DE2848880A1

DE2848880A1 - Echographiegeraet

Info

Publication number: DE2848880A1
Application number: DE19782848880
Authority: DE
Inventors: Jacques Dory
Original assignee: CGR Ultrasonic SA
Current assignee: CGR Ultrasonic SA
Priority date: 1977-11-23
Filing date: 1978-11-10
Publication date: 1979-10-11
Also published as: DE2848880C2; US4274421A; FR2410276B1; FR2410276A1

Description

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Firma C.G.R. ULTRASONIC, 77102 Meaux (Frankreich)

Echographiegerät

Die Erfindung bezieht sich auf ein Echographiegerät nach Gattungsbegriff, wie es für die Untersuchung biologischer Gewebe Verwendung findet. Die darin reflektierten Ultraschallimpulse (Echoimpulse) werden auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre unter Verwendung einer Anzeigeweise des sog. Typs B dargestellt.

Bei dieser Anzeigeweise nimmt die Spur des Kathodenstrahls auf dem Bildschirm in jedem Augenblick einejmit derjenigen des Ultraschallstrahlenbündels im Inneren des zu untersuchenden Objekts homothetische Position ein, während sich das Ultraschallstrahlenbündel innerhalb einer Ebene verlagert.

Bei bekannten Echographiegeräten mit einer Anzeige des Typs B wird eine die Ultraschallimpulse aussendende und die reflektierten Impulse empfangende Sonde gewöhnlich von Hand über das Objekt hingeführt. Damit ist es nicht möglich, eine dynamische Untersuchung durchzuführen, d.h. Körperorgane in ihrem Bewegungsablauf zu beobachten. Man hat deshalb bereits vorgeschlagen, um dies zu ermöglichen, eine Sonde mit einer Mehrzahl von Ultraschallübertragern zu verwenden, die mit einer verhältnismäßig hohen Geschwindigkeit sukzessive angesteuert werden. Derartige Geräte sind naturgemäß kompliziert und dementsprechend zu teuer, um eine allgemeine Verbreitung zu finden.

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, ein einfacheres und dabei dennoch bequem zu handhabendes Echographiegerät für dynamische Untersuchungen zu schaffen, mit dem sich insbesondere auch Organe geringer Abmessungen, die nur eine Eindringtiefe

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von wenigen Zentimetern erfordern, wie z.B. das Auge und die Schilddrüse, oder aber solche Organe untersuchen lassen, die zwar eine größere Eindringtiefe von beispielsweise bis zu 20 cm, dafür aber für ihre Untersuchung nur einen beschränkten Abtastwinkel für das Ultraschallstrahlenbündel erfordern, wie dies beispielsweise in der Kardiologie oder der Geburtshilfe der Fall ist.

Diese Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche bezeichnen vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung.

Nachfolgend ist ein entsprechendes bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der Figuren im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch den Abtastkopf eines erfindungsgemäßen Echographiegeräts,

Fig. 2 eine Vorderansicht des gleichen Abtastkopfes und

Fig. 3 ein schematisiertes Schaltbild der elektronischen Komponente des Geräts.

In den Figuren 1 und 2 erkennt man ein Gehäuse 1 von im wesentlichen prismatischer Form, das nach unten hin eine pyramidenstumpfförmige Verlängerung und auf einer Seite einen Vorsprung besitzt, der einen Motor beherbergt, wie nachfolgend noch beschrieben wird.

Die Seitenwände des Gehäuses 1 bestehen aus einem für Ultraschall praktisch undurchlässigen Material und sind darüberhinaus innenseitig vorzugsweise mit einem ultraschallabsorbierenden Material bedeckt. Der Boden des Gehäuses wird von einer für Ultraschall durchlässigen Membran 2 gebildet, die zweckmäßigerweise aus einem Material besteht, welches im wesentlichen die gleiche akustische Impedanz wie das zu untersuchende Körpergewebe aufweist und dazu bestimmt ist, an die Haut des Patienten angelegt zu werden.

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In einer Wand des Gehäuses 1 ist ein piezoelektrischer übertrager 3 derart angeordnet, daß seine wirksame Fläche 31 mit einem Planspiegel 4 zusammenwirkt, der beispielsweise aus einer Metallscheibe besteht. Der Übertrager 3 ist in dem Gehäuse durch eine Dichtung 32 abgedichtet.

Der Spiegel 4 ist über eine horizontale Welle 41 in Drehschwingungen versetzbar derart, daß das von dem Spiegel ausgehende Ultraschallstrahlenbündel einen gewissen Winkelbereich innerhalb einer vertikalen Symmetrieebene der Figur 1 und parallel zu derjenigen der Figur 2 verläuft.

Der erwähnte Motor, 5, befindet sich unmittelbar auf der Welle 41 innerhalb einer in dem Gehäuse 1 enthaltenden Ankoppelungsflüssigkeit. Es handelt sich um einen kommutatorlosen Motor, vorzugsweise in Gestalt eines Drehmomentantriebs. Damit erreicht man ein leichtes und kompaktes, dazu aber noch besonders einfaches und zuverlässiges Schwingungssystem mit keinerlei mechanischen Kontakten, die zu Kontaktunregelmässigkeiten und damit zu parasitären Drehmomenten Anlaß geben könnten.

In Fig. 3 erkennt man einen Impulsgenerator 6 zur Erzeugung aufeinanderfolgender elektrischer Impulse, die einen Hochfrequenzgenerator 7 steuern. Dieser beaufschlagt auf gewohnte Weise den Übertrager 3. Die von diesem Übertrager aufgenommenen Echoimpulse teilen sich einem Empfänger 8 mit, dessen Ausgang mit der Steuerelektrode der Kathodenstrahlröhre 9 verbunden ist.

Wie aus den Figuren 1 und 2 gleichfalls ersichtlich, bringt die Welle 41 des weiteren über eine Abkröpfung 42 ein reflektierendes Organ in Gestalt eines Metallblättchens 43 zum Schwingen. Auf dieses Metallblättchen trifft ein horizontales Ultraschallstrahlenb/ündel aus einem zweiten Übertrager (HilfsÜbertrager) auf, der fest an einer vertikalen Wand des den Motor 5 aufnehmenden

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Gehäusevorsprungs angebracht ist. Das Zeitintervall zwischen einem ausgesandten Ultraschallimpuls und dem empfangenen Echoimpuls entspricht bis auf eine Konstante dem Wert sin i, wobei i der Winkel des von dem Spiegel 4 ausgehenden Ultraschallstrahlenbündels gegenüber der Vertikalen ist (Fig. 2).

Der Übertrager 44 wird von dem Impulsgenerator 6 über einen Verstärker 10 angesteuert. Die von dem Metallblättchen 43 stammenden Echoimpulse werden über einen Verstärker 11 einer Kippschaltung 12 zugeführt, die einen mit dem Impulsgenerator 6 verbundenen Rückstelleingang besitzt. Infolgedessen liefert die Kippschaltung 12 ein Signal aus Rechteckimpulsen, deren Vorderflanke mit den ausgesandten Ultraschallimpulsen und deren Hinterflanke mit den von dem Metallblättchen 43 stammenden Echoimpulsen zusammenfällt. Somit ist die Breite der Rechteckimpulse proportional dem Wert sin i.

Das Rechteckimpulssignal gelangt an ein Gatter 13, an dessen zweitem Eingang Taktimpulse eines Taktgenerators 14 eintreffen. Damit werden diese Taktimpulse während der Dauer der Rechteckimpulse einem Zähler 15 zugeleitet, der auf diese Weise einen numerischen Wert entsprechend dem Wert sin i angibt. Ein Digital-Analog-Umsetzer 16 verwandelt diesen numerischen Wert in eine veränderliche Gleichspannung, mit welcher sowohl der Motor 5 als auch die Strahlablenkung der Kathodenstrahlröhre 9 gesteuert wird, wie nachfolgend nun genauer geschildert wird.

Ein Generator 17 liefert ein aus Sägezahnimpulsen mit einer beispielsweise zwischen 5 und 10 Hz variablen Frequenz bestehendes Spannungssignal. Mit dem Generator 17 sindjzwei Potentiometer, und 172, verbunden, über die sich die Amplitude bzw. die Gleichspannungskomponente des Sägezahnsignals einstellen lässt. Dieses Signal beaufschlagt einen Differenzverstärker 18, dessen zweiter Eingang das Spannungssignal vom Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers 16 empfängt. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 18 steuert

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die Rotationsfrequenz des Motors 5. Eine derartige, an sich bekannte Motorsteuerung bestimmt die Winkelposition des Spiegels in jedem Augenblick. Damit kann die Schwingungsfrequenz des Spiegels zwischen 5 und 10 Hz variiert werden, während die Amplitude des Sägezahnsignals aus dem Generator 15 den Öffnungswinkel des von dem Ultraschallstrahlenbündel überstrichenen Winkelsektors und die Gleichspannungskomponente die Orientierung der Achse des Strahlenbündels gegenüber der Bezugsebene bestimmt.

Die Steuerschaltung für die Strahlablenkung der Kathodenstrahlröhre enthält einen programmierbaren Festspeicher 19 in Verbindung mit dem Zähler 15, der so gesteuert wird, daß er an seinen Ausgängen 191 und 192 den Wert cos i bzw. l/cos i liefert.

Die numerischen Werte von sin i und cos i werden über den Integrator 20 bzw. 21 den vertikalen bzw. horizontalen Ablenkplatten X bzw. Y der Kathodenstrahlröhre 9 zugeführt. Die beiden Integratoren liefern Spannungen vom Wert Cl t sin i bzw. Cl t cos i, wodurch der Kathodenstrahl der Röhre in jedem Augenblick eine mit derjenigen des in die Ankoppelungsflüssigkeit innerhalb des Gehäuses 1 und weiter in das zu untersuchende Objekt ausgesandten Ultraschallstrahlenbündels homothetische Position einnimmt. Das setzt freilich voraus, daß beim Übertritt von der Ankoppelungsflüssigkeit in das Objekt keine Brechung eintritt, was dann der Fall ist, wenn die Ankoppelungsflüssigkeit Wasser ist, da in diesem die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls im wesentlichen die gleiche ist wie in Körpergeweben.

Der Ausgang 192 des Speichers 19 steht mit dem einen Eingang eines Vergleichers 22 in Verbindung, dessen Ausgangssignal ein Gatter 23 steuert. Der andere Eingang des Vergleichers empfängt Taktsignale von einem Taktgenerator 24 über einen Zähler 25. Damit liefert das Gatter 23 unter Steuerung durch den Vergleicher 22 die von dem Empfänger 8 aufgenommenen Echoimpulse an die Steuerelektrode der Kathodenstrahlröhre 9.

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Genauer gesagt gibt das Gatter 23 die von dem Empfänger 8 aufgenommenen Echoimpulse nur dann an die Kathodenstrahlröhre 9 weiter, wenn der Taktgenerator 24, der selbst von dem Impulsgenerator 6 gesteuert wird, eine dem Wert l/cos i entsprechende Impulszahl geliefert hat. Die Frequenz des Taktgenerators 24 wird entsprechend dem Wert d/c eingestellt, wobei d der Weg ist, den die ausgesandten Ultraschallimpulse bis zum Erreichen der Membran 2 (Fig. 1) durchlaufen müssen, wenn sie einer dazu lotrechten Bahn folgen, und c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls. Damit erfolgt die Aufsteuerung des Gatters 23 am Ende eines Zeitraumes von der Größe d/c cos i, d.h. in dem Augenblick, wo ein Impuls die Membran erreicht. Auf diese Weise wird die Wiedergabe von parasitären Echoimpulsen unterbunden, wie sie auf Grund von Reflexionen der ausgesandten Ultraschallimpulse im Inneren des Gehäuses 1 auftreten könnten. I.ü. kann man die Anordnung so betreiben, daß der vom Vergleicher stammende Impuls die Membran auf dem Bildschirm in Erscheinung treten lässt.

Selbstverständlich können die vorausgehend beschriebenen Steuerschaltungen für den Motor und die Kathodenstrahlablenkung auch Änderungen unterworfen werden, ohne damit vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Indessen ist die beschriebene numerische Steuerung der Ablenkung besonders einfach und vorteilhaft, weshalb sie eine bevorzugte Ausführung bildet.

Auch die hier beschriebenen und dargestellten Anzeigemittel für die Winkelposition des Spiegels aus einem zweiten Übertrager und zusätzlichen Reflexionsorgan bildet nur eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, obgleich sie besonders vorteilhaft erscheint. Sie kann durchaus durch an sich bekannte Anordnungen ersetzt werden, beispielsweise solche, die mit einer Kapazitätsänderung arbeiten.

Ist das erfindungsgemäße Gerät etwa für die Anwendung in der Geburtshilfe vorgesehen, wo man in der Nähe der Membran liegende

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Objekte zu untersuchen hat, so ist es wichtig, daß der von dem Ultraschallstrahlenbündel durchmessene Sektor trapezförmig und damit die Strecke d nicht sehr klein ist. In diesem Fall soll die Laufzeit des Ultraschalls in dem Gehäuse 1 zumindest gleich der Laufzeit in dem zu untersuchenden Objekt sein, d.h. d mindestens etwa 20 cm betragen. Dann nämlich tritt der zweite von der Membran stammende Echoimpuls erst nach dem von der Reflexion im Inneren des untersuchten Objekts stammenden Nutzsignal auf, wodurch er nicht stört. Stellt man fest, daß durch Reflexion an den Seitenwänden des Gehäuses ein kleiner Anteil des zunächst an der Membran reflektierten Ultraschalls auf den Spiegel gelangt, so hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die betreffenden Seitenwände mit einem ultraschallabsorbierenden Material zu bekleiden.

Für die Anwendung in der Kardiologie ist ein etwa dreieckiger Sektor für die Untersuchung von Interesse, um die Passage des Strahlenbündels zwischen den Seiten zu erleichtern, ebenso wie man die Membran nur wenige Zentimeter von dem Reflexionspunkt auf dem Spiegel entfernt anordnet. In diesem Falle können sich die von den aufeinanderfolgenden Reflexionen an der Membran stammenden Echos dem Nutzsignal überlagern, weshalb man bestrebt sein sollte, ihre Amplitude zu verringern. Dies lässt sich durch Verwendung einer ultraschallabsorbierenden Ankoppelungsflüssigkeit und einer Membran erreichen, deren akustische Impedanz sehr nahe bei derjenigen der beiden anschließenden Medien liegt.

In der Praxis hat sich Wasser unter Zusatz von Zelluloseverbindungen als geeignet erwiesen, wodurch sich der Absorptionskoeffizient ohne wesentliche Änderung der akustischen Impedanz und der Ultraschall-Fortpflanzungsgeschwindigkeit beträchtlich ändern lässt. Die Membran kann aus Polyäthylen oder Polyuräthan bestehen.

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Mit diesen Maßnahmen lässt sich das Verhältnis Nutz-/Störsignale ohne wesentliche Empfindlichkeitseinbuße beträchtlich verbessern, vorausgesetzt, daß ein geeigneter Absorptionskoeffizient gewählt wird.

Die Erfindung ermöglicht eine sehr kompakte Ausführung des Geräts mit einer Gehäusetiefe von beispielsweise nur 3 bis 4 cm. Auch lässt sich der Öffnungswinkel des untersuchten Bereiches reduzieren, was insbesondere für Untersuchungen des Auges, der Schilddrüse und ähnlicher Organe von Interesse ist.

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Claims

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Patentansprüche:

Echographiegerät mit einem feststehenden Übertrager zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallimpulsen, der mit einem beweglichen Planspiegel und einer zur Ankoppelung an das zu untersuchende Objekt dienenden Flüssigkeit (AnkoppelungsflüsaLgkeit) zusammenwirkt, einer Kathodenstrahlröhre und einer elektronischen Steuerschaltung für die Strahlablenkung derselben, die derart arbeitet, daß die Spur des Kathodenstrahls auf dem Bildschirm aufeinanderfolgende, mit denen des Ultraschallstrahlenbündels in dem Objekt homothetische Positionen einnimmt, dadurch gekennzeichnet,

daß der Spiegel (4) um eine, in einer Längsmittelebene eines die Ankoppelungsflüssigkeit enthaltenden, langgestreckten Gehäuses (1) liegende Achse zu schwingen vermag,

daß die Seitenwände des Gehäuses (1) für Ultraschall im wesentlichen undurchlässig sind, während sein dem Spiegel (4) gegenüberliegender Boden aus einer für Ultraschall durchlässigen Membran (2) besteht,

daß der Spiegel (4) durch einen kommutatorlosen Motor (5) in Verbindung mit einer elektronischen Steuerschaltung (6, 10-18, 171, 172) antreibbar ist, die ihrerseits mit ohne Berührung mit dem Spiegel (4) in der Ankoppelungsflüssigkeit befindlichen Organen (43, 44) zur Erzeugung eines für die jeweilige Winkelposition des Spiegels (4) bezeichnenden elektrischen Signals verbunden ist,

daß die Steuerschaltung (6, 10-18, 171, 172) für den Motor (5) ein der Abweichung zwischen der jeweils gemessenen und einer für jeden Augenblick vorgegebenen Winkelposition des Spiegels (4) entsprechendes elektrisches Signal liefert, und

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daß die Steuerschaltung (19-21) für die Strahlablenkung der Kathodenstrahlröhre (9) durch das für die Winkelposition des Spiegels (4) bezeichnende Signal gesteuert wird.
2. Echographiegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Organe zur Erzeugung des für die Winkelposition des Spiegels (4) bezeichnenden Signals im wesentlichen aus einem weiteren, mit dem Spiegel (4) starr verbundenen reflektierenden Organ (43) und einem weiteren feststehenden Übertrager (44) zum Aussenden und Empfangen periodischer Ultraschallimpulse bestehen.
3. Echographiegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (6, 10-18, 171, 172) für den Motor (5) des weiteren Schaltmittel (15, 16) zur Erzeugung eines Spannungssignals aus aufeinanderfolgenden sägezahnförmigen Impulsen konstanter Steigung, die jeweils dann abbrechen, wenn der weitere Übertrager (44) einen an dem reflektierenden Organ (43) reflektierten Echoimpuls empfängt, sowie einen Scheitelwertdetektor (17, 18, 171, 172) für die Sägezahnimpulse enthält.
4. Echographiegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze i chnet, daß die elektronische Steuerschaltung (6, 10-18, 171, 172) für den Motor (5) einen Generator (17) für ein sägezahnförmiges Bezugssignal mit Schaltmitteln (171, 172 etc.) zur Einstellung der Frequenz, der Amplitude und der Gleichspannungskomponente desselben enthält.
5. Echographiegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerschaltung (19-21) für die Strahlablenkung der Kathodenstrahlröhre

(9) Schaltmittel (6, 10-15) zur Erzeugung von dem Sinus und dem Cosinus des die Winkelposition des Spiegels bezeichnenden Winkels proportionalen numerischen Werten sowie mit den

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Strahlablenkmitteln (X, Y) der Kathodenstrahlröhre (9) für die horizontale bzw. vertikale Strahlablenkung verbundene Integrationsmittel (20, 21) für die numerischen Werte aufweist.
6. Echographiegerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (6, 10-15) zur Erzeugung der numerischen Werte des weiteren einen numerischen Wert erzeugen, der dem Cosinus des Spiegelwinkels umgekehrt proportional ist, daß dieser Wert einem Vergleicher (22) zugeführt wird zusammen mit Taktimpulsen, die jedes Mal dann auftreten, wenn ein Ultraschallimpuls den Übertrager (3) verlässt, und deren Periode proportional dem Quotienten der Entfernung (d) zwischen Spiegel (4) und Membran (2) einerseits und der Ultraschall-Fortpflanzungsgeschwindigkeit (c) in der Ankoppelungsflüssigkeit andererseits ist, und daß das Ausgangssignal des Vergleichers (22) die Aufzeichnung auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre (9) steuert.
7. Echographiegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) und die Ankoppelungsflüssigkeit im wesentlichen die gleiche akustische Impedanz besitzen wie das zu untersuchende Objekt.
8. Echographiegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände des Gehäuses (1) ultraschallabsorbierend sind.
9. Echographiegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der Weg des Ultraschallstrahlenbündels in dem Gehäuse (1) in der Größenordnung von wenigen Zentimetern liegt und daß die Ankoppelungsflüssigkeit einen bestimmten Absorptionskoeffizienten gegenüber dem Ultraschall besitzt.

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