DE3041112A1

DE3041112A1 - Ultraschallabbildungssystem

Info

Publication number: DE3041112A1
Application number: DE19803041112
Authority: DE
Inventors: Weston Arthur Palo Alto Calif. Anderson
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1979-11-09
Filing date: 1980-10-31
Publication date: 1981-05-14
Also published as: JPS5675146A; CA1159545A; US4341120A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Vorrichtungen und Verfahren zum Durchführen medizinischer Diagnosen und betrifft insbesondere Systeme, die sich für diese Zwecke der Ultraschalltechnik bedienen.

Im Verlauf der vergangenen Jahre hat die Ultraschalltechnik wachsende Bedeutung in der medizinischen Diagnose erlangt. Ultraschalltechniken werden zum Diagnostizieren verschiedener Krankheiten angewendet, wenn es nützlich ist, innere Körperorgane zu untersuchen, um Eigenschaften oder Aspekte an diesen Organen zu lokalisieren, die Anzeichen von Krankheiten, Anomalien und dgl. sein können.

Bei den früheren Systemen waren die Einsatzmöglichkeiten und die Abbildungsfunktionen beschränkt. In neuerer Zeit sind jedoch kompliziertere Geräte entwickelt worden, mit denen Echtzeitbilder oder Aufzeichnungen von Bildern der gewünschten Teile des untersuchten Körpers in ausgezeichnetem Detail und mit guter Auflösung erhalten werden können.

In einer typischen Einrichtung dieser Art, an der die Erfindung unmittelbar anwendbar ist, liefert die Wandlereinrichtung und das Abbildungssystem eine Querschnittsabbildung eines inneren Körperteils, wobei die Wandlerelemente abgetastet werden, um den entsprechenden linearen Abschnitt des Körperbereichs zu befragen. Dieses Abtasten kann mechanisch vorgenommen werden, indem Wandlerelemente schwingend über den Winkelsektor bewegt werden oder gedreht werden, um ein ähnliches Ergebnis zu erzielen, oder es erfolgt ein elektronisches Abtasten mit Hilfe einer linearen Reihe oder eines Phasen-Array, bei dem die Elemente, obwohl sie ortsfest sind, elektronisch so betätigt werden, daß sie einen Schallstrahl erzeugen, der den abgefragten Querschnittsbereich abtastet. Ein derartiges lineares Reihensystem umfaßt eine Vielzahl von Wandlerelementen, die nebeneinander so angeordnet sind, daß sie sich über eine Länge von ca. 10 bis 15 cm erstrecken. Je-

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des Wandlerelement gibt, wenn es aktiviert wird, unmittelbar in den mit ihm in Berührung stehenden Körper einen Schallstrahl ab. Akustische Scheinwiderstandsunterschiede Innerhalb des Körpers verursachen, daß ein Teil des Schallstrahls zum Wandler zurück reflektiert wird. Das gleiche Wandlerelement fängt also die zurückkehrende Schallenergie ab und wandelt sie wieder in elektrische Energie um. Dies elektrische Signal wird dann weiterverarbeitet und kann z.B. auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre als eine Zeile Bilddaten abgebildet werden. Als nächstes erhält das benachbarte Wandlerelement einen Impuls, und daraufhin reflektierte Signale werden als benachbarte Zeile Bilddaten auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre angezeigt. Dies Verfahren wird für jedes der weiteren Wandlerelemente wiederholt und dabei auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre eine zweidimensionale Abbildung erzeugt. Das endgültige Bild enthält eine Anzahl paralleler Zellen von Daten, die akustische Scheinwiderstandunterschiede in einem rechteckigen Querschnitt durch den untersuchten Körper wiedergeben*

In dem System mit Phasen-Array ist eine Vielzahl von Wandlerelementen linear ausgerichtet in einer kompakten Anordnung vorgesehen. Jedes Wandlerelement ist einzeln an einen entsprechenden Sender und Empfänger angeschlossen, und die übertragenen Impulse sind so phasengesteuert, daß sie den abgegebenen Schallstrahl in die gewünschte Richtung lenken. In jedem Empfängerkanal vorgesehene, einstellbare Verzögerungen fördern den Empfang aus der gleichen Richtung, in der auch der Schallstrahl übertragen wird. Durch entsprechendes Steuern der Zeit, während der die Spannungen an die Wandlerelemente angelegt werden, und durch Steuernder einstellbaren Verzögerungen der getrennten Empfängerkanäle kann der Strahl in jeden beliebigen Winkel eines fächerförmigen Sektors gelenkt werden.

Das Phasenarray wird so eingesetzt, daß nacheinander eine Vielzahl radialer Linien erzeugt wird, die den fächerförmi-

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gen Sektor begrenzen, wobei im Verlauf der Erzeugung des gesamten Sektors eine ziemlich große Anzahl derartiger radialer Linien benutzt wird, die typischerweise im Größenordnungsbereich von 128 liegt. Dieser Satz Linien wird in kurzer Zeit erzeugt, typischerweise im Größenordnungsbereich von 1/30 einer Sekunde, so daß die entsprechende Abbildung auf der Kathodenstrahlröhre des Systems im wesentlichen ein Echtzeitbild mit hoher Auflösung des untersuchten Körperteils ist. Dieses Sichtbarmachen wird im hier vorliegenden Gebiet der Technik als B-Modus bezeichnet, d.h. als ein Anzeige- oder Abbildungsverfahren, bei dem Variationen des akustischen Scheinwiderstandes des Gewebes in Helligkeitsvarxatxonen auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre übersetzt werden.

Einzelheiten zu den Signalverarbeitungstechniken in Vorrichtungen der oben genannten Art zum Erzeugen des fächerförmigen Sektorbildes sind in verschiedenen Veröffentlichungen zu finden. Hierzu sei beispielsweise auf US-PS k 005 382 hingewiesen.

Ferner sei erwähnt, daß Vorrichtungen im wesentlichen entsprechend der obigen Beschreibung, an denen die Erfindung anwendbar ist, von der Anmelderin als Modell Nr. V-3000 im Handel erhältlich sind und auch als "Phased Array Ultrasonograph" beschrieben sind.

Bei Vorrichtungen der genannten Art ist die lineare Reihe der Wandlerelemente normalerweise von einem Wandlerkörper abgestützt, bei dem es sich um eine in der Hand gehaltene oder von Hand manipulierte Sonde handelt, deren Längsachse etwa mit der Ebene des fächerförmigen Ultraschallstrahls ausgerichtet ist und folglich den eingeschlossenen Winkel des Fächers etwa symmetrisch teilt.

In einem typischen Anwendungsfall bringt der Arzt oder Techniker, der die Diagnose vornimmt, das vordere, den

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Schallstrahl abgebende Ende des Wandlerkörpers in Berührung mit dem Körper des Patienten und bewegt den Wandlerkörper im Winkel so, daß dessen Längsachse in eine angemessene Stellung kommt, um eine Abbildung des gewünschten Teils des untersuchten Körpergewebes zu erhalten. Der fächerförmige Ultraschallstrahl liegt hierbei im wesentlichen in einer Ebene vor, so daß man normalerweise (z.B. auf dem schon erwähnten Schirm der Kathodenstrahlröhre) ein zweidimensionales Bild des Körpergewebes betrachtet, welches der fächerförmige Strahl schneidet.

In vielen Fällen reicht es für den Arzt oder Techniker nicht aus, allein Querschnitte zu untersuchen, denn er ist unter Umständen daran interessiert, die Form oder insbesondere das Volumen gewisser Körperorgane oder Hohlräume zu bestimmen. In vielen Fällen ist es z.B. bei Herzuntersuchungen äußerst wünschenswert, das Volumen einer Herzkammer, z.B. der linken Herzkammer zu kennen. In anderen Fällen, z.B. unter gewissen Umständen einer Schwangerschaft ist es höchst erwünscht, das Volumen des Föten abschätzen zu können.

Die Art, in der bisher Ultraschallabbildungsvorrichtungen der genannten Art benutzt wurden, reicht jedoch nicht aus, um die gewünschten Volumenmessungen oder Gestaltbestimmungen vorzunehmen. Es ist klar, daß es bei völlig freier Handhabung eines Wandlerkörpers kein bekanntes, determiniertes Verhältnis zwischen der Winkelstellung des Wandlerkörpers und der entstehenden Abbildung gibt. Unter diesen Umständen kann der untersuchende Arzt oder Techniker bestenfalls stark qualitative Auswertungen vornehmen, d.h. im wesentlichen ist er bei der Auswertung gezwungen, den Bildschirm zu beobachten,während er gleichzeitig den Winkel des Wandlerkörpers ändert, ohne jedoch exakte Informationen über das tatsächliche Winkelverhältnis zu besitzen.

In manchen Fällen sind Vorrichtungen der genannten Art be-

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reits mit komplizierten Armen zur Lagebestimmung des Wand-.lerkörpers versehen worden, die eine ziemlich genau« Handhabung desselben ermöglichen. Allerdings haben diese raumgreifenden Anordnungen andere Zwecke als das Messen von Volumina. Insbesondere sind sie lediglich dazu bestimmt, die Achse des Wandlerkörpers auszurichten, damit eine ganz bestimmte zweidimensionale Ansicht möglich wird. Außerdem sind solche Arme störend und behindern die Leichtigkeit, mit der der Wandler vom Arzt oder Techniker gehandhabt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ultraschallabbildungssystem zum Bewerten des Volumens oder der Gestalt eines dreidimensionalen Gebildes zu schaffen, für welches der Bereich des untersuchten Körpergewebes genutzt werden kann.

Das System gemäß der Erfindung ist insbesondere anwendbar als Ultraschallabbildungssystern zum Untersuchen von Körpergewebe und dgl. Zu diesem Ultraschallabbildungssystem gehört: Eine Wandlereinrichtung, eine Einrichtung zum Betätigen der Wandlereinrichtung, um den abgegebenen Schallstrahl so zu steuern, daß ein ebener Bereich innerhalb des Körpers bestrahlt wird, eine Einrichtung zum Empfang der vom Körper reflektierten Energie, eine Einrichtung zur Bestimmung des akustischen Scheinwiderstandes des untersuchten Körpergewebes anhand der längs den Richtungen der abgegebenen Schallstrahlen reflektierten Energie und zur Schaffung einer rekonstruierten Abbildung des ebenen Querschnitts des untersuchten Körpergewebes anhand derselben, sowie ein Wandlerkörper, der die Wandlereinrichtung abstützt und eine Achse hat, die mit der Ebene des Querschnittsbereichs ausgerichtet ist und diesen etwa symmetrisch unterteilt, wobei der Körper ferner im Verhältnis zu dem untersuchten Körpergewebe so ausrichtbar ist, daß der Schallstrahl einen gewünschten Querschnitt des Gewebes schneidet und dadurch abbildet.

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Mit der Erfindung ist es möglich, das Volumen oder die Gestalt eines dreidimensionalen Bereichs eines untersuchten Gewebes auszuwerten. Hierzu ist eine Einrichtung vorgesehen, die die Drehwinkel zwischen einer Bezugsposition und einer Vielzahl ausgewählter Untersuchungspositionen des Wandlerkörpers bestimmt, wenn der Körper aus seiner Bezugsstellung in gewählte Stellungen gedreht wird, wobei mindestens ein Punkt auf der Achse des Körpers im wesentlichen im Raum fixiert bleibt. Ferner sind Einrichtungen vorgesehen, die die zugehörigen rekonstruierten Abbildungen mit den festgestellten Winkeln in Beziehung setzen, um dadurch eine Vielzahl von Querschnittsabbildungen des untersuchten dreidimensionalen Bereichs zu erzeugen, wobei die abgebildeten Querschnitte des Gewebes mindestens einen gemeinsamen Punkt einschließen, um auf diese Weise eine Auswertung des Volumens oder der Gestalt des dreidimensionalen Gewebebereichs zu ermöglichen.

Ein System gemäß der Erfindung kann eine Einrichtung zum Anzeigen oder Abbilden der Vielzahl von Querschnittsbildern entsprechend den festgestellten Winkein und der Bezugsposition sowie eine Einrichtung zum Auswerten der Flächen des interessierenden dreidimensionalen Bereichs der Abbildung an jeder der angezeigten Querschnittsabbildungen aufweisen. Außerdem sind Einrichtungen vorgesehen, mit denen anhand der für jeden Querschnitt angezeigten Flächen das ungefähre Volumen des dreidimensionalen Bereichs errechnet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Längsachse des Wandlerkörpers in fester Lage gehalten und der Wandlerkörper wird um diese Achse nacheinander in Winkel gedreht, an denen die Querschnittsansichten untersucht werden sollen. Ein kodierter Drehgeber zeigt die aufeinanderfolgenden Win- : kelpositionen beim Drehen des Wandlerkörpers an, wobei die . Winkelpositionsdaten des Kodierers an eine entsprechende Logik weitergegeben werden. Die den verschiedenen Winkelpositionen zugehörigen Abbildungen werden angezeigt oder ab-

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gebildet^und ein Lichtschreiber in Form eines Stiftes oder eine andere Einrichtung wird benutzt, um den Umriß des Bereichs der Abbildung, der in jedem der aufeinanderfolgenden Querschnitte von Interesse ist, festzulegen, so daß auf diese Weise Flächenbestimmungen vorgenommen werden können. Das Volumen des untersuchten Bereichs kann dann mit üblichen Rechenverfahren anhand der Flächenbereiche bestimmt werden, die für jeden der Vielzahl von Querschnitten angezeigt werden.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das vordere Ende des Wandlerkörpers, aus dem der Schall abgegeben wird, in Berührung mit der Oberfläche des untersuchten menschlichen Körpers gehalten, wobei der Wandlerkörper um die vordere Spitze seiner Längsachse in aufeinanderfolgende Winkel gedreht wird um auf diese Weise die angezeigten, aufeinanderfolgenden ebenen Querschnitte zu erzeugen. Ein elektrischer Kontaktpunkt am oberen Bereich des Wandlerkörpers kann in diesem Fall mit einer Widerstands bahn in Berührung gehalten werden, die einen Teil einer Brückenschaltung bildet, um ein Maß für den Wandlerwinkel zu erhalten.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ähnelt dem zweiten Ausführun^sbeispiel, jedoch ist hier ein kodierter Drehgeber vorgesehen, um die Winkelstellung anzuzeigen, wobei an der vorspringenden Welle des Kodierers ein beschwertes

Element befestigt ist, welches diesen Wellenvorsprung des Kodierers in einer Bezugsstellung entsprechend einer vertikalen Ausrichtung des Gewichts hält. Unterschiedlich starke Ausschläge bei der Winkelstellung werden also anhand der Drehverschiebung des Wandlerkörpers gegenüber der Senkrechten gemessen.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

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Fig. 1 ein Schema eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems und eine Ansicht des Wandlerkörpers und der unmittelbar angrenzenden Elementej

Fig. 2 einen Schnitt durch den Wandlerkörper gemäß Fig. 1 längs der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 1, die ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigtj

Fig. ^ eine Seitenansicht des Wandlerkörpers gemäß Fig. 3 und zugehöriger Elemente;

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Wandlerkörpers und zugehöriger Elemente, die Teil eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung sind;

Fig. 6 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 5_t die den Wandlerkörper in verschiedenen WinkelStellungen zeigt;

Fig. 7 eine Seitenansicht ähnlich Fig. 6, die jedoch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit anderer Winkelbewegung des Wandlers zeigt;

Fig. 8 eine Seitenansicht eines Wandlerkörpers und des entsprechenden sektorförmigen Abtastmusters, welches in diesem Fall durch mechanisches Abtasten von Wandlerelementen erzeugt wird.

In den Figuren 1 und 2 ist ein Abbildungssystem 10 gemäß der Erfindung gezeigt, welches abgesehen von den im einzelnen in den Figuren dargestellten Elementen, die nachfolgend erläutert werden, insgesamt den bekannten Ultraschallabbildungssystemen entspricht, die bereits in der Einleitung erwähnt wurden und für die ein im Handel erhältliches Ausführungsbeispiel das Modell V-3000 "Phased Array Ultrasonograph" der Anmelderin ist. Zu einem solchen System gehört eine lineare Anordnung von nebeneinander vorgesehenen Wandlern, die in bekannter Weise in der Nähe des unteren Endes 8 eines Wandlerkörpers 12 angebracht ist, der bei vielen bekannten Systemen von Hand betätigt wird und normalerweise in guter akustischer Berührung mit der Haut I^ eines menschlichen Körpers gehalten

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wird, deren darunter liegende Gewebe 16 untersucht werden sollen. In der Praxis wird meistens ein Koppelgel zur Herstellung einer guten akustischen Kopplung zwischen der Wandleroberfläche und der Haut des Patienten benutzt.

Natürlich können zu den Geweben 16 auch verschiedene innere Organe und dgl. gehören. In einem typischen Fall liegt z.B. die Haut lh über dem Brustkörper oder der Bauchhöhle, wenn das Herz oder andere innere Organe durch Handhabung des Wandlerkörpers 12 untersucht werden sollen, wobei ein insgesamt fächerförmiger Ul traschallstrahl 18 in den Hohlraum oder andere Gewebebereiche projiziert wird, die untersucht werden sollen. Wie schon erwähnt, ist auch hier die lineare Reihe der Wandler so phasengesteuert, daß die abgegebenen Schallimpulse längs Linien oder radialer Elemente des fächerförmigen Ultraschallstrahls 18 ausgesendet werden. Der Empfang von den Wandlerelementen wird dabei so betätigt, daß der Empfang aus den gewünschten Richtungen gefördert wird, so daß der Fächerstrahl wirkungsmäßig aus einer Serie radialer Linien zusammengesetzt ist, längs denen Informationen erhalten werden. Weitere Einzelheiten zu dieser Art von Vorrichtung und Abbildungen derselben finden sich z.B. in einem Artikel von 0. T. Vonn Ramm et al. "Cardio-Vascular Diagnosis with Real Time Ultrasound Imaging¹¹, im Band 6 der "Acoustical Holography", herausgegeben von Newell Booth, Plenum Press, New York, 1975.

Wenn auch beim in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Wandlereinrichtung in Phasen-Array vorgesehen ist, liegt auf der Hand, daß eine fächerförmige Sektorabtastung auch mit einem mechanisch abgetasteten Wandler möglich ist, wie schon erwähnt. Ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem ein mechanisch abgetasteter, fächerförmiger Sektor eines Schallstrahls mit Hilfe drehbarer Wandlerelemente erzeugt wird, wird unten anhand von Fig. 8 näher erläutert. Die Vorteile der Erfindung lassen sich sogar am einfachsten statischen

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Abbildungssystem erzielen, rait dem kein fächerförmiger Sektor entwickelt wird, und auch an anderen Querschnittsabbildungssystemen, z.B. einem System mit linearer Reihenanordnung, welches ein rechteckiges Schallfeld bildet.

Beim üblichen Betrieb von Systemen der in Fig. 1 gezeigten Art gelangen die akustischen Signaldaten über ein Verbindungskabel 20 an eine zum System gehörende Elektronik 22, die die entsprechenden Signale für den Wandler erzeugt und die von den Wandlern zurückkehrenden Signale entsprechend weiterverarbeitet, wie bereits bekannt, und die Daten an eine Anzeigeeinrichtung bzw. ein Sichtgerät ZJ liefern kann. Wenn eine sichtbare Abbildung erwünscht ist, weist diese Einrichtung typischerweise eine Kathodenstrahlröhre auf, obwohl auch andere Möglichkeiten bekannt sind, wenn Daueraufzeichnungen oder dgl. nötig sind. Alle diese Bauelemente sind bereits bekannt.

Gemäß der Erfindung ist ein kodierter Drehgeber 24 am hinteren Ende 2? des Wandlerkörpers 12 befestigt und hat eine vorstehende und drehbare Welle 26, die mit der Längsachse 28 des Wandlerkörpers 12 ausgerichtet ist. Die Welle 26 ist am hinteren Ende 27 des Wandlerkörpers 12 fest angebracht, so daß beim Drehen des Wandlerkörpers 12 um die Längsachse 28 auch die Welle 26 mitgedreht wird.

Als kodierter Drehgeber 24 kann irgendeine bekannte, handelsübliche Vorrichtung verwendet werden, wie sie in der Elektronik und auf ähnlichen Gebieten allgemein bekannt sind. Geeignete Vorrichtungen sind z.B. die unter dem Warenzeichen "Rotaswitch" von der Firma Disc Instruments, Inc., Costa Mesa, Kalifornien vertriebenen Geräte. Es ist bekannt, daß es mit Kodiergeräten dieser Art möglich ist, die exakte Richtung und den Grad der Umdrehung der zugehörigen Welle zu bestimmen und folglich ein Ausgangssignal, im vorliegenden Fall über eine Leitung 30, zu erzeugen, welches insbesondere die Winkelposition der gedrehten Welle im Verhältnis zu einer

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Bezugsstellung anzeigt.

Beim gezeigten Abbildungssystem 10 ist das untere oder vordere Ende 8 des Wandlerkörpers 12 unter Zwischenschaltung eines Lagers 34 von einem ringförmigen Kragen 32 umgeben. Der Kragen 32 ist seinerseits über ein Glied 36 mit dem Körper 33 des kodierten Drehgebers 24 fest verbunden. Vorzugsweise ist das untere oder vordere Ende des Kragens 32 mit einem Ring 40 versehen, der aus einem Werkstoff mit starken Reibungseigenschaften, z.B. Gummi oder dgl. besteht.

Wenn bei dieser Anordnung der Wandlerkörper 12 mit seinem vorderen, den Schall abgebenden Ende 8 in gute akustische Berührung mit der Haut 14 gebracht wird, liegt auch der Kragen 32 mit dem Ring 40 aus Reibungsmaterial an der Hautoberfläche an. Polglich kann nun der Benutzer den Wandlerkörper 12 um seine Längsachse 28 drehen. Dabei bleibt jedoch der äußere, käfigartige Bereich, den der Kragen 32, das Glied 36 und das fest damit verbundene Gehäuse 33 des Kodierers bilden, beim Drehen des Wandlerkörpers 12 unter entsprechender Drehung der Welle 26 ortsfest.

Es ist klar, daß bei dieser Anordnung der projizierte fächerförmige Ultraschallstrahl 18, der anfangs gemäß Flg. 1 und 2 ausgerichtet sein kann, nacheinander durch Winkelpositionen drehbar ist, wie sie mit 18A, 18B und 18C im Querschnitt angedeutet sind, und die rechtwinklig zur Längsachse 28 liegen, wie Fig. 2 zeigt. Während dieses Vorganges werden die Winkelpositionsdaten über die Leitung 30 in die Elektronik 22 des Systems eingegeben. Gleichzeitig ändert sich mit dem jeweiligen Drehwinkel des Wandlerkörpers 12 die Darstellung des Bildes auf dem Sichtgerät 23, welches seinen Eingang über eine Leitung 44 von der Elektronik 22 des Systems erhält. Dieser Winkel kann gegebenenfalls auch unmittelbar an die Anzeigeeinrichtung weitergegeben werden, so daß der Benutzer den genauen Drehwinkel erfährt, unter dem die Betrachtung erfolgt.

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Aus der obigen Beschreibung geht hervor, wie ein auf dem Sichtgerät 23 abgebildetes Gewebe in seinem Volumen untersucht und ausgewertet werden kann. Im einzelnen dreht der Benutzer den Wandlerkörper 12, während er gleichzeitig das Sichtgerät 23 betrachtet, welches den Winkel anzeigen kann, der der betrachteten Abbildung zugehörig ist. Solche Anzeigen können z.B. in jeder aufeinanderfolgenden 1° Position erfolgen.

Mit dieser Anordnung kann der Benutzer die Gestalt oder das Volumen eines untersuchten Gewebebereichs direkt visuell abschätzen, es ist aber auch ein genaueres Schema vorgesehen. Insbesondere kann ein Lichtstift 46 oder eine ähnliche Einrichtung vorgesehen sein, die benutzt wird, um Flächenbereiche in jeder der aufeinanderfolgenden Winkelpositionen zu bestimmen, die entsprechend einem im voraus eingestellten Programm gewählt sind, z.B. alle 10°. Der Benutzer hält also die Drehbewegung des Wandlerkörpers 12 z.B. bei 10°, 20°, 30° usw. an und kann mit dem Lichtstift 46 den Umfang des für interessant gehaltenen Gewebebereichs umreißen. Wenn z.B. die linke Herzkammer untersucht und deren Volumen festgestellt wird, kann der Benutzer alle 10° oder an beliebiger anderer, vorher eingestellter Position den Lichtstift benutzen, um den Umriß der Herzkammer für den entsprechenden Querschnitt zu markieren. Mit Hilfe der entsprechenden Auslösung von der R-Welle des Elektrokardiogramms ist es bekannterweise möglich, die Abbildung auf einem ausgewählten Punkt im Herzzyklus zu halten. Bei Verwendung entsprechender Bildschirmkoordinaten kann der Umriß des interessierenden Flächenbereichs als eine Serie digital umgesetzter Koordinaten ausgedrückt werden. Das Signal vom Lichtstift ' 46 wird an die Elektronik 22 des Systems angelegt und von dort an einen Volumenrechner 47. Unter Benutzung normaler numerischer Techniken kann also das Volumen des ganzen Hohlraums oder Gewebebereichs durch die numerische Weiterverarbeitung der aufeinanderfolgenden Flächenbereiche bestimmt werden, die für ein volles Bestreichen über 180 aufeinanderfolgender Schnitte des untersuchten Hohlraums

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oder Gewebes errechnet werden.

Fig. 3 und 4 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der grundlegende Betrieb des Wandlers und Abbildungssystems dem in Zusammenhang mit Pig. I beschriebenen ähnelt und der Wandlerkörper 12 der gleiche ist wie schon beschrieben. Hier wird jedoch der Wandlerkörper nicht um seine Längsachse 28 gedreht sondern um eine Linie 52, die quer zur Längsachse 28 verläuft und sich bei Benutzung der Vorrichtung etwa in der Nähe der Hautoberfläche befindet. In diesem Fall wird der Wandlerkörper 12 um Winkel A unterschiedlicher und aufeinanderfolgender Werte gedreht, um wiederum aufeinanderfolgende Querschnitte des darunter liegenden Gewebes zu erzeugen, wie schon beschrieben. Die Ebene des fächerförmigen Strahls verläuft rechtwinklig zur Ebene der Zeichnung und ist durch eine Linie 51 angedeutet, wenn der Wandlerkörper 12 rechtwinklig zur Hautoberfläche ausgerichtet ist, und durch eine Linie 53, wenn der Wandlerkörper 12 um den Winkel A um die Linie 52 gedreht worden ist.

Statt eines kodierten Drehgebers wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel eine halbkreisförmige Widerstandsbahn 5^- benutzt, die einen elektrischen Gleitkontaktpunkt 56 (siehe Fig. 4) an einer Seite des Wandlerkörpers 12 hat, der mit der Widerstands bahn 5^ in Berührung gehalten wird. Die Widerstands.bahn $h ist an einer aufrechten Stütze ^8 angebracht, an der unten eine Platte 50 befestigt ist. Diese Platte 50 wird mit Hilfe eines Handgriffs 62 flachen der Oberfläche der Haut gehalten. Der Wandlerkörper 12 ist mit Hilfe einer Achsstütze 59 um die Linie 52 drehbar angebracht. Ein Ende 56A der Widerstands bahn $k ist über eine Leitung 55 mit einem Zweig einer Brückenschaltung 58 verbunden, wobei der Gleitkontaktpunkt 56 über eine Leitung 57 ans andere Ende des gleichen Zweiges der Brückenschaltung angeschlossen ist. Unter Anwendung üblicher Brückenschaltungstechniken kann also das Ausmaß des Winkels A, um das der Wandlerkörper 12 gedreht

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wurde, direkt festgestellt werden, wenn der Wandlerkörper 12 mit Hilfe der Achsstütze 59 um die Linie 52 gedreht wird, Ein die Winkelposition angebendes Datensignal wird von der Brückenscha,ltung 58 an einem Ausgang 6o geliefert und kann an die Elektronik 22 des Systems weitergegeben und wie schon beschrieben weiterverarbeitet werden. Beim Drehen des Wandlerkörpers 12 in aufeinanderfolgende Winkelpositionen kann die Vorrichtung zweckmäßigerweise am Handgriff 62 gehalten und in ihre Lage gebracht werden.

Fig. 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Wandlerkörper 12 wiederum uns-eine Linie 63 längs und in Berührung mit der Hautoberfläche gedreht wird. Diese Linie schneidet wieder die Längsachse 28 des Wandlerkörpers 12. Im vorliegenden Fall kann der Wandlerkörper 12 um eine Drehachse, die mit der Linie 63 zusammenfällt, in aufeinanderfolgende Winkelpositionen gedreht werden.

Um das Ausmaß der Winkeldrehbewegung beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 und 6 festzustellen, ist ein weiterer kodierter Drehgeber 66 vorgesehen, der von der gleichen schon anhand von Fig. 1 erläuterten Bauart sein kann. Im vorliegenden Fall ist der kodierte Drehgeber 66 an einer Seite des Wandlerkörpers 12 befestigt. Die Achse 64 der Welle 68 des Kodierers verläuft parallel zur Linie 63. An der Welle 68 des Kodierers ist ein Gewicht 72 befestigt, welches bestrebt ist, seine tiefste Stellung einzunehmen, d.h. bei der Winkelbewegung des Wandlerkörpers 12, z.B. in die in Fig. 6 gezeigte Position 12', ist das Gewicht bestrebt, in seiner untersten Stellung zu bleiben, so daß die Welle 68 sich geringfügig dreht, damit diese Stellung beibehalten werden kann. Es ist also klar, daß wiederum die Drehung der Welle 68 des kodierten Drehgebers 66 eine direkte Anzeige der Winkelposition des Wandlerkörpers 12 liefert. Diese Winkelpositionsdaten werden über eine Leitung 70 an die Elektronik 22 des Systems angelegt, wo sie in der schon genannten Weise weiterverarbeitet werden, um schließlich eine

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Volumenberechnung oder dgl. zu liefern.

Der Wandlerkörper wird beim weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung im Winkel hin- und herbewegt, damit die beobachtete Querschnittsfläche um die Linie 63 in Berührung mit der Hautoberfläche gedreht wird. Die Linie 63 verläuft parallel zur Welle 68 des Kodierers.

Fig. 7 zeigt einen Wandler mit drei Kodierern ähnlich dem in Fig. 5 und 6 gezeigten. Hier sind Kodierer 81 und 82 rechtwinklig zur Längsachse 28 des Wandlers und rechtwinklig zueinander angeordnet, so daß sie Informationen hinsichtlich der Senkrechten der Fächerebene liefern und auch jegliche Drehbewegung anzeigen, die innerhalb der Bildebene selbst stattfindet. Zusätzlich kann ein kodierter Drehgeber 84 in Fällen vorgesehen sein, in denen die Längsachse 28 des Wandlers nicht in senkrechter Richtung ausgerichtet ist, um Drehbewegungen um die Längsachse 28 anzuzeigen. Die Winkelpositionen dieser drei Kodierer liegen über Datenleitungen 88 an der Elektronik 22 des Systems an, wo sie in der schon genannten Weise weiterverarbeitet werden können, um eine Volumenberechnung oder dgl. zu liefern.

Fig. 8 ist ein Beispiel für Systeme, die im Gegensatz zu den oben beschriebenen Systemen mit elektronisch gesteuerter Arrayanordnung mit mechanischer Abtastung arbeiten, um einen Sektor zu bilden. Bei diesem System sind vier Wandlerelemente 91, 92, 93 und 94 am Umfang eines Rades angebracht, welches von einem Motor 96 angetrieben wird. Beim Drehen jedes Wandlerelementes im gewünschten Sektorbereich 98 wird der Wandler von einer Serie von Impulsen aktiviert, so daß er akustische Strahlen ins Gewebe innerhalb des Sektorbereichs 98 sendet. Die Echos werden vom gleichen Wandler empfangen und über eine Leitung 99 an die Elektronik 22 des Systems angelegt. Wie bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel liefert ein Kodierer 66' mit einer Welle 68' und einem Gewicht 72' eine direkte Anzeige der Winkelposition des Wandlerkörpers 12'

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gegenüber der Senkrechten. Folglich kann die Winkelorientierung der Abtastebene, d.h. des Bereichs 98 zur Senkrechten bestimmt werden, so daß beim Drehen des Wandlerkörpers 12' um eine Achse 63', die parallel zur Achse 68' der Welle verläuft, die relative Ausrichtung dieser verschiedenen Abtastebenen bestimmt wird. Diese Information wird über eine Leitung 70■ an die Elektronik des Systems angelegt.

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Claims

PATENTANWÄLTE

DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

Orthstraße 12 ■ D-8000 München 60 · Telefon 832024/5 Telex 5212744 · Telegramme Interpatent

Vl P522 D Varian Ass. Inc., PaIo Alto, CaI.,U.S.A.

Ultraschallabbildungssystem

Priorität! 9· November 1979 - U.S.A. - USSN 92 903

Patentansprüche

I.) Ultraschallabbildungssystem zur Untersuchung von Körpergewebe und dgl. mit einer Wandlereinrichtung, die das zu untersuchende Körpergewebe nit einem Ultraschallstrahl abfragt, der über einen inneren, fächerförmigen Sektor des zu untersuchenden Gewebes streicht, einer Einrichtung, die anhand der vom Strahl erzeugten, reflektierten Ultraschallenergie die Variationen des akustischen Scheinwiderstandes des Körpergewebes über den Flächenbereich des Sektors bestimmt und anhand dessen eine rekonstruierte Abbildung eines Querschnitts des Körpergewebes entsprechend dem Sektor liefert, wobei die Wandlereinrichtung einen Gehäusekörper hat, dessen Längsachse etwa mit der Ebene des fächerförmigen Sektors ausgerichtet ist und den eingeschlossenen Winkel des Fächers etwa symmetrisch teilt und der Körper im Verhältnis zu dem untersuchten Körpergewebe so ausrichtbar ist, daß der fächerförmige Sektor einen gewünschten Querschnitt des Gewebes schneidet und dadurch eine Abbildung desselben bewirkt, wobei die Verbesserung die Auswertung des Volumens oder der Gestalt eines dreidimensionalen Bereichs des untersuchten. Gewebes ermöglicht,

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gekennze ichne t durch eine Einrichtung, die den Drehwinkel zwischen einer Bezugsposition und einer Vielzahl gewählter PrüfPositionen des Wandlerkörpers beim Drehen des Wandlerkörpers aus der Bezugsstellung in die gewählten Stellungen bestimmt, wobei mindestens ein Punkt auf der Längsachse im Raum im wesentlichen festbleibt, und durch eine Einrichtung,' die die zugehörigen rekonstruierten Abbildungen mit den festgestellten Winkeln in Beziehung setzt, um dadurch eine Vielzahl von Querschnittsabbildungen des untersuchten dreidimensionalen Gewebebereichs zu erzeugen, wobei die abgebildeten Gewebequerschnitte mindestens einen gemeinsamen Punkt einschließen, um dadurch die Bewertung des Volumens oder der Gestalt des dreidimenslenalai Gewebebereichs zu ermöglichen.

2. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die die Vielzahl von Querschnittsabbildungen entsprechend den festgestellten Winkeln und der Bezugsposition anzeigt, und eine Einrichtung, die anhand der dadurch angezeigten Flächenbereiche für jeden Querschnitt das ungefähre Volumen des interessierenden dreidimensionalen Bereichs errechnet.

3· Ultraschallabbildungssystem zum Untersuchen von Körperorganen und dgl. mit einer Vielzahl von Wandlerelementen in einem Phasen-Array, einer Einrichtung, die die Betätigung der Wandlerelemente so phasensteuert, daß der abgegebene Schallstrahl in eine Vielzahl radialer Richtungen in einem fächerförmigen Sektor geleitet wird, einer Einrichtung, die reflektierte Energie aus der Vielzahl radialer Richtungen im Sektor empfängt, einer Einrichtung, die anhand der reflektierten Energie den akustischen Scheinwiderstand des untersuchten Körpergewebes längs der radialen Richtungen feststellt und eine rekonstruierte Abbildung des fächerförmigen ebenen Sektors des untersuchten Gewebes liefert, und einem Wandlerkörper, der die Anordnung der Elemente trägt und eine Achse hat, welche mit der Ebene des

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fächerförmigen Sektors ausgerichtet ist, wobei die Verbesserung die Bestimmung des Volumens eines dreidimensionalen Bereichs des untersuchten Gewebes durch Winkelbewegung des Wandlerkörpers ermöglicht, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die den Drehwinkel des Wandlerkörpers im Verhältnis zu einer Bezugsposition beim Drehen des Körpers um einen im Raum festen Punkt auf seiner Achse während der Winkelbewegung bestimmt, und durch eine Einrichtung, die die konstruierte Abbildung mit dem festgestellten Winkel in Beziehung setzt, um dadurch eine Vielzahl von Querschnittsabbildungen entsprechend einer zugehörigen Vielzahl von Drehwinkeln des Wandlerkörpers zu erzeugen, um so durch Bewerten der Flächen des Gewebes in jeder Querschnittsabbildung das Volumen der Gewebeteile zu bewerten.

4. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die die aufeinanderfolgenden Querschnittsabbildungen entsprechend festgestellten Drehwinkeln anzeigt, und eine Einrichtung, die anhand des für jede der Querschnittsansichten angezeigten Flächenbereichs das ungefähre Volumen des ausgewählten Bereichs errechnet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung den Wandlerkörper um seine Längsachse drehbar abstützt, und daß die Einrichtung, die den Drehwinkel bestimmt, eine kodierte Drehgebereinrichtung aufweist, die am Körper angebracht ist, um ein Signal zu liefern, welches den Drehwinkel anzeigt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung den Wandlerkörper um eine Achse quer zu seiner Längsachse drehbar abstützt.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet , daß die Querachse dem den Schallstrahl aussendenden Ende des Wandlerkörpers eng benachbart ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung, die die Drehachse um die Querachse bestimmt, einen kodierten Drehgeber aufweist, dessen Drehwelle sich rechtwinklig zur Längsachse des Wandlerkörpers erstreckt und ein herabhängendes Gewicht trägt, wodurch bei einer Winkelbewegung des Körpers aus einer im wesentlichen senkrechten Position die Drehgeberwelle sich in Abhängigkeit von dem Gewicht dreht, um das Signal zu liefern, welches die Winkelverschiebung gegenüber der Senkrechten anzeigt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung, die die Drehachse um· die Querachse bestimmt, eine Platte aufweist, die eben an der Oberfläche des untersuchten Körpergewebes gehalten wird und auf der der Wandlerkörper um einen festen Punkt drehbar angebracht ist, und an der eine kodierte Drehgebereinrichtung angebracht ist, die den Winkel zwischen der Platte und dem Wandlerkörper wahrnimmt, wenn der Körper um den Festpunkt im Winkel bewegt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet , daß die kodierte Drehgebereinrichtung eine insgesamt halbkreisförmige Widerstandsbahn aufweist, die an der Platte in einer Ebene parallel zu derjenigen Ebene angebracht ist, die durch die Umdrehung des Wandlerkörpers um den Festpunkt definiert wird, und einen Gleitkontakt, der am Körper angebracht ist und an der Widerstands bahn anliegt, wodurch bei der Winkelbewegung des Körpers um den Festpunkt die Wider-

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Standsbahn eine entsprechende hinweisende Widerstandsänderung anzeigt.

11. Ultraschallabbildungssystein zum Untersuchen von Körpergewebe und dgl.,

gekennzeichne t durch eine Wandlereinrichtung, die das zu untersuchende Körpergewebe mit einem Ultraschallstrahl abfragt, der über einen inneren Querschnittsflächenbereich des Gewebes streicht, eine Einrichtung, die anhand der vom Strahl ausgehenden, reflektierten Ultraschallenergie die Variationen des akustischen Scheinwiderstandes des Körpergewebes in dem Flächenbereich feststellt und anhand dessen eine rekonstruierte Abbildung des Querschnitts des Körpergewebes entsprechend dem überstrichenen Flächenbereich liefert, wobei die Wandlereinrichtung einen Wandlergehäusekörper hat, dessen Längsachse im wesentlichen mit der Ebene des Querschnittsflächenbereichs ausgerichtet ist, eine Einrichtung, die den Drehwinkel zwischen einer Bezugsposition und einer Vielzahl gewählter Untersuchungsausrichtungen des Wandlerkörpers bestimmt, wenn der Wandlerkörper aus der Bezugsstellung in die gewählten Ausrichtungen gedreht wird, wobei mindestens der Punkt am Körper und an der Längsachse, der der Oberfläche des untersuchten Körpergewebes unmittelbar benachbart ist, im wesentlichen im Raum festbleibt, und durch eine Einrichtung, die die zugehörigen rekonstruierten Abbildungen mit den festgestellten Winkeln in Beziehung setzt, um dadurch eine Vielzahl von Querschnittä>ildern eines untersuchten dreidimensionalen Gewebebereichs zu erzeugen, wobei die Abbildungs-Gewebequerschnitte mindestens einen gemeinsamen Punkt einschließen, um dadurch die Auswertung des Volumens oder der Gestalt des dreidimensionalen Gewebebereichs zu ermöglichen.

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12. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Wandlereinrichtung mindestens ein Wandlerelement aufweist, welches in einem Bogen mechanisch bewegt wird, wodurch der Strahl über einen inneren Querschnittsflächenbereich streicht, der ein fächerförmiger Sektor des untersuchten Gewebes ist.

13. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Wandlereinrichtung ein Phasen-Array von Wandlerelementen ist, die den Ultraschallstrahl aussendet und den Strahl über den inneren Querschnittsflächenbereich in einem fächerförmigen Sektor abtastet.

Ik. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Wandlereinrichtung eine lineare Reihe von Wandlerelementen ist, die den Ultraschallstrahl aussenden und den Strahl über einen rechteckigen inneren Querschnittsflächenbereich abtasten.

15. Ultraschallabbildungssystem mit einer Wandlereinrichtung, die innerhalb eines von Hand erfaßbaren Körpers angebracht ist, und einer elektronischen Einrichtung, die der Wandlereinrichtung elektrische Impulse liefert, um die Auasandung eines Ul traschall Strahls zum Abfragen zu untersuchenden inneren Körpergewebes zu bewirken, und die reflektierte akustische Signale veranlaßt, welche von der Wandlereinrichtung in elektrische Signale umgewandelt werden, die Variationen des akustischen Scheinwiderstandes innerhalb des Körpers anzeigen, wobei die elektronische Einrichtung die Signale weiterverarbeitet, um anhand derselben eine rekonstruierte zweidimensionale Abbildung des Körpergewebes zu liefern, wobei die Verbesserung die Bestimmung der Ausrichtung des Wandlerkörpers ermöglicht,

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gekennzeichnet durch eine am Körper angebrachte Wellenwinkel-Kodiereinrichtung, eine an der Welle befestigte Einrichtung zum Ausrichten der Welle entsprechend dem Drehwinkel zwischen einer Bezugsstellung und der Stellung des Körpers nach dem Drehen um einen im Raum festen Punkt am Schallaussendeende des Wandlerkörpers und der Oberfläche des untersuchten Körpergewebes, und durch eine Einrichtung, die die rekonstruierte Abbildung mit dem Drehwinkel in Beziehung setzt.

16. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet , daß der Kodierer eine drehbare Welle aufweist, und daß die an der Kodiererwelle befestigte Einrichtung ein Gewicht aufweist, welches von derselben herabhängt, so daß sich bei einer Winkelbewegung des Körpers aus einer im wesentlichen senkrechten Stellung der Kodierer aufgrund des Gewichtes

dreht, um ein Signal zu liefern, welches die Winkelverschiebung gegenüber der Senkrechten anzeigt.

I?. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß der Wandlerkörper eine Längsachse hat, und daß das System drei Wellenwinkel-Kodiereinrichtungen aufweist, von denen zwei am Körper so angebracht sind, daß sich ihre Wellen rechtwinklig zur Längsachse und zueinander erstrecken und der dritte Kodierer am Körper an demjenigen Ende angebracht ist, welches dem Sendeende entgegengesetzt ist, und wobei dessen Welle allgemein mit der Längsachse ausgerichtet ist.

18. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß der Wandlerkörper eine Längsachse hat, und daß der Kodierer eine drehbare Welle aufweist, die mit der Längsachse ausgerichtet ist und am Körper an demjenigen Ende befestigt ist, welches dem Sendeende entgegengesetzt ist, während der Rest des

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Kodierers an einem Rahmen befestigt ist, an dem auch der Wandlerkörper um die Längsachse drehbar beweglich angebracht ist.

19. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 151

dadurch gekennzeichnet , daß der Kodierer ein Potentiometer aufweist.

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