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End@skopische Sonde, Einrichtung und
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zugehöriges Verfahren
Endoskopische Sonde, Einrichtung
und zugehöriges Verfahren Endoskope für die Sichtuntersuchung innerer Organe lebender
Körper sind bekannt. Sie umfassen entweder einen biegsamen oder starren Schlauch,
der zwischen einem Steuergehäuse an dem dem Untersuchenden nahen Ende und einer
Spitze oder Sonde an dem dem Untersuchenden fernen Ende verläuft. Ein biegsamer
Schlauchabschnitt ist nahe der Sonde vorgesehen, der unter Anwendung einer Stellvorrichtung
am Steuergehäuse von einem Bediener abgebogen werden kann. Ferner sind optische
Beleuchtungs- und Beobachtungsmittel vorgesehen, die eine Objektivlinse an der Sonde
und ein Okular am Steuergehäuse umfassen, so daß die Höhlungs-Oberfläche beobachtet
werden kann.
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Endoskope geben dem Untersuchenden zwar Informationen bezüylich des
Zustands von im Körper liegenden Oberflächen, die Notwendigkeit einer Ultraschallabbildung
darunterliegender Flächen ist jedoch längst anerkannt. In einer Veröffentlichung
mit dem Titel "A New Trans-digestive-tract Scanner Wltfr A Gastro-fiberscope" von
K. Hisanage und A. Hisanage in "Proceedings of the 23rd Annual içleetiny of the
American Institute of Ultrasound in Medicine", 1978, S. 108, ist ein Faseroptik-Endoskop
mit einem beweglichen Wandler zur Erzielung von B-Sektorabtast-Abbildungen von
darunterliegendem
Gewebe gezeigt. Ls wird jedoch in dem Artikel gesagt, daß die erhaltenen Abbildungen
diagnostisch wertlos sind. Sonden mit linearen Wandleranordnungen sind ferner aus
der US-PS 3 938 502 und der DE-PS 2 305 501 bekannt. Dort sind kreisförmige bzw.
geradlinige Wandleranordnungen gezeigt. Diese Sonden weisen jedoch keine optischen
Beobachtungsmittel auf, mit deren Hilfe der Untersuchende die Sonde an erwünschten
Stellen innerhalb des Körperteils positionieren könnte. Ohne dieses Wissen bezüglich
der Lage und Orientierung des Wandlers sind erzeugte U'ltraschallabbildungen nur
von sehr geringem diägnostischem Wert. Ferner sind normalerweise optische Beobachtungsittel
erforderlich, um die Sonde während ihrer Einführung in das Körperorgarl so sicher
zu führen, daß der-Patient weder Verletzungen erleidet noch Schmerzen ertragen muß.
Außerdem weisen diese Sonden keine akustische Zylinderlinse zur Strahlfokussierung
auf. Lineare Ultraschallwandleranordnungen mit einer Zylinderlinse für die Fokussierung
in einer Ebene, die zur elektronischen Strahlfokussierung in einer zweiten Ebene
senkrecht liegt, sind in der US-PS 3 936 791 angegeben. Dort ist die Linse jedoch
mit einer konkaven freien Außenfläche ausgebildet, die zum Einsatz in einer endoskopischen
Sonde nicht geeignet ist.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Sonde,
die in eine Körperhöhlung zwecks Abbildung innerer Körperteile mittels Ultraschall-B-Streifenabtastung
einführbar ist. Dabei soll ein kombiniertes impulsgesteuertes Ultraschall-B-Abtastungs-Abbildungssystem
und Endoskop geschaffen werden, mit dem die vorgenannten Nachteile und Schwierigkeiten
des Standes der- Technik überwindbar sind.
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Ferner soll ein Ultraschall-Abbildungssystem und Endoskop geschaffen
werden, das eine Sonde aufweist, die in einfacher Weise optisch zu erwünschten Stellen
in Körperorganen geführt
werden kann und mit der Echtzeit-Abbildungen
hoher Auflösung von darunterliegendem Gewebe erhalten werden, die für diagnostische
Zwecke brauchbar sind.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch den Einsatz eines
Endoskops, das eine Sonde aufweist, die mit einem Schlauch an ein Steuergehäuse
angeschlossen ist.
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Das Instrument kann ein optisches Beleuchtungs- und Beobachtungssystein
mit einer Objektivlinse an der Sonde und einem Okular am Gehäuse aufweisen, so daß
Innenflächen von Krperteilen optisch betrachtet werden können. Wenigstens ein Abschnitt
des Schlauchs angrenzend an die Sonde ist biegsam, und der Bediener biegt den Schlauch
mittels eines Stellgriffs am Steuergehäuse in eine erwünschte Richtung, wodurch
das Führen der Sonde in den Körperteil und das Positionieren der Sonde an einer
erwünschten Stelle im Körperteil erleichtert werden. Eine Ultraschallabbildung von
darunterliegendem Gewebe an optisch identifizierbaren Bereichen wird durch ein impulsge,steuertes
Ultraschallabbildungssystem mit B-Streifenabtastung erhalten. Eine Wandleranordnung
ist in der Sonde nahe deren gehäusefernem Ende angeordnet, und Koaxialkabel verbinden
einzelne Wandlerelemente der Anordnung mit einem Impulsgeber und einem Impulsempfänger
des B-Streifenabtastsystems. Es sind Mittel vorgesehen zum Aussenden und Empfangen
von Ultraschallenergie unter Verwendung von Gruppen von Wandlerelementen derart,
daß eine Strahifokussierung und Abtastung in der Längsebene der Anordnung durchgeführt
wird. Eine massive Fokussierlinse aus einem Material mit niedriger Fortpflanzungsgeschwindigkeit
ist an der Endfläche der Anordnung befestigt und weist eine Außenfläche auf, die
im wesentlichen der Kontur der Außenfläche der Sonde entspricht; sie dient der Strahifokussierung
in einer zur Längsebene der Wandleranordnung senkrechten Richtung.
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Mit dieser Einrichtung werden Ultraschallabbildungn mit
hoher
Auflösung über einen Tiefenbereich unter der. Oberfläche des Körperteils erhalten.
Die Echtzeit-Abbildungen werden an einer Sichtanzeige zur Anzeige gebracht, die
vom Bediener leicht beobachtbar ist. Wenn das Instrument ein optisches Betrachtungssystem
aufweist, ist auch ein betriebsinternes Fernsehsystem vorgesehen, das eine Kamera
aufweist, die auf optische Abbildungen von der Sonde anspricht, sowie einen Fernsehmonitor
nahe der B-Abtastungs-Anzeigeeinheit. Infolgedessen werden die optischen und die
Ultraschall-Abbildungen gleichzeitig angezeigt und können vom Bediener gleichzeitig
beobachtet werden.
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Anhand der, Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine kombinierte Aufsicht und Perspektivansicht des Endoskops
und Ultraschall-Abbildungssystems nach der Erfindung; Fig. 2 eine Ansicht eines
Okulars, das mit der Erfindung verwendbar ist; Fig. 3 eine größere Teilansicht der
Sonde, wobei zur größeren Klarheit Teile weggebrochen sind; Fig. 4 eine Schnittansicht
4-4 nach Fig. 3; Fig. 5 ein vereinfachtes, Blockschaltbild des Systems nach Fig.
1 mit Einzelheiten eines Ultraschall-Abbildungssystems, das zum Einsatz mit der
Erfindung geeignet ist; Fig. 6 eine Ansicht der Sonde, die in einem Hagen positioniert
ist, um eine Ultraschalluntersuchung der benachbarten Bauchspeicheldrüse durchzuführen;
und Fig. 7 eine Schnittansicht einer zylindrischen akustischen Verbund-Fokussierlinse,
die in der Sonde nach der Erfindung, verwendbar ist.
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Wie bereits erwähnt, ist die Ultraschall-Abbildung von inneren Körperteilen
bekannt. Ferner ist es bekannt, daß die Ultraschallenergie auf ihrem Weg durch Organe
und Gewebe nicht nur gedämpft wird, sondern daß auch die Dämpfung mit der Frequenz
ansteigt. D. h., Hochfrequenzsignale werden stärker als Niederfrequenzsignale oder
-Signalkomponenten gedämpft. Infolgedessen wird, wenn eine Abbildung von tief im
Körper liegenden Körperteilen von der Haut des Patienten her. erwünscht ist, relativ
niederfrequente Energie angewandt, um die Dämpfung zu minimieren. Die erzielbare
Auflösung hängt jedoch von der Frequenz der Energiewellen ab. Wenn infolgedessen
eine Übertragung von Ultraschallenergie durch erhebliche Schichten von Körpermaterial
zum Abbilden dses erwünschten Körperteils erforderlich ist, ist offensichtlich die
Anwendung von relativ niederfrequenter Energie notwendig, wodurch die Auflösung
beschränkt wird. Wenn die Wandleranordnung in einer endoskopischen ~Sonde angeordnet
ist, sind mit hohen Frequenzen von z. B. 10 MHz Ultraschallabbildungen hoher Auflösung
von inneren Körperteilen, die von der Haut weit entfernt sind, erzielbar. Bei dem
angegebenen System sind z. 8. Abbildungen hoher Auflösung von der Bauchspeicheldrüse
von innerhalb des Magens durch die Magen- und Zwölffingerdarmwandungen möglich.
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Es wird nunmehr auf Fig. 1 Bezug genommen, die das neue endoskopische
und Ultraschall-Abbildungssystem zeigt, das eine Sonde 10 aufweist, die mit einem
Gehäuse 12 durch einen Schlauch 14 verbunden ist, wobei wenigstens ein Abschnitt
des Schlauchs anschließend an die Sonde biegsam ist. Das System umfaßt ein Endoskop,
das im wesentlichen herkömmlichen Endoskopen entspricht; nur beispielsweise ist
ein biegsames Endoskop gezeigt. Die Sonde 10 umfaßt
einen starren
Tragblock 16, der im wesentlichen zylindrisch ist, am distalen Ende. Der Tragblock
16 ist mit einem im wesentlichen halbzylindrischen, nach rückwärts verlaufenden
Abschnitt 16A ausgebildet, der zur Halterung von Teilen eines optischen Beleu#chtungs-
und Beobachtungssystems sowie einer Wandleranordnung dient.
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Das optische Beleuchtungs- und Beobachtungssystem umfaßt Lichtleiterbündel
18, 189 die axial durch den langen Abschnitt des Tragblocks 16 verlaufen und an
dessen Stirnfläche enden. Die Lichtleiterbündel, die in einem Schutzmantel angeordnet
sind, verlaufen nach rückwärts durch den Schlauch 14 in das Gehäuse 12 und enden
an einem Optokoppler 19 an einer Wan'dung. des Gehäuses 12. Ein Lichtleiterkabel
20 verbindet die Lichtleiterbündel mit einer geeigneten Beleuchtungsquelle (nicht
gezeigt) an einer Endoskop-Steuereinheit 22. Eine Lichtschalter- und -intensitäts-Steuerung
24 ist auf dem Schaltfeld der Steuereinheit 22 zum Einstellen der Beleuchtung angeordnet.
Die Steuereinheit 22 steuert auch eine Fluidversorgung für z. 8. Druckluft und Wasser,
die mit dem Endoskop verbunden sein kann.
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In Fig. 1 ist nur eine Wasserversorgung gezeigt, die mit wdem Endoskop
aus noch zu erläuternden Gründen verbunden ist.
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Das optische Beobachtungssystem umfaßt eine Objektivlinse, die z.
B. Linsenelemente 28 und 30 (vgl. Fig. 3) aufweist, die in einer axial verlaufenden
Blende enthalten sind, die durch den langen Abschnitt des Tragblocks 16 verläuft.
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Das eine Linsenelement 28 ist zweckmäßigerweise angrenzend an die
Stirnfläche des Tragblocks 16 befestigt, während das andere Linsenelement 30 am
Vorderende eines Bündels 32 von Lichtleiterfasern befestigt ist. Ausgehend von der
Sonde 10 verläuft das Lichtleiterbündel 32 rückwärts durch den Schlauch 14 und das
Steuergehäuse 12 zu einem Optokoppler 34 an der Rückseite des Gehäuses. Fig. 1 zeigt
ein
Lichtleiterkabel 36, das zum Anschluß des Beobachtungssystems an eine Bildkamera
(nicht gezeigt) vorgesehen ist, die in einer Videoanzeige- und Steuereinheit 38
enthalten'ist. Die Kamera in der Steuereinheit 38 umfaßt ein Element eines internen
Fernsehsystems mit einer Sichtanzeigeeinheit 40 für die Sichtanzeige von Objekten
innerhalb des Beobachtungsbereichs der Objektivlinse. Die Frontplatte der Videoanzeige-
und Steuereinheit 38 weist Ein-Aus-, .Helligkeits und Kontrast-Stellelemente auf,
die in herkömmlichen internen Fernsehsystemen vorgesehen sind.
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Ein Okular 42 (vgl. Fig. 2) kann mit dem Endoskop-Beobachtungssystem
durch einen Optokoppler 34 verbunden werden, nachdem zuerst das Lichtleiterkabel
36 abgekoppelt wurde, so daß eine direkte Betrachtung durch den Bediener anstatt
einer Betrachtung auf dem Bildschirm 40 möglich ist.
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Der Einsatz des Okulars 42 wird häufig während der Einführung der
Sonde in die Körperhöhlung bevorzugt.
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Eine herkömmlich ausgebildete Biegeeinstelleinheit kann für die Einstellung
der Biegung des Schlauchs 14 nahe der Sonde 10' verwendet werden. In Fig. 1 ist
ein Ablenkring 44 (vgl. Strichlinien) nahe dem gehäuseseitigen Ende der Sonde 10
gezeigt, der über drei Einstelidrähte 45 mit einer Biegeeinstellvorrichtung im Gehäuse
12 verbunden ist. Die Biegeeinstellvorrichtung umfaßt eine erste, vom Gehäuse ausgehende
Welle 46, eine zweite Welle 48, die von der ersten Welle 46 radial verläuft, und
einen Handgriff 50 am freien Ende der Welle 48. Ein gleichzeitiges Umlaufen der
beiden Wellen 46 und 48 durch Betätigung des Handgriffs 50 ist möglich, um die Sonde
10 in jede gewünschte Richtung relativ zu dem biegsamen distalen Ende des Schlauchs
14 zu biegen.
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Wie bereits erwähnt, sieht die Einhe#it 22 auch eine Wasserversorgung
für das Endoskop vor. Ein Wasserdruckmesser 52 zeigt den Druck des dem Endoskop
zugeführten Wassers an, und ein Stellorgan 54 dient zum Einstellen des Drucks auf
den. erwünschten Pegel. Wasser wird durch eine Leitung 56 zum Gehäuse 12 geleitet
und von dort durch den Schlauch 14 und die Sonde 10 zu einer Düsenspitze 58 geleitet,
die aus der Stirnfläche der Sonde gering vorspringt. Wasser strömt aus der Düse
an den Enden der Beleuchtungs-Lichtleiterbündel 18 vorbei und über das Linsenelement
28, so daß dieses nicht durch Schleim od. dgl. verschmutzt wird.
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Bei der gezeigten Anordnung ist auch ein Führungskanal 60 vorgesehen,
der von der Spitze der Sonde 10 zum Gehäuse 12 verläuft und sich aus diesem nach
außen öffnet, so daß durch diesen Führungskanal verschiedene Geräte einführbar sind.
Hier ist zu beachten, daß bei der angegebenen Sonde die verschiedenen vorstehend
~erla'uterten Endoskopkanäle durch den im wesentlichen halbzylindrischen Abschnitt
16A des Tragblocks 16 verlaufen und innerhalb eines im wesentlichen halbkreisförmigen
Bereichs der Endfläche der Sondenspitze enden. Die ungefähre andere Hälfte der im
wesentlichen zylindrischen Sonde wird von einer geradlinigen Ultraschall-Wandleranordnung
70 eingenommen.
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Mit der gezeigten' Nebeneinanderanordnung der Wandleranordnung und
der Endoskopkanäle und mit'dem Positionieren des distalen- Endes der Wandleranordnung
nahe dem distalen Sondenende wird eine Sonde mit minimaler Gesamtlänge geschaffen,
die leicht in einen Patienten eingeführt werden kann.
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Die Wandleranordnung, die am besten aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich
ist, umfaßt eine viereckige basis 72 aus elektrisch leitfähigem Material, auf der
piezoelektrischer Wandlerelemente 74 der Anordnung befestigt sind. Elektroden
76
und 78 sind an entsprechenden entgegengesetzten Flächen des piezoelektrischen Materials
74 befestigt.
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Z. B. besteht die Wandleranordnung aus einem 3 ~ 0,5 cm großen Körper
aus piezoelektrischem Material mit Elektroden an entgegengesetzten Endflächen, wobei
der piezoelektrische Körper einheitlich senkrecht zu den entgegengesetzten parallelen
elektrodenbedeckten Endflächen polarisiert ist. Der piezoelektrische Körper mit
den darauf angeordneten Elektroden ist an der Basis 72 mit einem elektrisch leitfähigen
Klebstoff elektrisch verbunden. Die Basis 72 besteht aus einem akustisch dämpfenden
Werkstoff zwecks Senkens des akustischen Gütefaktors der Wandleranordnung derart,
daß kurze akustische Impulse erzeugt und empfangen werden können, was für eine gute
Bereichsauflösung erforderlich ist. Nach dem Verbinden mit der Basis 72 wird das
piezoelektrische Material in z. B.
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64 eng beabstandete Wandlerelemente zerschnitten zur Bildung der linearen
Wandleranordnung. Mitt den vorgenannten Abmessungen und einer geeigneten Dickendimensionierung
können die Wandlerelemente bei einer Frequenz im Bereich von z. B. 8-12 MHz arbeiten.
Das distale Ende der Basis 72 der Wandleranordnung ist z. B. durch haftendes Verbinden
an dem Tragblock 16 befestigt, und nicht gezeigte Mittel halten das proximale Ende
der Wandleranordnung in der Sonde.
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Es ist ersichtlich, daß die Längsebene 80 der Wandleranordnung in
Längsrichtung der Sonde verläuft.
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Die gezeigte Wandleranordnung weist ein Fokussierelement 82 für die
Fokussierung des Strahls 84 in einer zur Längsebene 80 senkrechten Ebene auf. Das
Fokussierelement 82 ist eine Zylinderlinse, deren eine Endfläche an der Endfläche
der Wandleranordnung befestigt ist, und deren äußere Endfläche im wesentlichen der
Zylinderkontur der Außenfläche der Sonde entspricht. Dabei ist die äußere Endfläche
im
wesentlichen konvex, so daß sie nicht nur der Sondenkrümmung
entspricht, sondern auch für guten Kontakt mit dem inneren Körperteil sorgt. Wenn
die Sonde z. 8. innerhalb des Magens eingesetzt wird, ergibt diese Kontur einen
guten Kontakt mit der Magen- und Darmschleimhaut. Nach den Fig. 1 und 4 umfaßt die
Sonde an ihrem optischen Abschnitt einen im wese.ntlichen halbzylindrischen rohrförmigen
Gehäuseteil 85A. Vergußmasse 85B füllt Leerräume im Gehäuseteil 85A aus und ist
um die Wandleranordnung 70 herum gegossen und nimmt diese auf. Z. 8. kann der Gehäuseteil
85A aus einem elektrischen Gießharz gebildet sein, das mittels einer geeigneten
Form aufgebracht und an Ort und Stelle gehärtet wird. Gemeinsam bilden die Elemente
85A und 85B ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse für die Sonde, durch das,
die zylindrische Fokussierlinse 82 verläuft. Nach Fig. 3 ist die Vergußmasse 85B
von dem weggebro-chenen Abschnitt der Sonde entfernt, so daß andere innere Sondenteile
deutlich zu sehen sind.
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Es ist bekannt, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit akustischer
Wellen in weichem Körpergewebe ungefähr der jenigen in Wasser entspricht. Für di#e
Fokussierung durch die Zylinderlinse 82 besteht die Linse aus einem Werkstoff, dessen
Fortpflanzungsgeschwindigkeit für akustische Wellen erheblich geringer als diese
Geschwindigkeit in dem weichen Gewebe und in Wasser ist. Ein solcher Werkstoff,
der für die Herstellung der Linse verwendbar ist, ist z. 13.
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Sylgard 184(Wz) (Hersteller: Dow Corning Corporation). Andere Werkstoffe
mit niedriger Fortpflanzungsgeschwindigkeit können ebenfalls verwendet werden. Bei
dem Ausführungsbeispiel ist das Fokussierelement eine Einzellinse. Selbstverständlich
kann auch eine Verbundlinse aus mehreren Linsenelementen entsprechend Fig. 7 verwendet
werden. Auch kann die Linsenoberfläche mit einem reflexmindernden überzug versehen
sein (nicht gezeigt), um innere Reflexionen akustischer Wellen zu minimieren. Die
Fokussierung des
Strahls 84 mittels der Linse 82 in einer zur Längsebene
80 der Wandleranordnung senkrechten Ebene ist in Fig. 4 gezeigt. Es ist ersichtlich,
daß die Außenfläche der Linse 82 sowie der Rest der Oberflächen der Sonde 10 und
des Schlauchs 14, die bei Benutzung des Endoskops in Kontakt mit Körpersekretionen
gelangen, aus einem widerstandsfähigen Material bestehen müssen, das mit solchen
Körpersekretionen nicht in Reaktion tritt.
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Die geradlinige Wandleranordnung 70 ist in einem impulsgesteuerten
Ultraschall-B-Abtastungs-Abbildungssystem enthalten, das mit Streifenabtastung im
Gegensatz zur Sektorabtastung arbeitet. Sektorabtastsysteme bieten zwar den Vorteil,
daß mit einer kleinen Wandleranordnung ein großes Sichtfeld in weiter Entfernung
von der Anordnung erhalten wird, jedoch ist nahe der Anotdnung das Sichtfeld klein
und die Auflösung schlecht. Durch Verwendung einer Streifenabtastung sind sämtliche
Zeilen der Abbildung parallel, und Gewebe nahe der Wandleranordnung wird in einfacher
Weise abgebildet. Es wird nachstehend auch auf Fig. 5 Bezug genommen, die ein Blockdiagramm
eines herkömmlich ausgelegten 8-Abtastsystems zeigt, das bei der Einrichtung verwendbar
ist. Wie erwähnt, kann eine Wandleranordnung 70 aus 64 Wandlerelementen verwendet
werden; in diesem Fall werden 64 Mikrominiatur-Koaxlalkabel. 86 dazu benutzt, die
Wandlerelemente mit der B-Abtastungs-Sende-Empfangseinheit 90 zu verbinden. Die
64 Koaxialkabel 86 sind in einer Ummantelung 92 (vgl. Fig. 1) lose zusammengehalten,
so daß sie ohne Beschädigung wiederholt biegbar sind. Bei der gezeigten Einrichtung
verläuft das Kabelbündel einfach durch das Innere des Steuergehäuses 12, und die
Einzelkabel sind mit einem Verbinder 94 (vgl. Fig. 1) an die B-Abtastungs-Sende-Empfangseinheit
90 angeschlossen.
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Um unnötige und schädliche Auswirkungen auf Signale, die durch die
Kabel übertragen werden, zu vermeiden, sind am
Gehäuse 12 weder
Verbinder noch Anschlußelemente vorgesehen. Erwünschtenfalls kann das Kabelbündel
92 natürlich auch von der Seite des biegsamen Schlauchs 14 nahe dem Gehäuse 12 weg
verlaufen, so daß es direkt mit der Sende-Empfangseinheit 90 verbindbar ist, ohne
das Gehäuse 12 zu durchsetzen.
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Nach Fig. 5 sind die Wandlerelemente mit einer Koppelmatrix 96 verbunden,
mit deren Hilfe ausgewählte Gruppen benachbarter Wandlerelemente mit einer Verzögerungseinheit
98 oder einem Impulsgeber 100 verbindbar sind. Nur beispielhaft werden Gruppen von
fünf Wandlerelementen verwendet, und jede Verzögerungseinheit 98 und Jeder Impulsgeber
100 umfaßt fünf derartige Einzeleinheiten. Eine Taktgeber-und Steuereinheit 102
ist mit der Koppelmatrix zum Ansteuern von zu aktivierenden Wandlerelementen verbunden.
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Die Taktgeber- und Steuereinheit steuert auch den zeitlichen Ablauf
der Operation der fünf Impulsgeber 100 zur Erregung der Elemente der angesteuerten
Gruppe in Phasenbeziehung zur Fokussierung des Strahls 84 in der Längsebene der
Wandleranordnung. In den Fig. 3 und 5 ist eine solche Fokussierung durch geeignete
Erregung der ersten fünf Wandlerelemente in der Wandleranordnung gezeigt. Die aktivierte
Gruppe wird längs der Anordnung für die Strahlabtastung in Richtung des Pfeils 104
verschoben.
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Von Diskontinuitäten innerhalb des impulsbeschallten.
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Körperteils reflektierte Ultraschallsignale werden von derselben Gruppe
von Wandlerelementen empfangen und durch die Koppelmatrix 96. und die Verzögerungseinheit
98 einem Vorverstärker 106 zugeführt. Die fünf Vorverstärker 106 sind rauscharme
Breitbandverstärker mit hohem Lautstärkeumfang, die gute lineare Verstärkungskurven
über einen Bereich von Eingangssignalstärken aufweisen. Die Verzögerungen sind so
gewählt, daß eine Fokussierung des Strahlmusters
in der Längsebene
80 der Wandleranordnung während der Empfangsoperation erfolgt. Somit ist ersichtlich,
daß die Wandleranordnung sowohl während des Sende- als auch während des Empfangsbetriebs
zur Strahifokussierung phasengesteuert ist. Anschließend an die Impulsechoempfangsperiode
werden die angesteuerten Gruppen aktiver Wandlerelemente verschoben, so daß die
vorerwähnte geradlinige Strahlabtastoperation durchgeführt wird. Durch Verschieben
in Schritten von jeweils einem Wandlerelement werden insgesamt 60 Abtastzeilen erhalten.
Selbstverständlich kann das System auch arbeiten, wenn Gruppen mit unterschiedlichen
Anzahlen von Wandlerelementen benutzt werden. Auch können Gruppen von ungeradzahiingen
und von geradzahligen Wandlerelementen dazu benutzt werden, um eine Verschiebung
in Schritten einer halben Wandlerelementbreite durchzuführen, was bekannt ist.
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Die Ausgangssignale der Vorverstärker werden einem Summierverstärker
108 zugeführt, dessen Ausgangssignal einer gewichteten Summe der Eingänge entspricht.
Das Ausgangssignal des Summierverstärkers wird einem zeitabhängig geregelten Verstärker
110 zugeführt, dessen Verstärkungsverlauf sich als eine Funktion der Zeit' ändert,
um den Verlust an Signalamplitude während des Durchlaufens durch das Gewebe zu kompensieren.
Bei der erläuterten Einrichtung ändert sich die Verstärkung des Verstärkers 110
nach Maßgabe des Ausgangssignals eines Verstärkungsfunktionsgebers 112. Dem Verstärkungsfunktionsgeber
112 wird von der Takt- und Steuereinheit 102 ein Synchronisiersignal zum Auslösen
von dessen Operation eine vorbestimmte Zeitdauer nach der Operation des Impulsgebers
100 zugeführt. Der Verstärkungsfunktionsgeber 112 kann einfach ein Sägezahngenerator
sein, dessen Ausgangssignal die Funktion hat, die Verstärkung des Verstärkers 110
proportional zu dem Bereich derart zu erhöhen,
daß der durch akustische
Absorption im untersuchten Objekt bewirkte Signalverlust ausgeglichen wird. Bei
der vorliegenden Einrichtung wird ein verstellbarer Funktionsgeber 112-verwendet,
der eine Mehrzahl Stellorgane 114 aufweist, die an der Vorderseite der B-Abtastungs-Einheit
90 (vgl. Fig. 1) zugänglich sind zur Steuerung der Form des Generatorausgangssignals.
Die Einstellung jedes der fünf Stellorgane 114 bestimmt den Verstärkungsgrad des
Verstärkers 112 während 1/5 der Echosignaldauer, so daß der Bediener die B-Abtastanzeige
in erwünsc.hter Weise anpassen kann. Verstellbare Verstärkungsfunktionsgeber zur
Regelung von Regelverstärkern sind bekannt und brauchen nicht erläutert zu werden.
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Das Ausgangssignal des zeitabhängig geregelten Verstärkers 110 wird
einem Breitband-Verstärker 116 mit Dynamikregelung zugeführt, der z. B. ein logarithmischer
Gleichstro.mverstärker ist. Dem Verstärker 116 mit Dynamikregelung ist ein Regelverstärker
118 nachgeschaltet, der einen Ver-.
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stärkungsregler 120 zum Einstellen der Verstärkung aufweist.
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Das Ausgangssignal des Regelverstärkers 118 wird von einem Hüllkurvenerfasser#122
erfaßt, der z. 8. ein Zweiweggleichrichter mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilter ist,
wobei das Er.fasser-Ausgangssignal mit der Hüllkurve des Breitband-HF-Ausgangssignals
des Verstärkers 118 in Beziehung steht.
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Das Ausgangssignal des Hüllkurvenerfassers wird einer Ultraschallabbildungs-Anzeigeeinheit
124, die eine Kathodenstrahlröhre ist, zugeführt. Normalerweise ist ein nicht gezeigter
Verstärker mit Dynamikregelung in die Verbindung zwischen Erfasser-Ausgangssignal
und Kathodenstrahiröhre 124 eingeschaltet, um das erfaßte Signal an Charakteristiken
der Kathodenstrahiröhre 124 anzupassen, so daß der gesamte Signalbereich ordnungsgemäß
angezeigt wird. Das Ausgangssignal
des Erfassers wird dem Steuergitter
der Kathodenstrahiröhre als Eingangssignal für die Intensitäts-und Z Achse-Steuerung
des Elektronenstrahls'zugeführt.
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Bei B-Abtastbetrieb ist die Kathodenstrahlröhren-Strahlablenkung in
der X- oder Horizontalrichtung proportional der Lage des Strahls 84 länge der Abtastbahn.
Ein X-Achse-Generator 126, der durch ein Synchronisiersignal von der Takt- und Steuereinheit
102 angesteuert wird, erzeugt ein Stufenausgangssignal, das dem Horizontalablenksystem
der Kathodenstrahlröhre 124 zugeführt wird zum Verschieben der Bildspur auf der
Kathodenstrahlröhre nach Maßgabe der Lage des Ultraschallstrahls 84.
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Die Vertikal- oder Y-Achse-Ablenkung des Kathodenstrahls erfolgt durch
einen Sägezahngenerator 128, der von einem Ausgangssignal der Takt- und Steuereinheit
102 zu einer vorbestimmten Zeit nach der Operation des Senders angesteuert wird.
Das Ausgangssignal des Sägezahngenerators 128 wird dem Vertikalablenksystem der
Kathodenstrahiröhre 124 zur Vertikalabtastung der Bildspur zugeführt. Es ist somit
ersichtlich, daß auf dem Bildschirm der Kathodenstrahiröhre 124 eine mit geradliniger
B-Abtstung erhaltene Ultraschallabbildung des Körperteils erzeugt wird, der in der
Längsebene 80 der in der Sonde 10 enthaltenen Wandleranordnung 70 liegt. Nach Fig.
1 ist .die Ultraschallanzeigeeinheit 124 dem Fernsehmonitor oder Anzeigegerät 40
benachbart vorgesehen. Die gleichzeitigen Anzeigen der optischen und der Ultraschall-Abbildung
können vom Bediener in einfacher Weise betrachtet werden und helfen ihm dabei, die
Sonde in der Körperhöhlung so zu positionieren, daß die erwünschten Ultraschallabbildungen
erhalten werden. Selbstverständlich kann eine Aufzeichnungseinheit (nicht gezeigt)
vorgesehen sein, die die
von dem B-Abtastungssystem erzeugten Echtzet-Ultraschallabbildungen
aufzeichnet, so daß sie für eine spätere Untersuchung zur Verfügung stehen. Ebenso
kann erwünschtenfalls z. B. von den Ausgangssignalen der Videokamera eine Aufzeichnung
der optischen Abbildungen gemacht werden. Falls erwünscht, kann das Ausgangssignal
des B-Abtastungsempfängers einem Abtastumsetzer (nicht gezeigt) zugeführ-t werden,
der die Ultraschallabbildungs-Signale in Signale mit einem herkömmlichen Fernsehformat
umsetzt; in diesem Fall kann der Ausgang des Abtastumsetzers einem herkömmlichen
Fernsehmönitor zur Anzeige zugeführt werden (nicht gezeigt). Dabei kann das Ausgangssignal
des Abtastumsetzers aufgezeichnet und mit herkömmlichen Fernseh-Wiedergabe- und
-Monitoreinheiten zur späteren Anzeige der Ultraschallabbildungen benutzt werden.
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Die -Betriebsweise der Endoskopeinrichtung ist zwar aus der vorstehenden
Erläuterung ersichtlich, sie soll aber nachstehend noch kurz beschrieben werden.
In Fig. 6 ist die Endoskopeinrichtung beispielsweise beim Einsatz im Magen-Darm-System
eines Patienten gezeigt. Der Nachweis eines bösartigen Tumors außerhalb des schlauchartigen
Magendarmkanals ist schwierig, und die Krebsdiagnose an Bauchspeicheldrüse und Bauspeicheldrusenbett,
in der Bauchhöhle und im Mesenterium ist besonders schwierig.
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Die Nähe der Bauchspeicheldrüse zu Magen und Darm machen sie und ihre
umgebenden Gefüge jedoch ideal für eine Ultraschall-Sichtbarmachung mit hoher Auflösung
mit Hilfe der Ultraschallsonde nach der Erfindung.
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Nach Fig. 6 ist die Endoskop-Ultraschallsonde 10 in den Magen 130
eines Patienten eingeführt daryestellt. Herkömmlicherweise verläßt man sich auf
optische Führungsmittel zum Führen der Sonde durch die Speiseröhre und in die erwünschte
Lage innerhalb des Magendarmtrakts. Viele eine
Endoskopie ausführenden
Arzte benutzen bevorzugt das Okular 42 (vgl. Fig. 2) zum Einführen der Sonde in
die erwünschte Lage; in diesem Fall wird das Lichtleiterkabel 36 (vgl. Fig. 1) entfernt,
und das Okular 42 wird mittels des Optokopplers 34 am Endoskop befestigt. Wenn das
Okular 42 richtig angeordnet ist, wird die endoskopische Ultraschallsonde 10 in
die erwünschte Lage für die Ultraschallabbildung von darunterliegendem Weichgewebe
geführt. Nach Fig. 6 ist die Sonde 10 zu der größeren Wölbung des Magens 130 nahe
der Pankreas 132 vorgeschoben.
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Durch Handhabung der Sonde wird ein fester Kontakt der Zylinderlinse
82 der Wandleranordnung mit der Schleimhaut hergestellt, so daß eine Ultraschallabtastung
durchführbar ist. Zu diesem Zeitpunkt kann das Okular 42 von dem Endoskop entfernt
und durch das Lichtleiterkabel 36 ersetzt werden, so daß die Optik an das interne
Fernsehen angeschlossen und die optische Abbildung auf dem Bildschirm 40 des Fernsehmonitors
angezeigt wird. Die optische und die Ultraschall-Abbildung werden gleichzeitig angezeigt
und können vom Bediener gleichzeitig betrachtet werden. In Fig. 6 ist die Ultraschall-Abbildungsebene
80 zusammen mit dem optischen Sichtwinkel 134 angegeben. Durch geeignete Handhabung
der Sonde 10 kann eine Ultraschallabtastung der Bauchspeicheldrüse vom Pankreasschwanz
zum Pankreaskopf durch die Magenwandung durchgeführt werden.
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Durch Bewegen der Sonde in den Zwölffingerdarm 136 ist eine zusätzliche
Ultraschallabbildung des Pankreaskopfs aus unterschiedlichen Positionen möglich.
Ultraschallabbildungen hoher Auflösung, die von einer Stelle nahe der Oberfläche
der Sonde bis zu einer Tiefe von ca. 4 cm verlaufen, sind möglich. Wenn eine Wandleranordnung
70 z. 8. eine Länge von 3 cm aufweist, ist ein Sichtfeld mit einer Breite von 3
cm und einer Tiefe von 4 cm möglich.
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Durch Arbeiten mit einer Frequenz von z. B. 10 MHz wird
ferner
eine gute seitliche Auflösung von durchschnittlich 0,5 mm und eine gute Bereichsauflösung
von ca. 0,5 mm erhalten.
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Wie bereits erwähnt, kann anstelle der Zylinderlinse 82 nach den Fig.
19 3 und 4 auch eine Fokussier-Verbundlinse eingesetzt werden. Fig. 7 zeigt eine
Verbund-Zylinderlinse 140, die ein erstes und ein zweites Linsenelement 142 und
144 umfaßt. Das erste Linsenelement 142 weist eine ebene Endfläche auf, die haftend
mit der Endfläche der Wandleranordnung 70 verbunden ist, sowie eine entgegengesetzte
konkave Endfläche. Das zweite Linsenelement 144 weist entgegengesetzte konvexe Flächen
auf, deren eine haftend mit der konkaven Endfläche des ersten Linsenelements 142
verbunden ist. Die äußere konvexe Endfläche des äußeren Linsenelements ist im wesentlichen
einem gewölbten Abschnitt der Kontur der Außenfläche der Sonde (in Fig. 7 nicht
gezeigt) angepaßt. Das erste Linsenelement besteht aus einem Material mit einer
Fortpflanzungsgeschwindigkeit für akustische Wellen, die erheblich höher als diese
Geschwindigkeit in weichem Körpergewebe und in Wasser ist.
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Das zweite Linsenelement 144 besteht aus einem Material mit einer
Fortpflanzungsgeschwindigkeit für akustische Wellen, die nicht höher, sondern bevorzugt
erheblic-h niedriger als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit in weichem Körpergewebe
ist. Es ist ersichtlich, daß durch Anwendung eines Materials mit niedriger Fortpflanzungsgeschwindigkeit
für die äußere Linse 144 eine Fokussierung sowohl an der Grenzfläche zwischen weichem
Gewebe und Linsenelement 144 als auch an der Grenzfläche zwischen Linsenelement
144 und Linsenelement 142 vorgesehen ist. Ebenso wie mit der Zylinderlinse 82 wird
wegen der konvexen Linsenendfläche ein guter Kontakt zwischen der äußeren Konvexen
Endfläche des Linsenelements 144 und dem weichen Körpergewebe erhalten.
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Selbstverständlich sind in Verbindung mit der angegebenen Einrichtung
verschiedene Modifikationen denkbar. Z. B.
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kann die Sonde anstelle der gezeigten, nach vorn orientierten Optik
eine seitlich oder eine teils vorwärts und teils seitlich orientierte Optik enthalten.
Auch kann in verschiedenen Körperhöhlungen anstelle des biegsamen Schlauchs 14 ein
Endoskop mit starrem Schlauch zum Einsatz kommen; in diesem Fall können einfache
optische Teleskop-und Beleuchtungsmittel angewandt werden, so daß die Lichtleiterkabel
entfallen können. Wie erwähnt, ist zwar für eine zufriedenstellende Echtzeit-Ultraschallabbildung
eine elektronische Streifen-ß-Abtastung erforderlich; zur Durchführung dieser Abtastung
sind jedoch viele Einrichtungen bekannt, so daß das System nach Fig. 5 nur beispielhaft
ist. Die Verwendung der gezeigten, sequentiell und dynamisch fokussierten geradlinigen
Anordnung erfordert eine erhebliche Menge an elektronischen Vorverarbeitungseinheiten.
Zur Maximierung des dynamischen Bereichs sollten diese Schaltungen so nahe wie möglich
an der Wandleranordnung vorgesehen sein. ~Die Erfindung umfaßt die Positionierung
solcher Schaltungseinheiten in der Sonde 10 selbst unter Einsatz von IS-Chips. Derzeit
sind zwar handelsübliche Chips nicht besonders gut für einen solchen Einsatz geeignet,
und auf Bestellung angefertigte elektronisch Schaltungen, die sich eignen würden,
sind sehr teuer, Jedoch ist der Einsatz geeigneter mikroelektronischer Vorverarbeitungsschaltungen
in der Sonde durchaus praktikabel und liegt im Rahmen der Erfindung.