DE3211029A1 - Abtasthalterung fuer ultraschall-diagnosesonden - Google Patents

Abtasthalterung fuer ultraschall-diagnosesonden

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DE3211029A1 DE19823211029 DE3211029A DE3211029A1 DE 3211029 A1 DE3211029 A1 DE 3211029A1 DE 19823211029 DE19823211029 DE 19823211029 DE 3211029 A DE3211029 A DE 3211029A DE 3211029 A1 DE3211029 A1 DE 3211029A1
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Description

l-Phys. O. E. Weber η D-800Q München 71
Patentanwalt * Hofbrunrsstraße 47
zugelassener Vertreter beim
Europäischen Patentamt Telefon: (089)7915050
Telegramm: monopolweber
Representative before the münchen
European Patent Office Telex: 05-212877
A 149
Aloka Co. Ltd.
6-22-1 Mure Mitaka,
Tokyo, Japan
Abtasthalterung für Ultraschall-Diagnosesonden
Die ürfindung betrifft eine Abtasthalterung für Ultraschall-Diagnosesonden, mit der eine Ultraschall-üiagnosesonde sich beliebig bewegen und ausrichten läßt, um den Ultraschallstrahl in einer gewünschten Richtung auf eine bestimmte Stelle richten zu können.
Bei der Anfertigung von Probentomogrammen mit Ultraschall-Diagnosevorrichtungen ist es erforderlich, eine Ultraschallsonde genau in die Sollage bezüglich der zu untersuchenden Probe zu bringen. Hierzu muß man die Sonde im dreidimensionalen Raum an den gewünschten Ort bringen und ihre Winkelrichtung einstellen. In der Praxis erfolgt dies mit einer geeigneten Halterung der Sonde.
Derartige herkömmliche Sondenhaiterungen bestehen aus einem Fuß, den man in der Nähe der zu untersuchenden Probe aufstellt, und einem Ilalterungssystem, das an einem linde vom Fuß gelagert wird und an dessen anderem linde die Ultraschall sonde befestigt ist.
Die Bedienungsperson bringt dann mittels der Halterung die Ultraschallsonde in die Sollage und betätigt die Ultraschall-Diagnosevorrichtung zur Sichtdarstellung eines Tomogramms der untersuchten Probe.
Die Sondenhalterungen nach dem Stand der Technik sind jedoch dahingehend nachteilig, daß man sie nicht präzise an eine beliebige Stelle bezüglich der zu untersuchenden Probe bringen und auch den Strahl nicht beliebig richten kann.
Mit den Sondenhalterungen nach dem Stand der Technik ist es auch nicht möglich, den Ort und die Strahlrichtung einer einmal eingestellten Ultraschallsonde angebende Datensignale zu erhalten, die dann zur Durchführung anderer Funktionen genutzt werden können - bspw. zur Anfertigung von Tomogrammen des gleichen Schnitts der gleichen Probe zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halterung für Ultraschall-Diagnosesonden anzugeben, mit der eine solche sich präzise an eine beliebige gewählte Stelle und in eine beliebige gewählte Strahlrichtung bringen läßt und die in der Lage ist, an eine elektronische Ver-
arbeitungseinheit Signale zu liefern, die diesen Ort und diese Strahlrichtung angeben.
Nach der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst mit einer Abtasthalterung für Ultraschall-Diagnosesonde, die sechs Gelenke zur Drehung in jeweils einer vorbestimmten Ebene aufweist, wobei die Halterung an einem linde mit einem Fuß gelagert ist und an ihrem anderen linde eine Ultraschall-Diagnosesonde trägt und jedem der sechs Gelenke ein Winkelaufnehmer bzw. -geber zugeordnet ist, der den Stellungswinkel des zugeordneten Gelenks ermittelt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:
die Fig. 1 den Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
die Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Ultraschall-Diagnosevorrichtung zum Einsatz mit der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
die Fig. 3 und 4 Prinzipskizzen für die Berechnung des Orts der in der Fig. 1 gezeigten Sonde.
Die Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 1o in der Figur eine sektor- bzw. fächerförmij', abtastende Sonde, die, nachdem sie an eine zu untersuchende Probe (nicht gezeigt) angesetzt worden ist, aus einer (nicht gezeigten) Diagnosevorrichtung erregt wird und einen Ultraschallstrahl 1oo abgibt, dessen Echosignal von der Diagnosevorrichtung zur Anfertigung eines Tomogramms der Probe ausgewertet wird.
Die Sonde 1o wird dabei mit einer Abtastmechanik in die Sollage gebracht, die einen Fuß 12, der an der zu untersuchenden Probe aufgestellt wird, und eine Halterung 14 aufweist, die an einem Ende vom Fuß 12 getragen wird und an ihrem anderen Ende die Sonde 1o trägt.
Die Halterung 14 hat sechs G elenke, die jeweils in einer vorbestimmten Ebene sclwenken können, sowie sechs an diesen Gelenken angebrachte Winkelaufnelimer.
Eine Stütze 16 ist drehbar auf der Oberseite des Fußes 12 angeordnet und ein auf der Stütze 16 befestigter Gabelkopf 16a trägt sciiwenkbar ein Ende eines Armes 18. Das andere Ende des Armes 18 trägt schwenkbar ein Ende eines Armes 2o, dessen anderes Ende ebenfalls einen Gabelkopf 22 trägt, der seinerseits bezüglich der Achse des Arms 2o drehbar ist. Die Gabel 22a des Gabelkopfes 22 trägt schwenkbar einen Stab 24, der bezüglich der Achse des Gabelkopfteiles 22b schwenkbar ist. Am Ende des Stabes 24 ist die Sonde 1o drehbar angeordnet. Wie bereits erwähnt, enthält die Abtasthalterung 14 sechs Gelenke zur Drehung in jeweils einer vorbestimmten Ebene.
Wo die tragende Stütze 16 auf dem Fuß 12 befestigt ist, ist ein Winkelaufnelimer 26 vorgesehen, der den Drei winkel der Stütze 16 ermittelt. Wo an der Gabel 16a der Arm 18 befestigt ist, befindet sich der Winkelaufnehmer 28, der den Schwenkwinkel des Arms 18 feststellt, und am Befestigungspunkt des Arms 2o am Arm 18 ist der Winkelaufnehmer 3o vorgesehen, welcher den Schwenkwinkel des Arms 2o feststellt. Weiterhin befindet sich der Winkelaufnelimer 32, der den Drehwinkel des Gabelkopfes 22 ermittelt, dort, wo der Gabelkopf 22 am Arm 2o befestigt ist, ein weiterer Winkelaufnehmer 34, der den Schwenkwinkel des Stabes 24 feststellt, am Übergang des Stabes 24 zur Gabel 22a und schließlich ein Winkelaufnehmer 36, der den Drcliwinkel der Sonde 1o angibt, am oberen Ende des Stabes 24. Die Signale aus den Winkelaufnehmern 26, 28, 3o, 32, 34, 36 gehen auf die Diagnosevorrichtung als Informationen über die Lage der Sonde 1o bezüglich des Fußes 12 der Abtasthaiterungsmechanik.
Die Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm der Ultraschall-Diagnosevorrichtung,
mit der zusammen die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird. Die üiagnosevorrichtung 38 enthält eine Sende-Empfangseinheit (S/E-Einheit) 4o, die die Abgabe des Ultraschallstrahls 1oo der Sonde 1o steuert und die von der Sonde Io aufgenommenen reflektierten Echosignale erfaßt, sowie einen Abtastkonverter 44, der die vom Sende-Empfangsteil 4o erfaßten Signale zu Bildsignalen umwandelt, die sich zur Darstellung auf
cinor Sichtnmmlnung 42 eignen. Die Diagnosevorrichtung 38 enthält weiterhin einen Prozessor 46, der die Winkelsignale aus den Winkelaufnehmern 26, 28, 3o, 32,34, 3(> zur Ermittlung der Lage und der Strahlrichtung der Sonde 1o verarbeitet und die Resultate an den Abtastkonverter 44 weitergibt. Steuersignale aus einer von der Bedienungsperson betätigten Tastatur 48 gehen zum Prozessor 46 und zum Abtastkonverter 44. Der Prozessor 46 beginnt zu arbeiten, wenn die Steuersignale eintreffen. Beim Eingang der Steuersignale aus der Tastatur 48 und der Resultate aus dem Prozessor 46 erscheinen auf der Sichtanordnung unter Ansteuerung durch den Abtastkon-.verter 44 sowohl die Lage als auch die Strahlrichturig der Sonde in Form von Zeichen, Symbolen oder Graphikelementen sowie das Tomogramm der untersuchten Probe. Der Prozessor 40 enthält Mittel zum Speichern der Ergebnisse, d.h.der die Lage und die Strahlrichtung der Sonde 1o angebenden Daten, und der Abtastkonverter 44 kann eine Sichtdarstellung der Lage und der Strahlrichtung der Sonde 1o auf der Sichtanordnung 42 veranlassen, indem er ihr die gespeicherten Daten des Prozessors 46 zuführt.
In dieser Beschreibung läßt jedes der Gelenke der Abtasthaiterung 14 sich in einem bestimmten Winkel festlegen oder aus einer solchen Festlegung lösen.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist aufgebaut, wie oben beschrieben.
Im folgenden soll die Arbeitsweise dieser Abtastvorrichtung beschrieben werden.
Die Bedienungsperson bewegt die Sonde in eine gewünschte Stellung auf der zu untersuchenden I^obe (bspw. einer Gewebeprobe) und fixiert die Gelenke so, daß der Strahl aus der Sonde auf die Probe fallen kann.
Nachdem die Abtastlialterung auf diese Weise aufgestellt worden ist, werden die Daten aus den Winkelaufnehmern an den Prozessor 46 gegeben,der sie zu den Lage- und Strahlrichtungswerten der Sonde 1o verarbeitet.
Da die Abtasthalterung 14 der vorliegenden Erfindung, wie bereits erwähnt, mit sechs Gelenken ausgeführt ist, lassen die Lage und die Strahlrichtung der Sonde 1o sich zuverlässig und frei bezüglich der zu untersuchenden Probe einstellen.
Im folgenden soll erläutert werden, wie die Abtasthalterung nach der vorliegenden Erfindung zur Anfertigung vom Tomogrammen des gleichen Querschnitts der gleichen Probe zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingesetzt werden kann.
Die Bedienungsperson veranlaßt über die Tastatur 48 die Ausgabe der Lage- und Strahlrichtungsdaten für die Sonde 1o aus der vorgehenden Tomographieuntersuchung und das binspeisen dieser Daten in den Konverter 44. Die Lage und Strahlrichtung der Sonde 1o aus der vorhergehenden Tomographieuntersuchung werden dann auf der Sichtanordnung 42 in Form von Zeichen, Symbolen oder Graphikelementen dargestellt.
Danach bewegt die Bedienungsperson die Sonde 1o in die von der Ultraschalldiagnosevorrichtung angegebene Lage, fixiert die Sonde 1o in der angegebenen Strahlrichtung und fertigt dann mit der Ultraschall-Üiagnosevorrichtung ein weiteres Tomogramm des gleichen Schnitts wie in der vorhergehenden Untersuchung an. Etwaige Unterschiede im Zustand der untersuchten Probe lassen sich daher präzise feststellen und beurteilen.
Wie bereits erwähnt,läßt in dieser Ausführungsform, der Erfindung die Sonde sich in eine beliebige Lage und Strahlrichtung bringen. Die Einstellung der Sonde auf die Sollage kann daher mit hoher Genauigkeit erfolgen.
Nachdem weiterhin bei dieser Ausführungsform die Lage und Strahlrichtung der Ultraschallsonde 1o in einem gegebenen tomographischen Prozeß aus den Lagedaten der Winkelaufnehmer 2b, 28, 3o, 32, 34,30 durch den Prozessor bestimmt und die Ergebnisse dieses Vorgangs festgehalten bzw. gespeichert worden sind, kann später ein Tomogramm des gleichen Teils der Probe hergestellt werden, so daß etwaige Änderungen des Zustands der Probe sich präzise beurteilen lassen.
In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Halterung 14 mit sechs Gelenken ausgeführt, üa jedes dieser Gelenke mit einem der Winkelaufnehmer 26, 28, 3o, 32, 34, 36 ausgerüstet ist, erhalt man eine einfachere Kerteverarbeitung und daher eine kürzere Verarbeitungsdauer im Prozessor 46.
Ls ist bekannt, daß vom Kostenstandpunkt aus als Prozessor 4b vorzugsweise ein Kleinredmer dient. Liegen jedoch inder Halterung sieben oder mehr Gelenke vor,werden die vom Prozessor 46 durchzuführenden Verarbeitungsaufgaben so kompliziert, daß beim Einsatz eines Mikroprozessors die erhebliche Bearbeitungsdauer den Nutzen der Ultraschall-Diagnosevorrichtung beeinträchtigt.
Daher enthält diese Ausführungsform nur sechs Gelenke mit jeweils einem Kinkelaufnehmer; die Bearbeitungsdauer läßt sich auf diese Weise minimal halten.
Die zur Berechnung der Lage der Sonde 1o im dreidimensionalen Raum erforderlichen komplizierten Berechnungen haben einen weit stärkeren Einfluß auf die Arbeitsgeschwindigkeit des Prozessors 46 als die, die man zum Ermitteln der Strahlrichtung der Sonde braucht. Der Einfluß letzterer ist gegenüber ersteren so gering, daß er vernachlässigt werden kann.
Im folgenden sollen daher nur diejenigen Gleichungen diskutiert werden, die die Lage der Sonde 1o im dreidimensionalen Raum zu ermitteln gestatten.
Die Fig. 3 zeigt mit geeigneten Symbolen die Größe der verschiedenen Llemente und Kinkel der Abtasthalterung in der Ausführungsform nach Fig. Der Ursprung des rechteckigen XYZ-Koordinatensystems liege dabei auf der Drehachse der tragenden Stütze 16 im Übergangspunkt zum Arm 1-8.
In der Fig. 3 bezeichnen θ^ den vom Winkelaufnehmer 26 ermittelten Winkel, G1 dem vom Winkelaufnelimer 28 ermittelten Winkel, θ7 den vom Winkelaufnelimer 3o ermittelten Kinkel, θ~ den vom Winkelaufnehmer 34 ermittelten Kinkel, θ~ den vom Kinkelaufnehmer 32 ermittelten Kinkel, öy den vom Kinkelaufnehmer 36 ermittelten Kinkel und ©4 den Sektorwinkel der Sonde 1o.
V.'eiterliin bezeiclinen (Fig. 3) L1 denAbstand des Gelenks zwischen dem Arm 18 lind der Stütze Ib vom Gelenk zwischen dem Arm 18 und demArm 2o, 1*2 den Abstand des Gelenks zwischen dem Arm 2o und demArm 18 vom Gelenk zwischen demGabelkopf 22 und dem Stab 24, L3 die Entfernung vom Gelenk zwischen dem Gabelkopf 22 und dem Stab 24 zum oberen linde der Sonde und schließlich P das obere Ende der Sonde 1o. Die Pig. 4 zeigt Einzelheiten des Gelenkteils des Gabelkopfes 22 und den Stab 24 vergrößert.
Die Größen L^, L2 und L3 werden vorweg in den Prozessor 46 eingegeben.
Die Koordinaten (X , Y , Z) des oberen Endpunkts P lassen sich wie folgt darstellen:
Xr = VU.3sin03 sinöß )2 + (!,SN/!-Sm2O3Sin 1O/? X cos(0i+02+Ö3)+Licos0i
,2 , Li3sin03 sinöfl . ,„.
+L2cos(0j+02)} XsiniÄx+sirf1 ) (1)
vrty
tn*^ Xcos
L2COS
COS (01+02+03 ) +Ll COS 01+L2 COS (01+02 ) , - =-- 1 - /o\
X sin (0! + 02 + 03 ) +Lx sin0, +L2 sin (Öj+Ö2 )
Der Prozessor 46 (Fig. 2) ermittelt die Lage P der Sonde 1o, indem er die eingegebenen Werte LpL2 und L3 sowie θ^ , G1, O2, θβ und O3 aus den lVinkelaufnehmern 26, 2S, 3o, 32, 34,36 in die Gleichungen (1), (2) und (3) einsetzt.
AO
Die Gleichungen (1), (2) und (3) sollen im folgenden erläutert werden.
Ils werde in Fig. 3 das XYZ-System in der -XY-Iibene um Θ«, gedreht und das neue Koordinatensystem als xyz-Systcm bezeichnet.· In den beiden Koordinatensystem gelten dann die folgenden Beziehungen:
Xj. ->/*£+ yj * sin (β«+sin"1 -^—
Yr = y/ *l + y1 X cos ( da + cos"» -=====r
r y/*l + yp
Zp = zp
Zunächst werden die Koordinatendes Punktes P im xyz-System genommen. In I;ig. 4 sei Q der Schnittpunkt von L^ und L, und ergebe sich das x'y1Z'-System aus einer Verschiebung des Ursprungs Q des xyz-Systems. Dann erhält man die Koordinaten (x1, y', z') des Punktes P wie folgt:
„ — L3 sin Ö3 X sin Ofj
y' = L3 v/1 - sin1 O3 sin2 θβ X cos (O1+ O2+ O3)
z'r = L» y/ 1 - sin* O3 sin1 Oß X sin ( Θ1 + Ο2 + 63 )
Hiermit läßt sich der Zusammenhang zwischen χ ,y , ζ und x', y1, z1 ausdrücken :
yr — y't + Li cos 0i + L2 cos ( 0i + 02 ) zr = 2p + L1 sin 0i + L.2 sin ( 0i + 62 )
und es gelten folglich die Beziehungen:
XT — L3 sin 03 X sin öß (4)
L3 >/ 1 - sin* 03 sin20ß X
+L2 cos (0i 4-02 ) (5)
2P = L3 \A - sin2 03 sin2 0ß X sin ( 0i+02 + ö3 ) +
. Li sin 0i+L2Sm ( 0i+02 ) ·· (6)
Drückt man nun die Gleichungen (4), (5), (b) im XYZ-System aus, erhält man die oben erwähnten Gleichungen (1), (2) und (3).
Als nächstes sei eine Verbundabtastung unter Benutzung der Ultraschallsondenhalterung in dieser Ausführungsform beschrieben.
Line Verbundabtastung liegt allgemein vor, wenn man die Lage und die Stralilrichtung der Sonde mit einer Kombination von zwei oder mehr ein-
fachen Abtastbewegungen variiert werden, die man bspw. als Linear-,Kreis-, Fächer-, Bogen- oder dergl. Bewegung wählt. Mit einer Verbundabtastung erhält man qualitativ hochwertige Tomogramme.
Um mit der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung eine Verbundabtastung durchzuführen, fixiert man drei Gelenke der Halterung 14 so, daß die Abtastung durch die mechanische Abtastbewegung der Halterung 14 einerseits und durch die elektronische Fächerbewegung des Sondenstrahls andererseits erfolgt.
Fixiert man inFig. 1 bspw. die Stütze 10, denGabelkopf 22 und die Sonde 1o, kann die Halterung 14 die Sonde 1o auf einer vorbestimmten gradlinigen Alitastkontur bewegen und in eine beliebige gewählte Richtung bringen. In diesem Fall erhält man mit der mechanischen gradlinigen Abtastung durch die Halterung 14 einerseits und der elektronischen Fächerabtastung durch die Sonde 1o andererseits eine Verbund-Fächerabtastung. Während der Verbundabtastung wertet der Prozessor 46 die Lagedaten des.Puntes P und die Strahlrichtungsdaten der Sonde 1o aus und gibt die Ergebnisse an den Abtastkonverter 44, der die von der S/E-Einheit 4o ermittelten Kellensignale und die aus dem Prozessor erhaltenen Ergebnisse zu Bildsignalen umwandelt. Der Sichtteil 42 gibt ein breites kontinuierliches Fächertomogramm entlang der Verbundabtastkontur aus; gleichzeitig können die Lage und die Strahlrichtung der Sonde schriftmäßig dargestellt werden. Auf dem Bildschirm der Sichteinheit 42 sieht man also auch die Lage der Sonde bezüglich des Verbund-Abtastbildes.
Wie aus der obigen Beschreibung klar ist, läßt sich nach der vorliegenden Erfindung die Sonde bequem bei beliebiger gewählter Strahlrichtung an einen willkürlich gewählten Ort bringen.
Nachdem man die Sonde bezüglich der zu untersuchenden Probe in eine gewünschte Lage gebracht hat, kann man bei der vorliegendenErfindung dieser Lage entsprechende Daten aus der Abtastvorrichtung ableiten und dazu benutzen, der Ultraschall-Diagnosevorrichtung, mit der der Abtaster verwendet wird, zusätzliche Funktionen zu erteilen.

Claims (1)

  1. Patentanspruch
    Abtasthalterung für Ultraschall-Diagnosesonden, gekennzeichnet durch sechs Gelenke, die sich jeweils in einer vorbestimmten Iibene drehen lassen, wobei die Abtasthalterung an einem linde auf einem Fuß gelagert ist und an ihrem anderen linde eine Ultraschallsonde trägt, und daß an den
    Gelenken der Abtasthalterung sechs Winkelaufnehmer (26, 28, 3o, 32, 34,36) zur Ermittlung der Stellungswinkel der Gelenke vorgesehen sind.
DE3211029A 1981-03-26 1982-03-25 Abtasthalterung für eine Ultraschall-Diagnosesonde Expired DE3211029C2 (de)

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JP56043175A JPS57160444A (en) 1981-03-26 1981-03-26 Scanner of ultrasonic probe

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DE3211029C2 DE3211029C2 (de) 1986-10-09

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DE3211029A Expired DE3211029C2 (de) 1981-03-26 1982-03-25 Abtasthalterung für eine Ultraschall-Diagnosesonde

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