DE2508478C2

DE2508478C2 -

Info

Publication number: DE2508478C2
Application number: DE2508478A
Authority: DE
Inventors: Michel Joseph Paris Fr Auphan
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-03-01
Filing date: 1975-02-27
Publication date: 1988-08-11
Also published as: FR2262803B1; FR2262803A1; JPS6027533B2; NL168133B; AU500792B2; GB1503532A; DE2508478A1; AU7867975A; JPS50125588A; BE826095A; NL168133C; ES442506A1; SE7502124L; NL7502201A; IT1030230B; SE415297B; JPS5861741A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbe griff des Hauptanspruches und auf eine Anordnung zum Durchführen dieses Verfahrens. Sie läßt sich insbesondere anwenden bei einem Ultraschall-Tomographieapparat, der das Meßresultat gegebenenfalls gleichzeitig zur Verfügung stellt.

Es ist bekannt, daß ein orientierbarer Ultraschallstrahl durch eine Reihe von Sendern ausgestrahlt werden kann, die bei spielsweise durch piezoelektrische Streifen gebildet werden, die praktisch aneinander grenzen. Damit der Strahl die ge wünschte Orientation erhält, wird auf die relative Phasen verschiebung der elektrischen Signale, mit denen jeder Sende wandler erregt wird, ein bestimmter Einfluß ausgeübt. Dies ist beispielsweise in dem Artikel von J. C. Somer: "Electronic Sactor Scanning for Ultrasonic Diagnosis" in der Zeitschrift "ULTRASONICS", Heft 6, Seiten 153 bis 159 (Juli 1968) und ebenfalls im Artikel desselben Autors und mit dem Titel "Instantaneous and Continuous Pictures Obtained by a New Two- Dimensional scan Technique with a Stationary Transducer" in der Zeitschrift "PROCEEDINGS IN ECHO-ENCEPHALOGRAPHY", infolge des Symposium International d'echo-Ec´phalographie", das in Erlangen (Bundesrepublik Deutschland) am 14. und 15. April 1967 gehalten wurde, beschrieben.

Weiterhin ist aus der DE-OS 22 15 001 eine Vorrichtung mit drei parallelen, also nichtfluchtenden Reihen von Ultra schallwandlern bekannt, wobei die Strahlungsachsen der drei Reihen festliegen. Eine elektronische Schwenkung des Ultraschallstrahlenbündels ist damit nicht möglich.

Darüber hinaus ist aus der DE-OS 15 66 128 eine Vorrichtung zum Untersuchen innerer Körperteile durch Ultraschallwellen bekannt, bei der die einzelnen Schallgeber nacheinander erregt werden. Nach jedem von einem der Schallgeber ausge sandten Ultraschallimpuls werden die Echosignale von einen oder mehreren der Empfänger empfangen, wonach ein anderer Schallgeber erregt und die dabei erzeugten Echos wiederum gemessen werden usw. Eine aufeinanderfolgende Erregung der Schallgeber in der Weise, daß sie gemeinsam in einer elek tronisch steuerbaren Richtung einen Ultraschallstrahl aus senden, ist weder vorgesehen noch möglich.

Schließlich ist in der DE-OS 22 60 257 eine Ultraschall wandleranordnung beschrieben mit mehreren strahlenförmigen Armen, auf denen jeweils ein Sendewandler angebracht ist. Die Sendewandler sind dabei also auf einem Kreis angeordnet und strahlen die Ultraschallenergie nur in einem vorbe stimmten Winkel ab. Die bekannte Anordnung besitzt lediglich einen einzigen Ultraschallempfänger.

Weiterhin ist in der DE-OS 20 23 929 ein piezoelektrischer Ultraschallwandler beschrieben, bei dem nur ein einziges Ultraschallsendeelement vorhanden ist, das zusammen mit einem ihn umgebenen Ring von Empfangselementen in einem Träger zusammengebaut ist. Eine elektronische Steuerung der Ultraschallstrahlen ist weder vorgesehen noch möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, daß Echosignale unter schiedlicher Herkunft wiedergegeben werden können und be stimmte Beschränkungen beim Empfang entfallen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Maßnahmen gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine sehr schematische Darstellung der Fortpflanzung der Ultraschallstrahlen in einem erfindungsgemäßen Apparat und nach einem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 2 den Schaltplan des erfindungsgemäßen Untersuchungs apparates.

In Fig. 1 sind drei Sendestellen E ₁, E _i , E _n dargestellt, die einen Teil von n Sendestellen bilden, die über eine gerade Sende-/Empfangslinie LER, die einen Teil eines nicht dargestellten Meßkopfes bildet, verteilt sind. Jede der n Sendestellen stellt die Mitte einer Gruppe von m in Reihe angeordneten Ultraschall-Sende-Empfangswandlern dar, die sich in Richtung der Geraden LER erstreckt. Der Meßkopf enthält also n Gruppen zu je m Wandlern. Die Gerade LER, die diese Stellen verbindet, begrenzt ein Analysenfeld, in dem sich der Schnitt durch einen zu analysierenden Körper C befindet.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt, wie bereits oben stehend erwähnt, die nachfolgenden Stadien:

1. das nacheinander erfolgende Erregen der Sendestellen ausgehend von der Stelle E ₁ bis einschließlich zur Stelle E _n , damit auf diese Weise von jeder Sendestelle Ultraschallstrahlen in verschiedene Senderichtungen ausgestrahlt werden. Das Analysefeld wird dabei durch die Strahlen in ver schiedenen Richtungen durchkreuzt, wie in der Figur angegeben. Für jeden Strahl in einer bestimmten Richtung wird eine Reihe von Ultraschallimpulsen ausgesendet.
2. das für jede auf diese Weise ausgestrahlte Ultraschall impulsreihe nacheinander erfolgende Schalten der Wandler auf Empfang, die von der jeweiligen Sendestelle ausgehend denjenigen Teil des Analysefeldes begrenzen, in dem die durch die jeweilige Senderichtung definierte Gerade liegt. So werden beispielsweise für die Senderichtung, die durch die Gerade f ₁ dargestellt wird, nacheinander die Empfänger bei den Sendestellen E ₁ . . . E _n auf Empfang geschaltet, während für die durch die gerade Linie f _i dargestellte Sende richtung nacheinander die Wandler E _i . . . E ₁ auf Empfang geschaltet werden.

Bei Betrachtung der Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Geraden f ₁ und f _i an ihrem Schnittpunkt auf eine Trennfläche SS treffen, die einen Teil des zu untersuchenden Körpers bildet, der durch die Kurve C dargestellt wird. Diese Trennfläche verursacht die Reflexion von Ultraschallstrahlen, zu denen u. a. auch ein Strahl gehört, der durch die Gerade f _r im Falle einer Ausstrahlung von den Stellen E ₁ oder E _i dargestellt wird. Um ein durch Reflexion an einer Trennfläche, wie der Fläche SS, erzeugtes, in Richtung der Senkrechten auf der Geraden LER verlaufendes Echosignal, z. B. f _r , nachzuweisen, kann man die durch diese Senkrechte geschnittenen Wandler als Empfänger schalten und die von diesen Wandlern gelieferten elektrischen Signale ohne Phasenverschiebung addieren und dies im Zeitpunkt t, der durch die Formel

x = v t cos α/(l + sin α)

bestimmt wird, in der:

- x der Abstand zwischen den auf Empfang geschalteten Wandlern und der Sendestelle des Strahlers ist, der das Echosignal verursacht hat,
- v die Geschwindigkeit der Ultraschallschwingungen im be treffenden Mittel ist,
- α das Komplement des Winkels zwischen dem ausgesendeten Strahl und der Senkrechten auf der Reihe von Wandlern ist, die als Sender dienen, α ist also der Winkel, den der ausge sendete Strahl mit der Sende-/Empfangslinie LER einschließt.

Wenn auf diese Weise nach jedem Sendeimpuls nacheinander Gruppen von Wandlern mit einer Geschwindigkeit

auf Empfang geschaltet werden, werden die Echosignale empfangen, die an jeder beliebigen Trennfläche gebildet werden, an denen der Sendestrahl die Senkrechten auf jeder der Reihen von Wandlern schneidet.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Anordnung. In Fig. 2 sind vier der n Gruppen von Wandlern dargestellt, und zwar die Reihen ER ₁, ER ₂ . . . ER _n-1, ER _n ; der erste und der letzte der m Wandler in jeder Reihe sind dargestellt. Fig. 2 zeigt eine Elektronenstrahlröhre TC zum Wiedergeben der detektierten Trennflächen in der Ebene des Analysefeldes; von dieser Röhre sind die Wehnelt-Elektrode W und die Ablenksysteme für die X- und die Y-Richtungen dargestellt.

Weiter enthält die Anordnung:

- einen Synchronimpulsgeber (Taktimpulsgeber) H, der am Anfang jeder Abtastung einen Impuls liefert,
- eine Steueranordnung B, die vom Taktimpulsgeber H synchroni siert wird. Das Programm der Steueranordnung umfaßt n Stadien entsprechend der Anzahl der Sendestellen (es sei darauf hingewiesen, daß diese Sendestellen nacheinander selektiert werden). Jede Sendestelle ist durch eine Adresse ad gekenn zeichnet, die von der Steueranordnung B erzeugt wird. Diese letztere liefert also nacheinander die Adressen der Sende stellen ER ₁ bis einschließlich ER _n . Jeder Abschnitt des Programms enthält eine Zahl von Senderichtungen, die sich abhängig von der Adresse der gewählten Sendestelle ändert; bei Betrachtung der Fig. 1, die das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt, ist es ersichtlich, daß es nützlich sein kann, für beispielsweise die Sende stellen E ₁ und E _n nicht die gleiche Anzahl Senderichtungen wie für die Sendestelle E _i zu verwenden, wodurch im Grunde die Breite des Analysefeldes beschränkt wird. Jede Abtastung ist durch einen durch die Richtung α bestimmten Winkelwert "an" und durch eine Richtung s gekennzeichnet; diese beiden Informationen werden von der Steueranordnung B geliefert.
- einen Generator G, der Reihen von Ultraschallimpulsen liefert und vom Taktimpulsgenerator H synchronisiert wird,
- einen Phasenschieber D, der mit den Ausgängen des Generators G gekoppelt ist und (p + 1) Kombinationen liefert, die je m Signale umfassen (wobei m die Anzahl Wandler pro Sende stelle ist), ausgehend von der Kombination d0 (nichtphasen verschobene Signale, Senderichtung senkrecht zu der Geraden LER) bis zur Kombination dp (phasenverschobene Signale zum Senden eines Strahles, der mit der Senkrechten den maximal möglichen Winkel einschließt,
- eine Winkelselektionsschaltung DA, die mit den Ausgängen des Phasenschiebers D gekoppelt ist und eine der Kombi nationen wählt, die von diesem Phasenschieber abhängig von der von der Steueranordnung B gelieferten Information an geliefert werden,
- eine Richtungsselektionsschaltung DS, die mit dem Ausgang der Winkelselektionsschaltung DA gekoppelt ist und abhängig von der von der Steueranordnung B gelieferten Information s gegebenenfalls die Reihenfolge der Erregungen der Kombination, die durch die Winkelselektionsschaltung DA selektiert ist, umkehrt,
- n Sendeschalter, von denen in der Figur vier Stück darge stellt sind, und zwar die Schalter CE 1, CE 2, . . . CEn-1, CEn; jeweils einer dieser Schalter wird geschlossen (gesteuert durch die Adresseninformation ad, die von der Steueranordnung B geliefert wird) und überträgt auf diese Weise an die Reihe von Wandlern, der der betreffende Schalter zugeordnet ist, die Kombination der durch die Richtungsselektions schaltung DS gelieferten Signale,
- n*m Sende-/Empfangstrennanordnungen S ₁₁ . . . S _nm , d. h. m Trenn anordnungen pro Reihe bzw. eine Trennanordnung für jeden Wandler. Über die Trennanordnungen gehen einerseits die Sendesignale und andererseits die Empfangssignale, die ent sprechend der nachfolgenden Beschreibung weiter verarbeitet werden. Derartige Trennschaltungen sind bekannt; im wesent lichen sind sie beim Senden als Verstärker und beim Empfangen als Übertrager wirksam, ohne daß die Sendespannung das empfangene Signal beeinflussen kann,
- n*m UND-Tore P ₁₁ . . . P _nm , deren Ausgänge mit einem Verstärker A gekoppelt sind, der seinerseits mit der Wehnelt-Elektrode der Elektronenstrahlröhre TC gekoppelt ist, wobei der erste Eingang jedes Tores mit einer der n*m Sende-/Empfangstrenn anordnungen gekoppelt ist, während der zweite Eingang mit einem der n*m Ausgänge eines in zwei Richtungen arbeitenden Schieberegisters RD verbunden ist;
- das Schieberegister RD, das, wie aus dem obenstehenden hervorgeht, n*m Stellen enthält; dieses Register erhält:
- 1) die Information ad, die abhängig von der Adresse der Reihe von Sendewandlern die Ausgangslage des Schiebe registers bestimmt,
- 2) die Information s, die bestimmt, in welcher Richtung die Information im Register verschoben wird,
- 3) die Synchronsignale des Taktimpulsgenerators H, die die Verschiebung der Information im Register starten, und
- 4) Steuersignale zum Verschieben der Information, die von einer Schiebesteuerschaltung CP geliefert werden, die ihrerseits die Winkelinformation an erhält, wobei die Frequenz der genannten Steuersignale durch die bereits gegebene Formel: gegeben wird.

Die Schaltungsanordnung CP bildet also einen Impulsgenerator, dessen Frequenz abhängig von der Winkelinformation an und von einer Information geändert werden kann, die die Abmessung x darstellt, d. h. den Abstand zwischen der die Ausstrahlung be wirkenden Sendestelle einerseits und der jeweils auf Empfang ge schalteten Gruppe von Wandlern andererseits, die längs der Linie LER zeitlich fortschreitet. Die Grundlage der letzt genannten Information ist der feste Abstand zwischen zwei benachbarten Wandlern.

Schließlich enthalten die in Fig. 2 dargestellten Schaltungs anordnungen eine Recheneinheit C, die die Adresseninformation ad, die Richtungsinformation s und die Winkelinformation an erhält und die x- und y-Signale bildet, die an das Ablenksystem der Elektronenstrahlröhre TC geliefert werden.

Was die Selektion anbelangt, die bei Signalempfang durchge führt wird, ist bereits erwähnt, daß die Adresseninformation ad dem Schieberegister RD geliefert wird; am Anfang einer Abtastung führt diese Information zum Öffnen der UND-Tore, die mit den m Wandlern der aktivierten Sendestelle verbunden sind. Von dieser Anfangsgruppe an erfolgt die Verschiebung in der durch die Information s bestimmten Richtung mit einer Frequenz, die durch die Winkelinformation an bestimmt wird, indem die UND-Tore zu Gruppen von m Toren geöffnet werden, mit einer Verschiebung um nur ein Tor bei jedem von der Schaltungsan ordnung CP gelieferten Impulse. Da die von den Wandlern ge lieferten Signale empfangen und in Phase addiert werden, werden Echosignale empfangen, die senkrecht zur Mitte der auf diese Weise gebildeten und selektierten "Empfängergruppe" verlaufen.

Die Wehnelt-Elektrode der Elektronenstrahlröhre ist normaler weise gesperrt; diese Elektrode wird durch die Signale, die im Verstärker A verstärkt sind und von der durch Öffnung der UND-Tore selektierten Gruppe von Wandlern herrühren, entsperrt.

Claims

1. Verfahren zur Ultraschalluntersuchung eines Schnittes durch einen Körper, wobei ein Meßkopf mit mindestens einer Reihe von mit ihren Mittelpunkten auf einer Geraden (LER) angeordneten Ultraschall-Sende-Empfangswandlern verwendet wird, der bei Erregung der Wandler mit Sendeimpulsen Ultraschall-Strahlenbündel sendet, die eine gemeinsame Schnittebene durch den Körper bilden, wobei jedes Ultraschall bündel mit der in der Schnittebene liegenden Normalen auf der Reihe einen Winkel einschließt, der von den Phasenunter schieden zwischen den Impulsen, mit denen die jeweiligen Wandler der Reihe erregt werden, abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Reihe von Sende-Empfangs wandlern jeweils mehrere Male zeitlich nacheinander erregt wird und bei jeder Erregung in einer anderen Richtung ein paralleles Ultraschall-Strahlenbündel sendet, und daß nach jeder dieser Erregungen zeitlich nacheinander eine Anzahl als Empfänger geschalteter Wandler gruppenweise selektiert werden, und zwar ausgehend von der Reihe, die als Sender wirksam war und längs der Geraden (LER) fortschreitend in einer der Projektion der Fortpflanzungsrichtung des ausgesendeten Strahlenbündels auf die Reihe entsprechenden Richtung mit einer Geschwindigkeit x/t nach der Gleichung wobei

- x der Abstand zwischen dem geometrischen Mittelpunkt der Gruppe von im Zeitpunkt t selektierten Empfangswandlern und der Stelle ist, an der für t gleich Null der Ultraschall strahl ausgesendet wurde,
- α das Komplement des Winkels ist zwischen dem ausgesendeten Strahl und der Normalen auf der als Sender wirksam gewesenen Reihe von Wandlern,
- v die Ultraschallgeschwindigkeit im Medium zwischen dem Meßkopf und dem Körper ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fortschreiten in Schritten von jeweils einem Wandler erfolgt.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßkopf mit mindestens einer Reihe von mit ihren Mittelpunkten auf einer Geraden (LER) angeordneten Ultraschall-Sende-Empfangswandlern vor gesehen ist, der bei Erregung der Wandler mit Sendeimpulsen Ultraschall-Strahlenbündel sendet, die eine gemeinsame Schnittebene durch den Körper bilden, wobei jedes Ultra schall-Strahlenbündel mit der in der Schnittebene liegenden Normalen auf der Reihe einen Winkel einschließt, der von den Phasenunterschieden zwischen den Impulsen, mit denen die jeweiligen Wandler der Reihe erregt werden, abhängig ist, daß jede Reihe von Sende-Empfangswandlern jeweils mehrere Male zeit lich nacheinander erregt wird und bei jeder Erregung in einer anderen Richtung ein paralleles Ultraschall-Strahlenbündel sendet, und daß nach jeder dieser Erregungen zeitlich nach einander eine Anzahl als Empfänger geschalteter Wandler gruppenweise selektiert werden, und zwar ausgehend von der Reihe, die als Sender wirksam war und längs der Geraden (LER) fortschreitend in einer der Projektion der Fortpflanzungs richtung des ausgesendeten Strahlenbündels auf die Reihe entsprechenden Richtung mit einer Geschwindigkeit x/t nach der Gleichung wobei

- x der Abstand zwischen dem geometrischen Mittelpunkt der Gruppe von im Zeitpunkt t selektierten Empfangswandlern und Stelle ist, an der für t gleich Null der Ultra schallstrahl ausgesendet wurde,
- α das Komplement des Winkels ist zwischen dem ausge sendeten Strahl und der Normalen auf der als Sender wirk sam gewesenen Reihe von Wandlern,
- v die Ultraschallgeschwindigkeit im Medium zwischen dem Meßkopf und dem Körper ist.