DE3616214C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum vergleichenden Darstellen von mit einem Ultraschall-Mikroskop aufgenommenen Ultraschallbildern einer Probe.

Entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten grundsätzlichen Aufbau hat ein bekanntes Ultraschall-Mikroskop (DE-OS 34 15 283) eine Steuereinheit 1, die ein Steuersignal an eine Hochfrequenzwellen- Übertragungseinheit 2 abgibt, welche synchron mit dem Steuersignal ein Hochfrequenz-Impulssignal erzeugt. Letzteres wird über eine Richtungsgabel bzw. einen Zirkulator 3 einem piezo-elektrischen Wandler 4 zugeführt und in eine Ultraschallwelle umgewandelt. Diese wird von einer akustischen Linse 5 gebündelt und durch ein ihre Fortpflanzung begünstigendes Kopplungsmedium 6, z. B. Wasser, in Form eines kleinen Punktes auf eine Probe 7 gerichtet, die sie entsprechend ihren akustischen Eigenschaften reflektiert. Die zurückgestrahlte Ultraschallwelle wird von der akustischen Linse 5 aufgefangen und vom Wandler 4 in ein elektrisches Signal umgewandelt, das über den Zirkulator 3 einer Empfängereinheit 8 zugeführt wird.

Im Empfänger 8 wird das elektrische Signal einer Torschaltung zugeleitet, die mittels eines von der Steuereinheit 1 gelieferten Torsignals überflüssige Signalteile aus dem elektrischen Signal entfernt. Das in der Torschaltung behandelte elektrische Signal wird dann verstärkt und gleichgerichtet, um ein gleichgerichtetes Ausgangssignal mit einer die Stärke der reflektierten Ultraschallwelle darstellenden Amplitude zu erzeugen. Dieses gleichgerichtete Ausgangssignal wird einem Abtastwandler 11 zugeführt, der auch Signale mit X- und Y-Richtungsinformationen empfängt, die sich auf die Abtastposition an der Probe 7 beziehen und von Abtastern 9 und 10 für die X- bzw. die Y-Richtung erzeugt werden. Im Abtastwandler 11 wird das gleichgerichtete Ausgangssignal als Amplitudensignal gespeichert, das dann ausgelesen und in ein Videosignal umgewandelt wird, welches einer Anzeigeeinheit 12, z. B. einem Kathodenstrahlröhren-Monitor, zur Darstellung eines Ultraschallbildes der Probe 7 zugeführt wird. Zum zweidimensionalen Abtasten werden die Abtaster 9 und 10 für die X- und Y-Richtung mittels Steuersignalen aus der Steuereinheit 1 gesteuert, die akustische Linse 5 wird durch den Abtaster 9 in rasche Schwingungen in X-Richtung versetzt, und durch den Abtaster 10 wird ein Objekttisch 13 langsam in Y-Richtung verstellt.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ultraschall-Mikroskop wird ein einzelnes Ultraschallbild durch Abtasten der Probe 7 in einem bestimmten Bereich erzeugt, wobei der Abstand zwischen der akustischen Linse 5 und der Probe 7 in der Z-Richtung konstant gehalten wird. Wenn daher der Abstand in der Z-Richtung nacheinander schrittweise verändert wird, werden mehrere Ultraschallbilder, welche Darstellungen der Probe 7 in verschiedenen Abtastebenen aus verschiedenen Tiefen sind, nacheinander erzeugt. Wenn also die akustische Linse 5 und die Probe 7 relativ zueinander in der Z-Richtung schrittweise um keine Beträge bewegt werden, erhält man eine große Anzahl von Ultraschallbildern. Der innere Aufbau der Probe 7 kann daher sehr viel genauer überprüft und sehr kleine Fehlstellen sicher festgestellt werden.

Das Ultraschallbild der Probe wird gewöhnlich auf einem Monitor, z. B. einer Kathodenstrahlröhre, dargestellt oder auf einen fotografischen Film aufgezeichnet. Wenn somit die Auflösung in der Z-Richtung durch Verstellen der akustischen Linse 5 und der Probe 7 relativ zueinander um kleine Beträge in der Z-Richtung vergrößert wird, erhält man eine große Anzahl von Ultraschallbildern. Ist die Probe 7 aus Werkstoffen gleicher Merkmale hergestellt, müssen einander ähnliche Ultraschallbilder miteinander verglichen werden. Folglich kann es sein, daß kleine Mängel oder Fehlstellen nicht entdeckt werden. Insbesondere bei der sukzessiven Darstellung von Ultraschallbildern auf einem einzigen Bildschirm können praktisch nur bedeutende Veränderungen festgestellt werden, weil im menschlichen Gedächtnis gespeicherte Bilder rasch verblassen.

Dagegen ist es bei fotografischer Aufzeichnung möglich, aufeinanderfolgende Ultraschallbilder in Einzelheiten miteinander zu vergleichen. Weil jedoch hierzu eine sehr große Anzahl von fotografischen Aufzeichnungen hergestellt werden müssen, entstehen hohe Betriebskosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum vergleichenden Darstellen von Ultraschallbildern zu schaffen, die der Bedienungsperson eine einfache, vergleichende Beurteilung von Ultraschallbildern ermöglicht.

Eine diese Aufgabe lösende Vorrichtung ist mit ihren Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung können mehrere, mit dem Ultraschall-Mikroskop nacheinander aufgenommene Ultraschallbilder sukzessive dargestellt werden und zur gleichen Zeit wird ein aus diesen aufeinanderfolgenden Ultraschallbildern wiederzusammengesetztes Farbbild auf dem Farbbildanzeigegerät dargestellt. Mängel der Probe, z. B. sehr kleine Unreinheiten oder Fehlstellen, können daher ohne Schwierigkeiten und zuverlässig festgestellt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild für eine Ausführungsform eines bekannten Ultraschall-Mikroskops,

Fig. 2 ein Blockschaltbild für eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Darstellen von Ultraschallbildern,

Fig. 3 ein Blockschaltbild für ein Ultraschall-Mikroskop mit der Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 4A und 4B je eine Draufsicht auf eine Bedienertafel des in Fig. 2 dargestellten Ultraschall-Mikroskops, und

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung.

Gemäß der Erfindung werden mehrere in verschiedenen Tiefen einer Probe aufgenommene Ultraschallbilder von ihr gespeichert, und aus wenigstens zwei der aufeinanderfolgenden gespeicherten Ultraschallbilder wird ein Falschfarbenbild wiederzusammengesetzt und auf einem Farbmonitor dargestellt.

Entsprechend Fig. 2 hat ein Ultraschall-Mikroskop ein Hauptteil 33 von gleichem Aufbau wie bei dem in Fig. 1 dargestellten bekannten Ultraschall-Mikroskop. Es umfaßt eine Hochfrequenzwellen-Übertragungseinheit, einen Zirkulator und eine Empfängereinheit. Ein Schwinger 34, der eine akustische Linse 22 in der X-Richtung hin- und herbewegt, empfängt über eine Schnittstellenschaltung 35 ein Abtastsignal für die X- Richtung, das ihm von einem nachfolgend als ZE bezeichneten Rechner 31 zugeführt wird. Das Hauptteil 33 des Ultraschall- Mikroskops sendet ein von der akustischen Linse 22 aufgefangenes elektrisches Signal zu einem Abtastwandler 40; dieses Signal wird nacheinander in drei Bildspeichern 37, 38 und 39 gespeichert. An den Abtastwandler 40 sind ein Schwarz/Weiß- Bild-Monitor 41 und ein Farbbild-Monitor 42 angeschlossen.

Der Abtastwandler 40 wandelt eine Amplitude des empfangenen analogen elektrischen Signals in ein digitales Signal um, das aus z. B. acht Bits zusammengesetzt ist, um eine 256-stufige Grautreppe zu erhalten, und speichert die digitalen Signale in den Bildspeichern 37, 38 und 39. Jedes der in den Bildspeichern 37, 38 und 39 gespeicherten Bildsignale kann am Schwarz/Weiß-Bild-Monitor 41 dargestellt werden. Drei in den Bildspeichern 37, 38 und 39 gespeicherte Ultraschallbilder können erzeugt werden, indem die akustische Linse 22 in der Z-Richtung mit einem bestimmten Schritt zu einem Objekttisch 32 hin oder von ihm weg bewegt wird oder wenn der Objekttisch 32 in der X, Y-Ebene unter Beibehaltung eines konstanten Abstandes in der Z-Richtung zwischen der Linse 22 und dem Objekttisch 32 bewegt wird. Nach jeder Aufnahme eines Ultraschallbildes als Vollbild werden die in den Vollbildspeichern 37, 38 und 39 gspeicherten Bildsignale durch nachfolgende Bildsignale erneuert. Mit anderen Worten, wenn in den Bildspeichern 37, 38 und 39 ein erstes, zweites bzw. drittes Ultraschallbild gespeichert war, wird im Bildspeicher 39 ein viertes Ultraschallbild neu gespeichert, und das in den Bildspeichern 38 und 39 gespeicherte zweite und dritte Bild wird in den Bildspeicher 37 bzw. 38 überstellt. Ferner setzt der Abtastwandler 40 aus den drei in den Bildspeichern 37, 38 und 39 gespeicherten Ultraschallbildern ein Farbbild wieder zusammen und stellt es mit Steuerung durch die ZE 31 auf dem Farbbild-Monitor 42 dar. Der Objekttisch 32 ist an einem in X- und Y- Richtung bewegbaren Schlitten 45 abgestützt, der mit Antriebsvorrichtungen 46 und 47 für die X- bzw. Y-Richtung über eine Welle 48 bzw. 49 verbunden ist. Der Schlitten 45 ist ferner über eine Welle 50 mit einer Antriebsvorrichtung 51 für die Z-Richtung verbunden und dadurch in der Z-Richtung verstellbar. Anstelle des Schlittens 45 kann die akustische Linse 22 in der Z- Richtung bewegbar sein. Die Antriebsvorrichtungen 46, 47 und 51 für die X-, Y- und Z-Richtung werden mittels Verstellsignalen von der ZE 31 angesteuert und bewegen den Schlitten 45 in der jeweils gewünschten Weise. Die Verstellwege des Schlittens 45 in der X-, Y- und Z-Richtung werden von ihnen zugeordneten Verstellweg-Detektoren 52, 53 und 54 erfaßt, die Codierer zum Feststellen von Drehimpulsen für Motoren der Antriebsvorrichtungen 46, 47 und 51 umfassen. Die auf diese Weise festgestellten Signale werden über die Schnittstellenschaltung 35 der ZE 31 zugeleitet. An die ZE 31 ist ferner ein Hauptbildschirmgerät 44 zum Darstellen von Eingabebefehlen, Operationsbefehlen usw. angeschlossen. Mit Ausnahme der Monitore ist im Blockschaltbild der Fig. 3 der gesamte Aufbau des mit der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung ausgestatteten Ultraschall-Mikroskops dargestellt. Gemäß Fig. 3 gehören dazu ein Eingabegerät bzw. eine Bedienertafel 64, ein Hauptteil 65 des Ultraschall-Mikroskops und eine Hochfrequenz-Schaltungsanordnung 66, welche die Übertragungs- und Empfängereinheiten umfaßt. In Fig. 3 dargestellte, den Bauteilen gemäß Fig. 2 ähnliche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 2 bezeichnet. Das Eingabegerät 64 umfaßt eine erste Steuerorgan-Gruppe 67, eine zweite Steuerorgan-Gruppe 68 und eine Leuchtdioden- Gruppe 69 zum Anzeigen verschiedener Betriebsarten. Die erste Steuerorgan-Gruppe 67 entspricht Schaltern und Überwachungsorganen, die in einem ersten Bereich 101 einer in Fig. 4A dargestellten Fronttafel angeordnet sind, und die zweite Steuerorgan-Gruppe 68 entspricht Schaltern in einem zweiten Bereich 102 der Fronttafel. Die erste Steuerorgan-Gruppe 67 ist an den Abtastwandler 40 und an ein Steuerorgan 70 für den Schlitten 45 angeschlossen und dient zum Einschalten des Ultraschallbild-Einschreibens (vorwärts und rückwärts), Schalten der Abtastung in X-Richtung, Ausschalten der Abtastung in Y-Richtung und Schalten der Abtastbreite. Die Antriebssignale für die Abtastung in X- und Y-Richtung werden vom Schlitten-Steuerorgan 70 dem Schwinger 34 bzw. einem Antriebsmotor 71 für die Y-Richtung zugeführt. Mit dem Abtastwandler 40 ist ferner ein Rücksetzschalter 72 verbunden. Der digitale Abtastwandler 40 hat drei Bildspeicher 37, 38 und 39 und drei Kanalausgangsbausteine CH 1, CH 2 und CH 3, die je einem Bildspeicher 37, 38 bzw. 39 zugeordnet sind. Die Kanalausgangsbausteine CH 1, CH 2 und CH 3 sind über eine Ausgangsansteuerschaltung 73 mit einem Ausgangsanschluß 74 für einen externen Monitor und mit einem Fernsehbild-Monitor 75 verbindbar. Der Fernsehbild- Monitor 75 ist vor einer fotografischen Aufnahmevorrichtung 89 so angeordnet, daß Ultraschallbilder in üblicher Weise fotografisch aufgezeichnet werden können.

Die Ausgangsbausteine bzw. -anschlüsse CH 1, CH 2 und CH 3 und ein Synchronisiersignal-Ausgangsanschluß SYNC des Abtastwandlers 40 können an den Farbbild-Monitor 42 angeschlossen sein (s. Fig. 2). Weiterhin ist an den Abtastwandler 40 eine Fernsehkamera 76 angeschlossen.

Ein elektrisches Signal von der akustischen Linse 22 wird mittels der Hochfrequenz-Schaltungsanordnung 66, eines logarithmischen Verstärkers 67 und einer Videosignal-Verarbeitungsschaltung 78 einem Ultraschallbild-Eingangsanschluß US des Abtastwandlers 40 zugeleitet. Der Verstärker 77 gibt ein Ausgangssignal über einen Trennverstärker 79 an einen Signalausgangsanschluß 80 ab, so daß eine Signalwellenform überwacht werden kann.

Die zweite Steuerorgan-Gruppe 68 entspricht den Funktionen Polaritätsumschaltung (NEGA/POSI), Bildlöschung (LÖSCHEN), XY-Abstimmschaltung (Ein- und Ausschalten der Glättung), TV/US-Umschaltung, Überlagerungsanwahl (Schalten des Überlagerungsspeichers zum Darstellen von Zeicheninformationen von der ZE 31), Wahl der Zeichenausgabe mit der Tastatur, Ein-/Ausschalten des Maßstabkennzeichens, TV Real/Fest (Speichern von Fernsehkamerasignalen), Schalten des Ausgangs auf externen Monitor, Zeitsteuerung für die Torschaltung usw. Durch Ansteuern des Ausgangsumschalters 73 ist das Anwählen des einzuschreibenden Schnittes (write-in blain) und des partiellen auszugebenden Schnittes (partial output blain) für die Bildspeicher 37, 38 und 39 möglich.

Die Leuchtdiode FERN leuchtet auf, wenn der Abtastwandler durch die ZE 31 gesteuert wird. Die Leuchtdiode TALKER ist aktiviert, wenn die Speicherinhalte der Bildspeicher 37, 38 und 39 des Abtastwandlers 40 zur ZE 31 überstellt werden, und die Leuchtdiode LISTENER leuchtet auf, wenn das Signal eingeschrieben wird. Eine Leuchtdiode für einen universalen Schnittstellenbus "Anzeige-Zugriffskanal" zeigt an, über welchen Kanal des Abtastwandlers 40 die ZE 31 zugreift, und die Leuchtdiode für einen universalen Schnittstellenbus "Zugriff Überlagerungsspeicher" ist einem Überlagerungsspeicher des Abtastwandlers 40, auf den die ZE 31 zugreift, zugeordnet. Weitere Bauelemente sind ein Umschalter 81 für Dämpfungsbetrag und Frequenz, ein Steuerorgan 82 für die Verarbeitungsschaltung 78, ein Temperaturregler 83 für den Objekttisch 32, mit dem ein Thermistor 84 und ein Heizelement 85 verbunden sind, ein Steuerorgan 86 für ein optisches Mikroskop 87, mit dem ein Lichtquellenregler 88 verbunden ist, der die Helligkeit einer Beleuchtungseinrichtung für das Mikroskop 87 steuert, und ein Steuerorgan 90 für die fotografische Aufnahmevorrichtung 89. Die ZE 31 ist an ein Floppy-Disk- Gerät 91 angeschlossen, so daß verschiedene Bildverarbeitungsweisen und Einstellungen (inclination adjustments) vorgenommen werden können. Die Antriebsvorrichtungen 46, 47 und 51 für die X-, Y- und Z-Richtung haben Schrittmotoren 46′, 47′ und 51′, und den Detektoren 52, 53 und 54 für die Verstellwege in X-, Y- und Z-Richtung sind Codierer 52′, 53′ und 54′ zugeordnet. Die Schrittmotoren 46′, 47′ und 51′ werden über eine von der ZE 31 gesteuerte Steuer/Treiberschaltung 92 betätigt, und Ausgangssignale von den Codierern 52′, 53′ und 54′ werden in die ZE 31 über einen Zähler 93 eingegeben. Der Aufbau der Fronttafel ist in Fig. 4A dargestellt. Gemäß Fig. 4B umfaßt eine rückseitige Bedientafel 103 Ausgangsanschlüsse (VIDEO-AUSGANG) für die Kanäle CH 1, CH 2 und CH 3, einen Synchronisiersignal-Ausgangsanschluß (SYNC), einen Verbinder für einen universalen Schnittstellenbus (USB), einen Video-Eingangsanschluß (VIDEO-EINGANG), einen Video- Ausgangsanschluß (EXT.MONIT.AUSGANG), Anschlüsse V-AUSGANG, Z-EINGANG, HF-A, HF-B und HF-C sowie Verbinder C 1, C 2 und C 3 für Tastatur, Drucker bzw. Floppy-Disk-Gerät. Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung wird nun auch anhand von Fig. 5 beschrieben, die ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise einer 3Z-Mode-Farbanzeigevorrichtung zeigt, bei der aus drei aufeinanderfolgenden Ultraschallbildern, die durch Bewegen der akustischen Linse 22 mit einer bestimmten Schrittgröße in der Z-Richtung zur Probe hin gewonnen wurden, ein Farbbildsignal, wiederzusammengesetzt wird. Wenn der Verstellweg Z der Linse 22 null ist (Z=0), wird ein erstes Ultraschallbild aufgenommen und im Bildspeicher 39 des Abtastwandlers 40 gespeichert. Nach Verstellen der Linse 22 in der Z-Richtung um den Weg Z=Z₁ wird ein zweites Ultraschallbild aufgenommen und im Bildspeicher 39 gespeichert, aus dem das darin gespeicherte erste Ultraschallbild in den Bildspeicher 38 überstellt wird.

Sodann wird die Linse 22 in der Z-Richtung um den Weg Z₂ verstellt, und es wird ein drittes Ultraschallbild in den Bildspeicher 39 eingetragen. In diesem Falle wird das erste Ultraschallbild in den Bildspeicher 37 und das zweite Ultraschallbild in den Bildspeicher 38 überstellt. Auf diese Weise sind die aufeinanderfolgenden drei Ultraschallbilder in den Bildspeichern 37, 38 und 39 gespeichert worden. Die so in den Bildspeichern 37, 38 und 39 gespeicherten Bildsignale werden dann gleichzeitig an den zugehörigen Video-Ausgangsanschlüssen CH 1, CH 2 und CH 3 zusammen mit dem Synchronisiersignal abgenommen, das am Ausgangsanschluß SYNC ansteht. Die drei Video-Ausgangsanschlüsse CH 1, CH 2 und CH 3 liefern ein Rot-, Grün- bzw. Blau-Signal, so daß ein aus den drei aufeinanderfolgenden Ultraschallbildern wiederzusammengesetztes Farbbild auf dem Farbbild-Monitor 42 dargestellt werden kann. Innere Mängel, die an der Oberfläche der Probe nicht geprüft werden konnten, werden dann farbig dargestellt und können daher ohne Schwierigkeiten und zuverlässig geprüft werden. Da beim gezeigten Beispiel in den Bildspeichern 37, 38 und 39 stets drei aufeinanderfolgende Ultraschallbilder gespeichert sind, können sie miteinander verglichen werden, und es können sehr kleine Verunreinigungen und Fehlstellen ohne weiteres festgestellt werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum vergleichenden Darstellen von mit einem Ultraschall-Mikroskop aufgenommenen Ultraschallbildern einer Probe, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

• - einen Eingangsbaustein zum Empfangen mehrerer zu vergleichender Ultraschallbilder, die vom Ultraschall-Mikroskop nacheinander zugeleitet werden,
• - eine Speichereinrichtung zum Speichern von wenigstens zwei zu vergleichenden Ultraschallbildern, die am Eingangsbaustein nacheinander empfangen werden;
• - eine Einrichtung (Abtastwandler 40) zum Zusammensetzen eines Farbbildes aus den Ultraschallbildern dadurch, daß die in der Speichereinrichtung gespeicherten wenigstens zwei aufeinanderfolgende Ultraschallbilder an Farbkanäle eines Farbmonitors angelegt werden, und
• - eine Anzeigevorrichtung zum Darstellen des zusammengesetzten Farbbildes.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Speichereinrichtung drei Bildspeicher (37, 38, 39) zum Speichern von drei am Eingangsbaustein nacheinander empfangenen Ultraschallbildern umfaßt, und
• - die Einrichtung zum Zusammensetzen eines Bildes ein Farbbild aus Rot-, Grün- und Blau-Signalen zusammensetzt, die je einem der drei Ultraschallbilder entsprechen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (Schwarz/Weiß-Bild-Monitor 41) zum Darstellen wenigstens eines aus der in der Speichereinrichtung gespeicherten Vielzahl von Ultraschallbildern umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Ultraschallbildern durch Verändern eines Abstandes zwischen einer Probe und einer akustischen Linse (22) in der Z-Richtung aufgenommen werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Ultraschallbildern durch Bewegen einer Probe relativ zu einer akustischen Linse (22) in der X, Y-Ebene aufgenommen werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Speichereinrichtung mehrere Digital-Bild-Speicher (37, 38, 39) umfaßt,
• - und zum Zusammensetzen eines Farbbildes entsprechende Speicherstellen der Digital-Bild-Speicher (37, 38, 39) gleichzeitig als verschiedene Farbsignale ausgelesen werden.