DE3742875C2

DE3742875C2 -

Info

Publication number: DE3742875C2
Application number: DE3742875A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Ikeda; Shinichiro Hachioji Jp Umemura; Kageyoshi Tokio/Tokyo Jp Katakura
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1986-12-18
Filing date: 1987-12-17
Publication date: 1992-03-05
Also published as: DE3742875A1; JPH0734797B2; US4811740A; JPS63154160A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ultraschall untersuchung bei der medizinischen Diagnose oder bei der Materialprüfung, und insbesondere eine solche Vorrichtung, bei der Änderungen in den Spezifikationen eines Prüfkopfes flexibel gehandhabt werden können.

Bei den meisten der herkömmlichen Vorrichtungen zur Ultra schalluntersuchung ist ein Ultraschall-Prüfkopf über ein abnehmbares Kabel mit der Vorrichtung verbunden. Es ist eine Ultraschall-Vorrichtung bekannt, bei der selektiv einer aus einer Anzahl von Prüfköpfen verwendet wird, wie beispiels weise ein Prüfkopf mit einem linearen Array, der linear angeordnete Wandlerelemente aufweist, oder ein Prüfkopf mit einem konvexen Array, bei dem die Wandlerelemente kreisför mig angeordnet sind, und dergleichen. Diese Ultraschall-Vor richtungen können teilweise zwischen den mit ihnen verbun denen Prüfköpfen unterscheiden. Ein Beispiel für eine solche Vorrichtung ist in der JP-A-60-2 22 766 (1985) beschrieben. Bei dieser Vorrichtung ist ein Speicher, zum Beispiel ein Schieberegister, zum Speichern eines Codes, der für einen bestimmten Prüfkopftyp repräsentativ ist, an einem Prüfkopf angebracht, und es wird von der Vorrichtung auf den Speicher zugegriffen, um den Code auszulesen und den Prüfkopftyp festzustellen, der tatsächlich mit der Vorrichtung verbunden ist.

Ein Hauptspeicher in der Vorrichtung speichert dabei Abtast- und Fokus-Steuerdaten für jeden Meßwandlertyp, das heißt er speichert Daten mit Bezug auf die Auswahl der Wandlerelemen te und auf die Verzögerungswerte für das Senden und Empfan gen von Signalen der jeweiligen Wandlerelemente. Wenn ein Code für einen bestimmten Prüfkopftyp von dem am Prüfkopf vorgesehenen Speicher ausgelesen wird, wird im Hauptspeicher ein Speicherbereich aufgezeigt, der dem ausgelesenen Code entspricht, um daraus Steuerdaten für den damit verbundenen Prüfkopf auszulesen. Der Prüfkopf wird dann entsprechend angesteuert und die Abbildungsoperation wird durch Verwendung der Steuerdaten ausgeführt. Diese herkömmlichen Ultraschall-Vorrichtungen haben jedoch manche Nachteile: So ist die Anzahl der Prüfköpfe, die selektiv angewendet werden können, in Abhängigkeit von der Kapazität des Hauptspeichers begrenzt. Ferner hat die bekannte Vorrichtung jedoch den Nachteil, daß immer nur solche Prüfköpfe verwendet werden können, für die auch Steuerdaten in der Zentraleinheit gespeichert sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, die erwähnten Nachteile der herkömmlichen Vorrichtungen zur Ultraschalluntersuchung zu beseitigen und eine solche Vorrichtung so auszugestalten, daß auch Prüfköpfe verwendet werden können, deren Spezifikationen nicht vorab in der Zentraleinheit gespeichert wurden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Es werden dabei auf der Seite des Prüfkopfs keine Informationen gespeichert, die den Prüfkopftyp angeben, sondern direkt die betreffenden Steuerparameter, die zur Erzeugung einer Abbildung mit dem jeweiligen Prüfkopf erforderlich sind. Diese Steuerinformationen enthalten im einzelnen Daten über die Abfolge der nacheinander angesteuerten Wandlerelemente und die Verzögerungswerte für das Ansteuer- und Empfangssignal für jedes Element sowie beispielsweise Daten über die Krümmung und die Anordnung der Wandler im Wandlerarray des Prüfkopfes.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß ohne umständlichen Eingriff in die Zentraleinheit Prüfköpfe mit beliebigen Spezifikationen verwendet werden können, etwa auch völlig neue Prüfköpfe oder auf bestimmte Problemstellungen individuell abgewandelte Prüfköpfe. Darüber hinaus lassen sich unvermeidliche Herstellungstoleranzen über eine einfache Berücksichtigung in den im Prüfkopf gespeicherten Steuerdaten eliminieren, wodurch beispielsweise die Abbildungsqualität wesentlich erhöht werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen des Anmeldungsgegenstands sind in den Unteranprüchen 2 bis 4 beschrieben.

Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zur Ultraschallunter suchung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Blockschaltbilder einer ersten bzw. zweiten Ausführungsform der Vorrichtung;

Fig. 3 schematisch ein Beispiel für eine Wandlerelement anordnung; und

Fig. 4A und 4B perspektivisch Darstellungen der Unterbrin gung eines Speichers an einem Prüfkopf.

Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausfüh rungsform einer Vorrichtung zur Ultraschalluntersuchung. Durch das Bezugszeichen A ist dabei ein Prüfkopf und durch das Bezugszeichen B eine Zentraleinheit (das Grundgerät) der Vorrichtung angezeigt. Der Prüfkopf A und die Zentraleinheit B sind über ein Zentraleinheit-Verbindungselement 4 und ein Prüfkopf-Verbindungselement 3 elektrisch miteinander verbun den. Der Prüfkopf A weist Ultraschall-Wandlerelemente 1 auf, die in einem eindimensionalen Array angeordnet sind. Signal leitungen für die jeweiligen Wandlerelemente sind über die Verbindungselemente 3, 4 mit einer Elementauswahlschaltung 5 in der Zentraleinheit B verbunden. Im Prüfkopf A ist ein Hauptspeicher 2 vorgesehen, um Steuerdaten zu speichern, die für den jeweiligen Prüfkopf charakteristisch sind. Die Vor richtung enthält auch einen Sende/Empfangsumschalter 6, eine Strahlformeinheit 7, eine Treiberschaltung 8, einen Steuer teil 9, einen Signalprozessor 10, einen digitalen Abtastkon verter 11 und ein Anzeigegerät 12.

In dieser Ausführungsform wird eine elektrische Abtastung mit einem fokussierten Ultraschallstrahl ausgeführt, und die für eine solche Abtastung erforderlichen Daten werden vor hergehend im Hauptspeicher 2 des Prüfkopfes A abgespeichert. Diese Daten schließen Daten zur Auswahl der Wandlerelemente und Daten zur Verzögerung der gesendeten und empfangenen Signale für die jeweiligen Wandlerelemente ein.

Im Betrieb wird zuerst in Übereinstimmung mit einem Zu griffssignal bei einer vorbestimmten Adresse vom Steuerteil 9 auf den Hauptspeicher 2 zugegriffen, um Elementauswahl daten auszulesen, die die Nummer einer Wandlerelementgruppe anzeigen, die in einer ersten Sende- und Empfangsoperation verwendet werden soll. Weiter werden dabei Sendesignal-Ver zögerungswerte, die die Verzögerung der Sendesignale für bestimmte Elemente anzeigen, und Empfangssignal-Verzöge rungsdaten ausgelesen, die die Verzögerung der Empfangssi gnale für entsprechende Elemente anzeigen. Die Elementaus wahlschaltung 5, die aus einer Schaltmatrix aufgebaut ist, wählt die Signalleitungen der zu verwendenden Elemente ent sprechend den ausgelesenen Elementauswahldaten aus und ver bindet sie mit Signalleitungen, die zu dem Sende/Empfangs umschalter 6 führen. Die Sendesignal-Treiberschaltung 8 ist aus einer Anzahl von einstellbaren Zählern, einem Taktgeber zur Zuführung von Taktimpulsen zur Änderung der Zählerstände an diesen Zählern und einer Anzahl von Treibern aufgebaut, die veranlassen, daß zu der Zeit, bei der ein Überlaufsignal von einem der Zähler ausgegeben wird, ein Element-Ansteuer impuls erzeugt wird. Als Anfangswerte der Zähler werden die ausgelesenen Sende-Verzögerungsdaten voreingestellt. Die Strahlformeinheit 7 enthält eine Anzahl von Verzögerungs strecken, die jeweils Zwischenabgriffe und Schalter zur Aus wahl der Zwischenabgriffe einer zugehörigen Verzögerungs strecke aufweisen; und einen Additionsverstärker zum Addieren der Ausgangssignale von ausgewählten Zwischenabgriffen und Verstärken des Additionsergebnisses. Welcher der Zwischen abgriffe einer Verzögerungsstrecke ausgewählt wird, wird durch die ausgelesenen Empfangssignal-Verzögerungsdaten be stimmt. Nachdem die obigen Daten voreingestellt sind, veran laßt der Steuerteil 9 den Sende/Empfangsumschalter 6, einen Sendezustand einzunehmen und die Treiberschaltung 8 zu aktivieren. Damit beginnt jeder Zähler der Treiberschaltung 8 mit dem Zählen von Taktimpulsen. Jedesmal, wenn ein zuge hörender Zähler überfließt, wird ein Sendeimpuls erzeugt. Diese Sendeimpulse werden über den Umschalter 6, die Ele mentauswahlschaltung 5 und die Verbindungselemente 4 und 3 an ausgewählte Wandlerelemente 1 angelegt, um fokussierte Ultraschallstrahlen auszusenden. Als nächstes veranlaßt der Steuerteil 9 den Sende/Empfangsumschalter 6, einen Empfangs zustand einzunehmen. Dann werden die Signalleitungen aus gewählter Elemente mit zugeordneten Verzögerungsstrecken der Strahlformeinheit 7 verbunden. Folglich werden die von den ausgewählten Elementen erhaltenen Signale, das heißt jene Signale, die in den ausgewählten Elementen durch Reflexionen des fokussierten Ultraschallstrahles hervorgerufen werden, einer vorbestimmten Verzögerung durch die zuge hörigen Verzögerungsstrecken unterworfen. Im Ergebnis gibt die Strahlformeineinheit 7 ein Signal ab, das durch Anpassen der Phasen der erhaltenen Signale derart, daß die Signale der von einem angewählten Brennpunkt reflektierten Wellen gleichphasig werden, und anschließendes Aufaddieren der Signale erzeugt wird.

Die Ausgangssignale der Strahlformeinheit 7 werden durch den Signalprozessor 10 verschiedenen Signalverarbeitungsvorgän gen wie einer Erfassung bzw. Demodulation, einer Kompri mierung, einer Differenzierung und einer Analog/Digitalum wandlung unterzogen und danach in den digitalen Abtastkon verter 11 eingegeben.

Die beschriebene Sende/Empfangsoperation, die mit der Aus leseoperation der Steuerdaten aus dem Hauptspeicher 2 be ginnt, wird wiederholt, um ein B-Modus-Ultraschallabbild mittels elektronischer Abtastung zu erhalten. Das heißt, daß die Sende/Empfangsoperation durch aufeinanderfolgendes Ändern der ausgewählten Wandlerelemente wiederholt wird und die Daten aufeinanderfolgend im digitalen Abtastkonverter 11 gespeichert werden, um einen Datenübertragungsblock bzw. ein Teilbild zu erhalten. Die Signale vom digitalen Abtastkon verter 11 werden aufeinanderfolgend in der Reihenfolge von Abtastzeilen an das Anzeigegerät 12 abgegeben, um ein Ultra schallbild darzustellen.

Die Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer zweiten Ausfüh rungsform der Vorrichtung zur Ultraschalluntersuchung. In der Fig. 2 bezeichnen die Bezugszeichen 1 bis 12 identische Elemente wie in der Fig. 1. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet einen Zusatzspeicher. In dieser Ausführungsform ist der Prüfkopf mit einem Hauptspeicher 2 zum Speichern von Schal tungssteuerungsinformationen versehen, die für den Prüfkopf charakteristisch sind, während die Zentraleinheit der Vor richtung mit dem Zusatzspeicher 13 für ein zeitweiliges Ab speichern des Inhaltes des Hauptspeichers 2 ausgestattet ist.

Wenn ein Prüfkopf mit der Vorrichtung verbunden ist, wird der Inhalt des Hauptspeichers 2 über das Prüfkopf-Verbin dungselement 3 und das Zentraleinheit-Verbindungselement 4 unter der Kontrolle des Steuerteiles 9 ausgelesen. Der ausgelesene Inhalt wird im Zusatzspeicher 13 gespeichert. Während einer Sende/Empfangsoperation wird dann die im Zusatzspeicher 13 gespeicherte Steuerinformation unter der Kontrolle des Steuerteiles 9 ausgelesen, wodurch die zuge ordneten Schaltungen gesteuert werden. Der Verlauf und die Verarbeitung der anderen Signale ist identisch zu dem Ver lauf und der Verarbeitung bei der ersten Ausführungsform.

Mit dieser Schaltungsanordnung wird über den relativ langen Signalweg zwischen dem Hauptspeicher 2 und dem Steuerteil 9 nur einmal ein Signaltransfer ausgeführt, so daß dieser den Auswirkungen von Rauscheinstreuungen usw. nicht so stark ausgesetzt ist. Da außerdem der Zugriff auf den Hauptspei cher 2 nur dann erfolgt, wenn ein Prüfkopf angeschlossen oder das Gerät eingeschaltet wird, kann als Hauptspeicher 2 ein Speicher mit einer großen Zugriffszeit verwendet werden, was sehr kostengünstig ist.

Als Hauptspeicher 2 und als Zusatzspeicher 13 kann bei spielsweise ein Festwertspeicher (ROM) bzw. ein Schreib/Le se-Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) verwendet werden.

Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel für ein Array von Wandlerele menten 1 des Prüfkopfes A. Das Beispiel stellt einen Ultra schall-Prüfkopf mit konvexem Array dar. Die Wandlerelemente sind im Abstand einer Teilung P auf einer kreisförmigen Linie des Durchmessers r angeordnet. Die durch G₁ bezeich neten Elemente sind jene, die bei einer ersten Sende/Emp fangsoperation ausgewählt werden, l₁ bezeichnet die Richtung des Aussendens und Empfangens von Strahlen zu dieser Zeit, und F₁ bezeichnet einen Brennpunkt ausgesendeter und emp fangener Strahlen. G₂, l₂ und F₂ bezeichnen die auszuwählen den Elemente, die Richtung und den Brennpunkt bei einer zweiten Sende/Empfangsoperation sowie G_n, l_n und F_n die auszuwählenden Elemente, die Richtung und den Brennpunkt bei einer n-ten Sende/Empfangsoperation.

In dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Hauptspeicher 2 sind die Nummern der zum Fokussieren und Empfangen von Ultra schallstrahlen auf und von den Brennpunkten F₁, F₂, . . . F_n aufeinanderfolgend anzuwählenden Elemente, die Sendesignal- Verzögerungsdaten und die Empfangssignal-Verzögerungsdaten gespeichert.

Wenn die in der Fig. 3 gezeigte Sende- und Empfangsrich tungen und der gezeigte Brennpunkt für einen anderen Prüf kopf mit einer anderen Teilung P oder Krümmung r angewendet wird, ist es erforderlich, andere Elemente und andere Ver zögerungswerte zum Senden und Empfangen von Signalen auszu wählen. Die der Elementauswahl und den Verzögerungswerten entprechenden Daten sind jedoch gemäß den obigen Ausfüh rungsformen im Hauptspeicher eines jeden Prüfkopfes ge speichert, so daß durch einfaches Verbinden des Prüfkopfes über dessen Verbindungselement 3 mit der Vorrichtung eine richtige Bildaufzeichnungsoperation ausgeführt werden kann. Dies ist deshalb sehr vorteilhaft, weil die gleiche Vor richtung zur Ultraschalluntersuchung selektiven Gebrauch von einer großen Anzahl von Prüfköpfen machen kann. Es ist besonders auch deshalb vorteilhaft, da es nicht erforderlich ist, die Zentraleinheit B der Vorrichtung zu modifizieren, auch wenn ein Prüfkopf mit einer anderen Spezifikation ver wendet wird. Selbst unter gleichen Spezifikationen herge stellte Prüfköpfe können aufgrund von Herstellungstoleranzen verschiedene Teilungen P oder Krümmungen r haben. Auch in einem solchen Fall wird durch einfaches Speichern ent sprechender Steuerdaten im Hauptspeicher, die zu dem Prüf kopf passen, eine korrekte Aussendung und ein korrekter Empfang von Ultraschallstrahlen möglich.

Obwohl in der Fig. 3 als Beispiel ein Prüfkopf mit einem konvexen Array dargestellt ist, können gleichfalls Prüfköpfe mit einem linearen Array, deren Wandlerelemente linear an geordnet sind, verwendet werden. Auch kann ein Prüfkopf des Typs Anwendung finden, der eine sogenannte elektronische Sektor-Strahlsteuerung ausführt, bei der ein Strahl nicht durch selektives Einschalten von Wandlerelementen, sondern durch eine Verzögerungssteuerung beim Senden und Empfangen der Signale zu und von den Wandlerelementen ausgerichtet wird. Die vorliegende Vorrichtung hat damit den Vorteil, daß mit der gleichen Vorrichtung zur Ultraschalluntersuchung selektiv von einer Anzahl verschiedenster Prüfköpfe ein schließlich solcher mit linearem Array, konvexem Array und elektronisch gesteuerter Strahlschwenkung Gebrauch gemacht werden kann.

In der in der Fig. 2 gezeigten Schaltungsanordnung kann im Zusatzspeicher 13 nicht nur eine Speicherfunktion, sondern auch eine Rechenfunktion realisiert werden, so daß der Zu satzspeicher 13 eine Steuerung von signalverarbeitenden Schaltungen durch Speichern von Informationen über die Arrayteilung und -krümmung eines Prüfkopfes im Hauptspeicher 2 ausführen kann. Das heißt, daß im Hauptspeicher 2 die sogenannten Prüfkopfstrukturinformationen wie die Arraytei lung, die Krümmung, der Brennpunkt und Öffnungsweiten für das Senden und Empfangen für einen jeweiligen Prüfkopf ge speichert sind. Andererseits sind im Zusatzspeicher 13 die Steuerinformationen über Verzögerungszeiten gespeichert, die durch arithmetische Operationen unter Verwendung der obigen Prüfkopfstrukturinformationen erhalten werden, zum Beispiel Steuerinformationen einschließlich kodierter Werte der Nummern von Eingangs/Ausgangsabgriffen an zu verwendenden Verzögerungsstrecken, das heißt die Steuerinformationen, die nicht direkt mit der Spezifikation eines Prüfkopfes zu sammenhängen.

Die Fig. 4A und 4B zeigen zwei Fälle, wie der Hauptspeicher 2 der Fig. 1 und 2 zur Speicherung von Steuerinformationen, die für den Prüfkopf charakteristisch sind, am Prüfkopf angebracht ist. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 14 ein Gehäuse für ein Wandlerarray, 15 ein Kabel und 16 den Haupt speicher sowie 3 und 4 die Verbindungselemente für den Prüf kopf und die Zentraleinheit.

Es ist anzumerken, daß die Bezeichnung "Prüfkopf" bei den obigen Ausführungsformen nicht nur das Gehäuse 14 des Wand lerarrays, sondern auch das Prüfkopf-Verbindungselement 3 beinhaltet. Das heißt, daß der Hauptspeicher 16 entweder im Prüfkopf-Verbindungselement 3, wie in der Fig. 4A gezeigt, oder im Gehäuse 14 des Wandlerarrays, wie in der Fig. 4B gezeigt, untergebracht sein kann.

Bei der beschriebenen Vorrichtung zur Ultraschallunter suchung ist somit der Speicher des Prüfkopfes als Hauptspei cher ausgebildet, der die konkreten Daten für die Anordnung der Wandlerelemente bzw. die Steuerinformationen für das Abtasten und Fokussieren enthält. Die Zentraleinheit weist dabei einen Steuerteil auf, der die für die Sende/Empfangs operationen erforderlichen Daten über die Elementanordnung und die Steuerung aus dem Hauptspeicher des Prüfkopfes holt und in Übereinstimmung mit den ausgelesenen Daten die Steuerung ausführt.

Claims

1. Vorrichtung zur Ultraschalluntersuchung mit
einem austauschbaren Prüfkopf (A) mit einer Anzahl von Ultraschall-Wandlerelementen (1), die in einer vorgegebenen Konfiguration angeordnet sind, und mit einem Prüfkopfverbindungselement (3); mit
einer Abbildungs-Zentraleinheit (B) mit einer Elementauswahlschaltung (5) zur Auswahl von Signalleitungen zu den Ultraschall- Wandlerelementen (1), mit einer Sendeeinrichtung (6, 8) zum Anlegen eines Ansteuersignals an jede der ausgewählten Signalleitungen, mit einer Empfangseinrichtung (6, 7) zum Verzögern von Empfangssignalen, die von den Ultraschall-Wandlerelementen (1) über die ausgewählten Signalleitungen erhalten werden, sowie zum Addieren der verzögerten Empfangssignale, mit einem Steuerteil (9) zum Steuern der Elementauswahlschaltung (5), der Sendeeinrichtung (6, 8) und der Empfangseinrichtung (6, 7) und mit einem Zentraleinheit-Verbindungselement (4), das zur elektrischen Kontaktierung des jeweils verwendeten Prüfkopfes (A) mit der Abbildungs-Zentraleinheit (B) mit dem Prüfkopfverbindungselement (3) verbunden ist, wobei die Verbindungselemente (3, 4) beim Austausch des Prüfkopfes (A) voneinander getrennt werden; und mit
einem Speicher (2; 16) der im Prüfkopf (A) zum Speichern von den Prüfkopf (A) betreffenden Steuerinformationsdaten angebracht ist, die zur Elementauswahl durch die Elementauswahlschaltung (5) entsprechend der Anordnung der Ultraschall-Wandlerelemente (1) im verwendeten Prüfkopf (A) und zur Verzögerung der Ansteuersignale in der Sendeeinrichtung (6, 8) und der Empfangssignale in der Empfangseinrichtung (6, 7) dienen, wobei
der Steuerteil (9) die gespeicherten Steuerinformationsdaten über die Verbindungselemente (3, 4) ausliest.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (2; 16) in dem Gehäuse (14) untergebracht ist, in dem sich die Ultraschall-Wandlerelemente (1) befinden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (2; 16) in dem Prüfkopfverbindungselement (3) untergebracht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungs-Zentraleinheit (B) einen Zusatzspeicher (13) zum vorübergehenden Speichern der Steuerinformationsdaten aufweist, die aus dem Speicher (2; 16) ausgelesen werden.