DE2848467A1

DE2848467A1 - Ultraschall-diagnosevorrichtung

Info

Publication number: DE2848467A1
Application number: DE19782848467
Authority: DE
Inventors: Michiyoshi Uranishi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1977-11-10
Filing date: 1978-11-08
Publication date: 1979-05-17
Also published as: JPS613496B2; DE2848467B2; DE2848467C3; JPS5468090A; US4240295A

Description

Henkel, Kern, Feller Cr Hänzel Paten tanwälte

- f - Registered Representatives

before the European Patent Office

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha,

M6NstraBe37 Kawasaki-shi, Japan D-8000 München 80

Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkl d Telegramme: ellipsoid

"8. NOV. 1978 53P611-2

Ultraschall-Diagnosevorrichtung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Diagnosevorrichtung mit einer elektronischen, linear abtastenden Ultraschall-Sonde .

Bei einer bisherigen Ultraschall-Diagnosevorrichtung dieser Art erfolgt die Abtastung durch mechanische Bewegung einer Ultraschall-Sonde, die in einem festen Abstand parallel zur Oberfläche beispielsweise des Unterleibs angeordnet ist, wobei ein Ultraschallstrahl senkrecht zur Oberfläche des Unterleibs gerichtet und von dem zu untersuchenden Zielbereich des Unterleibs reflektiert wird. Das dabei erhaltene Tomogramm ist ein Abbild des Zielbereichs auf einem Querschnitt längs einer Fläche, die in einem festen Abstand parallel zur Abtastfläche der Ultraschall-Sonde liegt.

Die im Bauchbereich befindlichen Organe, wie die Nieren und die Leber, besitzen verschiedene, in unterschiedlichen Richtungen orientierte Formen; das gleiche gilt entsprechend für

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den zu untersuchenden Zielbereich. Dennoch ist das von der bisherigen Vorrichtung gelieferte Tomogramm lediglich eine zweidimensionale Darstellung auf einem parallel zur Leiboberfläche liegenden Querschnitt des Zielbereichs. Aus diesem Grund ist eine genaue Untersuchung des vorgesehenen Zielbereichs sehr schwierig.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Ultraschall-Diagnosevorrichtung, mit welcher Tomogramme eines Teiles des Zielbereichs entsprechend einer Konfiguration und entsprechend einem Querschnitt desselben geliefert werden können.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Kurz gesagt, ist die erfindungsgemäße Ultraschall-Diagnosevorrichtung eine linear abtastende elektronische Vorrichtung. Bei der tomographischen Darstellung des Zielbereichs eines zu untersuchenden Objekts erfolgt die elektronische Abtastung des Zielbereichs mittels einer Ultraschall-Sonde bei gleichzeitiger mechanischer Bewegung der Sonde in einer vorgesehenen Richtung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine Schaltung zur Einstellung eines gewünschten Querschnitts, der im B-Betriebsarten-Bild (B-mode image) des Zielbereichs beobachtet werden soll, einen Speicher zur Speicherung der Positionsdaten des durch diese Schaltung bestimmten Querschnitts, einen Funktionsgenerator zur Umsetzung der Positionsdaten in ein Funktionssignal für die Steuerung der Abtastung des Zielbereichs und die Verarbeitung des davon reflektierten Ultraschallechosignals, eine Signalverarbeitungsvorrichtung für die Verarbeitung des Ultraschallechosignals unter der Steuerung des Funktionssignals und eine Anzeigevorrichtung zur Wiedergabe eines Tomogramms des Zielbereichs.

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Mittels dieser Konstruktion kann eine Bedienungsperson den Zielbereich des Objekts anhand einer dreidimensionalen Darstellung genau untersuchen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Stirnseite einer erfindungsgemäß verwendeten elektronischen Abtastsonde ,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Zustands, in welchem der Unterleibs- oder Bauchbereich eines menschlichen Körpers mittels der Sonde nach Fig. 1 abgetastet wird,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Ultraschall-Diagnosevorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 4A die Wellenform eines vom Zielbereich eines zu untersuchenden Objekts reflektierten Ultraschallechos,

Fig. 4B ein mittels des Ultraschallechos nach Fig. 4A erstelltes Tomogramm,

Fig. 5 und 6 der Fig. 2 ähnelnde Darstellungen anderer zulässiger Bewegungen der Sonde,

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8A bis 8F graphische Darstellungen von Wellenformen in verschiedenen Abschnitten des Blockschaltbilds nach Fig. 7,

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Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines Sondenantriebsmechanismus zur Veranschaulichung der praktischen Handhabung bzw. Führung der Sonde,

Fig. 10 eine perspektivische, schematische Darstellung der Bewegung der Sonde gegenüber dem Untersuchungsbereich mit einem ausgewählten Querschnitt,

Fig. 11 eine schematische Darstellung des Bewegungsprinzips des Sondenantriebsmechanismus nach Fig. 9,

Fig. 12 ein Schaltbild des Schaltungsblocks nach Fig. 7 zur Bestimmung der Ist-Position der Sonde und zur Verarbeitung der Positionsinformation _r

Fig. 13 ein Schaltbild der Querschnitt-Einstellschaltung nach Fig. 7 und

Fig. 14 eine perspektivische Darstellung eines Hauptteils der erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte elektronische Abtastsonde 1 weist ein Dämpferelement 2 und eine Reihe von an dessen Unterseite in Längsanordnung vorgesehenen Wandlern 3 auf. Beim Abtasten des Zielbereichs bzw., genau genommen, der Zielfläche, eines zu untersuchenden Objekts, etwa eines Bauchorgans des menschlichen Körpers, wird die Sonde 1 gemäß Fig. 2 im allgemeinen mechanisch bewegt bzw. geführt. Dabei ist die von ihrer einen Schmalseite sichtbare Ultraschall-Sonde 1 in ein für Ultraschall durchlässiges Medium 6, wie Wasser oder Flüssigpraffin, in einem flexiblen Behälter 5 eingetaucht, der bei der Diagnose bzw. Untersuchung auf den Leib 4 des Patienten aufgesetzt wird. Die Sonde 1 ist dabei mit ihrer Ultraschall-Abstrahlseite dem Leib 4 zugewandt, und sie wird im Medium 6 mittels einer nicht dargestellten mechanischen Abtasteinheit in Richtung des Pfeils A

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geführt. Eine vom Wandler 3 der Sonde 1 ausgestrahlte Ultraschallwelle wird durch eine Fläche des Zielbereichs 7 reflektiert, um als mit SE bezeichnetes Ultraschallecho zum Wandler 3 zurückzulaufen. Die Wandlerelemente der Sonde 1 sind in mehrere Blöcke mit jeweils einer Vielzahl nebeneinander liegender Wandler unterteilt. Diese Wandler und Blöcke werden nacheinander angeregt, um die Ultraschallstrahlung gegen das Objekt 4 auszustrahlen. Auf diese Weise wird also die elektronische Abtastung durchgeführt. Das Tomogramm des Zielbereichs wird also durch den Abtastbereich bei der elektronischen Abtastung und den Bewegungsbereich der Sonde 1 bei deren Bewegung in Richtung des Pfeils A bestimmt.

Wenn nun beispielsweise der Zielbereich 7 des zu untersuchenden Organs gegenüber der Bewegungsrichtung A der Sonde gekrümmt ist, wie in Fig. 2 gezeigt, muß das für die Diagnose benötigte Bild des Zielbereichs 7 ein Tomogramm des Querschnitts auf der Linie M des Zielbereichs 7 d.h. eine entsprechende Ortungsobjektfläche sein. Das Tomogramm wird durch Verarbeitung der von der Zielfläche auf der Linie M reflektierten Ultraschallechos SE während der mechanischen Bewegung der Sonde 1 in Richtung A, während der Zielbereich 7 elektronisch abgetastet wird, und durch Wiedergabe der Echosignale mittels einer eine Kathodenstrahlröhre aufweisenden Anzeigevorrichtung gebildet.

In Fig. 3 ist eine Ultraschall-Diagnosevorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, mit welcher ein Tomogramm eines beliebigen Querschnitts des Zielbereichs 7 angefertigt werden kann. Dabei ist eine übliche Anzeige- oder Wiedergabevorrichtung 10 mit einer Kathodenstrahlröhre zur Wiedergabe eines B-Betriebsarten-Abtastbilds der Zielfläche des Bereichs 7 vorgesehen. Eine Zielquerschnitt-Einstellschaltung 11 dient zur Festlegung einer gewünschten

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Zielfläche des Bereichs 7, d.h. eines Querschnitts auf der Linie M. Diese Schaltung 11 kann ein Schreibstift bzw. -griffel oder ein Potentiometer sein. Ein Speicher 12 speichert ein die gewünschte bzw. Soll-Zielfläche angebendes Signal von der Einstellschaltung 11. Mit anderen Worten: es werden z.B. die Daten der Kurve M gemäß Fig. 2 im Speicher 12 gespeichert. In einem Verzögerung-Funktionsgenerator 13 werden die Daten der betreffenden Abschnitte auf der Kurve, aus dem Speicher 12 ausgelesen, in ein Funktionssignal mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit umgewandelt, welches die üntersuchungsflache des Zielbereichs 7 entsprechend den tatsächlichen bzw. Ist-Positionen der Sonde 1 angibt. Eine Motor-Steuerschaltung 14 steuert mit ihrem Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem den Positionen auf der Kurve M entsprechenden Signal einen Motor 15 an, welcher die Sonde 1 in Richtung des Pfeils A durch eine Abtasteinheit 16 führt. Eine Stellung-Meßschaltung 27 liefert ein Positionssignal für die Sonde 1, das dem Verzögerung-Funktionsgenerator 15 zugeführt wird.

Ein System-Synchron(isations)impulsgenerator 17 liefert ein Systemsynchronisationssignal, um die Sonde die Zielebene elektrisch abtasten zu lassen. Dieses Signal wird auch dem Funktionsgenerator 13, einer Torschaltung 18 und einer Abtastschaltung 22 zugeführt, um das vom Ziel reflektierte Ultraschallsignal auf noch zu erläuternde Weise zu verarbeiten. Die Torschaltung 18 wird durch das Funktionssignal vom Funktionsgenerator 13 durchgesteuert bzw. -geschaltet, um das Systemsynchronisationssignal vom Generator 17 durchzulassen. Ein Schaltkreis 19 schaltet selektiv die Wandler der Sonde 1 zur Erregung durch einen Erregungsimpulsgenerator 20 durch, welcher synchron mit der Erzeugung des Systemsynchronisationsimpulses Erregungssignalimpulse an die Wandler anlegt. Bei Eingang dieser Impulse strahlen die Wandler die Ultraschallwelle gegen das Ziel ab. Die Wandler setzen dabei die von der Zielfläche reflektier-

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ten Ultraschallechos in ein elektrisches Signal vim, das einem Empfänger 21 zugeführt und durch diesen verstärkt wird. Eine Abtastschaltung 22 tastet die Ausgangssignale des Empfängers 21 ab, wenn sie das von der Torschaltung durchgelassene Verzögerung-Funktionssignal empfängt. Das Signal wird dann von einem Analog/Digital- bzw. A/D-Wandler 23 in ein Digitalsignal umgesetzt, worauf das so umgesetzte Signal vorübergehend in einem Puffer (Zwischenspeicher) 24 gespeichert wird. Ein Digital/Analog- bzw. D/A-Wandler 25 setzt das aus dem Puffer 24 ausgelesene Digitalsignal in ein Analogsignal um, das dann in Form eines Tomogramms auf einer Kathodenstrahlröhren-Anzeigevorrichtung 26 wiedergegeben wird.

Die beschriebene Diagnosevorrichtung arbeitet wie folgt:

Die bisherige Ultraschall-Diagnosevorrichtung kann für die Darstellung eines B-Betriebsarten-Bilds (B-mode image) des Ziels auf der Kathodenstrahlröhre der Anzeigevorrichtung 10 benutzt werden. Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Anzeigevorrichtung 10, die Motor-Steuerschaltung 14, der Motor 15, die Abtasteinheit 16, die Sonde 1, der flexible Behälter 5 und die Position-Meßschaltung 27 wie bei der bisherigen Vorrichtung verwendet. Unter Beobachtung des B-Betriebsarten-Bilds zeichnet eine Bedienungsperson die Kurve M nach, um mittels der Einstellschaltung 11 die vorgesehene Zielfläche des Zielbereichs 7 zu bezeichnen. Das Ausgangssignal der Schaltung 11 wird dann dem Speicher 12 eingegeben, welcher die Daten des vorgesehenen Zielbereichs speichert. Nach Einstellung der Zielfläche wird dann die Sonde 1 zur Abtastung der Zielfläche von der vorgegebenen Position her geführt. Dabei wird die Ist-Position der Sonde 1 durch die Meßschaltung 27 festgestellt und dann zum Verzögerung-Funktionsgenerator 13 übermittelt. Bei Eingang des Positionssignals liest dieser Generator 13 die Daten der vorgesehenen Ziel- oder

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Abtastebene aus dem Speicher 12 aus, und er liefert ein Funktionssignal, dessen Einleitungszeitpunkt gegenüber demjenigen der betreffenden System-Synchronisationsimpulse um die Ausbreitungszeit über beide Wege zwischen den Wandlern und der Ist-Position des Zielbereichs verzögert ist. Das Verzögerung-Funktionssignal wird als Steuersignal der Torschaltung 18 und der Motor-Steuerschaltung 14 eingegeben .

Der Erregungsimpulsgenerator 20 legt einen Signalimpuls in Synchronismus mit dem vom Generator 17 gelieferten System-Synchronisationsimpuls an den bzw. die Wandler der Sonde an. Bei jedesmaliger Beaufschlagung der Wandler mit dem Erregungssignalimpuls strahlen die Wandler Ultraschallwellen zur Zielfläche hin ab. Die Ultraschallechos werden in der betreffenden Position mit unterschiedlicher akustischer Impedanz reflektiert und zur Sonde 1 zurückgeworfen, um dann durch deren Wandler in elektrische Signale umgewandelt zu werden, die über den Empfänger 21 der Abtastschaltung 22 eingespeist werden. Der Impulsgenerator 17 liefert der Abtastschaltung 22 Abtastbefehlssignale über die Torschaltung 18, die unter der Steuerung durch das Verzögerungsfunktionssignal vom Signalgenerator 13 steht. Die Abtastschaltung 22 tastet daraufhin die elektrischen Signale ab, welche die Konfiguration der Zielebene darstellen. Da die abgetasteten Signale in Form von diskreten Analogsignalen vorliegen, werden sie durch den A/D-Wandler 23 in Digitalsignale umgesetzt, die dann vorübergehend im Puffer 24 gespeichert werden und die resultierenden Video- bzw. Bilddaten der Zielfläche bilden. Die aus dem Puffer 24 herausgegriffenen Daten werden durch den D/A-Wandler 25 wieder in Analogsignale gemäß Fig. 4A umgewandelt, welche schematisch die Analogsignale entsprechend den Signalen auf der Linie P gemäß Fig. 4B veranschaulicht. Diese Analogsignale werden hierauf der Anzeigevorrichtung 26 eingegeben, die dann das Bild der Zielebene in Form eines Tomo-

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gramms gemäß Fig. 4B wiedergibt.

Im folgenden ist eine andere Ausführungsform der Erfindung anhand von Fig. 7 beschrieben, in welcher den Teilen von Fig. 3 entsprechende Teile oder Einheiten mit denselben Bezugsziffern wie dort bezeichnet sind. Ein Schaltkreis schaltat zwischen einer Leitung, die einen Erregungsimpuls von einem entsprechenden Generator 20 zu den Wandlerelementen der Sonde 1 durchläßt, und einer anderen Leitung um, über welche die von dem zu untersuchenden Zielbereich reflektierten Echosignale zum Empfänger 21 durchgeschaltet werden. Ein zwischen den Empfänger 21 und einen Schalter 32 eingeschalteter Verstärker 31 verstärkt das Echo- bzw. Bildsignal vom Empfänger 21. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist der Verstärker dagegen im Empfänger 21 enthalten.

Ein unter der Steuerung einer Schalter-Steuereinheit 33 stehender Schalter 32 wählt entweder den Signalweg zu einer Kathodenstrahl-Anzeigevorrichtung 26 zur Darstellung des Tomogramms des Zielbereichs oder einen Signalweg zu einer anderen, ähnlichen Anzeigevorrichtung 10 zur Wiedergabe des B-Betriebsarten-Bilds. Wenn der bewegbare Kontakt des Schalters 32 auf einen Kontakt I umgelegt wird, wird das Bildsignal vom Verstärker 31 zur Anzeigevorrichtung 26 übertragen, während es in der Schalterstellung II die Anzeigevorrichtung 10 erreicht.

Eine einer Sondenposition-Meßschaltung 27 nachgeschaltete Positions-Rechenschaltung 34 nimmt Stellungs- bzw. Positionssignale für die jeweilige Position der Sonde 1 ab, um deren Position (Xp, Yp) zu berechnen. Das X-Positionssignal Xp und das Y-Positionssignal Yp werden von der Rechenschaltung 34 zu einer arithmetischen Operationsschaltung 35 geliefert, in welcher ein Signal v/Xp +Yp berechnet wird, d.h. ein Signal entsprechend einer Strecke von der Ausgangsstellung der Sonde 1 zu ihrer Position

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(Xp/ Yp). Dieses Signal der Operationsschaltung 35 wird durch einen A/D-Wandler 36 in ein Digitalsignal umgesetzt. In einem Digitalkomparator 37, dessen Eingang mit dem A/D-Wandler 36 und dessen Ausgang mit der einen Eingangsklemme eines UND-Glieds 18 verbunden sind, erfolgt ein Vergleich zwischen dem Signaly Xp +Yp und einem Bezugssignal für eine Bezugsstrecke, welche die Auflösung eines auf der Anzeigevorrichtung 26 darzustellenden Tomogramms bestimmt. Insbesondere werden nur einige untere

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Xp +Yp mit dem Bezugssignal verglichen.

Diese unteren Stellen bezeichnen die Größe einer kleinen Bewegung der Sonde 1. Somit erfolgt praktisch ein Vergleich zwischen der Größe einer kleinen Bewegung der Sonde 1, durch einige untere Stellen des Signals bestimmt, und der Bezugsstrecke gemäß dem. Bezugssignal; wenn die betreffenden Größen koinzidieren, liefert der Komparator 37 ein Ausgangssignal. Der Komparator 37 gibt somit jedesmal dann ein Ausgangssignal ab, wenn die Sonde 1 mechanisch über die Bezugsstrecke verschoben wird, welche die Auflösung des Tomogramms bestimmt.

Das Xp-Signal der Rechenschaltung 34 wird auch einem X-Wobbelgenerator 46 eingegeben, der bei Eingang des Xp-Signals ein X-Wobbelsignal liefert, das einem Abtastumsetzer 43 aufgeprägt wird. Auf ähnliche Weise wird das Yp-Signal einem Y-Wobbel-Generator 47 zugeführt, der bei Eingang des Yp-Signals ein Y-Wobbeisignal erzeugt, das an den Abtastumsetzer 43 angelegt wird.

Die Eisntellschaltung 12 umfaßt ein Sinus-Kosinus-Potentiometer zur Lieferung eines Zielquerschnittssignals, das zur Speicherung einem Analogspeicher 39 eingegeben wird. Letzterer kann jedoch durch eine Reihenschaltung aus einem A/D-Wandler zur Abnahme des Ausgangssignals der Ein-

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stellschaltung 12 und zur Umwandlung des entsprechenden Digitalsignals, einem Digitalspeicher zur Speicherung des Digitalsignals und einem D/A-Wandler zur Umwandlung des aus dem Speicher ausgelesenen Digitalsignals in ein Analogsignal ersetzt werden. Das im Speicher 39 gespeicherte Signal wird synchron mit der Erzeugung des Systemsynchronisations-Signalimpulses ausgelesen und einem Komparator 38 eingegeben, dem weiterhin ein von einem Sägezahnwellengenerator 40 abgenommenes Sägezahnwellensignal eingespeist wird. Diese Signale werden durch den Komparator 38 verglichen, der dann, wenn die Pegel dieser Signale koinzidieren, ein Ausgangssignal liefert. Ein Impulsformer bewirkt eine Wellenformung des Signals vom Komparator 38. Ein Schalterkreis 42 legt selektiv das Bildsignal vom Verstärker 31 und das Zielquerschnitt-Einstellsignal vom Impulsformer 41 an einen Abtastumsetzer 43 an, welcher das ausgewählte Signal vorübergehend speichert und in Übereinstimmung mit den X- und Y-WobbelSignalen von den betreffenden Wobbeigeneratoren 46 bzw. 47 in ein passendes B-Betriebsarten-Signal umsetzt.

Die Anzeigevorrichtung 10 dient zur Wiedergabe des B-Modus-Bilds 112, wobei die Kurve M durch die Zielquerschnitt-Einstellschaltung 12 eingestellt wird (vergl. Fig. 14).

Die Fig. 8A bis 8E veranschaulichen Wellenformen in den Schaltkreisen gemäß Fig. 7. Im Betrieb wird der Schalter 32 zunächst auf den Kontakt I umgelegt, so daß das vom Verstärker 31 gelieferte Bildsignal (Fig. 8A) über den Schaltkreis 42 zum Abtastumsetzer 43 geliefert und durch diesen in das B-Modus- oder Betriebsarten-Bildsignal umgesetzt wird. Die Anzeigevorrichtung 10 gibt dann das B-Modus-Bild des Zielbereichs wieder (Fig. 14).

Die Bedienungsperson stellt unter Beobachtung des auf der

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Anzeigevorrichtung 10 erscheinenden B-Modus- oder Betriebsarten-Bilds den Querschnitt des. Zielbereichs ein. Dies geschieht von Hand mittels des Regelwiderstands in der Einstellschaltung 12. Das die gewünschte Tiefe des Zielbereichs angebende Signal wird dem Speicher 39 zugeliefert. Das gespeicherte Signal wird aus dem Speicher synchron mit der Impulserzeugung durch den Systemsynchronimpulsgenerator 17 ausgelesen und dem Komparator 38 zugeführt. Dem Generator 38 wird synchron mit einem Systemsynchronisationsimpuls vom Impulsgenerator 17 ein Sägezahnwellensignal geliefert. Wenn die Pegel dieser Signale im Komparator 38 koinzidieren, liefert letzterer ein Ausgangssignal gemäß Fig. 8B. Das die eingestellte Tiefe des Zielbereichs wiedergebende Signal wird nach dem Durchgang durch den Schalter 42 dem Abtastumsetzer 43 eingegeben und dann auf der Kathodenstrahlröhre der Anzeigevorrichtung 10 in Form einer einzigen, dem B-Betriebsarten-Bild überlagerten Linie M (Fig. 14) dargestellt, welche die Tiefe des zu untersuchenden Zielbereichs anzeigt. Das Ausgangssignal des Wellen- bzw. Impulsformers wird ebenfalls an die eine Klemme der Torschaltung 18 als Probeentnahmefreigabesignal (sample enable signal) für das Bildsignal angelegt.

Die* beispielsweise ein Sinus-Kosinus-Potentiometer aufweisende Position-Meßschaltung 27 erzeugt Positionssignale, die wiederum an die Position-Rechenschaltung 34 angelegt werden, in welcher die Position (Xp, Yp) der Sonde 1 berechnet Xp +Yp von einem Bezugspunkt (dem Ursprung in den Orthogonalkoordinaten) zu den die Sondenposition angebenden Koordinaten (Xp, Yp) wird durch die arithmetische Operationsschaltung 35 berechnet, und das Signal VXp +Yp wird dann im A/D-Wandler 36 einer Analog-Digital-Umwandlung unterworfen, wobei das umgewandelte Digitalsignal mit einem Bezugssignal verglichen wird, das eine Bezugsstrecke bezeichnet, welche die Auflösung

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eines mittels der Anzeigevorrichtung 26 wiederzugebenden Tomogramms bestimmt. Insbesondere werden nur einige untere Stellen des Signals /xp +Yp mit dem Bezugssignal verglichen, welche die Größe einer kleinen Bewegung oder Verschiebung der Sonde 1 bezeichnen. Es erfolgt somit praktisch ein Vergleich zwischen der Größe einer kleinen Bewegung der Sonäa 1, durch die genannten unteren Stellen bezeichnet, und der Bezugsstrecke des Bezugssignals; wenn diese Größen koinzidieren, liefert der Komparator 37 ein Ausgangssignal, das der anderen Eingangsklemme des UND-Glieds 18 aufgeprägt wird. Bei gleichzeitiger Anlegung der Signale an beide Eingangsklemmen des UND-Glieds 18 wird dieses durchgeschaltet, um ein Signal zum A/D-Wandler 23 zu liefern. Das Ausgangssignal des UND-Glieds 18 dient als Abtastsignal (Fig. 8B) für das Bildsignal des A/D-Wandlers 23. Letzterer tastet das Ausgangssignal des Verstärkers 31 zur Lieferung des Signals gemäß Fig» 8C ab, worauf er das abgetastete Signal in ein Digitalsignal umsetzt, das seinerseits in einem Digitalspeicher 24 gespeichert wird. Das gespeicherte Digitalsignal wird aus dem Speicher 24 ausgelesen und einem D/A-Wandler 25 zugeführt, welcher dieses Digitalsignal in ein Analogsignal gemäß Fig. 8D umwandelt. Der Lese/-Einschreibvorgang des Speichers 24 und der Digital-Analog-Umsetzvorgang erfolgen unter der Steuerung durch das Systemsynchronisationssignal vom Generator 17.

Die X- und Y-WobbeIsigna!generatoren 44 bzw. 45 beschicken die Anzeigevorrichtung 26 mit X- bzw. Y-Wobbelsignalen gemäß den Fig. 8E bzw. 8F. Infolgedessen gibt die Anzeigevorrichtung 26 das Tomogramm 113 der gewünschten Zielebene wieder (vergl. Fig. 14).

Im folgenden ist die Lagen- bzw. Positionsbestimmung der Sonde 1 beschrieben. Die Sonde 1 ist gemäß Fig. 9 in die Flüssigkeit, z.B. Wasser, in dem flexiblen Behälter 5 einge-

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taucht, der auf den zu untersuchenden Körper aufgesetzt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform wird die Sonde 1 von Hand mittels eines Handgriffs 61 bewegt. Letzterer ist mit einem der Arme bzw. Schenkel verbunden, die einen rechteckigen Rahmen bilden. Ein anderer rechteckiger Rahmen 63 arbeitet nach Art eines Pantographen, wobei der Rahmen 63 am einen Schenkel mit dem Rahmen 62 verbunden und an einem anderen Schenkel 64 an einem Tragelement befestigt ist. Der Rahmen 63 ist mittels des Handgriffs 63 von Hand in Richtung des Pfeils A bewegbar. Die Sonde ist somit längs einer Kurve D gemäß Fig. 10 verschiebbar, wobei in Fig. 10 mit d die strecke von der Abstrahlfläche der Sonde 1 zum Zielquerschnitt bezeichnet ist. Mit zwei Ecken des verschiebbaren Rahmens 63 sind Sinus-Kosinus-Potentiometer 66 und 67 verbunden.

Gemäß Fig. 11, welche, die Rahmen 62, 63 schematisch veranschaulicht, bestimmt sich eine Position (Xp, Yp) der Sonde 1 nach folgenden Beziehungen:

Xp α I₁ cos Θ.. + I2 cos Θ-

Yp α 1- sin Θ.. + 1- sin Θ- + E

Dabei bedeuten:

I₁ = Länge des Schenkels 68, 1_ = Länge des Schenkels 69,

Θ.. = Winkel zwischen den Schenkeln 64 und 68, θ_ = Winkel zwischen den Schenkeln 69 und 70 und E = Abstand zwischen dem unteren Schenkel und der Ultraschall-Abstrahlfläche der Sonde 1 .

Die Werte von cos G₁, cos Θ-/ sin B* und sin θ₂ werden mittels der Potentiometer 66 und 67 bestimmt.

Fig. 12 veranschaulicht eine Schaltung zur Abtastung des vom Verstärker 31 gemäß Fig. 7 gelieferten Signals ent-

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sprechend dem Positionssignal (Xy, Yp). Die von den Sinus-Kosinus-Potentiometern 66 und 67 bestimmten Signale sin θ₁ und sin Θ- sowie das die Strecke E darstellende Signal E werden über Bewertungswiderstände R1, R2 und R6 einem als Addierwerk wirkenden Operationsverstärker 81 eingegeben. Die durch dieselben Potentiometer bestimmten Signale cos Θ- und cos θ₂ werden über Bewertungswiderstände R3 und R4 einem anderen , ebenfalls als Addierwerk wirkenden Operationsverstärker 82 eingegeben. Das Addierwerk 81 liefert ein Yp-Signal entsprechend einer Position auf der Y-Achse, das einer arithmetischen Operationsschaltung 83 eingespeist wird.

Die Operationsschaltung 83 kann eine handelsübliche Schaltung (Typ BB4302; Burr Brown Research Co., Ltd.) sein. Das andere Addierwerk 82 erzeugt ein Xp-Signal entsprechend einer Position der Sonde 1 auf der X-Achse_f das dann an die eine Eingangsklemme eines Operationsverstärkers 84 angelegt wird, dessen andere Eingangsklemme über einen Widerstand R5 an Masse liegt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 84 wird zur arithmetischen Operationsschaltung 83 übertragen, deren Ausgangssignal an die nicht-invertierende Klemme eines Operationsverstärkers 85 angelegt wird, dessen invertierende Eingangsklemme das Xp-Signal abnimmt. Bei Eingang dieser Signale liefert der Verstärker 85 ein Signale Xp + Yp , das dann dem A/D-Wandler 36 eingespeist wird und dessen untere Stellen im Komparator 38 mit dem die Bezugsstrecke angebenden Bezugsdigitalsignal verglichen werden, um das Abtastsignal zu erzeugen.

Im folgenden ist die Zielquerschnitt-Einstellschaltung 11 anhand von Fig. 13 näher beschrieben. Der Querschnitt des zu beobachtenden Zielbereichs wird durch entsprechende Verschiebung des Schleifers bzw. Abgriffs eines Regelwiderstands R11 eingestellt. Ein Signal mit einem durch die Schleifer-Endstellung bestimmten Potential wird einem ersten,

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als Pufferverstärker wirkenden Operationsverstärker 37 zugeführt, dessen Ausgangssignal an die erste Eingangsklemme des !Comparators 38 angelegt wird, dessen zweite Eingangsklemme ein Sägezahnwellensignal von der Sägezahnwellenimpuls-Generatorschaltung 40 abnimmt. Die dargestellte Schaltung 40 umfaßt einen Umsetzer 91 zur Abnahme eines Rechteckwellenimpulses, einen Schalttransistor 92, der entsprechend dem einer Phasenumkehr durch den Umsetzer 91 unterworfenen Impuls durchgeschaltet und gesperrt wird, eine Diode 93 und einen Kondensator 94, die über die Kollektor-Emitter-Strecke geschaltet sind, einen an der einen Seite mit der negativen Spannungsquelle (Minusklemme) verbundenen Widerstand 95 sowie einen Verstärker 96, der an der invertierenden Eingangsklemme mit der anderen Seite des Widerstand 95 und dem Emitter des Transistors 92 und an der nicht-invertierenden Klemme mit Masse verbunden ist. Der Komparator 38 vergleicht das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 39 mit dem Sägezahnwellensignal vom Verstärker 96, um ein Stufensignal (step signal) abzugeben, wenn die Pegel beider Signale gleich sind. Das stufenförmige Signal wird in der Wellen- oder Impulsformschaltung 41 zu einer Wellenform mit einer kurzen Periode geformt. Die Impulsformschaltung 41 umfaßt einen Umsetzer 97 für die Phaseninvertierung des Ausgangssignals vom Komparator 38, ein an seiner einen Eingangsklemme das Ausgangssignal des Umsetzers 97 abnehmendes NAND-Glied 98, ein NEIN-Glied 99 mit einem Widerstand 100, die in Reihe zwischen die zweite Eingangsklemme des NAND-Glieds 98 und die Ausgangsklemme des Umsetzers 97 eingeschaltet sind, sowie einen zwischen die zweite Eingangsklemme des NAND-Glieds 98 und Masse eingeschalteten Kondensators 101. In der Schaltung 41 wird das Signal vom Umsetzer 97 unmittelbar und ohne Verzögerung an die erste Eingangsklemme des NAND-Glieds 98 angelegt, während ein Signal mit einer Verzögerung entsprechen der durch den Widerstand 100 und den Kondensator 101 bestimmten

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Zeitkonstante an die zweite Eingangsklemme des NAND-Glieds 98 angelegt wird. Infolgedessen wird das votn NAND-Glied 98 gelieferte Signal durch den Zeitunterschied zwischen den Signalen negativ.

Fig. 14 ist eine schaubildliche Darstellung der erfindungsgemäßen Ultraschall-Diagnosevorrichtung. In einer Stirnplatte eines Gehäuses 111 der Vorrichtung sind ein Sichtfenster 114 fiir die Wiedergabe des B-Modus-Bilds des zu untersuchenden Zielbereichs sowie ein Sichtfenster 115 zur Wiedergabe des Tomogramms des Zielquerschnitts, der durch manuelle Betätigung eines Wählers 116 (joy stich) unter Beobachtung des B-Modus-Bilds im Fenster 114 eingestellt oder gewählt wird.

Mit der beschriebenen Ultraschall-Diagnosevorrichtung gemäß der Erfindung kann also ein Tomogramm einer gewünschten Zielfläche geliefert werden, so daß sich Form und Grösse des Zielbereichs, d.h. des Untersuchungsgebiets, dreidimensional darstellen und untersuchen lassen.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Ultraschall-Diagnosevorrichtung, gekennzeichnet durch eine Sonde mit Wandlerelementen zur Abstrahlung eines Ultraschallstrahls gegen ein zu untersuchendes Objekt und zur Umwandlung von Ultraschallechos in elektrische Signale, durch eine erste Anzeigeeinrichtung zur Wiedergabe eines B-Modus-Bilds des Untersuchungsobjekts, durch eine Einrichtung zur Einstellung eines gewünschten, zu beobachtenden Querschnitts des B-Modus-Bilds, durch eine Einrichtung zur Speicherung der Positionsdaten des mittesl der Einstelleinrichtung gewählten Querschnitts, durch eine Einrichtung zur Erzeugung von Steuersignalen in Abhängigkeit von den Positionsdaten, durch eine Einrichtung zur Bewegung der Wandlerelemente um den Zielbereich des Untersuchungsobjekts in Übereinstimmung mit dem Steuersignal, durch eine Einrichtung zur elektronischen Ansteuerung der Wandlerelemente zwecks Abtastung des Zielbereichs, durch eine Einrichtung zur Verarbeitung des von den Wandlerelementen umgewandelten elektrischen Signals

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ORIGINAL INSPECTED

in Abhängigkeit von den Steuersignalen und durch eine zweite Anzeigeeinrichtung zur Wiedergabe des Tomogramms des Zielbereichs.
2. Ultraschall-Diagnosevorrichtung, gekennzeichnet durch eine Sonde mit Wandlerelementen zur Abstrahlung eines Ultraschallstrahls gegen ein zu untersuchendes Objekt und zur Umwandlung von Ultraschallechos in elektrische Signale, durch eine erste Anzeigeeinrichtung zur Wiedergabe eines B-Bodus-Bilds des Untersuchungsobjekts, durch eine Einrichtung zur Einstellung eines gewünschten, zu beobachtenden Querschnitts des B-Modus-Bilds, durch eine Einrichtung zur Speicherung der Positionsdaten des mittels der Einstelleinrichtung gewählten Querschnitts, durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Systemsynchronisationsimpulses, durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines mit dem letztgenannten Impuls synchronen Impulses, der seinerseits die Wandlerelemente der Sonde zur Erzeugung von Ultraschallwellen erregt, durch eine Schaltereinrichtung zum fortlaufenden Einschalten der zu erregenden Wandlerelemente, durch eine Einrichtung zur Abnahme der vom Zielbereich reflektierten Wellen, zur Verstärkung derselben und zu ihrer Auswahl für die jeweiligen Wandlerelemente, durch eine Position-Meßeinrichtung zur Bestimmung einer Position der Sonde, durch einen Verzögerung-Funktionsgenerator zur Lieferung eines Steuersignals mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung, die einen zu untersuchenden Zielbereich des Untersuchungsobjekts darstellt, in Abhängigkeit von den Positionsdaten, durch eine Einrichtung zur Verschiebung der Wandlerelemente um den Zielbereich des Untersuchungsobjekts herum in Übereinstimmung mit dem Verzögerungssignal, durch eine Torschaltung, welche den Systemsynchronisationsimpuls unter der Steuerung des Verzögerungssignals selektiv durchläßt, durch eine Abtastschaltung, welche das Systemsynchronisationssignal abnimmt und Daten entsprechend

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den Wandlerelementen speichert und das reflektierte Signal bei Eingang des Verzögerungssignals abtastet, durch einen Analog/Digital- bzw. A/D-Wandler zur Umsetzung des Ausgangssignals der Abtastschaltung in ein entsprechendes Digitalsignal/ durch ein Pufferregister zur vorübergehenden Speicherung des Ausgangssignals des A/D-Wandlers, durch einen Digital/Analog- bzw. D/A-Wandler zur Umsetzung des aus dem Pufferregister ausgelesenen Signals in ein entsprechendes Analogsignal und durch eine zweite Anzeigeeinrichtung zur Wiedergabe des Tomogramms des Zielbereichs.
3. Ultraschall-Diagnosevorrichtung, gekennzeichnet durch eine Sonde mit Wandlerelementen zur Abstrahlung eines Ultraschallstrahls gegen ein zu untersuchendes Objekt und zur Umwandlung der Ultraschallechos in elektrische Signale, durch eine erste Anzeigeeinrichtung zur Wiedergabe eines B-Modus-Bilds des Untersuchungsobjekts, durch eine Detektor- oder Meßeinrichtung zur Bestimmung der tatsächlichen bzw. Ist-Position der Sonde, durch eine Einstelleinrichtung zur Einstellung eines gewünschten Querschnitts des B-Modus-Bilds, durch eine Abtasteinrichtung zur Abtastung nur der vom eingestellten Querschnitt des Untersuchungsobjekts reflektierten Signale, die in den von der Sonde gelieferten Ausgangssignalen enthalten sind, und durch eine zweite Anzeigeeinrichtung zur Wiedergabe des Tomogramms des Zielbereichs.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung eine Torschaltung aufweist, die aktiviert bzw. durchgeschaltet wird, wenn sie die Ausgangssignale der Meßeinrichtung und der Einstelleinrichtung gleichzeitig empfängt.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine erste Einrichtung zur Berechnung der Koordinaten in einem Orthogonalkoordinatensystem entsprechend der Ist-Position der Sonde, eine zweite Einrichtung zur Berechnung des Abstands der berechneten Koordinaten vom Ursprungspunkt und eine Einrichtung zum Vergleichen des Ausgangssignals der zweiten Einrichtung mit einem eine Bezugsstrecke angebenden Bezugssignal aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitt-Einstelleinrichtung eine Pegel-Einstelleinrichtung zur Einstellung der Position oder Lage des gewünschten Querschnitts, eine Einrichtung zur Speicherung des gewählten oder Soll-Pegelsignals der Einstelleinrichtung, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Sägezahnwellensignals, eine Einrichtung zum Vergleichen des Ausgangssignals des Sägezahnwellen-Signalgenerators mit dem gewählten oder Soll-Pegelsignal der Pegeleinstelleinrichtung und eine Einrichtung zur Wellenformung des Ausgangssignals der Vergleichseinrichtung bzw. des Komparators umfaßt.
7. Ultraschall-Diagnosevorrichtung, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Sonde mit Wandlerelementen zur Abstrahlung eines Ultraschallstrahls gegen ein zu untersuchendes Objekt und zur Umwandlung der Ultraschallechos in elektrische Signale, durch eine erste Anzeigeeinrichtung zur Wiedergabe eines B-Modus-Bilds des Zielbereichs, durch eine zweite Anzeigeeinrichtung zur Wiedergabe eines gewünschten Querschnitts in dem von der ersten Anzeigeeinrichtung wiedergegebenen Tomogramm, durch einen Systemsynchron(isations)impulsgenerator, durch einen Erregungsimpulsgenerator, der in Synchronismus mit der Erzeugung der Impulse durch den Systemsynchronimpulsgenerator Impulse liefert, um dadurch

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die Wandlerelemente der Sonde für die Ausstrahlung von Ultraschallwellen anzuregen, durch einen Empfänger zur selektiven Abnahme der Ultraschall-Echosignale von der Sonde für die betreffenden Wandlerelemente durch einen Verstärker zum Verstärken des Ausgangssignals des Empfängers, durch eine erste Schaltereinrichtung zum selektiven Umschalten von einer Leitung, welche die vom Erregungsimpulsgenerator gelieferten Erregungsimpulse zur Sonde leitet, auf eine andere Leitung, welche die von der Sonde reflektierten Echoimpulse zum Empfänger leitet, und umgekehrt, durch eine zweite Schaltereinrichtung zum Anschalten des Ausgangssignals des Verstärkers an die erste oder die zweite Anzeigeeinrichtung, durch einen Abtastwandler zum Abtasten des vom Verstärker zugeführten Signals dann, wenn die zweite Schaltereinrichtung das Verstärker-Ausgangssignal an die erste Anzeigeeinrichtung ankoppelt, und zur Helligkeitsmodulation des abgetasteten Signals in ein der ersten Anzeigeeinrichtung zuzuführendes Helligkeitssignal, durch einen ersten Analog/Digital-Wandler zum Umwandeln des Ausgangssignals des Verstärkers in ein Digitalsignal, wenn die zweite Schaltereinrichtung das Verstärker-Ausgangssignal an die zweite Anzeigeeinrichtung anschaltet, durch einen ersten Speicher zur Speicherung des Ausgangssignals des ersten Analog/Digital-Wandlers, durch einen Digital/Analog-Wandler zur Umwandlung des Signals vom ersten Speicher in ein zur zweiten Anzeigeeinrichtung zu übertragendes Analogsignal, durch eine Position-Meßeinrichtung zur Bestimmung der Position der Sonde, durch eine Rechenschaltung zur Berechnung der Ist-Position der Sonde auf der Grundlage des von der Meßeinrichtung gelieferten Positionssignals, durch eine arithmetische Operationsschaltung zur Berechnung des Abstands der Ist-Position der Sonde von einem Bezugspunkt anhand des Ausgangssignals der Rechenschaltung, durch einen zweiten Analog/Digital-Wandler zur Umwandlung des Ausgangssignals der Operationsschaltung in ein Digitalsignal, durch einen ersten Komparator zum Vergleichen des Ausgangssignals der Operationsschaltung mit einem eine Bezugsstrecke an-

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gebenden Bezugssignal, durch eine Einrichtung zur Einstellung eines gewünschten Querschnitts des von der ersten Anzeigeeinrichtung wiedergegebenen Tomogramms, durch einen zweiten Speicher zur Speicherung des Ausgangssignals der Einstelleinrichtung, durch einen Sägezahnwellengenerator zur Erzeugung eines Sägezahnwellensignals synchron mit dem Systemsynchronisationsimpuls vom betreffenden Impulsgenerator, durch einen zweiten Komparator zum Vergleichen des AusgangsSignaIs des zweiten Verstärkers mit dem Sägezahniirellensignal, durch einen Impulsformer zur Wellenformung des Ausgangssignals des Komparators und durch eine Torschaltung zur Lieferung eines Signals zum ersten Analog/Digital-Wandler bei gleichzeitigem Eingang des Ausgangssignals des ersten Komparators und des Ausgangssignals des Impulsformers .

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