DE3121512A1 - Endoskopische sonde, einichtung und zugehoeriges verfahren - Google Patents

Endoskopische sonde, einichtung und zugehoeriges verfahren

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DE3121512A1 DE19813121512 DE3121512A DE3121512A1 DE 3121512 A1 DE3121512 A1 DE 3121512A1 DE 19813121512 DE19813121512 DE 19813121512 DE 3121512 A DE3121512 A DE 3121512A DE 3121512 A1 DE3121512 A1 DE 3121512A1
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Philip Govind 94025 Atherton Calif. Saraf
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Description

  • End@skopische Sonde, Einrichtung und
  • zugehöriges Verfahren Endoskopische Sonde, Einrichtung und zugehöriges Verfahren Endoskope für die Sichtuntersuchung innerer Organe lebender Körper sind bekannt. Sie umfassen entweder einen biegsamen oder starren Schlauch, der zwischen einem Steuergehäuse an dem dem Untersuchenden nahen Ende und einer Spitze oder Sonde an dem dem Untersuchenden fernen Ende verläuft. Ein biegsamer Schlauchabschnitt ist nahe der Sonde vorgesehen, der unter Anwendung einer Stellvorrichtung am Steuergehäuse von einem Bediener abgebogen werden kann. Ferner sind optische Beleuchtungs- und Beobachtungsmittel vorgesehen, die eine Objektivlinse an der Sonde und ein Okular am Steuergehäuse umfassen, so daß die Höhlungs-Oberfläche beobachtet werden kann.
  • Endoskope geben dem Untersuchenden zwar Informationen bezüylich des Zustands von im Körper liegenden Oberflächen, die Notwendigkeit einer Ultraschallabbildung darunterliegender Flächen ist jedoch längst anerkannt. In einer Veröffentlichung mit dem Titel "A New Trans-digestive-tract Scanner Wltfr A Gastro-fiberscope" von K. Hisanage und A. Hisanage in "Proceedings of the 23rd Annual içleetiny of the American Institute of Ultrasound in Medicine", 1978, S. 108, ist ein Faseroptik-Endoskop mit einem beweglichen Wandler zur Erzielung von B-Sektorabtast-Abbildungen von darunterliegendem Gewebe gezeigt. Ls wird jedoch in dem Artikel gesagt, daß die erhaltenen Abbildungen diagnostisch wertlos sind. Sonden mit linearen Wandleranordnungen sind ferner aus der US-PS 3 938 502 und der DE-PS 2 305 501 bekannt. Dort sind kreisförmige bzw. geradlinige Wandleranordnungen gezeigt. Diese Sonden weisen jedoch keine optischen Beobachtungsmittel auf, mit deren Hilfe der Untersuchende die Sonde an erwünschten Stellen innerhalb des Körperteils positionieren könnte. Ohne dieses Wissen bezüglich der Lage und Orientierung des Wandlers sind erzeugte U'ltraschallabbildungen nur von sehr geringem diägnostischem Wert. Ferner sind normalerweise optische Beobachtungsittel erforderlich, um die Sonde während ihrer Einführung in das Körperorgarl so sicher zu führen, daß der-Patient weder Verletzungen erleidet noch Schmerzen ertragen muß. Außerdem weisen diese Sonden keine akustische Zylinderlinse zur Strahlfokussierung auf. Lineare Ultraschallwandleranordnungen mit einer Zylinderlinse für die Fokussierung in einer Ebene, die zur elektronischen Strahlfokussierung in einer zweiten Ebene senkrecht liegt, sind in der US-PS 3 936 791 angegeben. Dort ist die Linse jedoch mit einer konkaven freien Außenfläche ausgebildet, die zum Einsatz in einer endoskopischen Sonde nicht geeignet ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Sonde, die in eine Körperhöhlung zwecks Abbildung innerer Körperteile mittels Ultraschall-B-Streifenabtastung einführbar ist. Dabei soll ein kombiniertes impulsgesteuertes Ultraschall-B-Abtastungs-Abbildungssystem und Endoskop geschaffen werden, mit dem die vorgenannten Nachteile und Schwierigkeiten des Standes der- Technik überwindbar sind.
  • Ferner soll ein Ultraschall-Abbildungssystem und Endoskop geschaffen werden, das eine Sonde aufweist, die in einfacher Weise optisch zu erwünschten Stellen in Körperorganen geführt werden kann und mit der Echtzeit-Abbildungen hoher Auflösung von darunterliegendem Gewebe erhalten werden, die für diagnostische Zwecke brauchbar sind.
  • Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch den Einsatz eines Endoskops, das eine Sonde aufweist, die mit einem Schlauch an ein Steuergehäuse angeschlossen ist.
  • Das Instrument kann ein optisches Beleuchtungs- und Beobachtungssystein mit einer Objektivlinse an der Sonde und einem Okular am Gehäuse aufweisen, so daß Innenflächen von Krperteilen optisch betrachtet werden können. Wenigstens ein Abschnitt des Schlauchs angrenzend an die Sonde ist biegsam, und der Bediener biegt den Schlauch mittels eines Stellgriffs am Steuergehäuse in eine erwünschte Richtung, wodurch das Führen der Sonde in den Körperteil und das Positionieren der Sonde an einer erwünschten Stelle im Körperteil erleichtert werden. Eine Ultraschallabbildung von darunterliegendem Gewebe an optisch identifizierbaren Bereichen wird durch ein impulsge,steuertes Ultraschallabbildungssystem mit B-Streifenabtastung erhalten. Eine Wandleranordnung ist in der Sonde nahe deren gehäusefernem Ende angeordnet, und Koaxialkabel verbinden einzelne Wandlerelemente der Anordnung mit einem Impulsgeber und einem Impulsempfänger des B-Streifenabtastsystems. Es sind Mittel vorgesehen zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallenergie unter Verwendung von Gruppen von Wandlerelementen derart, daß eine Strahifokussierung und Abtastung in der Längsebene der Anordnung durchgeführt wird. Eine massive Fokussierlinse aus einem Material mit niedriger Fortpflanzungsgeschwindigkeit ist an der Endfläche der Anordnung befestigt und weist eine Außenfläche auf, die im wesentlichen der Kontur der Außenfläche der Sonde entspricht; sie dient der Strahifokussierung in einer zur Längsebene der Wandleranordnung senkrechten Richtung.
  • Mit dieser Einrichtung werden Ultraschallabbildungn mit hoher Auflösung über einen Tiefenbereich unter der. Oberfläche des Körperteils erhalten. Die Echtzeit-Abbildungen werden an einer Sichtanzeige zur Anzeige gebracht, die vom Bediener leicht beobachtbar ist. Wenn das Instrument ein optisches Betrachtungssystem aufweist, ist auch ein betriebsinternes Fernsehsystem vorgesehen, das eine Kamera aufweist, die auf optische Abbildungen von der Sonde anspricht, sowie einen Fernsehmonitor nahe der B-Abtastungs-Anzeigeeinheit. Infolgedessen werden die optischen und die Ultraschall-Abbildungen gleichzeitig angezeigt und können vom Bediener gleichzeitig beobachtet werden.
  • Anhand der, Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine kombinierte Aufsicht und Perspektivansicht des Endoskops und Ultraschall-Abbildungssystems nach der Erfindung; Fig. 2 eine Ansicht eines Okulars, das mit der Erfindung verwendbar ist; Fig. 3 eine größere Teilansicht der Sonde, wobei zur größeren Klarheit Teile weggebrochen sind; Fig. 4 eine Schnittansicht 4-4 nach Fig. 3; Fig. 5 ein vereinfachtes, Blockschaltbild des Systems nach Fig. 1 mit Einzelheiten eines Ultraschall-Abbildungssystems, das zum Einsatz mit der Erfindung geeignet ist; Fig. 6 eine Ansicht der Sonde, die in einem Hagen positioniert ist, um eine Ultraschalluntersuchung der benachbarten Bauchspeicheldrüse durchzuführen; und Fig. 7 eine Schnittansicht einer zylindrischen akustischen Verbund-Fokussierlinse, die in der Sonde nach der Erfindung, verwendbar ist.
  • Wie bereits erwähnt, ist die Ultraschall-Abbildung von inneren Körperteilen bekannt. Ferner ist es bekannt, daß die Ultraschallenergie auf ihrem Weg durch Organe und Gewebe nicht nur gedämpft wird, sondern daß auch die Dämpfung mit der Frequenz ansteigt. D. h., Hochfrequenzsignale werden stärker als Niederfrequenzsignale oder -Signalkomponenten gedämpft. Infolgedessen wird, wenn eine Abbildung von tief im Körper liegenden Körperteilen von der Haut des Patienten her. erwünscht ist, relativ niederfrequente Energie angewandt, um die Dämpfung zu minimieren. Die erzielbare Auflösung hängt jedoch von der Frequenz der Energiewellen ab. Wenn infolgedessen eine Übertragung von Ultraschallenergie durch erhebliche Schichten von Körpermaterial zum Abbilden dses erwünschten Körperteils erforderlich ist, ist offensichtlich die Anwendung von relativ niederfrequenter Energie notwendig, wodurch die Auflösung beschränkt wird. Wenn die Wandleranordnung in einer endoskopischen ~Sonde angeordnet ist, sind mit hohen Frequenzen von z. B. 10 MHz Ultraschallabbildungen hoher Auflösung von inneren Körperteilen, die von der Haut weit entfernt sind, erzielbar. Bei dem angegebenen System sind z. 8. Abbildungen hoher Auflösung von der Bauchspeicheldrüse von innerhalb des Magens durch die Magen- und Zwölffingerdarmwandungen möglich.
  • Es wird nunmehr auf Fig. 1 Bezug genommen, die das neue endoskopische und Ultraschall-Abbildungssystem zeigt, das eine Sonde 10 aufweist, die mit einem Gehäuse 12 durch einen Schlauch 14 verbunden ist, wobei wenigstens ein Abschnitt des Schlauchs anschließend an die Sonde biegsam ist. Das System umfaßt ein Endoskop, das im wesentlichen herkömmlichen Endoskopen entspricht; nur beispielsweise ist ein biegsames Endoskop gezeigt. Die Sonde 10 umfaßt einen starren Tragblock 16, der im wesentlichen zylindrisch ist, am distalen Ende. Der Tragblock 16 ist mit einem im wesentlichen halbzylindrischen, nach rückwärts verlaufenden Abschnitt 16A ausgebildet, der zur Halterung von Teilen eines optischen Beleu#chtungs- und Beobachtungssystems sowie einer Wandleranordnung dient.
  • Das optische Beleuchtungs- und Beobachtungssystem umfaßt Lichtleiterbündel 18, 189 die axial durch den langen Abschnitt des Tragblocks 16 verlaufen und an dessen Stirnfläche enden. Die Lichtleiterbündel, die in einem Schutzmantel angeordnet sind, verlaufen nach rückwärts durch den Schlauch 14 in das Gehäuse 12 und enden an einem Optokoppler 19 an einer Wan'dung. des Gehäuses 12. Ein Lichtleiterkabel 20 verbindet die Lichtleiterbündel mit einer geeigneten Beleuchtungsquelle (nicht gezeigt) an einer Endoskop-Steuereinheit 22. Eine Lichtschalter- und -intensitäts-Steuerung 24 ist auf dem Schaltfeld der Steuereinheit 22 zum Einstellen der Beleuchtung angeordnet. Die Steuereinheit 22 steuert auch eine Fluidversorgung für z. 8. Druckluft und Wasser, die mit dem Endoskop verbunden sein kann.
  • In Fig. 1 ist nur eine Wasserversorgung gezeigt, die mit wdem Endoskop aus noch zu erläuternden Gründen verbunden ist.
  • Das optische Beobachtungssystem umfaßt eine Objektivlinse, die z. B. Linsenelemente 28 und 30 (vgl. Fig. 3) aufweist, die in einer axial verlaufenden Blende enthalten sind, die durch den langen Abschnitt des Tragblocks 16 verläuft.
  • Das eine Linsenelement 28 ist zweckmäßigerweise angrenzend an die Stirnfläche des Tragblocks 16 befestigt, während das andere Linsenelement 30 am Vorderende eines Bündels 32 von Lichtleiterfasern befestigt ist. Ausgehend von der Sonde 10 verläuft das Lichtleiterbündel 32 rückwärts durch den Schlauch 14 und das Steuergehäuse 12 zu einem Optokoppler 34 an der Rückseite des Gehäuses. Fig. 1 zeigt ein Lichtleiterkabel 36, das zum Anschluß des Beobachtungssystems an eine Bildkamera (nicht gezeigt) vorgesehen ist, die in einer Videoanzeige- und Steuereinheit 38 enthalten'ist. Die Kamera in der Steuereinheit 38 umfaßt ein Element eines internen Fernsehsystems mit einer Sichtanzeigeeinheit 40 für die Sichtanzeige von Objekten innerhalb des Beobachtungsbereichs der Objektivlinse. Die Frontplatte der Videoanzeige- und Steuereinheit 38 weist Ein-Aus-, .Helligkeits und Kontrast-Stellelemente auf, die in herkömmlichen internen Fernsehsystemen vorgesehen sind.
  • Ein Okular 42 (vgl. Fig. 2) kann mit dem Endoskop-Beobachtungssystem durch einen Optokoppler 34 verbunden werden, nachdem zuerst das Lichtleiterkabel 36 abgekoppelt wurde, so daß eine direkte Betrachtung durch den Bediener anstatt einer Betrachtung auf dem Bildschirm 40 möglich ist.
  • Der Einsatz des Okulars 42 wird häufig während der Einführung der Sonde in die Körperhöhlung bevorzugt.
  • Eine herkömmlich ausgebildete Biegeeinstelleinheit kann für die Einstellung der Biegung des Schlauchs 14 nahe der Sonde 10' verwendet werden. In Fig. 1 ist ein Ablenkring 44 (vgl. Strichlinien) nahe dem gehäuseseitigen Ende der Sonde 10 gezeigt, der über drei Einstelidrähte 45 mit einer Biegeeinstellvorrichtung im Gehäuse 12 verbunden ist. Die Biegeeinstellvorrichtung umfaßt eine erste, vom Gehäuse ausgehende Welle 46, eine zweite Welle 48, die von der ersten Welle 46 radial verläuft, und einen Handgriff 50 am freien Ende der Welle 48. Ein gleichzeitiges Umlaufen der beiden Wellen 46 und 48 durch Betätigung des Handgriffs 50 ist möglich, um die Sonde 10 in jede gewünschte Richtung relativ zu dem biegsamen distalen Ende des Schlauchs 14 zu biegen.
  • Wie bereits erwähnt, sieht die Einhe#it 22 auch eine Wasserversorgung für das Endoskop vor. Ein Wasserdruckmesser 52 zeigt den Druck des dem Endoskop zugeführten Wassers an, und ein Stellorgan 54 dient zum Einstellen des Drucks auf den. erwünschten Pegel. Wasser wird durch eine Leitung 56 zum Gehäuse 12 geleitet und von dort durch den Schlauch 14 und die Sonde 10 zu einer Düsenspitze 58 geleitet, die aus der Stirnfläche der Sonde gering vorspringt. Wasser strömt aus der Düse an den Enden der Beleuchtungs-Lichtleiterbündel 18 vorbei und über das Linsenelement 28, so daß dieses nicht durch Schleim od. dgl. verschmutzt wird.
  • Bei der gezeigten Anordnung ist auch ein Führungskanal 60 vorgesehen, der von der Spitze der Sonde 10 zum Gehäuse 12 verläuft und sich aus diesem nach außen öffnet, so daß durch diesen Führungskanal verschiedene Geräte einführbar sind. Hier ist zu beachten, daß bei der angegebenen Sonde die verschiedenen vorstehend ~erla'uterten Endoskopkanäle durch den im wesentlichen halbzylindrischen Abschnitt 16A des Tragblocks 16 verlaufen und innerhalb eines im wesentlichen halbkreisförmigen Bereichs der Endfläche der Sondenspitze enden. Die ungefähre andere Hälfte der im wesentlichen zylindrischen Sonde wird von einer geradlinigen Ultraschall-Wandleranordnung 70 eingenommen.
  • Mit der gezeigten' Nebeneinanderanordnung der Wandleranordnung und der Endoskopkanäle und mit'dem Positionieren des distalen- Endes der Wandleranordnung nahe dem distalen Sondenende wird eine Sonde mit minimaler Gesamtlänge geschaffen, die leicht in einen Patienten eingeführt werden kann.
  • Die Wandleranordnung, die am besten aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, umfaßt eine viereckige basis 72 aus elektrisch leitfähigem Material, auf der piezoelektrischer Wandlerelemente 74 der Anordnung befestigt sind. Elektroden 76 und 78 sind an entsprechenden entgegengesetzten Flächen des piezoelektrischen Materials 74 befestigt.
  • Z. B. besteht die Wandleranordnung aus einem 3 ~ 0,5 cm großen Körper aus piezoelektrischem Material mit Elektroden an entgegengesetzten Endflächen, wobei der piezoelektrische Körper einheitlich senkrecht zu den entgegengesetzten parallelen elektrodenbedeckten Endflächen polarisiert ist. Der piezoelektrische Körper mit den darauf angeordneten Elektroden ist an der Basis 72 mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff elektrisch verbunden. Die Basis 72 besteht aus einem akustisch dämpfenden Werkstoff zwecks Senkens des akustischen Gütefaktors der Wandleranordnung derart, daß kurze akustische Impulse erzeugt und empfangen werden können, was für eine gute Bereichsauflösung erforderlich ist. Nach dem Verbinden mit der Basis 72 wird das piezoelektrische Material in z. B.
  • 64 eng beabstandete Wandlerelemente zerschnitten zur Bildung der linearen Wandleranordnung. Mitt den vorgenannten Abmessungen und einer geeigneten Dickendimensionierung können die Wandlerelemente bei einer Frequenz im Bereich von z. B. 8-12 MHz arbeiten. Das distale Ende der Basis 72 der Wandleranordnung ist z. B. durch haftendes Verbinden an dem Tragblock 16 befestigt, und nicht gezeigte Mittel halten das proximale Ende der Wandleranordnung in der Sonde.
  • Es ist ersichtlich, daß die Längsebene 80 der Wandleranordnung in Längsrichtung der Sonde verläuft.
  • Die gezeigte Wandleranordnung weist ein Fokussierelement 82 für die Fokussierung des Strahls 84 in einer zur Längsebene 80 senkrechten Ebene auf. Das Fokussierelement 82 ist eine Zylinderlinse, deren eine Endfläche an der Endfläche der Wandleranordnung befestigt ist, und deren äußere Endfläche im wesentlichen der Zylinderkontur der Außenfläche der Sonde entspricht. Dabei ist die äußere Endfläche im wesentlichen konvex, so daß sie nicht nur der Sondenkrümmung entspricht, sondern auch für guten Kontakt mit dem inneren Körperteil sorgt. Wenn die Sonde z. 8. innerhalb des Magens eingesetzt wird, ergibt diese Kontur einen guten Kontakt mit der Magen- und Darmschleimhaut. Nach den Fig. 1 und 4 umfaßt die Sonde an ihrem optischen Abschnitt einen im wese.ntlichen halbzylindrischen rohrförmigen Gehäuseteil 85A. Vergußmasse 85B füllt Leerräume im Gehäuseteil 85A aus und ist um die Wandleranordnung 70 herum gegossen und nimmt diese auf. Z. 8. kann der Gehäuseteil 85A aus einem elektrischen Gießharz gebildet sein, das mittels einer geeigneten Form aufgebracht und an Ort und Stelle gehärtet wird. Gemeinsam bilden die Elemente 85A und 85B ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse für die Sonde, durch das, die zylindrische Fokussierlinse 82 verläuft. Nach Fig. 3 ist die Vergußmasse 85B von dem weggebro-chenen Abschnitt der Sonde entfernt, so daß andere innere Sondenteile deutlich zu sehen sind.
  • Es ist bekannt, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit akustischer Wellen in weichem Körpergewebe ungefähr der jenigen in Wasser entspricht. Für di#e Fokussierung durch die Zylinderlinse 82 besteht die Linse aus einem Werkstoff, dessen Fortpflanzungsgeschwindigkeit für akustische Wellen erheblich geringer als diese Geschwindigkeit in dem weichen Gewebe und in Wasser ist. Ein solcher Werkstoff, der für die Herstellung der Linse verwendbar ist, ist z. 13.
  • Sylgard 184(Wz) (Hersteller: Dow Corning Corporation). Andere Werkstoffe mit niedriger Fortpflanzungsgeschwindigkeit können ebenfalls verwendet werden. Bei dem Ausführungsbeispiel ist das Fokussierelement eine Einzellinse. Selbstverständlich kann auch eine Verbundlinse aus mehreren Linsenelementen entsprechend Fig. 7 verwendet werden. Auch kann die Linsenoberfläche mit einem reflexmindernden überzug versehen sein (nicht gezeigt), um innere Reflexionen akustischer Wellen zu minimieren. Die Fokussierung des Strahls 84 mittels der Linse 82 in einer zur Längsebene 80 der Wandleranordnung senkrechten Ebene ist in Fig. 4 gezeigt. Es ist ersichtlich, daß die Außenfläche der Linse 82 sowie der Rest der Oberflächen der Sonde 10 und des Schlauchs 14, die bei Benutzung des Endoskops in Kontakt mit Körpersekretionen gelangen, aus einem widerstandsfähigen Material bestehen müssen, das mit solchen Körpersekretionen nicht in Reaktion tritt.
  • Die geradlinige Wandleranordnung 70 ist in einem impulsgesteuerten Ultraschall-B-Abtastungs-Abbildungssystem enthalten, das mit Streifenabtastung im Gegensatz zur Sektorabtastung arbeitet. Sektorabtastsysteme bieten zwar den Vorteil, daß mit einer kleinen Wandleranordnung ein großes Sichtfeld in weiter Entfernung von der Anordnung erhalten wird, jedoch ist nahe der Anotdnung das Sichtfeld klein und die Auflösung schlecht. Durch Verwendung einer Streifenabtastung sind sämtliche Zeilen der Abbildung parallel, und Gewebe nahe der Wandleranordnung wird in einfacher Weise abgebildet. Es wird nachstehend auch auf Fig. 5 Bezug genommen, die ein Blockdiagramm eines herkömmlich ausgelegten 8-Abtastsystems zeigt, das bei der Einrichtung verwendbar ist. Wie erwähnt, kann eine Wandleranordnung 70 aus 64 Wandlerelementen verwendet werden; in diesem Fall werden 64 Mikrominiatur-Koaxlalkabel. 86 dazu benutzt, die Wandlerelemente mit der B-Abtastungs-Sende-Empfangseinheit 90 zu verbinden. Die 64 Koaxialkabel 86 sind in einer Ummantelung 92 (vgl. Fig. 1) lose zusammengehalten, so daß sie ohne Beschädigung wiederholt biegbar sind. Bei der gezeigten Einrichtung verläuft das Kabelbündel einfach durch das Innere des Steuergehäuses 12, und die Einzelkabel sind mit einem Verbinder 94 (vgl. Fig. 1) an die B-Abtastungs-Sende-Empfangseinheit 90 angeschlossen.
  • Um unnötige und schädliche Auswirkungen auf Signale, die durch die Kabel übertragen werden, zu vermeiden, sind am Gehäuse 12 weder Verbinder noch Anschlußelemente vorgesehen. Erwünschtenfalls kann das Kabelbündel 92 natürlich auch von der Seite des biegsamen Schlauchs 14 nahe dem Gehäuse 12 weg verlaufen, so daß es direkt mit der Sende-Empfangseinheit 90 verbindbar ist, ohne das Gehäuse 12 zu durchsetzen.
  • Nach Fig. 5 sind die Wandlerelemente mit einer Koppelmatrix 96 verbunden, mit deren Hilfe ausgewählte Gruppen benachbarter Wandlerelemente mit einer Verzögerungseinheit 98 oder einem Impulsgeber 100 verbindbar sind. Nur beispielhaft werden Gruppen von fünf Wandlerelementen verwendet, und jede Verzögerungseinheit 98 und Jeder Impulsgeber 100 umfaßt fünf derartige Einzeleinheiten. Eine Taktgeber-und Steuereinheit 102 ist mit der Koppelmatrix zum Ansteuern von zu aktivierenden Wandlerelementen verbunden.
  • Die Taktgeber- und Steuereinheit steuert auch den zeitlichen Ablauf der Operation der fünf Impulsgeber 100 zur Erregung der Elemente der angesteuerten Gruppe in Phasenbeziehung zur Fokussierung des Strahls 84 in der Längsebene der Wandleranordnung. In den Fig. 3 und 5 ist eine solche Fokussierung durch geeignete Erregung der ersten fünf Wandlerelemente in der Wandleranordnung gezeigt. Die aktivierte Gruppe wird längs der Anordnung für die Strahlabtastung in Richtung des Pfeils 104 verschoben.
  • Von Diskontinuitäten innerhalb des impulsbeschallten.
  • Körperteils reflektierte Ultraschallsignale werden von derselben Gruppe von Wandlerelementen empfangen und durch die Koppelmatrix 96. und die Verzögerungseinheit 98 einem Vorverstärker 106 zugeführt. Die fünf Vorverstärker 106 sind rauscharme Breitbandverstärker mit hohem Lautstärkeumfang, die gute lineare Verstärkungskurven über einen Bereich von Eingangssignalstärken aufweisen. Die Verzögerungen sind so gewählt, daß eine Fokussierung des Strahlmusters in der Längsebene 80 der Wandleranordnung während der Empfangsoperation erfolgt. Somit ist ersichtlich, daß die Wandleranordnung sowohl während des Sende- als auch während des Empfangsbetriebs zur Strahifokussierung phasengesteuert ist. Anschließend an die Impulsechoempfangsperiode werden die angesteuerten Gruppen aktiver Wandlerelemente verschoben, so daß die vorerwähnte geradlinige Strahlabtastoperation durchgeführt wird. Durch Verschieben in Schritten von jeweils einem Wandlerelement werden insgesamt 60 Abtastzeilen erhalten. Selbstverständlich kann das System auch arbeiten, wenn Gruppen mit unterschiedlichen Anzahlen von Wandlerelementen benutzt werden. Auch können Gruppen von ungeradzahiingen und von geradzahligen Wandlerelementen dazu benutzt werden, um eine Verschiebung in Schritten einer halben Wandlerelementbreite durchzuführen, was bekannt ist.
  • Die Ausgangssignale der Vorverstärker werden einem Summierverstärker 108 zugeführt, dessen Ausgangssignal einer gewichteten Summe der Eingänge entspricht. Das Ausgangssignal des Summierverstärkers wird einem zeitabhängig geregelten Verstärker 110 zugeführt, dessen Verstärkungsverlauf sich als eine Funktion der Zeit' ändert, um den Verlust an Signalamplitude während des Durchlaufens durch das Gewebe zu kompensieren. Bei der erläuterten Einrichtung ändert sich die Verstärkung des Verstärkers 110 nach Maßgabe des Ausgangssignals eines Verstärkungsfunktionsgebers 112. Dem Verstärkungsfunktionsgeber 112 wird von der Takt- und Steuereinheit 102 ein Synchronisiersignal zum Auslösen von dessen Operation eine vorbestimmte Zeitdauer nach der Operation des Impulsgebers 100 zugeführt. Der Verstärkungsfunktionsgeber 112 kann einfach ein Sägezahngenerator sein, dessen Ausgangssignal die Funktion hat, die Verstärkung des Verstärkers 110 proportional zu dem Bereich derart zu erhöhen, daß der durch akustische Absorption im untersuchten Objekt bewirkte Signalverlust ausgeglichen wird. Bei der vorliegenden Einrichtung wird ein verstellbarer Funktionsgeber 112-verwendet, der eine Mehrzahl Stellorgane 114 aufweist, die an der Vorderseite der B-Abtastungs-Einheit 90 (vgl. Fig. 1) zugänglich sind zur Steuerung der Form des Generatorausgangssignals. Die Einstellung jedes der fünf Stellorgane 114 bestimmt den Verstärkungsgrad des Verstärkers 112 während 1/5 der Echosignaldauer, so daß der Bediener die B-Abtastanzeige in erwünsc.hter Weise anpassen kann. Verstellbare Verstärkungsfunktionsgeber zur Regelung von Regelverstärkern sind bekannt und brauchen nicht erläutert zu werden.
  • Das Ausgangssignal des zeitabhängig geregelten Verstärkers 110 wird einem Breitband-Verstärker 116 mit Dynamikregelung zugeführt, der z. B. ein logarithmischer Gleichstro.mverstärker ist. Dem Verstärker 116 mit Dynamikregelung ist ein Regelverstärker 118 nachgeschaltet, der einen Ver-.
  • stärkungsregler 120 zum Einstellen der Verstärkung aufweist.
  • Das Ausgangssignal des Regelverstärkers 118 wird von einem Hüllkurvenerfasser#122 erfaßt, der z. 8. ein Zweiweggleichrichter mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilter ist, wobei das Er.fasser-Ausgangssignal mit der Hüllkurve des Breitband-HF-Ausgangssignals des Verstärkers 118 in Beziehung steht.
  • Das Ausgangssignal des Hüllkurvenerfassers wird einer Ultraschallabbildungs-Anzeigeeinheit 124, die eine Kathodenstrahlröhre ist, zugeführt. Normalerweise ist ein nicht gezeigter Verstärker mit Dynamikregelung in die Verbindung zwischen Erfasser-Ausgangssignal und Kathodenstrahiröhre 124 eingeschaltet, um das erfaßte Signal an Charakteristiken der Kathodenstrahiröhre 124 anzupassen, so daß der gesamte Signalbereich ordnungsgemäß angezeigt wird. Das Ausgangssignal des Erfassers wird dem Steuergitter der Kathodenstrahiröhre als Eingangssignal für die Intensitäts-und Z Achse-Steuerung des Elektronenstrahls'zugeführt.
  • Bei B-Abtastbetrieb ist die Kathodenstrahlröhren-Strahlablenkung in der X- oder Horizontalrichtung proportional der Lage des Strahls 84 länge der Abtastbahn. Ein X-Achse-Generator 126, der durch ein Synchronisiersignal von der Takt- und Steuereinheit 102 angesteuert wird, erzeugt ein Stufenausgangssignal, das dem Horizontalablenksystem der Kathodenstrahlröhre 124 zugeführt wird zum Verschieben der Bildspur auf der Kathodenstrahlröhre nach Maßgabe der Lage des Ultraschallstrahls 84.
  • Die Vertikal- oder Y-Achse-Ablenkung des Kathodenstrahls erfolgt durch einen Sägezahngenerator 128, der von einem Ausgangssignal der Takt- und Steuereinheit 102 zu einer vorbestimmten Zeit nach der Operation des Senders angesteuert wird. Das Ausgangssignal des Sägezahngenerators 128 wird dem Vertikalablenksystem der Kathodenstrahiröhre 124 zur Vertikalabtastung der Bildspur zugeführt. Es ist somit ersichtlich, daß auf dem Bildschirm der Kathodenstrahiröhre 124 eine mit geradliniger B-Abtstung erhaltene Ultraschallabbildung des Körperteils erzeugt wird, der in der Längsebene 80 der in der Sonde 10 enthaltenen Wandleranordnung 70 liegt. Nach Fig. 1 ist .die Ultraschallanzeigeeinheit 124 dem Fernsehmonitor oder Anzeigegerät 40 benachbart vorgesehen. Die gleichzeitigen Anzeigen der optischen und der Ultraschall-Abbildung können vom Bediener in einfacher Weise betrachtet werden und helfen ihm dabei, die Sonde in der Körperhöhlung so zu positionieren, daß die erwünschten Ultraschallabbildungen erhalten werden. Selbstverständlich kann eine Aufzeichnungseinheit (nicht gezeigt) vorgesehen sein, die die von dem B-Abtastungssystem erzeugten Echtzet-Ultraschallabbildungen aufzeichnet, so daß sie für eine spätere Untersuchung zur Verfügung stehen. Ebenso kann erwünschtenfalls z. B. von den Ausgangssignalen der Videokamera eine Aufzeichnung der optischen Abbildungen gemacht werden. Falls erwünscht, kann das Ausgangssignal des B-Abtastungsempfängers einem Abtastumsetzer (nicht gezeigt) zugeführ-t werden, der die Ultraschallabbildungs-Signale in Signale mit einem herkömmlichen Fernsehformat umsetzt; in diesem Fall kann der Ausgang des Abtastumsetzers einem herkömmlichen Fernsehmönitor zur Anzeige zugeführt werden (nicht gezeigt). Dabei kann das Ausgangssignal des Abtastumsetzers aufgezeichnet und mit herkömmlichen Fernseh-Wiedergabe- und -Monitoreinheiten zur späteren Anzeige der Ultraschallabbildungen benutzt werden.
  • Die -Betriebsweise der Endoskopeinrichtung ist zwar aus der vorstehenden Erläuterung ersichtlich, sie soll aber nachstehend noch kurz beschrieben werden. In Fig. 6 ist die Endoskopeinrichtung beispielsweise beim Einsatz im Magen-Darm-System eines Patienten gezeigt. Der Nachweis eines bösartigen Tumors außerhalb des schlauchartigen Magendarmkanals ist schwierig, und die Krebsdiagnose an Bauchspeicheldrüse und Bauspeicheldrusenbett, in der Bauchhöhle und im Mesenterium ist besonders schwierig.
  • Die Nähe der Bauchspeicheldrüse zu Magen und Darm machen sie und ihre umgebenden Gefüge jedoch ideal für eine Ultraschall-Sichtbarmachung mit hoher Auflösung mit Hilfe der Ultraschallsonde nach der Erfindung.
  • Nach Fig. 6 ist die Endoskop-Ultraschallsonde 10 in den Magen 130 eines Patienten eingeführt daryestellt. Herkömmlicherweise verläßt man sich auf optische Führungsmittel zum Führen der Sonde durch die Speiseröhre und in die erwünschte Lage innerhalb des Magendarmtrakts. Viele eine Endoskopie ausführenden Arzte benutzen bevorzugt das Okular 42 (vgl. Fig. 2) zum Einführen der Sonde in die erwünschte Lage; in diesem Fall wird das Lichtleiterkabel 36 (vgl. Fig. 1) entfernt, und das Okular 42 wird mittels des Optokopplers 34 am Endoskop befestigt. Wenn das Okular 42 richtig angeordnet ist, wird die endoskopische Ultraschallsonde 10 in die erwünschte Lage für die Ultraschallabbildung von darunterliegendem Weichgewebe geführt. Nach Fig. 6 ist die Sonde 10 zu der größeren Wölbung des Magens 130 nahe der Pankreas 132 vorgeschoben.
  • Durch Handhabung der Sonde wird ein fester Kontakt der Zylinderlinse 82 der Wandleranordnung mit der Schleimhaut hergestellt, so daß eine Ultraschallabtastung durchführbar ist. Zu diesem Zeitpunkt kann das Okular 42 von dem Endoskop entfernt und durch das Lichtleiterkabel 36 ersetzt werden, so daß die Optik an das interne Fernsehen angeschlossen und die optische Abbildung auf dem Bildschirm 40 des Fernsehmonitors angezeigt wird. Die optische und die Ultraschall-Abbildung werden gleichzeitig angezeigt und können vom Bediener gleichzeitig betrachtet werden. In Fig. 6 ist die Ultraschall-Abbildungsebene 80 zusammen mit dem optischen Sichtwinkel 134 angegeben. Durch geeignete Handhabung der Sonde 10 kann eine Ultraschallabtastung der Bauchspeicheldrüse vom Pankreasschwanz zum Pankreaskopf durch die Magenwandung durchgeführt werden.
  • Durch Bewegen der Sonde in den Zwölffingerdarm 136 ist eine zusätzliche Ultraschallabbildung des Pankreaskopfs aus unterschiedlichen Positionen möglich. Ultraschallabbildungen hoher Auflösung, die von einer Stelle nahe der Oberfläche der Sonde bis zu einer Tiefe von ca. 4 cm verlaufen, sind möglich. Wenn eine Wandleranordnung 70 z. 8. eine Länge von 3 cm aufweist, ist ein Sichtfeld mit einer Breite von 3 cm und einer Tiefe von 4 cm möglich.
  • Durch Arbeiten mit einer Frequenz von z. B. 10 MHz wird ferner eine gute seitliche Auflösung von durchschnittlich 0,5 mm und eine gute Bereichsauflösung von ca. 0,5 mm erhalten.
  • Wie bereits erwähnt, kann anstelle der Zylinderlinse 82 nach den Fig. 19 3 und 4 auch eine Fokussier-Verbundlinse eingesetzt werden. Fig. 7 zeigt eine Verbund-Zylinderlinse 140, die ein erstes und ein zweites Linsenelement 142 und 144 umfaßt. Das erste Linsenelement 142 weist eine ebene Endfläche auf, die haftend mit der Endfläche der Wandleranordnung 70 verbunden ist, sowie eine entgegengesetzte konkave Endfläche. Das zweite Linsenelement 144 weist entgegengesetzte konvexe Flächen auf, deren eine haftend mit der konkaven Endfläche des ersten Linsenelements 142 verbunden ist. Die äußere konvexe Endfläche des äußeren Linsenelements ist im wesentlichen einem gewölbten Abschnitt der Kontur der Außenfläche der Sonde (in Fig. 7 nicht gezeigt) angepaßt. Das erste Linsenelement besteht aus einem Material mit einer Fortpflanzungsgeschwindigkeit für akustische Wellen, die erheblich höher als diese Geschwindigkeit in weichem Körpergewebe und in Wasser ist.
  • Das zweite Linsenelement 144 besteht aus einem Material mit einer Fortpflanzungsgeschwindigkeit für akustische Wellen, die nicht höher, sondern bevorzugt erheblic-h niedriger als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit in weichem Körpergewebe ist. Es ist ersichtlich, daß durch Anwendung eines Materials mit niedriger Fortpflanzungsgeschwindigkeit für die äußere Linse 144 eine Fokussierung sowohl an der Grenzfläche zwischen weichem Gewebe und Linsenelement 144 als auch an der Grenzfläche zwischen Linsenelement 144 und Linsenelement 142 vorgesehen ist. Ebenso wie mit der Zylinderlinse 82 wird wegen der konvexen Linsenendfläche ein guter Kontakt zwischen der äußeren Konvexen Endfläche des Linsenelements 144 und dem weichen Körpergewebe erhalten.
  • Selbstverständlich sind in Verbindung mit der angegebenen Einrichtung verschiedene Modifikationen denkbar. Z. B.
  • kann die Sonde anstelle der gezeigten, nach vorn orientierten Optik eine seitlich oder eine teils vorwärts und teils seitlich orientierte Optik enthalten. Auch kann in verschiedenen Körperhöhlungen anstelle des biegsamen Schlauchs 14 ein Endoskop mit starrem Schlauch zum Einsatz kommen; in diesem Fall können einfache optische Teleskop-und Beleuchtungsmittel angewandt werden, so daß die Lichtleiterkabel entfallen können. Wie erwähnt, ist zwar für eine zufriedenstellende Echtzeit-Ultraschallabbildung eine elektronische Streifen-ß-Abtastung erforderlich; zur Durchführung dieser Abtastung sind jedoch viele Einrichtungen bekannt, so daß das System nach Fig. 5 nur beispielhaft ist. Die Verwendung der gezeigten, sequentiell und dynamisch fokussierten geradlinigen Anordnung erfordert eine erhebliche Menge an elektronischen Vorverarbeitungseinheiten. Zur Maximierung des dynamischen Bereichs sollten diese Schaltungen so nahe wie möglich an der Wandleranordnung vorgesehen sein. ~Die Erfindung umfaßt die Positionierung solcher Schaltungseinheiten in der Sonde 10 selbst unter Einsatz von IS-Chips. Derzeit sind zwar handelsübliche Chips nicht besonders gut für einen solchen Einsatz geeignet, und auf Bestellung angefertigte elektronisch Schaltungen, die sich eignen würden, sind sehr teuer, Jedoch ist der Einsatz geeigneter mikroelektronischer Vorverarbeitungsschaltungen in der Sonde durchaus praktikabel und liegt im Rahmen der Erfindung.

Claims (16)

  1. Patentansprüche 22 Endoskopische Sonde zum Einsatz bei der optischen und Ultraschall-Abbildung innerer Körperteile, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h - einen distalen Endblock (16), - Mittel zur Bildung einer Mehrzahl von längsverlaufenden Öffnungen durch den Endblock {16) an einem ersten Abschnitt desselben zur optischen Abbildung innerer Körperteile, und - eine geradlinige Ultraschaii-Wandieranordnung (70) mit einer Mehrzahl benachbarter Wandlerelemente in der Sonde (10), die von dem Endblock (16) an einem zweiten Abschnitt desselben entgegengesetzt zum ersten Abschnitt nach rückwärts verläuft zur Ultraschall-Abbildung innerer Körperteile.
  2. 2. Endoskopische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das distale Ende des Endblocks (16) im wesentlichen zylindrisch ist, und - daß der erste und der zweite Abschnitt des Endblocks (16) einander gegenüberliegendes im wesentlichen halbzylindrische Abschnitte sind.
  3. 3. Endoskopische Sonde nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch - ein nach rückwärts verlaufendes, im wesentlichen halbzylindrisches Teil (16A), das mit dem proximalen Ende des Endblocks (16) einstückig ausgeführt ist und die Wandleranordnung (70) abstützt.
  4. 4. Endoskopische Sonde nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch - eine Fokussier-Zylinderlinse (82), deren eine Endfläche an den Wandlerelementen der Wandleranordnung (70) befestigt ist und deren äußere Endfläche allgemein mindestens einem Teil der Kontur der Außenfläche der Sonde (10) entspricht.
  5. 5. Endoskopische Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, - daß die Fokussier-Zylinderlinse (82) aus massivem Material besteht, dessen Fortpflanzungsgeschwindi-gkeit für akustische Wellen erheblich niedriger als diejenige in weichem Körpergewebe ist, - wobei die Außenfläche der Fokussier-Zylinderlinse (82) konvex ist.
  6. 6. Endoskopische Sonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch - an Wandlerelementen der Wandleranordnung (70) befestigte Koaxialkabel (86), die nach rückwärts durch das proximale Ende der Sonde (10) verlaufen und die Wandleranordnung (70) elektrisch mit einer impuisgesteuerten, mit B-Abtastung arbeitenden Ultraschall-Sende-Empfangs einheit (90) koppeln
  7. 7. Sonde zum Einführen in eine Körperhöhlung für die Ultraschall-Abbildung innerer Körperteile, gekennzeichnet durch - ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse (85A, 85B) mit einer Längsachse, - eine ein Ende des Gehäuses (85A,'85B) abschließende Endwand, - am anderen Ende des Gehäuses (85A, 85B) vorgesehene Mittel zum Befestigen des Gehäuses an einem langen Schlauch (14), - eine geradlinige Wandleranordnung (70) im Gehäuse (85A, 8513), die eine Mehrzahl nebeneinanderliegender Wandlerelemente umfaßt, die im wesentlichen parallel zur Längsachse der Sonde verlaufen, so daß Ultraschallenergieimpulse längs einem Strahl in Körperteile richtbar sind, und - eine Fokussier-Zylinderlinse (82), deren eine Endfläche an der Endfläche der Wandleranordnung befestigt ist zwecks Strahifokussierung in einer zur Längsebene (80) der Wandleranordnung (70) senkrechten Ebene.
  8. 8. Sonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, - daß die. Fokussier-Zylinderlinse (82) aus einem massiven Material besteht, dessen Fortpflanzungsgeschwindigkeit für akustische Wellen erheblich niedriger als diejenige in weichem Gewebe ist.
  9. 9. Sonde' nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch - an den Wandlerelementen befestigte Koaxialkabel (86) zum Verbinden der Wandlerelemente mit einer mit Streifen-B-Abtastung arbeitenden Ultraschall-Sende-Empfangseinheit (90).
  10. 10. Sonde zum Einführen in eine Körperhöhlung für die Ultraschall-Abbildung innerer Körperteile, g e k e .n n z e i c h n e t d u r c h - ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse (85A, -85B) mit einer Längsachse, - eine ein Ende des Gehäuses (85A, 85B) abschließende Endwand, - am anderen Ende des Gehäuses (85A, 85B) vorgesehene Mittel zum Befestigen des Gehäuses an einem langen Schlauch (14), - eine geradlinige Wandleranordnung (70) im Gehäuse (85A, 85B), die eine Mehrzahl benachbarte Wandlerelemente umfaßt, die im wesentlichen parallel zur Längsachse der Sonde verlaufen, so daß Ultraschallenergieimpulse längs einem Strahl in# Körperteile richtbar sind, und - an den Wandlerelementen befestigte Koaxialkabel (86) zum Verbinden der Wandlerelemente mit einer eine Streifen-B-Abtastung durchführenden Ultraschall-Sende-Empfangseinheit (90).
  11. 11. Endoskopische Einrichtung für die. Sicht- und Ultraschall-Abbildung von Körperteilen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h - ein Endoskop mit einem langen Schlauch (14) und einer am distalen Ende des Schlauchs (14) befindlichen Sonde (10) zur Einführung in ein inneres Körperorgan, ein Fernsehsystem (38, 40) mit einer Kamera, die durch den Schlauch (14) mit der Sonde (10) optisch gekoppelt (34) ist zum Beobachten des Körperorgans, und mit einem Monitor, der mit der Kamera elektrisch gekoppelt ist zur Erzeugung einer optischen Abbildung des betrachteten Organs, und - ein mit B-Streifenabtastung arbeitendes impuisgesteuertes Ultraschail-Abbildungssystem, das aufweist: - eine geradlinige Ultraschall-Wandleranordnung (70) an der Sonde (10), - eine Impulssende-Empfangs-Einheit (90), die über Koaxialkabel (86) mit der Wandleranordn.ung (70) gekoppelt ist zur Impulsansteuerung der Wandleranordnung (70) zwecks Erzeugung von Ultraschallwellenimpulsen und zur Verarbeitung von Ausgangssignalen der Wandleranordnung (70), und - eine Sichtanzeigeeinheit (124) für die B-Abtast-Anzeige der verarbeiteten Signale, so daß die Ultraschall- und die Video-Abbildungen gleich-Ieitig an der Sichtanzeigeeinheit (124) und dem Monitor (40) anzeigbar sind.
  12. 12. Endoskopische Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, - daß zwecks gleichzeitiger. Beobachtung die Sichtanzeigeeinheit (124) und. der Monitor (40) nebeneinander angeordnet sind.
  13. 13. Verfahren zum kombinierten optischen und Echtzeit-Ultraschall-Abbilden mit B-Abtastung unter Verwendung einer endoskopischen Einrichtung mit einer endoskopischen Sonde, die in ein. Körperorgan einführbar ist, wobei die Sonde eine geradlinige Ultraschall Wandleranordnung und eine Objektivlinse eines Teleskops aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Erzeugen von periodisch wiederkehrenden Ultraschallwellen-Impulsen durch die Wandleranordnung zur Beschallung eines Körperteils angrenzend an das Körperorgan, in das die Sonde eingeführt ist, - Empfangen reflektierter Wellenimpulse und Umsetzen derselben in entsprechende elektrische Signale mit der Wandleranordnung, - Anzeigen einer Echtzeit-B-Streifenabtastungs-Abbildung eines beschallten Abschnitts des Körperteils, und - Betrachten optischer Abbildungen eines Teils des Inneren des Körperorgans, in das die Sonde eingeführt ist, durch die optische Teleskopeinheit.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, - daß das Betrachten optischer Abbildungen unter Einsatz einer Videokamera durchgeführt wird, und - daß der Ausgang der Videokamera an einer Sichtanzeige sichtbar gemacht wird.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, - daß die B-Abtastungs-Abbildungsanzeige und die Sichtanzeige nebeneinander angeordnet werden, so daß der Bediener, der Endoskopeinrichtung beide gleichzeitig betrachten kann.
  16. 16. Verfahren nach .Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, - daß die optischen Abbildungen durch Lichtleitfasern, die in der optischen Teleskopeinheit vorgesehen sind, betrachtet werden.
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