DE2329387C2 - Verfahren zur Ultraschall-Untersuchung eines Objektes sowie Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Ultraschall-Untersuchung eines Objektes sowie Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens

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DE2329387C2 DE2329387A DE2329387A DE2329387C2 DE 2329387 C2 DE2329387 C2 DE 2329387C2 DE 2329387 A DE2329387 A DE 2329387A DE 2329387 A DE2329387 A DE 2329387A DE 2329387 C2 DE2329387 C2 DE 2329387C2
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Description

dadurch gekennzeichnet,
20
— daß von jedem Schallkopf der Ultraschaii-Anordnung gebündelte Ultraschall-Impulse in nur einer Ausbreitungsrichtung erzeugt und empfangen werden,
— daß die Ausbreitungsrichtung jedes gebündelten Ultraschallimpulses innerhalb eines dem jeweiligen Schallkopf zugeordneten ebenen Abtastbereiches variiert wird und
— daß die einzelnen Schallköpfe in zeitlicher Folge aufeinander aktiviert werden und während zeitlich üateinanderfolgender Aktivierungen jedes Schallkopfes /}ie Auf.^reitungsrichtung des von diesem Schallkopf ausgesendeten und empfangenen, gebündelten Ulf *schallimpulses gedreht wird, wobei die Winkelgeschwindigkeit
UCl LSlGlIUtIg IVlCIlI 131 1111 TCl glClt.il £.U1 J-IIl^aIIl
der Aktivierungen der SchaUköpfe pro Zeiteinheit.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Ultraschall-Untersuchung eines Objekts nach Anspruch 1 mit
— mehreren räumlich voneinander getrennt in einer Ebene angeordneten Schallköpfen (11, 12, 13;31,32,33),
die auf einem Bogen liegend um das Objekt angeordnet sind,
wobei jeder der Schallköpfe Ultraschall-Impulse in dieser Ebene entlang einer Vielzahl von Ausbreitungsrichtungen in das Objekt sendet und empfängt und
— einer Steueranlage zur zeitprogrammierten Sende- und Empfangsschaltung der einzelnen SchaUköpfe,
31, 32, 33) zeitlich aufeinanderfolgend in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit der Ausbreitungsrichtung der Ultraschall-Impulse aktiviert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
— daß jeder der SchaUköpfe als Mehrelement-Schallkopf ausgebildet ist und
— daß zur Festlegung der Ultraschallimpulse-Abstrahl- bzw. Empfangsrichtung die relativen Phasen der Ansteuerungsimpulssignale der einzelnen Elemente des Mehrelement-Schallkopfes mittels einer elektronischen Steueranlage gesteuert sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
— daß jeder Schallkopf einen Ultraschall-Wandler aufweist, welcher gebündelte Ultraschall-Impulse in einer Ausbreitungsrichtung abstrahlt und aus dieser Richtung empfängt und
— daß eine mechanische Steueranlage die Schallköpfe zu oszillatorischen Drehbewegungen um eine Achse anregt.
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dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Schallkopf jeweils einen gebündelten Ultraschall-Impuls in einer Ausbreitungsrich- eo tung abstrahlt und auch aus dieser Richtung empfängt,
daß die Steueranlage die Ausbreitungsrichtung der Ultraschall-Impulse eines jeden Schallkopfes innerhalb eines jeden Schallkopf zugeordneten Abtastbereiches steuert und
daß eine Aktivierungs-Anlage vorgesehen ist, die wiederholt jeden der SchaUköpfe (11,12,13; Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ultraschall-Untersuchung eines Objektes entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der Zeitschrift »Ultrasonics«, July 1968, Seiten ■53—159 ist eine Einrichtung zur Ultraschallprüfung eines Objektes bekannt, die eine Mehrzahl von Wandlern enthält, wobei jeder Wandler in der Lage ist, Impulse von Ultraschallenergie entlang eines Strahles in das Objekt zu richten und Echos zu empfangen, die entlang dieses Strahles durch akustische Unstetigkeiten im Objekt reflektiert werden. Die Wandler sind in gewissen Abständen vom Objekt angeordnet und ermöglichen es, den Strahl jedes Wandlers in eine Vielzahl von Winkelrichtungerc in jeweils einer einzigen Ebene einzusteuern. Eine Weiterentwicklung ist in der Richtung erstrebenswert, daß von räumlichen Gebilden im menschlichen Körper, wie z. B. Gehirn, Herz, Niere, Leber, Gebärmutter u. ähnl. mit noch geringerem Zeitaufwand aussagekräftigere, insbesondere verzerrungsfreie Bilder erhalten werden.
Ein Ultraschall-Prüfverfahren und eine -Prüfvorrichtung zur Feststellung von Fehlerstellen in einem Werkstück durch Abtastung mittels Ultraschallenergie ist in DE-AS 18 11 873 beschrieben. Dabei handelt es sich um die Anordnung einer Vielzahl von kleinen Wandlerelementen auf einem Kreis, wobei durch sukzessive, gegeneinander zeitlich verzögerte Erregung bestimmter Elementgruppen der Brennpunkt des Prüfstrahles auf einem Kreisbogen entlang der Oberfläche eines Rohres geführt wird. Dadurch wird dessen Umfang abgetastet, wobei der mittlere Einfallswinkel des Strahles konstant bleibt, wenn die Erregungsfolge innerhalb jeder Gruppe von vier Wandlerelementen konstant gehalten wird. Dadurch ist vorteilhafterweise gewährleistet, daß eine maximal mögliche Energie in die Wandung des Rohres übertragen werden kann. Mit diesem Verfahren wird eine größere Anpassungsfähigkeit an die Form des zu
3 4
überprüfenden Werkstückes erzielt Grundsätzlich wird bzw. Luft Im allgemeinen wird die Technik als Ergän-
jedoch bei diesem herkömmlichen Prüfverfahren bzw. zung anderer Techniken in Betracht gezogen, um tin
bei der -vorrichtung durch die auf einen Brennpunkt vollständigeres Bild des Zustandes des Patienten zu er-
gerichtete Ausbreitung verschiedener Ultraschallstrah- halten. Insbesondere ist die Ultraschall-Echoskopie
len eine punktweise Abtastung hervorgerufen. Die 5 nützlich bei Schwangerschaft anstelle von Röntgen-
Brennpunktverschiebung erfolgt durch eine jeweils un- strahlen, wo diese keine genügende Information geben
terschiedliche, zeitlich definiert verzögerte Erregung oder schädlich sein können. Bei medizinischer Anwen-
von sich ändernden Wandlerelementgruppen. Um eine dung wird ein Impuls von Ultraschallenergie in den Pa-
befriedigende Auflösung und eine lückenlose Abtastung tienten in einer bekannten Richtung übertragen, und es
des gesamten Prüfobjektes zu erreichen, ist eine ver- io werden Echos von reflektierenden Flächen innerhalb
hältnismäßig große Anzahl von Ultraschall-Wandlern des Körpers empfangen. Der zeitliche Abstand zwi-
notwendig, die zudem rings um das Objekt angeordnet sehen dem übertragenen Impuls und dem empfangenen
sind. Echo hängt ab von dem Abstand des Übertragers zur
Ganz allgemein liefert die Ultraschall-Echoskopie In- reflektierenden Fläche. Die so erhaltene Abstandsinfor-
formationen über ein Prüfobjekt in Form eines Ultra- 15 mation kann auf geeignete Weise für Deutung und klini-
schall-Echogramms. Ein solches Echogramm ist eine sehen Gebrauch verwendet werden als eindimensionale
Darstellung akustischer Widerstandsunstetigkeiten Ablesung eines Bereiches oder als zweidimensionaler
oder reflektierender Flächen im Objekt Es wird da- Querschnitt wie oben beschrieben,
durch erhalten, daß man kurze Impulse von Ultraschall- In eine? bisher bekannten Form der Ultraschall-Dia-
energie, zweckmäßigerweise im Bereich zwischen 1 und 20 gnostik wird ein einziger Wandler verwendet und wird
30 MHZ, in das Prüfobjekt richtet physisch in verschiedene Stellungen um den Patienten
Hierbei wird jede akustische Widerstandsunstetigkeit herum bewegt In jeder dieser Stellungen wird dem
im Objekt reflektiert und es kehrt ein Teil der eingelei- Strahl eine oszillierende Bewegung aufgezwungen, wo-
teten Energie in der Form eines Echos zurück. Dieses bei er veranlaßt wird, in einer einzelnen Ebene zu blei-
Echo wird empfangen, in ein elektrisches Signal umge- 25 ben un j zwar durch eine mechanische Schwingung des
wandelt und als Echogramm auf einem Kathodenstrahl- Übertragers, um das gewünschte Abtastbild zu erhalten.
Oszilloskop, einem Film, einer Karte o. dgL dargestellt Bei Verwendung der einzelnen Ablenkungskreise, bei-
Das Echogramm kann entweder eine eindimensionale spielsweise in einer Kathodenstrahlröhre, wird eine Li- oder eine zweidimensionale Darstellung bilden. In bei- nie veranlaßt, den Bewegungen der Strahkchse zu folden Fällen ist die Information in der Stellung und Größe 30 gen. Echos innerhalb des untersuchten Teiles werden des dargestellten Echos enthalten. Bei der eindimensio- infolgedessen in ihrer korrekten geometrischen Stellung nalen Darstellung wird die Stellung entlang einer Basis- dargestellt Beispielsweise kann für einen Querschnitt linie zur Anzeige des Abstandes der reflektierenden Flä- der Übertrager horizontal in einem Bogen von 150° um ehe verwendet, während die Größe des Echos beispiels- den Patienten bewegt werden, der im wesentlichen aufweise als Ablenkung der Basislinie oder als Intensitäts- 35 recht steht, während er Schwingungen von ± 15° unteränderung dargestellt wird Bei der zweidimensionalen worfen ist Für Längsschnitte kann der Wandler vertikal Darstellung wird die Stellung entlang einer Grundlinie bewegt werden, wobei er Schwingungen von ±30° unbenutzt, um den Abstand zur reflektierenden Fläche wie terliegt
bei der eindimensionalen Darstellung anzuzeigen, und Es hat sich jedoch ergeben, daß in diesen Systemen, in
die Richtung der Basislinie wird verwendet, um die 40 deren der Wandler physisch um den Patienten herum
Richtung der Ausbreitung der akustischen Energie zu bewegt wird, diese Bewegung zu einer Begrenzung der
repräsentieren. Die zweidimensionale Darstellung wird Untersuchungszeit zwischen 10 und 20 Sekunden für je-
dadurch erhalten, daß man die Richtung der Ausbrei- den Querschnitt führt und zwar wegen der mechani-
lung der akustischen Energie ändert und eine ähnliche, sehen Trägheit. In Fällen, in denen der Wandler mit dem
aber nicht identische Bewegung der Basislinie der Dar- 45 Patienten über ein Kupplungsmedium verbunden ist,
stellung einführt Die Größe des Echos wird wie bei der beispielsweise Wasser, ist die Erzeugung von Turbulen-
eindimensionalen Darstellung beispielsweise als Ab- zen durch den Übertrager von Einfluß, wenn dieser sich
lenkung der Basislinie oder als Intensitätsänderung ein- schnell im Kupplungsmedium bewegt
geführt. Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, bekannte Ver-
Die Technik der Ultraschall-Echoskopie wird in der 50 fahren bzw. die zu doren Durchführung geeignete Vor-
medizinischen Diagnose verwendet, um Informationen richtungen in der Richtung weiterzuentwickeln, daß mi*
über die Anatomie des Patienten zu gewinnen. Die An- einem relativ geringen Verfahrens- und vorrichtungs-
wendung dieser Technik ist jetzt weitgehend üblich und technischen Aufwand bei verkürzter Diagnosezeit qua-
ist beispielsweise beschrieben in D. E. Robinson in »Pro- litativ hochwertige Echogramme eines bei Ultrasctvall-
cedings of the Institution of Radio and Electronics Engi- 55 Untersuchungen geprüften Objektes erhalten werden,
neers Australia«, Vol. 31, Nr. 11, Seiten 385 bis 392, No- Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprü-
vember 1970, unter dem Titel »The Application of Ul- chen definiert
trasound in Medical Diagnosis«. Wie in diesem Aufsatz Bei dem erfindurigsgemäßen Verfahren werden von ausgeführt wird, kann die Ultraschall-Echoskopie ver- jedem Schallkopf der Ultraschallanordnung gebündelte wendet werden, um Darstellungen zu schaffen, die äna- 60 Ultraschall-Impulse in nur einer Ausbreitungsrichtung tomischen Querschnitten ähneln, die sich klinisch als erzeugt und empfangen. Diese Ausbrcifangsrichtung nützlich erwiesen haben, wenn die Diagnose physische wird innerhalb eines dem jeweiligen Schallkopf zuge-Abmessungen, Formen von Organen, Strukturen usw. ordneten ebenen Abtastbereiches variiert. Weiterhin betrifft Ultraschall-Echoskopie hat sich von besonde- werden die einzelnen SchaUköpfe in zeitlicher Folge rem Wert erwiesen als diagnostisches Hilfsmittel für es aufeinander aktiviert, wobei während zeitlich aufeinan-Untersuchungen im Unterleib und in der Gebärmutter, derfolgender Aktivierungen jedes Schallkopfes die AusAuge, Brust, Gehirn, Lunge, Niere, Leber und Herz, d.h. breitungsrichtung des ausgesendeten bzw. empfangein Bereichen mit weichem Gewebe mit wenig Knochen nen, gebündelten Ultraschallimpulses gedreht wird. Die
Winkelgeschwindigkeit der Drehung ist dabei klein im Vergleich zur Anzahl der Aktivierungen der Schallköpfe pro Zeiteinheit Damit ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, ein Objekt mittels gebündelter Ultraschall-Impulse entlang eines Strahles in der jeweili- gen Ausbreitungsrichtung abzutasten, was beispielsweise gegenüber einer punktweisen Abrasterung einen erheblichen Zeitvorteil mit sich bringt. Durch die kleine Drehung der Ausbreitungsrichtung zwischen aufeinanderfolgenden Aktivierungen der Schallköpfe kann ein hochaufgelöstes Echogramm bei verringerter Diagnosezeit erstellt werden. Gegenüber Echogrammen, die von in einer Ebene angeordneten Schallköpfen stammen, sind die Bilder weniger verzerrt, wodurch der Diagnostiker die Lage einer Unregelmäßigkeit im Objekt leichter und präziser erfaßt Außerdem hat eine Verringerung der Untersuchungszeit des einzelnen Patienten den wirtschaftlichen Vorteil, daß in einer gegebenen £~Cii ΓΠΟιιΓ i^MtCräüCiiüngcn uürCiigciÜiiri Wcfucn ιίΰϊΊ-
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Zwar ist es an sich bekannt, die einzelnen Schallköpfe der Reihe nach zu aktivieren, um Impulse von Ultraschallenergie entlang einer Strahlachse auszusenden und entlang der Strahlachse reflektierte Echos zu empfangen. Erst durch die räumlich getrennte Anordnung der Schallköpfe ist es aber erreicht worden, daß der einzelne Ultraschallstrahl zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aktivierungen nur einen geringen Weg zurücklegt. Dadurch wird eine bisher unerreichte Abbildungsqualität erreicht.
Sofern gemäß einer Ausgestaltung die oszillierende Bewegung der Achsen der einzelnen Strahlen durch elektronische Mittel erzielt ist, kommt zur erwähnten hohen Bildqualität noch die bislang unerreichte schnelle Abtastung des gesamten zu untersuchenden Körpers.
Die Ansprüche 2—4 kennzeichnen eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ultraschalluntersuchung eines Objektes, für die die vorstehend genannten Vorteile ebenfalls gelten.
Einzelheiten der Erfindung sowie weitere durch diese erzielte Vorteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie aus der rein schematischen Zeichnung hervor; in dieser zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise bekannter Einrichtungen zur Ultraschalluntersu- chung,
F i g. 2 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise einer ersten Ausführungsmöglichkeit der Einrichtung zur Ultraschallprüfung gemäß der Erfindung,
F i g. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform <k.r Einrichtung gemäß der Erfindung. In F i g. 1 bezeichnet 1 den Umriß der sich in Untersuchung befindlichen Struktur, 2 den Wasserkupplungsbehälter und Bogen 3 den Bewegungspfad des einzigen Prüfwandlers. Wenn der Wandler den Pfad 3 durchläuft führt er eine schwingende Bewegung aus mit üblicherweise zehn Schwingungen für jeden Durchlauf des Pfades 3. Die Struktur 1 wird also während des Abtastens von einer Vielzahl von Stellungen und Richtungen aus gesehen. In jeder dieser Stellungen wird ein Puls von Ultraschallenergie in die Struktur geleitet Die reflektierten Echos werden empfangen.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist in F i g. 2 dargestellt, bei der zur Vereinfachung der Darstellung nur drei Wandler angenommen sind. Verstand- licherweise kann jede andere geeignete Anzahl, beispielsweise acht, angewandt werden. Im vorliegenden Falle gehören die Wandler 11,12,13 zu einer Viel-Ele menten-Anordnung, die elektronisch steuerbar ist. Der elektrisch gesteuerte Strahl 14 vom Wandler 11 wird zuerst verwendet. Der Strahl wird dann jeweils um einen kleinen Winkel bewegt, bis er die Strahlrichtung 15 einnimmt Die Ausrüstung wird dann auf Wandler 12 geschaltet und der Strahl vom Wandler 16 nach Strahl 17 geschwenkt. Der Vorgang wird mit Wandler 13 und Strahlen 18 und 19 wiederholt. In jeder Stellung zwischen 14 und 15,16 und 17,18 und 19 wird der zugehörige Wandler 11, 12 und 13 aktiviert, um einen Puls von Ultraschallenergie in die Prüfstruktur zu richten und die reflektierten Echos zu empfangen.
Die zweite Ausführungsform verwendet mechanisch abtastende Wandler. Die Arbeitsweise ist in F i g. 3 dargestellt, in der die mechanisch abtastenden Wandler 31, 32 und 33 zunächst in die Richtungen 41, 42, 43 ausgerichtet sind. Wandler 31 wird aktiviert und ein Puls ausgesandt und ein Echo empfangen und zwar entlang der Sii aiiiaciisc 4s. Dann wird Wandler 32 aktiviert und ein Puls ausgesandt und Echos empfangen längs des Strahles 42 und schließlich analogerweise mit Wandler 33 und Strahler 43. Die Wandler werden dann in Strahlachsstellungen 44,45 und 46 bewegt.
Ein Puls wird gerichtet und Echos werden empfangen zunächst vom Wandler 31 entlang der Strahlrichtung 44 und dann auf den anderen entsprechenden Strahl. Der Vorgang wird wiederholt, bis die Strahlrichtungen 47, 48 und 4.» erreicht sind. Zu dieser Zeit ist von dem Wandlersatz eine vollständige Abtastung der Prüfstruktur erreicht mit nur einem Zyklus von mechanischer Schwingung. Wie oben gesagt, kann dieses Verfahren der Folgeaktivierung der Wandler auch mit der Wandleranordnung durchgeführt werden, die im Zusammenhang mit F i g. 2 beschrieben wurde. Die mit den Ausführungen nach F i g. 2 und 3 erhaltenen Signale können dann weiterbehandelt und als Querschnitt oder andere -^ifhtharmachiin0' ds1* ^rüfsti'u^*ur derffests!!t werden.
Man erkennt aus der vorstehenden Beschreibung, daß die Erfindung eine schnellere Abtastung eines der Ultraschallprüfung unterworfenen Objektes ermöglicht
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

10 15 Patentansprüche:
1. Verfahren zur Ultraschall-Untersuchung eines Objekts nach der Impuls-Echo-Methode, bei dem
— Ultraschall-Impulse
mittels einer Schallkopf-Anordnung, deren SchaUköpfe gegenseitig beabstandet auf einem Bogen in einer Ebene um das Objekt angeordnet sind,
entlang einer Vielzahl von Ausbreitungsrichtungen in das Objekt gesendet und
— die durch akustische Dämpfungs-Unstetigkeiten im Objekt reflektierten Impuls-Echos entlang dieser Ausbreitungsrichtungen empfangen werden,
DE2329387A 1972-06-08 1973-06-08 Verfahren zur Ultraschall-Untersuchung eines Objektes sowie Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens Expired DE2329387C2 (de)

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