DE2506506C3

DE2506506C3 - Anordnung für Untersuchungen eines in einer Analyseebene liegenden Körperquerschnitts mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE2506506C3
Application number: DE19752506506
Authority: DE
Inventors: Michel Joseph Paris Auphan
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-02-20
Filing date: 1975-02-15
Publication date: 1981-11-26
Also published as: ES434822A1; JPS50124487A; IT1030159B; BE825677A; DE2506506A1; JPS5722578B2; AU7835475A; CA1051544A; SE7501693L; NL7501812A; NL169922B; NL169922C; AU500791B2; SE415400B; DE2506506B2; FR2279101B1; FR2279101A1; GB1491527A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung gernäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Die französische Patentschrift 14 97 496 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung für Untersuchungen an Reflektionsflächen mittels Ultraschallschwin- so gungen, welche Flächen stark verschiedene Krümmungen aufweisen, z. B. Oberflächen lebender Gewebe; insbesondere eignet sich diese Anordnung für die Topographieuntersuchungen von Organen, die sich im Inneren des menschlichen Körpers befinden, um auf dies«: Weise eine Diagnose zu stellen. Die erwähnte Patentschrift beschreibt ein Verfahren, nach dem eine Sendeanordnung Ultraschallwellen nach dem zii untersuchenden Organ aussendet und ein Teil der reflektierten Wellen in einer Empfangsanordnung aufgefangen wird; die Sendeanordnung enthält eine Reihe ungefähr punktförmiger Sender, die nacheinander Impulse aussenden, die einen schmalen Strahl bilden, welche Strahlen zusammen einen nahezu flachen Sendebereich bilden. Die Empfangsanordnung enthält eine Reihe ungefähr punktförmiger Empfänger, die einen ungefähr flachen Empfangsbereich bilden, der den Sendebereich schneidet. Einige Empfänger empfangen die Ultraschallwellen, die im Empfangsbereich und auf der Schnittlinie des Sendebereichs reflektiert werden, und der Empfangsbereich kann in der Ebene des betreffenden Durchschnitts des zu untersuchenden Organs verschoben werden. Die Positionen der verschiedenen Echopunkte werden einerseits aus den Koordinaten der Sender und Empfänger, die zur Bildung eines Echosignals beitragen, und andererseits aus der Laufzeit der Ultraschallwelle zwischen Sender und Empfänger ermittelt Bei dieser Anordnung erfolgt die Abtastung mechanisch.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Vorteile der bekannten Anordnung ohne mechanische Abtastung zu erreichen.

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

An dieser Stelle sei erwähnt daß außer der eingangs genannten eine Anzahl weiterer Anordnungen zur Ultraschalluntersuchung bekannt war. So ist in der US-PS 36 93 415 sowie in der DE-OS 19 48 463 jeweils eine Ultraschalluntersuchungsanordnung beschrieben mit einer Reihe von Wandlerelementen. Sie haben daher weniger mit der Erifndung gemein als die Anordnung nach der FR-PS 14 97 496.

In der DE-OS 22 15 001 ist eine Vorrichtung zur Herzuntersuchung ciittels Ultraschallwellen beschrieben, bei der die Ultraschallsender zugleich als Empfänger dienen und in einer Reihe in einem Halter aufgenommen sind, Die Sender werden nacheinander zyklisch erregt. Eine gruppenweise Anordnung der Empfänger und die Zusammenfassung dieser Gruppe zu einem Empfangselement sind darin nicht beschrieben.

Das gleiche gilt für die DE-OS 15 66 128, in deren Anspruch 4 angegeben ist, daß die Schallgeber nacheinander betätigt werden können. Über die aufeinanderfolgende Erregung von Empfängern ist keine Aussage gemacht.

In der DE-OS 22 60 257 ist eine '■ Jltraschallwandleranordnung beschrieben, die nur einen einzigen Ultraschallempfänger 12 aufweist In der DE-OS 20 23 929 ist schließlich ein piezoelektrischer Ultraschallwandler beschrieben, bei dem ein Ultraschallsender von acht Ultraschallempfängern umgeben ist. Es ist nicht vorgesehen, ob und wie diese Empfangselemente miteinander verbunden sind.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 die Grußdanordnung der Sender und der Empfangsstruktur nach der Erfindung,

F i g. 2 schematisch die praktische Anordnung der Elemente nach F i g. 1 sowie ein Ausfuhrungsbeispiel der damit zusammenarbeitenden Schaltungen, und F i g. 3 eine Abwandlung der Anordnung nach F i g. 2.

In einer mit der Zeichenebene der F i g. 1 zusammenfallenden Ebene P befinden sich π Ultraschall-Sender e 1 bis en. Jeder dieser Sender ist derart angeordnet, daß seine Senderichtung in der P-Ebene liegt, was bedeutet, daß sich der vom Sender ausgesandte (im allgemeinen fächerförmige) Strahl in dieser Ebene in verschiedenen Richtungen fortpflanzt und daß insbesondere die Achse dieses Strahls in der P-Ebene liegt

F i g. 1 zeigt ebenfalls teilweise die Empfangsstruktur, die mit den η Sendern zusammenarbeitet. Diese Struktur enthält eine Anzahl Anschlüsse t, von denen nur vier rl, /2, (3 und f4 dargestellt sind. Jeder Anschluß ist mit einem Empfangselement verbunden: jedes Empfangselement gehört zu einer Gruppe von

Empfangselementen, die in einer senkrecht auf der /•-Ebene und auf der Reihe von Sendern stehenden /"-Ebene liegen. Es gibt m Gruppen (m^n) und somit auch /"-Ebenen, von denen in F i g. 1 vier dargestellt sind (7"I, /"II, P'lü, /"IV), in denen sich die Gruppen mit den Empfangselementen befinden, die mit den oben erwähnten Anschlüssen 11... 14 verbunden sind. Jedes Empfangselement liegt gleichfalls in einer /"'-Ebene, die senkrecht auf den P- und /"-Ebenen steht; die dargestellten Empfangselemente befinden sich in nur zwei /"'-Ebenen: die mit den Anschlüssen fl und t4 verbundenen Empfangselemente liegen in der /"'e-Ebene, die auch die Reihe von Sendern enthält, und die mit den Anschlüssen i2 und 23 verbundenen Empfangselemente liegen in der /"'^-Ebene.

Aus der F i g. 1 ist ersichtlich, daß jedes Empfangselement faktisch zwei Empfänger enthält, die zur /"-Ebene symmetrisch liegen. So bilden z. B. die Empfänger r \A und r\B das mit dem Anschluß t\ verbundene Empfangselement, usw. Der Vorteil der dargestellten Struktur wird weiter unten erläutert

Auf der Schnittlinie der /»-Ebene und der /"///-Ebene ist eine Trennebene ss der Struktur eines Körpers angegeben, von dem ein in der P-Ebene liegender Querschnitt untersucht werden muß. Wenn in einem bestimmten Augenblick Γ der Sender e2 erregt wird und dadurch ein impulsförmiger Ultraschallstrahl /e ausgesandt wird, pflanzt sich dieser Strahl in der angegebenen Richtung in der Analyseebene P fort Der Strahl /e erreicht die Ebene ss und löst damit ein Echosignal aus, das in der /"III-Ebene in einer Richtung zurückgestrahlt wird, die mit der Schnittlinie der P- und P'IH-Ebenen einen Winkel bildet, dessen Wert und Richtung vom Neigungswinkel der Trennebene ss abhängig sind. Zwei mögliche Echostrahlen /a 1 und /a 2 sind in F i g. 1 dargestellt Daraus ergibt sich der Vorteil der Anorndung zweier Empfänger, die zur P-Ebene symmetrisch und mit einem einzigen Anschluß verbunden sind; bei einem gegebenen Neigungswinkel der Ebene ss wird richtungsunabhängig von der Orientierung der Ebene ss gegen die P-Ebene ein Echosignal aufgefangen.

Wenn nun angenommen sei, daß

c die Schallgeschwindigkeit im Medium zwischen β 2

und ss, χ der Abstand zwischen dem Sender e2 und der

p'III-Ebene,
y der Abstand zwischen den mit dem Anschluß ti verbundenen Empfängern r3A bzw. r3B einerseits

und der P-Ebene andererseits, und
ζ der Abstand zwischen der P'£-Ebene und der P"e- Ebene ist,

h = f(ct,x,y,z)

(D

dieses Mosaik Malso m Spalten fei, c2, ...cm) und (2r+ I) Zeilen, nämlich die Senderreihe Ie und 2r Empfänger JiA, /2Λ.../Μ und HB, l2B,..lrB, die in bezug auf die Senderreihe symmetrisch verteilt sind. Im dargestellten Beispiel ist die Anzahl der Sender η gleich der Anzahl von Spalten m und jede Spulte enthält und einen einzigen Sender, Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen möglich.

Die Empfänger jeder Spalte sind mit r Anschlüssen

ίο ί 1, ί 2... tr verbunden, wobei jeder Anschluß mit zwei Empfängern verbunden ist, die in bezug auf den Sender dieser Spalte symmetrisch liegen. Diese zwei Empfänger [z.B. r 1/1(1) und rlB(l)] bilden ,zusammen ein Empfangselement, so daß das Mosaik r · m Empfangselemente enthält, die je durch eine Spaltennummer (von 1 bis m) und durch eine Zeilennummer (von 1 bis r) gekennzeichnet sind.

In Fig.2 ist gleichfalls eine Steuereinheit B dargestellt Sie liefert folgende Impulse und Signale:

— Synchronimpulse s, durch die ei/. Generator C mit Zeitintervallen TUltraschallimpuIsfijigen «/aussendet;

— ein Signal ae (Senderadresse), durch des eine Auswahlschaltung DA hintereinander die Sender ei ...em auswählt, um auf jeden dieser Sender r Ultraschallimpulse zu übertragen (nämlich eine Impulszahl gleich der Anzahl von Anschlüssen pro Spalte oder gleich der Anzahl von Doppelzeilen des Mosaiks);

— ein Signal al (Zeilenadresse), durch das den m Spalten zugeordnete Auswahlschaltungen MA 1 bis MAm im Zeitintervall T, das dem Zuführen eines Ultraschallimpulses an einen Sender folgt, auf einer einzigen Zeile liegende Empfangselemente, beispielsweise die Zeile d des Mosaiks, erregen; jeder Sender empfängt also hintereinander r Ultraschallimpulse, wobei die jeweils mit einem der Anschlüsse ί 1 bis fr (im Beispiel der Anschluß td) verbundenen Empfangselemente erregt sind;

— ein Signal ac (Spaltenadresse), durch das eine ultraschnelle Auswahlschaltung DU, die mit den Ausgängen der analogen Auswahlschaltungen MA 1 bis MAm gekoppelt ist, in jedem der STdlintervalle 775, in die das Zeitintervall T geteilt werden kann, das einem Ultraschallimpuls mit der Rangordnung d folgt, der einem Sender mit der Rangordnung e zugeführt wird, hintereinander die Empfangselemente erregt, die im Mosaik in der Zeile d und in q Spalten liegen, die sich an beiden Seiten der den Sender mit der Ranganordnung e enthaltenden Spalte befinden.

und wenn angenommen sei, daß im Augenblick T + t ein Echosignal am Anschluß ί 3 erscheint, so kann durch Dreiecksberechnung der Abstand h zwischen der Ebene ss und der Linie der /»-Ebene, die die Reihe von Sendern enthält, ermittelt werden:

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Faktisch und auch gemäß F i g. 2 wird die Empfangsstruktur vorzugsweise und nach der einfachsten Lösung durch ein flaches Mosaik M gebildet, das in der die Reihe von Sendern enthaltenden P"e-Ebene liegt. In diesem Falle enthält die Formel (1) keine von ζ abhängigen Terme. In .-tar F i g. 2, deren Zeichenebene mit der P"e-Ebene der Fig. 1 zusammenfällt, enthält Dur oben beschriebene Vorgang ist in der Tabelle schematisch wiedergegeben. Mit Hilfe der in Fig.2 nicht dargestellten Zähler I, II und Uli kunn die zu wiederholende Anzahl der verschiedenen Teilprogramme kontrolliert werden.

Die Synchrofirnpulse 5 und die Signale ae, al, ac werden auf eine Recheneinheit C übertrugen, die einer nicht dargestellten Kathodenstrahlröhre Signale für die Abtastung des Schirmes dieser Röhrr in X- und V-Richtung zuführt Die Abtastung in der X-Richtung erfolgt mit einer Periode T/S und die Abweichung Λ in der V-Richtung entspricht dem Ausdruck:

₌ V(C¹I²-x²/)²-4 x²y² la

Hierin ist

Ausdruck

c die Schallgeschwindigkeit im betreffenden Medium, t die Zeitspanne nach dem Aussenden des letzten synchronisierten Impulses iu,

χ der Abstand zwischen dem von diesem /u-Impuls gesteuerten Sender einerseits und der das erregte

Empfangselement enthaltenden Spalte andererseits, y der Abstand zwischend er Reihe von Sendern und der das erregte Empfangselement enthaltenden Reihe;

Die von der ultraschnellen Auswahlschaltung DU ausgewählten Signale gelangen an die Steuerelektrode W der Kathodenstrahlröhre, welche Elektrode normalerweise den Elektronenstrahl in der Röhre sperrt und ihn freigibt, wenn dieser Elektrode Signale zugeführt werden, die den Empfang eines Echosignals an der Stelle des erregten Empfangselements bedeuten.

Aus der T?.b?!!e ist ?r«ich?!ich, ds Kathodenstrahlröhre vom Elektronenstrahl aufgebaute Bild für jeden Sender aus r Gruppen zu je 5 parallelen, in A"-Richtung verlaufenden Linien besteht. Die Bildbreite gibt den Abstand zwischen den beiden Enden der q erregten Spalten wieder. Jede Linie wird während einer Erregungsreihe der q Spalten abgetastet.

Die 5 Linien einer Gruppe werden zwischen zwei ausgesandten Impulsen iu, also während des Intervalls T, abgetastet. Jede folgende Linie gibt als Echosignale aus einer größeren Tiefe als die vorherige wieder, indem seit dem Aussenden des ersten der erwähnten Impulse iu eine längere Zeit vergangen ist; eine Tiefe Null (die erste Linie) entspricht einem Echo der P"e-Ebene, die die Reihe von Sendern enthält. Der Wert /-(Anzahl von Doppelzeilen) bestimmt die Grenzen, zwischen denen sich die Neigung der Trennebenen befindet, die den Empfang eines Echosignals verursachen. Der Fortschritt in X-Richtung der Fig. 1, der durch das aufeinanderfolgende Auswählen der Sender ei... em verursacht wird, führt zum vollständigen Abtasten eines Bildes, das jenem Teil der P-Ebene entspricht, in dem der uniersuchte Durchschnitt des zu untersuchenden Körper liegt. Es leuchtet ein, daß das Bild aus Linienstücken aufgebaut ist, die mit je einem kleinen Teil einer Berührungslinie an dem Oberflächenteil entsprechen, der das Echosignal auslöste.

In Fig. 3 ist schematisch eine Abwandlung dargestellt, von der zunächst das Prinzip erläutert wird. Diese Abwandlung vereinfacht die Signalwirkung, denn dadurch ist die Möglichkeit gegeben, entweder nur eine Abtastung für die Empfänger der verschiedenen Zellen durchzuführen, oder die Empfängersignale, für die χ den gleichen Wert, y jedoch verschiedene Werte hat, gleichzeitig zu verarbeiten. Dies erfordert die Bestimmung einer Funktion Au(Ux,yX die derart ist, daß

IUi-A 1. x. \) = h (1. x, yo)

(2)

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so daß durch die Verzögerung des Signals um einen m> Betrag At das Signal betrachtet werden kann, als käme es aus der Reihe yo. In diesem Falle beantwortet die Abtastung des Schirmes der Kathodenstrahlröhre dem /) = f(c,t,x,yo)

und die Echosignale aller Zeilen werden gleichzeitig sichtbar.

Obige Gleichung (2) ist nicht beliebig verwirklichbar, jedoch gibt es die Möglichkeit, eine zli-Funktion zu finden, mit der die Gleichheit auf eine ausreichende Weise angenähert und das Auflösungsvermögen von Ultraschallsystemen berücksichtigt wird.

Nach den Ergebnissen eines Rechenbeispiels können für yo und At folgende Werte ausgewählt werden:

.»> = 0,
1 = V²Zc¹I.

Fig. 3 enthält einige Schaltungen entsprechend Schaltungen in F i g. 2 und mit den gleichen Bezugsangahpti. Hie Steuereinheit B. die Recheneinheit C. die ultraschnelle Auswahlschaltung DU, den Ultraschallgenerator Gund die Auswahlschaltung DA.

Beim Ausgang des Mosaiks M sind die Anschlüsse ill bis trm mit einer Ganzheit von (m χ r) Phasenverschieberegistern RD verbunden, d. h. mit einem Register für jedes Empfangselement. Die Phasenverschiebungsregister werden von einem Phasenverschiebungssignal cd gesteuert, das von einer Recheneinheit C geliefert wird. Die aus einer Spalte herrührenden Empfangssignale erscheinen gleichzeitig am Ausgang der Phasenverschiebungsregister, die den Empfangselementen dieser Spalte zugeordnet sind Die Ausgänge dieser Register sind mit den Eingängen der Summenerzeugungsanordnung AD\ für die Spalte 1, AD2 für die Spalte 2, ... ADm für die Spalte m verbunden. Die Auswahl der unterschiedlichen Spalten erfolgt auf gleiche Weise wie in F i g. 2 mit Hilfe der Auswahlschaltung DU.

Dies bedeutet in der Tabelle, daß nach dem Aussenden eines einzigen Impulses iu vom ausgewählten Sender Erregungsreihen von je q Spalten auftreten (vom Zähler I geprüft; ungeändert), was jedoch nach dem gleichzeitigen Erregen aller Reihen von Spalten geschieht, so daU das Zählen der Anzani von Doppelzeilen (Zähler II) entfällt.

Unter Berücksichtigung gewisser Einschränkungen (Bildzahl pro Sekunde am Schirm der Kathodenstrahlröhre, Abtastzeit für die Auswahlschaltung DU, Sondierungstiefe usw.) kann die Erfindung beispielsweise als ein Mosaik mit 24 Sendern, 24 Spalten und 4 Doppelzeilen ausgeführt werden. Die Anzahl von ausgewählten Spalten q beträgt z. B. 15, also 7 "galten an beiden Seiten der den gesteuerten Sender enthaltenden Spalte.

— Maximale Empfangszeit nach jeder Sendung: 200 μ5 mit einer Totzeit von 300 μβ zur Vermeidung parasitäter durch mehrfache Reflektionen verursachter Echosignale.

— Aufbauzeit für ein vollständiges Bild: 48 ms (also etwas mehr als 20 Bilder pro Sekunde).

Für die beiden beschriebenen Ausführungsformen wurde als die Anzahl von Erregungsreihen S der Wert 200 und als Dauer jeder Reihe 1 us gewählt.

Claims

Patentansprüche;

1. Anordnung für Untersuchungen eines in einer Analyseebene P liegenden Körperquerschnitts mittels Ultraschallschwingungen, mit einer Anzahl von Sendern, deren Senderichtung in der P-Ebene liegt und die auf einer in der P-Ebene liegenden Linie, angeordnet sind, und mit einer Anzahl richtungsabhängiger Empfänger, die derart angeordnet sind, daß sie durch Spiegelreflektion an Trennebenen im untersuchten Körper gebildete Echosignale auffangen können, wobei die Empfangsrichtungen der Empfänger in mindestens einer P'-Ebene liegen, die senkrecht auf der Linie von Sendern steht, wobei Mittel zum Erregen jeweils eines Senders mit einem Ultraschall-Sendeerregungsimpuls vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger fr:A, r\B),...) gruppenweise mit gemeinsamen Anschlüssen (ti,...) verbunden sind, derart, daß alle mit einem einzigen gemeinsamen Anschluß verbundenen Empfänger zusammen ein Empfangselement bilden, das sich längs einer senkrecht auf der P-Ebene stehenden Linie erstreckt, daß es mehrere P-Ebenen gibt, die je mindestens ein Empfamgselement enthalten und daß Schaltmittel zum aufeinanderfolgenden Anschalten bestimmter Empfänger in dem jedem Sendeerregungsimpuls folgenden Zeitintervall vorgesehen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger ein flaches Mosaik bilden, das in einer die Senderreihe enthaltenden P"-Ebene liegt

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das flache Mosaik eine Rechleckform aufweist und eine gerade Anzahl von Empfängerreihen enthält, die je zwei und zwei in bezug auf die Reihe der Sender symmetrisch sind, während jedes Empfangselement zwei Empfänger enthält, die auf den beiden Reihen eines derartigen symmetrischen Reihenpaares liegen.