DE3121512C2 - - Google Patents

Description

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 opti­ sche Beleuchtungs- und Beobachtungsmittel vorgesehen, die eine Objektivlinse an der Sonde und ein Okular am Steuer­ gehäuse umfassen, so daß die Höhlungs-Oberfläche beobachtet werden kann.

Endoskope geben dem Untersuchenden zwar Informationen be­ züglich des Zustands von im Körper liegenden Oberflächen, die Notwendigkeit einer Ultraschallabbildung darunterlie­ gender Flächen ist jedoch längst anerkannt. In einer Ver­ öffentlichung mit dem Titel "A New Trans-digestive-tract Scanner With A Gastro-fiberscope" von K. Hisanage und A. Hisanage in "Proceedings of the 23rd Annual Meeting 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. Es wird jedoch in dem Artikel gesagt, daß die erhaltenen Abbildungen diagnostisch wertlos sind. Sonden mit linearen Wandleranordnungen sind ferner aus der US-PS 39 38 502 und der DE-PS 23 05 501 bekannt. Dort sind kreisförmige bzw. geradlinige Wandler­ anordnungen 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 er­ zeugte Ultraschallabbildungen nur von sehr geringem diagnostischem Wert. Ferner sind normalerweise optische Beobachtungsmittel erforderlich, um die Sonde während ih­ rer Einführung in das Körperorgan 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 Ultra­ schlallwandleranordnungen mit einer Zylinderlinse für die Fokussierung in einer Ebene, die zur elektronischen Strahl­ fokussierung in einer zweiten Ebene senkrecht liegt, sind in der US-PS 39 36 791 angegeben. Dort ist die Linse je­ doch mit einer konkaven freien Außenfläche ausgebildet, die zum Einsatz in einer endoskopischen Sonde nicht ge­ eignet ist.

Schließlich ist auch eine endoskopische Sonde zum sowohl optischen als auch mittels Ultraschall zu bewerkstelligenden Untersuchen innerer Körperteile bekannt (DE-OS 30 09 482), bei der ein lang­ gestreckter distaler Endteil eine Ultraschall-Wandleranordnung und - am freien Stirnende - eine Mehrzahl von mit einer dort endenden optischen Beobachtungseinrichtung versehenen Öffnungen aufweist. Dabei ist die Sonde in Querrichtung ihrer Längsachse jedoch verhältnismäßig weit ausladend, wodurch die Widerstände zum Einführen der Sonde in Körperhöhlen anwachsen und sogar Verletzungsgefahren bestehen, von der Begünstigung von Schmerz­ empfindungen beim Patienten abgesehen. Wird dagegen sowohl der Strahl des optischen Beobachtungssystems als auch der Ultra­ schall-Wandleranordnung quer zur Längsachse der Sonde gerichtet, wird das visuell gerichtete Weiterführen der Sonde im Körper­ inneren sehr erschwert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine endoskopische Sonde dieser Gattung dahingehend zu verbessern, daß sie in Querrichtung ihrer Längsachse relativ wenig ausladend ist und daß sie das Ein- und Entlangführen im Körperinneren ohne Ver­ letzungsgefahren ebenso begünstigt wie das großflächige Ultra­ schalluntersuchen zu beobachtender Körperteile.

Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet und in Unteran­ sprüchen sind weitere Ausbildungen derselben beansprucht.

Bei der Erfindung besteht die Ultraschall-Wandleranordnung aus einer Mehrzahl von einzelnen Wandlerelementen, die be­ nachbart zueinander in einer im wesentlichen geraden Reihe angeordnet sind. Diese Reihe ist gegenüber dem Stirnende des Endteils zurückversetzt. Die Längsebene der Ultraschall-Wandler­ anordnung verläuft im wesentlichen in Längsrichtung des Endteils, d. h., daß die Strahlrichtung der einzelnen Wandlerelemente quer zur Längsachse des Endteils und auch quer zur optischen Achse der optischen Beobachtungseinrichtung verläuft. Die Letzt­ genante wird durch ein in die Sonde integriertes Instrument gebildet.

Das Instrument kann ein optisches Beleuchtungs- und Be­ obachtungssystem mit einer Objektivlinse an der Sonde und einem Okular am Gehäuse aufweisen, so daß Innenflächen von Körperteilen optisch betrachtet werden können. Wenig­ stens 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 Ultraschallabbil­ dung von darunterliegendem Gewebe an optisch identifi­ zierbaren Bereichen wird durch ein impulsgesteuertes Ultraschallabbildungssystem mit B-Streifenabtastung er­ halten. Eine Wandleranordnung ist in der Sonde nahe deren gehäusefernem Ende angeordnet, und Koaxialkabel verbinden einzelne Wandlerelemente der Anordnung mit einem Impuls­ geber und einem Impulsempfänger des B-Streifenabtast­ systems. Es sind Mittel vorgesehen zum Aussenden und Empfan­ gen von Ultraschallenergie unter Verwendung von Gruppen von Wandlerelementen derart, daß eine Strahlfokussierung und Abtastung in der Längsebene der Anordnung durchgeführt wird. Eine massive Fokussierung aus einem Material mit niedriger Fortpflanzungsgeschwindigkeit ist an der End­ fläche der Anordnung befestigt und weist eine Außenfläche auf, die im wesentlichen der Kontur der Außenfläche der Sonde entspricht; sie dient der Strahlfokussierung in einer zur Längsebene der Wandleranordnung senkrechten Richtung. Mit dieser Einrichtung werden Ultraschallabbildungen mit hoher Auflösung über einen Tiefenbereich unter der Ober­ fläche 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 an­ spricht, 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.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine kombinierte Aufsicht und Perspektivan­ sicht des Endoskops und Ultraschall-Abbildungs­ systems nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Ansicht eines Okulars, das mit der Er­ findung 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 Ultra­ schall-Abbildungssystems, das zum Einsatz mit der Erfindung geeignet ist;

Fig. 6 eine Ansicht der Sonde, die in einem Magen positioniert ist, um eine Ultraschallunter­ suchung der benachbarten Bauchspeichel­ drüse durchzuführen; und

Fig. 7 eine Schnittansicht einer zylindrischen akustischen Verbund-Fokussierlinse, die in der Sonde nach der Erfindung verwendbar ist.

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. Das heißt, Hoch­ frequenzsignale werden stärker als Niederfrequenzsignale oder -Signalkomponenten gedämpft. Infolgedessen wird, wenn eine Abbildung von tief im Körper liegenden Körper­ teilen von der Haut des Patienten her erwünscht ist, rela­ tiv 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 des erwünschten Körperteils erforderlich ist, ist offensichtlich die An­ wendung von relativ niederfrequenter Energie notwendig, wodurch die Auflösung beschränkt wird. Wenn die Wandler­ anordnung in einer endoskopischen Sonde angeordnet ist, sind mit hohen Frequenzen von z. B. 10 MHz Ultraschall­ abbildungen hoher Auflösung von inneren Körperteilen, die von der Haut weit entfernt sind, erzielbar. Bei dem an­ gegebenen System sind z. B. Abbildungen hoher Auflösung von der Bauchspeicheldrüse von innerhalb des Magens durch die Magen- und Zwölffingerdarmwandungen möglich.

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 Ab­ schnitt 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 verlau­ fenden Abschnitt 16 A ausgebildet, der zur Halterung von Teilen eines optischen Beleuchtungs- und Beobachtungs­ systems sowie einer Wandleranordnung dient.

Das optische Beleuchtungs- und Beobachtungssystem umfaßt Lichtleiterbündel 18, 18, die axial durch den langen Ab­ schnitt des Tragblocks 16 verlaufen und an dessen Stirn­ fläche enden. Die Lichtleiterbündel, die in einem Schutz­ mantel angeordnet sind, verlaufen nach rückwärts durch den Schlauch 14 in das Gehäuse 12 und enden an einem Optokoppler 19 an einer Wandung 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 Steuerein­ heit 22 steuert auch eine Fluidversorgung für z. B. Druck­ luft und Wasser, die mit dem Endoskop verbunden sein kann. In Fig. 1 ist nur eine Wasserversorgung gezeigt, die mit dem Endoskop aus noch zu erläuternden Gründen verbunden ist.

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. 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 Opto­ koppler 34 an der Rückseite des Gehäuses. Fig. 1 zeigt ein Lichtleiterkabel 36, das zum Anschluß des Beobach­ tungssystems an eine Bildkamera (nicht gezeigt) vorgesehen ist, die in einer Videoanzeige- und Steuereinheit 38 ent­ halten ist. Die Kamera in der Steuereinheit 38 umfaßt ein Element eines internen Fernsehsystems mit einer Sichtan­ zeigeeinheit 40 für die Sichtanzeige von Objekten inner­ halb 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.

Ein Okular 42 (vgl. Fig. 2) kann mit dem Endoskop-Beobach­ tungssystem durch einen Optokoppler 34 verbunden werden, nachdem zuerst das Lichtleiterkabel 36 abgekoppelt wurde, so daß eine direkte Betrachtung durch den Bediener an­ statt einer Betrachtung auf dem Bildschirm 40 möglich ist. Der Einsatz des Okulars 42 wird häufig während der Ein­ führung der Sonde in die Körperhöhlung bevorzugt.

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 Einstelldrähte 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.

Wie bereits erwähnt, sieht die Einheit 22 auch eine Was­ serversorgung 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-Licht­ leiterbündel 18 vorbei und über das Linsenelement 28, so daß dieses nicht durch Schleim od. dgl. verschmutzt wird. Bei der gezeigten Anordnung ist auch ein Führungskanal 60 vorgesehen, der von der Spitze der Sonde 10 zum Ge­ häuse 12 verläuft und sich aus diesem nach außen öffnet, so daß durch diesen Führungskanal verschiedene Geräte ein­ führbar sind. Hier ist zu beachten, daß bei der angegebenen Sonde die verschiedenen vorstehend erläuterten Endoskop­ kanäle durch den im wesentlichen halbzylindrischen Ab­ schnitt 16 A des Tragblocks 16 verlaufen und innerhalb eines im wesentlichen halbkreisförmigen Bereichs der End­ fläche der Sondenspitze enden. Die ungefähre andere Hälfte der im wesentlichen zylindrischen Sonde wird von einer geradlinigen Ultraschall-Wandleranordnung 70 eingenommen. Mit der gezeigten Nebeneinanderanordnung der Wandleran­ ordnung und der Endoskopkanäle und mit dem Positionieren des distalen Endes der Wandleranordnung nahe dem distalen Sondenende wird eine Sonde mit minimaler Gesamtlänge ge­ schaffen, die leicht in einen Patienten eingeführt werden kann.

Die Wandleranordnung, die am besten aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, umfaßt eine viereckige Basis 72 aus elek­ trisch leitfähigem Material, auf der piezoelektrische Wandlerelemente 74 der Anordnung befestigt sind. Elektroden 76 und 78 sind an entsprechenden entgegengesetzten Flächen des piezoelektrischen Materials 74 befestigt. Zum Beispiel besteht die Wandleranordnung aus einem 3 · 0,5 cm großen Körper aus piezoelektrischem Material mit Elektro­ den an entgegengesetzten Endflächen, wobei der piezo­ elektrische Körper einheitlich senkrecht zu den entgegen­ gesetzten parallelen elektrodenbedeckten Endflächen polarisiert ist. Der piezoelektrische Körper mit den darauf angeordneten Elektroden ist an der Basis 72 mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff elektrisch verbun­ den. Die Basis 72 besteht aus einem akustisch dämpfenden Werkstoff zwecks Senkens des akustischen Gütefaktors der Wandleranordnung derart, daß kurze akustische Impulse er­ zeugt 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. 64 eng beabstandete Wandlerelemente zerschnitten zur Bildung der linearen Wandleranordnung. Mit den vorgenann­ ten 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. Es ist ersichtlich, daß die Längsebene 80 der Wandleran­ ordnung in Längsrichtung der Sonde verläuft.

Die gezeigte Wandleranordnung weist ein Fokussierelement 82 für die Fokussierung des Strahls 84 in einer zur Längs­ ebene 80 senkrechten Ebene auf. Das Fokussierelement 82 ist eine Zylinderlinse, deren eine Endfläche an der End­ fläche 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 Sonden­ krümmung entspricht, sondern auch für guten Kontakt mit dem inneren Körperteil sorgt. Wenn die Sonde z. B. inner­ halb 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 wesentlichen halbzylindrischen rohrförmigen Ge­ häuseteil 85 A. Vergußmasse 85 B füllt Leerräume im Gehäuse­ teil 85 A aus und ist um die Wandleranordnung 70 herum gegossen und nimmt diese auf. Zum Beispiel kann der Gehäuseteil 85 A aus einem elektrischen Gießharz gebildet sein, das mittels einer geeigneten Form aufgebracht und an Ort und Stelle gehärtet wird. Gemeinsam bilden die Elemente 85 A und 85 B ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse für die Sonde, durch das die zylindrische Fokussierlinse 82 ver­ läuft. Nach Fig. 3 ist die Vergußmasse 85 B von dem weg­ gebrochenen Abschnitt der Sonde entfernt, so daß andere innere Sondenteile deutlich zu sehen sind.

Es ist bekannt, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit akustischer Wellen in weichem Körpergewebe ungefähr derje­ nigen in Wasser entspricht. Für die Fokussierung durch die Zylinderlinse 82 besteht die Linse aus einem Werkstoff, dessen Fortpflanzungsgeschwindigkeit für akustische Wellen erheblich geringer als diese Geschwindigkeit in dem wei­ chen Gewebe und in Wasser ist. Ein solcher Werkstoff, der für die Herstellung der Linse verwendbar ist, ist z. B. Sylgard 184(Wz) (Hersteller: Dow Corning Corporation). An­ dere Werkstoffe mit niedriger Fortpflanzungsgeschwindig­ keit können ebenfalls verwendet werden. Bei dem Ausführungs­ beispiel ist das Fokussierelement eine Einzellinse. Selbst­ verständlich kann auch eine Verbundlinse aus mehreren Lin­ senelementen entsprechend Fig. 7 verwendet werden. Auch kann die Linsenoberfläche mit einem reflexmindernden Über­ zug 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 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 wider­ standsfähigen Material bestehen müssen, das mit solchen Körpersekretionen nicht in Reaktion tritt.

Die geradlinige Wandleranordnung 70 ist in einem impuls­ gesteuerten Ultraschall-B-Abtastungs-Abbildungssystem ent­ halten, das mit Streifenabtastung im Gegensatz zur Sektor­ abtastung 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 Anordnung 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 her­ kömmlich ausgelegten B-Abtastsystems zeigt, das bei der Einrichtung verwendbar ist. Wie erwähnt, kann eine Wand­ leranordnung 70 aus 64 Wandlerelementen verwendet werden; in diesem Fall werden 64 Mikrominiatur-Koaxialkabel 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 zusam­ mengehalten, so daß sie ohne Beschädigung wiederholt bieg­ bar sind. Bei der gezeigten Einrichtung verläuft das Kabel­ bündel 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. Um unnötige und schädliche Auswirkungen auf Signale, die durch die Kabel übertragen werden, zu vermeiden, sind am Gehäuse 12 weder Verbinder noch Anschlußelemente vorge­ sehen. 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.

Nach Fig. 5 sind die Wandlerelemente mit einer Koppelmatrix 96 verbunden, mit deren Hilfe ausgewählte Gruppen benach­ barter Wandlerelemente mit einer Verzögerungseinheit 98 oder einem Impulsgeber 100 verbindbar sind. Nur beispiel­ haft 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 An­ steuern von zu aktivierenden Wandlerelementen verbunden. 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 Strahl­ abtastung in Richtung des Pfeils 104 verschoben.

Von Diskontinuitäten innerhalb des impulsbeschallten 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 Lautstärke­ umfang, die gute lineare Verstärkungskurven über einen Bereich von Eingangssignalstärken aufweisen. Die Verzöge­ rungen sind so gewählt, daß eine Fokussierung des Strahl­ musters 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 Strahlfokussierung phasengesteuert ist. Anschließend an die Impulsecho­ empfangsperiode 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. Selbstver­ ständlich kann das System auch arbeiten, wenn Gruppen mit unterschiedlichen Anzahlen von Wandlerelementen be­ nutzt werden. Auch können Gruppen von ungeradzahligen und von geradzahligen Wandlerelementen dazu benutzt werden, um eine Verschiebung in Schritten einer halben Wandler­ elementbreite durchzuführen, was bekannt ist.

Die Ausgangssignale der Vorverstärker werden einem Summier­ verstärker 108 zugeführt, dessen Ausgangssignal einer ge­ wichteten Summe der Eingänge entspricht. Das Ausgangssignal des Summierverstärkers wird einem zeitabhängig geregelten Verstärker 110 zugeführt, dessen Verstärkungsablauf 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 Verstärkungs­ funktionsgeber 112 kann einfach ein Sägezahngenerator sein, dessen Ausgangssignal die Funktion hat, die Verstärkung des Verstärkers 110 proportional zu dem Bereich derart zu er­ höhen, daß der durch akustische Absorption im untersuch­ ten Objekt bewirkte Signalverlust ausgeglichen wird. Bei der vorliegenden Einrichtung wird ein verstellbarer Funktionsgeber 112 verwendet, der eine Mehrzahl Stell­ organe 114 aufweist, die an der Vorderseite der B- Abtastungs-Einheit 90 (vgl. Fig. 1) zugänglich sind zur Steuerung der Form des Generatorausgangssignals. Die Ein­ stellung jedes der fünf Stellorgane 114 bestimmt den Verstärkungsgrad des Verstärkers 112 während ¹/₅ der Echosignaldauer, so daß der Bediener die B-Abtastanzeige in erwünschter Weise anpassen kann. Verstellbare Ver­ stärkungsfunktionsgeber zur Regelung von Regelverstärkern sind bekannt und brauchen nicht erläutert zu werden.

Das Ausgangssignal des zeitabhängig geregelten Verstärkers 110 wird einem Breitband-Verstärker 116 mit Dynamikregelung zugeführt, der z. B. ein logarithmischer Gleichstromver­ stärker ist. Dem Verstärker 116 mit Dynamikregelung ist ein Regelverstärker 118 nachgeschaltet, der einen Ver­ stärkungsregler 120 zum Einstellen der Verstärkung aufweist.

Das Ausgangssignal des Regelverstärkers 118 wird von einem Hüllkurvenerfasser 122 erfaßt, der z. B. ein Zweiweggleich­ richter mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilter ist, wobei das Erfasser-Ausgangssignal mit der Hüllkurve des Breitband- HF-Ausgangssignals des Verstärkers 118 in Beziehung steht. Das Ausgangssignal des Hüllkurvenerfassers wird einer Ultraschallabbildungs-Anzeigeeinheit 124, die eine Katho­ denstrahlröhre ist, zugeführt. Normalerweise ist ein nicht gezeigter Verstärker mit Dynamikregelung in die Verbindung zwischen Erfasser-Ausgangssignal und Kathodenstrahlröhre 124 eingeschaltet, um das erfaßte Signal an Charakteristiken der Kathodenstrahlröhre 124 anzupassen, so daß der gesamte Signalbereich ordnungsgemäß angezeigt wird. Das Ausgangs­ signal des Erfassers wird dem Steuergitter der Kathoden­ strahlröhre als Eingangssignal für die Intensitäts- und Z-Achse-Steuerung des Elektronenstrahls zugeführt.

Bei B-Abtastbetrieb ist die Kathodenstrahlröhren-Strahl­ ablenkung in der X- oder Horizontalrichtung proportional der Lage des Strahls 84 längs der Abtastbahn. Ein X- Achse-Generator 126, der durch ein Synchronisiersignal von der Takt- und Steuereinheit 102 angesteuert wird, erzeugt ein Stufenausgangssignal, das dem Horizontal­ ablenksystem der Kathodenstrahlröhre 124 zugeführt wird zum Verschieben der Bildspur auf der Kathodenstrahlröhre nach Maßgabe der Lage des Ultraschallstrahls 84.

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 ange­ steuert wird. Das Ausgangssignal des Sägezahngenerators 128 wird dem Vertikalablenksystem der Kathodenstrahlröhre 124 zur Vertikalabtastung der Bildspur zugeführt. Es ist somit ersichtlich, daß auf dem Bildschirm der Kathoden­ strahlröhre 124 eine mit geradliniger B-Abtastung erhal­ tene Ultraschallabbildung des Körperteils erzeugt wird, der in der Längsebene 80 der in der Sonde 10 enthaltenen Wandleranordnung 70 liegt. Nach Fig. 1 ist die Ultra­ schallanzeigeeinheit 124 dem Fernsehmonitor oder Anzeige­ gerät 40 benachbart vorgesehen. Die gleichzeitigen Anzei­ gen 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 Aufzeich­ nungseinheit (nicht gezeigt) vorgesehen sein, die die von dem B-Abtastungssystem erzeugten Echtzeit-Ultra­ schallabbildungen 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) zugeführt werden, der die Ultraschallabbildungs- Signale in Signale mit einem herkömmlichen Fernsehformat umsetzt; in diesem Fall kann der Ausgang des Abtastum­ setzers einem herkömmlichen Fernsehmonitor zur Anzeige zugeführt werden (nicht gezeigt). Dabei kann das Ausgangs­ signal des Abtastumsetzers aufgezeichnet und mit herkömm­ lichen Fernseh-Wiedergabe- und -Monitoreinheiten zur späteren Anzeige der Ultraschallabbildungen benutzt werden.

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 Bauspeicheldrüsenbett, in der Bauchhöhle und im Mesenterium ist besonders schwierig. 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.

Nach Fig. 6 ist die Endoskop-Ultraschallsonde 10 in den Magen 130 eines Patienten eingeführt dargestellt. Herkömm­ licherweise verläßt man sich auf optische Führungsmittel zum Führen der Sonde durch die Speiseröhre und in die er­ wünschte Lage innerhalb des Magendarmtrakts. Viele eine Endoskopie ausführenden Ärzte benutzen bevorzugt das Okular 42 (vgl. Fig. 2) zum Einführen der Sonde in die erwünschte Lage; in diesem Fall wird das Lichtleiter­ kabel 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 endoskopi­ sche Ultraschallsonde 10 in die erwünschte Lage für die Ultraschallabbildung von darunterliegendem Weichgewebe ge­ führt. Nach Fig. 6 ist die Sonde 10 zu der größeren Wölbung des Magens 130 nahe der Pankreas 132 vorgeschoben. 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 Endo­ skop entfernt und durch das Lichtleiterkabel 36 ersetzt werden, so daß die Optik an das interne Fernsehen ange­ schlossen 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 ge­ eignete Handhabung der Sonde 10 kann eine Ultraschallab­ tastung der Bauchspeicheldrüse vom Pankreasschwanz zum Pankreaskopf durch die Magenwandung durchgeführt werden. Durch Bewegen der Sonde in den Zwölffingerdarm 136 ist eine zusätzliche Ultraschallabbildung des Pankreaskopfs aus unterschiedlichen Positionen möglich. Ultraschallab­ bildungen 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. B. eine Länge von 3 cm aufweist, ist ein Sichtfeld mit einer Breite von 3 cm und einer Tiefe von 4 cm möglich. 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.

Wie bereits erwähnt, kann anstelle der Zylinderlinse 82 nach den Fig. 1, 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 Wandler­ anordnung 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 Ab­ schnitt 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 Ge­ schwindigkeit in weichem Körpergewebe und in Wasser ist. Das zweite Linsenelement 144 besteht aus einem Material mit einer Fortpflanzungsgeschwindigkeit für akustische Wellen, die nicht höher, sondern bevorzugt erheblich niedriger als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit in weichem Körper­ gewebe 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 er­ halten.

Selbstverständlich sind in Verbindung mit der angegebenen Einrichtung verschiedene Modifikationen denkbar. Zum Beispiel kann die Sonde anstelle der gezeigten, nach vorn orien­ tierten 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-B-Abtastung erforderlich; zur Durchführung dieser Abtastung sind jedoch viele Einrich­ tungen bekannt, so daß das System nach Fig. 5 nur beispiel­ haft ist. Die Verwendung der gezeigten, sequentiell und dynamisch fokussierten geradlinigen Anordnung erfordert eine erhebliche Menge an elektronischen Vorverarbeitungs­ einheiten. Zur Maximierung des dynamischen Bereichs soll­ ten diese Schaltungen so nahe wie möglich an der Wandler­ anordnung vorgesehen sein. Die Erfindung umfaßt die Posi­ tionierung solcher Schaltungseinheiten in der Sonde 10 selbst unter Einsatz von IS-Chips. Derzeit sind zwar handelsübliche Chips nicht besonders gut für einen sol­ chen Einsatz geeignet, und auf Bestellung angefertigte elektronische Schaltungen, die sich eignen würden, sind sehr teuer. Jedoch ist der Einsatz geeigneter mikro­ elektronischer Vorverarbeitungsschaltungen in der Sonde durchaus praktikabel und liegt im Rahmen der Erfindung.

Claims (9)

1. Endoskopische Sonde zum sowohl optischen als auch mittels Ultraschall zu bewerkstelligenden Untersuchen innerer Körper­ teile, bei der ein langgestreckter, insbesondere zylindrischer distaler Endteil eine Ultraschall-Wandleranordnung und - am freien Stirnende - eine Mehrzahl von Öffnungen mit einer dort endenden optischen Beobachtungseinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Wandleranordnung (70) aus einer Mehrzahl benachbarter Wandlerelemente (74) besteht, die in einer im wesentlichen geraden Reihe gegenüber dem Stirnende zurück­ versetzt derart angeordnet sind, daß die Längsebene (80) der Ultraschall-Wandleranordnung (70) im wesentlichen in Längsrichtung des Endteils (16) verläuft.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das distale Ende des Endteils (16) bei im wesentlichen zylindrischer Ausbildung der Mantelfläche desselben zwei einander gegenüberliegende halbzylindrische Abschnitte (16 A, 16 B) aufweist, von denen ein Abschnitt (16 A) die Wandleran­ ordnung (70) abstützt und ein anderer Abschnitt (16 B) die optische Beobachtungseinrichtung aufweist.

3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung von einer Fokussierlinse (82) abgedeckt ist, deren Außenfläche mindestens einem Teil der Mantelfläche des Endteils (16) entspricht.

4. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fokussierlinse (82) aus massivem Material mit einer erheblich niedrigeren Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit im akustischen Bereich als das zu untersuchende Körpergewebe zum Fokussieren der Ultraschallstrahlen verwendet ist.

5. Sonde nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierlinse (82) die Strahlen der Ultraschall­ wandlerelemente (74) quer zur Längsebene (80) der Wandler­ anordnung (70) fokussiert.

6. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Belichtungseinrichtung Lichtleiterbündel (18) aufweist, welche in einer Öffnung am Stirnende des Endteils (16) enden.

7. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Öffnungen an der Stirnseite des Endteils (16) zu einem Führungskanal (60) für verschiedene Geräte führt.

8. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dem distalen Ende abgewandte Ende des Endteils (16) mit einem Verbindungsschlauch (14) verbindbar ist, in dem ein zu den Wandlerelementen (74) führendes Koaxialkabel (86) entlanggeführt ist, das zu einer Ultraschall-Sende/ Empfangseinheit (90) für Streifen-B-Abtastung führt.

9. Sonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Sende-Empfangseinheit (90) mit einer Anzeigeeinheit (124) für die B-Abtastung und mit einem Monitor (40) für Videoabbildungen in Verbindung steht und daß der Monitor (40) und die Sichtanzeigeeinheit (124) nebeneinander angeordnet sind.