DE2848870C2

DE2848870C2 - Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät zur Untersuchung menschlichen oder tierischen Körpergewebes

Info

Publication number: DE2848870C2
Application number: DE2848870A
Authority: DE
Inventors: Jacques 77100 Meaux Dory
Original assignee: CGR ULTRASONIC VILLENOY-LES-MEAUX FR
Current assignee: CGR ULTRASONIC VILLENOY-LES-MEAUX FR
Priority date: 1977-11-23
Filing date: 1978-11-10
Publication date: 1983-04-28
Also published as: US4281661A; GB2012048A; JPS5829093B2; FR2410287A1; JPS5490884A; GB2012048B; DE2848870A1; FR2410287B1

Description

2. Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- "to schaltung (6, 10—15, 19) einen programmierbaren Speicher (19) mit einem Steuereingang aufweist, der

in digitaler Form die erwähnten ersten Steuersignale liefert, solange der Steuereingang unbeaufschlagt ist, während er die erwähnten zweiten Steuersignale «5 liefert, wenn der Steuereingang beaufschlagt ist (F ig. 3).

3. Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (6, 10—12, 26, 27) einen umschaltbaren Multiplizierer (28) mit einem Steuereingang aufweist, der ein dem Produkt der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in der Ankoppelungsflüssigkeit mit dem Sinus des Ablenkwinkels des Ultraschallstrahlenbündels in der Ankoppelungsflüssigkeit mit dem Sinus des Ablenkwinkels des Ultraschallstrahlenbündels in der Ankoppelungsflüssigkeit proportionales erstes Analogsignal liefert, solange der Steuereingang unbeaufschlagt ist, und ein dem Produkt der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in dem zu untersuchenden Körpergewebe mit dem Sinus des Ablenkwinkels des Ultraschallstrahlenbündels in dem Körpergewebe proportionales zweites Analogsignal, wenn der Steuereingang beaufschlagt ist, und daß dem Multiplizierer Schaltmittel (29—33) zur Gewinnung eines dem Produkt der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in der Ankoppelungsflüssigkeit mit dem Cosinus des Ablenkwinkels des Ultraschallstrahlenbündels in der Ankoppelungsflüssigkeit proportionalen dritten Analogsignals aus dem ersten Analogsignal und eines dem Produkt der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in dem zu untersuchenden Körpergewebe mit dem Cosinus des Ablenkwinkels des Ultraschallstrahlenbündels in dem zu untersuchenden Körpergewebe proportionalen vierten Analogsignals aus dem zweiten Analogsignal (4) nachgeschaltet sind.

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall- Echo-Sektorabtastgerät gemäß Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches Gerät ist aus der DE-OS 27 10 038 bekannt. Die Verwendung einer Ankoppelungsflüssigkeit mit wesentlich geringerer Ultraschall-Fortpflanzungsgeschwindigkeit als derjenigen von Wasser — welches beispielsweise nach dem Hauptpatent als Ankoppelungsflüssigkeit Verwendung findet — und damit auch derjenigen des zu untersuchenden Körpergewebes, bietet den Vorteil, daß der Abtastkopf kleiner gehalten werden kann, ohne daß die Gefahr besteht, daß parasitäre Echoimpulse aus Reflexionen an der Membran innerhalb des Bereiches der Nutzechoimpulse auftreten. Zugleich vergrößert sich der Öffnungswinkel des für die Abtastung zur Verfügung stehenden Winkelsektors im Vergleich zum Schwenkwinkel der Ablenkeinrichtung, was wiederum der Miniaturisierung des Abtastkopfes zugute kommt. Eine solche Verkleinerung dos Abtastkopfes macht das betreffende Gerät beispielsweise für eine Anwendung in der Geburtshilfe und der Kardiologie besonders geeignet. Zudem wird infolge der kürzeren Wellenlänge innerhalb der Ankoppelungsflüssigkeit erreicht, daß das in das zu untersuchende Gewebe ausgesandte Ultraschallstrahlenbündel weniger divergiert und damit die Auflösung verbessert wird.

Dagegen tritt in diesem Falle das Problem auf, daß der Kathodenstrahl der Anzeigeröhre nicht mehr jederzeit homothetische Positionen zu denjenigen des Ultraschallstrahlenbündels einnimmt, das ja an der Stelle seines Hindurchtritts durch die Membran eine Brechung erfährt. Damit würde die Abbildung des untersuchten Objekts verzerrt.

Ausgehend von einem Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät nach Gattungsbegriff liegt der Erfindung dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine solche Verzerrung zu vermeiden, d. h. Mittel und Wege anzugeben, um der Brechung des Ultraschallstrahlenbündels beim Übertritt zwischen Ankoppelungsflüssigkeit und Körpergewebe in der Weise Rechnung zu tragen, daß der Kathodenstrahl dennoch homothetisch dem in das untersuchte Körpergewebe hinein ausgesandten Ultraschallstrahlenbündel folgt.

Diese Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die betreffende Umschaltung bewirkt eine Veränderung des Maßes der Ablenkung, die der Kathodenstrahl erfährt in dem Augenblick, in dem ein ausgesandter Ultraschallimpuls die Membran passiert, in einer Weise, die der Brechung des Ultraschallstrahlenbündels an dieser Stelle entspricht.

Die Ansprüche 2 und 3 geben zwei Ausführungsbeispiele für die betreffende Steuerschaltung an, von denen

die eine digital und die andere analog arbeitet. Solche Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Figuren genauer beschrieben. Hierbei zeigt

F i g. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch den Abtastkopf eines erfindungsgemäßen Geräts, wie er u. a. den Gegenstand des Hauptpatents bildet,

F i g. 2 eine Vorderansicht des gleichen Abtastkopfes,

F i g. 3 ein schematisiertes Schaltbild der zugehörigen Steuerschaltung in einer ersten Ausführungsform, bei der das Problem der wechselnden Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls innerhalb und außerhalb des Abtastkopfes gemäß Anspruch 2 auf digitalem Wege gelöst ist, und

Fig.4 ein ebensolches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Steuerschaltung, bei der das genannte Problem gemäß Anspruch 3 mit analogen Schaltmitteln gelöst ist.

Nach den Fig. 1 und 2 befinden sich in einem durch eine Membran 2 abgeschlossenen Gehäuse 1 ein Übertrager 3 sowie als Ablenkmittel für das betreffende Ultraschallstrahlenbündel ein durch einen Motor 5 in Schwingungen versetzter Spiegel 4. Ein mit dem Spiegel 4 mitbewegliches reflektierendes Metallblättchen 43 auf der Schwenkachse 41 des Spiegels wirkt mit einem HilfsÜbertrager 44 zusammen, um gegenüber den ausgesandten Ultraschallimpulsen um ein Zeitintervall verschobene Impulse zu erzeugen, dessen Länge bis auf eine Konstante dem Wert sin /entspricht Dabei ist /der Winkel, den der Spiegel 4 mit einer vertikalen Bezugsebene (F i g. 2) einschließt, d. h. letztlich der Einfallswinkel des Ultraschallstrahlenbündels in bezug auf die Membran 2. Vor Passieren der Membran legen die Ultraschallimpulse eine Strecke von der Größe d/cos /in der Ankoppelungsflüssigkeit zurück.

Die Ankoppelungsflüssigkeit ist nun, wie gesagt, von solcher Art, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit C1 des Ultraschalls in ihr wesentlich geringer ist als diejenige, C2, in dem zu untersuchenden Körper (die in etwa derjenigen in Wasser entspricht). Hieraus resultiert eine Brechung des Ultraschallstrahlenbündels an der Grenzfläche, d. h. an der Membran 2. Dementsprechend tritt das Strahlenbündel in das zu untersuchende Objekt unter einem Brechungswinkel r gegenüber der genannten vertikalen Bezugsebene ein, der sich bestimmt nach der Formel

sin r = π sin i,

mit n= C2/C1.

Um dennoch eine beständig homothetische Aufzeichnung für die reflektierten Ultraschallimpulse zu erreichen, kann die in F i g. 3 angegebene Schaltung Verwendung finden.

Hiernach moduliert ein Impulsgenerator 6 zur Erzeugung aufeinanderfolgender elektrischer Impulse einen Ultraschallfrequenzgenerator 7, der wiederum den Übertrager 3 beaufschlagt. Die davon aufgenommenen Echoimpulse gelangen an einen Empfänger 8, dessen Ausgangssignal die Helligkeitssteuerelektrode der Kathodenstrahlröhre 9 beaufschlagt.

Der HilfsÜbertrager 44 wird von dem Impulsgeneratore über einen Verstärker 10 angesteuert. Die von dem Metallblättchen 43 stammenden Echoimpulse gelangen über einen Verstärker 11 an eine Kippschaltung 12, die einen mit dem Impulsgenerator 6 verbundenen Rückstelleingang besitzt. Infolgedessen liefert die Kippschaltung 12 ein Signal aus Rechteckimpulsen, deren Vorderflanke mit den ausgesandten Ultraschallimpulsen und deren Hinterflanke mit den von dem Metallblättchen 43 stammenden Echoimpulsen zusammenfällt. Somit ist die Breite der Rechteckimpulse proportional dem Wert sin /.

Das Rechteckimpulssignal gelangt an ein Gatter 13, an dessen zweitem Eingang Taktimpulse eines Taktgeneraiors 14 eintreffen. Damit werden diese Taktimpulse während der Dauer eines jeden Rechteckimpulses einem Zähler 15 zugeleitet, der auf diese Weise numerische Werte entsprechend den Werten sin i ίο lieferL Ein Digital-Analog-Umsetzer 16 verwandelt die numerischen Werte in Gleichspannungswerte, mit denen sowohl der Motor 5 als auch die Strahlablenkung der Kathodenstrahlröhre 9 gesteuert wird, wie nachfolgend beschrieben.

Ein Generator 17 liefert ein aus Sägezahnimpulsen bestehendes Spannungssigr.al mit einer beispielsweise zwischen 5 und 10 Hz variablen Frequenz. Mit dem Generator 17 sind zwei Potentiometer, 171 und 172, verbunden, über die sich die Amplitude bzw. die 2i) Gleichspannungskomponente des Sägezahnsignals einstellen läßt Dieses Signal beaufschlagt einen Differenzverstärker 18, dessen zweitem Eingang das Spannungssignal vom Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers 16 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 18 steuert den Motor 5. Eine derartige an sich bekannte Motorsteuerung bestimmt die Winkelposition des Spiegels 4 in jedem Augenblick. Dabei ist die Schwingungsfrequenz des Spiegels zwischen 5 und 10 Hz einstellbar. Die Amplitude des Sägezahnsignals JIi aus dem Generator 17 bestimmt den Öffnungswinkel des von dem Ultraschallstrahl überstrichenen Winkelsektors und die Gleichspannungskomponente die Orientierung der Achse des Strahls in der Abtastebene. Die Steuerschaltung für den Strahlablenkwinkel der j 5 Kathodenstrahlröhre enthält einen programmierbaren Festspeicher 19 in Verbindung mit dem Zähler 15, der drei Ausgänge besitzt und so programmiert ist, daß er, je nachdem, ob ein von dem Übertrager 3 ausgesandter Ultraschallimpuls gerade die Ankoppelungsflüssigkeit oder den zu untersuchenden Körper durchquert, am Ausgang 191 entweder ein Ausgangssignal des Wertes C1 cos / oder ein solches des Wertes C2 cos r und entsprechend am Ausgang 193 entweder ein Ausgangssignal des Wertes CX sin /oder ein solches des Wertes 5 C2s\nr liefert, während am Ausgang 192 ein Ausgangssignal des Wertes l/cos / bzw. 1/cosr erscheint.

Aus den Signalen der Ausgänge 191 und 193 gewinnen Integratoren 21 und 20 Spannungssignale des ■so Wertes CX isin / bzw. C2 f sin r und Cl icos / bzw. C2tcosr, womit die horizontalen und vertikalen Ablenkplatten X und Y der Röhre 9 beaufschlagt werden. Das Signal vom Ausgang 192 des Speichers wird auf einen Vergleicher 22 gegeben, dessen zweiter Eingang das Ausgangssignal eines von einem Taktgenerator 24 betriebenen Zählers 25 empfängt. Der Vergleicher 22 steuert ein Gatter 23, das wiederum den Zutritt der Echosignale aus dem Empfänger 8 zu der Röhre 9 steuert. Des weiteren beaufschlagt der Vergleicher einen Steuereingang de» Speichers 19.

Das Gatter 23 gibt die von dem Empfänger 8 aufgenommenen Echoimpulse nur dann an die Kathodenstrahlröhre 9 weiter, wenn der Taktgenerator 24, der selbst > on dem Impulsgenerator 6 gesteuert wird, eine ^h> dem Wert l/cos / entsprechende Impulszahl geliefert hat. Die Frequenz des Taklgenerators 24 wird entsprechend dem Wert d/CX eingestellt, wobei d der Weg ist, den die ausgesandten Ultraschallimpulse bis

zum Erreichen der Membran 2 durchlaufen müssen, wenn sie einer dazu lotrechten Bahn folgen.

F i g. 4 zeigt gegenüber der vorstehend beschriebenen digitalen Lösung eine solche mit analogen Schaltmitteln.

Dabei entsprechen die Schaltmittel 3—12 sowie 20,21 im wesentlichen denjenigen aus F i g. 3, so daß sich ihre genauere Beschreibung nun erübrigt.

Die von der Kippschaltung 12 erhaltenen Impulse mit einer Breite proportional sin / werden nun von einem Integrator 26 in Sägezahnimpulse mit konstanter Steigung verwandelt, deren Breite derjenigen der Impulse aus der Kippschaltung entspricht. Mithin ist auch die Amplitude der Sägezahnimpulse proportional dem Wert sin i. Sie 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 vorausgehend beschrieben wurde.

Die Treppenspannung vom Scheitelwertdetektor 27 beaufschlagt ferner einen umsteuerbaren Multiplizierer 28, der durch ein Signal an seinem Eingang 281 gesteuert wird und, je nachdem ob dieses Signal anwesend ist oder nicht, eine Spannung proportional dem Wert Ci sin /bzw. C2sin r=C2²/CX sin /liefert, d. h. zweierlei Spannungen, die zueinander im Verhältnis n² stehen. Dieser Multiplizierer kann demnach in einfacher Weise als Widerstandsbrückenschaltung ausgebildet sein, bei welcher ein Widerstand mit der Umsteuerung kurzgeschlossen wird.

Die genannten Spannungen werden einem Formungsschaltkreis übermittelt, der dazu dient, sie in ein Cosinussignal überzuführen, 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 invertierenden Eingang aufweist, der mit dem Analog-Digital-Umsetzer 32 über eine Diode 31 in Verbindung steht

Da der Winkel /maximal zwischen —90° und +90° variiert, genügt zur Bestimmung des Cosinus der Absolutwert des Sinus, der hierzu einem Speicher 33 für wahlfreien Zugriff zugeführt wird.

Die Spannungssignale vom Wert C1 sin / und Cl sin raus dem Multiplikationsschaltkreis 28 gelangen über einen Integrator 20, der an einem Eingang 201 SyRchronisationsimpulsp aus dcrn Impulsgenerator 6 erhält, auf die vertikalen Ablenkplatten Y der Kathodenstrahlröhre 9, während die Spannungssignale vom Wert Ci cos / und C 2 cos r aus dem Formungsschaltkreis über einen Integrator 21 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 wiederum Spannungen, die den Werten Cl t cos / und CX t sin / bzw. C2 t cos r und C2 f sin r proportional sind, so daß der Kathodenstrahl eine Ablenkung erfährt, die durchwegs der

ίο 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 CX des Ultraschalls beispielsweise etwa halb so groß ist wie diejenige in Betracht kommender biologischer Gewebe, 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.

Mit der gewählten Ankoppelungsflüssigkeit wird u. a. auch erreicht, daß der ausgesandte Ultraschallstrahl weniger divergiert Eine noch weitere Verringerung der

Divergenz erzielt man dadurch, daß man der Membran eine geeignet berechnete konvexe Gestalt gibt wie in Fig.2 gestrichelt angedeutet Aufgrund der unterschiedlichen Fortpflanzungsgeschwindigkeiten des Ultraschalls wirkt die Grenzfläche gleichsam als Linse, mit der eine Fokussierung des Ultraschallstrahlenbündels in einer zu der Untersuchungsebene normalen Ebene erreicht wird.

Wenn vorausgehend von dem Einfallswinkel / des Ultraschallstrahls gegenüber der Membran die Rede war, so gilt dieser Winkel im Falle einer konvexen Membran gegenüber ihrer Mittelsenkrechten (Bezugsebene), ebenso wie ddie Strecke ist, die der ausgesandte Strahl bis zur Membran entlang dieser Mittelsenkrechten durchläuft

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

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät mit einem von einer Ankoppelungsflüssigkeit erfüllten, einen Übertrager zur gebündelten Aussendung und zum Empfang von Ultraschallimpulsen sowie eine Auslenkeinrichtung für das Ultraschallstrahlenbündel enthaltenden, durch eine ultraschalldurchlässige Membran abgeschlossenen Gehäuse, einer Kathodenstrahl-Anzeigeeinrichtung für die von dem'° Übertrager aufgenommenen Ultraschall-Echoimpulse und einer elektronischen Steuerschaltung für eine gleichlaufende Ablenkung des ausgesardten Ultraschallstrahlenbündels und des Kathodenstrahls der Anzeigeeinrichtung, die dem Sinus und dem Cosinus des jeweiligen Ablenkwinkels des Ultraschallstrahlenbündels entsprechende Steuersignale liefert, nach Hauptpatent 28 48 880, zur Untersuchung menschlichen oder tierischen Körpergewebes, wobei die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des 2" Ultraschalls in der Ankoppelungsflüssigkeit eine wesentlich geringere ist als in diesem Körpergewebe, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (6, 10-15, 19; 6, 10-12, 26, 27) durch einen den Zeitpunkt des Durchgangs eines jeden ausgesandten Ultraschallimpulses durch die Membran (2) feststellenden Detektor (22; 34, 35) umsteuerbar ist, um entweder dem Produkt der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in der Ankoppelungsflüssigkeit mit dem Sinus bzw. dem Cosinus des Ablenkwinkels des Ultraschallstrahlenbündels proportionale erste Steuersignale oder aber dem Produkt der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in dem zu untersuchenden Körpergewebe mit dem Sinus bzw. dem » Cosinus des Ablenkwinkels des Ultraschallstrahlenbündels in dem zu untersuchenden Körpergewebe proportionale Steuersignale 2U liefern.