DE2619231C2

DE2619231C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallprüfung

Info

Publication number: DE2619231C2
Application number: DE2619231A
Authority: DE
Inventors: George Northbridge New South Wales Kossoff
Original assignee: Commonwealth of Australia Department of Health
Current assignee: Commonwealth of Australia Department of Health
Priority date: 1975-05-01
Filing date: 1976-04-30
Publication date: 1986-09-18
Also published as: AT361605B; FR2309865B1; US4094306A; GB1543740A; GB1543739A; JPS5930423B2; CA1076244A; JPS52484A; ATA323576A; FR2309865A1; DE2619231A1

Description

— die Ln dem flüssigen Medium eingetaucht sind, wobei die Wandlereinheiten Wandlerelemente (2)

— zum Senden von Ultraschallenergie- I- apulsen durch die öffnung in ein Objekt enthalten, das außerhalb des Gehäuses an der Öffnung anliegend angeordnet ist, und

— zum Empfangen der von akustischen Widerstandsunstetigkeiten innerhalb des Objektes (17) durch die Öffnung reflektierten Echos dieser Ultraschallenergie-Impulse enthalten,

gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

— eine flexiWe Kopplungsmemüran (18) erstreckt sich über die Öffnung, um einen flüssigkeitsdichten Abschluß für diese Öffu jng zu bilden,

— mit dem Gehäuse (19) ist ein oben liegender, offener Vorratsbehälter (24) für das flüssige Kopplungsmedium verbunden, wobei der Vorratsbehälter (24) auch mit der Atmosphäre in Verbindung steht, um den Druck des Kopplungsmediums auf die Membran (18) bei einem etwa konstanten Wert während des Durchbiegens der Membran (18) zu halten, und

— eine Mehrzahl von Wandlerelementen (2) ist an einem Arm (1) befestigt, der innerhalb des Gehäuses (19) im Kopplungsmedium mittels eines Tragmechanismus für die Bewegung relativ zum Gegenstand (17) befestigt ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsmedium Wasser ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (1) derart kurvenförmig ausgebildet ist, daß der Krümmungsmittelpunkt innerhalb des zu prüfenden Gegenstandes liegt.

4. Vorrichtung nach einem der obengenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragmechanismus

— Antriebs- und Haltevorrichtungen (11, 12) aufweist, um den Arm (1) zum und vom Gegenstand (17) weg zu bewegen,

— Antriebs- und Haltevorrichtungen (25, 15, 22) aufweist, um den Arm längs und qer in bezug auf eine Achse des Gegenstandes zu bewegen, sowie

— Antriebs- und Haltevorrichtungen (20, 21) aufweist, um den Arm relativ zum Gegenstand zu drehen und zu kippen.

5. Vorrichtung nach einem der obengenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wandlerelement (2) in diesem Arm (1) in der Ebene des Armes drehbar angeordnet ist und sämtliche Wandlerelemente (2) mechanisch für eine gleichzeitige Bewegung miteinander verbunden sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 uis 4, gekennzeichnet durch eine elektronische Steuer- und Auswerte-Einrichtung zur Kontrolle der Winkelbewegungssteuerung des Bezugsstrahls und zur zeitlich aufeinanderfolgenden Aktivierung der Wandlerelemente (2) derart, daß

— die Aktivierungsrate verglichen mit der Winkelgeschwindigkeit des Bezugsstrahles hoch ist,

— daß die räumlich beabstandeten Wandlere^;jiheiten in bezug auf ihre räumliche Anordnung entweder nacheinander oder in unregelmäßiger Reihenfolge aktivierbar sind.

Die Erfindung bezieht sich auf die Technik der Ultraschallechoskopie von Gegenständen und insbesondere auf Mittel zur Verbesserung der Klarheit und folglich des Nutzens der Prüfungsergebnisse, zur Erhöhung der Bequemlichkeit bei der medizinischen Anwendung und zur Verringerung der Prüfzeit für einen Gegenstand, bei der die Impulsechoultraschalltechnik verwendet wird. Sie ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf die Verwendung dieser Technik in der medizinischen Diagnostik gerichtet.

Die Ultraschallechoskopie liefert Informationen über einen zu untersuchenden Gegenstand, die in Form eines Ultraschallechogramms dargestellt werden können. Ein solches Echogramm besteht aus -Her AvZeichnung akustischer Widerstandsunstetigkeiten oder reflektierender Flächen im Gegenstand. Es wird dadurch erhalten, daß ein kurzer Impuls von Ultraschallenergie im Frequenzbereich von 1 bis 30 MHz in den zu untersuchenden Gegenstand gerichtet wird, wo akustische Widerstandsunstetigkeiten einen Teil der Energie in Form eines Echos reflektieren. Dieses Echo wird empfangen, in ein elektrisches Signal umgewandelt und als ein Echogramm in einem Kathodenstrahloszillographen, auf einen Film, einer Karte od. dgl. aufgezeichnet.

Das Echogramm kann entweder eine eindimensionale oder eine zweidimensionale Darstellung bilden, und in beiden Fällen ist die Information in der Lage und Größe des dargestellten Echos enthalten. Bei einer eindimensionalen Darstellung wird die Lage entlang einer Grundlinie dazu verwendet, die Entfernung der reflektierenden Fläche anzuzeigen, während die Größe des Echos beispielsweise als eine Ablenkung von der Grundlinie (Α-Methode) oder als e>ne Intensitätsänderung (B-Methode) dargestellt wird. Bei einer zweidimensionalen Darstellung wird die Lage entlang einer Grundlinie dazu verwendet, die Entfernung von der reflektierenden Fläche wie bei einer eindimensionalen Darstellung anzuzeigen, und die Richtung der Grundlinie wird dazu verwendet, die Richtung der Ausbreitung der akustischen Energie darzustellen. Die zweidimensionale Darstellung wird durch Änderung dieser Ausbreitungsrichtung der akustischen Energie und durch

die Einführung einer ähnlichen, aber nicht notwendigerweise identischen Bewegung der Darstellungsgrundlinie erhalten. Die Größe des Echos wird wie für eine eindimensionale Darstellung aufgezeichnet, z. B. als eine Ablenkung von der Grundlinie oder als eine Intensitätsänderung.

Die Technik der Ultraschallechoskopie wird in der medizinischen Diagnostik verwendet, um Informationen über die Anatomie der Patienten zu erhalten. Die Anwendung dieser Technik ist in weitem Umfang bekannt und z. B. von D. E. Robinson beschrieben in Proceedings of the Institution of Radio and Electronics Engineers Australia, VoLSl, No. 11, Seiten 385-392, November 1970: »The Application of Ultrasound in Medical Diagnosis«. Wie in diesem Aufsatz ausgeführt wird, kann die Ultraschallechoskopie dazu verwendet werden, Diagramme anzufertigen, die anatomische, sich als diagnostisch nützlich erweisende Querschnitte darstellen, wenn die gewünschten Informationen körperliche Abmessungen, Organformen, Strukturen od. dgl. betreffen. Die Ultraschallechographie hat sich als besonders wertvoll erwiesen ais ein diagnostisches Hilfsmittel bei Untersuchungen des Unterleibes und der Geoärmutter während der Schwangerschaft, beim Auge, bei der Brust, beim Gehirn, bei der Lunge, bei der Niere, bei der Leber und beim Herzen, also in Bereichen mit weichem Gewebe mit wenig Knochen und Luft Im allgemeinen wird diese Technik als Ergänzung anderer Techniken angesehen, um ein vollständigeres Bild vom Zustand der Patienten zu gev/innen, jedoch besonders bei Schwangerschaften kann die Ultraschallechoskopie an Stelle von Röntgenstrahlen nützlich sein, die sowohl keine genügende Information ergeben, als auch mit gesundheitlichen Risiken behaftet sind. Bei der medizinischen Anwendung wird ein Impuls von Ultraschallenergie in einen Patienten in einer bekannten Richtung übertragen, und Echos wcFucii von Fcncictiereuuen Flacnen innerhalb des Körpers empfangen. Die zeitliche Verzögerung zwischen einem übertragenen Impuls und dem empfangenen Echo hängt von der Entfernung des Senders von der reflektierenden Fläche ab, und die so erhaltene Entfernungsinformation kann in einer geeigneten Weise zur Auswertung und diagnostischen Verwendung als eine eindimensionale Entfernungsanzeige oder als ein zweidmensionaler Querschnitt dargestellt werden, wie vorher beschrieben worden ist

Bei einer bisher bekannten Art der Ultraschalldiagnostik wird ein einiger Wandler verwendet und physisch in verschiedene Stellungen relativ zum Patienten bewegt. US 32 69 173 beschreibt eine solche Vorrichtung. Ein einziger Ultraschallwandler ist in einem zylinderförmigen Gehäuse angeordnet, das mit einer Kopplungsflüssigkeit gefüllt ist. Die prüfungsobjektseitige Öffnung ist mit einer Membran und einer Folie verschlossen. Letztere wird auf die Oberfläche des Prüfgegenstandes gesetzt. Dieser wird in Zonen eingeteilt, welche durch Verschieben des Oszillatorsystems zonenweise linear abgetastet werden. Auch eine zonenweise, strahlförmige Abtastung ist denkbar. Dazu wird der Wandler mit einer oszillierenden Bewegung geschwenkt, wodurch der Strahl in einer einzige Ebene verbleibL Durch Verwendung geeigneter Ablenkungskreise, z. B. in einer Katodenstrahlröhre, wird eine Basislinie dazu veranlaßt, den Bewegungen der Strahlachse zu folgen, und Echos werden infolgedessen innerhalb des untersuchten Teiles in ihren genauen geometrischen Stellungen aufgezeichnet. Beispielsweise kann für einen diagnostischen Querschnitt der Wandler horizontal in einem Bogen von 150° um einen aufrechtstehenden Patienten bewegt werden, während er Schwingungen von +/—15° unterworfen wird. Für Längsschnitte kann der Wandler vertikal bewegt werden, wobei er beispielsweise Schwingungen von +/—30° unterworfen wird.

In den allgemein verwendeten zweidimensionalen Systemen der Ultraschallprüfung nach der B-Methode wird ein einzelner Wandler entweder mechanisch angetrieben oder von Hand betätigt, um ein Echogramm zu

ίο erhalten. Um eine Prüfung des interessierenden Bereiches, z. B. des Unterleibes eines Patienten, zu ermöglichen, wird die Abtastebene in gewünschter Weise eingestellt, so daß in dieser Ebene ein Echogramm erhalten wird. Dann wird die Abtastebene parallel verschoben, so daß parallele Abschnitte des interessierenden Bereiches geprüft werden. Da bei den bekannten Systemen die Erstellung eines Querschnittes etwa 10 bis 20 Sek. erfordert, kann die gesamte Prüfung etwa eine halbe Stunde dauern. Eine derart lange Prüfungszeit ist aus zahlreichen Gründen nicht erwünscht Erstens kann eine beträchtliche Bewegung des P. v-'objekis während der Prüiungszeit auftreten (z. B. Fötus ·τ einer Gebärmutter), wodurch die einzelnen Echogramme verwischt werden. Eine zweifelsfreie Interpretation eines vollständigen Satzes von Querschnitten ist dadurch schwierig. Weiterhin ist eine lang dauernde Prüfung oft nicht möglich oder mindestens unerwünscht, wenn die Technik bei der Untersuchung kranker Patienten verwendet wird. Natürlich schließt eine längere Prüfungszeit die Ver-Wendung der Technik als schnell durchzuführende Überblicksuntersuchung aus. Der reduzierte Durchsatz an Patienten beeinträchtigt zudem offensichtlich die Wirtschaftlichkeit der Technik.

Eine Verkürzung der Prüfzeit durch eine schnellere Bewegung des Ultiaschallwandlers ist nicht möglich. Ist der Wandler nämlich mit dem Patienten über ein KopplungsmediuiTi, z. B. Wasser, gekoppelt, werden Turbulenzen durch den Wandler erzeugt, wenn dieser sich schnell im Kopplungsmedium bewegt. Als Folge ist die Qualität des Echograms stark beeinträchtigt.

Verschiedene Arten von Ultraschallprüfgeräten sind geschaffen worden, welche die erwähnten Begrenzungen vermeiden und so die Abtastzeit reduzieren. Es ist klar, daß eine Reduzierung der Prüfzeit eine? Patienten zu einer technischen Verbesserung aar so erhaltenen Echogramme führt, da die Auswirkungen der Bewegung des zu prüfenden Objektes reduziert werden. Außerdem hat die Reduzierung der Prüfzeit den wirtschaftlichen Vorteil, daß mehr Prüfungen in einer gegebenen Zeit durchgeführt werden können und die Kapazität einer solchen Vorrichtung dadurch erhöht wird.

Es handelt sich bei diesen Ultraschallprüfgeräten um Systeme mit mehreren Wandlern, wie sie beispielsweise ir r.T-2 84 510, DE 23 29 387, DE 23 43 706 oder DE 25 07 177 angegeben sind.

AT-284 510 besenreibt eine Einrichtung zu/ Untersuchung innerer Körperteile eines Menschen mittels Ultraschallwellen, bei der mehrere Ultraschallsender auf einem linearen T/p^arm angeordnet sind. Senkrecht dazu hält ein weiterer Arm eine Anzahl von Ultraschallempfängern, die die Ultraschallechos detektieren und einer geeigneten Nachweiselektronik zuführen. Die gezeigte Anordnung ist wegen der Trennung von Sender und Empfänger und deren rechtwinkliger Anordnung zueinander konstruktiv und raumaufv/endig.

DE-23 29 387 zeigt eine Einrichtung und ein Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Objektes, bei dem ganz allgemein mehrere Ultraschallwandler in einer einzigen

Ebene angeordnet verwendet werden.

DE-23 43 706 beschäftigt sich speziell mit einem Verfahren und einem Gerät zur visuellen Abbildung von Ultraschall-Echosignalen unter Verwendung einer Vielzahl von Sendern für eine verringerte Auswirkung von Mehrfachreffektionen.

Eine bewegliche Ultraschallwandleranordnung ist in DE-25 07 177 gezeigt, bei der Ultraschall-Sende- und -Empfangs-Elemente auf einem gemeinsamen Tragarm befestigt sind, der wiederum relativ zum Prüfobjekt verschiebbar ist.

fiei den in den genannten Druckschriften beschriebenen Ultraschalluntersuchungsgeräten ist zwar eine Verringerung der Prüfzeit erzielt worden, jedoch ist nicht oder nur am Rande auf die Notwendigkeit eingegangen worden, eine größtmögliche Echogrammqualität bei gleichzeitig hoher Bequemlichkeit für den Patienten zu sorgen. Erfahrungsgemäß werden Ultraschallechogramme durch Verwendung eines Kopplungsmediums zwischen Wasser und dem Untersuchungsobjekt qualitativ stark verbessert In der Regel wird beispielsweise ein zu untersuchender Patient in ein Wasserbad getaucht, in dem die Ultraschallwandleranordnung angeordnet ist. Die Nachteile dieses Vorgehens sind vor allem im Zusammenhang mit erkrankten Patienten offensichtlich.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Gegenstandes mittels dem Impulsechoverfahren anzugeben, mit der eine vollständige Ultraschalluntersuchung eines Objektes, insbesondere eines Patienten, in möglichst kurzer Zeit durchgeführt werden kann, wobei die Qualität der erhaltenen Echogramme verbessert, eine schonende Behandlung des Patienten jedoch gegeben ist Diese Aufgabe wird durch die Kombination der kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst Eine flexible Kopplungsmembran erstreckt sich über die zur Anlage des zu untersuchendem! Objektes dienende Öffnung, um einen flüssigkeitsdichten Abschluß für diese Öffnung zu bilden. Mit dem Gehäuse ist ein oben liegender, offener Vorratsbehälter für das flüssige Kopplungsmedium verbunden, wobei der Vorratsbehälter auch mit der Atmosphäre in Verbindung steht, um den Druck des Kopplungsmediums auf die Membran bei einem etwa konstanten Wert während des Durchbiegens der Membran zu halten. Durch die Verwendung eines Kopplungsmediums ist die Qualität der erhaltenen Echogramme verbessert Gleichzeitig braucht ein Patient nicht in das Kopplungsmedium eingetaucht werden, was sich als sehr schonend für die Füße der zu untersuchenden Person auswirkt Trotzdem ist durch die flexible Membran -wischen Kopplungsmedium und Untersuchungsobjekt ein verlustarmer Obergang der Ultraschallwellen aus dem Kopplungsmedium in das Objekt gewährleistet Dies wird durch den konstanten Druckwert des Kopplungsmediums auf die Membran während deren Durchbiegens zusätzlich unterstützt Vervollständigt wird der Erfindungsgegenstand durch eine Mehrzahl von Wandlern, die an einem Arm innerhalb des Gehäuses im Kopplungsmedium angebracht sind Der Arm ist mittels eines Tragmechanismus für die Bewegung relativ zum Gegenstand gehalten. Ersichtlich wird durch die Erfindung eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Objektes geschaffen, die eine geringe Prüfzeit bei hoher Qualität der Echogramme und größtmöglicher Anwendungsbequemlichkeit gewährleistet

Bei einer geeigneten Anordnung, die besonders für medizinische, diagnostische Prüfung geeignet ist, ist das Bad in der Form einer Couch hergestellt, auf der ein Patient mit dem zu prüfenden Körperbereich liegen kann. Dieser steht in innigem Kontakt mit der Kopp-Iungsmembran. Vorzugsweise ist das Kopplungsmedium temperiert.

Wie erwähnt, sind die Wandler gemäß der ΕΓί^μι^ in das Kopplungsmedium eingetaucht, das sich in dem Gehäuse befindet. Bei bekannten Ultraschallprüfungs-Systemen wird die notwendige Kopplung des Wandlers mit dem Patienten entweder durch Hautkontakt oder durch den Gebrauch z. B. eines Wasserverzögerungsbades erreicht. Die Verwendung eines Wasserverzögerungsbades wird als ein Mittel angesehen, das Verschwommenheiten infolge von Mehrfachreflektionen verhindert, obgleich diese durch eine solche Anordnung des Systems vermieden werden können, daß die Entfernung zwischen dem Wandler und der Hautoberfläche des Patienten größer ist als die größte verwendete Ein-

°o drin^tiefe. Wenn such die HHütkont&kts^usteme im allgemeinen dem Patienten eine größere Bequemlichkeit bieten, weisen die sich daraus ergebenden Echogramme eine geringere Klarheit auf, und die Verwendung von Wasserverzögerungsbädern ergibt qualitätsmäßig bessere Echogramme. Die Erfindung sieht eine Vorrichtung vor, mit der diese qualitativ besseren Echogramme bequem erreicht werden können.

Um eine gute Kopplung zwischen den Wandlern und der flexibler Kopplungsmembran und damit der Haut-Oberfläche des Patienten zu erhalten, ist gemäß der Erfindung das Gehäuse mit dem Kopplungsmedium gefüllt und vorzugsweise das Gehäuse oben mit einem Behälter versehen, um sicherzustellen:, daß das Gehäuse während der Bewegungen der Membran gefüllt bleibt, ζ B. während der Anordnung des Patienten auf der Vorrichtung. Der von dem Kopplungsmedium ausgeübte Flüssigkeitsdruck, der in dem oberen Behälter gespeichert wird, hält den Druck an der Kopplungsmembran aufrecht, wodurch der enge Kontakt zwischen der flexiblen Membran und der Haut des Patienten aufrechterhalten wird.

Gemäß einem besonders wichtigen Merkmal der Erfindung ist eine Vielzahl von Wandlerelementen an einem einzigen Arm angeordnet, der innerhalb des Gehäuses von einem Tragmechanismus gehalten wird, um den Arm in bezug auf den zu prüfenden Gegenstand zu bewegen. Damit wird die Prüfung dieses Gegenstandes in einer beliebigen gewünschten Ebene erleichtert Vorzugsweise sieht der Tragmechanismus Bewegungen in der x-, y- und z-Richtung und eine Rotations- und Kippbewegung des Armes in bezug auf den Gegenstand vor, wodurch eine bequeme und rasche Scharfeinstellung der Wandlerelemente auf den gewünschten Bereich des Gegenstandes und eine Abtastung in einer gewünschten Ebene möglich ist Vorzugsweise ist auch der Tragarm für die Wandler gebogen, wodurch ein bestimmter Grad von mechanischer Fokussierang der Wandler auf einen Punkt innerhalb des zu prüfenden Gegenstandes möglich ist Der Arm kann kreisförmig gebogen sein, jedoch können auch lineare oder andersartig gekrümmte Arme verwendet werden, falls es erwünscht ist

Wird eine Vielzahl von Wandlerelementen verwendet, deren einzelne Ultraschallstrahlen im wesentlichen in eine beliebige Richtung innerhalb einer definierten Untersuchungsebene gerichtet werden können, so ist die benötigte Untersuchungszeit für eine komplette Querschnittsdarstellung erheblich reduziert Bei Verwendung solcher steuerbarer Wandler werden diese be-

abstandet voneinander angeordnet, so daß ihre einzelnen Untersuchungsebenen koplanar liegen, jedes Wandlerelement wird nacheinander, jedoch in schneller Folge in einer bestimmten Richtung zum Untersuchungsobjekt gestellt und ein Ultraschallimpuls von jedem Wandler erzeugt. Während eines Durchlaufs der sequentiellen Aktivierung der verschiedenen Wändlerelerny=rite wird jeder Wandler auf den nächsten Punkt hin gerichtet, auf den der nächste Ultraschallenergiestrahl treffen soll. Die sequentielle Aktivierung wird dann wiederholt. Dies erfolgt so lange, bis allr "gewünschten Schallstrahlen von jedem Wandlerelement in der definierten Untersuchungsebene nacheinander erzeugt worden sind. Dadurch tasten die Strahlen von jeweils einem Wandler die von ihm definierte Untersuchungsebene ab.

Die beschriebene Bewegung kann durch Montage der Wandlerelemente auf jeweiligen Trägern bewirkt werden Sie können Hiirrh einen einzigen hin und her oszillierenden Arm mechanisch gesteuert werden. Bei einer derartigen Anordnung ist die mechanische Oszillation des Armes relativ langsam verglichen mit der Rate der aufeinanderfolgenden Wandleraktivierung. Ein kompletter Querschnitt kann damit während einer einzigen Oszillation des Armes erreicht werden.

Eine alternative Ausführungsform sieht eine Steuer- und Auswerteeinrichtung zur Steuerung der Schallstrahlen der Wandlerelemente vor. Diese bestehen dann aus einem Gitter kleiner Wandlerbausteine, die individuell aktiviert werden können, um einen Ultraschallstra* 1 in einer vorbestimmten Richtung zu erzeugen.

Es ist allgemein anzumerken, daß jeder Wandler sowohl als Sender von Ultraschallimpulsen, als auch als Empfänger für die reflektierten Echos dienen kann.

Weiterhin ist es möglich, die Mehrzahl der Wandlerelemente bei einer mechanischen Steuerung unabhängig oder wie oben beschrieben gemeinsam zu steuern. Ganz allgemein begrenzt eine mechanische Steuerung der Wandlerelemente die effektive Abtastrate.

Die Wirkung dieser Begrenzung kann dadurch verkleinert werden, daß geeignete Schaltmittel vorgesehen sind, welche die Wandlerelemente dazu veranlassen, nur einemal durch den Bereich von Positionen hindurchgefahren zu werden, die sie jeweils einnehmen können, während eine vollständige Querschnittsabtastung erhalten wird. So wird jeder Wandler nacheinander aktiviert, um einen Impuls von Ultraschallenergie entlang der Strahlenachse zu richten, wobei der Zeitabstand, mit dem die Wandler jeweils aktiviert werden, genügend klein ist, verglichen mit der Geschwindigkeit der mechanischen Oszillation der Wandler. Jeder Wandler wird also nur eine kleine Entfernung zwischen aufeinanderfolgenden Aktvierungen der Wandler bewegt Das endgültige Resultat das durch diese Betriebsart erreicht wird, besteht darin, daß am Ende seines einzelnen mechanischen Bewegungszyklus jeder Wandler aktiviert worden ist während sein Strahl in alle gewünschten Richtungen gelenkt worden ist. Es ist klar, daß die Überwachung der Richtung der Strahlenachsen notwendig ist um eine vollständige und zweifeisfreie Querschnittsdarstellung zu bewirken.

Eine Alternative zur Erzeugung einer oszillatorischen Bewegung der Strahlenachsen ergibt sich durch die Verwendung einer Gitteranordnung von Wandlerbausteinen für jedes Wandlerekment wobei die Gitteranordnungen so entworfen sind, daß sie in der Lage sind, Ultraschallenergie-Strahlen zu erzeugen, die elektronisch von einer Steuer- und Auswerte-Einrichtung gesteuert werden können. In einem solchen System gibt es keine beweglichen Teile und das mit diesem System erreichbare Abtastmaß ist nur begrenzt durch die erreichbaren elektronischen Schaltgeschwindigkeiten und das Maß der Erfassung der Ultraschallinformation durch die Wandlerelemente nach jedem übertragenen Impuls. Da solch eine Anordnung elektronisch gesteuert werden kann, ist die Abtastgeschwindigkeit größer als die bei einer mechanischen Oszillation der Wandlerelemente. Eine Steuerung des Strahles eines jeden Wandlerelements ist in jede der gewünschte Richtungen möglich, wobei die reflektierten Echos vor Aktivierung des nächsten Wandlerelements und vor der Steuerung dessen Strahles in die gewünschten Richtungen gemessen werden. Es ist ersichtlich, daß diese gitterartige Wandleranordnung elektronisch gesteuert und vom Ablauf in einer ähnlichen Weise wie die mechanisch oszillierten, vorher beschriebenen Wandler betätigt werden kann.
Es können zudem die einzelnen Wandler einer me· chanisch abtastenden Anordnung durch eine Betätigung in nicht direkter Aufeinanderfolge eher erregt werden als in einer Erregungsfolge benachbarter Wandler. S!o kann anstatt der Erregung des Wandlers Nr. 2 nach dem Wandler Nr. 1 und dann Wandler Nr. 3, Wandler Nr. 4 usw. Wandler Nr. 5 in der Anordnung nach dem Wandler Nr. 1 erregt werden, dann Wandler Nr. 2 gefolgt vom Wandler Nr. 6 usw. Es wird festgestellt, daß solch eine »verstreute« Betätigung einer Mehrzahl von Wandlerelementen sogar eine weitere Beschleunigung der Sichtbarmachung ermöglicht, weil dadurch ein Wandler erregt werden kann, ohne auf die Merfachreflektionen zu warten, die von der Aktivierung der früheren Wandler herrühren und erst abklingen müssen. Das ist möglich, weil der Wandler seinen Impuls überträgt und die Reflexionen entlang eines Strahles empfängt, der sich in der Richtung wesentlich vom Strahl des vorhergehenden Wandlers unterscheidet. Da die »Warteperiode«, die durch eine solche »verstreute« Betätigung vermieden werden kann, etwa 500 Mikrosekunden betragen kann, wird eine bedeutende Herabsetzung der Prüfzeit erreicht.

Bei noch einer anderen Betriebsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die einzelnen Wandler eineir Anordnung in solch einer Weise erregt werden, daß die Zeit der Echoaufzeichnung sich der gesamten zur Verfügung stehenden Zeit nähert. Bei der oben beschriebenen »verstreuten« Betätigung, bei welcher der Stromkreis in herkömmlicher Weise einen einzigen Ablenkungsgeneratorstromkreis für die Aufzeichnungsmittel enthält ist die Zeit der Aufzeichnung der Echos etwa die Hälfte der insgesamt zur Verfügung stehenden Zeit wobei die andere Hälfte durch die Zeit zur Übertragung der Impulse durch das Kopplungsmedium verbraucht wird. Bei der Alternativmethode der Betätigung jedoch ermöglicht es die Verwendung von zwei Ablenkungsgeneratorstromkreisen, einen Impuls durch das Kopplungsmedium während der Periode der Aufzeichnung von Echos von dem vorhergehenden Impuls zu übertragen, so daß die Echoaufzeichnung vom einen Impuls fast unmittelbar nach dem Ende der Echoaufzeichnung von dem vorhergehenden Impuls beginnen kann.

Wo die Mehrzahl der Wandlereinheiten in einem einzigen Arm gemäß der Erfindung für die Oszillation in der Ebene des Armes angeordnet ist, ist es vorteilhaft daß die Wandler mechanisch zur gleichzeitigen Oszillation verbunden sind. So wird ein einziger Motor für die Oszillation aller Wandler und, falls erwünscht eine einzige Überwachungsvorrichtung verwendet um die Os-

zillationen aller Wandler zu überwachen, da ihre entsprechende Strahlen in einer festen Winkelbeziehung zueinander angeordet sind. Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist der einzige Arm auf einem Tragmechanismus befestigt, der sowohl eine Rotation als auch ein Kippen des Armes in bezug auf den zu prüfenden Gegenstand vorsieht. Die Rotation des Armes ermöglicht verschiedenlagige Querschnittsabtastungen, die ohne Lageveränderung des Prüfgegenstandes zu erhalten sind, v/ähred das Kippen des Armes es den Wandlern ermöglicht, auf ein?n einzigen Punkt von verschiedenen Winkeln aus gerichtet zu werden, wodurch geneigte Querschnittsbilder erhalten werden können. Geeignete Antriebsvorrichtungen können zur Erzeugung der Rotation und des Kippens und Überwachungsgeräte vorgesehen sein, um die Stellung der Wandler zu messen. In ähnlicher Weise können Antriebs- und Überwachungseinrichtungen vorgesehen sein, um den Arm in x-, y- und z-Richtung zu bewegen Und diese Bewegungen Iu Quer wachen.

Weitere Merkmale sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen

F i g. 1 bis 3 schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig.4 genauer den Mechanismus zur Oszillation der Wandler der Vorrichtung gemäß den F i g. 1 —3,

F i g. 5 ein Blockdiagramm einer Elektronik für eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung gemäß der Erfindung,

F i g. 6 ein Übertrager- und Empfänger-Schaltblockdiagramm für den Stromkreis der F i g. 5,

Fig.7 ein Blockdiagramm eines Winkel- und Ursprungsschaltungsnetzwerkes für den Stromkreis der Fig. 5,

F i g. 8 eine »verstreute« Methode der Betätigung der Vorrichtung, die den Stromkreis der F i g. 5 verwendet,

F i g. 9 eine Abänderung des Stromkreises der F i g. 5 und

F i g. 10 eine alternative Methode der Betätigung der Vorrichtung, die den abgeänderten Stromkreis der F i g. 9 verwendet.

Gemäß den F i g. 1 bis 3 weist die Vorrichtung gemäß der Erfindung ein Gehäuse i'J in der Form einer Couch auf, auf der sich ein Patient 17 befindet. Der Patient 17 ist mit dem zu prüfenden Bereich in Kontakt mit einer flexiblen Kopplungsmembran 18, die eine Öffnung im obersten Teil des Gehäuses 19 abdichtet Das Gehäuse 19 ist mit einem Kopplungsmedium, z. B. Wasser, gefüllt und mit einem oberen Behälter 24 versehen, um einen geeigneten Kontakt zwischen dem Patienten 17 und der Membran 18 aufrechtzuerhalten.

Innerhalb des Gehäuses 19 befindet sich eine Mehrzahl von Wandlern 2, die in das Kopplungsmedium eingetaucht sind. Die Wandler 2 sind räumlich auf einem Tragarm 1 angeordnet, so daß sie in der Ebene dieses Armes oszillieren können. Dadurch werden die entsprechenden Impulse von Ultraschallenergie entlang von Strahlen gerichtet, deren Richtung in dieser Ebene steuerbar ist Acht Wandler 2 sind beispielsweise in den Figuren dargestellt, jedoch wird darauf hingewiesen, daß diese Zahl wunschgemäß verkleinert oder vergrößert werden kann. Gemäß F i g. 4 ist jeder Wandler 2 so angeordnet daß er um einen Mittelpunkt 3 unter Wirkung eines Oszillatorarmes 4 oszillieren kann. Die entsprechenden Oszillatorarme 4 der Wandler 2 sind mittels Glieder 5 gekuppelt, die mit Einstellern 6 versehen sind, um die genaue Stellung der Wandler 2 in bezug zueinander und den Arm 1 einstellen zu können. Einer der Oszillatorarme 4 ist mit einem Zahnradsektor 7 versehen, der mit einem Zahnradritzel 8 eines am Tragarm

I befestigten Motors 9 in Eingriff steht.

Es ist klar, daß eine Rotation der Welle des Motors 9 eine gleichzeitige Drehung eines jeden Wandlers 2 um seinen Mittelpunkt 3 bewirkt. Die Stellung oder der Winkel eines jeden Wandlers 2 wird durch Potentiometern 10 überwacht.

Wie Fig. 1 zeigt, ist der Arm 1 an einem Rahmen ιό befestigt, der zum Patienten 17 hin und von ihm weg verschoben werden kann, um die Lage der am Arm 1 befestigten Wandler in bezug auf den Patienten einstellen zu können. Der Rahmen ist verschiebbar auf Säulen

II angeordnet und die Bewegung auf diesen Säulen wird von einem Motor 12, z. B. mittels einer Zahnstange und eines Antriebsritzels, gesteuert. Der Rahmen ist auch auf einem Wagen 25 befestigt, der entlang einer Bahn 15 gleitet und von einem Motor 22 (F i g. 3) mittels einer Zahnstange und eines Antriebsritzels od. dgl. ge-

•2ö steuert wird. Wie dargestellt, ermöglicht die Vorrichtung eine Bewegung des Wagens 25 entlang der Bahn 15 qer zum Patienten 17 in die dargestellte Lage. Eine Längsbewegung des Armes 1 in bezug auf den Patien-' ten wird durch eine Bewegung entlang einer Bahn 16 mittels eines Motors 23 (F i g. 3), z. B. mittels einer Zahnstange und eines Antriebsritzels, bewirkt.

Wie am besten F i g. 2 zeigt, ist der Arm 1 auf einem Rahmen 20 befestigt, der von Lagern od. dgl. auf dem Wagen 25 unterstützt ist, um eine Kippbewegung in bezug auf den Patienten zu ermöglichen. Dieser Rahmen 20 ist mit einem bogenförmigen Bahnabschnitt versehen, der die Welle eines Motors 13 z. B. in Eingriff mit einer Zahnstange und einem Antriebsritzel bringt, um den Arm zu kippen. Der Rahmen 20 ist wiederum auf einem Plattenteller 21 befestigt, der eine Drehbewegung des Armes 1 in bezug auf den Wagen 25 bewirkt, die von einem Motor 13 gesteuert wird. Es ist klar, daß durch die Anordnung geeigneter Mechanismen der Tragarm 1 quer, längs oder auf den Patienten 17 zu oder von ihm weg verstellt werden kann. Weiterhin kann der Tragarm 1 gekippt oder relativ zum Patienten gedreht werden, um irgendeine gewünschte Abtastet ine der Wandler 2 zu ermöglichen. Zum Beispiel kann der Arm um Γ bis 180° gedreht werden, um Quer-, Längs- oder schräge Echogramme zu bewirken, und er kann um Winkel von Γ bis +/—30° gekippt werden, um einen geneigten Abschnitt zu ergeben. Durch die Kippbewegung soll der Arm um die Umrißlinie des Patienten gedreht werden, wodurch die transiatorische Verschiebung der Abtastebene verringert wird, die normalerweise bei der Kippbewegung auftritt Der Arm kann auch in x-, y- und z-Richtung schrittweise um Beträge von 1 mm bis 2 cm übertragen werden, um automatisch eine Anzahl von parallelen Echogrammen zu erhalten, die durch ausgewählte Abstände voneinander getrennt sind. Bei der Wasserkopplungsmethode werden alle diese Querschnitte ohne Änderung der Kopplung mit dem Patienten erhalten, wodurch zuverlässige Querschnittswechselbeziehungen der Einzelheiten in Echogrammen möglieh sind, die in den verschiedenen Ebenen erhalten werden.

Vorzugsweise werden alle Bewegungen der Wandler durch Schrittmotoren hervorgerufen. Diese haben den Vorteil, daß ihre Betätigung durch die Verwendung von elektrische Impulsen gesteuert werden. Für die oszillateri-iche Bewegung der Wandler wird deren Winkelgeschwindigkeit nach und nach aufgebaut, dann während der Echogrammbildung konstant gehalten und dann

nach und nach verlangsamt, wodurch eine reproduzierbare gleichförmige Bewegung gegeben ist. Diese ist für die Erreichung eines konsistenten Rauschuntergrundes notwendig und reduziert die Vibrationen, die während der Beschleunigung oder Verzögerung der Wandler auftreten. Schrittmotoren können wie alle Bewegungen des Abtasters durch Computer gesteuert werden.

Der schnelle Erhalt von hochqalifizierten Echogrammen hat offensichtlich Vorteile. Er reduziert Verschwommenheiten von Einzelheiten, die durch die Bewegung von Strukturen während der Ausbildung der Echogramme verursacht werden, und ermöglicht gewissermaßen eine Realzeitbetrachtung des Querschnitts. Alternativ ermöglicht er die Aufnahme mehrerer Ansichten unter verschiedenen Winkeln, wodurch die Prüfung einer Durchleuchtung ähnlich gemacht wird. Die Gesamtzeit, die für die Gesamtuntersuchung notwendig ist, wird auch bedeutend reduziert, wodurch es möglich ist, mit der gleichen Vorrichtung eine größere klinische Belastung zu bewältigen. Die Vorrichtung hai auch den Vorteil, daß sie eine minimale Anzahl von Impulsen verwendet um ώΐη zusammengesetztes Abtastechogramm zu erhalten, und kein Gewebe braucht mehr als z. B. achtmal bestrahlt zu werden. Um die Bestrahlungsdosis zu verringern, steuern die Dämpfungsgliedereinstellungen des Echoskops die Größe der übertragenen Energie und nicht die Verstärkung des Empfängers. Beim Echoskop der Erfindung kann auch die Möglichkeit gegeben sein, irgendwelche Wandler abzuschalten und auch eine einfache Abtastung zu ermöglichen, die von einem be-,!iebigen Wandler erhalten werden kann.

Infolge der vielen Bewegungsfreiheitsgrade ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr vielseitig, und sie kann in einer Vielfalt von anderen Betriebsarten verwendet werden. Zum Beispiel wird durch die Überlagerung einer Translationsbewegung in der Längsrichtung des Armes ein zusammengesetztes Abtastechogramm erhalten, wobei der Ursprung der Oszillation der Wandler bewegt wird. Diese Betriebsart ist nützlich, um Bereiche um einige übereinanderliegende schattenbildende Strukturen, z. B. Rippen, zu betrachten. Diese Translationsbewegung reduziert auch die Moireschen Interferenzmuster, die bei der stationären Betriebsart erhalten werden. Die Translationsbewegung in diesem Falle braucht nicht groß zu sein, da eine der Entfernung zwischen den Wandlern entsprechende Bewegung angemessen ist und diese Bewegung in derselben Zeit erhalten werden kann, die für die einzige oszillatorische Bewegung notwendig ist

Bei einer anderen Betriebsart können alle Wandler so ausgebildet sein, daß sie wie ein einziger Wandler wirken, der der Größe des Armes entspricht und der hinsichtlich der Fokussierung von der Art ist, wie sie bei ringförmigen Phasenfeldwandlern verwendet werden, um eine stark fokussierte Sichtlinie entlang der Achse des Armes zu erzeugen. Eine lineare Abtastung kann dann durch Translation des Armes in die Längsrichtung erfolgen.

Die Vielfachwandleranordnung des Echoskops kann zu Gewebeuntersuchungen verwendet werden, wobei eine Einfach-Sender/Mehrfach-Empfänger-Betriebsweise zur Anwendung kommt Diese Betriebsart ist dem in der Seismologie verwendeten Vielkanalempfängerbetrieb analog. Kreuzkorrelationen zwischen den Informationen der einzelnen Wandler der Mehrfachanordnung können dann dazu verwendet werden, die vom Gewebe erzeugten Vielfachreflektionseffekte zu reduzieren und lokale Werte der Geschwindigkeit in den

verschiedenen sichtbar gemachten Geweben zu messen.

Der echostreuende Querschnitt eines Gewebes kann

auch durch zwei Methoden mit dem Echoskop erhalten werden. Bei der ersten Methode wird die Kippbewegung des Echoskops verwendet, wobei der echostfeuende Querschnitt des Gewebes in einer Tiefe erhalten wird, die der Projektion von dem Wandler auf die Rotationsachse der Kippbewegung entspricht. Für einen Wandler, der aufrecht steht, ist diese Tiefe gleich dem Krümmungsradius der Kippbewegung. Wenn alternate die Wandler so ausgerichtet werden, daß sie sich im Zentrum kreuzen, dann liegt der echostreuende Querschnitt des Gewebes auf dem Radius der durch eine Rotation des Armes erhaltene Kurve des Armes. Die erste Methode gibt die Echoquerstreuung als Funktion «ines Winkels in einer festen Ebene wieder, während die zweite Methode den Wert dieses Parameters wiedergibt, wenn er unter einem konstanten Winkel in variablen Ebenen betrachtet wird. Bei beiden Methoden errnö^licht die Vielfachwendleranordnun*⁷ des Echoskoⁿs eine relativ grobe zweidimensionale Abhängigkeit des Parameter?.

Eine Betriebsart der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in den F i g. 5 bis 7 dargestellt.

Wie aus Fig.5 hervorgeht, liefert eine Hauptuhr 65 Grurdzeitimpulse, um eine Vielkanaluhr 64 in Gang zu bringen und Motoren 52,54 über eine Motorsteuerung 57,58,59 anzutreiben.

Die Ausgänge der Vielkanaluhr 64 wiederum löst Impulse für jeden Kanal bei Erhalt eines Impulses von der Hauptuhr 65 aus.

Ein Kanalwähler 60 zählt Triggerimpulse und sendet einen binären Kanaladressencode an das Sender- und Empfänger-Schaltnetwerk 55 und zum Winkel- und Ursprungsschaltnetzwerk 56.

Ein Signalverarbeiter 62 verarbeitet Echos von dem Sender- und Empfänger-Schaltnetzwerk 55. Diese Echosignale werden zusammen mit ausgetasteten Impulsen einem Intensitätsmodulationseingang einer Dar-Stellungseinheit 66 zugeführt.

Ein Ablenkungsgenerator 61 erzeugt X- und K-Ablenkungsspannungen von Signalen, die vom Winkel- und Ursprungs-Schaltnetzwerk 56 erhalten werden. Die F i g. 6 zeigt das Sender- und Empfänge-Schaltnetzwerk in genauerer Darstellung. Ein Sender- und Empfagsdekoder 73 dekodiert Kanalwähler-Ausgangssignale von dem Kanalwähler 60, um den genauen Diodenschaltantrieb 72 und den Senderantrieb 71 wirksam zu machen. Der Vielfachkanaluhrausgang triggert dann den Senderantrieb 71, um den Sender 70 zu erregen.

Ein Empfängerdiodenschalter 74 wird durch den Dekoder 73 über den Diodenschaltantrieb 72 erzeugt, weicher die Abgabe von Echosignalen an einen Vorverstärker 76 ermöglicht

In F i g. 7 ist das Winkel- und Ursprungsnetzschaltwerk 56 der F i g. 5 genauer offenbart Ein Winkel- und Ursprungsdekoder 82 dekodiert den Kanalwählerausgang, um den genauen Schaltantrieb 81 wirksam zu machen und folglich den genauen Potentiometerversorgngsschalter 80 zu drehen. Der Versorgungsschalter 80 liefert Bezugsspannungen an die Sinus-Kosinus-Winkel-Überwachungspotentiometer 83 und an das Ursprungsnetzwerk 84.
Die X- und y-Ursprungskoordinaten des Ursprungsnetzwerkes 84 und der Sinus- und Kosinus-Winkelausgang des Potentiometers 83 werden über ihre entsprechenden OR-Tore an die Ablenkungsgeneratoren 61 (F i g. 5) innerhalb der Verarbeitungselektronik gelegt.

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F i g. 8 zeigt graphisch die »verstreute« Betriebsart, die in Anwendung die Stromkreise der Fig.5—7 benutzt Aus F i g. 8 ist ersichtlich, wie die Impulse zeitlich gesteuert werden. Zum Beispiel folgt Impuls 1 der Impuls 5, und zwar eher als Impuls 2. Impuls 5 wird durch das Wasser gesendet, das als Kopplungsmedium wirkt, und zwar nach einer kurzen Zeitspanne — der Abklingzeit — nach der Vervollständigung der Aufzeichnung der Echos des Impulses 1. Wie oben beschrieben, braucht bei dieser »verstreuten« Betriebsart die Obertragung des Impulses 5 durch das Kopplungsmedium nicht verzögert zu werden, bis die Vielfachreflexionen des Impulses 1 abklingen, da der Strahl des Impulses 5 in seiner Lage wesentlich von dem Strahl des Impulses 1 unterschiedlich ist Wenn natürlich der Impuls 2 nach der Aufzeichnung der Echos des Impulses 5 übertragen und eine kuire Abklingelt gegeben ist, werden dann die Vielfachreflexionen des Impulses 1 abgeklungen sein. Fig.8 zeigt, daß bei Verwendung dieser Betriebsart eine Aufzeichnungszeit vom etwa der Hälfte der insgesamt zur Verfügung stehenden Zeit erhalten werden kann.

F i g. 9 zeigt eine Abänderung des Stromkreises j,emäß Fig.5, in welchem ein Ablenkungsgenerator 61 durch einen ersten Ablenkungsgenerator 91, einen zweite Ablenkungsgenerator 92 und einen Ablenkungswähler 93 ersetzt ist Getrennte Winkel- und Ursprungs-Schaltnetzwerke 94 sind für jeden Ablenkungsgenerator vorgesehen. Andere Bezugszeichen der F i g. 9, welehe nicht erläutert sind, gehen aus F i g. 5 hervor.

Die F i g. 10 zeigt eine Alternativbetriebsart der Vorrichtung gemäß der Erfindung, die einen abgeänderten Stromkreis der F i g. 9 verwendet Bei dieser alternativen Betriebsart ermöglicht das Vorhandensein eines zweiten Ablenkungsgenerators, einen Impuls 5 durch das Kcpplungsmedium im wesentlichen zur gleichen Zeit zu übertragen, zu der die Darstellung der Echos vom Impuls 1 ausgeführt wird, wobei der erste Ablenkungsgenerator verwendet wird.So kann die Darstellung der Echos vom Impuls 5 fast unmmittelbar nach Vervollständigung der Darstellung der Echos vom Impuls 1 durchgeführt werden. Zu im wesentlichen gleicher Zeit kann der Impuls 2 durch das Kopplungsmedium übertragen werden, wobei der erste Ablenkungsgenerator verwendet wird. Fig. 10 zeigt, daß durch die Verwendung dieser Betriebsart eine Darstellungszeit erreicht werden kann, die der insgesamt verfügbaren Zeit näher kommt.

Aus der vorhergehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Erfindung eine schnellere und vollständigere Abtastung eines Gegenstandes ermöglicht, der der Ultraschallprüfung unterworfen wird.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Objektes (17) mit

— einem mit einem flüssigen Kopplungsmedium gefüllten Gehäuse (19), das aus einem festen Boden, festen Seitenwänden und einer festen, im wesentlichen horizontal angeordneten oberen Deckfläche mit einer eingeformten Öffnung besteht, und

— in diesem Gehäuse (19) eingeschlossenen Ultraschall-Wandlereinheiten,