DE2911613C2 - Abtastmodul für ein Gerät zur Ultraschall-Abbildung - Google Patents

Abtastmodul für ein Gerät zur Ultraschall-Abbildung

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New York Institute Of Technology 11568 Old Westbury Ny Us
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Description

Die Erfindung betritt ein Gerät zur Abbildung von Ausschnitten eines Körpers mit Ultraschall durch Aussenden von Ultraschallenergie in den Körper und Bestimmen der Charakteristiken der von dem Körper reflektierten Ultraschallenergie, wobei das Gerät Steuermittel zur Erzeugung von Steuersignalen, alternierend in Reaktion auf Steuersignale arbeitende Erreger/Empfänger-Mittel. Darstellungs- und Aufzeichnungsmittel, die mit besagten Steuermitteln synchronisiert sind zum Darstellen und/oder Aufzeichnen von einem Bild entsprechenden Signalen von den Erreger/ Empfänger-Mitteln umfaßt, wobei der Abtastmodul ein flüssigkeitsdichtes Gehäuse mit einem an seiner Vorderseite vorgesehenen Fenster hat und in dem Gehäuse ein reflektierender Abtaster und ein stationär montierter Wandler zum Umformen von Energie von den Erreger/Empfänger-Mitteln in ein Ultraschallener gie- Strahlenbündel und zum Umwandeln reflektierter Ultraschallenergie in elektrische Signale untergebracht sind, das Gehäuse mit Flüssigkeit gefüllt ist und synchronisierte Antriebsmittel zur periodischen Bewegung der Abtastmittel vorhanden sind.
In neuerer Zeit sind Ultraschalltechniken in der klinischen Diagnostik sehr vorherrschend geworden. Solche Techniken sind seit einiger Zeit auf dem Gebiet der Geburtshilfe, Neurologie und Kardiologie verwendet worden und werden zunehmend wichtiger in Vergegenwärtigung einer Anzahl verschiedener Korperteile, z. B. beim Abtasten der Brust zur Entdeckung von Tumoren.
Verschiedene grundlegende Faktoren haben zu dem vermehrten Gebrauch von Ultraschalltechniken Anlaß
ω gegeben. Ultraschall unterscheidet sich von anderen Strahlungsarten in der Wechselwirkung mit lebenden Systemen darin, daß er die Beschaffenheit einer mechanischen Welle besitzt. Dementsprechend lassen sich durch seinen Gebrauch Informationen erhalten, die eine verschiedene Natur haben von solchen Informationen, die durch andere Methoden gewonnen werden, und er wild als Ergänzung zu anderen diagnostischen Methoden, wie z. B. jenen, die Röntgenstrahlen
verwenden, angesehen. Auch erscheint das Risiko von Gewebe-Schädigungen bei Verwendung von Ultraschall viel geringer zu sein als das offensichtliche Risiko, das mit ionisierenden Strahlen wie Röntgen-Strahlen verbunden ist
Die Mehrzahl der auf Ultraschall beruhenden diagnostischen Techniken basiert auf dem Impuls-Echo-Verfahren, bei dem mitteis eines geeigneten piezoelektrischen Wandlers, wie z. B. einer Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik, periodisch Impulse von Ultraschallenergie erzeugt werden. Jeder kurze Impuls der Ultraschallenergie wird zu einem engen Strahl gebündelt, der in den Körper des Patienten geschickt wird, in welchem er schließlich auf Grenzflächen zwischen verschiedenen Strukturen des Körpers trifft. Wenn an einer Grenzfläche eine ch irakteristische Widerstandsfehlanpassung auftritt, wire ein Teil der Ultraschallenergie an der Grenzfläche zurück zu dem Wandler reflektiert. Nach Erzefgung des Impulses arbeitet der Wandler in einer »Horch«-Position. wobei er von dem Körper reflektierte empfangene Energie oder »Echos« in elektrische Signale zurückverwandelt. Die Ankunftszeit dieser Echos hängt von der Entfernung der angetroffenen Grenzflächen und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls ab. Die Amplitude des Echos gibt ebenfalls Auskunft über die Reflexionseigenschaften der Grenzfläche und dementsprechend über die Beschaffenheit der die Grenzfläche bildenden charakteristischen Strukturen.
Es gibt verschiedene Arten, wie die in den empfangenen Echos enthaltene Information nützlich dargestellt werden kann. Bei einer üblichen Technik werden die die beobachteten Echos verkörpernden elektrischen Signale verstärkt und an die vertikalen Ablenkplatten eines Kathodenstrahlbildschirmes angelegt. Der Ausgang eines Zeitbasisgenerators wird an die horizontalen Ablenkplatten gelegt. Eine kontinuierliche Wiederholung des Impuls/Echo-Verfahrens synchron mit den Zeitbasissignalen liefert eine kontinuierliche Aufzeichnung. »Α-Abtastung« genannt, bei der die Zeit proportional der Entfernung ist. und Ablenkungen in der vertikalen Richtung verkörpern das Vorhandensein von Grenzflächen. Die Höhe dieser vertikalen Ablenkungen ist repräsentativ für die Echo-Stärke.
Eine andere bekannte Aufzeichnungsart ist die Sogenannte »B-Abtastung«, bei der die Echo-Information eine Form hat. die mehr der 'iblichen Fernseh-Aufzeichnung ähnelt: d. h.. die empfangenen Echo-Sigmle werden dazu benutzt, um die Helligkeit des Bildschirmes an jedem abgetasteten Punkt zu modulieren. Diese Art von Aufzeichnung wrd als besonders nützlich angesehen, wenn die Ultraschallenergie quer zu dem Körper geführt wird, so daß eine individuelle »entfernungsbestimmende« Information individuelle Abtastzeilen auf dem Bildschirm liefert, und aufeinanderfolgende quer zur Strahlrichtmg gegeneinander versetzte Positionen werden dazu benutzt, um aufeinanderfolgende Abtastzeilen auf dem Bildschirm zu erhalten. Die zweidimensional B-Abtdstungs-Technik liefert ein Querschnittsbild in der Ebene der Abtastung, und die resultierende Aufzeichnung kann direkt betrachtet oder fotografisch oder auf Magnetband aufgezeichnet werden.
Während auf dem Gebiet der Ultraschall-Abbildung Erfolge erzielt wurden, gibt es eine Reihe von Problemen, die gelöst werden müssen, um eine hohe Qualität von Ultraschall-Abbildungen in einer bequemen, zuverlässigen und kostengünstigen Weise zu erhalten. Hinsichtlich einiger Probleme, die teilweise bewältigt wurden, ist es z. B. bekannt, daß Ultraschall an Grenzflächen mit Gas beinahe total reflektiert wird. Dies hat zu dem Gebrauch einer Ankopplung über eine Flüssigkeit wie Wasser oder zum Gebrauch eines Wandler-Typs mit direktem Kontakt geführt. Die letztere Technik kann zur Entstehung von Problemen beitragen, wenn versucht wird, Strukturen wie Arterien abzubilden, die sich nur wenige Millimeter unter der Hautoberfläche befinden können, da die Kontakt-Abbil-O dung Aberrationen im nahen Bereich des Wandlers verursacht. Die Kopplung über eine Flüssigkeit bietet in dieser Hinsicht Vorteile gegenüber dem Direkt-Kontakt, aber sie führt zu verschiedenen Konstruktionsproblemen und beschwerlichen, im allgemeinen nicht tragbaren Bautypen, die ungünstig zu gebrauchen sind, insbesondere wenn versucht wird, sie genau an einem Patienten in Position zu bringen. Einige Techniken schließen das Eintauchen des Patienten in Wasser ein oder realisieren einen geeigneten Kontakt mit dem Körperteil durch die Wand eines sperrigen Wassertanks.
Gegenüber diesen sperriger und schwierig zu handhabenden bekannten Einrichtungen bringt die in der US-PS 40 84 582 beschriebene Vorrichtung, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, bereits eine erhebliche Verbesserung. Das dort beschriebene Gerät umfaßt ein 'iedienungsteil und einen tragbaren Abtastmodul. Das Bedienungsteil enthält zweckmäßigerweise den Steuersignal-Generator, den Erreger- und Empfängerkreis und den Bildschirm/Rekorder zur Aufzeichnung und/oder Speicherung von bildverkörpernden elektrischen Signalen. Der tragbare Abtastmodul, der in der Hand gehalten werden kann, besitzt ein flüssigkeitsdichtes Gehäuse mit einem aus flexiblem Material gebildeten Abtastfenster. Der Wandler zur Umwandlung der von dem Erregerkreis kommenden Energie in Ultraschallenergie befindet sich in dem Abtastmodul und wandelt bevorzugt auch die empfangenen Ultraschall-Echos in elektrische Signale zurück, die an den Empfängerkreis weitergegeben werden, Mit dem Wandler ist bevorzugt eine Sammellinse verbunden. Der gesamte Bereich zwischen dem Wandler und dem rtbtastfenster ist mit einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, gefüllt. In der Flüssigkeit befindet sich ein den Schall reflektierender Abtaster, der svnchion mit den Steuersignalen des Steuersignal-Generators mit Hilfe eines Antriebsmotors in periodischer Weise bewegt wird. Durch diese Bewegung wird die für die B-Abtastung notwendige Versetzung von aufeinanderfolgenden Ultraschallimpulsen quer zur Strahlrichtung erreicht.
Obwohl diese vorbekannte Einrichtung schon eine Verminderung der Größe des Abtastmoduls im Vergleich zu den vorbekannten Geräten erbracht hat. war es weiterhin wünschenswert, die Größe und das 5r, Geweht der in der Hand zu haltenden Abtastmodule von Ultraschallgeräten zu vermindern und damit ihre Handhabung zu erleichtern. Dabei müssen jedoch bestimmte Randbedingungen beachtet werden, die die Lösung dieser Aufgabe erschweren. Um beispielsweise die Entstehung von Fehlsignalen aufgrund der Reflektion des Ultraschalls von der Haut zu minimieren und eine möglichst verzerrungsarme Darstellung zu gewähr= leisten, ist ein möglichst großer Abstand zwischen dem Schallwandler und dem zu untersuchenden Objekt, d. h. dem Fenster des Abtastmoduls, erstrebenswert. Eine andere Überlegung, die bei der Konstruktion tines Abtastmoduls berücksichtigt werden muß, ist die Kraft, die notwendig ist, um den mechanisch angetriebenen
Reflektor zu bewegen. Da sich der Reflektor in einer flüssigkeit befindet, ist zu seiner Bewegung eine erhebliche Antriebskraft notwendig. Es ist daher wünschenswert, daß der reflektierende Abtaster, den man auch als Schallspiegel bezeichnen kann, so klein wie möglich ausgebildet ist und so wenig wie möglich hin und her bewegt werden muß. Andererseits muß der Schallspicgel groß genug sein, um in seinem gesamten Schwenkbereich den auf ihn auftreffenden Ultraschall-Strahl reflektieren zu können. Aus der GB-PS 14 90 412 ■st ein Gerät zur Ultraschall-Abtastung bekannt, bei dem ebenfalls ein schwenkbarer Reflektor verwendet wird. Bei dieser vorbekannten Einrichtung dient die Schwenkbewegung jedoch nicht dazu, die B-Abtastung zu ermöglichen.d. h. aufeinanderfolgende Ultraschallimpulse im wesentlichen quer zueinander zu versetzen, sondern dazu, bei einem sehr großen Gerät die gesamte Betrachtlingsrichtung zu ändern, d. h. die Richtung der Gesamtheit der ausgesandten Ultraschallstrahlen zu variieren. Die B-Antastung wird bei diesem Geräi dadurch erreicht, daß mehrere Schallwandler auf einem rotierenden Schallwandlerträger derart befestigt sind, daß die von dem Reflektor austretenden Strahlen je nach der jeweiligen Rotationsposition des Wandlerträgers linear versetzt gegeneinander sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abtastmodul zu schaffen, der eine große Abtaststrecke zwischen Schallwandler und Objekt ermöglicht und dennoch leicht und kompakt aufgebaut ist. Die notwendige Schwenkbewegung soll so gestaltet sein, daß der Energieverbrauch möglichst gering ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Abtastmodul der eingangs näher bezeichneten Art dadurch gelöst, daß der reflektierende Abtaster entfernt von dem Fenster und diesem gegenüber und der Wandler vor dem reflektierenden Abtaster in dem Gehäuse installiert ist und die Ultraschall aussendende Oberfläche des Wandlers dem reflektierenden Abtaster derart gegenübersteht, daß der von dem Wandler ausgesandte und von dem reflektierenden Abtaster reflektierte Ultraschallstrahl an dem Wandler vorbei zurückgeworfen wird. be\or er durch das Fenster hindurchtritt und daß der reflektierende Abtaster derart drehbar gelagert ist. daß der Strahl das Fenster in einer solchen Weise bestreicht, daß der Winkel zwischen dem Zcntralstrahl des auf den reflektierenden Abtaster auftreffenden Strahlenbündels und der Ebene, in der der Zentralstrahl des von dem reflektierenden Abtaster reflektierten Strahlenbündcis sich bewegt, im wesentlichen konstant Lind ungleich 0 ist.
Wesentlich für uic Erfindung ist nicht nur. daß der Reflektionswinkel zwischen einfallendem und ausfallendem Strahl an dem reflektierenden Abtaster verhältnismäßig spitz ist. sondern es kommt für die Erfindung wesentlich darauf an. daß der Wandler, das Fenster und der reflektierende Abtaster mit seiner Schwenkachse derart angeordnet sind, daß der Winkel, der zwischen dem Zentralstrahl des auf den reflektierenden Abtaster auftreffenden Strahlenbündels einerseits und der Ebene, in der sich der Zentralstrahl des reflektierten Strahlenbündels bewegt, andererseits aufgespannt ist, während der Schwenkbewegung näherungsweise konstant bleibt. Dies wird im Zusammenhang mit der Beschreibung der Figuren noch näher erläutert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der bevorzugte Winkel kleiner als 45°, besonders bevorzugt kleiner als 30°. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauweise und verzerrungsarme Darstellung erreicht.
Der Reflektionswinkel am Schallwandler läßt sich allerdings aus prinzipiellen Gründen nicht beliebig verkleinern. Wenn der Ultraschall unter einem Winkel auf eine Fläche auftrifft, der zu dicht an der normalen liegt (d. h. unter einem Winkel der kleiner als der »kritische Winkel« ist), wird ein wesentlicher Teil der Ultraschallenergie durch die Oberfläche hindurchgehen.
ίο Um faktisch die ganze Ultraschallenergie, die auf den Abtaster auftrifft, an diesem reflektieren zu lassen, ist es daher notwendig, den Auftreffwinkel wenigstens so groß wie den kritK hen Winkel zu halten. Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, daß Saphir (Aluminiumoxyd) auf der Oberfläche des reflektierenden Abtasters zu einem kritischen Winkel von ungefähr 14° führt und damit eine Konstruktion erlaubt, die besonders guten Gebrauch von dem im Gehäuse vorhandenen Flüssigkeitsvolumen macht und zu einem kleinen, leichten und eilllilCM t.U fldi'lUl'ldUCnucn AAuidäimöuül ι'ϋιιΓΐ.
Auch bei der Verwendung von Beryllium ergibt sich ein vergleichsweise kleiner kritischer Winkel, jedoch ist es hier erforderlich, besondere Schutzvorkehrungen wegen der Giftigkeit des Materials zu treffen.
Eine weitere für die Erfindung vorteilhaft verwendbare Alternative besteht darin, einen reflektierenden Abtaster zu benutzen, der eine Schicht mit einem eingeschlossenen Gas aufweist. Eine derartige in der US-PS Λ-/84 582 beschriebene Einrichtung gewährleistet ungeachtet vom Auftreffwinkel des Strahls eine Totalreflcktion an der Flüssigkeit-Gas-Grenzfläche an der Reflektoroberflache.
Die erfindungsgemäße Konstruktion, bei der der Ultraschallstrahl in dem Abtastmodul praktisch an dem Wandler vorbei »rückwärts gefaltet« wird, erlaubt bei kleiner Bauweise einen langen Ultraschallweg in dem Abtastmodul. Dadurch werden auch Darstellungsfehler minimalisicrt. welche durch Reflektionen an der Haut entstehen können.
Bevorzugt ist der den Ultraschall erzeugende Wandler entlang der Abtastrichtung langgestreckt ausgebildet und besitzt beispielsweise eine insgesamt ellipiische Form. Dadurch wird der Strahl auf einen Fleck gebündelt, der in Richtung normal zur Abtastrichtung verlängert ist. Die Dicke des untersuchten »Ausschnittes« im Körper ist daher wesentlich größer (vorzugsweise mindestens zweimal so groß) wie ein Auflösungselement in Abtastrichtung.
Zweckmäßigerweise, aber nicht notwendigerweise wird die Rückumwandlung des reflektierten Ultraschalls in ein elektrisches Signal durch die Benutzung des gleichen Wandlers zustande gebracht.
Wie später noch eingehender erläutert wird, ist es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung von Schallwandler, reflektierendem Abtaster und Fenster möglich. mit einem verhältnismäßig kleinen Schallspiegel auszukommen. Dieser kann in der Flüssigkeit mit verhältnismäßig geringem Widerstand bewegt werden. Besonders bevorzugt ist er entlang der Abtastrichtung des Strahlenbündels verlängert, wobei er vorzugsweise an einer senkrecht zu seiner Längsrichtung verlaufenden Achse montiert ist. Das Schallaustrittsfenster des Abtastmoduls ist üblicherweise aus einem flexiblen Kunststoff hergestellt und paßt sich in seiner Form an den zu untersuchenden Körper an. um Flüssigkeit/Luft-Grenzflächen zu vermeiden, die unerwünschtermaßen Ultraschall reflektieren könnten. Bevorzugt wird ein relativ schmales, lang gestrecktes Abtastfenster ver-
wendet. Dadurch ist es möglich, ein relativ festes Fenstermaterial zu bcnut/.en und dennoch einen guten Kontakt mit dem Körper über die gesamte Fenster-Oberfläche /u cvielen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fenster, durch welches die Abtastung ausgeführt wird, in bezug auf die Normale zu dem auf dem Fenster aufraffenden Ultraschall unter einem Winkel geneigt. Diese Neigung zielt darauf ab. einen beliebigen IJItraschallstrahl. der unerwünscht innen an dem Fenster reflektiert wird, dazu zu bringen, den Wandler /u verfehlen. In diesem Alisführungsbeispiel ist ein absorbierendes Medium, wie /.. B. ein Schaum, auf einer Wandung in dem Modul angeordnet, um von dem geneigten Fenster nach innen reflektierten Ultraschall zu absorbierer
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden leichter verständlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt die Handhabung eines Abtastgerätes, das die Verbesserungen der Erfindung benutzt.
Fig. 2 ist eine perspektivisch dargestellte Seitenansicht eines Ausführungsbeispieles des Abtastmoduls des Gerätes der F i g. I.
F i g. 3 zeigt einen Querschnitt des Abiasimoduls der Fig. 2 nach der Linie 3-3 der Fig. 2 zusammen mit Schaltbildern von Teilen des darin und in dem zugehörigen Bedienungsgerät enthaltenen Schaltkreises.
rig. 4 illustriert das Abtasten mit dem Strahl von dem Wandler und Reflektor des Abtastmoduls der F i g. 2.
F i g. 5 ist eine vereinfachte Darstellung, die illustriert, wie die Ausgestaltung des offenbarten Ausführungsbeispieles die Verwendung eines kürzeren reflektierenden Abtasters gestattet.
In der F i g. 1 ist die Illustration eines Abtastgerates gezeigt, das Verbesserungen der Erfindung ausnutzt. Ein Bedienungsgerät 10 ist mit einem Bildschirm 11. der charakteristischerweise ein Kathodenstrahlröhrenbild-"■ehirrn vom Fernseh-Typ sein kann, und einer geeigneten Kontrolltafel ausgerüstet. Ein Videobandrekorder oder geeignete fotografische Mittel können ebenfalls in dem Bedienungsgerät vorgesehen sein. Das Bedienungsgerät enthält charakteristischerweise auch die Stromversorgung und Teile des Schaltkreises für die Steuerung und Handhabung. Ein tragbarer Abtastmodul oder Meßkopf 50 (gezeigt in F i g. 2) ist durch ein Kabel 48 mit dem Bedienungsgerät verbunden. Der Abtastmodul hat an einem Ende ein Fenster 52, durch welches ein untersuchender Uliraschallstrahl ausgesandt und ein reflektierter Strahl empfangen wird. Während des Betriebes des Abtastgerates wird der Abtastmodul 50 von Hand so gehalten, daß das Fenster 52 über einem Teil des abzubildenden Körpers positioniert ist In Fig. 1 ist z. B. der Abtastmodul so positioniert, daß ein Querschnitt durch eine Brust erhalten werden kann. Eine Abbildung anderer Bereiche der Brust oder anderer Teile des Körpers kann leicht durch Bewegen des Meßkopfes in die gewünschte Stellung und Ausrichtung gewonnen werden, wobei die relative Ausrichtung des Abtastfensters den Winkel des aufgenommenen Querschnittes bestimmt
In der Fig.3 ist ein Querschnitt eines Teiles des Abtastmoduis oder Meßkopfes 50 zusammen mit Schaltbildern von Teilen des Schaltkreises gezeigt der darin und in dem in Verbindung mit dem Abtastmodul benutzten Bedienungsgerät einhalten ist. Ein flüssigkeitsdichtes Gehäuse 51, das aus einem stabilen Plastikmaterial gebildet sein kann, weist an seinem vorderen Ende ein Abtastfenster 52 auf. Das Gehäuse 51 ist mit einer geeigneten Flüssigkeit, z. B. Wasser, gefüllt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Abtastfenster 52 relativ flach und kann aus irgendeinem geeigneten Material, z. B. Methyl-Methycrylat oder Nylon, gebildet sein. Ein reflektierender Abtaster 70. der ίο in der vorliegenden Anmeldung eben ist. aber gewölbt sein kann, um — falls gewünscht — eine Bündelung zu erhalten, ist in der Nähe der Rückseite des Gehäuses 51 positioniert und liegt im wesentlichen dem Fenster 52 gegenüber. Der Abtaster 70 ist auf einer Welle 71 ι; montiert, die durch eine geeignete Dichtung geführt und mit einem Elektromotor 72 verbunden ist, welcher in einer Ausnehmung in dem Gehäuse 51 untergebracht ist und angetrieben wird, um die gewünschte Schwingbewegung des Abtasters 70 zu liefern, wie mittels des gebogenen zweiköpfigen Pfeiles 73 dargestellt.
Ein Ultraschallwandler 80. der wie weiter unten beschrieben ausgebildet ist, ist in einer Kammer 59 des Gehäuses 51 montiert, wobei er in bezug auf den Abtaster 70 vorn in dem Modul 50 installiert ist und die Ultraschall aussendende Fläche des Wandlers nach hinten in dem Modul 50 und auf den reflektierenden Abtaster 70 ausgerichtet ist. Der Wandler 80 ist so positioniert, daß das Ultraschallstrahlenbündel, das er aussendet, von dem Abtaster 70 an dem Wandler 80 vorbei zurückgeworfen wird, bevor es durch das Fenster 52 tritt.
Im einzelnen ist der Wandler 80 so positioniert, daß der Ultraschallstrahl, der von ihm ausgetandt und gegen das Fenster 52 reflektiert wird (oder umgekehrt, der z-j Strahl, der von dem untersuchten Körper 5 zurück durch das Fenster 52 und zu dem Wandler 80 reflektiert wird), an dem reflektierenden Abtaster eine Umlenkung von weniger als ungefähr 45" erleidet. Vorzugsweise beträgt diese Umlenkung, die in der F i g. 3 durch den Winkel λ des Zentralstrahles eines Ultraschallstrahlenbündels dargestellt ist. an dem Reflektor 70 ungefäh 30-'.
Der Abtaster 70 hat vorzugsweise eine reflektierende Oberfläche, die von einem Material gebildet wird, das einen relativ kleinen kritischen Winkel zur Folge hat, so daß der beinahe gerade auf die Reflektoroberfläche auftreffende Strahl nicht durch den Reflektor hindurchtreten kann. Eine Saphir-Oberfläche auf dem Reflektor 70 hat. in Wasser 57 angeordnet, einen kritischen Winkel von etwa 14° (wie er sich bestimmt aus den relativen Berechungsindizes von Ultraschall zwischen Faphir und Wasser); so werden die relativen Positionen und Ausrichtungen des Wandlers, Reflektors und Fensters in dem Abtastmodul 50 so ausgewählt, daß der von beiden Richtungen auf den Reflektor 70 auftreffende Strahl unter einem Winkel ankommt, der den kritischen Winkel überschreitet Es ist ersichtlich, daß diese Anordnung einen besonders nützlichen Gebrauch von dem Volumen der Flüssigkeit 57 in dem Modul 50 macht da das Strahlenbündel 7 tatsächlich nach dem Wandler »nach rückwärts gefaltet« wird und eine relativ große Laufstrecke durch ein relativ kleines Wasservolumen zurücklegt. Eine Beryllium-Oberfläche würde ebenfalls zu einem kleinen kritischen Winkel führen, aber ihre Giftigkeit macht es weniger wünschenswert, mit ihr zu arbeiten. Eine weitere Alternative ist die Verwendung eines reflektierenden Abtasters, der eine Schicht mit eingeschlossenem Gas besitzt wie in dem
US-Patent 40 84 582 offenbart. Wie dort beschrieben, gewährleistet die Flüssigkeit/Gas-Grenzfläche Totalreflexion an der Reflektoroberfläche ungeachtet des Auftreffwinkels des Strahlenbündels.
Ein Impulsgeberkreis und alternativ Empfängerkreis 130 liefert Erreger-Impulse an den Wandler 80 und empfängt Echo-Signale von ihm. Der hier gebrauchte Ausdruck Impulsgeber/Empfängersoll beliebige kombinierte oder getrennte Kreise zur Erzeugung der Erreger-Signak für den Wandler und zum Empfang von Echo-Signalen von diesem einschließen. Falls dynamische Bündelung (Fokussierung) verwendet wird, kann der Wandler 80 in Segmente unterteilt sein und der Impulsgeber/Empfänger-Kreis 130 kann mit den Segmenten des Wandlers 80 durch eine veränderliche Verzögerungsschaltung 100 gekoppelt :sein, durch gestrichelte Linien dargestellt. Der Impulsgeber/Empfänger-Kreis 130 und die veränderliche Verzögerungsschaltung 100 (falls vorhanden) sind zweckrnäßigerweise, aber nicht notwendigerweise, in dem Abtastmodul 50 untergebracht, beispielsweise innerhalb der Kammer 59. Der Empfängerteil des Kreises 130 ist über einen Verstärker 140 mit einem Bildschirm 11 und einem Rekorder 160 verbunden, der ein beliebiges geeignetes Aufzeichnungs-, Speicher- oder fotografisches Gerät sein kann. z. B. ein Videobandrekorder. Falls gewünscht, kann eine Verstärkungsregelungseinrichtung, wie durch den Kasten 141 dargestellt, verwendet werden, die eine wechselwirkende Verstärkungskompensations-
(»IGC«)-Kapazität einschließt. Wechselwirkende Verstärkungskompensationstechniken sind im einzelnen in dem US-Patent 40 43 181 beschrieben. Diese Einrichtung kompensiert die Amplitude von später ankommenden Signalen bei einer Dämpfung, die sie beim Durchgang durch Körpergewebe erfahren haben, und bei durch frühere Reflexionen verursachten Verlusten. Dementsprechend kann, wenn eine IGC-Kapazität verwendet wird, der Verstärker 140 mit Verstärkungsregelung unter Kontrolle eines IGC-Signals von der Einrichtung 141 verwendet werden. Der Steuerkreis 170 erzeugt Steuersignale, die die Arbeit de1· Systems synchronisieren, wobei die Steuersignale mit dem Impulsgeber/Empfänger-Kreis 130 und auch mit der Kippschaltung 180 gekoppelt sind, die jene Signale erzeugt, welche die Schwingungen des Abtasters 70 und die vertikalen und horizontalen Takt-(sync)Signale für den Bildschirm 11 und den Rekorder 160 steuern. Falls dynamische Bündelung verwendet wird, wie im US-Patent 40 84 582 beschrieben, können die Steuersignale auch mit dem Phasenregler 120 gekoppelt sein, der Signale erzeugt, die die Abweichung der Verzögerungen in der veränderlichen Verzögerungsschaltung steuern. Vorzugsweise wird in dem Abtastmodul 50 auch eine Linse 90 verwendet, die zweckmäßigerweise eine relativ ebene Oberfläche hat, welche mit dem Wandler verbunden ist, sowie eine konkav gekrümmte Oberfläche, die für eine axial-symmetrische Bündelung sorgt. Die Linse kann aus einem Plastikmaterial hergestellt sein, vobei das Material in Übereinstimmung mit dem in dem US-Patent 39 58 559 dargelegten Prinzip ausgewählt ist Wie in jenem Patent offenbart, wird bei der Auswahl des Linsenmaterials in Übereinstimmung mit spezifischen Parametern (Apodisation) erzielt; das heißt unerwünschte Nebenmaxima, die durch solche Faktoren wie die endliche Größe des Wandlers verursacht werden, sind minima lisiert. Weiterhin kann, wie in dem erwähnten Patent offenbart, die Linse eine im allgemeinen elliptische Kontur hsben. um vorteilhafte Eigenschaften zu erzielen. Falls gewünscht, können jedoch alternative Mittel zur Bündelung verwendet werden, wie z. B. elektronische Bündelung, die einen in Segmente unterteilten Wandler benutzt, 5 oder die Wand'er- oder Reflektoroberfläche kann gekrümmt sein.
Das System arbeitet wie folgt: Auf Befehl des Steuerkreises erzeugt der Impulsgeber in dem Kreis 130 Impulse, die den Wandler 80 erregen, wobei die
to Segmente des Wandlers 80 durch die veränderliche Verzögerungsschaltung 100 erregt werden; bei Verwendung von dynamischer Bündelung geschieht dies unter Kontrolle des Phasenreglers. (Nach dem Stand der Technik kann die Fokustiefe in einem dynamisch gebündelten System elektronisch variiert werden, indem verschiedenen Segmenten des Wandlers 80 vorbestimmte Verzögerungen oder Phasenänderungen erteilt werden. In solch einem Falle wird der Ultraschallimpuls zweckmäßigerweise mit der veränderlichen Verzögerungsschaltung losgeschickt, so daß das ausgesandte Strahlenbündel an einem Punkt gebündelt wird, der zwischen dem Zentrum des Feldes und dem tiefsten Punkt in dem Körper liegt, von dem ein Bild gewünscht wird.) Das Ultraschall-Strahlenbündel.
das vom Schwingen des Wandlers herrührt, wird von dem Reflektor 70 durch das Fenster 52 und in den Körper5 reflektiert. Der Steuerkreis veranlaßt nun den Impulsgeber/Empfänger 130, sich in »Empfänger«- oder »Horch«-Stellung zu schalten. (Falls dynamische Bündelung verwendet wird, wird ein Takt des Phasenreglers 120 aktiviert.) Nun wenn die Ultraschall-Echos von dem Körper durch das Fenster 52 aufgenommen und von dem Abtaster 70 auf den Wandler 80 reflektiert werden, dient der Wandler 80 dazu, die empfangene Ultraschallenergie in elektrische Signale umzuformen. (Bei einem Gerät mit dynamischer Bündelung dienen wieder die Wandler-Segmente dazu, die empfangene Ultraschallenergie in elektrische Signale umzuwandeln, welche in der richtigen Phasenbeziehung vereinigt werden, um eine Bündelung nach den besonderen Entstehungspunkten der Reflexionen in dem Bereich der untersuchten Tiefen zu erhalten.) Bei einem zweidimensionalen »B-AbtastungsK-Bildschirm entspricht ein Streichen über den Tiefenbereich einer horizontalen Abtastzeile des Bildschirms, und die Steuersignale von Steuerkreis 170 synchronisieren den horizontalen Takt (sync) des Bildschirms so. daß der aktive Bereich einer Abtastzeile des Bildschirms der Ankuftszeit von Echos entspricht, die von einem gegebenen Bereich innerhalb des
so Körpers 5 eintreffen, typischerweise von der Haut des Patienten bis zu einer festen, vorhergewählten Tiefe in dem Körper. Die zweite Dimension des gewünschten Querschnittsbildes erhält man durch das langsame mechanische Abtasten mit dem reflektierenden Abtaster 70, das mit der vertikalen Kipprate des Bildschirms und des Rekorders durch die Kippschaltung 180 synchronisiert wird. Die empfangenen Signale sind durch den Verstärker 140 mit dem Bildschirm 11 gekoppelt, in welchem die empfangenen Signale die Helligkeit des Abtasters modulieren, um das gewünschte Querschnittsbild zu erhalten, wobei jeJe Abtastzeile des Bildschirms einen Tiefen-Echo-Que^ohivtt des Körpers für eine besondere Winkelausrichtung des Abtasters 70 darstellt. Die empfangenen Signale werden auch auf dem Videobandrekorder 160 aufgezeichnet.
F i g. 4 illustriert die Art der Abtastung von Strahl 7, was durch die Bewegung des abtastenden Fleckes 8 entlang der gestrichelten Linie SA angedeutet ist In
Jl- reiristimmung mit einer bevorzugten Austührunps-ίοπη der Erfindung ha; der Wandler 80 eine allgemein elliptische Form und ist in der Abtastrichtung langgestreckt. Das Verhältnis Länge zu Breite der äußeren Erscheinung des Wandlers beträgt vorzugsweise zwei zu eins. Die gestrichelten Linien auf dem Wandler stellen seine Unterteilung in Segmente dar in dem Fall, daß elektronische (d. h. dynamische) Bündelung verwendet wird. Die bündelnde Linse 90 (Fig. 3) hat eine Dicke, die axial-symmetrisch und generell entweder sphärisch oder ein Rotationsellipsoid ist. Wie oben festgestellt, ist die Linse in ihrem Umfang vorzugsweise elliptisch, um der Form des Wandlers angepaßt zu sein. Es ist selbstverständlich, daß alternative Mittel zum Bündeln verwendet werden
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Segmente geteilten Wandler benutzt, oder geeignete Wölbungen an der Wandler- oder Reflektoroberfläche. In einem solchen Fall sollte die Bündelung axial-symmetrisch über die Wandlerfläche sein. Nach dem Bündeln wird der resultierende Fleck 8 in der Normalrichtung zur Abtastrichtung verlängert, da die Beugungsgrenze in Richtung der Wandler-Längsausdchnung kleiner ist als die Beugungsgrenze in der Richtung senkrecht dazu. Die Dicke des untersuchten »Ausschnittes« ist daher wesentlich größer (vorzugsweise rweimal so groß) als ein Auflösungselement in der Ab'.astrichtung. Der Reflektor 70 kann ebenfalls eine langgestreckte, generell elliptische Form aufweisen, wie in Fig.4 gezeigt. Die für den Antrieb des Reflektors erforderliche Drehkraft hängt stark von seiner Größe und Masse ab. Die generell elliptische Form des Spiegels ist vorteilhat insofern, als sie weniger Antriebsleistung erfordert, verglichen mit einem größeren, mehr symmetrischen Spiegel. Die »nach rückwärts gefaltete« Anordnung erlaubt also den Gebrauch eines Spiegels, der eine verminderte Größe hat im Vergleich beispielsweise mit einem System, in dem der Strahl unter fas' einem rechten Winkel reflektiert wird. Dies iäuft sogar auf eine weitere Verminderung der erforderlichen Antriebsleistung hinaus. Das vereinfachte Diagramm der F i g. 5 illustriert dar Prinzip. Aus der Geometrie ist ersichtlich, daß der Reflektor 70 (welcher den einfallenden Strahl unter einem rechten Winkel zu dem Brennpunkt 8' ablenkt) notwendigerweise um einen Faktor j/Tlänger ist als der Reflektor 70, der den
)0 Strahl direkt zurück zu dem Brennpunkt 8 reflektiert.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal de' Erfindung ist das Fenster 52 unter einem Winkel, z. B. einem Winkel in der Größenordnung von 10°, in bezug auf die Normale zu dem auf das Fenster auffallenden Ultraschall geneigt (siehe F i g. 3). Diese Neigung zielt darauf ab, einen beliebigen Ultraschall,
Hpr uni^rvyrincoht w/-»n r\am perjStCr ^u25 VOrtwühiiftSrVVCi
se aus einem relativ starren Material gebildet sein kann) reflektiert wird, zu veranlassen, den Wandler zu verfehlen. Ein absorbierendes Medium 55, das z. B. ein Schaum sein kann, ist in dem Weg eines innen reflektierten Ultraschalls angeordnet, der in der Fig.3 dargestellt ist durch die gestrichelte Linie 53. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Fenster in Richtung auf das Oberteil des Moduls 50 geneigt, und das absorbierende Medium 55 ist auf der inneren Oberfläche des Oberteils des Gehäuses 51 angeordnet. Die Erfindung ist anhand von einzelnen Ausführungsbeispielen beschrieben worden, aber dem Fachmann werden Variationen innerhalb des Geistes und Schutzumfanges der Erfindung in den Sinn kommen. Zum Beispiel können einige der Schaltkreise des Bedienungsgerätes, wenn es gewünscht wird, in dem Abtastmodul untergebracht sein oder umgekehrt; die grundlegende
Überlegung ist jedenfalls der Wunsch, die Tragbarkeit des Moduls zu erhalten und außerdem die Geräuschempfindlichkeit der Signale niednjen Energie-Niveaus, die durch Kabel zwischen dem Abtastmodul und dem Bedienungsgerät laufen, minimal zu halten.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    29 Π 613
    1. Abtastmodul für ein Gerät zur Abbildung von Ausschnitten eines Körpers mit Ultraschall durch Aussenden von Ultraschallenergie in den Körper und Bestimmen der Charakteristiken der von dem Körper reflektierten Ultraschallenergie, wobei das Gerät Steuermittel zur Erzeugung von Steuersignalen, alternativ in Reaktion auf Steuersignale arbeitende Erreger/Empfänger-Mittel, Darstellungs- und Aufzeichnungsmittel, die mit besagten Steuermitteln synchronisiert sind zum Darstellen und/oder Aufzeichnen von einem Bild entsprechenden Signalen von den Erreger/Empfänger-Mitteln umfaßt, wobei der Abtastmodul ein flüssigkeitsdichtes Gehäuse mit einem an seiner Vorderseite vorgesehenen Fenster hat und in dem Gehäuse ein reflektierender Abtaster und ein stationär montierter Wandler zum Umformen von Energie von den Erreger/Empfänger-Mitteln in ein Ultraschallene·-- gie-Strahlenhi^del und zum Umwandeln reflektierier lJltraschaW«mergie in elektrische Signale untergebracht sind, das Gehäuse mit Flüssigkeit gefüllt ist und synchronisierte Antriebsmittel zur periodischen Bewegung der Abtastmittel vorhanden sind, d a -durch gekennzeichnet, daß der reflektierende Abtaster (70) entfernt von dem Fenster (52) und diesem gegenüber und der Wandler (80) vor dem reflektierenden Abtaster (70) in dem Gehäuse (Sl) installiert ist und die Ultraschall aussendende Oberfläche des Wandlers (80) dem reflektierenden Abtaster (70) derart gegenübersteht, daß der von dem Wandler (80) ausgesandte und von dem reflektierenden Abtastet (70) .eflektierte Ultra- »challstrahl an dem Wandler (80) vorbei zurückgeworfen wird, bevor er durch das i inster hindurchtritt und daß der reflektierende Abtaster (80) derart drehbar gelagert ist. daß der Strahl das Fenster (52) in einer solchen Weise bestreicht, daß der Winkel (λ) zwischen dem Zentralstrahl des auf den reflektierenden Abtaster auftreffenden Strahlenbündel und der Ebene, in der der Zentralstrahl des von dem reflektierenden Abtaster reflektierten Strahlenbündels sich bewegt, im wesentlichen konstant und ungleich 0 ist.
    2. Abtastmodul nach Anspruch !.dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen konstante Winkel (\) kleiner als 45 ist.
    3. Abtastmodul nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Winkel etwa 30" beträgt.
    4. Abtastmodul nach einem der Ansprüche 1—3. dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Oberfläche des reflektierenden Abtasters (70) eine Schicht von Saphir-Material trägt.
    5. Abtastmodul nach einem der Ansprüche 1—3. dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Oberfläche des reflektierenden Abtasten, (70) eine Schicht von Beryllium trägt.
    f>. Abtastmodul nach einem der Ansprüche 1—5. dadurch gekennzeichnet, daß der Abiastmodul eine Sammellinse (90) enthält, die mit dem genannten Wandler (80) verbunden ist.
    7. Abtastmodul nach einem der Ansprüche I —6. dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (80) entlang der Abtastrichtung des Strahlenbündels verlängert ist.
    8. Abtastmodul nach einem der Ansprüche 1—7, dadurch gekennzeichnet, daß der reflektierende Abtaster (70) eine langgestreckte reflektierende Oberfläche besitzt, die verlängert ist in der Ausdehnungsrichtung des auf die Oberfläche auftreffenden Ultraschallstrahlenbündels. 9. Abtastmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der reflektierende Abtaster (70) an einer Achse (71) in der Flüssigkeit montiert ist, die zu seiner Längsrichtung senkrecht steht
    10. Abtastmodul nach einem der Ansprüche 1—9, ίο dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (52)
    entlang der Abtastrichtung des Strahlenbündels verlängert ist
    11. Abtastmodul nach einem der Ansprüche 1 — 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (52) in bezug auf die Normale zu dem auf das Fenster (52) auftreffenden Ultraschallstrahlenbündel unter einem Winkel geneigt ist
    12. Abtastmodul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß der Abtastmodul ein Ultraschall absorbierendes Medium enthält das in besagtem Gehäuse (51) im Weg von innen an dem geneigten Fenster (52) reflektiertem Ultraschall angeordnet ist.
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