DE2946485A1

DE2946485A1 - Real-time display for ultrasonic scanner - has offset arrays of parallel detectors linked via amplifying and rectifying circuits

Info

Publication number: DE2946485A1
Application number: DE19792946485
Authority: DE
Inventors: Manfred 8000 München Renz; Dipl.-Phys. Christof Scherg
Original assignee: STRAHLEN UMWELTFORSCH GmbH
Current assignee: STRAHLEN UMWELTFORSCH GmbH
Priority date: 1979-11-17
Filing date: 1979-11-17
Publication date: 1981-05-27

Abstract

The real time display has a detector plate with parallel electrode strips on one side, and with a similar set of strips on the other side, but offset. The arrays are linked to amplifying and rectifying circuits and from there to a video processing circuit. The display panel detects selective wavelengths of ultrasonic signals. The base plate for the detector is a piezo-ceramic plate transparent to the wavelengths, with the strips detecting the signals on the overlapping points.

Description

Einrichtung zur EchtzeitdarstellungReal-time display facility

von Ultraschallbildern eines Objektes Beschreibung: Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Echtzeitdarstellung von Ultraschallbildern eines Objektes, bei der das Objekt von einer Sbbildungslinse auf einen flächenhaften Bildwandler abbilduno bar ist /parallel zueinander liegende Elektrodenreihen in zwei Ebenen angeordnet sind, wobei die in den beiden Ebenen so gebildeten Reihen außerdem zueinander um einen Winkel verdreht angeordnet sind und jede Parallelschar über ein Schaltelement mit einem elektrischen Abgriff verbindbar ist.of ultrasound images of an object Description: The invention relates to a device for real-time display of ultrasound images of an object in which the object moves from an imaging lens to a planar one Image converter can be displayed / rows of electrodes lying parallel to one another in two levels are arranged, with the rows so formed in the two levels are also arranged rotated to each other by an angle and each parallel set can be connected to an electrical tap via a switching element.

Es ist bekannt, ein zweidimensionales Elektretarray mit serieller Abfrage und holographischer Bilderzeugung zu benutzen (P. Alais, "Acoustical holography", Vol. 4., S1. 237-249, 1972), Bei diesem Verfahren wird dem Empfangssignal ncch eine Referenzwelle überlagert. Das Videobild ist demnach ein Hologramm, das noch nicht direkt beobachtet werden kann. Vielmehr muß es abfotografiert, dann verkleinert und mit einem Laser rekonstruiert werden. Hierbei wurde auf eine Schallabbildungslinse absichtlich verzichtet und hohe Anforderungen an den Bildwandler, insbesondere hinsichtlich Auf lösung und der Notwendigkeit sowohl Amplitude als auch Phase der Schallwelle am Bildwandler abzufragen, in Kauf genanmen.It is known, a two-dimensional electret array with serial To use query and holographic imaging (P. Alais, "Acoustical holography", Vol. 4., S1. 237-249, 1972), With this method, the received signal is ncch Reference wave superimposed. The video image is therefore a hologram, which is not yet can be observed directly. Rather, it has to be photographed, then scaled down and reconstructed with a laser. This was done on a sound imaging lens deliberately omitted and high demands on the image converter, especially with regard to On resolution and the need for both amplitude and phase of the sound wave to query on the image converter, accepted.

Weiterhin ist es bekannt, bei einem zweidimensionalen Elektretarray parallel oder seriell abzufragen, wobei jedoch nur ein Verstärker für die serielle Abfrage des gesamten Arrays verwendet wird (A.K.It is also known in the case of a two-dimensional electret array query in parallel or in series, with only one amplifier for the serial Query of the entire array is used (A.K.

Nigam et al "Acoustical hclography",Vol. 4,S. 173-194, 1972). Diese Anordnung genügt noch den Anforderungen für ein Array mit 16 x 16 Elementen. Bei einem größeren Empfänger mit z.B. 256 x 256 Elementen würde sie jedoch zu langsam sein, um ein Abfragen des Bildes in genügend kurzer Zeit zu erlauben. Eine Echtzeitdarstellung eines Objektes findet aber auf allen Fällen nicht statt.Nigam et al, "Acoustical hclography", Vol. 4, p. 173-194, 1972). These The arrangement still meets the requirements for an array with 16 x 16 elements. at However, it would be too slow for a larger receiver with e.g. 256 x 256 elements to allow the image to be queried in a sufficiently short time. A real-time display of an object does not take place in all cases.

Die der Erfindung gestellt Aufgabe besteht nunmehr darin, Ultraschallfelder und Ultraschallbilder von z.B. Strukturen im Körperinneren (Sehnen, Muskeln, Blutgefäße, Organe) für die medizinische Diagnostik zweidimensional in Real-Time mit großer Empfindlichkeit sichtbar zu machen.The object of the invention is now to generate ultrasonic fields and ultrasound images of e.g. structures inside the body (tendons, muscles, blood vessels, Organs) for medical diagnostics two-dimensional in real time with large sensitivity to make visible.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Merkmalen des Anspruches 1 wiedergegeben. Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfidung an.The solution to this problem is given in the features of claim 1. The remaining claims indicate advantageous developments of the invention.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt in der Art der Bildwandlung. Da die Abbildungslinse bereits ein Abbild des Objektes auf dem Bildwandler erzeugt, genügt eine Intensitätsabfrage auf dem Bildwandler. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demnach die Auflösung hauptsächlich durch die Qualität der Ultraschallabbildungslinse bestimmt. Experimentell konnte jedoch festgestellt werden, daß die Auflösung der Schallinsen die mit holographischen Methoden erreichbare Auflösung deutlich übertrifft.The main advantage of the invention lies in the type of image conversion. Since the imaging lens already creates an image of the object on the image converter, an intensity query on the image converter is sufficient. In the method according to the invention accordingly, the resolution is mainly determined by the quality of the ultrasonic imaging lens certainly. However, it has been found experimentally that the dissolution of the Sonic lenses clearly exceed the resolution that can be achieved with holographic methods.

Die Probleme zur Intensitätsabfrage des Bildwandlers mit vergleichbarer Auflösung und großer Geschwindigkeit sind lösbar, so daß eine videofrequente Bilddarstellung ermöglicht wird.The problems with the intensity query of the image converter with comparable Resolution and high speed can be solved, so that a video-frequency image display is made possible.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Fig. 1 - 5 näher erläutert, wobei die Fig. 1 eine schematische Gesamtübersicht über die Meß- und Abbildungsanordnung, die Fig. 2 einen Teil des Bildwandlers, Fig. 3 die schematisierte Abfragesteuerung des Bildwandlers, Fig. 4 ein Beispiel für einen Verstärker- und Gleichrichter und Fig. 5 ein Blockschaltbild für die Kontrollogik wiedergibt.The invention is illustrated below using an exemplary embodiment Explained in more detail by means of FIGS. 1-5, FIG. 1 being a schematic overall overview on the measurement and imaging arrangement, FIG. 2 shows part of the image converter, FIG. 3 the schematic query control of the image converter, FIG. 4 an example for an amplifier and rectifier; and FIG. 5 is a block diagram for the control logic reproduces.

Zur Echtzeitdarstellung von Ultraschallbildern wird mit einer Schallquelle 1 und Kondensoreinrichtung 2 (Fig. 1) ein Objekt 3 in Transmission beschallt. Eine weitere Linse 4 bildet das Objekt 3 auf den Bildwandler 5 ab. Der Bildwandler 5 liefert ein intensitätsanaloges Abbild der Ultraschallinformation des Objektes 3 in Videonorm an den Monitor 6, auf dem die optische Darstellung erfolgt. Da Schallwellen das Gewebe durchdringen, kann so auch lnfcrmation über das Körperinnere (Knochen, Sehnen etc.) auf dem Monitor 6 sichtbar gemacht werden. Die gesamte Ultrasiallanordrnw (ohne Monitcr) befindet sich in einem Wasserbecken 7 zwecks akustischer Anpassung.A sound source is used to display ultrasound images in real time 1 and condenser device 2 (Fig. 1) sonicated an object 3 in transmission. One Another lens 4 images the object 3 onto the image converter 5. The image converter 5 supplies an intensity-analogous image of the ultrasound information of the object 3 in video standard to the monitor 6, on which the visual representation takes place. There sound waves penetrate the tissue, infusion via the inside of the body (bones, Tendons etc.) can be made visible on the monitor 6. The entire Ultrasiallanordrnw (without Monitcr) is located in a water basin 7 for the purpose of acoustic adaptation.

Um aus den Schallwellen auf der Eingangsseite 8 des Bildwandlers 5 ein elektrisches Videoausgangssignal zu erzeugen, wird eine piezokeramische Platte 9 auf beiden Seiten streifenweise eingeritzt, jedoch die Streifenorientierung auf der Unterseite um 9o° gegenüber der Oberseite gedreht (Fig. 2). Die Elektroden auf den beiden Seiten (Parallelscharen lo u. 11) werden durch die Ritzung ebenfalls unterbrochen, so daß die Elektroden auf der einen Seite z.B. den Zeilen des zu erzeugenden Videobildes 12 (s.Fig. 1), auf der anderen Seite den Spalten des Bildfeldes 12 entsprechen . über die Elektroden lo,ll kann jeder Koordinatenpunkt des so gebildeten Arrays adressiert und abgefragt werden, denn durch die Einwirkung der Schallwelle an der Frontseite -oder Einfallseite (Elektrodenscharen lc oder 11) der Keramikplatte 9 entsteht eine Hf-Wechselspannung zwischen Front- und Rückseite jedes Elementes, die der Schallfeldamplitude am Elementpunkt (Gitterpunkt) entspricht.To get out of the sound waves on the input side 8 of the image converter 5 A piezoceramic plate is used to generate an electrical video output signal 9 incised in stripes on both sides, but showing the stripe orientation the bottom rotated by 90 ° compared to the top (Fig. 2). The electrodes on the two sides (parallel shares lo and 11) are also marked by the scoring interrupted, so that the electrodes on one side, for example, the lines of the Video image 12 (see Fig. 1), on the other hand, correspond to the columns of the image field 12 . Each coordinate point of the array formed in this way can be used via the electrodes lo, ll addressed and queried, because by the action of the sound wave on the Front side or incidence side (electrode groups 1c or 11) of the ceramic plate 9 there is a high-frequency alternating voltage between the front and back of each element, which corresponds to the sound field amplitude at the element point (grid point).

Durch die erforderliche hche Abfragegeschwindigkeit müssen beispielsweise bei einem 200 x 2co Elementarray bei einer Bildfrequenz vcn 5c Hz entsprechend der Videohalbbildfrequenz prc Sekunde 2 Millionen Elemente abgefragt werden. Das bedeutet, daß pro Bildpunkt nur maximal 5co ns übrig bleiben. Werden noch die Austastlücken bei Videoabfrage berücksichtigt, so bleiben nur ca.Due to the high query speed required, for example with a 200 x 2co element array at an image frequency of 5c Hz corresponding to Video field rate prc second 2 million elements are queried. That means, that only a maximum of 5co ns remain per pixel. Will the blanking intervals included in the video query, only approx.

200 ns Zeit für die Abfrage eines Bildpunktes. Diese kurze Zeit muß nun im Zusammenhang mit der Periodendauer einer Schwingung des Schallfeldes gesehen werden. Bei Beschallung mit 2 MHz, wie in der medizinischen Diagnostik üblich, ist jedoch die Periodendauer des Schallsignals schon 5co ns, alsc wesentlich länger als die dPbfragezeit für ein Bildelement. Daher ist es nicht möglich, während der Abfragezeit die Amplitude bzw. Intensität des Schallfeldes erst zu ermitteln. Vielmehr muß die amplitude bereits ermittelt und noch abrufbereit sein im Zeitpunkt der Abfrage.200 ns time for polling a pixel. This short time must now seen in connection with the period of an oscillation of the sound field will. With sound at 2 MHz, as is usual in medical diagnostics however, the period of the sound signal is already 5co ns, than it is much longer as the dP interrogation time for a picture element. Therefore it is not possible during the Query time to determine the amplitude or intensity of the sound field. Much more the amplitude must already be determined and still be available at the time of the query.

Dies ist möglich bei Verwendung einer Abfragesteuerung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Wesentlich dabei ist, daß z.B. die Spalten 11 im Bildfeld parallel verstärkt und gleichgerichtet werden. Dann ist es nämlich möglich, bereits während der Austastlücke im Videobild 12 schon auf die nächste Zeile(Parallelschar lo) umzuschalten und die Gleichspannungspege 1 entsprechend der Amplitude bzw. Intensität des Schallfeldes zu ermitteln, bevor die Abfrage in der Zeile lo beginnt. Denn während der 12/s der horizontalen Austastlücke, hat die Schallwelle bei 2 MHz bereits 24 Perioden, was genug istEum Amplitude oder Intensität zu bestimmen. Da an allen Parallelausgängen nur kaum veränderliche Gleichspannungspegel anliegen, kann nun mit der erforderlichen Abfragegeschwindigkeit vorgegangen werden. Zur Zeilen- bzw. Spaltenadressierung werden FET-Schalter (}8nalogmultiplexer) 13 benutzt, die durch eine Kontrollogik 14 entsprechend dem Videotakt 15 (ZNA-l34J) betätigt werden. Am Ausgang 16 des Spaltenmultiplexers 17 (HI-506) erscheint das Bildsignal, das durch geeignete Verstärkung 2c und/oder 21 (HA-2525) und Addition mit dem AS-Signal 18 des Videotaktgebers 15 in das gencrmte BAS-Videosignal 19 umgewandelt wird, so daß die Bilddarstellung ohne weitere Zusätze auf herkömmlichem Fernsehmonitor 5 (s. Fig.l) möglich ist.This is possible when using a query control as described in Fig. 3 is shown. It is essential that e.g. the columns 11 in the image field are amplified and rectified in parallel. Then it is possible, already during the blanking interval in the video image 12 already on the next line (parallel array lo) and switch the DC voltage level 1 according to the amplitude or intensity of the sound field before the query begins in line lo. Because during of the 12 / s of the horizontal blanking interval, the sound wave at 2 MHz already has 24 Periods, which is enough to determine amplitude or intensity. As at all parallel outputs only barely variable DC voltage levels are applied, can now with the required Query speed. For row or column addressing FET switches (} 8analog multiplexer) 13 are used, which are controlled by a control logic 14 can be operated in accordance with video clock 15 (ZNA-134J). At the output 16 of the column multiplexer 17 (HI-506) appears the image signal, which by suitable amplification 2c and / or 21 (HA-2525) and addition with the AS signal 18 of the video clock generator 15 in the gencrsame BAS video signal 19 is converted, so that the image display without further additions on conventional television monitor 5 (see Fig.l) is possible.

Zwischen jedem Reihenausgang der Spaltenparallelenschar 11 und dem Spaltenmultiplexer 17 (oder des Zeilenmultiplexers 22; HI-506) ist das Verstärkungs- und Gleichrichtungselement 23 eingeschaltet.Between each row output of the array of parallel columns 11 and the Column multiplexer 17 (or of the row multiplexer 22; HI-506) is the gain and rectifying element 23 turned on.

Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 4 gezeigt. Es besteht aus den Verstärkereinheiten 24 und 25 (SG-34cl und SG-2741) sowie den Gleichrichtungselementen 26-28.An example of this is shown in FIG. It consists of the amplifier units 24 and 25 (SG-34cl and SG-2741) as well as the rectifying elements 26-28.

Die Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild für die Kontrollogik 14 (s. Fig. 3) für bis zu 256 x 256 Elemente . Der Videotaktgeber 15 steuert sowohl die variable 2eilenpulsverzoieruily- 29 (1/= x SN 74123) als auch die variable Bildpulsverzögerung 30 (1/2 x SN 74123) an. Von diesen werden über die Zählersteuerung 31 bzw.Fig. 5 shows the block diagram for the control logic 14 (see Fig. 3) for up to 256 x 256 elements. The video clock generator 15 controls both the variable 2eilenpulsverzoieruily- 29 (1 / = x SN 74123) as well as the variable image pulse delay 30 (1/2 x SN 74123). Of these, the counter control 31 or

32 (1/2 x SN 7436 + 1/2 x SN 7476) die Taktzähler 33 bzw. 34 angesteuert, die dann jeweils die Spalten bzw. Zeilen mit den Multiplexern 35 bzw. 36 (SN 74151 + 16 x HI-5o6) schalten,wo bei der digitale Multiplexer (SN 74151) immer nur einem der 16 angeschlossenen Analogmultiplexer (HI-506) das Schalten ermöglichst. Ferner steuert die Zählersteuerung 31 der Spaltenselektion den Abfragetaktoszillator 43 (SN 7400) und bewirkt nach erfolgter Abfrage der Spalten das Weiterschalten auf die nächste Zeile.32 (1/2 x SN 7436 + 1/2 x SN 7476) the cycle counter 33 or 34 is controlled, then each of the columns or rows with the Multiplexers 35 or 36 (SN 74151 + 16 x HI-5o6) where the digital multiplexer (SN 74151) only allows one of the 16 connected analog multiplexers (HI-506) to switch. Furthermore, the counter controller 31 of the column selection controls the polling clock oscillator 43 (SN 7400) and, after querying the columns, causes switching to the next line.

In Fig. 6 ist eine mögliche Verbesserung des Bildwandlers 5 (Fig.l) schematisch für ein 4 x 4 Array mit Piezokeramik dargestellt.In Fig. 6 is a possible improvement of the image converter 5 (Fig.l) shown schematically for a 4 x 4 array with piezoceramic.

Das Ritzschema der Piezoplatte Fig. 2 wurde beibehalten, um die akustische Entkopplung zwischen den einzelnen Elementen auch weiterhin zu erhalten. Die Elektroden lo wurden jedoch kurzgeschlossen und deren Schaltfunktion durch eine elektrooptische Schaltung ersetzt. Hierzu wird zunächst jedes Element mit einer Hilfselektrode 38 versehen, die jedoch von jedem Nachbarelement elektrisch isoliert ist. Uber eine photoleitende Schicht 37 kann jedoch das Hilfselektrodenpotential durch Lichteinfall auf die transparenten Elektroden 11 durchgeschaltet werden.The scribing scheme of the piezo plate Fig. 2 was retained in order to create the acoustic To maintain the decoupling between the individual elements. The electrodes lo were short-circuited and their switching function by an electro-optical Circuit replaced. For this purpose, each element is first provided with an auxiliary electrode 38 provided, which is, however, electrically isolated from each neighboring element. Over a photoconductive layer 37 can, however, the auxiliary electrode potential by incidence of light are switched through to the transparent electrodes 11.

Eine mögliche Vorrichtung zur geeigneten Beleuchtung ist ebenfalls in Fig. 6 skizziert. Hierbei wird der Analogmultiplexer 22 bzw. 17 aus Fig. 3 durch den Digitalmultiplexer 42 ersetzt. Dieser steuert die Leuchtdioden 40 an. Die Zylinderlinse 41 entwirft ein Streifenbild jeder Leuchtdiode 40 auf die photoleitende Schicht 37 der Piezoplatte. Wird z.B. nur eine LED (zweite von rechts) eingeschaltet, so wird über die Zylinderlinse 41 nur die Fläche 39 bestrahlt. Nur unter der bestrahlten Fläche können dann die Potentiale der Hilfselektroden über die photoleitende Schicht auf die Elektroden 11 durchgeschaltet werden. Bei dieser Anordnung kann eine höhere Isclation zwischen den einzelnen Elementen erreicht werden, da das elektrische Übersprechen reduziert werden kann.A possible device for suitable lighting is also outlined in FIG. 6. The analog multiplexer 22 or 17 from FIG replaces the digital multiplexer 42. This controls the light-emitting diodes 40. The cylinder lens 41 designs a stripe image of each light emitting diode 40 on the photoconductive layer 37 of the piezo plate. If, for example, only one LED (second from the right) is switched on, so only the surface 39 is irradiated via the cylindrical lens 41. Only under the irradiated Surface can then be the potentials of the auxiliary electrodes over the photoconductive layer are switched through to the electrodes 11. With this arrangement, a higher Isclation between the individual elements can be achieved because of the electrical crosstalk can be reduced.

In Abwandlung hierzu kann auch die elektrooptische Schaltung auf der gegenüberliegenden Seite angebracht werden. Hierzu müßte über den Elektroden lo, die dann die Hilfselektroden wären, jeweils photoleitende Schichten angebracht werden und darüber eine gemeinsame flächenhafte transparente Elektrode, die dann geerdet wird. Bei streifenhafter Beleuchtung der Unterseite,ähnlich wie in Fig. 6 für die Oberseite der Piezoplatte eingezeichnet, würde dann das Massepotential durch den Photoleiter auf die Hilfselektroden lo durchgeschaltet werden.As a modification of this, the electro-optical circuit on the on the opposite side. This would have to on the Electrodes lo, which would then be the auxiliary electrodes, each photoconductive layer be attached and over it a common flat transparent electrode, which is then grounded. With strip-like illumination of the underside, similar to in Fig. 6 for the top of the piezo plate, the ground potential would then be switched through by the photoconductor to the auxiliary electrodes lo.

Claims

Claims: 1. Device for real-time display of ultrasound images of an object in which the object moves from an imaging lens to a flat one Image converter can be mapped and rows of electrodes lying parallel to one another in two Levels are arranged, with the parallel sets formed in the two levels are also arranged rotated to each other by an angle and each row above a switching element can be connected to an electrical tap, characterized in that that with one of the parallel sets (lo or 11) between each row of electrodes and an amplification and rectification circuit (23) is inserted into the switching element (13) is.

2. Device according to claim 1, characterized in that a control logic (14) corresponding to a video clock (15) the switches (13) of both parallel groups (lo, 11) controls and that the individual signals for direct image display on one TV monitor (6) are given.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that the parallel panels (lo, 11) on two opposite surfaces of a piezoceramic plate (9) are arranged.

4. Device according to claim 1 to 3, characterized in that a photoconductive layer (37) is attached to a planar image converter (5) is, above which there is a parallel array of electrodes (lo or 11), which however is transparent to electromagnetic waves in at least one spectral range, so that the switching function of the second parallel set of electrodes rotated by an angle through an electromagnetic wave image through the transparent electrode is executable.