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Vorrichtung zur Erzeugung zweier senkrecht aufeinanderL
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stehender Ultraschall-Scan-Bereiche Die Erfindung bezieht sich auf
eine Vorrichtung zur simultanen Erzeugung zweier senkrecht aufeinanderstehender
Ultraschall-Scan-Bereiche, vorzugsweise im Sektor-oder Trapez-Format, mit einer
Anordnung von Ultraschall-Wandlern, die als Matrix aus m x n Elementen aufgebaut
ist, von denen jedes einzelne Wandlerelement in der Weise separat ansteuerbar ist,
daß durch Aktivierung einer beliebigen Anzahl aufeinanderfolgender Wandlerelemente
das vorgegebene Scan-Format in vorgegebener Richtung realisiert wird, sowie mit
einer zugehörigen Ansteuerschaltung und einem Bildsignalverarbeitungsgerät.
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Insbesondere das Sektor-Scan-Verfahren hat sich bei Ultraschall-Untersuchungen
in der Kardiologie bewährt.
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Dies ist deshalb vorteilhaft anwendbar, weil zwischen den Rippen des
Patientenkörpers ein akustisches Fenster vorhanden ist, durch das ein gebündeltes
Ultraschall-Scan-Feld eingestrahlt werden kann. Es ist so möglich, jeweils durch
Aufsetzen des Ultraschallkopfes ein Querschnittsbild in entsprechender Schnittrichtung
des Herzens in rval-time" zu erzielen. Damit können dann für eine diagnostis-che
Kontrolle auf dem Sichtschirm eines Ultraschall-Bildsignalverarbeitungsgerätes unmittelbar
die Herzaktionen sichtbar gemacht werden.
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Allerdings ist mit einem solchen Scan-Verfahren immer lediglich ein
bestimmtes Querschnittsbild erzielbar Zum Erreichen eines anderen Scan-Bereiches
muß der Ultraschallkopf in eine andere Position gebracht werden.
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Es ist denkbar, mittels zweier nebeneinander positionierter Sektor-Scan-Einrichtungen
zwei Ultraschall-Querschnittsbilder des Herzens simultan zu erzeugen -zAd auf einem
oder zwei Sichtschirmen gleichzeitig darzustellen. Dazu wäre aber immer die jeweilige
Winkelposition der Ultraschallköpfe zu ermitteln und bei der Bildsignalverarbeitung
entsprechend zu berücksichtigen.
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Darüber hinaus wird auch bereits vorgeschlagen, eine Anordnung mit
einer Vielzahl von Ultraschall-Wandlern als Matrix mit m x n Elementen aufzubauen,
von denen jedes einzelne Wandlerelement separat ansteuerbar ist.
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Damit können bei Wahl geeigneter Ansteuermittel praktisch dreidimensionale
Scan-Bereiche mit beliebigen Konturen erzeugt werden. Solche als 3-D-Scan zu bezeichnende
Ultraschall-Unter suchung sfelder können durch ein Programm vorgegeben werden oder
auch durch die Untersuchungsperson frei vorwählbar sein.
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Ein solches Ultraschall-Matrix-Array eröffnet mit den zugehörigen
Steuermitteln ganz neue Möglichkeiten für kardiologische Untersuchungen. Beispielsweise
kann die Kontur des Scan-Bereiches an die jeweils beim Patienten individuell vorliegenden
anatomischen Verhältnisse angepaßt werden. Dabei ist entscheidender Vorteil, daß
der applizierte Ultraschallkopf mit Matrix-Array bei der Untersuchung nicht bewegt
werden braucht. Beispielsweise kann nun die Scan-Richtung sukzessive in einem beliebigen
Winkel verdreht werden, so daß jeweils die aufgrund der vorliegenden Anatomie optimal
mögliche Richtung wählbar ist. Es kann auch insbesondere ein Scan-Bereiçh als Teil
eines oder mehrerer Kreisausschnitte vorgewählt werden.
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Mit einem solchen Ultraschall-Matrix-Array ist es aber auch möglich,
daß zwei oder mehrere Ultraschall-Scan-Schnitte gleichzeitig erzeugt werden, wobei
speziell im ersten Fall für beide Scan-Richtungen vorzugsweise mit unterschiedlichen
Frequenzen zu arbeiten ist, um gegenseitige Beeinflussungen auszuschließen. Die
beiden Scan-Richtungen können in einem beliebigen Winkel zueinander stehen und einen
beliebigen Linienverlauf haben. Besonders vorteilhaft ist es insbesondere für kardiologische
Untersuchungen, wenn die beiden Scan-Richtungen gerade verlaufen und senkrecht aufeinanderstehen,
so daß man zwei im rechten Winkel verlaufende Schnittdarstellungen des zu untersuchenden
Herzens erhält.
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Es ist offensichtlich, daß der Steraufwand für die vorstehend geschilderten
Konzeptionen vergleichsweise aufwendig ist. Der einfachste Fall für die Steuerung
wird speziell der sein, wenn die beiden Scan-Richtungen senkrecht aufeinanderstehen.
Aber auch in diesem Fall, wenn beispielsweise bei Verwendung eines 64 x 64 Element-Arrays
4096 Elemente angesteuert werden müssen, ist der elektronische Aufwand noch beträchtlich.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, Mittel anzugeben, mit denen zwei
senkrecht aufeinanderstehende Ultraschall-Sektor-Scan-Felder realisiert werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Matrix
einerseits alle Elemente einer Zeile und andererseits alle Elemente einer Spalte
elektrisch miteinander verbunden sind und daß die Ansteuerschaltung entweder jeweils
alle Spaltenelemente auf Massepotential legt und die Zeilenelemente entsprechend
verzögert ansteuert oder alle Zeilenelemente auf Massepotential legt und die SpaltErnelemente
entsprechend verzögert ansteuert.
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Durch die Erfindung ist also eine vergleichsweise einfache Erzeugung
der senkrecht aufeinanderstehenden Scan-Felder möglich. Dabei werden jeweils an
die Massepotentialschalter vergleichsweise hohe Anforderungen zu stellen sein, während
für die HF-Schalter gleiches nicht in diesem Maße gilt. Vorzugsweise wird nach Art
eines phase array" ein Sektor-Scan-Format realisiert.
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Auch ein Trapez-Format oder auch ein Parallel-Scan ist mit der erfindungsgemäßen
Ansteuerung der Zeilen- bzw.
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Spaltenelemente möglich.
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Mit der Erfindung können beispielsweise zur elektronischen Erzeugung
eines Sektor-Scans alternativ jeweils die Scan-Bereiche nacheinander in beiden Richtungen
oder sequentiell einzelne Sektor-Scan-Linien aufgebaut werden.
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Es sind dabei beide Scan-Bereiche simultan als B-Bilder auf einem
oder zwei Sichtschirmen des Bildsignalverarbeitungsgerätes wiedergebbar. Es ist
aber auch möglich, einen Scan-Bereich als B-Bild darzustellen und aus dem zweiten
Scan-Bereich Ultraschall-Echo-Signale einer Zeile einer Verarbeitungseinheit für
eine TM-und/oder eine Doppler-Signalauswertung zuzuführen. Eine solche Darstellung
kann bei kardiologischen Untersuchungen vorteilhaft sein, da in diesem Fall die
Herzaktionen sowohl optisch auf dem Bildschirm dargestellt, als aber auch quantitativ
als TM-Kurve ausgedruckt oder nach entsprechender Doppler-Signalauswertung die Ergebnisse
alphanumerisch angezeigt oder auch akustisch dargestellt werden können.
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Vorzugsweise.kann bei allen Ausführungsformen der Erfindung bei festpositioniertem
Ultraschallkopf eine Drehung der Scan-Richtungen erfolgen, wodurch die optimale
räumliche Lage der Querschnitte und der Zeilen für die TM- und/oder Doppler-Auswertung
bestimmt werden kann.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Es zeigen: Fig. 1 das Prinzip eines zweidimensionalen Arrays zur Erzeugung von dreidimensionalen
Scan-Bereichen, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Erzeugung zweier
senkrecht aufeinanderstehender Scan-Bereiche, Fig. 3 die Kontaktierung eines Einzelwandlers
und Fig. 4 die Ansteuerschaltung blockschaltmäßig.
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In der Figur 1 bedeutet 1 eine Matrix aus m x n Elementen.
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Beispielsweise kann ein derartiges Array aus 64 Spalten und 64 Zeilen
gebildet sein. Bei Verwendung von feingeteilten Wandler-Arrays auf Folienbasis (sog.
Polyvinyldifluorid-(PVDF)-Folien) läßt sich ein derartiges Array beispielsweise
in den Maßen 14 x 14 mm realisieren. Vorteilhafterweise ist die Verwendung solcher
PVDF-Wandler als Breitbandwandler möglich.. Beispielsweise können solche Wandler
Ultraschall-Frequenzen von fi = 2 MHz und f2 = 4 MKz erzeugen.
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Wesentlich ist nun, daß die Einzelelemente eines solchen zweidimensionalen
Arrays derart ansteuerbar sind, daß beispielsweise ein Sektor-Scan mit einer Scan-Linie
in vorwählbarer Richtung erzeugbar ist. Geht man von der Voraussetzung aus, daß
die beiden Scan-Richtungen aufeinander senkrecht stehen sollen, so ergeben sich
wesentliche Vereinfachungen bei der Realisierung.
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In der Figur 2 ist ein Ultraschall-Wandler-Array mit 100 bezeichnet.
Die körperliche Struktur dieses Arrays ist im einzelnen angedeutet, wobei ein solches
Array
vorzugsweise aus einzelnen Wandlerstäbchen besteht, was in
älteren Patentanmeldungen bereits beschrieben ist.
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Die Anschlußkontakte der einzelnen Wandlerelemente sind nun jeweils
in der Weise miteinander verbunden, daß einerseits alle Elemente einer Zeile elektrisch
kontaktiert sind und jeweils einen einzigen Leitungsausgang 101 bis 164 haben und
daß andererseits alle Elemente einer Spalte verbunden sind und jeweils eine elektrische
Anschlußleitung 201 bis 264 aufweisen.
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Durch sukzessives verzögertes Ansteuern der einzelnen Zeilenelemente
läßt sich beispielsweise ein erstes Sektor-Scan-Feld erzeugen, welches nach dem
Prinzip des phase array" mit 200 bezeichnet ist. Durch sukzessives verzögertes Ansteuern
der Spaltenelemente läßt sich ein entsprechendes Sektor-Scan-Feld in Längsrichtung
erzeugen, das mit 300 bezeichnet ist und senkrecht auf dem Sektor-Scan-Feld 200
steht. Es ist also lediglich erforderlich, die einzelnen Zeilen-bzw. Spaltenelemente
elektrisch entsprechend von Massepotential auf Hochfrequenz umzusteuern. Solche
Schalter sind mit 301 bis 364 angedeutet.
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In der Figur 3 ist ein einzelnes Wandlerelement mit 400 bezeichnet.
An den beiden Seiten sind elektrische Kontakte 401 bzw. 402 angebracht. Mittels
Schalter 404 und 405 ist eine solche Steuerung möglich, daß die Anschlußkontakte
des Wandlerplättchen 400 jeweils alternativ gemeinsam auf Massepotential oder an
die HF-Steuerschaltung zur sukzessiven Ansteuerung umgeschaltet werden können. Dafür
muß der Schalter 404 niederohmig sein, während für Schalter 405 übliche Schalter
verwendet werden können.
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Üblicherweise erfolgt beim Sektor-Scan-Verfahren die Ansteuerung in
der Weise, daß 30 Bilder pro Sekunde erzeugt werden. Dies gewährleistet eine hinreichend
gute Bildfolge und einen flimmerfreien Bildeindruck.
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Da die Geschwindigkeit der Wandleransteuerung nicht in beliebigem
Maße erhöht werden kann, werden bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 pro Sekunde
15 Bilder des Sektor-Scans 200 und 15 Bilder des Sektor-Scans 300 erzeugt, was noch
einen hinreichenden Bildeindruck gewährleistet. Es kann jeweils alternativ die Erzeugung
der beiden Scan-Bereiche vollständig vorgenommen werden, wobei dann nach Aufbau
eines Bildfeldes umgeschaltet wird; es können aber auch jeweils sukzessive die Zeilen
sequentiell und damit beide Bildfelder zugleich aufgebaut werden.
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In der Figur 4 bedeutet 500 ein Ultraschall-Applikator mit einem anhand
der vorangehenden Figuren beschriebenen Wandler-Array. Mit 501 ist die Sende-/Empfangseinheit
des Wandlersystems bezeichnet. Einem Scan-Konverter 502 sind z.B. zwei Sichtschirme
503 und 504, beispielsweise Fernsehmonitore, zugeordnet. Es ist auch die Darstellung
beider Bildfelder auf einem Sichtschirm möglich.
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Die Sende-/Empfangseinheit 501 für das Wandlersystem wird von einer
Steuerungseinheit 505 betrieben. Weiterhin ist eine zentrale Steuer- und Kontrolleinheit
506 zur Synchronisierung von Steuerelektronik und Scan-Konverter 502 vorhanden.
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Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2 und 4 werden beide Scan-Felder
als B-Bild auf dem Sichtschirm dargestellt. Es ist jedoch in bestimmten Anwendungsfällen
sinnvoll, lediglich ein Scan-Feld als B-Bild darzustellen und aus dem anderen Scan-Feld
eine geeignete Zeile für
eine quantitative Signalverarbeitung herauszugreifen.
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Dabei kann ein solches Ultraschall-Echo-Signal beispielsweise in TM-Mode
dargestellt werden, wodurch sich beispielsweise in der Kardiologie die Bewegung
einer Herzklappe überwachen läßt. Es ist aber auch möglich, ein Ultraschall-Echosignal
hinsichtlich seiner DopEiLerfrequenzverschiebung auszuwerten. In diesem Fall wird
das Echosignal einer geeigneten Auswerteeinrichtung zugeführt, womit beispielsweise
die Blutflußgeschwindigkeit innerhalb des Herzens direkt bestimmbar und ausgebbar
ist.
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Da bei festpositioniertem Ultraschallkopf die beiden aufeinander senkrecht
stehenden Scan-Richtungen auch gedreht werden können, ist die Möglichkeit gegeben,
eine optimale Scan-Richtung für eine Bilddarstellung eines ersten Scaeics und die
Abtastzeile für eine TM-und/oder Doppler-Signalauswertung zu ermitteln.
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Durch die Erfindung ergeben sich also ganz neue Möglichkeiten bei
der Ultraschall-Untersuchung. Aufgrund der Verwendung modernster Technologie für
die Wandlerelemente sind derartige Arrays sehr klein und damit der gesamte Applikator
kompakt ausgebildet.
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Ein solcher Applikator zur Erzeugung zweier senkrecht aufeinanderstehender
Scan-Bereiche eignet sich insbesondere für kardiologische Untersuchungen. Dafür
wird beispielsse ein Sektor-Format verwendet. Natürlich sind auch andere Anwendungsmöglichkeiten,
wie z.B. abdominale Untersuchungen denkbar. Durch die beiden senkrecht aufeinanderstehenden
Sektor-Scan-BereLche kann bei solcher Anwendung beispielsweise die Volumenbestimmung
von inneren Organen, wie der Niere erfolgen.
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4 Figuren 9 Patentansprüche
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