block von fünf Elementen 2_X bis 2% 2₂ bis 2e, 2₃ b^ 2₇... zugeführt Die Signale werden progressiv den Wandlerelementen durch Verschiebung der Wandlerelemente 2 Schritt um Schritt zugeführt Die Blöcke bestehen daher jeweils aus fünf !Vandlerelementen 2, die Stufe um Stufe aufeinanderfolgend nach rechts verschoben sind, wie dies in Fig.2 veranschaulicht ist Nach Empfang des Signals sendet jeder Elementenblock eine Ultraschallwelle bzw. Ultraschallimpuls in radialer Richtung ans. Das intensivste Feld der ausgesendeten Ultraschallwelle befindet sich beim zentralen Abschnitt des Elementenblocks, der fünf Wandlerelemente enthält Es kann daher davon ausgegangen werden, daß ein Ultraschallstrahl UB von den Wandlerelementen abgestrahlt wird, die an dem zentralen Abschnitt gelegen sind, jeder Block wird aufeinanderfolgend nach rechts verschoben, so daß auch der Ultraschallstrahl UB in dieselbe Richtung verschoben wird. Diese Abtastmethode wird auch als lineare Abtastung bezeichnet, bei welcher der Ultraschallstrahl quasi von dem zentralen Teil der Ultraschallstrahlfläche oer Sonde abgestrahlt wird, die aufeinanderfolgend und parallel angesteuert bzw. getrieben wird. Das herkömmliche Ultraschalldiagnosegerät is ι in dem Aufsatz 19-33 von Uchida »Electro-Scanning Ultrasonics Diagnosing Equipment« beschrieben, wobei diese Dissertation auf der Tagung des japanischen »Institution of Medical Ultrasonics«, im Mai 1971 veröffentlicht wurde. Eine weitere bekannte Abtastmethode besteht aus einem Sektorabtastverfahren, bei welchem Signale mit unterschiedlichen Phasen entsprechenden Blöcken zugeführt werden, die beispielsweise jeweils aus fünf Wandlerelementen bestehen. In diesem Fall ändert sich da. intensivste Feld der Ultraschallwelle in Abhängigkeit von den Impulsen mit Phasendifferenz, welche die Elemente treiben. Demnach hängt der /*bstrahlwinkel des Ultraschallstrahls von der Phasendifferenz ab und es läßt sich daher die Strahlrichtung des Ultraschallstrahls dadurch ändern, indem man die Phasendifferenz ändert. Die Sektorabtastung kann somit durchgeführt werden, wenn die Phasendifferenz kontinuierlich geändert wird.

Das elektronische Abtastverfahren des heutigen Standes läßt sich grob einteilen in das lineare Abtastverfahren, bei welchem der Ultraschallstrahl parallel verschoben wird, und in das Sektorabtastverfahren, bei welchem der Ultraschallstrahl in Gestalt eines Sektors verschoben wird, wobei das Prinzip dieser Abtastung in der US-PS 37 89 833 beschrieben ist.

Bei dem linearen Abtastverfahren ist die Sonde 4 derart konstruiert, daß eine große Anzahl von Wandlerelementen 2 in horizontaler Richtung parallel angeordnet wird, wie dies in Fig.3 gezeigt ist. Wie bereits erläutert wurde, ist bei diesem Verfahren die ΐ Abtastrichtung (Pfeil A)des Strahles UB genau dieselbe, wie die Richtung der Anordnung der Elemente. Die Strahlungsrichtung des Ultra-Schallstrahls UB verläuft senkrecht zur Richtung der Anordnung der Elemente.

Bei dem Sektorabtastverfahren enthält die Sonde 5 beispielsweise fünf phasenmäßig angeordnete Wandlerelemente 2, die in horizontaler Richtung angeordnet sind und jeden Block darstellen, wie dies in Fig.4 veranschaulicht ist. Im Betrieb werden elektrische Signale mit festen Phasenunterschieden aufeinanderfol- ι > gend den jeweiligen Wandlerelementen 2 zugeführt und es wird ferner die Phasendifferenz sequentiell g?ändert, so daß die Ultraschallstrahlen in radialer Richtung vom Mittelpunkt der Sonde aus ausgestrahlt werden.

Ein herkömmliches Ultraschalldiagnosegerät für eine :» »C«-Betriebsartendarstellung durch das elektronische Abtastsystem, was zu einem zweidimensionalen Bild in einer Ebene senkrecht zu der »B«-Betriebsartendarstellung führt, verwendet allgemein das lineare elektronische Abtastverfahren und dies wird durch ein >■-> Wassereintauchverfahren realisiert, wie es in Fig.5 wiedergegeben ist. Mit 51 ist ein linearer Abtastregler gezeigt, um ein Steuersignal zu erzeugen, durch welches die Abtastoperation der Vorrichtung gesteuert wird. In Abhängigkeit von dem Steuersignal aus dem Regler 51 ji> erzeugt eine Impulsschaltung Impulssignale, die einer Sonde 54 zugeführt werden, um eine lineare Abtastung in einem Ultraschallwellenabtaster 53 durchzuführen. Die Sonde 54 gerät dann in Vibration und sendet eine Ultraschallwelle aus. Die Sonde 54 ist in eine Flüssigkeit t> (Wasser, flüssiges Paraffin oder einer ähnlichen Substanz) 56 in einem Wasserbehälter oder Sack 55 eingetaucht, der an einem Patienten 57 aufliegt und es wird dann die Ultraschallwelle durch die Flüssigkeit 56 hindurch auf den Patienten 57, der mit dem Wassersack 4n 55 in Berührung steht, übertragen. Ein Teil der Ultraschallwelle wird von einer Stelle reflektiert, die eine unterschiedliche akustische Impedanz im Körper 57 des Patienten hat und gelangt dann zur Sonde 54 zurück. Die reflektierte Ultraschallwelle wird dann in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt. Das elektrische Signal gelangt in Abhängigkeit von einem Steuersignal eines Abtastreglers 51 zu einem Empfänger 58, in welchem das Signal verstärkt wird und dann zu einer Torsteuerschaltung 59 übertragen wird, ϊο Die Torsteutrtchaltung 59 läßt ein Videosignal von einer Tiefe Dz hindurch, die durch eine Tiefeneinstellschaltung 60 festgesetzt wird, um eine Ortungsebene in dem Körper des Patienten festzulegen, die dann in der »C«-Betriebsart dargestellt wird, d. h. in der Tiefe Dz von der Fläche des Körpers aus gemessen. Das durch die Torsteuerschaltung 59 hindurch gelangte Videosignal wird zu einem Monitor 61 übertragen. Die Sonde 54 wird mechanisch in einer Richtung X innerhalb eines Bereiches für eine »C«-Betriebsart mit Hilfe eines Scanners 53 bewegt Die Bewegungslage wird von einer Abtastlage-Detektorschaltung 62 festgestellt und wird dann zum Monitor 61 übertragen. Ein Signal, welches eine Lage auf einer y-Achse bei der Abtastung wiedergibt gelangt von einem Abtastregler 51 zu einem Monitor 61. Diese drei Signale wirken zusammen, um ein helligkeitsmoduliertes Bild in der »C«-Betriebsart auf einem Bildschirm des Monitors 61 darzustellen. Es sei speziell angenommen, daß der Bewegungsbereich der Sonde 54 durch den Abtaster bzw. Scanner 53 wiedergegeben ist durch D_x in der Richtung der X-Achse und daß der elektronische Abtastbereich der Sonde 54 durch Dy in Richtung der V-Achse wiedergegeben ist und daß ein Bild einer Ebene 5 dargestellt wird, die durch D.*und Dyin einerTiefe D?\n Richtung der Z-Achse definiert ist.

Wie bereits erläutert wurde, kann in der herkömmlichen »Cw-Betriebsartendarstellung die elektronische Abtastung für die Richtung der K-Achse möglich sein. Für die X-Achse muß jedoch die mechanische Bewegung durch den Scanner 53 verwendet werden. Aus diesem Grund wird auch der Wasserbehälter bzw. Wassersack 55 verwendet, um eine weiche oder gleichmäßige mechanische Bewegung der Sonde sicherzustellen und auch eine gute Übertragung der Ultraschallwelle sicherzustellen. Dieses Verfahren ist jedoch mit den folgenden Nachteilen behaftet: (1) Für jede Beobachtung muß der V/assersack 55 entsprechend der Körperfläche oder Gestalt des Patienten 57 oder der Lage des Orlungsobjekts ersetzt werden; (2) wenn die Körperfläche uneben ist, muß die gesamte Fläche in dichte Berührung mit dem Wassersack 55 gebracht werden. Es ist jedoch sehr schwierig, eine perfekte vollständige Berührung zu realisieren. Eine Reflexion oder eine Dämpfung der Ultraschallwelle bzw. des Ultraschallwellenimpulses an einer Stelle mit schlechtem Kontakt bzw. schlechter Berührung ist dabei unvermeidbar, was sich jedoch dann auf eine Verschlechterng der Bildqualität auswirkt.

Das Kontaktverfahren, bei welchem die Sonde direkt in Berührung mit der Körperfläche gebracht wird, wurde ebenfalls häufig angewandt. Die lineare Abtastsonde hat eine relativ große Breite, so daß es sehr schwierig ist, die gesamte Abtastfläche der Sonde in dichte Berührung mit der Körperfläche zu bringen. Die lineare Abtastsonde hat die zuvor erläuterte Konstruktion, so daß die Breite der Sonde festgelegt ist oder mit anderen Worten nicht verändert werden kann. Es muß daher die Sonde für die Verwendung mit einem bestimmten Gegenstand ausgewählt werden, was umständlich und somit nachteilig ist

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 22 60 257 ist ein Wandlergerät zur Beobachtung beispielsweise des Herzens bekannt. Das Gerät enthält einen Y-förmigen flexiblen Teil mit drei Armen, einen Empfangswandler, der am mittleren Abschnitt des Teiles montiert ist eine Empfangslinse, die ebenfalls am mittleren Abschnitt des Teiles montiert ist, drei Sendewandler, die an den drei Armen montiert sind und drei Sendelinsen, die ebenfalls an den drei Armen jeweils befestigt sind. Die Enden der Arme die miteinander verbunden sind, sind schmal und dünn ausgeführt so daß ein Halsabschnitt gebildet wird. Die so gebildeten Halsabschnitte der Arme sind daher flexibel, so daß die Wandler in Berührung mit dem Bauch eines Patienten gebracht werden können, der eine im wesentlichen ebene Fläche bildet Die Wandler senden eine Strahlung aus, die vom Inneren des Körpers reflektiert wird und dann von dem Empfangswandler aufgefangen wird, um z. B. die Bewegung eines Fötus im Mutterleib zu untersuchen.

Aus der deutschen (DD) Patentschrift 81 695 ist eine Wandleranordnung bekannt, um den Blutdruck genau messen zu können. Die Wandleranordnung umfaßt mehrere Ultraschalleinheiten, die in einem flexiblen Substrat bzw. Leiterplatte ausgebildet sind. Diese Anordnung ist deshalb erforderlich, da ein einzelner

Wandler, der normalerweise zwischen dem Arm eines Patienten und einem Band angeordnet wird, welches um den Arm gewickelt wird, keine zuverlässigen Daten hinsichtlich des Blutdruckes liefern kann. Da die Leiterplatte flexibel ist, ISOt sich die Wandleranordnung -> so biegen, daß alle Ultraschalleinheiten in Berührung m·· dem Arm des Patienten gelangen können. Wenn die Wandleranordnung am Arm eines Patienten erregt wird, werden Ultraschallwellen ausgesendet Die Ultraschallwellen treffen dann auf die Wände von Arterien in und werden zurück zu der Wandleranordnung reflektiert, um dadurch eine offene oder geschlossene Gestalt der Arterienwände anzuzeigen. Mit anderen Worten empfangen mehrere Wandler Ultraschallwellen, um festzustellen, ob die Wände der Arterien offen oder r, geschlossen sind, wobei der Dopplereffekt ausgenutzt wird, um sehr genau den Blutdruck zu messen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, das Ultraschall-Diagnosegerät der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß die Ultra- >n schallsonde nicht mehr ausgewechselt zu werden braucht, um unterschiedliche Körperabschnitte zu diagnostizieren, oder auch keine Einrichtung, wie beispielsweise ein Wassersack, mehr erforderlich ist, gleichzeitig jedoch eine noch bessere Auflösung erzielt _>-> wird.

Ausgehend von dem Ultraschall-Diagnosegerät der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Scanner die Ultraschallsonde auf der Fläche es zu untersuchenden Körpers so bewegt, und daß die Tiefeneinstelleinrichtung Komponenten enthält, um Änderungen des Abstands zwischen der Ultraschallsonde und der Ortungsobjektebene aufgrund einer Richtungsänderng der Ultraschallwelle zu kompensieren, ebenso eine Änderung des Abstands j-, aufgrund einer Unebenheit der Fläche des Körpers und eine Änderung des Abstandes aufgrund der Neigung der Ultraschallsonde gegenüber der Achse senkrecht zur Ortungsobjektebene zu kompensieren.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß .m die Flachs des Körpers eines Patienten gewöhnlich nicht eben ist und die Tiefe, d. h. der Abstand zwischen der Ultraschallsonde und der Ortungsobjektebene laufend schwankt. Auch ist die Sonde häufig gegenüber der senkrechten Richtung aufgrund der unebenen Fläche des Körpers etwas geneigt. Dies führt jedoch zu einer Änderung des Diagnoseabstandes zwischen Sonde und Ortungsobjektebene. Dazu kommt noch, daß der Diagnoseabstand auch abhängig ist von der Richtung, in welcher die Ultraschallwellen in den Körper eingestrahlt werden.

Um nun ein genaues »C«-Betriebsartenbild trotz dieser Abstandsschwankungen zu erzeugen, wird bei dem Diagnosegerät nach der Erfindung eine Tiefeneinstellschaltung verwendet, die so ausgelegt ist, daß sie ein Steuersignal in einer bestimmten Zeitsteuerung erzeugt Die Tiefeneinstellschaltung steuert dabei eine Torschaltung an, um aus dem Bildsignal eine Probe zu entnehmen, also von einer Ultraschallwelle, die von dem Inneren eines Ortungsobjektes reflektiert wurde. Zur _Μ Steuerung der Torschaltung erzeugt die Tiefeneinstellschaltung ein Steuersignal mit einer bestimmten Zeitverzögerung.

Durch ein derartiges Steuersignal gesteuert, entnimmt die Torsteuerschaltung Proben von den Bildsignalen, so daß das Diagnosegerät nach der Erfindung ein gewünschtes »CÄ-Betriebsartenbild mit hoher Genauigkeit und Auflösung erzeugt Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 4.

Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 7 ergeben sich die folgenden technischen Vorteile:

t. Es läßt sich ein »C«-Betriebsartenbild einer Ortungsobjektebene innerhalb eines Ortungsobjektes, wie beispielsweise einem menschlichen Herzen, erzeugen und zwar auf einer realen Zeitbasis unter Verwendung einer Ultraschallsonde mit sektorförmiger Abtastung.

2. Das Gerät enthält eine liefeneinstellschaltung, die ein Steuersignal mit einer Zeitverzögerung in der zuvor geschilderten Weise erzeugt, so daß Fehler eines Bildes bei der Erzeugung eines »(!«-Betriebsartenbildes korrigiert werden und eine hohe Auflösung des Bildes erreicht wird.

•j. uix. um na^iiniiauituv ivafiii in 3Vgviiaiiiiii,ii Ulf i»nii»ii Kontaktverfahren eingesetzt werden, so daß beispielsweise ein Wasserbalg nicht zwischen Sonde und dem zu untersuchenden Objekt bzw. Körper vorgesehen werden muß und das Diagnosegerät somit auch einfach bedient werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung einer Ultraschallsonde für ein elektronisches Abtastverfahren; ·

Fig.2 schematisch das Arbeitsprinzip nach dem elektronischen Abtast verfahren;

F i g. 3 eine herkömmliche Ultraschallsonde für eine lineare Abtastung;

F i g. 4 eine herkömmliche Ultraschallsonde für eine sektorförmige Abtastung;

Fig.5 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Ultraschalldiagnosegerätes mit einer »C«-Betriebsartendarstellung;

Fig.6 schematisch einen Abtastbereich der Ultrr schallsonde nach F i g. 5;

F i g. 7 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Ultraschalldiagnosegerätes mit Merkmalen nach der Erfindung;

Fig.8 schematisch einen Abtastbereich und einen Abtastzustand einer Ultraschallsonde, die bei dem Gerät nach F i g. 7 verwendet werden kann;

F i g. 9 die Bewegung der Sonde durch den Scanner nach der Erfindung relativ zur Körperfläche;

Fig. 10a bis 10c Zeitdiagramme, welche die Beziehung zwischen den Sendeimpulsen und eines Torsteuerimpulses nach den Stellen I und II in Fig.9 veranschaulichen;

F i g. 11 schematisch die Beziehung zwischen der Senderichtung des Ultraschallstrahls bei einer sektorförmigen Abtastung und dem Abstand von der Ortungsobjektebene zur Sonde;

Fig. 12A bis 12C Zeitdiagramme zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Torsteuersignal und dem Sendeimpuls, wenn die Senderichtung des Ultraschallstrahls im Falle der F i g. 11 geändert wird;

Fig. 13 eine Änderung der UltraschaUweUen-Ausbreitungsabstände oder Strecken, wenn sich der Abstand zwischen Sonde und Ortungsobjektebene ändert und wenn sich die Strahlungsrichtung des Ultraschallstrahls ändert;

Fig. 14 eine Darstellung zur Veranschaulichung des Falles, bei welchem die Sonde in gemischter oder

kombinierter Weise verwendet wird;

Fig. 15A und I5B Zeitdiagramme zur Veranschaulichung der Betriebsweise im Falle der F i g. 14;

Fig. 16 ein Satz von Wellenformen zur Veranschaulichung der Betriebsweise des Ultraschalldiagnosegerätes nach F ig. 7; und

Fig. 17 ein Blockschaltbild der Tiefeneinstellschaltung, die bei dem Gerät nach der Erfindung verwendet wird.

Es soll zunächst eine Ausführungsform eines Ultraschalldiagnosegerätes mit Merkmalen nach der Erfindung unter Hinweis auf die Fig.7 bis 17 beschrieben werden.

Gemäß Fig. 7 ist ein Ultraschalldiagnosegerät mit Merkmalen nach der Erfindung gezeigt. Mit 71 ist eine Ultraschallsonde angegeben, um eine sektorförmige Abtastung im Sinne der F i g. 4 durchzuführen, wobei in der praktischen Anwendung die Sonde 71 direkt in Berührung mit der Körperfläche eines Patienten 57 gebracht wird. Ein Scanner 72 bewegt mechanisch die Sonde 71 in einer Richtung X wie dies gezeigt ist Eine Abtastpositionsdetektorschaltung 73 stellt die Lage der Sonde 71 fest, die durch den Scanner 72 bewegt wird. Ein Abtastregler 74 steuert die elektronische Sektorabtastbetriebsweise der Vorrichtung. Eine Impulsgeneratorschaltung 75 erzeugt Impulse für die Erregung der Sonde 71 unter der Steuerung des Steuersignals des Abtastreglers 74. Die Impulse sind mit Phasenunterschieden behaftet, und zwar entsprechend dem Steuersignal. Eine Tiefeneinstellschaltung 76 stellt die Tiefe einer Ortungsobjektebene ein, die in der »C«-Betriebsart dargestellt werden soll. Ein Empfänger 77 arbeitet unter der Steuerung des Steuersignals des Reglers 74 und verstärkt bzw. erfaßt die reflektierte Ultraschallwelle, welche durch die Sonde 71 ausgesendet wurde. Eine Torsteuerschaltung 78 läßt das Ausgangssignal des Empfängers 77 hindurch und zwar unter der Steuerung der Tiefeneinstellschaltung 76. Speziell läßt das Tor oder Gatter 78 nur das Ausgangssignal hindurch, welches der Tiefeneinstellung durch die Schaltung 76 entspricht Ein Monitor 79 stellt ein Signal des Empfängers 77 an einer Stelle dar, die durch das Ausgangssignal der Positionsdetektorschaltung 73 und durch das Steuersignal des Reglers 74 definiert ist

Im Betrieb erzeugt der Regler 74 ein Steuerimpulssignal für eine elektronische Sektorabtastung. Nach Empfang des Steuersignals erzeugt die Impulsgeneratorschaltung 75 Impulse und zwar jeden mit einer vorbestimmten Phase, die von dem Steuerimpuls abhängt Die Ausgangsimpulse der Impulsgeneratorschaltung 75 gelangen zur Sonde 71. Wenn die Impulse empfangen werden, so gelangen die jeweiligen Wandlerelemenf; der Sonde 71 in Vibration, und zwar entsprechend den jeweiligen Phasen, se daß die Sonde 71 einen Ultraschallstrahl in den Richtungen aussendet, die durch die Phasenbeziehungen bestimmt sind. Das Steuersignal steuert die Impulsgeneratorschaltung 75, so daß die Sonde 71 Ultraschallimpulse in einen Sektorbereich bzw. Sektorgestalt aussendet Es werden somit die Ultraschallstrahlen von der Sonde 71 in Sektorgestalt ausgesendet Der abgegebene Ultraschallstrahl wird direkt in den Körper 57 des Patienten eingestrahlt und wird teilweise an der Stelle in dem Körper reflektiert, an welcher eine Änderung der akustischen Impedanz auftritt und gelangt dann zur Sonde 71 zurück. Wenn die Reflesionswsüc empfangen wird, wandeln die jeweiligen Wandlereleü«ente diese Welle in entsprechende elektrische Signale um. Die elektrischen Signale gelangen dann zum Empfänger 77. Der Empfängur 77 arbeitet in Abhängigkeit von dem Steuersignal, welches vom Regler 74 hergeleitet wird und erfaßt urtd verstärkt die elektrischen Signale und schickt sie dann zu der Torsteuerschaltung 78. Wenn die Tiefeneinstellschaitung 76 die Tiefe für die »C«-Betriebsartendarstellung einstellt, empfängt diese Einstellschaltung 76 das Steuersignal vom Regler 74 und der Abtaststellung-Detektorschaltung 73 und gibt ein Signal

to an die Torsteuerschaitung 78 zu einem Zeitpunkt ab, der der eingestellten Tiefe entspricht. In Abhängigkeit von dem Signal der Tiefeneinstellschaltung 76 ermöglicht die Torsteuerschaltung 78, daß das Signal des Empfängers 77 durch diese hindurch zum Monitor 79

Ii gelangt. Im Monitor 79 wird ein Signal vom Regler 74 zugeführt, welches die V-Achse wiedergibt und ein Signal von der Abtaststellung-Detektorschaltung 73 zugeführt, welches die X-Achse wiedergibt. Demzufolge erkennt der Monitor 79 das Reflexionssignal an der

?n Stelle, die durch die X- und K-Achsen -Signale definiert ist Die Sonde 71 führt dann eine elektrische Sektorabtastung in Richtung der K-Achse durch und tastet die Ortungsobjektebene in Abhängigkeit von dem mechanischen Antrieb durch den Scanner 72 ab, wobei sie jedoch mit der Körperfläche des Patienten 57 in Berührung steht. Demzufolge stellt der Monitor 79 in der »C«-Betriebsart ein Bild dar, welches in der Tiefe Dz in Richtung der Z-Achse innerhalb einer Fläche oder Zone gelegen ist, die durch die Länge Dy in Richtung der

jn V-Achse, die durch die Sektorabtastung gegeben ist, bei einem Ablenkwinkel θ und durch die Länge Dx in Richtung der X-Achse definiert ist

Es sei nun die Tiefeneinstellschaltung 76 für die »C«-Betriebsartendarstellung betrachtet Bei den herkömmlichen Verfahren wird die Sonde in Wasser eingetaucht, welches in einem flexiblen Sack enthalten ist, der auf die Körperfläche aufgelegt wird. Die von der Ultraschallsonde abgestrahlte Ultraschallwelle pflanzt sich durch das Wasser hindurch zum Körper des Patienten fort Dies bedeutet, daß die Sonde nicht direkten Kontakt mit der Körperfläche hat Aus diesem Grund kann, wenn die Sonde horizontal beweglich wird, die Tiefe unabhängig von der Unebenheit der Körperfläche eingestellt werden. Daher wird die Ortungsobjektebene, die in der »C«-Betriebsart dargestellt werden soll, im gleichen Abstand von der Sonde gehalten, und zwar ungeachtet der Lage der Sonde mit dem Ergebnis, daß auch die Zeit konstant gehalten wird, die von der Aussendung der Ultraschallwelle bis zum

so Rückkehren der Reflexionswelle verstreicht Als Folge kann die Torsteuerschaltung so ausgelegt werden, daß nach der Zeit 2 W/C (W: Abstand zwischen der Sonde und der Ortungsobjektebene, C: Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle in einem Körper) die

Torsteuerschaltung für eine Einstellzeit geöffnet ist

Andererseits gelangt bei dem Ultraschalldiagnosegerät nach der Erfindung ein Kontakt oder Berührungsverfahren zur Anwendung, bei welchem die Sonde 71 direkt mit der Körperfläche in Berührung gebracht wird. Die Sonde 71 bewegt sich daher in Richtung der Z-Achse, wie dies durch den Pfeil B angezeigt ist, entlang der Körperfläche über der Ortungsobjektebene S, die innerhalb des Körpers des Patienten untersucht werden soll, wobei die Gestalt der Körperfläche abgefahren wird, wie dies in F i g. 9 veranschaulicht ist Der Abstand zwischen der Sonde 71 und der Ortungsobjektebene S verändert sich daher mit der Bewegung der Sonde 71. Beispielsweise ist in F i g. 9 die

Tiefe Dz ι von der Körperßäche an der Stelle I zur Ortungsobjektebene Sum »««tiefer als die Tiefe Dz2 an der Steile II, d.h. Dzi = Dz\ — a. Daher muß bei der Tiefeneinstellung der Unterschied »a«, der aus der Bewegung der Sonde 71 resultiert, korrigiert werden. Nimmt man an, daß der Punkt I in Fig.9 als Bezugspunkt definiert ist, und daß die Tiefe von der Sonde 71 zur Ortungsobjektebene 5 dem Abstand D entspricht, so muß die Erzeugung des Torsteuersignals S^ (F ig. 10B) durch die Tiefeneinstellschaltung 76 zur Torsteuerschaltung 78 um 2D/C hinter den Zeitpunkt der Erzeugung des Sendeimpulses Ss (Fig. 10A) verzögert werden. An der Stelle Il wird die Erzeugung des Torsteuersignals Sg (Fig. 10C) gegenüber dem Zeitpunkt der Erzeugung des Sendeimpulses Ss (F i g. 10A) um 2(D- a)/C verzögert.

Da weiter das Sektorabtastverfahren beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung realisiert wird, ändert sich der Abstand zwischen der Sonde 71 und der Ortungsobjjktebene S mit der elektrischen Ablenkung des Ultra¹, -hallstrahls UB, wie dies in F i g. Il gezeigt ist. Die Tiefeneinstellschaltung 76 muß daher die Fähigkeit haben, die Abstandsänderung zu kompensieren. Wenn speziell die Ultraschallwelle UB in einer Richtung Q senkrecht zur Ortungsobjektebene S abgestrahlt wird, muß die Erzeugung des Torsteuersignals Sg (F i g. 12B) gegenüber dem Sendeimpuls Ss (Fig. 12A) um 2D/C verzögert werden. Wenn die Richtung des Ultraschallstrahls UBgegenüber der Ortungsobjektebene Seinen Neigungswinkel von θ hat, wie dies durch Ci angezeigt ist, so muß die Erzeugung des Torsteuersignals Sg (Fig. 12C) gegenüber dem Sendeimpuls Ss um 2D/C sin θ verzögert werden.

Wenn gemäß Fig. 13 die Ortungsobjektebene S in einer Tiefe D von der Körperfläche aus gerechnet und zwsr vom Bezugspunkt I aus eingestellt wird, um die Ortungsobjektebene S zu beobachten, wird das Torsteuersignal zur Verarbeitung des reflektierten Signals, welches an der Stelle II empfangen wird, gegenüber dem Sendeimpuls Ss um r(a, Θ) verzögert werden.

r («,«) = 2(D-<0/C sin«.

Wenn jedoch die Sonde 71 in einen Winkel « gegenüber einer Richtung SR senkrecht zur Sektorebene SF geschwenkt wird, muß der Torsteuerimpuls (F i g. 15B) gegenüber dem Sendeimpuls (F i g. 15A) um 2D/C0S « verzögert werden. Die Gleichung (1) läßt sich daher wie folgt umschreiben:

C sin θ cos ν

Als Folge muß die Einstellschaltung 76 so eingestellt werden, daß sie einen Impuls mit einer Zeitverzögerung ν als Torsteuersignal für die Torsteuerschaltung 78 erzeugt

Wie erläutert wurde, wird erfindungsgemäß die Ultraschallsonde für eine sektorförmige Abtastung verwendet; die Abtastweite wird durch Einstellen eines Ablenkwinkels des Sektors eingestellt; der Scanner bewegt die Sonde in Berührung mit der Körperfläche eines Patienten über einen Ortungsobjektbereich. Es besteht daher nicht mehr die Forderung nach einem Wassersack, wie dies bei dem herkömmlichen Gerät der Fall ist Die Abtastweite der Sonde kann richtig eingestellt werden, indem man einfach den Ablenkwinkel des Sektors einstellt. Darüber hinaus wird die Sonde in fester Berührung mit der Körperfläche angewendet, so daß dadurch eine gute Bildqualität erzielt wird.
Die Fig. 16A bis 16F zeigen einen Satz von

■-, Weilenformen an den jeweiligen Stellen in der Schaltung der Fig.7. Die Fig. 16A zeigt eine Wellenform einer Ultraschallwelle, bei welcher PX einen Impuls angibt, der von der Impulsgeneratorschaltung 75 erzeugt wird und wobei P2 ei..

in Ultraschallechosignal angibt, welches von innerhalb des Körpers reflektiert wurde. Die Fig. 16B zeigt ein Inipulssignal zur Steuerung der zeitlichen Einstellung der Einschaltung der Sonde 71, d. h. ein Systemsynchronisationsimpulssignal. Die Abtastung be-

Ii ginnt an der Hinterflanke des Impulses der Fig. 16B. Die Fig. 16C bis 16F zeigen Wellenformen an der betreffenden Stelle der Tiefeneinstellschaltung 76.

Die Einzelheiten der Tiefeneinstellschaltung 76 sollen nunmehr unter Hinweis auf Fig. 17 erläutert werden.

2i) Wie gezeigt, ist die Sonde 71 mit drei Armen 91 bis 93 ausgestattet, die gleichmäßig angeordnet sind und eine Länge /ι bis A besitzen. Die Arme 91 bis 93 sind jeweils mit Seilrollen 94 bis 96 ausgestattet. Die Sinus-Kosinus-Potentiometer 97 bis 99 erfassen Winkelbewegungen

2-ϊ der Arme 91 bis 95 und wandeln diese in entsprechende elektrische Signale um. Das Potentiometer 97 erzeugt ein Signal, welches einen Winkel «i wiedergibt; das Potentiometer 98 erzeugt ein Signal, welches einen Winkel «2 angibt; und das Potentiometer 99 erzeugt ein

ü) Signal entsprechend einem Winkel α. Die Potentiometer 97 bis 99 sind über Bewertungswiderstände 100 bis 102 mit einem ersten Operationsverstärker 103 verbunden. Der Operationsverstärker 103 summiert die Sinus-Signale der Potentiometer 97 bis 99 und erzeugt

j-j ein Summensignal, welches direkt proportional zu dem Wert /7, sin «ι-I-/2 sin «2+ /3 sin «) ist. Die Summensignalspannung V₁ stellt die Tiefendifferenz »a« dar. Der Ausgangsanschluß des Verstärkers 103 ist mit einem ersten Eingangsanschluß eines zweiten ODerationsver-

4(i stärkers 105 über einen Widerstand 104 verbunden. Der erste Eingangsanschluß besteht aus einem Schleifkontakt oder Anschluß eines veränderbaren Widerstandes (I) 119 zur Einstellung der Spannung Vq welche die

Bezugsdiagnosetiefe D wiedergibt. Der z^dte Ein-

■4> gangsanschluß des Verstärkers 105 ist mit Masse oder Erde verbunden. Der Verstärker 105 erzeugt eine Ausgangssignalspannung (Vq- V₁), die eine Tiefendifferenz (D- a) wiedergibt (siehe F i g. 16C). Das Ausgangssignal gelangt zu einer Multiplizierschaltung 119.

■50 Das Potentiometer 99 ist auch mit einem dritten Operationsverstärker 107 verbunden, der seinerseits ein Ausgangssignal des Potentiometers 99 in ein cos «-Signal umwandelt Das cos «-Signal wird in ein l/cos «-Signal umgewandelt, was mit Hilfe eines Umkehrfunktions-Signalgenerators 108 geschieht Das 1 /cos «-Signal gelangt zu der Multiplizierschaltung 119. Ein sin Θ-Signal gelangt über einen Umkehrfunktionsgenerator 108 zu dem Multiplizierer 119. Der Multiplizierer 119 erzeugt daher ein Produktsignal von 3 Signalen, d. h.

ein Signal

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sin θ ■ cos λ

(Fig. 16D). Die Multiplizierschaltung 119 ist mit dem ersten Eingangsanschluß einer Vergleichsstufe 110 verbunden. Der zweite Eineanesanschluß der Ver-

gleichsstufe 110 ist mit einem Zeitbasis-Bezugssignal Vref(F ig. 16E) verbunden.

Der Bezugssignalgenerator besteht aus zwei Operationsverstärkern 113 und 114. Der Operationsverstärker 113 ist mit de Ji ersten Eingangsanschluß mit festem Signalpotential über einen Widerstand 115 verbunden. Eine Kapazität 116 ist zwischen den ersten Eingangsanschluß und den Ausgangsanschluß des Verstärkers 113 geschaltet und ist weiter mit einem Transistor 118 verbunden, um das Ausladen und Entladen der Kapazität 116 zu steuern. Der Transistor 118 wird durch den Systemsynchronisierimpuls des Abtastreglers 74 eingeschaltet Das Ausgangssigna] des Verstärkers 113 gelangt wie das Signal V^ zu einer Vergleichsstufe 110, und zwar über einen Operationsverstärker 114, der als Gleichspannungswert-Einstelleinrichtung dient.

Die Vergleichsstufe 110 vergleicht das Signal

sin θ ■ cos λ

mit dem Bezugssignal V_n* Wenn diese Spannungen gleich sind, erzeugt die Vergleichsstufe ein Ausgangssignal, welches zu einem monostabilen Multivibrator 111 gelangt Als Antwort auf dieses Signal erzeugt dei Multivibrator 111 ein impulsförmiges Signal, welche: um τ (a, θ, α) verzögert ist (F i g. 16F). Eine Torsteuerschaltung 78 wird durch das Impulssigna] des Multivibrators 111 gesteuert Die Impulsbreite des Impulssignals des Multivibrators Ul kann richtig auf irgendeinen gewünschten Wert mit Hilfe eines Volumeneinstell-Widerstandes 112 eingestellt werden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Diagnosegerät, bestehend aus einer Ultraschallsonde, um entsprechend einer sektorförmigen Abtastung eine Ultraschallwelle bzw. Ultraschallimpuls in einen zu untersuchenden Körper zu strahlen und die Reflexionswelle von dem Körper zu empfangen, wobei die Ultraschallsonde mehrere elektromechanische Wandlerelemente enthält, aus einem Scanner zur mechanischen Bewegung der Ultraschallsonde, einer Einrichtung zur Erzeugung eines Impulses zum Treiben der Wandlerelemente, aus einem Abtastregler zur Regelung der Impulserzeugung der Einrichtung und der Impulsphase, zur '=, Änderung der Richtung der von den Wandlerelementen ausgesendeten Ultraschallwelle, aus einer Detektoreinrichtung zur Peststellung der Lage der Ultraschallsonde, aus einer Tiefen-EinstelJeinrichtung run Erzeugen eines Impulses der die Diagnosstiefe einer Ortungsobjektebene (F) in dem betreffenden Körper angibt, einer an die Wandlerelemente gekoppelten Einrichtung zur Ableitung eines C-Betriebsarten-Bildsignals aus der reflektierten Ultraschallwelle in Abhängigkeit von dem Ausgangsimpuls der Tiefeneinstelleinrichtung und aus einer Anzeigeeinrichtung zur Anzeige des C-Betriebsarten-Bildsignals, dadurch gekennzeichnet, daß der Scanner (72) die Ultraschallsonde (71) auf der Fläche des zu untersuchenden m Körpers (57) bewegt, und daß die Tiefeneinstelleinrichtung (/6) Komponenten enthält, um Änderungen des Abstands zwischen der 'Jltraschallsonde (71) und der Ortungsobjektehene (F) aufgrund einer Richtungsänderung (C₁, P₂) de Ultraschallwelle zu kompensieren, ebenso eine Änderung des Abstands aufgrund einer Unebenheit der Fläche des Körpers (57) und eine Änderung des Abstandes aufgrund der Neigung der Ultraschallsonde (71) gegenüber der Achse senkrecht zur Ortungsobjektebene (F) zu kompensieren.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefeneinstelleinrichtung (76) aus tiner Einstelleinrichtung (106) zum Einstellen der Diagnosetiefe einer Ortungsobjektebene (F) in dem zu untersuchenden Körper (57) und aus einer Kompensationseinrichtung (91 — 105, 107—119) für die Kompensation einer Abstandsänderung der Sonde (71) zur Ortungsobjektebene (F) aufgrund einer Richtungsänderung der Ultraschallwelle, einer An- % derung der Tiefe bzw. des Abstandes der Sonde zur Ortungsobjektebene (F) aufgrund einer Unebenheit der Körperfläche, und einer Abstandsänderung zwischen Sonde (71) und Ortungsobjektebene (F) aufgrund einer Neigung der Achse der Sonde durch ^ Unebenheit der Körperfläche, besteht

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (106) für die Einstellung eines Pegels ausgebildet ist, der die Diagnosetiefe der Ortungsobjektebene (F) am _ho Bezugspunkt der Körperflache angibt, und daß die Einrichtung (91-105,107-119) einen Lagewandler (91 —102, 107) enthalt, um einen Bewegungsbetrag (l\ sin «ι+ /2 sin «2 +/j sin λ) der Sonde (71) in entsprechende elektrische Signale umzuwandeln, die ein Kosinussignal (cos tx) eines Schwenkwinkels (<x) der Sonde (71) umfasse«, weiter einen Operationsverstärker (103) enthält, um die elektrischen Signale zu addieren und ein erstes elektrisches Signal (Va) einer momentanen Diagnosetiefe zu erzeugen, weiter einen zweiten Verstärker (105) enthält, um ein zweites elektrisches Signal (Vd- Va) hinsichtlich der Differenz zwischen dem Einstellpegel (Vd) und dem ersten elektrischen Signal (Va) zu erzeugen, weiter einen ersten Funktionsgenerator (108) zur Umwandlung des Kosinussignals (cos ot) in ein invertiertes Kosinussignal

V cos λ J '

einen zweiten Funktionsgenerator (109) für die Erzeugung eines invertierten Sinussignals

V sin θ J

eines Sektorabtastwinkels (Θ), der zwischen dem Ultraschallstrahl und der Ortungsobjektebene (F) eingeschlossen wird, einen Bezugssignalgenerator (113—118) zur Erzeugung eines Zeitbasis-Bezugssignals (VrefX eine Multiplizierschaltung (119) zum Multiplizieren des zweiten elektrischen Signals (Vd- Va^mitdem invertierten Kosinussignal

\ cos λ /

und dem invertierten Sinussignal

\i\nti)

zur Erzeugung eines das Produkt

sin ti ■ cos \

wiedergebenden Ausgangssignals, eine Vergleichsstufe (UO) zum Vergleichen des Ausgangssignals entsprechend dem Produkt mit dem Zeitbasis-Bezugssignal (Vref) und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, wenn der Pegel des genannten Ausgangssignals gleich ist demjenigen des Bezugssignals, und einen Multivibrator (111) enthält, um nach Empfang des Ausgangssignals der Vergleichsstufe (UO) ein Torsteuerimpulssignal zu erzeugen, wobei der Multivibrator (111) mit der Einrichtung (78) gekoppelt ist.

4. Gerät nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ultraschallsonde (71) für eine sektorförmige Abtastung eines Ultraschallstrahls, wobei die Ultraschallsonde (71) mehrere Wandlerelemente enthält, um den Ultraschallstrahl abzustrahlen und den davon resultierenden Reflexionsstrahl zu empfangen, um ein elektrisches Signal zu erzeugen durch eine Impulsgeneratoreinrichtung (75) zum Erzeugen von Impulsen mit einer vorbestimmten Phasenverschiebung zum Antreiben der Wandlerelemente, die den Ultraschallstrahl in Form eines sektorförmigen Abtastmusters abstrahlen; durch eine Abtaststeuereinrichtung (74) zur Steuerung der Phasenverschiebung der in der Impulsgeneratoreinrichtung (75) erzeugten Impulse; durch eine Detektoreinrichtung (73) zur Feststellung des Ausmaßes einer Tiefenver-

Schiebung zwischen der Wandlereinrichtung, die an einer Bezugsstellung auf der Körperfläche gelegen ist und einer Ortungsobjektebene (F), wobei die Verschiebung aus der Unebenheit der Körperfläche bei Bewegen des Ultraschallwandlers durch die mechanische Abtasteinrichtung resultiert und wobei der Sektorabtastwinkel (Θ) zwischen dem Ultraschallstrahl (UB) und der Ortungsobjektebene (F) eingeschlossen ist, und wobei ein Ablenkwinkel (α) der Wandlereinrichtung gegenüber einer Richtung senkrecht zur Sektorabtastebene (SF) definiert ist und der Abtastwinkel (pt) aus der Unebenheit der Körperfläche resultiert; durch eine Tiefeneinstelleinrichtung (76) zur Erzeugung eines Impulses entsprechend der Diagnosetiefe der Ortungsobjektebene in 1 > dem betreffenden Körper und mit Kompensationsmitteln zur Kompensation von Änderungen in der Diagnosetiefe entsprechend der folgenden Gleichung: