DE3522757A1

DE3522757A1 - Vorrichtung zum abbilden der inneren struktur eines koerpers mittels ultraschall und ultraschallumformeranordnung

Info

Publication number: DE3522757A1
Application number: DE19853522757
Authority: DE
Inventors: Darwin P. Guilford Conn. Adams
Original assignee: Picker International Inc
Current assignee: Philips Nuclear Medicine Inc
Priority date: 1984-06-28
Filing date: 1985-06-26
Publication date: 1986-01-23
Also published as: US4582065A; JPS6120540A; CA1238405A

Description

PICKER INTERNATIONAL INC., Highland Heights, Ohio, VStA.

Vorrichtung zum Abbilden der inneren Struktur

eines Körpers mittels Ultraschall und

Ultraschallumformeranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Ultraschallumformer anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

Eine derartige Ultraschallabbildungsvorrichtung und Ultraschallumformeranordnung kann zur medizinischen Ultraschalldiagnose verwendet werden.

In letzter Zeit ist auf dem Ultraschalldiagnosengebiet eine sogenannte "Echtzeif'-Ultraschall-B-Zeilenabtastungsuntersuchungsvorrichtung entwickelt worden. Der Ausdruck "Echtzeit" bedeutet, daß es mittels der Vorrichtung möglich ist, derart rasch aufeinanderfolgende Bilder zu erzeugen, daß die Bilder schneller erzeugt werden, als es der Retentionsgeschwindigkeit des menschliehen Auges entspricht, so daß sich bewegende Objekte in kontinuierlicher Bewegung erscheinen. Im Echtzeitbetrieb kann daher der Verlauf der Untersuchung durch die Bedienungsperson gleichlaufend mit der aktuellen Untersuchung beeinflußt werden, und zwar in Abhängigkeit von der Betrachtung der rasch erzeugten Bildfolge. Diese Echtzeit-Betriebsfähigkeit stellt eine Verbesserung gegenüber früheren Ultraschalluntersuchungsarten dar, bei denen lediglich ein einziges Bild langsam und schrittweise während des Verlaufs einer Untersuchung durch Verschieben eines einzigen Umformers auf der Haut des Patienten entwickelt wird. Eine im Echtzeitbetrieb arbeitende Vorrichtung erlaubt es der Bedienungsperson nicht nur, den Verlauf der Untersuchung zu beeinflussen, son-

dern auch Stehbilder von sich bewegenden Körperteilen und außerdem Bewegungstudien durchzuführen.

Echtzeit-Ultraschalluntersuchungsvorrichtungen lassen sich in zwei Hauptgruppen unterteilen, nämlich solche mit geradliniger Abtastung und solche mit Sektorabtastung. Geradlinig abtastende elektronische Vorrichtungen enthalten eine Umformeranοrdndung mit einer großen geradlinigen Reihe einzelner piezoelektrischer Ultraschallumformerelemente. Eine Abbildungsschaltung löst eine Folge verschiedener Gruppen von Elementen in einer vorbestimmten Reihenfolge aus. Dadurch wird eine Folge von Ultraschallstrahlen erzeugt, die sich jeweils längs paralleler Strecken ausbreiten, die von der Umformeran-Ordnung wegführen. Die Anordnung wird während der Bilderzeugung stationär am Körper des Patienten festgehalten .

Nach diesem Verfahren werden - in Verbindung mit einer bekannten Abbildungsschaltung und Anzeigevorrichtung aus empfangenen Ultraschallechos Informationen erzeugt, die ein zweidimensionales rechteckiges Bild der inneren Körperstruktur des Patienten in einer gemeinsamen Ebene oder einem "Schnitt" durch einen Teil des Körpers in der Nähe der Umformeranordnung begrenzen. Die eine Koordinate jedes Punktes der Bildebene wird durch die Zeit bestimmt, die die Ultraschallenergie von der Aussendung bis zum Empfang durch die Umformer nach einer Reflektion an einer Gewebe-Grenzfläche im Körper benötigt. Die andere Koordinate wird durch die Stelle oder Lage der Achse des resultierenden Ultraschallstrahls, der die reflektierte Energie bewirkt hat, längs der Umformerreihe bestimmt.

Wenn bei dieser Vorrichtung die Sendestelle des Strahls längs der geradlinigen Umformerreihe mit beispielsweise

einer Schrittfolgefrequenz von 30 Schritten pro Sekunde weitergeschaltet wird, kann die rasche Folge der durch die Ultraschallabtastung erzeugten Bilder die Bewegung eines sich bewegenden Körperteils darstellen. Alternativ können die Daten eines einzigen Bildes zur Anzeige festgehalten werden, um eine rasche Bewegung eines derartigen Körperteils anzuhalten.

Die Anzeigefläche, die durch derart geradlinig weitergeschaltete Zeilenabtaster abgetastet wird, ist rechteckig und zur Darstellung auf einer zweidimensionalen Anzeigeeinheit, z.B. einer Kathodenstrahlröhre, geeignet. Die für eine derartige Vorrichtung erforderliche elektronische Einrichtung ist verhältnismäßig einfach, da alle Strahlen parallel sind und um gleiche Inkremente schrittweise weitergeschaltet werden. Darüber hinaus haben geradlinig weitergeschaltete Zeilenabtastungsvorrichtungen auf ihrer gesamten Anzeigefläche ein weitgehend gleichförmiges Blickfeld.

Diese mit geradliniger Weiterschaltung arbeitenden "Linearabtaster" haben jedoch einige Nachteile. Beispielsweise muß die Umformeranordnung notwendigerweise verhältnismäßig lang sein, so daß sie unhandlich und sperrig ist, da die Länge der einen Seite der rechteckigen Anzeige bzw. des rechteckigen Bildes gleich der Länge der Umformerreihe ist. Da alle durch den Linearabtaster erzeugten Ultraschallstrahlen längs paralleler Zeilen weitergeschaltet werden, kann der Linearabtaster im allgemeinen keine Körperteile des Patienten abbilden, die durch andere näherliegende Körperteile abgedeckt sind, z.B. ein Organ, das hinter einer Rippe liegt.

Eine bekannte geradlinige Reihe von Ultraschallumformern, die elektrisch schrittweise weitergeschaltet werden, um eine Abbildung zu bewirken, ist in der Zeit-

schrift "Proceedings of the IEEE, Vol. 67, No. 4, April 1979, Seiten 620 - 641" beschrieben.

Ein anderer bekannter elektronischer Echtzeit-Ultraschallabtaster ist der elektronische Sektor-Abtaster. Bei einer derartigen Vorrichtung wird ebenso wie bei dem mit schrittweiser Weiterschaltung arbeitenden Linearabtaster eine geradlinige Reihe von Umformerelementen verwendet. Die Länge der Reihe ist jedoch erheblich kurzer als bei dem mit schrittweiser Weiterschaltung arbeitenden Linearabtaster.

Beim Betrieb des elektronischen Sektor-Abtasters wird die Umformeranordnung in der Nähe des zu untersuchenden Patienten-Körpers ortsfest gehalten. Alle Elemente einer einzigen Gruppe werden wiederholt ausgelöst. Mit der Abbildungsschaltung ist eine Phasenverzögerungsschaltung verbunden, die zur Steuerung der Aussendung und des Empfangs des Ultraschallstrahls durch die Umformerelemente verwendet wird. Durch geeignete Phasenverzögerung bestimmter Umformerelemente wird der wiederholt durch die Umformerreihe erzeugte Ultraschallstrahl in verschiedene Richtungen zur Vorderseite der Umformeranordnung gesteuert. Der Winkel der durch die sukzessive Auslösung aller Elemente der Umformeranordnung erzeugten Ultraschallstrahlen wird wiederholt in Inkrementen von der einen Seite zur anderen abgetastet, so daß die aufeinanderfolgenden Ultraschallstrahlen den Körper des Patienten gemeinsam unter verschiedenen Winkeln in einer gemeinsamen Ebene überstreichen.

Der elektronische Sektor-Abtaster hat mehrere Vorteile gegenüber dem mit schrittweiser Weiterschaltung arbeitenden Linearabtaster. So ist die Umformeranordnung erheblich kompakter als die eines Schritt-Abtasters, so daß sie praktisch an jeder Stelle des Körpers des Pa-

tienten verwendet werden kann. Da die Ultraschallstrahlen unter verschiedenen Winkeln auf das Objekt gerichtet sind, kann der elektronische Sektor-Abtaster Körperteile abtasten, die für den Linear-Schrittabtaster wegen ihrer Lage hinter einem oder mehreren opaken Körperteilen, wie Knochen, "unsichtbar" bzw. abgedeckt sind.

Die elektronische Sektorabtastung hat jedoch eigene inhärente Nachteile. Einer dieser Nachteile besteht darin, daß diese Abtaster in Bereichen des Körpers, die nahe bei der Umformeranordnung liegen, nur ein enges Blickfeld haben, weil das Blickfeld eines Sektor-Abtasters einem Sektor eines Kreises ähnelt und die Auslenkung des Ultraschallstrahls in der Nähe der Umformeran-Ordnung sehr klein ist.

Ein weiterer Nachteil des elektronischen Sektor-Abtasters sind seine verhältnismäßig hohen Kosten, die hauptsächlich durch den hohen Aufwand an Elektronik verursacht werden, die zur Erzielung der für die Strahlsteuerung erforderlichen Verzögerung benötigt wird. Während ein normaler Schritt-Abtaster mit geradliniger Umforme ranordnung etwa 15000 bis 30000 US$ kostet, liegen die Kosten eines elektronischen Sektor-Abtasters im Bereich von 65000 bis 100000 US$.

Es sind auch schon mechanisch gesteuerte Echtzeit-Linear- und -Sektor-Abtaster mit nur einem oszillierenden oder rotierenden Quarz-Umformer angegeben worden. Diese Vorrichtungen haben jedoch verhältnismäßig große Abmessungen und sind aufgrund ihres mechanischen Antriebs nicht sehr zuverlässig. Ferner muß der Umformer gewöhnlich in einem Fluid eingetaucht sein.

In der erwähnten Zeitschrift sind auch elektronische und mechanische Sektor-Umformer angegeben.

Eine weitere Variante eines Ultraschall-Schritt-Abtasters ist in der Zeitschrift "Ultrasonics", Vol. 3, Seiten 18 ff, Januar-März, 1965, zur Ultraschalluntersuchung des Auges vorgeschlagen worden. Dort wird vorgeschlagen, zehn Umformer in einem Bogen anzuordnen, so daß die durch die einzelnen Umformer ausgesendeten Ultraschallstrahlen in der Nähe der Mitte des Augapfels konvergieren. Mittels eines Impulsgebers werden die Umformer der Reihe nach ausgelöst.

Diese Art der Untersuchung hat den Nachteil, daß Gewebe-Grenzflächenpunkte im Körper des Patienten, die Ultraschallechos erzeugen, durch die primäre Einfallsenergie von mehr als einem Umformer getroffen werden kann. Jedem derartigen Punkt können daher verschiedene Stellen auf dem Bildschirm entsprechen, so daß das Bild verschwommen wirkt.

Die mangelnde Eindeutigkeit der Zuordnung der Bildpunkte zu einem mehrfach getroffenen Grenzflächenpunkt wird durch eine Inhomogenität im Körper des Patienten bewirkt. Bekanntlich ist die Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Gewebearten unterschiedlich. Wenn die Laufzeit eines Ultraschallimpulses von einem Umformer bis zu einem Objektpunkt und zurück von der entsprechenden Laufzeit bei einem anderen Umformer abweicht, dessen Ultraschallimpuls ebenfalls auf diesen Punkt trifft, dann erscheint der Objektpunkt an etwas voneinander abweichenden Stellen auf dem Bildschirm.

Die in der US-PS 4 409 982 beschriebene Ultraschall-Abtastvorrichtung beseitigt oder verringert die Nachteile des Linear-Schrittabtasters und der elektronischen und mechanischen Sektor-Abtaster und vereinigt deren Vortei-Ie.

Die vorliegende Vorrichtung enthält eine Reihe aus
Ultraschallumformerelementen und eine an die Umformerreihe angeschlossene Abbildungselektronik zur Auslösung der Ultraschallenergieaussendung und Umformung empfangener Echos in elektrische Signale. Die Vorrichtung enthält ferner eine Anzeigevorrichtung zur Umformung der
elektrischen Signale in ein sichtbares Bild, das die
innere Struktur des Patientenkörpers wiedergibt.

Die Elemente der Umformerreihe sind krummlinig angeordnet. Ihre Hauptsendeachsen divergieren in einer gemeinsamen Ebene. Dadurch werden die Ultraschallenergiestrahlen unter verschiedenen Winkeln auf den Körper des Patienten gerichtet, die davon abhängen, welche Umformerelemente ausgelöst werden. Dies ermöglicht den Empfang

von Ultraschallechos von Gewebe-Grenzflächen, die hinter Körperteilen liegen, die diese Grenzflächen verdecken
würden, wenn die Ultraschallstrahlen parallel wären.
Die divergierenden Strahlen ermöglichen auch die Abbildung einer größeren Fläche als mittels eines Linear-Abtasters, der eine gleich lange Reihe aufweist.

Die Umformerelemente werden gruppenweise wiederholt ausgelöst, um eine schrittweise Weiterschaltung der Auslösung der Ultraschallenergie längs der Reihe für eine

Echtzeit-Ultraschallabbildung zu bewirken. Dadurch wird eine Folge von Ultraschallstrahlen erzeugt, die das Objekt wiederholt in einer Folge verschiedener Winkel
überstreichen (abtasten), ähnlich wie die Strahlweiterschaltung oder -ablenkung bei einem elektronischen Sektor-Abtaster. Da die Weiterschaltung oder Winkeländerung des Ultraschallstrahls durch schrittweises Auslösen der Umformerelemente längs der krummlinigen Reihe in ähnlicher Weise wie bei einem Linear-Abtaster und nicht

mittels einer aufwendigen Zeitverzögerungseinrichtung
erfolgt, ist die zur Weiterbewegung des Strahls in der

vorliegenden Vorrichtung erforderliche Elektronik wesentlich einfacher und weniger kostspielig als bei einem elektronischen Sektor-Abtaster.

Da ferner die resultierenden Ultraschallstrahlen von längs der krummlinigen Reihe auseinanderliegenden Punkten und nicht, wie bei dem elektronischen Abtaster, von der gleichen Stelle ausgesendet werden, ist das Sichtfeld in der Nähe der Reihe größer als bei dem Sektor-Abtaster.

Die Vorteile dieser Merkmale und der Betrieb dieses Abtasters werden mit einer Umformerreihe erzielt, die hinreichend kompakt ist, um sie an nahezu jeder Stelle des menschlichen Körpers anordnen zu können. Dadurch wird die bei parallele Strahlen erzeugenden Linear-Schrittabtastern auftretende Schwierigkeit vermieden, daß die tatsächliche Länge der Reihe der Breite (oder Länge) der abgebildeten Fläche entsprechen muß.

Die Vorrichtung kann mit einer Verzögerungssteuerschaltung versehen sein, die die ausgesendete Ultraschallenergie in einem vorbestimmten Abstand von der Vorderseite der Umformerreihe fokussiert. Stattdessen oder zusätzlich kann die Verzögerungsschaltung im Empfangsbetrieb betrieben werden, um die Feststellung von Reflektionen an bestimmten Empfangsfokalzonen in einer vorbestimmten Entfernung von der Umformeranordnung zu verbessern.

Außerdem kann die Empfangsfokussierschaltung mit dynamischer Fokussierung arbeiten, bei der die Empfangsfokalzone in Abhängigkeit von der Zeit geändert wird, so daß sie sich nach außen in das Objekt verschiebt, um die Fortpflanzung der Ultraschallenergie in den Körper hineinzuführen.

Die krummlinige Umformerreihe ist vorzugsweise konvex, so daß ihre Vorderseite einen Kreisbogen beschreibt, und etwa fünf Zentimeter lang, wobei etwa 76 Ultraschallumformerelemente in gleichen Abständen über diese Länge verteilt angeordnet sind. Diese spezielle Anordnung ist besonders für medizinische Diagnosen von Vorteil .

Die erfindungsgemäße Anordnung der Umformerreihe ist besonders für eine spezielle Einrichtung zur Verarbeitung von mittels Ultraschall gewonnener Informationen in ein sichtbares Bild geeignet.

Erfindungsgemäß sind die Ultraschallumformer in ungleichen Abständen längs der krummlinigen Bahn verteilt angeordnet. Insbesondere sind die Umformer in solchen Abständen angeordnet, daß die jeweiligen Tangensfunktionen jedes Winkels der Ultraschallstrahldivergenz von der Ultraschallachse des mittleren Umformers um gleiche Inkremente voneinander abweichen. Wenn daher beispielsweise die Achsen der Ultraschallfortpflanzung einer Folge von Ultraschallumformern von der des mittleren Umformers um die Winkel θ , θρ, ... θ divergieren (abweichen), dann werden die Winkel θ-, θρ, ... θ so gewählt, daß ihre Tangensfunktionen um ganzzahlige Vielfache einer Konstanten voneinander abweichen.

Eine Reihe aus in derart ungleichen Abständen angeordneten Ultraschallumformern erleichtert die Verarbeitung von mittels Ultraschall abgeleiteter Informationen in ein sichtbares Bild mittels einer besonders wirksamen Abtastungsumformung. Bei einer solchen Ausführungsform hat der Abtastungsumformer einen Speicher, bei dem jede Adresse einem bestimmten Y und tane zugeordnet ist. Bei der Wiedergabe des Bildes in X- und Y-Koordinaten auf einem Kathodenstrahl-Monitor ist die Y-Verschiebung je-

des Ereignisses unmittelbar aus dem Speicher ablesbar. Die X-Verschiebung des betreffenden Ereignisses wird einfach dadurch gebildet, daß die Y-Verschiebung mit dem anderen Wert multipliziert wird, der dem Speicherplatz zugeordnet ist, aus der das Ereignisdatum entnommen wird, nämlich Y'tanö.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ultraschalluntersuchungsvorrichtung,

Fig. 2 ein ausfuhrlicheres Blocksehaltbild der Vorrichtung nach Fig. 1, die

Fig. 3 und 4 schematische Schaltbilder von Teilen der Vorrichtung nach Fig. 2,
20

Fig. 5 eine grafische Darstellung mathematischer Parameter von Bauteilen der Vorrichtung nach Fig. 2,

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels eines Teils der Vorrichtung nach Fig. 2, die

Fig. 7 bis 9 teilweise grafische Darstellungen und teilweise Blockschaltbilder von Ultraschallvorrichtungen, die ein spezielles Ausführungsbeispiel nach der Erfindung aufweisen,

Fig. 10 eine Draufsicht auf einen Teil der in Fig. 9 dargestellten Ultraschallvorrichtung.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung S sendet Ultraschallenergie in ein Objekt, z.B. den Körper

eines Patienten, und erzeugt in Abhängigkeit von Echos der auftreffenden Energie ein Bild, das die innere Struktur oder den inneren Zustand des Körpers darstellt.

Die Vorrichtung S enthält eine krummlinige Umformeranordnung 10 zur Aussendung von Ultraschallenergie und zum Empfangen von Echos aus dem Objekt. Eine Abbildungsschaltung 12 löst die Umformeranordnung zur Aussendung von Ultraschallenergie aus und empfängt von den Umformern elektrische Signale, die aus den Echos abgeleitet wurden. Durch die Abbildungsschaltung in Form dieser elektrischen Signale erzeugte Daten werden einem Anzeige- oder Sichtgerät 14 zugeführt, das das Bild erzeugt. Eine Anzeigeformatadapterschaltung 16 führt dem Anzeigegerät 14 Formaterzeugungssignale, die Bildzeilen des Bildes bestimmen, in Abhängigkeit von Daten und Taktsteuersignalen zu, die sie von der Abbildungsschaltung 12 erhält.

Die Umformeranordnung 10 enthält vorzugsweise 76 einzelne Umformerelemente 18. Jedes Umformerelement 18 enthält einen piezoelektrischen Ultraschallumformer bekannter Bauart, der Ultraschallenergie hauptsächlich längs einer vorbestimmten Achse aussendet. Die Ultraschallumformerelemente 18 sind krummlinig auf einem Kreisbogen angeordnet. Die in Fig. 1 durch gestrichelte Linien dargestellten Sendeachsen 20 der Umformerelemente divergieren radial vom Krümmungsmittelpunkt des Kreisbogens aus, auf dem die Umformerelemente angeordnet sind.

Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Bogen, auf dem die Umformerelemente angeordnet sind, einen Krümmungsradius von etwa 10 Zentimeter. Die Länge des Bogens bzw. der Umformerelementereihe beträgt etwa 5 Zentimeter.

Die Abbildungsschaltung löst die Umformerelemente zur Aussendung kurzer Ultraschallenergieimpulse aus, die jeweils aus einer Folge von Schwingungen mit einer Frequenz von etwa 3,5 MHz bestehen. Die Abbildungsschaltung löst eine Folge von Gruppen der Umformerelemente 18 aus, so daß die von der Umformeranordnung 10 ausgesendeten resultierenden Ultraschallstrahlen den Objektkörper in einer Folge verschiedener Winkel relativ zur Umformeranordnung abtasten. Diese Art der Abtastung ist an sich bekannt und wird auch "schrittweise Echtzeit-Ultraschal labt astung" (real time stepped ultrasonic scanning) genannt.

Von Gewebe-Grenzflächen im Körper des Patienten zurückkehrende Echos veranlassen die Umformerelemente zur Erzeugung elektrischer Signale, die Charakteristiken dieser Echos darstellen. Diese elektrischen Signale werden von der Abbildungsschaltung emfpangen und verarbeitet und dann als Datensignale dem Anzeigegerät 14 zugeführt, bei dem es sich vorzugsweise um ein Sichtgerät mit einer Kathodenstrahlröhre handelt.

Vorzugsweise werden durch die Abbildungsschaltung 12 nacheinander Gruppen aus 16 Umformerelementen ausgelöst oder "gezündet". Die Abbildungsschaltung 12 zündet die einzelnen Umformergruppen mit einer solchen Phasenverzögerung bzw. Phasenverschiebung, daß die von der Umformeranordndung 10 ausgesendete Ultraschallenergie in einem Abstand von etwa vier Zentimeter von der Umformeranordnung fokussiert wird. Außerdem sind die Empfangszeiträume der Elemente jeder Umformergruppe um verschiedene Beträge verzögert, um die Zone, aus der die Echos empfangen werden, auf einfache Weise in einem Abstand von etwa sechs Zentimeter von der Umformeranordnung zu fokussieren. Diese Fokussierungsverzögerung wird nachstehend noch ausführlicher beschrieben.

Die Anzeigeformatadapterschaltung 16 erhält Daten- und Taktsignale aus der Abbildungsschaltung 12 und erzeugt Formaterzeugungssignale, die bewirken, daß das Anzeigegerät 14 eine Anzeige bewirkt, die eine Anzahl divergierender Bildzeilen aufweist, die die Form von Radien eines Kreisringausschnitts haben. Die Bogenlänge des inneren Randes der kreisringausschnittförmigen Anzeigefläche, der der Oberfläche der Haut entspricht, beträgt etwa fünf Zentimeter, und die Länge des äußeren Randes dieser kreisringausschnittförmigen Fläche, der der maximalen Reichweite von etwa 20 Zentimetern entspricht, beträgt etwa 15 Zentimeter. Wenn der innere Rand des Kreisringausschnitts an der Haut des Patienten liegt, beträgt die Reichweite der Vorrichtung etwa 20 Zentimeter in den Körper hinein. Der Zentriwinkel des Kreisringausschnitts beträgt etwa 30 .

Fig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ultraschalluntersuchungsvorrichtung ausführlieher dar. Die Abbildungsschaltung 12 enthält eine Taktgeber- und Steuerschaltung 22, die den Betriebsablauf der übrigen Teile der Vorrichtung S steuert. Die Taktgeberschaltung 22 löst eine Impulsgeberschaltung 24 aus, die eine gruppenweise Zündung der Umformerelemente 18 bewirkt. Die elektrischen Ausgangssignale des Impulsgebers 24 werden über parallele Signalkanäle, einschließlich einer Verzögerungssteuerschaltung 26 und einer Schalteranordnung 28, entsprechenden Umformerelementen 18 zugeführt.

Die Schalteranordnung 28 wird durch die Taktgeberschaltung 22 so gesteuert, daß entsprechende Elemente der Schalteranordnung geschlossen werden, um die Reihenfolge der Betätigung der Umformerelemente 18 zu bestimmen.

In ähnlicher Weise wird die Fokussierungsverzögerungsschaltung 26 durch die Taktgeber- und Steuerschaltung

22 so gesteuert, daß sie in den verschiedenen Kanälen, denen vom Impulsgeber 24 Auslösesignale zugeführt werden, Verzögerungen bewirkt.

Wenn zu den jeweiligen Umformerelementen 18, die gezündet worden sind, Echos zurückkehren, formen die Umformerelemente dieser Echos in entsprechende Signale um. Diese empfangenen Signale werden über jeden der betreffenden Kanäle mittels der Schalteranordnung 28 und Fokussierverzögerungsschaltung 26 zurückgesendet.

Die Fokussierungsverzögerungsschaltung 26 wird im Empfangsbetrieb durch die Taktgeber- und Steuerschaltung 22 so gesteuert, daß sie die empfangenen Signale Empfangsverzögerungen unterzieht. Diese Empfangsverzögerungen fokussieren die Empfangszone der Umformerelemente 18 durch Phasenverzögerung, um die Empfindlichkeit der Vorrichtung auf Echos zu erhöhen, die in einer bestimmten Empfangszone relativ zur Umformerlage erzeugt wurden.

Die empfangenen und verzögerten Signale werden über eine Summierschaltung 30 einer Empfangsschaltung 32 zugeführt. Die Empfangsschaltung 32 führt die summierten Empfangssignale einem Z- oder Intensitätssteuereingang des Anzeigegeräts 14 zu, bei dem es sich vorzugsweise um ein Gerät mit einer Kathodenstrahlröhre handelt.

Zwischen der Taktgeber- und Steuerschaltung 22 und der Verzögerungsfokussierschaltung 26 ist eine Verzögerungsmodifizierschaltung 34 angeordnet, die nachstehend noch ausführlicher beschrieben wird. Die Verzögerungsmodifizierschaltung steuert die durch die verschiedenen Verzögerungselemente in den einzelnen Kanälen bewirkten Verzögerungen sowohl beim Senden als auch beim Empfangen, um den verschiedenen Signalen die zur Berücksichtigung der Krümmung der Umformeranordnung 10 erforderlichen Fokussierverzögerungen zu erteilen.

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Ein Beispiel für die Impulsgeber, Empfangs- und Summierschaltung sowie die Fokussierverzögerungsschaltung, Schalteranordnung und Taktgeber- und Steuerschaltung ist in der analogen Schaltungsanordnung der Ultraschall-Untersuchungsvorrichtung vom Typ LSlOOO enthalten, die von der Firma Picker Corporation, Northford, Connecticut, U.S.A., vertrieben wird.

Die Anzeigeformatadapterschaltung 19 enthält zwei Sägezahngeneratoren 36, 38 und eine Sägezahnsteuerschaltung 40. Die Ausgänge der Sägezahngeneratoren 36, 38 sind jeweils mit einem Y-Achsen- und einem X-Achsen-Eingang des Anzeigegeräts 14 verbunden. Durch richtige Einstellung - mittels der Sägezahnsteuerschaltung - der Anfangszeitpunkte, Anfangswerte und Steigungen der Sägezahnsignale, die durch die Sägezahngeneratoren erzeugt werden, läßt sich eine Reihe divergierender Radien mit gemeinsamem Mittelpunkt auf dem Bildschirm des Anzeigegeräts erzeugen. Wie Fig. 2 zeigt, ergibt sich durch diese Anordnung der Zeilen eine Anzeige in Form eines Kreisringausschnitts. Jeder der divergierenden Radien der Anzeige entspricht dem Ort eines der divergierenden Ultraschallstrahlen, die der Reihe nach durch die Umformeranordnung 10 erzeugt werden.

Die Vorrichtung erzeugt mithin eine Anzeige oder ein Bild in Form eines Kreisringausschnitts, dessen innerer Rand der Hautoberfläche des Patienten an der Vorderseite der Umformeranordnung entspricht und dessen äußerer Rand die maximale Reichweite des Blickfeldes der Vorrichtung darstellt. Die Verwendung der krummlinigen Umformeranordnung mit ihrer entsprechenden Anzeige in Form eines Kreisringausschnitts ergibt ein viel größeres Blickfeld als es mit einer geradlinigen Umformeranordnung von gleicher Länge wie die der neuen krummlinigen Umformeranordnung möglich ist. Dieses größere Sicht- oder Blick-

feld erhält man ohne eine elektronische Verzögerungsschaltung zur Änderung des Einfallswinkels der erzeugten Ultraschallenergie. Das größere Sichtfeld ergibt sich ohne mechanische Sektor-Abtastung, die kostspielig und störanfällig sein kann.

Während des Betriebs werden die beiden die Steigung jeder Zeile des Anzeigeformats bestimmenden Sägezahnsignale durch ein Signal ausgelöst, das auf der mit "Sägezahnauslösung" bezeichneten Leitung erscheint. Das Sägezahnauslösesignal wird durch die Taktgeber- und Steuerschaltung 22 erzeugt und ist zeitlich mit der Zündung der Umformerelemente durch die Impulsgeberschaltung 24 synchronisiert. Die Sägezahnsteuerschaltung 40 wird durch ein Signal der Taktgeber- und Steuerschaltung 22 gesteuert, das auf der "Zeilennummer"-Leitung erscheint, die die betreffende Radiallinie des zu erzeugenden Bildes in Abhängigkeit von der Information bestimmt, die aus der laufenden Zündung der Impulsgeberschaltung 24 abgeleitet wird.

Vorzugsweise werden die Umformer in Sechzehnergruppen gezündet, so daß die Impulsgeber- und Verzögerungsschaltung 16 elektrische Kanäle bildet. Die Vorrichtung wird so betrieben, daß sie etwa 30 Echtzeitbilder pro Sekunde erzeugt. Jedes Bild weist vorzugsweise 120 Zeilen auf. Mittels einer Umformeranordnung, die 76 Umformerelemente enthält, kann ein Bild mit 120 Zeilen durch Anwendung des Verfahrens der fraktionellen schrittweisen Weiterschaltung gebildet werden, wie es in der nachstehenden Veröffentlichung beschrieben ist: Yoshikawa, Y. et al., "Scanning Methods in Electro-Scanning Ultrasonic Diagnostic Equipment".

Wie bereits erwähnt wurde, wird die im Sendebetrieb ausgesendete Ultraschallenergie durch Phasenverzögerung

in einem Abstand von vier Zentimetern von der Umformerreihe fokussiert. Das zur Erzielung dieser Fokussierung unter Berücksichtigung der Krümmung der Umformerreihe angewandte Verzögerungsprogramm ist in nachstehender Tabelle I angegeben:

Umformergruppenelemente Verzögerung

(Nanosekunden)

1 und 16 0

2 und 15 113

3 und 14 210

4 und 13 290

5 und 12 355

6 und 11 403

7 und 10 437

8 und 9 453 15

In ähnlicher Weise wird die Empfangsfokalzone in einer Entfernung von sechs Zentimetern von der Umformerreihe fokussiert. Das zur Erzielung dieser Verzögerung im Empfangsbetrieb angewandte Verzögerungsverfahren ist in

der nachstehenden Tabelle II angegeben:

Umformergruppenelemente

1 und 16 347

2 und 15 261

3 und 14 187

4 und 13 125

5 und 12 75

6 und 11 38

7 und 10 13

8 und 9 0

Die Fig. 3 und 4 zeigen schematisch den Aufbau der Schaltungsanordnung der Sägezahngeneratoren 36, 38 und der Sägezahnsteuerschaltung 40.

Fig. 3 stellt ein schematisches Schaltbild einer Sägezahngeneratorschaltung dar. Das Schaltbild nach Fig.

gilt für beide Sägezahngeneratorschaltungen 36, 38, da sie gleich sind.

Die Sägezahngeneratorschaltung gibt über eine Leitung 100, die dem Ausgang eines Rechenverstärkers 102 entspricht, ein Sägezahn-Ausgangsspannungssignal ab. Der zeitliche Verlauf des Sägezahns wird durch eine zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers 102 liegende RC-Schaltung 104 beeinflußt. Das Schließen eines Schalters 106 in der Schaltung 104 löst das Sägezahnsignal aus. Der Schalter 106 wird durch ein Signal geschlossen, das an einem "Sägezahnauslösungs"-Eingang 108 erscheint und durch die Taktgeber- und Steuerschaltung 22 erzeugt wird.

Weitere Signale der Sägezahnsteuerschaltung 40 bestimmen weitere Parameter der Sägezahnsignale, die auf der Leitung 100 erscheinen. So bestimmt ein Signal auf einer Leitung 112 die Steigung des erzeugten Sägezahnsignals.

Ein weiteres Signal der Sägezahnsteuerschaltung 40, das auf einer Leitung 114 erscheint, bestimmt den Anfangswert des Sägezahns.

Die auf den Leitungen 112 und 114 auftretenden Signale werden dem Rechenverstärker 102 über einen Umschalter 110 zugeführt. Der Zustand des Signals auf der Leitung 108 steuert die Stellung des Umschalters 110. Vor Auslösung des Sägezahnsignals nimmt der Schalter 110 die untere Stellung ein, so daß er den Anfangswert des Sägezahnsignals bestimmt. Bei Auslösung des Sägezahnsignals wird der Schalter 110 in die obere Stellung umgeschaltet, so daß das die Steigung des Sägezahns bestimmende Signal auf der Leitung 112 dem Rechenverstärker 102 zugeführt wird, um die Steigung oder Steilheit des Sägezahns zu steuern.

Die Sägezahngeneratoren 36, 38 bestimmen gemeinsam die X- und Y-Koordinate jeder radialen Bildzeile, die auf dem Bildschirm erzeugt wird. Die Sägezahngeneratoren bestimmen sowohl den Anfangs- als auch den Endpunkt jeder Bildzeile und ihre Steigung oder ihren Verlauf auf dem Bildschirm. Die Sägezahngeneratoren bewirken dies durch Anlegen der Sägezahnsignale an die X- und Y-Ablenkplatten der Bildröhre.

Die Steigung der jeweiligen Bildzeile ist eine Funktion des Verhältnisses der Steigungen der jeweiligen Sägezahnsignale, die durch die Generatoren 36 und 38 erzeugt werden. Diese Steigung der angezeigten Bildzeile weicht von den Steigungen der durch die Generatoren 36, 38 erzeugten Sägezahnsignale ab, ist jedoch eine Funktion dieser Steigungen.

Der Anfangspunkt des Verlaufs einer Bildzeile wird durch die Anfangswerte der durch die beiden Generatoren erzeugten Sägezahnsignale bestimmt. Die Anfangswerte bestimmen jeweils die X- und Y-Koordinaten des Anfangspunktes der entsprechenden Bildzeile.

Fig. 4 stellt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Sägezahnsteuerschaltung 40 dar. Die Sägezahnsteuerschaltung erzeugt vier Ausgangssignale, von denen zwei jeder der Sägezahngeneratorschaltungen 36, 38 zugeführt werden. Die Sägezahnsteuerschaltung gibt an jeden Sägezahngenerator ein analoges Signal ab, das den Anfangswert des zu erzeugenden Sägezahns und die Steilheit des Sägezahns bestimmt. Diese Signale werden in Abhängigkeit von einem digitalen Signal der Taktgeber- und Steuerschaltung 22 erzeugt, das die Nummer der betreffenden Bildzeile anzeigt, das durch die nächsten zu erzeugenden Sägeζahnsignale erzeugt werden soll.

So bestimmen die an den Ausgängen 112 und 114 erscheinenden Signale jeweils den Anfangswert und die Steigung der durch den Sägezahngenerator 38 für die betreffende Bildzeile zu erzeugenden Sägezahnsignale. In ähnlicher Weise bestimmen Signale auf den Leitungen 114' und 112' die analogen Parameter für das durch die Generatorschaltung 36 zu erzeugende Y-Achsen-Sägezahnsignal.

Die Ausgangssignale auf den Leitungen 114, 114', 112, 112' werden durch die Rechenverstärker 120, 122, 124 und 126 nach Fig. 4 erzeugt.

Diesen Rechenverstärkern werden jeweils Eingangssignale von Digital/Analog-Umsetzern 130, 132, 134 und 136 zugeführt. Die Eingangssignale der Digital/Analog-Umsetzer sind digitale Ausgangssignale einer Folge von sechs PROMs (programmierbare Festwertspeicher) 140, 142, 144, 146, 148 und 150. Die PROMs erhalten digitale Eingangssignale, die die Zeilennummer der jeweiligen Bildzeile darstellen, die in Abhängigkeit von dem unmittelbar folgenden Ausgangssignal der Sägeζahnsteuerschaltung 40 erzeugt werden soll. Jeder PROM erzeugt ein vorprogrammiertes digitales Signal in Abhängigkeit von jedem Zeilennummern-Eingangssignal der PROMs.

Die PROMs sind so programmiert, daß ihre digitalen Ausgangssignale, die taktweise durch das digitale "Zeilennummern "-Signal bestimmt werden, die entsprechenden Anfangsbedingungen, Sägezahnsteigungen und Sägezahnbeginn bestimmen, um die entsprechende Bildzeile auf dem Bildschirm zu erzeugen.

Für den Fachmann dürfte es nach den Regeln der Trigonometrie möglich sein, die PROMs für jede gewünschte BiIdzeile individuell zu programmieren. Hilfsweise wird auf Fig. 5 verwiesen, aus der sich die mathematischen Be-

Ziehungen für die Programmierung der PROMs zur Erzeugung entsprechender Anfangsbedingungen und Steigungen für
jede Bildzeile ableiten lassen, nach Fig. 5 hat die Anzeige bzw. das Bild die Form eines Kreisringausschnitts mit mehreren Bildzeilen. Der Winkel θ ändert sich in
Schritten, die gleich dem gesamten Zentriwinkel der
Bildfläche dividiert durch die Anzahl der Zeilen ist.
Die Gleichungen für die Programmierung der Ausgangsgrössen der PROMs, die jeweils einer Bildzeile entsprechen, sind unten in Fig. 5 angegeben. Die Anfangsbedingungen
und Steigungen in X- und Y-Koordinaten ergeben sich dadurch, daß man für θ den betreffenden Winkel der zu erzeugenden Bildzeile einsetzt. Das beschriebene Ausführungsbeispiel der Anzeigeformatadapterschaltung 16 enthält eine analoge Schaltung. Die Anzeigeformatadapterschaltung 16 kann jedoch auch digital ausgebildet sein.

Im einzelnen enthält eine solche Ausführungsform vorzugsweise einen digitalen Sektor-Zeilenabtastungsumformer. Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen digitalen Zeilenabtastungsumformers ist in Fig. 6 dargestellt.
Der Zeilenabtastungs-Umformer nach Fig. 6 enthält einen Analog/Digital-Umsetzer 151, einen Direktzugriffspeicher 152 (RAM), Adressenzähler 154, 156 und eine Adressenzählersteuerschaltung 158.

Während des Betriebs wird das "Z"-Signal der Empfangsschaltung, das auf einer Leitung 160 erscheint, durch
den Umsetzer 151 in digitale Form umgesetzt und dem Direktzugriffspeicher (RAM) zugeführt. Die Adressenzähler und Zählersteuerungsschaltung bestimmen die Adresse des RAM, unter der das digitalisierte zugeführte Z-Signal
eingespeichert werden soll. Die Adressenzähler 154, 156 bewirken das Einschreiben in den RAM in Polarkoordina-

ten. Die Zähler werden mit variablen Adressen-Taktpulsfrequenzsignalen der Zählersteuerschaltung 158 betrie-

ben. Die Zählersteuerschaltung 158 wird durch Signale der Taktgeber- und Steuerschaltung 22 gesteuert, die auf Leitungen 164 und 166 erscheinen. Das Signal auf der Leitung 164 stellt die laufende Zeilennummer des Bildes dar. Das Signal auf der Leitung 166 ist ein Synchronisiersignal zur Synchronisierung der Erzeugung der Bildzeile mit der Zündung der Umformerelemente.

Die Umformung (Transformation) der X- und Y-Koordinaten in die Polarkoordinaten R, θ geschieht nach der Beziehung Y = R»cos θ . Diese Umformung geschieht durch Steuerung von Taktpulsfrequenzen bei allen nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Wenn eine digitale Darstellung eines Vollbildes in den RAM durch Einlesen der digitalen Z-Achsensignale unter den entsprechenden RAM-Adressen eingespeichert ist, wird der Inhalt des RAM in X-Y-Fernsehbildformat ausgelesen und dem Eingang eines Kathodenstrahlröhren-Videomonitor-Anzeigegeräts 14 zugeführt.

Es gibt verschiedene Arten, wie Ultraschalldaten aus der erfindungsgemäßen Ultraschallumformerreihe gespeichert, verarbeitet und ausgelesen werden können, um ein sichtbares Bild einer Kathodenstrahlröhre wiederzugeben.

So kann ein "X-Y"-Speicherformat benutzt werden, bei dem jedem Bildpunkt oder Bildelement auf dem Bildschirm ein entsprechender Speicherplatz, ausgedrückt in X- und Y-Koordinaten, zugeordnet ist.

Fig. 7 stellt eine krummlinige Reihe 200 aus Ultraschal lumformern zur Aussendung von Ultraschallenergie nach oben - in dieser Figur gesehen - in ein Sichtfeld 202 dar. Fig. 7 stellt zwei Ultraschall-Laufrichtungslinien 204, 206 und die Art und Weise dar, in der aus die-

sen beiden Linien abgeleitete Daten in den Speicher eingeschrieben und anschließend zur Wiedergabe eines Bildes auf einem Kathodenstrahlröhren-Bildschirm verarbeitet werden.

Die Linie 204 fällt mit dem mittleren Ultraschallumformer der Reihe 200 zusammen, und ihr Laufrichtungswinkel eist willkürlich gleich null gewählt.

Ein Speicher 210 ist vorgesehen, der eine Anordnung von Speicheradressenplätzen aufweist, die grafisch als zweidimensionale Anordnung von Punkten 211 angesehen werden können. In dem Speicher 210 ist jeder Spalte aus Punkten ein bestimmter X-Koordinatenwert des Bildelements zugeordnet. Jeder Zeile aus Punkten 211 ist ein bestimmter Y-Koordinatenwert des Bildelements zugeordnet. Mithin ist unter jeder Speicheradresse ein Bildamplitudenwert für einen Bildbereich um eine bestimmte X-Y-Stelle herum gespeichert.

Zwischen der krummlinigen Reihe 200 und dem Speicher 210 ist eine Adressenrechenschaltung 208 angeordnet, deren Aufgabe nachstehend ausführlicher beschrieben ist.

Da die X-Koordinate jedes Punktes auf der Linie 204 gleich Y«tanθ und auf der Linie 204 der Winkel Θ = 0 ist, ist die X-Koordinate jedes Punktes auf der Linie 204 gleich null. Es ist daher sehr einfach, jedes durch die Linie 204 bestimmte Bildelement in dem Speicher 210 darzustellen, da für jeden Punkt auf der Linie 204 X=O ist. Die Linie 204 läßt sich durch alle auf der Linie 204 liegenden Speicheradressen darstellen, wie es durch den den Speicher 210 darstellenden Teil der Fig. 7 angedeutet ist.

Die Linie 206 weicht jedoch von der Linie 204 um einen

Winkel θ ab. Da nicht jeder auf der Linie 206 liegende Punkt genau einer durch einen der Speicherplätze 211 des Speichers 210 dargestellten Adresse entspricht, muß der Zeilenabtastungs-Umfcrmer (Umsetzer) entscheiden, unter welchen Speicheradressen Informationen aus der längs der Linie 206 ausgesendeten Ultraschallenergie eingeschrieben werden müssen und welche Speicherplätze freibleiben müssen. Dies erfordert die Ausbildung einer verhältnismäßig komplizierten Adressenrechenschaltung 208, um diese Entscheidungen zu treffen und die Erzeugung digitaler "Kunstwerke" im angezeigten Bild zu vermeiden. Die Adressenrechenschaltung muß - in Abhängigkeit von Daten, die aus der sich längs der Linie 206 ausbreitenden Ultraschallenergie abgeleitet wurden häufig jeden Datenpunkt unter der Speicheradresse einschreiben, die am dichtesten bei der tatsächlichen Stelle der Struktur liegt, die die Erzeugung dieser Daten bewirkte.

Dieses Problem und seine Lösung ist in "IEEE, Ultrasonics Symposium Proceedings", Seiten 763 - 767, 1980 beschrieben.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung können die auf diese Weise im Speicher 210 gespeicherten Daten direkt im X-Y-Format auf den Bildschirm eines Kathodenstrahlröhren-Monitors ausgelesen werden, um ein sichtbares Bild zu erzeugen, das der Information entspricht, die aus der Ultraschallenergie abgeleitet wurde, die durch die Reihe 200 ausgesendet wurde.

Fig. 8 stellt eine andere Möglichkeit einer Zeilenabtastungs-Umformung dar, die bei einer krummlinigen Reihe aus Umformerelementen angewandt werden kann. 35

Fig. 8 zeigt eine krummlinige Reihe 220 aus Ultraschallumformern, von denen beispielsweise drei Ultraschall-

energie in ein Sichtfeld längs Linien 224, 226, 228 aussenden. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 wird der Linie 224 willkürlich der Winkel θ = O zugeordnet. In Richtung der Linie 226 ausgesandte Energie divergiert gegenüber der Linie 224 um einen Winkel θ., während in Richtung der Linie 228 ausgesandte Energie gegenüber der Linie 224 um einen Winkel θ_ divergiert.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 enthält einen Speieher 230 mit einem ähnlichen Aufbau wie der Speicher 210 in Fig. 7, jedoch mit einer anderen räumlichen Zuordnung der Speicherplatzadressen 232 zum Sichtfeld 222. Statt rechtwinklige Koordinaten sind den Speicherplätzen des Speichers 230 die Polarkoordinaten Y, θ zugeordnet. So ist im Speicher 230 jeder Spalte aus Adressenplätzen ein bestimmter Winkel θ und jeder Zeile aus Adressenplätzen ein bestimmter Wert der Koordinate Y zugeordnet.

Nach Fig. 8 werden die Informationen aus dem Speicher 230 über eine Rechenschaltung 234 ausgelesen, die anschließend die Daten einem Kathodenstrahlröhren-Anzeigegerät 236 zuführt, das eine Sichtanzeige entsprechend den Informationen erzeugt, die aus der ausgesendeten und reflektierten Ultraschallenergie abgeleitet wurden. 25

Die Vorrichtung nach Fig. 8 bewirkt daher eine Winkelumformung (Winkeltransformation) zwischen dem Speicher und dem Anzeigegerät. Dieses Speicherformat wird als "Y_e"-Format bezeichnet. Bei dem Y-e-Speicher besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Divergenzwir.kel der von jedem Ultraschallelement ausgesendeten Ultraschallenergie und dem Speicherplatz.

Jeder Winkel θ, dem eine Spalte von Speicheradressenplatzen 232 zugeordnet ist, entspricht einem der Winkel θ , θ₂ — θ_η, um den von einem bestimmten Ultraschall-

element ausgesendete Ultraschallenergie von dem Winkel 6=0 divergiert bzw. abweicht.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 erfolgt die erforderliche Umformung der Daten in die Anzeige beim Auslesen der Daten aus dem Speicher.

Nach Fig. 8 haben die Hauptsenderichtungen der Ultraschallumformerelemente um gleiche Beträge zunehmende Winkelabstände θ θ ... θ von dem Winkel ^Θ = 0, der der Richtung des mittleren Umformerelements entspricht. Beim Auslesen von Daten aus dem Speicher in das Anzeigegerät zur Erzeugung des Bildes ordnet der Adressenrechner den aus den einzelnen Speicherplätzen ausgelesenen Daten jeweils einen bestimmten Y- und Θ-Wert zu. Um das Bild auf dem Bildschirm in einem Sektorabtastungsformat darzustellen, wird jeder Punkt im Speicher abgetastet (abgefragt bzw. ausgelesen) und auf dem Bildschirm in einer Form wiedergegeben, die sich durch folgende Beziehung beschreiben läßt: Der Y-Koordinatenwert auf dem Bildschirm ist einfach der dem jeweils abgetasteten Adressenplatz zugeordnete Wert für Y. Der X-Koordinatenwert ist gleich dem Produkt Y »tan θ.

Dieser Wert Y»tane wird durch die Adressenrechenschaltung 234 ermittelt. Diese Schaltung muß zuerst den Tangens des Winkels θ berechnen, der durch den gerade abgetasteten Speicherplatz dargestellt wird. Dann muß die Rechenschaltung ein Signal erzeugen, das dem Y-Wert multipliziert mit tane entspricht.

Diese Information wird dann dem Anzeigegerät 236 zugeführt, um ein Maß der X- und Y-Koordinaten des Bildpunktes zu erzeugen, das durch den Υ-θ-Wert des gerade abgetasteten Speicheradressenplatzes 232 des Speichers 230 dargestellt wird.

Die durch das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 bewirkte Koordinatenumformung läßt sich mit hoher Genauigkeit durch eine digitale Rechenschaltung bewirken. Wie bereits erwähnt wurde, brauchen nur zwei mathematische Operationen durchgeführt zu werden, d.h. eine Multiplikation und die Bildung einer Tangensfunktion. Dieses Y-θ-Verfahren führt zu einer erheblichen Einsparung an Speicheraufwand und ergibt Bilder, die weitgehend frei von "digitalen Kunstwerken" sind.

Anhand der Fig. 6 bis 9 sind zwar Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen nur ein Umformerelement jeweils einer Ultraschallsenderichtung (Linie) zugeordnet ist, doch dient dies lediglich der Vereinfachung der Be-Schreibung. So kann stattdessen jede Ultraschallsendelinie eine resultierende Linie sein, die durch phasenverschobene oder gleichzeitige Auslösung (Zündung) verschiedener Gruppen von Umformerelementen bewirkt wird, wie es vorstehend beschrieben wurde. Eine dynamische Fokussierung kann ebenfalls angewandt werden.

Das Prinzip einer dritten Art einer Zeilenabtastungs-Umformung ist in Fig. 9 dargestellt. Durch dieses Verfahren wird die erforderliche Hardware (Schaltung) zur Erzeugung des sichtbaren Bildes noch weiter vereinfacht und gleichzeitig eine höhere Bildqualität erzielt. Bei diesem Verfahren wird ein Y-, tan©-Speicherformat angewandt .

Bei dem anhand von Fig. 8 beschriebenen Y-θ-Speicherformat sind Daten von Umformern erforderlich, deren Senderichtungen gleiche Winkelabstände aufweisen, und in dem Speicher unter ihrer richtigen θ-Koordinate gespeichert. Bei dem Y-, tane-Speicherformat sind Daten von Umformerelementen erforderlich, deren Senderichtungen ungleiche Winkelabstände aufweisen, wobei die Winkel

- 31 θ jedoch gleiche tane-Inkremente aufweisen.

Fig. 9 stellt eine Vorrichtung mit dem Y-, tane-Speicherformat dar. Eine krummlinige Reihe 240 aus Ultraschallumformern sendet Ultraschallenergie in ein Sichtfeld 242, und zwar beispielsweise längs Linien 244, und 248. Wie im Falle der Vorrichtung nach Fig. 8 ist der mittleren Linie 244 nach Fig. 9 willkürlich der Winkel θ=0 zugeordnet. Die Linien 246 und 248 divergieren gegenüber der Linie 244 jeweils um Winkel θ. und θρ.

Ein wesentliches Merkmal dieses Formats besteht darin, daß die Divergenzwinkel zwischen benachbarten Ultraschallsendeachsen nicht gleich sind. Vielmehr sind die Winkel θ θ usw. so gewählt, daß die Tangensfunktionen aller jeweils benachbarten Winkel θ über das gesamte Sichtfeld 244 um ein konstantes Inkrement voneinander abweichen.

Die Daten aus der Umformerreihe 240 werden in einen Speicher 250 mit mehreren Speicherplätzen geleitet, die grafisch durch Punkte 252 dargestellt sind. Jeder Spalte der Adressenplätze im Speicher 250 ist ein bestimmter Wert von tane zugeordnet, der dem Wert von tane einer der Ultraschallsenderichtungen der krummlinigen Reihe 240 entspricht. Jeder Reihe der Speicheradressenplätze ist ein bestimmter Wert von Y zugeordnet.

Ein Rechner 254 tastet (ruft) Daten aus jedem der Speicherplätze ab und berechnet X-Y-Koordinaten zur Eingabe in ein Kathodenstrahlröhren-Anzeigegerät 256. Wie man sieht, braucht die Rechenschaltung lediglich den Y-Wert mit dem Wert von tane zu multiplizieren, die jeder abgetasteten bzw. abgefragten Speicheradresse zugeordnet sind.

— ^? —

Die Y-Koordinate jedes angezeigten Bildelements wird direkt aus dem Y-Wert abgeleitet, dem der abgefragte Adressenplatz zugeordnet ist. Um den X-Wert zu ermitteln, der dem gleichen Platz entspricht, braucht die Rechenschaltung lediglich den bereits im Speicher vorhandenen Y-Wert mit dem ebenfalls bereits vorhandenen Wert von tane zu multiplizieren. Mithin ist lediglich die Durchführung einer Multiplikation erforderlich.

Ein Zeilenabtastungsumformer, bei dem das Y-, tane-Speicherformat angewandt wird, wird mit der Typenbezeichnung 672 von der Hughes Aircraft of Carlsbad, California, U.S.A., hergestellt.

Bei einer Sektor-Format-Sonde, wie einem mechanischen Sektor-Abtaster, mit der Fähigkeit, Ultraschallenergie nur längs einer Achse auf einmal auszusenden, wird die Richtung der Sonde nicht um gleiche Inkremente des Winkels θ, sondern um solche Inkremente des Winkels θ weitergeschaltet, daß die Funktion tane um gleiche Inkremente vom tane aller benachbarten Winkellagen abweicht. Hierbei liegen die Ultraschallsenderichtungen in der Nähe der seitlichen Ränder des Abtastbereiches um kleinere Inkremente des Winkels θ auseinander als in der Nähe der Mitte des Abtastbereiches, d.h. um den Winkel ©= 0 herum.

Durch das Y-, tane-Speicherformat läßt sich daher der Schaltungsaufwand (die Hardware) verringern und gleichzeitig eine höhere Bildqualität erzielen.

Bei Anwendung eines Y-, tane-Speicherformats mit einer konvexen krummlinigen Reihe, wie sie vorstehend beschrieben wurde, muß die Reihe so aufgebaut sein, daß die Ultraschallenergie unter ungleichen Winkelabständen ausgesendet wird. Eine Möglichkeit, wie dies erreicht

— T3 — ^:

werden kann, ist eine Verteilung der Umformerelemente in ungleichmäßigen Abständen über die Umformerreihe, wie dies für eine Umformerreihe 260 in Fig. 10 dargestellt ist. Der Abstand ändert sich längs der Reihe in Abhängigkeit vom Winkel θ. Der Abstand der Umformerelemente ist so gewählt, daß die resultierenden Ultraschallsendeaehsen den nachstehenden mathematischen Beziehungen entsprechen:

—1 χ θ = tan (—) de

X	= y	tan θ	2
d£		i/y
dx		L + (-) y

d(x/y) 1 + (x/y)²

Oder, ausgedrückt durch θ, da ~ = tan θ

de

d(x/y) 1 + tane

Nachstehend sind einige Beispiele des Abstandsverhältnisses angegeben:

Abstand

0° 1,0

+ 7,5° 0,983

+ 15° 0,933

+ 30° 0,750

Bei kleinen Winkeln θ ändert sich der Abstand sehr wenig

längs der Reihe, z.B. wie bei 262. Bei größeren Winkeln,

z.B. einem mit Gesamtabtastwinkelbereich von 60° (+ oder - 30°), z.B. bei den Elementen 264, erfolgt eine stärkere Änderung, so daß an den Enden der Reihe liegende Elemente dichter beieinanderliegen. Wenn sich der Abstand bei einer ausgewählten Gruppe von Elementen, die zur Erzeugung einer resultierenden Ultraschallsendelinie benutzt werden, stärker ändert, kann eine Kompensation in der elektronischen Fokussierschaltung erforderlich sein, um einen scharf fokussierten Strahl zu erzeugen.

Eine typische Reihe kann eine 5-Zentimeter-Reihenlinie mit 15° Krümmung und 80 Elementen aufweisen, wobei zur Erzeugung einer resultierenden Linie jeweils 15 Elemente auf einmal verwendet werden. Dies ergibt eine effektive Öffnung von 0,94 Zentimetern. Wenn die Abtastung am Ende der Reihe (7,5°) angelangt ist, beträgt der Abstand an diesem Ende 0,983, während der Abstand bei 15 Elementen auf der Innenseite dieses Punktes 0,993 beträgt. Da jedes Element von seinem Nachbarn einen Abstand von etwa einer Wellenlänge hat, liegt der Abstandsfehler nur in der Größenordnung von einem Zehntel einer Wellenlänge. Dieser Fehler kann in Kauf genommen werden.

Abwandlungen der dargestellten Ausführungsbeispiele liegen im Rahmen der Erfindung.

Claims

Reiche r:~:2khßGOOFrankTurtaM.! PICKER INTERNATIONAL INC., Highland Heights, Ohio, VStA. Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Abbilden der inneren Struktur eines Körpers mittels Ultraschall, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Umformeranordnung (10) mit einer krummlinigen Reihe aus Ultraschallumformerelementen (18); eine Abbildungselektronik (12, 16), welche die Umforrmerelemente zur Aussendung auftreffender Ultraschallenergie in den Körper und zur Umformung empfangener Echos, die durch die auftreffende Energie verursacht werden, in die innere Struktur des Körpers darstellende elektrische Signale veranlaßt; und eine Anzeigeeinrichtung (14), die in Abhängigkeit von den elektrischen Signalen eine Abbildung der inneren Struktur des Körpers erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformerelemente in ungleichen Abständen längs der Reihe angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallumformerelemente (18) relativ zueinander divergierende Hauptachsen (20) der Ultraschallaussendung aufweisen, die im wesentlichen in einer einzigen Ebene liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (20) der Ultraschallaussendung unter Winkeln relativ zueinander divergieren, deren Tangensfunktionen um gleiche Inkremente voneinander abweichen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungselektronik (12, 16) einen Zeilenabtastungs-Umformer (16) mit einem Y-, tane-Speicheradressenformat aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungselektronik eine Schaltung zum Abtasten von Werten, die unter jeder Speicheradresse gespeichert sind, und eine Rechenschaltung (254) zum Erzeugen eines x-Koordinatensignals, das der abgetasteten Stelle entspricht, durch Berechnen des Produktes der Y- und tane-Werte der Speicheradresse aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungselektronik (12, 16) einen Zeilenabtastungs-Umformer mit einem Y-, θ-Speicheradressenformat aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die krummlinige Reihe konvex ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die krummlinige Reihe (10) im wesentlichen einen Kreisbogen von etwa fünf Zentimeter Länge beschreibt.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß der Kreisbogen einen Radius von etwa zehn Zentimeter aufweist.
5

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die Umformeranordnung (10) etwa achzig getrennte Umformerelemente (18) aufweist.
10

11. Ultraschallumformeranordnung (10) mit mehreren Ultraschallumformerelementen (18), die jeweils eine Sendeachse (20) aufweisen, längs der Ultraschallenergie hauptsächlich ausgesendet wird, wenn das betreffende Element in geeigneter Weise elektrisch angeregt wird, wobei die Umformerelemente in einer solchen Reihe angeordnet sind, daß ihre jeweiligen Sendeachsen weitgehend in der gleichen Ebene liegen und divergieren, f;

dadurch gekennzeichnet, daß die Umformerelemente längs der Reihe in ungleichen Abständen angeordnet sind, so daß ihre jeweiligen Sendeachsen unter verschiedenen Winkeln divergieren, deren Tangensfunktionen um gleiche Inkremente voneinander abweichen.