DE2848870A1

DE2848870A1 - Echographiegeraet

Info

Publication number: DE2848870A1
Application number: DE19782848870
Authority: DE
Inventors: Jacques Dory
Original assignee: CGR Ultrasonic SA
Current assignee: CGR Ultrasonic SA
Priority date: 1977-11-23
Filing date: 1978-11-10
Publication date: 1979-06-13
Also published as: FR2410287B1; JPS5829093B2; GB2012048B; FR2410287A1; DE2848870C2; GB2012048A; US4281661A; JPS5490884A

Description

Firma C.G.R. ULTRASONIC, 77102 Meaux (Frankreich)

Echographiegerät

Die Erfindung bezieht sich auf ein Echographiegerät nach Gattungsbegriff, wie es für medizinische Zwecke Anwendung findet. Ein solches weist einen Ultraschallübertrager auf, der durch eine in einer Kammer enthaltene Ankoppelungsflüssigkeit hindurch ein innerhalb eines Winkelsektors in rascher Folge verlagertes Ultraschallstrahlenbündel gegen das zu untersuchende Objekt aussendet.

Ein derartiges Echographiegerät bildet den Gegenstand einer parallelen Patentanmeldung der gleichen Anmelderin, die sich von der französischen Patentanmeldung 77 35201 vom 23. Nov. 1977 mit dem Titel "Appareil d'examen echographique a miroir osculant destine au diagnostic medical" herleitet und auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.

Herkömmlicherweise verwendete man als Ankoppelungsflüssigkeit Wasser. Der Erfinder hat demgegenüber festgestellt, daß unerwartete Vorteile daraus resultieren, daß man als Ankoppelungsflüssigkeit eine solche nimmt, in welcher die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls ziemlich verschieden von derjenigen in Wasser, d.h. beträchtlich geringer ist.

Dieses Erfindungsmerkmal verträgt sich besonders gut mit der Verwendung einer Kammer, deren Wand am Austritt des Ultraschalls konvex ausgebildet ist, um eine gewisse Fokussierung des Strahlenbündels zu erreichen.

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Ist das erfindungsgemäße Gerät ein solches, bei welchem eine Anzeige vom sog. Typ B erfolgt, so sieht die Erfindung darüberhinaus vor, die elektronische Steuerschaltung für die Strahlablenkung der betreffenden Kathodenstrahlröhre derart arbeiten zu lassen, daß die Spur des Kathodenstrahls auf dem Bildschirm absolut homothetische Positionen mit denen des in das zu untersuchende Objekt ausgesandten Ultraschallstrahlenbündels einnimmt.

Nachfolgend ist ein derartiges bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur derselben zeigt schematisch ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Echographiegeräts vom Typ B.

In der Praxis ist das Gerät, abgesehen von den elektronischen Schaltkreisen, zweckmäßig von der gleichen Art, wie in obengenannter paralleler Patentanmeldung beschrieben. D.h. es enthält einen durch einen Motor 5 in Schwingungen versetzten Spiegel, der das von einem Übertrager 3 ausgehende Ultraschallstrahlenbündel reflektiert. Ein zusätzliches, mit dem Spiegel mitbewegliches reflektierendes Organ auf der Schwenkachse des Spiegels wirkt mit einem HilfsÜbertrager (44 in der parallelen Anmeldung) zusammen, um gegenüber den ausgesandten Ultraschallimpulsen um ein Zeitintervall verschobene Impulse zu erzeugen, deren Länge bis auf eine Konstante dem Wert sin i entspricht, wobei i der Winkel ist, den der Spiegel mit einer vertikalen Bezugsebene einschließt, d.h. letztlich der Einfallswinkel des Ultraschallstrahlenbündels in bezug auf die Membran. Vor Passieren der Membran legen die Ultraschallimpulse eine Strecke von der Größe d cos i in der Ankoppelungsflüssigkeit innerhalb des Gerätegehäuses zurück.

Die Erfindung findet indessen Anwendung in einem Fall, bei dem die mechanische Verwirklichung der Verlagerung des Ultraschallstrahlenbündels verschieden ist von der in der genannten parallelen Anmeldung beschriebenen. Wie gesagt, findet erfindungsgemäß eine Ankoppelungsflüssigkeit Verwendung, in welcher die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls, Cl, wesentlich geringer ist als

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diejenige in dem zu untersuchenden Objekt, C2. Hieraus resultiert eine Brechung des Ultraschallstrahlenbündels an der Grenzfläche. Dementsprechend tritt das Strahlenbündel in das zu untersuchende Objekt unter einem Neigungswinkel r gegenüber einer Normalen auf der Membran ein, der sich bestimmt nach der Formel

sin r = η sin i,
wobei η = C2/C1 ist.

Dementsprechend ergibt die Steuerschaltung für die Strahlablenkung der Kathodenstrahlröhre, wie sie in der erwähnten parallelen Anmeldung beschrieben ist, keine beständig homothetische Aufzeichnung für das ausgesandte Ultraschallstrahlenbündel. Eine solche kann jedoch auf einfache Weise folgendermaßen erreicht werden:

Der Speicher 19 nach Fig. 3 der parallelen Anmeldung wird so programmiert, daß er an seinem Ausgang 191 den Wert Cl cos i bzw. C2 cos r liefert,je nachdem, ob es sich um den Ultraschallimpuls vor oder hinter der Membran handelt. Darüberhinaus erhält er einen weiteren Ausgang, der anstelle des Ausgangs des Zählers 15 mit dem Integrator 20 verbunden wird, so daß er unter den gleichen Bedingungen den Wert Cl sin i bzw. C2 sin r liefert. Die Umsteuerung des Speichers, um das eine oder das andere Wertepaar zu liefern, erfolgt durch die am Austritt des Vergleichers 22 erscheinenden Impulse.

Die Geschwindigkeitskomponenten des Ultraschallstrahlenbündels vor der Brechung sind Cl cos i und Cl sin i, während diejenigen nach der Reflexion, die dann erfolgt, wenn der Vergleicher 22 einen Impuls liefert, C2 cos r und C2 sin r sind.

Demgegenüber verdient jedoch eine Variante den Vorzug, die nachfolgend im einzelnen beschrieben ist:

009824/062? '^Λ

C?

Ein Impulsgenerator 6, der aufeinanderfolgende elektrische Impulse liefert, steuert damit einen Hochfrequenzgenerator 7, der den Übertrager 3 beaufschlagt. Dieser überträgt die empfangenen Echoimpulse auf die Steuerelektrode der Kathodenstrahlröhre 9 vermittels eines Verstärkers 8.

Der HilfsÜbertrager 44, der demjenigen aus der parallelen Anmeldung entspricht, wird von dem Impulsgenerator 6 über einen Verstärker 10 beau_3chlagt und überträgt die von dem zusätzlichen reflektierenden Organ 43 der parallelen Anmeldung stammenden Echoimpulse über einen Verstärker 11 auf eine Kippschaltung 12. Die von dieser durch den Impulsgenerator 6 angesteuerten Kippschaltung stammenden Impulse besitzen eine Breite, die proportional ist dem Wert sin i. Sie werden von einem Integrator 26 in Sägezahnimpulse mit konstanter Steigung verwandelt, deren Breite derjenigen der Impulse aus der Kippschaltung entspricht. Die Amplitude der Sägezahnimpulse ist proportional dem Wert sin i und wird von einem Scheitelwertdetektor 27 erfasst, der eine mit einem jeden ausgesandten Impuls treppenförmig ansteigende Gleichspannung liefert. Diese treppenförmige Gleichspannung wird von einem Differenzverstärker 18 mit einem sägezahnförmigen Bezugsspannungssignal aus einem Generator 17 verglichen, bei dem Frequenz, Amplitude und Gleichspannungskomponente steuerbar sind. Die aus dem Verstärker 18 stammende Differenzspannung dient zur Steuerung des Motors 5, wie dies in der parallelen Anmeldung beschrieben ist.

Die Treppenspannung vom Scheitelwertdetektor 27 beaufschlagt einen umsteuerbaren Multiplikationsschaltkreis 28, der durch ein Signal an seinem Eingang 281 gesteuert wird und, je nachdem ob dieses Signal anwesend ist oder nicht, eine Spannung proportional

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dem Wert Cl sin i bzw. C2 sin r = C2 /Cl sin i liefert, d.h. zweier-

2 lei Spannungen, die zueinander im Verhältnis η stehen. Dieser Multiplikationsschaltkreis kann demnach in einfacher Weise als Widerstandsbrückenschaltung ausgebildet sein, bei welcher ein Widerstand mit der Umsteuerung kurzgeschlossen wird.

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Die genannten Spannungen werden einem Formungsschaltkreis übermittelt, der dazu dient, sie in ein Cosinussignal tiberzuführen, und zu diesem Zweck einen Verstärker 29 aufweist, der einen normalen Ausgang in Verbindung mit einem Analog-Digital-Umsetzer 32 vermittels einer Diode 30 sowie einen invertierten Eingang aufweist, der mit dem Analog-Digital-Umsetzer 32 über eine Diode 31 in Verbindung steht.

Da der Winkel i maximal zwischen -90° und +90° variiert, genügt zur Bestimmung des Cosinus der Absolutwert des Sinus, der hierzu einem Speicher für wahlfreien Zugriff zugeführt wird.

Die Spannungssignale vom Wert Cl sin i und C2 sin r aus dem Multiplikationsschaltkreis 28 gelangen über einen Integrator 20, der an einem Eingang 201 Synchronisationsimpulse aus dem Impulsgenerator 6 erhält, auf die vertikalen Ablenkplatten Y der Kathodenstrahlröhre 9, während die Spannungssignale vom Wert Cl cos i und C2 cos r aus dem Formungsschaltkreis über einen Integrator auf die horizontalen Ablenkplatten X der Röhre gegeben werden. Der Integrator 21 erhält an seinem Eingang 211 gleichfalls die Synchronisationsimpulse aus dem Impulsgenerator 6. Beide Integratoren liefern Spannungen, die den Werten Cl t cos i und Cl t sin i einerseits bzw. C2 t cos r und C2 t sin r andererseits proportional sind, so daß der Kathodenstrahl eine Ablenkung erfährt, die durchwegs der Winkelposition des Ultraschallstrahlenbündels hinter der Membran entspricht.

Das für den Multiplikationsschaltkreis 28 erforderliche Umsteuerungssignal wird von einem Vergleicher 34 erhalten, der die Ausgangsspannung des Integrators 21 mit einer Spannung vergleicht, die einem der Strecke d entsprechend einstellbaren Potentiometer 35 entstammt.

Die Auswahl einer Ankoppelungsflüssigkeit, in welcher die Fortpflanzungsgeschwindigkeit Cl des Ultraschalls beispielsweise dem

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Durchschnittswert derjenigen in Betracht kommender biologischer Gewebe entspricht, bereitet dem Fachmann keine Schwierigkeiten. Beispielsweise können gewisse im Handel erhältliche fluorhaltige Flüssigkeiten Verwendung finden. Ihre Dichte beträgt etwa das Doppelte derjenigen von Wasser, während ihre akustische Impedanz ganz in der Nähe derjenigen von Wasser liegt. Ihr Ultraschallabsorptionskoeffizient, der im allgemeinen sehr niedrig ist, kann durch Zugabe von fluorhaltigen Fetten erhöht werden, ohne damit die anderen Parameter merklich zu beeinflussen.

Auf Grund der Verwendung einer Ankoppelungsflüssigkeit mit geringerer Ultraschallfortpflanzungsgeschwindigkeit als derjenigen in dem zu untersuchenden Objekt kann man dem Gehäuse des Aufnahmekopfes geringere Abmessungen geben (beispielsweise halb so große) als im Falle der Verwendung von Wasser als Ankoppelungsflüssigkeit und dennoch der Bedingung Rechnung tragen, daß die Laufzeit des Ultraschalls in der Ankoppelungsflüssigkeit größer sein soll als diejenige in dem zu untersuchenden Objekt. Mit letzterem wird erreicht, daß parasitäre Echoimpulse aus aufeinanderfolgenden Reflexionen an der Membran nach Verlassen der letzteren erst nach Eintreffen der Nutzechoimpulse auftreten.

Die aus der Unterschiedlichkeit der Fortpflanzungsgeschwindigkeiten resultierende Brechung des Ultraschallstrahlenbündels bewirkt i.ü., wenn C2 > Cl ist, daß sich der Öffnungswinkel des für die Untersuchung zur Verfügung stehenden Winkelsektors merklich vergrößert oder andererseits der Schwenkwinkel des Spiegels verringert werden kann. Auf jeden Fall ist das erfindungsgemäße Gerät wesentlich handlicher als ein entsprechendes herkömmliches, was es insbesondere für bestimmte Anwendungen geeignet macht, wie beispielsweise in der Geburtshilfe und der Kardiologie. I.ü. wird für eine gegebene Frequenz die Wellenlänge des Ultraschalls in der Ankoppelungsflüssigkeit geringer als in Wasser, so daß das Strahlenbündel weniger divergiert. Damit verbessert sich die Auflösung, d.h. die Präzision, mit welcher sich eine Untersuchung

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durchführen lässt. Noch weiter kann die Auflösung dadurch gesteigert werden, daß man der Membran eine geeignet berechnete konvexe Gestalt gibt. Auf Grund der unterschiedlichen Fortpflanzungsgeschwindigkeiten des Ultraschalls wirkt die Grenzfläche gleichsam als Diopter, mit dem eine Fokussierung des Ultraschallstrahlenbündels in einer zu der Untersuchungsebene normalen Ebene erreicht wird.

Es verdient noch angemerkt zu werden, daß zur Vermeidung von Bildverzerrungen durch Brechung des Ultraschallstrahlenbündels die Membran starr sein sollte.

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Claims

2755 Patentansprüche:

Echographiegerät mit einem Übertrager zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallimpulsen, einer Ankoppelungsflüssigkeit in einer Kammer, die eine für Ultraschall durchlässige und die Ankoppelungsflüssigkeit von dem zu untersuchenden Objekt trennende Membran aufweist, sowie einer Einrichtung zur Erzeugung einer Ablenkung des von dem Übertrager ausgehenden Ultraschallstrahlenbündels innerhalb eines Winkelsektors, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankoppelungsflüssigkeit eine solche ist, in welcher die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls wesentlich geringer ist als in dem zu untersuchenden Objekt.
2. Echographiegerät nach Anspruch 1 mit einer Kathodenstrahlröhre und einer elektronischen Steuerschaltung für die Strahlablenkung derselben, die Organe zur fortwährenden Angabe der Winkelposition des Ultraschallstrahlenbündels sowie Schaltmittel zur Erzeugung von Steuersignalen für die horizontale bzw. vertikale Ablenkung des Kathodenstrahls in Abhängigkeit von der Winkelposition des Ultraschallstrahlenbündels aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (6, 10 - 12, 20, 21, 26 - 35, 171, 172) des weiteren Schaltmittel (34, 35) zur Bestimmung des Zeitpunkts des Hindurchtritts der ausgesandten Ultraschallimpulse durch die Membran und zur Steuerung der Ablenkung des Kathodenstrahls in der Weise aufweist, daß der Kathodenstrahl sich mit dem in die Ankoppelungsflüssigkeit ausgesandten Ultraschallstrahlenbündel bis zum Augenblick von dessen Hindurchtritt durch die Membran und danach mit dem durch die Membran gebrochenen Ultraschal!strahlenbündel innerhalb des zu untersuchenden Objekts homothetisch verhält.

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3. Echographiegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eine zum Inneren der Kammer hin konvexe Form besitzt derart, daß damit eine Fokussierung des in das zu untersuchende Objekt austretenden Ultraschallstrahlenbündels erreicht wird.

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