DE3029449C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Abtastgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Ultraschall- Abtastgerät mit einem relativ kleinen Bildkopf, der für viele Anwendungen bevorzugt ist, beispielsweise zur Abbildung von Gallenblasenbildern unter den Rippen oder zur Untersuchung des Schilddrüsengewebes.

Aus der US-PS 41 49 419 ist ein gattungsgemäßes Ultraschall- Abtastgerät bekannt, das zum Abtasten der oben genannten Pro­ blemzonen benutzt werden kann. Es weist mehrere Ultraschall­ wandler auf, die um eine gemeinsame Achse gedreht werden, wobei jeder Wandler nacheinander den Körper abtastet. Die Ultraschall-Strahlachsen sind in einer zur Drehachse recht­ winklig verlaufenden gemeinsamen Ebene angeordnet und schnei­ den die Drehachse. Bei dem gattungsgemäßen Gerät treten Prob­ leme mit Reflexionsstörsignalen (Nachhall) auf, die weiter unten anhand von Fig. 1 beschrieben werden.

Ferner ist aus der DE 26 07 109 A1 ein gattungsgemäßes Ultra­ schall-Abtastgerät bekannt, bei dem ein von mehreren um eine gemeinsame Achse rotierenden Ultraschallwandlern intermittie­ rend erzeugter Schallstrahl um eine im Abstand außerhalb des Objekts liegende Drehachse verstellt wird, so daß er einen in seiner Grundform trapezförmigen Bereich der Schnittebene über­ streicht. Die Anordnung der Ultraschallwandler bringt eben­ falls die zuvor erwähnten Nachhallprobleme mit sich.

Um die im Stande der Technik auftretenden Nachhallprobleme zu lösen, werden häufig die den ersten wenigen Zentimetern jen­ seits der Grenzfläche zugeordneten Echos unterdrückt. Dies wirft jedoch das Problem auf, daß nahe der Haut gelegene Gewe­ be nicht abgetastet werden können. In einigen Fällen werden die Wandler daher in einem Abstand von der Grenzfläche ange­ ordnet, der größer als die maximale Eindringtiefe des abzuta­ stenden Körpers ist. In diesem Falle werden die Echos vom Körpergewebe vor der zweiten Reflexion empfangen, wodurch das Nachhallproblem mit Ausnahme der ersten Rückstrahlung erledigt werden kann. Diese Lösung bedingt jedoch einen relativ großen Bildkopf, der als solcher für gewisse Anwendungsfälle, so z. B. die Abtastung hinter den Rippen oder die Abtastung der Schild­ drüse, ungeeignet ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein mehrere Wandler aufweisendes Ultraschall-Abtastgerät - bedarfsweise mit kleinem Bildkopf - zur Verfügung zu stellen, bei dem die bei bekannten Geräten unvermeidbaren Nachhallprobleme schädli­ che Nebeneffekte beseitigt sind.

Ausgehend von einem Ultraschall-Abtastgerät der eingangs ge­ nannten Art sieht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 vor.

Zwar ist bereits aus der GB 20 09 563 A eine Anordnung be­ kannt, bei der der von den Wandlern abgestrahlte Ultraschall außerhalb der Normalen zu einem Austrittsfenster bzw. zur Körperoberfläche durchtritt, jedoch bezieht sich dies nicht auf die geometrische Anordnung der Ultraschallwandler und kann nicht die Störechos von der inneren Grenzfläche bzw. Fenster­ fläche des Ultraschall-Abtastgeräts vermeiden. Vielmehr befaßt sich die GB 20 09 563 A mit einem Aufsatz für ein Ultraschall- Abtastgerät, der den Ultraschallgerätekopf und die Körper­ oberfläche auf Abstand hält, um die Beobachtung von Hauptberei­ chen zu ermöglichen. Der Aufsatz hat eine Strahleinfall- und eine Strahlausfallseite, die in bestimmtem Winkel zueinander geneigt sind. Dadurch werden unter Interferenzlöschung Nach­ hall-Störsignale vermieden, sofern der Inklinationswinkel auf die Ultraschallfrequenz abgestimmt ist. Nachteilig ist, daß der konstante Inklinationswinkel die Ultraschallfrequenz fest­ legt, daß also andere Sendefrequenzen ausgeschlossen werden. Außerdem können Störechos nur vermieden werden, solange der Ultraschall nicht senkrecht zur Strahlaustrittsfläche des Aufsatzes gesendet wird, wodurch bestimmte Bildbereiche nicht nachhallfrei erreichbar sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ultraschall-Abtast­ geräts einer herkömmlichen Ausführung gegenübergestellt wer­ den. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Bild­ kopf-Ausführung mit drei Wandlern;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht auf ein erstes Ausfüh­ rungsbeispiel des Bildkopfs eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Abtastgerätes;

Fig. 3 eine Querschnittansicht auf einen Teil des Bildkopfs gemäß Fig. 2, wobei auch die Verbindung eines im Bild­ kopf angeordneten Kodierers mit einem programmierbaren Festwertspeicher gezeigt ist;

Fig. 4 eine vergrößerte Teilansicht mit weggebrochenen Teilen des Bildkopfs gemäß Fig. 2;

Fig. 5 eine Schnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Bildkopfs mit zwei Wandlern; und

Fig. 6 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit einer geän­ derten Konfiguration des gesamten Bildkopfes.

Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein Bildkopf in typischer bekannter Ausführung mit mehreren in einem Gehäuse 10 drehbar gelagerten Wandlern gezeigt ist. Die Wandler 11, 12 und 13 sind um die Hauptachse 14 drehbar angeordnet. Die Strahlachse jedes Wandlers, d. h. die Achse, auf der die Ultraschall-Strahlung abgegeben und deren Echos empfangen werden, schneidet die Drehachse. So schneidet beispielsweise die Achse 17 des Wandlers 13 die Drehachse 14.

Bei dieser typischen bekannten Ausführung werden die Wandler nacheinander beim Überstreichen des Fensters 18 aktiviert. Das Fenster befindet sich mit dem Körper in Kontakt. Wenn die Strahlachsen dieser Wandler normal zum Körper oder zum Fenster verlaufen oder im wesentlichen normal zum Körper oder zum Fenster liegen, treten Echos von dieser Grenzfläche auf, welche vom Wandler abgetastet werden. Wie in Fig. 1 für die dargestellte Lage des Wandlers 11 gezeigt ist, wird Ultraschallstrahlung 15 aus dem Wandler 11 an der Grenzfläche reflektiert, so daß sich die Echos 16 ergeben. Das Schall­ echo 16 wird von der Fläche des Wandlers 11 reflektiert und von der Grenzfläche erneut zurückgeworfen. Dieser wiederholte Reflexionsvorgang ruft periodische Störsignale in dem zu be­ obachtenden Bild hervor. Zu beachten ist, daß dieses Problem des Nachhalls speziell dann auftritt, wenn sich der Wandler 11 in bezug auf die Grenzfläche in einer normalen (senkrechten) oder im wesentlichen normalen Lage befindet. In anderer Stellung werden dagegen die Reflexionen von der Grenzfläche nicht direkt in den Wandler zurückgeleitet.

Im folgenden wird auf Fig. 2 Bezug genommen, in welcher der neue Bildkopf gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gezeigt ist. Er ist in einem allgemein zylindrischen Gehäuse 22 angeordnet, das ein halbkugelförmiges Fenster 24 oder eine halbkugelförmige Membran als Kontaktfläche zum Körper aufweist. Bei dieser Form kann das Fenster 24 in geeigneter Weise zum Abtasten problematischer Zonen auf den Körper ge­ drückt werden.

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, weist der Bildkopf einen drehbaren Trägerteil 37 mit einer Drehachse 40 auf, an welchem Ultraschallwandler 26, 27 und 28 angebracht sind. Der drehende Trägerteil 37 wird über einen Riementrieb von einem Motor 43 angetrieben. Die Lage des Trägerteils 37 bei dessen Drehbewegung ist von einem mechanischen Kodiergerät 42 bestimmt, das synchron mit dem drehbaren Trägerteil 37 an­ getrieben wird.

Jeder der Wandler weist eine Strahlachse auf, entlang der Ultraschallwellen abgestrahlt und empfangen werden. Die Strahlachse 34 des Wandlers 26 ist zur Erörterung hier dargestellt. Die Wandler sind so angebracht, daß ihre Strahl­ achsen gegenüber der Drehachse 40 versetzt bzw. zu dieser in Abstand angeordnet sind. Anders als bei der bekannten Ausführung gemäß Fig. 1, bei der die Strahlachsen die Dreh­ achse schneiden, ist die Strahlachse 34 überall entfernt von der Drehachse 40 angeordnet.

Alle Strahlachsen liegen in einer gemeinsamen Ebene, welche senkrecht zur Drehachse 40 verläuft. Außer­ dem sind die Wandler in gleichem Winkelabstand um die Achse 40 angeordnet, und bei dem beschriebenen Ausführungsbei­ spiel mit drei Wandlern sind diese im Winkelabstand von 120° voneinander angeordnet.

Gummi-Schallschirme bzw. -wände sind am drehbaren Träger­ bauteil 37 neben dem inaktiven Ende jedes der Wandler ange­ ordnet. So liegt beispielsweise die Schallwand 30 entgegen­ gesetzt zur Fläche 35 des Wandlers 26. In ähnlicher Weise liegen die Schallwände 31 und 32 neben den inaktiven Enden der Wandler 27 bzw. 28. Diese Schallwände dienen zur Ver­ ringerung der Übertragung unerwünschter Schallwellen inner­ halb des Bildkopfs.

Bei dem beschriebenen und bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Fenster oder die Membran 24 halbkugelförmig, und der Radius der Halbkugel hat seinen Ursprung auf der Drehachse 40. Eine halbsteife Membran mit einer Dicke von etwa der Hälfte der Ultraschallwellenlänge wird verwendet. Auch bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der durch das Gehäuse und das Fenster 24 umgrenzte Raum mit Flüssigkeit gefüllt. Bezüglich der Membrandicke und der akustischen Eigenschaften der Flüssigkeit wird auf die rangältere Patentanmeldung P 29 28 560.7 der Anmelderin verwiesen.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel werden im Handel erhältliche Wandler mit einem Durchmesser von 13 mm und einer Mittenfrequenz von etwa 3,5 MHz verwendet. Eine Impulsfolgefrequenz von etwa 3 kHz wird verwendet. Die Wandler werden bei einer Drehgeschwindigkeit von etwa 6,6 U/s innerhalb des flüssigkeitsgefüllten Gehäuses betrieben.

Bekanntlich werden die Wandler nacheinander aktiviert, wenn ihre jeweiligen Strahlachsen das Fenster 24 über­ streichen. Bei den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Stellungen der Wandler ist der Wandler 26 aktiviert und die Wandler 27 und 28 sind abgeschaltet. Bei weiterer Drehung folgt dann die Aktivierung des Wandlers 28 usw. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem drei Wandler verwendet werden, wird jeder Wandler bei Erreichen der Stellung des Wandlers 26 (-90° von der Achse 39) aktiviert. Die Wandler werden bei etwa 15° hinter der Achse 39 ausgeschaltet. Es gibt daher eine "Totzeit" über etwa 45° bei jeder Drehung des drehenden Trägerbauteils.

Es ist zu beachten, daß wegen der Versetzung der Wandler die Strahlachsen der Wandler niemals normal oder ange­ nähert normal zur Grenzfläche des Bildkopfs und des zu untersuchenden Körpers verlaufen. So ist beispielsweise zu erkennen, daß die Strahlachse 34 nicht normal oder rechtwinklig zur Membran 24 verläuft und eine solche Relativlage auch nicht erreicht, wenn sie um die Achse 40 gedreht wird. Hierin liegt der wesentliche Unterschied zu der bekannten Ausführung gemäß Fig. 1, bei der jeder der Wandler in der Stellung des Wandlers 11 eine zur Grenzfläche normal verlaufende Achse hat. Durch diese Versetzung der Wandlerachse werden Echos von der Grenz­ fläche von der Empfangsfläche der Wandler weg gerichtet. Wie beispielsweise durch das Echo 46 gemäß Fig. 4 ge­ zeigt ist, wird der von der Grenzfläche zurückkehrende Schall von der Empfangsfläche 35 des Wandlers 26 fortge­ richtet und weitgehend von der Schallwand 31 absorbiert.

Die von den Wandlern aufgenommenen Echos können in ver­ schiedenen bekannten Weisen zur Erzeugung sichtbarer Bilder der Körpergewebe verarbeitet werden.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein pro­ grammierbarer Festwertspeicher (PROM) 45 in Fig. 3 als Eichgerät verwendet. Der Kodierer 42 liefert ein digitales Signal, das für die momentane Winkellage des drehbaren Träger­ bauteils 37 kennzeichnend ist. Aus dieser Information ist die erwartete Position der Strahlachse jedes der Wandler bekannt. Jedoch sind die Strahlachsen dieser Wandler selten in Ausrichtung mit dem Wandlerkörper. Typische Spezifikationen von im Handel erhältlichen Wandlern ergeben eine Toleranz von ±1° für den Unterschied zwischen der tatsächlichen Strahl­ achse und der Zentralachse dieser Wandler. Der PROM 45 wird programmiert, nachdem die Wandler auf dem drehbaren Trägerbauteil 37 angebracht sind. Wenn das drehbare Träger­ bauteil gedreht wird, wird die Istlage der Strahlachse fest­ gestellt und mit der Winkelstellung des drehbaren Bauteils 37 verglichen. Diese Daten werden innerhalb des PROM 45 ge­ speichert. Das Ausgangssignal des Kodierers 42 wird zum Adressieren des PROM's, d. h. zum Aussuchen der Daten an einer besonderen Speicherstelle innerhalb des PROM 45 verwendet. An dieser Speicherstelle ist der Istwert der Strahllage gespeichert, der als Ausgangssignal vom PROM 45 ausgegeben wird. Nach der Herstellung jedes Bildkopfes wird daher ein PROM programmiert, der als Eichgerät für diesen zugehörigen Kopf dient.

Wenn auch bei dem beschriebenen bevorzugten Ausführungs­ beispiel drei Wandler verwendet werden, können in ähnlicher Weise andere Anzahlen von Wandlern eingesetzt werden, die jeweils gegenüber der Drehachse versetzt angeordnet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist ein Gehäuse 50 mit einer Membran bzw. einem Fenster 51 gezeigt. Ein drehbares Träger­ bauteil 58, das um die Achse 57 dreht, weist zwei, in gleichem gegenseitigen Winkelabstand angeordnete Wandler 53 und 54 auf. Auch hier sind die Strahlachsen dieser Wandler, z. B. die Achse 56 des Wandlers 54, gegenüber der Achse 57 versetzt. Die Strahlachsen der Wandler liegen auch bei diesem Ausführungsbeispiel in einer gemeinsamen Ebene, welche senkrecht zur Achse 27 verläuft. Zu beachten ist, daß bei Verwendung weniger Wandler eine größere "Totzeit" auftritt.

In Fig. 6 ist ein anderes Ausführungsbeispiel darge­ stellt, das ein L-förmiges Gehäuse hat. Das Gehäuse 63 weist einen Griffabschnitt 65 und ein Fenster 64 auf. Die beiden Wandler sind auf dem drehbaren Trägerbauteil 61 versetzt angeordnet, wobei letzteres vom Motor 66 an­ getrieben ist. Auch ist ein Kodierer 62 bei diesem Aus­ führungsbeispiel dargestellt. Für einige Körperzonen er­ möglicht die rechtwinklige Anordnung der Membran gegen­ über dem Handgriff eine leichtere Handhabung und ein­ fachere Abtastung.

Vorstehend wurde ein Bildkopf mit mehreren umlaufenden Wandlern beschrieben. Durch Versetzen der Wandler gegen­ über deren Drehachse verläuft die Ultraschall-Übertra­ gungsrichtung zu und von der Wandlerfläche niemals recht­ winklig zur Grenzfläche zwischen Körper und Kopf. Dadurch wird das Nachschallproblem, das bekannten Abtastgeräten grund­ sätzlich anhaftete, eliminiert.

Claims (7)

1. Ultraschall-Abtastgerät mit mehreren Ultraschallwandlern, die an einem um eine Drehachse drehbaren Trägerbauteil in einem Gehäuse gehaltert sind und deren Ultraschall-Strahlachsen (34; 56) in einer zur Drehachse (40; 57) rechtwinklig verlaufenden gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wobei das Gehäuse ein Übertragungsfenster aufweist, das von der Strahlachse jedes der Wandler beim Umlauf des drehbaren Trägerbauteils um die Drehachse nacheinander überstrichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (26, 27, 28; 53, 54) am drehbaren Trägerbauteil (37; 58; 61) so angeordnet sind, daß ihre Ultraschall-Strahlachsen (34; 56) die Drehachse (40; 57) des Trägerbauteils nicht schneiden, so daß der von den Wandlern abgestrahlte Ultraschall durch das Fenster (24; 51; 64) außerhalb der Normalen zu diesem Fenster durchtritt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (26, 27, 28; 53, 54) gleichmäßig um die Drehachse (14; 57) verteilt angeordnet sind.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (24; 51; 64) halbkugelförmig ausgebildet ist und einen auf der Drehachse (40; 57) gelegenen Mittelpunkt hat.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Gehäuses (22; 50; 63) in welchem die Wandler (26, 27, 28; 53, 54) angeordnet sind, mit Flüssigkeit gefüllt ist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem drehbaren Trägerbauteil (37; 58; 61) eine Lage-Anzeigevorrichtung (42) gekoppelt ist, die ein für die Iststellung der Wandler (26, 27, 28) bei deren Drehung um die Drehachse (40) repräsentatives digitales Ausgangssignal erzeugt.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage-Anzeigevorrichtung (42) ausgangsseitig mit einem Speicher (45) zu dessen Adressierung verbunden ist und daß der Speicher für die Iststellung der Strahlachsen (34) der Wandler als Funktion der angezeigten Position repräsentative Daten enthält.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage-Anzeigevorrichtung ein digitaler Kodierer (42) und der Speicher ein programmierbarer Festwertspeicher (45) ist.