DE2711098B2

DE2711098B2 - Vorrichtung zur Untersuchung von Körpern durch Ultraschallabtastung

Info

Publication number: DE2711098B2
Application number: DE19772711098
Authority: DE
Inventors: Erhard Dipl.-Phys. Fluegel; Kurt-Ulrich Dipl.-Ing. Hellmold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-03-14
Filing date: 1977-03-14
Publication date: 1979-08-09
Also published as: DE2711098A1; DE2711098C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Untersuchung von Körpern durch Ultraschallabtastung mittels Ultraschall-Strahlerblock, dessen in Reihe nebeneinander angeordnete Wandlerelemente über die Reihe fortlaufend einzeln oder gruppenweise erregbar sind.

Eine Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise durch die DE-OS 19 48 463 vorbekannt. Der dort beschriebene Ultraschall-Strahlerblock erlaubt wegen der begrenzten ebenen Struktur lediglich die Abtastung kleinerer Körpergebiete. Insbesondere in der medizinischen Diagnostik ist jedoch die Darstellung größerer Körperschnitte des Patienten, nach Möglichkeit sogar die eines Ganzkörperschnittes, erwünscht. Die Darstellung solcher Körperschnitte war bisher nur mit Hilfe der Ultraschall-Compound-Scan-Technik möglich. Nach dem Compound-Verfahren arbeitende Ultraschallgeräte, wie sie beispielsweise aus der DE-AS 15 73 745 vorbekannt sind, haben einen Ultraschallkopf, der von Hand in langsamen Bewegungen in der darzustellenden Ebene über die Körperoberfläche des Patienten bewegt wird. Lage und Richtung des Ultraschallkopfes werden dabei über ein Gelenkstativ mit Winkelmeßeinrichtiingen erfaßt. Die hierbei ermittelten Lagekoordinaten werden als entsprechende Koordinatensignale einem

t>o Elektronenstrahl-Oszillographen zugeleitet, der die empfangenen Ultraschall-Echosignale auf dem Bildschirm an einer dem Lagekoordinaten-Signal entsprechenden Stelle abbildet Ungünstig ist jedoch beim Coinpound-Abtastverfahren, daß der Bildaufbau verhältnismäßig lange Zeit in Anspruch nimmL Darüber hinaus führt aber auch die mechanische Ausführung der bekannten Compound-Scan-Geräte meistens zu unhandlichen Stativkonstruktionen, die nur sehr umständlich zu bedienen sind.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ultraschallabtastung anzugeben, die bei beliebig vorgebbarer Abtastgeschwindigkeit eine besonders großflächige Abtastung eines Körpers, vorzugsweise Patientenkörpers, erlaubt

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Mehrzahl von Ultraschall-Strahlerblöcken nach Art eines Strahlerblockgürtels, wie er im Prinzip aus der Ultraschall-Doppler-Technik für Wandlerelemente in Einzel- oder Matrixgruppierung vorbekannt ist miteinander in Serie verkettet ist, wobei jedoch die Verkettung der Strahlerblöcke untereinander entlang des Gürtels über Drehgelenke erfolgt die Winkelgeber zur Angabe der Winkelstellung eines erregten Strahlerblockes zu dem oder einem der vorhergehenden Strahlerblöcke umfassen.

Die Vorteile eines Strahlerblock-Gürtels gemäß der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind, daß bei entsprechender Anzahl der Einzel-Strahlerblöcke großflächige Abtastungen von Körpergebieten beliebiger Krümmung möglich sind, daß das Anlegen des Strahlerblock-Gürtels keine Stativkonstruktion benötigt, sondern die Lage des Gürtels den Körperschnitt direkt bestimmt und daß auch die Applikation sehr einfach ist, da die Schnittbilddarstellung über schnelle elektronische Steuerglieder nach Belieben in sehr kurzer Zeit durchgeführt werden kann. Die Erfindung ermöglicht jedoch nicht nur die einfache und rasche großflächige Abtastung von Körpergebieten. Durch entsprechende Auswahl und gezielte Ansteuerung von Einzel-Strahlerblöcken oder Einzel-Wandlergruppen der Strahlerblöcke lassen sich auch Ausschnitte einer großen Fläche beliebig separat darstellen. Hiermit ergibt sich dann beispielsweise auch die Möglichkeit der vergrößerten Darstellung eines spezifischen Ausschnittes aus einem Gesamtbild. Durch die gezielte Ansteuerung der Einzelelemente des Ultraschall-Strahlerblock-Gürtels läßt sich also jedes beliebig denkbare Schallbild erzeugen, wobei zeitliche Überlegungen die Auswahl bestimmen können. Hierbei ist auch die Anwendung nichtlinearer Strahlerblöcke möglich, die beispielsweise Körpersektoren im Sektor-Abtastverfahren abtasten. Die Einzelsektoren können sich dabei im Körperquerschnitt überlappen. Zur besseren Ausleuchtung des Körperquerschnittes können die Ultraschall-Strahlerblöcke zusätzlich in einem wassergefüllten Gürtel untergebracht sein, der die bekannten Vorteile einer »Wasservorlaufstrecke« ausnützt.

Akustische Abnehmer, die in Gürtelform angeordnet und als Gürtel beispielsweise am menschlichen Körper postierbar sind, sind an sich bereits durch die FR-PS 15 99 527 (= AT-PS 2 94 301) oder auch DE-OS 17 66 841 vorbekannt. Der Gürtel der FR-PS erlaubt dabei auch eine gewisse »Matrix-Gruppierung« der Wandlerelemente. Es ist jedoch unverkennbar, daß es sich bei dieser »Matrix-Gruppierung« nicht um eine Aneinanderkettung von Strahlerblöcken mit Aufbau

und Eigenschaften gemäß vorliegender Erfindung handelt Signifikante Eigenschaft der Strahlerblöcke gemäß vorliegender Erfindung ist, daß die in Reihe nebeneinander angeordneten Wandlere'emente Ober die Reihe fortlaufend einzeln oder gruppenweise erregbar sind. Beim Gegenstand der FR-PS werden selbst bei »Matrix-Gruppierung« der Wandlerelemente sämtliche Wandlerelemente immer gleichzeitig zum Senden bzw. Empfang von Echosignalen erregt. Dies hat seinen Grund in der andersartigen Anwendungsweise des Gürtels der FR-PS, bei dem es sich um eine Druckmanschette zur Abnahme von Korotkofftönen bei der unblutigen Blutdruckmessung mittels Ultraschall- Doppler-Technik handelt Dementsprechend sind in dieser Druckmanschette einzelne Ultraschallwandlerelemente, auch solche, die unter Umständen »matrixförmig« angeordnet sind, immer in dem Sinne gesteuert, daß bei gleichzeitiger Schaltung sämtlicher Wandlerelemente auf Senden oder Empfang die Seni/e/Empfangskeulen der WandiereJemente sämtliche bei am Arm eines Patienten angelegter Manschette auf die im Arm pulsierende Blutader gerichtet sind. Die Ultraschallstrahlen sämtlicher Ultraschallwandlerelemente konvergieren also sämtliche immer gleichzeitig in Richtung auf die Blutader und gemessen werden dann nur jene Ultraschall-Echosignale, die von der bewegten Aderwand stammen, d. h. die in der Frequenz verschobenen Ultraschall-Dopplersignale. Beim Abnahmegürtel der DE-OS 17 66 841 handelt es sich demgegenüber überhaupt nicht um eine Ultraschall-Abtasteinrichtung zur Abtastung eines Körpergebietes zum Zwecke der Gewinnung eines Echoschnittbildes. Dieser Gürtel beinhaltet vielmehr eine Reihe gelenkig miteinander verbundener Mikrofone zum Empfang von akustischen Geräuschen aus dem untersuchten Körpergebiet zum Zwecke einer Lungenuntersuchung. Die genannten Mikrofone arbeiten also nach dem Stethoskop-Prinzip, d. h. sie dienen zum Abhören eines Körpergebietes auf Schall, der in diesem Körpergebiet bereits erzeugt wird, d. h. nicht vorher erst in das Körpergebiet eingestrahlt zu werden braucht.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen.

Es zeigt

Fig. 1 den erfindungsgemäßen Ultraschall-Strahlerblock-Gürtel im Prinzipaufbau,

F i g. 2 ein Diagramm, das im Prinzip erläutert, wie aus den Drehpositionen erregter Strahlerblöcke die Lagekoordinaten-Signale für einen Elektronenstrahl-Oszillographen (nicht dargestellt) gewonnen werden können,

F i g. 3 ein Diagramm der Lagekoordina'en-Signale bei Zuführung zum Elektronenstrahl-Oszillographen.

In der Fig. 1 besteht der Ultraschall-Strahlerblock-Gürtel beispielsweise aus insgesamt fünf Einzei-Strahlerblöcke Λ_2, /4_ι, Ao, A\ und A2, die untereinander durch Drehgelenke D\ bis A verbunden sind. Die Drehgelenke beinhalten übliche Drehpotentiometer, vorzugsweise Sinus-Kosinus-Potentiometer, zur Erfassung der Winkelstellungen eines erregten Strahlerblokkes zu dem oder einem der vorhergehenden Strahlerblöcke. Jeder Strahlerblock besteht wiederum in üblicher Weise aus den Ultraschallschwingern 5 nebst einem Trägerteil T für die einzelnen Schwinger. In bevorzugter Ausgestaltung beträgt die Länge / eines jeden Strahlerblocks vorzugsweise 10 cm. Die Anzahl η der Wandlerelemente S pro Strahlerblock liegt im Bereich von vorzugsweise etwa 100 Schwingern, wobei aus mechanischen Gründen die Strahlerblock-Enden frei von Schwingerelementen sind. In der nachfolgenden Rechnung wird dieser Leerbereich berücksichtige, zeitlich hingegen übersprungen. Die Dicke eiies jeden Wandlerelementes beträgt ca. d = 0,8 mm. Als Bezugspunkt des Strahlerblock-Gürtels gemäß Fig. 1 ist der Mittelpunkt des mittleren Strihlerblockes Ao gewählt, dem die auf dem Bildschirm der (nicht dargestellten) Oszillographenröhre frei positionierbaren Koordinaten .¥=0 und y—0 zugewiesen werden. Von diesem Punkt aus erfolgt eine Abtastung nach rechts und links wahlweise zeitlich nacheinander oder auch im Zeitmultiplexbetrieb, so daß sich eventuelle Winkelablesefehler immer nur über die halbe Länge des Strahlerblock-Gürtels addieren. Es genügt, die Berechnung der Strahllage beispielsweise nur für die rechte Gürtelhälfte vorzunehmen (Fig.2). Für die linke Gürtelhälfte ergeben sich analoge Beziehungen. Ausgangspunkt der Berechnung, d. h. Nullpunkt des Koordinatenkreuzes x, y bezüglich Gürtel und Oszillographen-Bildschirm, ist der Punkt Po, der im Sichtbild in die Mitte oberer Rand des Röhrenbildschirmes gelegt wird.

Mit dem mittleren Strahlerblock Aa schließt rechtsseitig der Strahlerblock A\ den Winkel φι ein. Es folgt der Strahlerblock Αϊ mit dem Einschlußwinkel ψ2 etc. Die Drehpunkte zwischen den Strahlerblöcken sind mit /Ί, P7 bezeichnet. Der Endpunkt des letzten Schwingerele-

so mentes / eines Strahlerblockes ist für einen beliebigen Strahlerblock mit Py, angeführt. Jede Strahllage (des Ultraschallstrahles und des Elektronenstrahles der Bildröhre) ist damit also definiert durch einen Anfangspunkt Py, und durch eine Richtung, die durch den

j5 zugehörigen Drehwinkel φ₇ vorgegeben ist. Die empfangenen Echosignale werden vom Ausgangspunkt Pj/ (xj/; yji) mit der Schallgeschwindigkeit im Gewebe ν in Strahlrichtung aufgezeichnet. Dabei durchläuft der Schreibstrahl die Ortskurve:

χ (t) —
y(0 =

— ν ■ t ■ sin q>j;

im Bereich 0< f< T, wobei Tder Helltastdauer für den Schreibstrahl (Elektronenstrahl) entspricht und durch 4^r> die gewünschte Eindringtiefe bestimmt ist. Der Winkel qpy ist wiederum der Winkel zwischen dem Strahlerblock Ao und dem Strahlerblock Aj, also

'Ii - Σ '/k-i.ü ■ k = I

Der Punkt Pj, läßt sich mit Hilfe der Koordinaten des zugehörigen Drehpunktes Pj(xj,yj)w\e folgt bestimmen:

Xj, = Xj + i ■ d ■ cos q>j; yji = yj+ i ■ d ■ sin φ;;

Die Lage von Pj ergibt sich aus der folgenden Beziehung:

mit

k - 1

k = I

Vn = 0.

5 6

Allgemein lautet damit also die Ortskurve eines Schallimpulses, der vom Schwinger / im Strahlerblock /^,ausgesendet wird:

j j

xU) ⁼ ' " Σ ^cos 'ik-i ~ -y I + i ' d ■ cos ι/1 — ν ■ t ■ sin y j;

y(t) = I ^ sin </_k_, + / ■ d ■ sin </, + r · t ■ cos r_;j;

k = I

falls / > 0 sowie x(r) = ί ■ d; y{t) = r · ί ; falls / = 0 .

Mit dieser Berechnungsgrundlage ergäbe sich also lediglich als Beispiel für die Strahllage des 15. Schwingers im zweiten Strahlerblock A₂ die Beziehung:

x(t) = -ζ- I + I ■ cosf/, + 15 · d ■ cos (/2 — i' ■ ' · sin (/₂ ;
v(f) = / · sin »/ι + 15 · </ · sin </₂ + u · / · cos i/₂ ;

χ (t) und y (t) können dabei direkt als Ablenkspannun- Gleichung

gen der x- bzw. y-Ablenksysteme der Oszillographen- _

röhre interpretiert werden (F ig. 3). ^φ'⁺¹ -Vj+fj.j*\

Üblicherweise werden benachbarte Schwinger ein- 25 in der Berechnung Berücksichtigung finden,
zein oder gruppenweise auch zeitlich nacheinander Neben den konstanten Längenangaben (Strahlerangeregt, so daß es genügt, lediglich die Positionsände- block-Länge / und Schwingerdicke d) werden sehr rung des Strahles in einem Integrationsverfahren zu genaue Winkelmeßgrößen (sin und cos) benötigt. <py, berücksichtigen. Innerhalb eines einzelnen Strahlerblok- q>_j+n werden als Meßwert durch die Potentiometer kes bleibt die Strahlrichtung jeweils konstant. Die 30 abgegriffen. Die Auswertung der Ortsbeziehungen Lageänderung zwischen den beiden Anfangswerten P, erfolgt mittels elektronischem Rechner. Dem Rechner und Ρ,+1 beträgt dabei: verbleiben dabei ca. 500 μ/sec bei einer Impulsfolgefrequenz von beispielsweise 2 kHz. Bei einem Strahler-

x = d ■ cos φ block-Gürtel mit beispielsweise neun Einzel-Strahler-

= d sin w ^J5 b'⁰⁰^^{11 m}üssen maximal vier Winkelgrößen pro

' Koordinate mit einer Konstanten multipliziert und

anschließend addiert werden. Gemäß dem Diagramm

Bei Überschreiten eines Drehpunktes muß dann nur der F i g. 2 ergibt sich beispielsweise dann für einen

noch die Veränderung des Drehwinkels <fj nach der beliebigen Punkt P(x,y)die Koordinatenbeziehung:

x(t) = / · (cos y, + cos V₂ + cos r/₃) - 1/2 / + ί · d · cos 7₄ - ν ■ t ■ sin >_u ;
y(t) = I ■ (sin 7, + sin <_l2 + sin 73) + i ■ d ■ sin 74 + ν ■ t ■ cos 74 ,

mit den Anfangswerten x(0), y(0), den Endwerten x(T), y{T) und mit beispielsweise T = 0,2 ms für 30 cm Eindringtiefe im Untersuchungsobjekt.

Hierzu 1 Blatt 2'eichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Untersuchung von Körpern durch Ultraschallabtastung mittels Ultraschall-Strahlerblock, dessen in Reihe nebeneinander angeordnete Wandlerelemente über die Reihe fortlaufend einzeln oder gruppenweise erregbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Ultraschall-Strahlerbiöcken (A-2, A-i, Ao, A\, A2) nach Art eines Strahlerblockgürtels, wie er im Prinzip aus der Ultraschall-Doppler-Technik für Wandlerelemente in Einzel- oder Matrixgruppierung vorbekannt ist, miteinander in Serie verkettet ist, wobei jedoch die Verkettung der Strahlerblöcke untereinander entlang des Gürtels über Drehgelenke (Di bis D₄) erfolgt, die Winkelgeber zur Angabe der Winkelstellung eines erregten Strahlerblockes zu dem oder einem der vorhergehenden Strahierblöcke umfassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgelenke (Di bis D») Scharniere für die einzelnen Ultraschall-Strahlerblöcke sind, die ein Verschwenken der Strahlerblöcke gegeneinander um zueinander parallele Drehachsen erlauben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeber in den Drehgelenken eingelagerte übliche Winkeldrehpotentiometer, vorzugsweise Sinus-Kosinus-Potentiometer, sind oder die Winkeldrehpotentiometer die jo Drehgelenke darstellen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenabmessung eines einzelnen Strahlerblockes im Bereich von /' =

10 cm liegt. r>

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strahlerblock des Strahlerblockgürtels etwa 100 Wandlerelemente als Ultraschallschwinger aufweist.

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