DE3322550A1 - Schnittbildmechanik fuer ein ultraschallschnittbildgeraet - Google Patents

Description

Kretztechnik

Gesellschaft m. b. H.
Frankenburg (Österreich)

Schnittbildmechanik für ein Ultraschallschnittbildgerät

Die Erfindung "betrifft eine Schnittbildmechanik für ein Ultraschallschnittbildgerät zur sektorförmigen Abtastung einer Schnittfläche in einem Objekt mit einem von wenigstens einem Schallkopf abgestrahlten Schallbündel, wobei für einen oszillierenden Antrieb des Schallkopfes ein Motor und ein mit diesem verbundener Antriebsmechanismus mit um Drehachsen rotierenden und bzw. oder Drehschwingungen ausführenden Massen vorgesehen sind.

Bei mit derartigen Schnittbildmechaniken ausgestatteten Ultraschallschnittbildgeräten, die meist in der medizinischen Diagnostik Verwendung finden, sind der bzw. die Schallköpfe für eine unmittelbare Einstrahlung des Schallbündels in·das Untersuchungsobjekt, meist also in bestimmte Körperpartien, vorgesehen. Verläuft die Schwenkachse, um die der Schällkopf mit dem Schallkopfträger oszillliert, im wesentlichen durch die Abstrahlflächo des Schallkopfes, dann wird ein in seiner Grundform dreieckiger Sektor einer Schnittfläche

abgetastet. Liegt die Schwenkachse im Abstand von der Abstrahlfläche und dem untersuchten Objekt, dann wird mit dem Schallbündel ein in seiner Grundform trapezförmiger Bereich der Schnittfläche abgetastet. Der Ausdruck "Schnittfläche" ist geometrisch nicht einwandfrei korrekt, da praktisch immer Schichtvolumen und nicht Flächen mit dem Schallbündel abgetastet werden. Für die Darstellung des Schnittbildes auf einem Bildschirm des Schnittbildgerätes werden die Momentanlage des Schallbündels angebende Lageinformationen erzeugt, was im einfachsten Fall durch unmittelbar an der Mechanik vorgesehene Geber erfolgt. Diese Lageinformationen können bei einer sogenanten Direktdarstellung unmittelbar zur Ablenkung der Basislinie des Bildschirmes verwendet werden. Zur Erzielung eines flackerfreien Bildes ist es auch bekannt, die empfangenen Echosignale in einen Zwischenspeicher einzuschreiben, dessen Adressen aufgrund der Momentanlage des Schallbündels ausgewählt werden, wobei der Speicher mit gegenüber dem Einschreiben mehrfach erhöhter Geschwindigkeit auf den Bildschirm abgelesen wird. Die Zwischenspeicherung hat noch den Vorteil, daß die Auslesereihenfolge des Speichers praktisch beliebig von der Reihenfolge des Einschreibens abweichen, beispielsweise in der Fernsehnorm erfolgen kann, und daß es möglich wird, bei der an sich bewegten Schnittbilddarstellung, die natürlich nur dann bewegt ist, wenn bewegte Organe od. dgl. abgetastet werden, das jeweils letzte vollständig in den Speicher eingeschriebene Bild zu konservieren, also als Standbild auf den Bildschirm abzurufen, oder einer weiteren Speichereinrichtung (beispielsweise einer photographischen Aufnahmeeinrichtung) zuzuführen.

Das mit Schnittbildmechaniken der gegenständlichen Art durchgeführte Untersuchungsverfahren wird auch als Sektor-Scan-Verfahren bezeichnet. In den meisten Fällen wird mit nur einem Schallkopf gearbeitet, der eine im wesentlichen dreieckige Schnittfläche abtastet. Ein ent-

scheidender Vorteil einer""derartigen' Mechanik gegenüber anderen bekannten Mechaniken, die beispielsweise mit einem mit mehreren Schallköpfen besetzten Rad arbeiten, bei dem jeweils nur der in Richtung auf ein Schallfenster zu abstrahlende Schallkopf aktiviert wird, wobei sowohl Mechaniken mit unmittelbarer Einleitung des Schallbündels also auch Mechaniken bekannt sind, bei denen das Schallbündel über eine Vorlaufstrecke und einen Parabolreflektor eingeleitet wird, besteht darin, daß die Mechanik klein und leicht aufgebaut werden kann, wobei eben nur ein oder zwei Schallköpfe benötigt werden. Die Einstrahl- und damit Ankoppelungsfläche der Schnittbildmechanik an das zu untersuchende Objekt reduziert sich gegenüber den oben erwähnten Mechaniken, die ein verhältnismäßig großes, langgestrecktes Schallfenster benötigen, bei der Abtastung einer dreieckigen Schnittfläche im wesentlichen auf die Größe des Schallkopfes selbst. Es sind daher Untersuchungen auch dort möglich, wo nur ein kleines Schallfenster zur Ankopplung zur Verfügung steht. Bei Herzuntersuchungen kann man beispielsweise dann, wenn eine größere, langgestreckte Ankopplungsflache benötigt wird, zwischen den Rippen nur so einschallen, daß die Lage der Schnittfläche parallel zu den Rippen festgelegt ist. Bei Schnittbildmechaniken der gegenständlichen Art genügt dagegen bei hinreichend kleinem Schallkopf der Ankopplungsbereich zwischen zwei Rippen,

liegt um die Untersuchungsebene (das Dreieck/mit seiner Spitze im Rippenbereich) auch quer zur Rippenlängsrichtung legen zu können.

Bei einer grundsätzlich bekannten Ausführung von Schnittbildmechaniken der eingangs genannten Art führt der Antriebsmotor eine Drehung mit gleichbleibender Drehrichtung aus, die dann durch einen Kurbeltrieb in eine oszillierende Bewegung umgewandelt wird, wobei der Schallkopf am oszillierenden Teil der Mechanik sitzt, bzw. mit diesem verbunden ist. Solche Mechaniken sind unter anderem aus der DE-AS 26 01 559 und den US-PSen 39 55 561 bzw. 4 151 834 bekannt.

Bei anderen bekannt-εη " Schnittbildmechaniken' führt die Motorachse selbst bereits eine oszillierende Bewegung aus. Dabei ist der Begriff "Motor" im weitesten Sinn zu verstehen. Es kann sich in der Praxis auch nur um eine einfache Drehspule in einem konstanten Magnetfeld, anderseits aber auch um einen Schwingankermotor oder einen Schrittmotor handeln. Der Schallkopf kann entweder direkt auf der Motorachse sitzen (US-PS 3 403 671) oder es kann zwischen der Motorachse und dem Schallkopf noch ein Getriebe vorhanden sein, beispielsweise um einen vom Schwenkwinkel des Motors abweichenden Schwenkwinkel des Schallkopfes zu erzielen, was aus der DE-OS 24 48 995 bekannt ist, oder sogar um gemäß der US-PS 4 106 492 den Schwenkwinkel des Schallkopfes auf verschiedene Verte einstellen zu können.

Alle bekannten Schnittbildmechaniken der gegenständlichen Art haben in der Praxis den grundsätzlichen Nachteil, daß das Gehäuse, in dem die Mechanik untergebracht ist und das mit der Hand gehalten und zum Aufsetzen des Schallkopfes auf den zu untersuchenden Bereich verwendet wird, beim Betrieb mehr oder weniger stark zu rütteln beginnt. Das ist nicht nur für den Untersuchenden bzw. Untersuchten unangenehm und erschwert das gezielte Aufsetzen und Einrichten der Mechanik, sondern setzt auch die Qualität der erhaltenen Schnittbilder herab, da sich das "Rütteln" praktisch der durch die Schnittbildmechanik erzwungenen Bewegung des Schallkopfes überlagert. Man erhält dann an der Anzeige bewegte Schnittbilder, die große Ähnlichkeiten mit einer verwackelten photographischen Aufnahme haben.

Das Rütteln der Mechanik hat seine Ursache im Auftreten von zwei verschiedenen Arten von Störkräften. Die eine Störkraft könnte man als Unwucht bezeichnen. Bewegen sich nämlich die in der Mechanik befindlichen, angetriebenen Teile nicht um durch ihren jeweiligen Massenmittelpunkt verlaufende (neutrale )Achsen, so tritt eine periodische Verlagerung des Massenmittelpunktes der

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gesamten Mechanik ein. Da ei-ή--Sys'tedu,-"in'dem.nur" innere Kräfte wirken, bestrebt ist, die Lage des Massenmittelpunktes im Raum beizubehalten, wird die Verschiebung des Massenmittelpunktes durch eine gegenläufige Bewegung des ganzen Systems kompensiert und es tritt daher eine Bwegung des Gehäuses der Schnittbildmechanik auf.

Die zweite wesentliche Störkraft ergibt sich dadurch, daß für die oszillierende Bewegung des Schallkopfes der Schallkopf selbst und meist auch weitere Teile bzw. sogar alle bewegten Teile der Mechanik, wenn ein Schwingankermotor od. dgl. verwendet wird, Schwingungen ausführen, wobei dauernd Beschleunigungen und Verzögerungen auftreten. Diese Kräfte hängen von den schwingend bewegten Massen und von den Beschleunigungen und Verzögerungen ab. Um einen möglichst großen Teil der zur Verfügung stehenden Untersuchungszeit tatsächlich für die Abgabe von Schallimpulsen und den Empfang der Echos ausnützen zu können, und um eine möglichst gleichförmige Bewegung während der Untersuchung zu erzielen, ist man überdies bestrebt, den Zeitaufwand für die Bewegungsumkehr, also das Abfangen der bewegten Massen und ihre neuerliche Beschleunigung in entgegengesetzter Richtung, in jeder Arbeitsperiode möglichst kurz zu halten, wodurch sich starke Verzögerungen und Beschleunigungen ergeben. Die Beschleunigungen und Verzögerungen der bewegten Massen erfordern daher relativ starke Kräfte; die Reaktionskräfte dazu wirken über die Lagerungen auf das Mechanikgehäuse. Zusätzlich muß der Antriebsmotor ein Moment aufbringen, dessen Größe als sich änderndes Reaktionsmoment in entgegengesetzter Richtung auf das Motorgehäuse und die ganze Mechanik wirkt.

Besonders unangenehm ist, daß die beiden

Hauptursachen für das Rütteln für ihre Kompensation teilweise entgegengesetzte Maßnahmen fordern würden. Will man nämlich die unter dem Sammelbegriff Unwucht behandelten Störkräfte beseitigen, dann muß man praktisch

die sich "bewegenden Teile statisch völlig auswuchten, so daß ihre Drehachsen immer durch ihre Massenmittelpunkte verlaufen. Für das Auswuchten sind Zusatzgewichte notwendig, wodurch sich die Summe aller bewegten Massen vergrößert wodurch sich wieder die "bei Beschleunigungen und Verzögerungen auf das Gehäuse einwirkenden Momente erhöhen. Um diese Rückwirkungsmomente zu verkleinern müßte man nämlich.die bewegten Massen verkleinern und nicht vergrößern. Eine Dämpfung der durch die Eückdrehmomente und dgl. bei Beschleunigungen und Verzögerungen auftretenden Ablenkungen des Gehäuses kann man nur dadurch erzielen, daß man die Beschleunigungsund Verzögerungskräfte durch Verwendung sehr kleiner bewegter Massen und durch weiche Beschleunigung und Verzögerung verringert, welche Maßnahmen aber in der Praxis Grenzen gesetzt sind und daß man der Einheit eine sehr große ruhende Masse im Verhältnis zu den bewegten Massen gibt, was ebenfalls problematisch ist, weil sich daraus ein hohes Gesamtgeweicht der Mechanik ergibt, wodurch wieder die Handhabung erschwert wird. Alle bisher in der Praxis durchgeführten Maßnahmen stellen einen Kompromiß zwischen den Forderungen nach einer leichten Mechanik und nach einer weitgehenden Ausschaltung der Sattelbewegung dieser Mechanik dar.

Aufgabe der Erfiiding ist die Schaffung einer Schnittbildmechanik der genannten Art, bei der mit vergleichsweise geringem Aufwand und bei einem möglichen, relativ niedrigem Gesamtgewicht, Eüttelbewegungen weitgehend ausgeschlossen sind.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Vermeidung bzw. Herabsetzung von Eüttel- od. dgl. Bewegungen der Mechanik durch bei oszillierendem Schallkopf auf die Halterung bzw. Das Gehäuse der Mechanik wirkende Eeaktionskräfte zu dem mit dem Schallkopf oszillierenden, rotierenden oder Drehschwingungen ausführenden

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Massen gegensinnig bewegte Ausgl-eichsma ssen"-vorgesehen sind, wobei vorzugsweise die beim oszillierenden Antrieb des Schallkopfes bewegten Massen auf ein oder mehrere Drehachsenpaare verteilt sind, wobei die Bedingung eingehalten ist, daß die beiden Drehachsen eines Paares zueinander parallel angeordnet und auf einer gemeinsamen, starren Halterung abgestützt sind, daß die jeder Achse zugeordneten Massen bezüglich dieser Achse statisch ausgewuchtet sind, daß die Dreh- bzw. Schwenkrichtungen entgegengesetzt sind und das Produkt aus Trägheitsmoment und Winkelgeschwindigkeit für die den beiden Drehachsen zugeordneten Massen wenigstens annähernd gleich groß ist. Nach bevorzugten Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes, werden durch entsprechende Wahl der Übersetzungen und der Zwischenglieder als Ausgleichsmassen weitgehend Bauteile verwendet, die ohnehin in der Mechanik benötigt werden. Man kann beispielsweise einen Drehschwingungen ausführenden Teil der Mechanik über eine einfache die Bewegungsrichtung umkehrende Übersetzung mit dem Schallkopf verbinden und die Massen entsprechend dem Übersetzungsverhältnis abstimmen. Bei den gegensinnig bewegt wirkenden Massen wirken sich auch Beschleunigungsund Verzögerungswert jeweils gegensinnig und praktisch in gleicher Höhe aus, so daß keine nach außen auf das Gehäuse wirkenden Kräfte auftreten.

Die Erfindung kann im Rahmen der erwähnten Grundidee gegenüber der bevorzugten Ausführung auf verschiedene Weise verwirklicht werden. Man kann beispielsweise den Motor über ein die Dreh- bzw. Schwenkrichtung umkehrendes Getriebe mit den weiteren Teilen der Mechanik verbinden und dabei die Massen entsprechend abstimmen. Bei einm drehenden Motor kann man sogar auf der Motorwelle ein Planetengetriebe vorsehen und die weitere Antriebsdrehbewegung für das Getriebe von einer zur Motor-

welle koaxialen aber entgegengesetzt" "zu*"dieser -drehenden Welle ableiten. Prinzipiell wird man jeweils danach trachten, daß die Massen und Ausgleichsmassen, wie man die in der einen bzw. in der anderen Eichtung bewegten Teile bezeichnen könnte, um zueinander koaxiale oder parallele Achsen bewegt werden. Wenn es auch ohne weiteres möglich ist, zu einer in einer bestimmten Eichtung bewegten Masse zwei oder mehrere Ausgleichsmassen vorzusehen, ergibt sich konstruktiv und rechnerisch eine wesentliche Vereinfachung dadurch, daß man jeder in einer Eichtung bewegten Masse eine entgegengesetzt bewegte Eompensationsmasse zuordnet.

Nach einer Weiterbildung sind die beiden Achsen bzw. die auf ihnen gelagerten Massen bei jedem Drehachsenpaar untereinander über Zahnräder, gekreuzte Eiementriebe od. dgl. unmittelbar auf Mitnahme in entgegengesetzter Dreh- bzw. Schwenkrichtung gekoppelt und nur die eine Achse bzw. die auf ihr gelagerten Massen sind direkt antreibbar, nehmen also die andere Achse und die dort gelagerten Massen beim eigenen Antrieb in entgegengesetzter Dreh- bzw. Schwenkrichtung mit.

Ein weitgehend schlupffreier gegenseitiger Antrieb wird in der Praxis dadurch ermöglicht, daß jede Achse eines Paares zwei Aufwickeltrommeln trägt, auf welche die Verbindung mit der entsprechenden Trommel der anderen Achse herstellende, einander zwischen den Achsen kreuzende Bänder, insbesondere dünne FederStahlbänder, mit gegensinnigem Wickelsinn auf und abwickelbar sind, so daß das zugehörige Band jeweils von einem Wickelkörper einer Achse ab- und das andere Band auf die zweite Wickeltrommel dieser Achse aufgewickelt wird. Die Bandenden können an den Trommeln befestigt sein, wobei der maximale Umschlingungswinkel einer Trommel durch das zugehörige Band und der maximale Winkel der Drehbewegung kleiner als 360° gewählt wird, so daß das Band einlagig aufgewickelt wird. Es ist aber auch möglich, bei einer

entsprechenden Modifikation Drehwinkel über 360 , gegebenenfalls also mehrere Umdrehungen vorzusehen. Auch dann sind die Enden der Bänder an den Aufwickeltrommel befestigt, der maximale Umschlingungswinkel der Trommeln durch die Bänder sowie der maximale Winkel der Drehschwingung wird, wie erwähnt, größer als 360 gewählt und es sind Leiteinrichtungen vorgesehen, die ein Aufeinanderlegen aufeinanderfolgender Bandwindungen verhindern. Die Windungen werden also nebeneinander angebracht, wobei aufeinanderfolgende Windungen gleiche Durchmesser besitzen.

Nach einer Weiterbildung ist zwischen der den Schallkopf enthaltenden oszillierenden Masse und der Ausgleichsmasse auf der zweiten Achse des dem Schallkopfjzugeordneten Achsenpaares ein von 1:1 abweichendes Übersetzungsverhältnis vorgesehen und ein Stellungsmelder für die Momentanstellung des Systems, der für die lagerichtige Anzeige bzw. Speicherung der empfangenen Signale zuständige Adressen- oder Ablenksignale abgibt, ist mit der den größeren Schwenkwinkel aufweisenden Masse gekoppelt, so daß eine entsprechend feine Unterteilung des zurückgelegten Weges und damit eine hohe Genauigkeit bei den Stellungssignalen ermöglicht wird.

In der Zeichnungs ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen Fig. 1 und 2 schematisiert und nicht maßstabgetreu die wesentlichen Teile einer erfindungsgemäßen Mechanik in einfachster Ausführungsform teilweise im Schnitt in Seitenansicht und in Unteransicht,

Fig. 3 ein Kräftediagramm zu den Fig. 1 und 2 Fig. 4 eine Variante der Antriebsverbindung der beiden Massensysteme nach den Fig. 1 und 2

Fig. 5 eine weitere Mechanik in einer der Fig. 1 entsprechenden Darstellungsweise und

Fig. 6 als Detail zu Fig. 5 ein dort verwendetes Kurbelgetriebe im Schaubild.

Bei der einfachen Mechanik nach Pig. 1 sind auf einer Trägerplatte 1, die fest mit einem nicht gezeichneten, einen Handgriff der Mechanik bildenden Gehäuse verbunden ist, zwei Massensysteme I und II angebracht. Das Massensystem besitzt einen Motor, dessen Gehäuse 2 mit derTrägerplatte 1 fest verbunden ist. Im Inneren des Gehäuses sind Polschuhe 3a und 3b sowie ein drehbarer Anker 4 vorgesehen, der über eine Welle 5 ein Antriebsrad 6 antreibt. Der Anker 4 vollführt beim Betrieb eine oszilliernde Drehbewegung. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Motor 2 bis 4 als entsprechend angesteuerter Schrittmotor ausgebildet wird. Die drehbaren Teile 4, 5_S 6 des Systems I und gegebenenfalls v/eitere mit ihnen verbundene, nicht dargestellte Teile des Systems I besitzen ein Trägheitsmoment J^,, der Radius des Rades 6 wird mit R^ bezeichnet.

Das System II wurde aus dem einen Antriebsrad 7 einer in der Platte 1 gelagerten Welle 8 und einer Masse 9 bestehend dargestellt. Diese Masse 9 wurde nur schematisch eingezeichnet, sie kann aus mehreren zusammenwirkenden Getriebeteilen, einem Schallkopfträger und dem Schallkopf bestehen, wobei vorzugsweise die geometrische Drehachse des Systems II durch die oder im Bereich des Abstrahlfläche des Schallkopfes verläuft und etwa normal zur Achse des Schallkopfes liegt. Das System 7? 8, 9 besitzt ein Trägheitsmoment J₂. Der Radius des Antriebsrades 7 wird mit Rp bezeichnet. Die Systeme I und II besitzen parallele Drehachsen und sind wie dies schematisch durch einen gekreuzten Riemenzug angedeutet wurde, mechanisch miteinander gekoppelt, so daß das Verhältnis ihrer Drehgeschwindigkeiten beim Antrieb immer konstant bleibt. Wie durch den gekreuzten Riemenzug angedeutet wird, besitzen die beiden Systeme I und II immer entgegengesetzte Drehrichtungen. So lange

die noch auszuführenden Bedingungen eingehalten werden, wäre es auch möglich, den Schallkopf am System I anzubringen und die Masse 9 nur als Ausgleichsmasse zu verwenden.

Die Systeme I und II müssen noch folgende Bedingungen erfüllen: Die Drehachsen D₁ und D₂ müssen Hauptachsen der Systeme sein, d. h. die "bewegten Massen der Systeme I und II müssen statisch gegenüber der Achsen D* und Dp ausgewuchtet sein.

Die beiden Drehachsen D₁ und D₂ müssen parallel zueinander bzw. in einem Extremfall bei Verwendung eines entsprechenden Getriebes zur Koppelung koaxial verlaufen.

Das Übersetzungsverhältnis zwischen den Achsen muß konstant sein.

Für die folgenden Überlegungen wird angenommen, daß zu einem beliebigem Zeitpunkt im System I eine Winkelbeschleunigung b1 auftritt. Wegen der starren Koppelung der beiden Systeme ergibt sich im gleichen Zeitpunkt im System II ein Winkelbeschleunigung b2 mit folgender Größe

(1) b₂ = I)₁ x R₁ZH₂

Aus Pig. ,3 ergibt sich, daß dann, wenn am System II eine Winkelbeschleunigung b₂ auftritt, auf dieses System ein Drehmoment M₂ wirken muß für das gilt: .

(2) M₂ = J₂ χ b₂

dieses Moment wird durch die über den Antriebsriemen 10 ■ erzeugte Zugkraft K₂ erzeugt, die im Abstand E₂ von der Achse D₂ des Systems II angreift und somit ein Drehmoment K₂ χ B^ bildet. Man kann daher an Stelle der Gleichung (2) auch schreiben:

(3) K₂ χ R₂ = J₂ χ b₂

Damit das Antriebrad 7 des Systems II eine Drehbewegung ausführt, muß ein aus antiparallelen Kräften

gebildetes Drehmoment entstehen. Es muß also in der Achse D₂ eine Kraft K₂₍ wirken, die die gleiche Größe wie Kp jedoch eine entgegengesetzte Richtung und einen anderen Angriffspunkt besitzt. Die zugehörige Reaktionskraft K₂,, hat wieder die gleiche Größe wie K₂ und die gleiche Richtung, jedoch ihren Angriffspunkt in D₂ . Die zu Kp gehörige Reaktionskraft K. wirkt über 10 auf das Antriebsrad 6 im System I und greift dort im Abstand R,. von der Achse D. an. Die den Kräften Kp, und K₂,, entsprechenden Kräfte K., und K_x,,, wurden ebenfalls eingezeichnet. Die Reaktionskraft im Lager ist K,.,,. Die beiden in den Lagern wirkenden Reaktionskräfte K₁" und K₂,, sind antiparallel, haben die Absolutwerte K und verlaufen mit dem Abstand R. + R₂ . Durch das Zusammenwirken der Kräfte wirkt auf die Trägerplatte 1 ein Drehmoment ÜL der Größe:

(4) M₁ = K χ (R₁ + R₂)

Das notwendige Drehmoment des Antriebsmotors ergibt sich aus dem zur Erzielung der Winkelbeschleunigung b/j der rotierenden Teile des Systems I notwendigen Drehmoment und jenem Drehmoment, das zum Antrieb des Systems II notwendig ist und einfach mit KxE. bezeichnet werden kann. Damit ergibt sich als Drehmoment M des Antriebsmotors "

Ein gleich großes, aber entgegengesetztes Reaktionsmoment wirkt auf das Motorgehäuse 2 und über dieses auf die Trägerplatte 1. Auf die Trägerplatte wirkt ein resultierendes Drehmoment M aus M„ und - M oder:

r ί m

M_r = K χ (R₁ + R₂) - ( J₁ χ Td₁ + K χ R₁) die Lösung dieser Gleichung ergibt:

(6) M_r = K χ R₂'- J₁ x Id₁

Setzt man unter der Annahme, daß K = K₂ in. die Gleichung (6) den aus der Gleichung (3) errechneten Wert ein, so erhält man:

χ b₂ - J₁ χ

Substituiert man hier für Id₂ den aus der Gleichung (1) gegebenen Wert so erhält man

(7) M₂, = J₂ χ Id₁ χ R₁ZR₂ - J₁ χ \

Da die statische Auswuchtung vorausgesetzt wurde, wirken auf die Platte 1 nur jene Kräfte, die sich aus der Gleichung (7) ergeben. Wenn man die Forderung auf stellt, daß das Moment M zu jedem Zeitpunkt den Betrag "Null" aufweist und entsprechend in die Gleichung (7) ein setzt, kann man zunächst durch die Größe b,, kürzen und erhält dann die Bedingung:

(8) J₁AT₂ = E₁A₂

Die Trägheitsmomente der Systeme I und II müssen sich somit wie die Radien R₁ und R₂ der Antriebsräder 6, 7 verhalten. Wird diese Bedingung neben den eingangs gestellten Randbedingungen eingehalten, dann tritt ein vollständiger Ausgleich aller auf die Platte 1 wirkenden Kräfte ein, der unabhängig von der augenblicklichen Bewegung der beiden Bewegungssysteme I und II ist. Die dargestellten Zusammenhänge sind gleichbedeutend mit der Bedingung

(9) J

wobei b die Winkelbnchleunigung und ν die Winkelgeschwindig-

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keit ist und b und ν den Radien R. "bzw. Ep der Antriebsräder umgekehrt proportional sind. Damit müssen sich die Trägheitsmomente der beiden Systeme umgekehrt proportional zu den in den Systemen auftretenden Winkelbeschleunigungen bzw. Hinkelgeschwindigkeiten verhalten, wenn keine nach außen wirkenden Reaktionskräfte auftreten sollen.

Aus den in (8) und (9). angegebenen Bedingungen kann man die Konstruktion gestalten. Sitzt der Schallkopf im System I und erfüllt das System II nur die Funktion eines Ausgleichssystems, so wird es vernünftig sein, das Ausgleichssystem II so leicht als möglich auszugestalten. Das Trägheitsmoment J₇, des Systems I ist durch die Konstruktion vorgegeben. Soll J~ klein sein und dabei trotzdem eine volle Kompensation erzeugen, muß man Rp klein gegenüber R. ausbilden. Man kann aber auch umgekehrt die Trägheitsmomente an ein vorgegebenes Verhältnis der Radien R^ und R₂ anpassen. Bringt man den Schallkopfträger mit dem Schallkopf im System II an und sieht man durch entsprechende Übersetzung vor, daß der Schwenkwinkel des Systems II viel kleiner als der des Systems I ist, so kann man eine besonders feinfühlige und genaue Steuerung der Schwenkbewegung des Schallkopfes erzielen. Bei dieser Ausführung wird man, falls dies von der Schnittbildmechanik her notwendig ist, am System I den Stellungsmelder, beispeilsweise eine Stroboskopöcheibe anbringen, der die Momentanlage des Schallkopfes in seinem Schwenkbereich angibt.

Statt einem gekreuzten Riemenzug 1Q können die Antriebsräder 6, 7-, über Zahnradgetriebe oder Reibräder gekoppelt sein. Ein Schlupf ist zu vermeiden. Wenn die beiden Systeme I und II wie beim Ausführungsbeispiel keine vollständige Drehbewegung ausführen, kann man auch gekreuzte Riemen verwenden, die an einer Stelle, d. h. an den Enden, an den Rändern 6 bzw. 7 befestigt sind,

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damit ein Schlupf vermieden wird. Die Schwenkbewegung kann hier einen Winkel von 180° nicht wesentlich überschreiten. Da eine übliche Schwenkbewegung eines Schallkopfes etwa 60° beträgt, würde hier das Übersetzungsverhältnis zwischen den Systemen auf 1:3 begrenzt.

Fig. 4· zeigt eine Ausführungsform, die größere Schwenkwinkel des einen Systems ermöglicht und dabei einen Schlupf sicher vermeidet. Um dies zu erreichen, sind auf den beiden Wellen 5 bzw. 8 je zwei Trommeln 6a bzw. 6b und 7a bzw. 7b angebracht und die Trommeln sind über gekreuzte Bänder 10a, 10b aus Pederstahl verbunden, die mit gegensinnigem Wickelsinn auf die Trommeln aufgewickelt und mit ihren Enden befestigt sind. Dadurch wird erreicht, daß beispielsweise dann, wenn das Band 10a von der Trommel 6a abläuft, gleichzeitig das Band 10b auf die Trommel 6b aufgewickelt wird und umgekehrt, welcher Zustand mit entgegengesetztem Vorzeichen auch für die Trommeln 7a und 7b gilt. Es wird dadurch ein schlupffreier Antrieb erhalten, wobei die kleinere Trommel fast 360° drehen kann, ehe das Band überlappt. Bei dieser Ausführung ist bei dem angenommenen Schallkopfschwenkwinkel ein übersetzungsverhältnis von etwa 1:6 zwischen den Systemen I und II möglich. Will man ein gfößeres Übersetzungsverhältnis ohne durch Bandüberlappungen auftretende Störungen, kann man die kleineren Trommeln (beim Ausführungsbeispiel 6a und 6b) breiter ausbilden und eine Leiteinrichtung vorsehen, die bewirkt, daß aufeinanderfolgende Bandwindungen neben- und nicht übereinander auf die Trommel gewickelt werden.

Im Zusammenhang mit den Pig. 1 bis 4 wurde eine Schnittbildmechanik beschrieben, die nur ein Paar paralleler Achsen D. und Dp aufweist um die der Massenausgleich zur Kompensation von auf die Platte 1 wirkenden Reaktionskräften vorzunehmen ist. Die angegebenen Verhältnisse

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sind "bei einer einfachen Schnitfbildmechanik auch in der Praxis gegeben.Es gibt aber Mechaniken, bei denen man mit' nur zwei vorgesehenen Achsen, die noch dazu parallel sein müssen, nicht das Auslangen findet. In Fig. 5 ist eine derartige Mechanik schematisch veranschaulicht. Vegen der einfacheren Kompensation wird man bei der praktischen Ausführung danach trachten, möglichst jeder in einer bestimmten Richtung verlaufenden Achsen eine parallele oder koaxiale Kompensationsachse zuzuordnen, so daß die Kompensation immer auf ein Achsenpaar bezogen bzw. berechnet werden kann. Grundsätzlich kann die Kompensation für eine notwendige Achse auch über zwei und mehrere parallele oder koaxiale Kompensationsachsen erfolgen, doch wird dann die Berechnung der benötigten Massen und die Gesamtkonstruktion schwierig.

Fach Pig. 5 sind zwei Achsenpaare D und D~ bzw. D^ und D^. vorhanden. Die bewegten Massen müssen gegeneinander so kompensiert werden, daß die auf eine mit dem Gehäuse verbundene Tragplatte 1a bei Beschleunigungen und Verzögerungen bzw. allgemein bei der Bewegung ausgeübten Rückstellkräfte und Reaktionskräfte in der Summe Null ergeben. Auch hier wird die Bedingung eingehalten, daß alle bewegten Massen bezüglich ihrer jeweiligen Achse ausgewuchtet sind. Es wird angenommen, daß zur Erzielung einer Schwenkbewegung des Schallkopfes und des zugeordneten Schallkopfträgers um die Achse D, und D^ ein von einem Motor 2 mit gleichbleibender Drehrichtung angetriebenes Kurbelgetriebe od. dgl. verwendet wird, das die gleichbleibende Drehbewegung des Motors in eine hin- und hergehende Oszillationsbewegung des Schallkopfes umwandelt. Bei einem solchen Antrieb ist die Bedingung eines konstanten Übersetzungsverhältnisses nicht erfüllt. Es ist daher unmöglich., mit nur zwei um zwei Achsen bewegte Massen das Auslangen e,u finden. Vielmehr wird das Umwandlungsgetriebe

zwischen zwei Systemen I, II-und· 111"UHa IV-angebracht, die wieder paarweise bezüglich ihrer Achsen D^ , D₂ "bzw. D₇-, D. in der beschriebenen Weise kompensiert werden.

Der Einfachheit halber wurden die Bezugszeichen der vorhergehenden Figuren für das aus den Massen I und II bestehende System übernommen. Das Rad bzw. die Trommel 7c bildet eine Kurbelscheibe, die eine Kurbelstange 11 trägt, deren freies Ende im (gedachten) Schnittbereich mit der Achse Dpin einem in Fig. 6 näher dargestellten Kreuzgelenk eingreift, das in Fig. 5 in seiner Gesamtheit mit 16 bezeichnet wurde. Über dieses Kreuzgelenk 16 wird eine Welle 14 hin- und herschwenkend angetrieben, die eine Aufwickeltrommel 13 und eine Ausgleichsmasse 15 trägt. Die Trommel 7 c ist durch ein Ausgleichsgewicht 12, das der Kurbelstange 11 gegenüber angebracht ist, statisch ausgewuchtet.

Im Zusammenhang mit Fig. 6 ergibt sich die Funktion des Kurbeltriebes 16. Bei drehend angetriebener Trommel 7c kreist die Kurbelstange 11 auf einem Kegelmantel, durch dessen Spitze die Achse Dp geht. Das Ende der Welle 14 trägt eine Gabel 16a, zwischen deren Schenkeln eine Schwenkachse 16b gelagert ist, die eine Führungshülse 16c für das Ende der Kurbelstange 11 trägt. Die Bohrung der Hülse 16c verläuft normal zur Achse 16b. Das"halbe" Kreuzgelenk 16 wandelt die kreisende Bewegung der Trommel 7c in eine hin- und hergehende Schwenkbewegung der Welle 14 um, wobei der Schwenkwinkel der Welle 14 dem öffnungswinkel des von der Kurbelstange 11 beschriebenen Kegels proportional ist. Falls erwünscht, kann ■ran ias Kreuzgelenk /nit den zugehörigen Einrichtungen in ^ Richtung der Achse D₂ verstellbar anbringen, oder das Lager des Kurbelzapfens 11 an der Trommel ₇c radial verstellbar vorsehen (wobei auch das Gegengewicht 12 entsprechend verstellt würde). Mit beiden Möglichkeiten kann der öffnungswinkel des Kegels, der von der Kurbelstange 11 beschrieben wird und damit auch der Schwenkwinkel der Welle 14 verändert werden.

Die Trommel 13 ist über einen gekreuzten Riemenzug 17 mit einer Wickeltrommel 18 gekoppelt, die ihrerseits über eine Welle 19 mit einer Ausgleichsmasse 20 in Verbindung steht. Die um die Achsen D-, und D^ bewegten Massen sind entsprechen den schon oben angegenenen Bedingungen gegeneinander kompensiert, so daß sich die Rückdrehmomente auf die Platte 1a aufheben. Beim Ausführungsbeispiel wurden die Achsenpaare D^, D2 und D^, D. normal zueinander stehend angebracht. Dies ist keine Grundbedingung. Zwischen den beiden Systempaaren I, II bzw. Ill, IV können an sich beliebige Kraftübertragungen vorhanden sein. Man kann auch die Systempaare zunächst auf getrennten Platten montieren und die Platten nur über das Gehäuse miteinander starr verbinden.

Eine der beiden Wellen 14 oder 19 kann einen in einem Träger 21 gehaltenen Schallkopf tragen, wie dies in Fig. 5 für die Welle 19 dargestellt wurde. Die den Schall abstrahlende Seite 22 des Schallkopfes weist nach unten. In einer auf ein Untersuchungsobjekt aufgesetzten Stellung tastet ein vom Schallkopf ausgesandtes Schallbündel eine zur Zeichenebene normale Schnittebene des Objektes ab. Liegt die Achse D^ in der Seite 22 des Schallkopfes, dann tastet der Schallkopf eine kreissektorförmige (annähernd dreieckige) Schnittfläche ab. Verläuft die Achse D. mit Abstand von der Seite 22, dann tastet der Schallkopf eine kreisringsektorförmige (annähernd trapezförmige) Schnittfläche ab.

Zur Erläuterung eines Schnittbildgerätes, bei dem die Schnittbildmechanik verwendbar ist, wurde Fig. 5 durch ein Blockschaltschema ergänzt. In diesem Schema bedeutet der Block 23 das vorgesehene Gerät, in dem Taktgeber, Sender für die Schallimpulse, Empfänger, Verstärker, Demodulationseinrichtungen für die Echos und Steuereinrichtungen zur Ablenkung und Helligkeitsmodulation des Elektronen-

Strahles für einen Bildschirm 24 enthalten sind. Es wurde lediglich eine Verbindungsleitung 25 zum Schallkopf und eine Verbindungsleitung 26 zum Bildschirm angedeutet. Ein Lagefühler 27 kann über eine strichliert angedeutete Leitung 28 ebenfalls mit dem Gerät 23 in Verbindung stehen, um die Ablenkung des Elektronenstrahles auf die Momentanlage des ausgesandten Schallbündels zu synchronisieren. Aus den bei der Abtastung einer Schnittfläche mit dem Schallbündel erhaltenen Echos wird am Bildschirm 24 das Schnittbild aufgebaut, wobei entweder ein direkter Aufbau des Schnittbildes aus den anfallenden Echosignalen oder ein Aufbau aus zwischengespeicherten Echosignalen, die dann abgefragt werden,möglich ist.

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Claims (6)

Kretztechnik Gesellschaft m. b. H. Frankenburg· (Österreich) Patentansprüche

1. Schnittbildmeehanik für ein Ultraschallschnittbildgerät zur sektorförmigen Abtastung einer Schnittfläche in einem Objekt mit einem von wenigstens einem Schallkopf abgestrahlten Schallbündel, wobei für einen oszillierenden Antrieb des Schallkopfes ein Motor und ein mit diesem verbundener Antriebsmechanismus mit um Drehachsen rotierenden und/oder Drehschwingungen ausführenden Massen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung bzw. Herabsetzung von Rüttel- od. dgl. Bewegungen der Mechanik durch bei oszillierendem Schallkopf auf die Halterung (1) der Mechanik wirkende Reaktionskräfte zu dem mit dem Schallkopf oszillierenden, rotierenden oder Drehschwingungen ausführenden Massen (9,20) gegensinnig bewegte Ausgleichsmassen (4, 15) vorgesehen sind wobei vorzugsweise die beim oszilliere Antrieb des Schallkopfes bewegten Massen (2, 9, 15, 20) auf ein oder mehrere Drehachsenpaare (D,., Dp bzw.D^, D^) verteilt sind, wobei die Bedingung eingehalten ist, daß die beiden Drehachsen eines Paares zueinander parallel angeordnet und auf einer gemeinsamen, starren Halterung (1, 1a) abgestützt sind, daß die jeder Achse zugeordneten Massen bezüglich dieser Achse statisch ausgewuchtet sind, daß die Drehrichtungen entgegengesetzt sind und daß das Produkt aus Trägheitsmoment und Winkelgeschwindigkeit für die den beiden Drehachsen zugeordneten Massen wenigstens annähernd gleich groß ist.

2. Schnittbildmechanik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Achsen (5, 8 bzw. 14, 19) bzw. die auf ihnen gelagerten Massen bei jedem Drehachsenpaar (D^,D₂ bzw. D,, D^) untereinander über Zahnräder, gekreuzte Riementriebe (10,10a,10b,17) od. dgl. unmittelbar auf Mitnahme in entgegengesetzter Dreh- bzw. Schwenkrichtung gekoppelt und nur die eine Achse (5, 14) bzw. die auf ihr gelagerten Massen direkt antreibbar sind.

3. Schnittbildmechanik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Achse (5, 8) eines Paares zwei Aufwickeltrommeln (6a, 6b, bzw. 7a» 7b) trägt, auf die die Verbindung mit der entsprechenden Trommel der anderen Achse herstellende, einander zwischen den Achsen kreuzende Bänder mit gegensinnigem Wickelsinn auf- bzw. abwickelbar sind, so daß das zugehörige Band jeweils von einer Aufwickeltrommel einer Achse ab- und das andere Band auf die zweite Wickeltrommel dieser Achse aufgewickelt wird.

4. Schnittbildmechanik nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Bandenden, an den Trommeln (6a, 6b, 7a? Tb) befestigt sind, wobei der maximale Umschlingungswinkel einer Trommel durch das zugehörige Band (10a, 10b) und der entsprechende Winkel der Drehschwingung kleiner als 360° gewählt sind, so daß das Band einlagig aufgewickelt wird.

5· Schnittbildmechanik nach Anspruch 3₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Bänder (10a, 10b) an den Trommeln (6a,6b, 7a, Tb) befestigt sind, daß der maximale Umschlingungswinkel der Trommeln durch die Bänder sowie der maximale Winkel der Drehschwingung größer als 360 gewählt sind und daß Leiteinrichtungen vorgesehen sind, die ein Aufeinanderlegen aufeinanderfolgender Bandwindungen verhindern.

6. Schnittbildmechanik nach einem der Ansprüche 1 "bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der den Schallkopf enthaltenden oszillierenden Masse und der Ausgleichsmasse auf der zweiten Achse des dem Schallkopf zugeordneten Achsenpaares ein von 1:1 abweichendes Übersetzungsverhältnis vorgesehen ist und ein Stellungsmelder für die Momentanstellung d es Systems mit der den größeren Schwenkwinkel "bestreichenden Masse gekoppelt ist.