DE2848880C2 - Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät - Google Patents

Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät

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Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschail-Echo-Sektorabtastgerät gemäß Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Gerät, das für die Untersuchung biologischer Gewebe Verwendung findet und bei dem die Sp1J1- des Kathodenstrahls auf dem Bildschirm der Anzeigeeinrichtung in jedem Augenblick eine mit derjenigen des Ultraschallstrahlenbündels in dem zu untersuchenden Objekt homothetische Position einnimmt, geht aus der nachveröffentlichten DE-OS 27 10 038 hervor.
Hiernach trifft das vom Übertrager ausgesandte Ultraschallstrahlenbündel auf einen oszillierenden Hohlspiegel auf, dessen Schwingungsachse zur Mittelsenkrechten der wirksamen Fläche des Übertragers senkrecht verläuft. Infolgedessen ist der jeweilige Winkel des in das Objekt hinein ausgesandten Strahlenbündels keine einfach zu verwertende, dem Auslenkwinkel des Spiegels unmittelbar proportionale Größe. Andererseits aber kann der Auslenkwinkel des Kathodenstrahls praktisch nur von eben diesem Spiegelauslenkwinkel abgeleitet werden. Auf diese Weise können Fehler in der homothetischen Anzeige entstehen, ganz abgesehen
davon, daß die von der Spiegelschwingung abgeleiteten Positionssignale eine verhältnismäßig komplizierte Umwandlung erfahren müssen. Des weiteren sind parasitäre Störungen davon zu erwarten, daß die Schwingungen dem Spiegel über ein Gestänge von außen her vermittelt werden, wozu es einer reibungsbehafteten Abdichtung bedarf, um die Ankoppelungsflüssigkeit am Austritt aus dem Gehäuse zu hindera
Die genannten Eigenschaften gelten in noch verstärktem Maße für ein Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät nach der DE-AS 24 14 777, bei dem ein eine Mehrzahl von Übertragern aufweisender und von außen her rotierend angetriebener Kopf zusammen mit einem starren Parabolspiegel in einem flüssigkeitserfüllten Gehäuse angeordnet ist Auch in diesem Fall bildet der Winkel des letztlich in das Objekt hinein ausgesandten Strahlenbündels keine einfach zu verwertende Funktion des Drehwinkels der Übertrager, und hinzu kommen noch parasitäre Störungen aufgrund der abgedichteten Wellendurchführung sowie vor allem der erforderlichen Schleifringübertragungen und Umschaltvorgänge. Soweit das Gehäuse dieser Ausführung durch einen weiteren Antrieb als Ganzes verschwenkt werden kann, geschieht dies lediglich zur Einstellung der Abtastebene, in welcher das Ultraschallstrahlenbündel oszilliert
Aus der US-PS 39 74 826 ist schließlich noch ein Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät bekannt, bei welchem der Übertrager selbst mechanische Kippschwingungen erfährt, wobei er aber im wesentlichen unmittelbar auf der Haut des Patienten aufliegt Die Kippschwingungen des Übertragers werden z. B. kontaktlos in Positionssignale umgewandelt, aus denen Ablenksignale für -ien Kathodenstrahl gewonnen werden. Diese Ausführung ist verhältnismäßig einfach, auch können parasitäre Störungen weitgehend vermieden werden, doch wird die Vibration des Übertragers, worauf die Veröffentlichung selbst hinweist, zuweilen als unangenehm empfunden. Für diesen Fall ist vorgesehen, zwischen Übertrager und Haut des Patienten eine Wasserkapsel zwischenzulegen. Eine solche jedoch bewirkt infolge Brechungserscheinungen Verschiebungen des Strahlenbündels, denen die Ablenkung des Kathodenstrahls in der Anzeigeeinrichtung nicht Rechnung zu tragen vermag, so daß es zu Verzerrungen der Anzeige kommt
Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät der im Gattungsbegriff zugrundegelegten Art so auszubilden, daß es bei vergleichsweise kompakter und billiger Bauweise besonders präzise und zuverlässig arbeitet
Diese Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst
Durch die besondere Ausbildung und Anordnung des oszillierenden Spiegels nach der Erfindung ist der Ablenkwinkel des Ultraschallstrahlenbündels unabhängig von den Brechungsverhältnissen jederzeit unmittelbar proportional dem Ablenkwinkel des Spiegels. Durch die Anordnung des kommutatorlosen Elektromotors zum Antrieb des Spiegels wie auch berührungslos arbeitender Meldeorgane für den Spiegelwinkel innerhalb der Ankoppelungsflüssigkeit kann der Spiegelwinkel störungsfrei und stetig variiert und angezeigt werden. Darüber hinaus entfallen kritische Übertragungs- und Abdichtungsorgane.
Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung an. Nachfolgend ist ein entsprechendes Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Hierbei zeigen F i g. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch den Abtastkopf des betreffenden Geräts,
F i g. 2 eine Vorderansicht des gleichen Abtastkopfes und
Fig.3 ein schematisiertes Schaltbild der elektronisehen Komponente des Geräts.
In den F i g. 1 und 2 erkennt man ein Gehäuse 1 von im wesentlichen prismatischer Form, das nach unten hin eine pyramidenstumpfförmige Verlängerung und auf einer Seite einen Vorsprung besitzt, der einen Motor
to beherbergt, wie nachfolgend noch beschrieben wird.
Die Seitenwände des Gehäuses 1 bestehen aus einem für Ultraschall praktisch undurchlässigen Material und sind darüber hinaus innenseitig vorzugsweise mit einem ultraschallabsorbierenden Material bedeckt Der Boden des Gehäuses wird von einer für Ultraschall durchlässigen Membran 2 gebildet, die zweckmäßigerweise aus einem Material besteht, welches im wesentlichen die gleiche akustische Impedanz wie das zu untersuchende Körpergewebe aufweist und dazu bestimmt ist, an die Haut des Patienten angelegt zu werden.
In einer Wand des Gehäuses 1 ist ein piezoelektrischer Übertrager 3 derart angeordnet, daß seine wirksame Fläche 31 mit einem Planspiegel 4 zusammenwirkt, der beispielsweise aus einer Metallscheibe besteht Der Übertrager 3 ist in dem Gehäuse durch eine Dichtung 32 abgedichtet
Der Spiegel 4 ist über eine horizontale Welle 41 in Drehschwingungen versetzbar derart, daß das von dem Spiegel ausgehende Ultraschallstrahlenbündel einen gewissen Winkelbereich innerhalb einer vertikalen Symmetrieebene der F i g. 1 und parallel zu derjenigen der F i g. 2 durchläuft
Der erwähnte Motor 5, befindet sich unmittelbar auf der Welle 41 innerhalb einer in dem Gehäuse 1 enthaltenen Ankoppelungsflüssigkeit Es handelt sich um einen kommutatorlosen Motor, vorzugsweise in Gestalt eines Drehmomentantriebs. Damit erreicht man ein leichtes und kompaktes, dazu aber noch besonders einfaches und zuverlässiges Schwingungssystem mit keinerlei mechanischen Kontakten, die zu Kontaktunregelmässigkeiten und damit zu parasitären Drehmomenten Anlaß geben könnten.
In Fig.3 erkennt man einen Impulsgenerator 6 zur Erzeugung aufeinanderfolgender elektrischer Impulse, die einen Hochfrequenzgenerator 7 steuern. Dieser beaufschlagt auf gewohnte Weise den Übertrager 3. Die von diesem Übertrager aufgenommenen Echoimpulse teilen sich einem Empfänger 8 mit, dessen Ausgang mit der Steuerelektrode der Kathodenstrahlröhre 9 verbunden ist
Wie aus den F i g. 1 und 2 gleichfalls ersichtlich, bringt die Welle 41 des weiteren über eine Abkröpfung 42 ein reflektierendes Organ in Gestalt eines Metallblättchens 43 zum Schwingen. Auf dieses Metallblättchen trifft ein horizontales Ultraschallstrahlenbündel aus einem zweiten Übertrager (HilfsÜbertrager) 44 auf, der fest an einer vertikalen Wand des den Motor 5 aufnehmenden Gehäusevorsprungs angebracht ist Das Zeitintervall zwischen einem ausgesandten Ultraschaüi.Tipuls und dem empfangenen Echoimpuls entspricht bis auf eine Konstante dem Wert sin i, wobei / der Winkel des von dem Spiegel 4 ausgehenden Ultraschallstrahlenbündels gegenüber der Vertikalen ist (F i g. 2).
Der Übertrager 44 wird von dem Impulsgenerator 6
b5 über einen Verstärker 10 angesteuert. Die von dem Metallbiättchen 43 stammenden Echoimpulse werden über einen Verstärker 11 einer Kippschaltung 12 zugeführt, die einen mit dem Impulsgenerator 6 verbundenen
Rückstelleingang besitzt. Infolgedessen liefert die Kippschaltung 12 ein Signal aus Rechteckimpulsen, deren Vorderflanke mit den ausgesandten Ultraschallimpulsen und deren Hinterflanke mit den von dem Metallblättchen 43 stammenden Echoimpulsen zusammenfällt. Somit ist die Breite der Rechteckimpulse proportional dem Wert sin λ
Das Rechteckimpulssignal gelangt an ein Gatter 13, an dessen zweitem Eingang Taktimpulse eines Taktgenerators 14 eintreffen. Damit werden diese Taktimpulse während der Dauer der Rechteckimpulse einem Zähler 15 zugeleitet, der auf diese Weise einen numerischen Wert entsprechend dem Wert sin ;' angibt. Ein Digital-Analog-Umsetzer 16 verwandelt diesen numerischen Wert in eine veränderliche Gleichspannung, mit weicher sowohl der Motor 5 als auch die Strahlablenkung der Kathodenstrahlröhre 9 gesteuert wird, wie nachfolgend nun genauer geschildert wird.
Ein Generator 17 liefert ein aus Sägezahnimpulsen mit einer beispielsweise zwischen 5 und 10 Hz variablen Frequenz bestehendes Spannungssignal. Mit dem Generator 17 sind zwei Potentiometer, 171 und 172, verbunden, über die sich die Amplitude bzw. die Gleichspannungskomponente des Sägezahnsignals einstellen läßt. Dieses Signal beaufschlagt einen Differenzverstärker 18, dessen zweiter Eingang das Spannungssignal vom Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers 16 empfängt. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 18 steuert die Rotationsfrequenz des Motors 5. Eine derartige, an sich bekannte Motorsteuerung bestimmt die Winkelposition des Spiegels 4 in jedem Augenblick. Damit kann die Schwingungsfrequenz des Spiegels zwischen 5 und 10 Hz variiert werden, während die Amplitude des Sägezahnsignals aus dem Generator 17 den öffnungswinkel des von dem Ultraschallstrahlenbündel überstrichenen Winkelsektors und die Gleichspannungskomponente die Orientierung der Achse des Strahlenbündels gegenüber der Bezugsebene bestimmt
Die Steuerschaltung für die Strahlenablenkung der Kathodenstrahlröhre enthält einen programmierbaren Festspeicher 19 in Verbindung mit dem Zähler 15, der so gesteuert wird, daß er an seinen Ausgängen 191 und 192 den Wert cos /bzw. l/cos /liefert.
Die numerischen Werte von sin / und cos ; werden über den Integrator 20 bzw. 21 den vertikalen bzw. horizontalen Ablenkplatten X bzw. Y der Kathodenstrahlröhre 9 zugeführt Die beiden Integratoren liefern Spannungen vom Wert Ci t sin / bzw. CIt cos i, wodurch der Kathodenstrahl der Röhre in jedem Augenblick eine mit derjenigen des in die Ankoppelungsflüssigkeit innerhalb des Gehäuses 1 und weiter in das zu untersuchende Objekt ausgesandten Ultraschallstrahlenbündels homothetische Position einnimmt Das setzt freilich voraus, daß beim Übertritt von der Ankoppelungsflüssigkeit in das Objekt keine Brechung eintritt, was dann der Fall ist, wenn die Ankoppelungsflüssigkeit Wasser ist, da in diesem die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls im wesentlichen die gleiche ist wie in Körpergeweben.
Der Ausgang 192 des Speichers 19 steht mit dem einen Eingang eines Vergleichers 22 in Verbindung, dessen Ausgangssignal ein Gatter 23 steuert Der andere Eingang des Vergleichers empfängt Taktsignale von einem Taktgenerator 24 über einen Zähler 25. Damit liefert das Gatter 23 unter Steuerung durch den Vergleicher 22 die von dem Empfänger 8 aufgenommenen Echoimpulse an die Steuerelektrode der Kathodenstrahlröhre 9.
Das Gatter 23 gibt die von dem Empfänger 8 aufgenommenen Echoimpulse nur dann an die Kathodenstrahlröhre 9 weiter, wenn der Taktgenerator 24, der selbst von dem Impulsgenerator 6 gesteuert wird, eine dem Wert l/cos / entsprechende Impulszahl geliefert hat. Die Frequenz des Taktgenerators 24 wird entsprechend dem Wert d/c eingestellt, wobei d der Weg ist, den die ausgesandten Ultraschallimpulse bis zum Errcichen der Membran 2 (Fig. 1) durchlaufen müssen, wenn sie einer dazu lotrechten Bahn folgen, und c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls. Damit erfolgt die Aufsteuerung des Gatters 23 am Ende eines Zeitraumes von der Größe d/c cos i, d. h. in dem Augenblick, wo ein Impuls die Membran erreicht. Auf diese Weise wird die Wiedergabe von parasitären F.choimpulsen unterbunden, wie sie auf Grund von Reflexionen der ausgesandten Ultraschallimpulse im Inneren des Gehäuses 1 auftreten können. I. ü. kann man die Anordnung so betreiben, daß der vom Vergleicher stammende Impuls die Membran auf den Bildschirm in Erscheinung treten läßt
Die beschriebene numerische Steuerung der ablenkung ist besonders einfach und vorteilhaft, weshalb sie eine bevorzugte Ausführung bildet
Auch die hier beschriebenen und dargestellten Meldeorgane für die Winkelposition des Spiegels aus einem zweiten Übertrager und zusätzlichen Reflexionsorgan bilden nur eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, obgleich sie besonders vorteilhaft erscheint Sie kann durchaus durch an sich bekannte andere berührungslos arbeitende Anordnungen ersetzt werden, beispielsweise solche, die mit einer Kapazitätsänderung arbeiten.
Ist das Gerät etwa für die Anwendung in der Geburtshilfe vorgesehen, wo man in der Nähe der Membran liegende Objekte zu untersuchen hat, so ist es wichtig, daß der von dem Ultraschallstrahlenbündel durchmessene Sektor trapezförmig und damit die Strecke d nicht sehr klein ist In diesem Fall soll die Laufzeit des Ultraschalls in dem Gehäuse 1 zumindest gleich der Laufzeit in dem zu untersuchenden Objekt sein, d. h. d mindestens etwa 20 cm betragen. Dann nämlich tritt der zweite von der Membran stammende Echoimpuls erst nach dem von der Reflexion im Inneren des untersuchten Objekts stammenden Nutzsignal auf, wodurch er nicht stört Stellt man fest, daß durch Reflexion an den Seitenwänden des Gehäuses ein kleiner Anteil des zunächst an der Membran reflektierten Ultraschalls auf den Spiegel gelangt, so hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die betreffenden Seitenwände mit einem ultraschallabsorbieren-
Für die Anwendung in der Kardiologie ist ein etwa dreieckiger Sektor für die Untersuchung von Interesse, um die Passage des Strahlenbündels zwischen den Seiten zu erleichtern, ebenso wie man die Membran nur wenige Zentimeter von dem Reflexionspunkt auf dem Spiegel entfernt anordnet. In diesem Falle können sich die von den aufeinanderfolgenden Reflexionen an der Membran stammenden Echos dem Nutzsignal überlagern, weshalb man bestrebt sein sollte, ihre Amplitude zu verringern. Dies läßt sich durch Verwendung einer ultraschallabsorbierenden Ankoppelungsflüssigkeit und einer Membran erreichen, deren akustische Impedanz sehr nahe bei derjenigen der beiden anschließenden Medien liegt
In der Praxis hat sich Wasser unter Zusatz von Zelluloseverbindungen als geeignet erwiesen, wodurch sich
der Absorptionskoeffizient ohne wesentliche Änderung der akustischen Impedanz und der Ultraschall-Fortpflanzungsgeschwindigkeit beträchtlich ändern läßt. Die Membran kann aus Polyäthylen oder Polyuräthan bestehen.
Mit diesen Maßnahmen läßt sich dasVerhältnis Nutz/ Störsignale ohne wesentliche Empfindlichkeitseinbuße beträchtlich verbessern, vorausgesetzt, daß ein geeig-
neter Absorptionskoeffizient gewählt wird.
Die Erfindung ermöglicht eine sehr kompakte Ausführung des Geräts mit einer Gehäusetiefe von beispielsweise nur 3 bis 4 cm. Auch läßt sich der öffnungswinkel des untersuchten Bereiches reduzieren, was insbesondere für Untersuchungen des Auges, der Schilddrüse und ähnlicher Organe von Interesse ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät mit einem eine Ankoppelungsflüssigkeit enthaltenden, durch eine ultraschalldurchlässige Membran abgeschlossenen Gehäuse, einem innerhalb des Gehäuses fest angeordneten Übertrager zur gebündelten Aussendung und zum Empfang von Ultraschallimpulsen derart, daß seine wirksame Fläche im Mittel senkrecht zu der Membran verläuft, einem innerhalb des Gehäuses angeordneten, um eine im Mittel parallel zu der Membran verlaufende gehäusefeste Achse schwingend angetriebenen Spiegel, einer Kathodenstrahl-Anzeigeeinrichtung für die von dem Übertrager aufgenommenen Ultraachaü-Echoimpulse und einer elektronischen Steuerschaltung für eine homothetische Ablenkung des ausgesandten UltraschallstrahJenbündels und des Kathodenstrahls der Anzeigeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spiegel ein um die Mittelsenkrechte der wirksamen Fläche (31) des Übertragers (3) schwingender, gegenüber dieser Mittelsenkrechten ständig um 45° geneigter Planspiegel (4) ist,
daß der Spiegel (4) unmittelbar durch einen im Gehäuse (1) innerhalb der Ankoppelungsflüssigkeit befindlichen kommutatorlosen Elektromotor (5) angetrieben ist und
daß die Steuerschaltung (6, 10 - 25, 171, 172) im Gehäuse innerhalb der Ankoppelungsflüssigkeit befindliche Organe (43,44) zur berührungslosen Erzeugung eines für die jeweilige Winkelposition des Spiegels (4) bezeichnenden elektrischen Signals aufweist
2. Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Organe (43, 44) zur Erzeugung des für die Winkelposition des Spiegels (4) bezeichnenden Signals aus einem weiteren, exzentrisch zu dessen Drehachse (Welle 41) mit dem Spiegel (4) starr verbundenen, ultraschallreflektierenden Organ (43) und einem darauf gerichteten weiteren feststehenden Übertrager (44) zum Aussenden und Empfangen periodischer Ultraschallimpulse bestehen.
3. Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (6, 10 — 25, 171, 172) zur Steuerung des Motors (5) des weiteren Schaltmittel (15 — 18) zur Erzeugung von Spannungssignalen entsprechend der Laufzeit der Ultraschallimpulse zwischen dem reflektierenden Organ (43) und dem darauf gerichteten Übertrager (44) enthält.
4. Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (15 — 18) einen Generator (17) für ein sägezahnförmiges Bezugssignal mit Schaltmitteln (z. B. 171, 172) zur Einsteilung der Frequenz, der Amplitude und der Gleichspannungskomponente desselben sowie einen Vergleicher (18) enthalten, der das sägezahnförmige Bezugssignal mit einem aus dem die Winkelposition des Spiegels (4) darstellenden Signal erhaltenen Signal vergleicht.
5. Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (6, 10 — 25, 171, 172) für die Ablenkung des Kathodenstrahls Schaltmittel (6, 10 — 15) zur Erzeugung von dem Sinns und dem Cosinus eines der Winkelposition des Spiegels (4) entsprechenden Winkels proportionalen numerischen Werten sowie eine mit den Ablenkmitteln (X, Y) für die horizomale bzw. vertikale Ablenkung des Kathodenstrahls verbundene Integrationseinrichtung (20,21) für diese numerischen Werte aufweist
6. Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (6,10 — 15) zur Erzeugung der numerischen Werte des weiteren einen numerischen Wert erzeugen, der dem Cosinus des Spiegelwinkels umgekehrt proportional ist, daß dieser Wert einem Vergleicher (22) zugeführt wird zusammen mit Taktimpulsen, die jedesmal dann auftreten, wenn ein Ultraschalümpuls den Übertrager (3) verläßt, und deren Periode proportional dem Quotienten der Entfernung (d) zwischen Spiegel (4) und Membran (2) einerseits und der Ultraschall-Fortpflanzungsgeschwindigkeit (c) in der Ankoppelungsflüssigkeit andererseits ist, und daß das Ausgangssignal des Vergleichers (22) die Aufzeichnung auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre (9) steuert
7. Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) und die Ankoppelungsflüssigkeit angenähert die gleiche akustische Impedanz aufweisen wie das zu untersuchende Objekt
8. Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände des Gehäuses (1) ultraschallabsorbierend sind.
9. Ultraschall-Echo-Sektorabtastgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg des Ultraschallstrahlenbündels in dem Gehäuse (1) in der Größenordnung von wenigen Zentimetern liegt und daß eine ultraschallabsorbierende Ankoppelungsflüssigkeit, vorzugsweise Wasser unter Zusatz von Zelluloseverbindungen, Verwendung findet.
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