Vorrichtung zur Ultraschalluntersuchung und Darstellung eines Objekts

Abstract

 Ein Beobachtungsapparat (50) zur Abtastung eines Objektes mit Ultraschallwellen wandelt die von dem Objekt reflektierten Ultraschallwellen in elektrische Signale um, mit denen das Objekt bildlich dargestellt werden kann. Auf dem Schallweg ist ein schallreflektierender Spiegel (70) in Wasser (57) gelagert. Der Spiegel (70) wird mechanisch bewegt und dabei seine Stellung mit einem Gerät (73) gemessen, das eine erste Art von elektrischen Signalen (C,) liefert, die von der augenblicklichen Lage des Spiegels (70) abhängig sind. Ferner ist ein Gerät (170) vorgesehen, das elektrische Signale in Abhängigkeit von den reflektierten Ultraschallwellen liefert. Diese den reflektierten .Ultraschallwellen entsprechenden elektrischen Signale werden mit einer Zeilenfrequenz gespeichert (200), die der Frequenz der Positionsmeßsignale des Reflektionsspiegels (70) entspricht. Schließlich ist noch ein Auslesegerät (11) der gespeicherten Signale mit einer solchen Frequenz vorgesehen, die zur Anzeige des Signales geeignet ist, um ein Bild des mit Ultraschall diagnostizierten Objektes zu erhalten. Die Zeilenfrequenz des Bildschirmes (11) wird mit dieser Auslesefrequenz synchronisiert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Ultraschallsystem und insbesondere eine Einrichtung zur bildhaften Darstellung von Körperteilen durch Messung der vom Objekt reflektierten Ultraschallwellen nach Beschallung mit entsprechender Ultraschallenergie.

[0002] Während der letzten zwei Jahrzehnte ist die Ultraschalltechnik in der klinischen Diagnostik stets bedeutungsvoller geworden. Die Ultraschalltechnik wurde unter anderem bereits im Bereich der Gynäkologie, der Neurologie und der Kardiologie verwendet, wobei sie z.B. bei der Sichtbarmachung subkutaner Blutgefäße (einschließlich kleinerer Gefäße) erfolgreich angewandt wurde.

[0003] Für die Anwendung der Ultraschalltechnik in der Medizin sprechen bedeutende Gründe: Ultraschall unterscheidet sich von anderer Art von Bestrahlung durch die damit verbundene harmlose Auswirkung auf. lebende Systeme, weil sei rein mechanischer Wellennatur ist. Durch die Ultraschalltechnik ist Information.erreichbar, die von anderen Methoden, beispielsweise durch Untersuchung mit y-und Röntgenstrahlen, nicht erreichbar ist. Vor allem ist das Risiko einer Verletzung bei der Verwendung von Ultraschall viel geringer als z.'B. bei der Verwendung ionisierender Strahlen (y- oder Röntgenstrahlen). Ultraschall wird in der Hauptsache als Pulsechomethode in der diagnostischen Technik verwendet, wozu Impulse von Ultraschallenergie periodisch von einem piezoelektrischen Geber, z. B. auf Blei-Zirkonat-Titanat Keramik-Basis, erzeugt werden. Jeder kleine Impuls Ultraschallenergie wird als Schallwelle gebündelt. auf den Körper des Patienten gerichtet, wobei er über gegebenenfalls verschiedene Strukturen der Oberfläche eindringt. Hat eine Grenzfläche des Körpers eine Unregelmäßigkeit, an der sich die Phase der Ultraschallwelle ändert, so wird ein Teil der Ultraschallenergie wieder zurückgeworfen. Nach Abgabe eines Ultraschall-Impulses wird das Ultraschallgerät gewöhnlich auf Empfang gestellt, um reflektierte (oder Echo-)Signale vom Körper zurück in elektrische Signale wandeln zu können. Die Zeit, nach der diese Echesignale an den Empfänger zurückkommen, ist direkt vom Abstand der Reflexionsquelle und von der Schallgeschwindigkeit abhängig. Auch die Stärke des Schallechos ist interessant, weil sie Informationen über die Art einer Störstelle liefert.

[0004] Das Echo von Schallwellen kann auf verschiedene Weise dargestellt werden. Einerseits gibt es Geräte mit Verstärker, mit denen die dem empfangenen Ultraschallecho entsprechenden elektrischen Signale verstärkt an den vertikal ablenkenden Platten einer Kathodenstrahlröhre angelegt werden. Der Ausgang eines Zeitgenerators liegt dabei an der horizontalen Ablenkung der Kathodenstrahlröhre. Eine stetige Wiederholung des Impuls/Echo-Vorganges, synchronisiert mit dem Zeitgenerator führt dann zu einem stehenden Bild, sogenannte "A-Abtastung", bei der die Zeit der Eindringtiefe proportional ist und vertikale Ablenkungen vorhandene Fehlordnungen signalisieren. Die Intensität dieser vertikalen Ablenkungen ist ein Maß für die Intensität des Echos.

[0005] Eine andere übliche Art bildlicher Darstellung von Ultraschallwellen ist die sogenannte B-Abtastung, bei der die Echoinformation dem üblichen Fernsehbild entspricht. d. h. die empfangenen Schallechosignale werden zur Modulierung der Helligkeit des Schirmes je Abtaststelle verwendet. Dieser Bildschirmtyp wird speziell für durch den Körper gehende Schallwellenbetrachtung verwendet, so daß jede Intensitätsinformation mehrere Abtastlinien des Bildschirmes beansprucht und die aufeinanderfolgenden Positionen hintereinander werden zur Darstellung von aufeinanderfolgender Linien auf dem Bildschirm verwendet. Mit dieser Technik wird ein Durchlichtbild in einer Ebene abgetastet und das resultierende Bild kann direkt betrachtet werden oder durch eine Photographie oder magnetisches Speicherband gelagert werden.

[0006] Eine Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein Gerät zu 'schaffen, bei dem die durch den Körper gehende Ultraschallabtastung mit einem Reflektor durchgeführt wird, der mechanisch über einen bestimmten Winkel mit der gleichen Frequenz, wie für die Ablenkung des Elektronenstrahles eines Bildschirmes gedreht, geführt wird. Der Reflektor müßte demnach sägezahnförmig wie der Linienantrieb des Bildschirmes gedreht werden, um Verluste zu vermeiden. Das ist wegen der Trägheit der Spiegelmasse relativ zur Trägheit eines Elektronenstrahles aber praktisch nicht möglich. Ultraschallwellen sind also nicht ohne weiteres zur Darstellung auf einem elektrisch gesteuerten Bildschirm geeignet.

[0007] Es ist außerdem bekannt, daß Ultraschall am Grenzübergang zwischen einer Flüssigkeits- und einer Gasphase reflektiert. Dies hat zu einer Ultraschalltechnik geführt, bei der der Ultraschall durch eine abgeschlossene Flüssigkeit geleitet wird, in der er als Körperschall weniger Verluste hat. Wenn sich aber der reflektierende Abtastschirm in einer Flüssigkeit, wie Wasser befindet, stellt sich erst recht das Anpassungsproblem sehr schneller (Rück-)Bewegung - wegen großen inneren Widerstandes der Flüssigkeit nach einer langsamen Hinbewegung - für Darstellung auf dem.Bildschirm. Dies gilt insbesondere für Abtasteinrichtungen mit großem Abtastbereich, bei denen der innere Widerstand der Flüssig-. keit einer Beschleunigung des Reflektionsschirmes entgegensteht.

[0008] Eine der Aufgaben der Erfindung besteht also.auch darin, ein bildliches Darstellungssystem für Ultraschallwellenabtastung zu schaffen, durch'das Probleme bekannter Einrichtungen gelöst und weiterentwickelt werden.

[0009] Die vorliegende Erfindung einer'Einrichtung zum Abtasten eines Objektes, das mit Ultraschallwallen bestrahlt wird, bei dem die von dem Objekt zurückgeworfenen Ultraschallwellen in elektrische Signale zur Darstellung auf einem Bildschirm umgewandelt werden, ist durch einen Ultraschallspiegel im Wege der Ultraschallbestrahlungsrichtung gekenn-' zeichnet, der vorzugsweise in einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, gelagert ist. Der schallreflektierende Spiegel wird mechanisch angetrieben und seine Winkellage mit einem Meßgerät festgestellt; das eine der Bewegung entsprechende Impulsreihe elektrischer Signale Cl liefert. Außerdem ist ein Empfänger für reflektierte Ultraschallwelleh vorgesehen, der die reflektierten Schallwellen (Echo) in elektrische Signale umwandelt. Diese dem Echo entsprechenden Signale werden einem Speicher mit einer Auflösung, die dem Frequenzabstand der Signale aus der Positionsbestimmung entsprechen, zugeleitet. Schließlich werden die so gespeicherten Signale mit einer Auflösung gemäß Frequenzbestand einer anderen Frequenz C2 herausgelesen, die der Frequenz zum Betrieb einer zeilenförmigen Anzeige entspricht.

[0010] In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird der Reflektor gar nicht linear, sondern zum Beispiel sinusförmig, bewegt, damit der Antrieb vorteilhaft mit einer Frequenz betrieben werden kann, die einer Resonanzfrequenz des Reflektors in der Flüssigkeit nahe kommt und bei der unstete, plötzliche Bewegungen wie z. B. beim sägezahnförmigen Antrieb, vermieden werden. Die .Genauigkeit eines Gerätes gemäß der Erfindung im überstrichenen Abtastbereich wird durch Messung, Speicherung und Anzeige der Schallwellen der Hin- und der Rückbewegung des Spiegels erhöht. Während der Abtastung. in beiden Richtungen entsteht keine Totzeit. Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die elektrischen Signale in Schieberegistern gespeichert. Die elektrischen Signale von der jeweiligen Abtastrichtung werden auf Speicherplätzen in der jeweiligen Richtung hintereinander gespeichert, wozu in besonders vorteilhafter Weiterentwicklung der Erfindung Schieberegister.mit analogen Registern des CCD-Typs verwendet werden (CCD = Charge Couple Device = Ladungstransporteinrichtcng, siehe US PS 3,882,271)

[0011] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung wird noch in einem neuartigen Drehmomentgeber gesehen, der auf der Drehachse eines drehbaren Reflektors befestigt ist.

[0012] Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Abtastkopf mit Empfänger beim Messen an einem Objekt

Figur 2 einen Querschnitt durch den Meßkopf und in blockartiger Darstellungsweise daran angeschaltete Bauelemente zur elektrischen Auswertung

,Figur 3 ein Blockdiagramm einer Schaltung zur Erzeugung zeitkonstanter Signale, die in der Schaltung von Figur 2 verwendet werden

Figur 4 ein Blockdiagramm des Speichersystems aus Figur 2

Figur 5 bestehend aus den Unterteilen A - F zeigt den zeitlichen Ablauf von Impulsen während einer Periode zur Erläuterung der Arbeitsweise der Elektronik

[0013] In Figur 1 werden die äußeren Maße eines Abtastgerätes gemäß der Erfindung im Vergleich mit einem Objekt gezeigt. Das Kontrollpult 10 enthält einen Bildschirm 11, beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre, in einer geeigneten Frontplatte. Außerdem können ein Videobandrecorder oder ein anderer Speicher z. B. auf der Basis photographischer Signale (Bildschirmkopierer), im Kontrollpult 10 enthalten sein, um die Signale zur Anzeige eines Bildes zu liefern.Ferner enthält das Kontrollpult 10 eine Energieversorgung und Teile der. Schaltung für die Erzeugung zeitabhängiger Frequenz und zum Antrieb des Abtasters in dem Meßkopf 50. Der Meßkopf 50 (oder Sonde) ist mit dem Kontrollpult 10 mit einer elektrischen Leitung 48 verbunden. Der Meßkopf 50 des vorliegender Ausführungsbeispiels ist im wesentlichen zylindrisch geformt und hat in der Nähe eines Endes ein Abtastfenster 51, das beispielsweise aus elastisch nachgiebigem Material Silicongummi besteht. Zur Handhabe des Gerätes wird der Meßkopf 50 in eine vom Bediendenden in der Hand zu haltenden Position gebracht, so daß das Abtastfenster 51 auf das abzutastende Objekt gerichtet ist. Bei dem in Figur 1 dargestellten Objekt soll beispielsweise der Bereich um das Herz eines Menschen abgetastet werden. Selbstverständlich kann die Sonde auch zur Messung anderer Körperstellen oder anderer Objekte verwendet werden, auf die sie mit Handgriff zu richten wäre.

[0014] Gemäß Figur 2 wird die Sonde 50 im Querschnitt dargestellt, an die zugehörige Teile der Auswerteelektronik angeschlossen sind, die teils in der Sonde 50 und teils im Kontrollpult 10 angeordnet sein können. Das Gehäuse des Meßkopfes 50 schließt eine vordere Schalleitkammer 52, die eine Flüssigkeit enthält, und eine hintere Schallmeßkammer 53, die einen Teil der Elektronik enthalt, ein. Beide Kammern 52 und 53 haben Zylinderform mit gleichgroßem Durchmesser; so daß sie mit Hilfe eines Rohres 54, das an seiner Außenseite einen ringförmigen Ansatz 55 besitzt, zu einem Zylinder zusammengesetzt werden können. Das (Innen-)Rohr 54 trägt einen flächenförmigen Schallgeber 80 und eine Schallsammellinse 90, von dem die beiden Gehäuseteile voneinander getrennt werden (vgl. US-Patent 3,958,559). Das Abtastfenster 51 befindet sich am Ende der Kammer 52. Rings um die Fensteröffnung ist ein Ansatz vorgesehen, auf der eine elastisch nachgiebige Membran 56, beispielsweise Silicongummi-Membran, aufgezogen. ist. Die vordere Schallkammer 52 ist mit einer Flüssigkeit 57, beispielsweise Wasser, ausgefüllt. Die Membran 56 soll so elastisch sein, daß sie sich mit dem Meßkopf an die Oberfläche des zu messenden Körpers glatt anlegt, um störende Reflektionen von Schallwellen an einem Übergang zwischen_' der Flüssigkeit des Gerätes zum Objekt möglichst.gering zu halten.

[0015] Eine flächenhaft dargestellte sc-hallreflektierende Abtasteinrichtung 70 ist in der Flüssigkeit 57 zwischen der Schalllinse 90 und dem Abtastfenster 51 angeordnet. Natürlich kann die Oberfläche der nicht gewölbt gezeichneten Abtasteinrichtung gebogen sein und selbst reflektierte Schallwellen fokussieren oder zerstreuen. Die Abtasteinrichtung 70 (Schallspiegel) ist an einer senkrecht zur Zeichenebene liegenden Achse 71 befestigt, die durch die Gehäusewand der vorderen Schalleitkammer 52 hindurchgeführt sein kann, um von außen mit einem kleinen elektrischen Motor 72, der die Hin- und Herbewegung erzeugt, betrieben zu werden. Ein ebenfalls auf der Drehachse des Schallspiegels und am Gehäuse 52 befestigter Drehmomentgeber 73 ist in Figur 2 noch besonders herausgezeichnet worden.

[0016] Der gestrichelt dargestellte Drehmomentgeber 73 kann wie die äußeren Teile des Elektromotors in einem nicht-dargestellten übergestülpten weiteren Gehäuseteil untergebracht sein. Der Schallgeber (Anreger) 80 ist direkt mit einem elektrisch betriebenen Schallerzeuger bzw. Schallempfänger 130 verbunden, von'dem abwechselnd schallanregende Impulse ausgehen und am Schallfühler 80 zurückkommende Schallechoimpulse empfangen werden. Es ist nicht dargestellt, daß zwischen dem akustischen Anreger 80 und elektrischen Anreger 130 noch verschiedene an sich bekannte elektrische Einrichtungen zur Konzentrierung des Ultraschallstrahles vorgesehen sein können.

[0017] Zur dynamischen Fokussierung beispielsweise mit Stutenlinsen wird auf unsere US-Patentanmeldung Ser.'No. 665,898 (US-Patent No. ) verwiesen.

[0018] Der elektrische Empfänger 130 enthält einen Vorverstärker und ist mit einem Rauschimpulsspeicher 200 über die elektrische Leitung 130 A verbunden. Der Rauschimpulsspeicher 200 liegt mit einem Ausgang am Eingang des Sichtgerätes 11 und des Aufnahmegerätes 160, die zur Darstellung oder zur Speicherung der anzuzeigenden Bilder vorgesehen sind und mit einem anderen Ausgang 200 A am Spiegelantrieb. Eine besondere Verstärkerregelung dazu ist in unserem US-Patent No. 4,043,181 beschrieben. Mit einer solchen Verstärkerregelung soll die Meßempfindlichkeit gesteuert werden.

[0019] Eine Zeittaktschaltung 170 liefert zeitkonstante Impulse zur Synchronisation des elektrischen Gerätes; die zeitkonstanten elektrischen Signale werden an den elektrisch betriebenen Schallerzeuger 130 und den Rauschimpulsspeicher 200 und außerdem an den Antrieb für die Abtastung sowie an die Energieversorgung für die Sichtanzeige 180 gelegt, die elektrische Signale zur Kontrolle der Abtastbewegung des Abtastspiegels 70 und auch die vertikale und horizontale Ablenkung des Kathodenstrahl-Oszillographen 11 und auch des Empfängers 160 steuert:

[0020] Das so beschriebene Gerät arbeitet in großen Zügen wie folgt: In Abhängigkeit von elektrischen zeitkonstanten Signalen erzeugt der Impulsgenerator aus dem Anregerteil 130 elektrische Impulse, die dem Schallanreger 80 (elektroakustischer Wandler) zugeleitet werden. Die dabei entstehenden akustischen Wellen werden durch die Linse 90 auf die Oberfläche des Abtastspiegels 70 gerichtet und von diesem in den zu beobachtenden Körper eingetragen. Die in Figur 2 gestrichelt dargestellten Linien zeigen den Bereich, in dem die Ultraschallwellen hauptsächlich verlaufen. Nachdem ein Wellenzug in den Körper eingedrungen ist, wird der elektrisch betriebene Schallerzeuger/Schallempfänger 130 auf Empfang geschaltet. In dieser Schaltstellung können reflektierte Schallwellen von dem Schallaufnehmer 80 über den Abtastspiegel 70 aus dem Objekt in elektrische Signale umgewandelt werden. Diese Signale gelangen über den Rauschimpulsspeicher 200 auf den Sichtschirm 11. Für einen flächenhaft darstellenden Bildschirm entspricht eine Abtastung einer horizontalen Linie des Bildschirmes. Unterschiedliche Echosignale entstehen bekanntlich an verschiedenen Grenzflächen im Körper. Die zweite Dimension in der Beobachtungsrichtung erhält man durch eine langsamere mechanische Abtastung des Spiegels 70, wobei der Tastbereich in der Figur 2 durch eine doppelseitig gerichteten Pfeil 7 dargestellt ist.

[0021] Die wie beschrieben von dem Zeittaktgeber 170 erzeugten elektrischen Impulse kontrollieren die elektrische Energieversorgung 130 des elektroakustischen Wandlers 80 mit einer solchen Frequenz, daß eine vollständige Abtastbewegung einer Zeile des Bildschirmes entspricht. Dabei wir berücksichtigt, daß Echo-Signale aus tieferliegenden Objektteilen wegen ihres längeren Weges und der relativ langsamen Schallgeschwindigkeit-später zurückkommen.

[0022] Der Antrieb des Schallspiegels 70 und-.die Steuerung der Kathodenstrahlröhre für den Bildschirm 11, dessen Energieversorgung für den Spiegelantrieb und die Sichtanzeige 18.0 dimensioniert ist, liefert Signale für die vertikale und horizontale Steuerung des Kathodenstrahl-Oszillographen und des Spiegelmotorantriebes. Wegen der Nachteile und Probleme für abrupte (unstetige) Bewegungen von Körpern in Flüssigkeiten wird der Schallspiegel 70 nicht linear, sondern vorzugsweise sinusförmig (aber keinesfalls sägezahnförmig) bewegt. Mit der beschriebenen Elektronik wird aus der sinusförmigen Abtastbewegung ein sägezahnförmiges Signal zur Anzeige, wie erforderlich für Bildschirme, geschaffen. Dazu dienen auch die Signale des Drehmomentgebers 73, rückgekoppelt über den Rauschimpulsspeicher:

[0023] Der Drehmomentgeber ist mit einer feststehenden Lichtquelle 73 B und einem Photodetektor 73 C versehen, die an einem Blendenring 73 D anliegen, der Öffnungen in gleichen Abständen aufweist. Der Drehmomentgeber wird gemeinsam mit dem Schallspiegel 70 bewegt. Wegen der sinusförmigen Bewegung des Schallspiegels 70 haben die vom Drehmomentgeber 73 kommenden Impulse sinusförmig abwechselnd große oder kleine Abstände, nicht wie die gleichgroßen Abstände der Impulse vom Zeitgeber 170 (Figur 5e und 5f).

[0024] Der Rauschimpulsspeicher 200 besteht vorteilhaft aus einem sogenannten CCD-Baustein (Charge Couple Device, siehe US-PS 3,882,271), in dem Ladungen auf hintereinander liegenden Speicherplätzen verschoben werden. Beim Abfragen des Speicherinhaltes ist die Verschiebungsgeschwindigkeit so steuerbar, daß aus der sinusförmigen Abtastung ein sägezahnförmiges Signal entsteht.

[0025] In Figur 3 ist die Zeittaktschaltung im einzelnen dargestellt. Mit einer solchen Schaltung wird eine Bezugsgröße für den Speichervorgang geschaffen, um sinusförmige und sägezahn- förmige Frequenzen gegeneinander ohne Verluste austauschen zu können. Die ankommenden elektrischen Signale werden nach der in der Figur 4 dargestellten Logik ( .UND-Gatter 211, 261, 212, 216, 217, 262, 266 und 267) so gesteuert, daß stets sinusförmige Meßsignale in sägezahnförmige Anzeigeimpulse vertauscht werden, so daß sich die Zeitfolge benachbarter Abtastreihen vertauscht werden.

[0026] Der Zeittaktgeber 170 wird durch einen Phasenschieber dann modifiziert, wenn drei sich je um 120° Phasenwinkel überlappende Phasen eines im Takt gleichgroßen Signales erforderlich ist. Dadurch werden unabhängig voneinander der Rauschimpulsspeicher 200 und die Anzeige der Kathodenstrahlröhre für das Sichtsystem 11 angesteuert..

[0027] Wie bekannt, entspricht die Information einer Zeile eines B-Abtastsystems der Lage der Störstellen in dem Objekt, die auf dem Weg der Schallwellen.in den Körper und auf dem Rückweg der Echo-Schallwellen gelegen haben.

[0028] Der Zeittaktgenerator 170 erzeugt ferner Taktsignale und zeitabhängige Signale, die mit dem Spiegelantrieb 72, dem Zeilenablenkungssystem 180 und dem Zwischenspeicher 200 verbunden sind. Einer von den zeitabhängigen Takten für die Zeilenablenkungseinrichtung 180 und für das Speichersystem 200 ist das Taktsignal C2, .das auf der gleichen Frequenz wie die Zeilenablenkung für den Kathodenstrahl-oszillographen des Anzeigesystems 11 arbeitet. Die Leitung der dabei enthaltenen Signale ist in Figur 2 mit Bezugszeichen 170 A bezeichnet.

[0029] Die Signale für den Spiegelantrieb werden über die elektrische Leitung 180 A an den Elektromotor, der die entsprechende Abtastbewegung des Reflektors 70 erzeugt, sowie an die Ablenkungseinrichtung 180, die zur Steuerung der vertikalen und horizontalen Ablenkung des daran angeschlossenen Bildschirmes 11 erforderlich sind und an ein Speicher-fähiges Aufnahmesystem 160 angelegt. Im vorliegenden Beispiel wird der Motor nicht linear, vorzugsweise sinusförmig, also nicht wie gewöhnlich sägezahnförmig, (das der typischen Form der horizontalen Ablenkung für einen Bildschirm 11 entspricht) betrieben. Der Ausgang des Drehmomentgebers 73 wird als Taktsignal Cl bezeichnet, das aus einem Impulszug besteht, der einer Winkelbewegung des Reflektors 70 entspricht. Ein solches Signal wird beispielsweise, wie in Figur 2 dargestellt, durch eine feststehende Lichtquelle 73 B mit einem Photoempfänger 73 C erzeugt, zwischen denen ein auf der Motorachse 71 befestigter Blendenring 73 D mit gleich großen hintereinander liegenden gitterförmigen

[0030] Blendenöffnungen vorgesehen ist. Während die Impulse C2 des Taktgenerators, linear konstant sind, haben die Impulse Cl vom Drehmomentgeber je nach Lage unterschiedlich große Abstände zueinander, die von der Abtastgeschwindigkeit.und. der jeweiligen Lage des Abtastschirmes 70 abhängen. Wenn bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Abtastspiegel 70 sinusförmig bewegt sind, liegen die Impulse des Drehmomentgebers Cl besonders dicht zueinander, wenn der Abtastspiegel 70 durch die Mittellage schwingt. Die Impulse Cl liegen besonders weit auseinander, wenn der Abtastspiegel an einer Endlage seine Bewegungsrichtung umkehrt. Die relative Lage der Impulse zueinander wird beispielsweise in Figur 5 E dargestellt, die im weiteren noch genau beschrieben wird.

[0031] Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Taktimpulse Cl vom Drehmomentgeber, die mit der Lage des Abtastspiegels 70 synchronisiert sind, und somit der Richtung der eindringenden Schallwelle entsprechen, werden als Taktsignale der Echoinformation für das Speichersystem 200 verwendet. Das Speichersystem 200 besteht vorzugsweise aus einem Ladungstransportspeicher (sogenannter CCD-Baustein, siehe US-PS 3,882,271),- vergleichbar mit einem Eimer-Ketten-Schieberegister. Die Information des Speichers 200 wird mit einem Takt C2 wieder herausgelesen, die an die Zeilentaktfrequenz des.Bildschirmes 11 angepaßt ist. Auf diese Weise kann der Abtastspiegel 70 in einer besonders wirksamen nicht linearen Weise, beispielsweise in der Nähe der natürlichen Resonanz der sie tragenden Flüssigkeit betrieben werden und dabei genaue Informationen zur Anzeige auf einem gewöhnlichen Bildschirm liefern.

[0032] Der Zeittaktgenerator, der Spiegelantrieb 72 und die Ablenkung 180 für den Bildschirm 11, der Informationen einer Abtastbewegung in beiden Richtungen enthält, ist in Figur 3 ausführlicher dargestellt. Bei einer solchen Einrichtung wird das Tastverhältnis dadurch erhöht, daß keine Totzeiten entstehen und weil der Reflektor 70 stetig bewegt werden kann.

[0033] Im einzelnen wird dies durch ein Paar von Ladungsschiebespeicher 200 (Figur 2) erreicht, die im weiteren Text im Zusammenhang mit Figur 4 beschrieben sind. Einer dieser Feldspeicher (CCD) erhält neue Informationen von dem Reflektor 70 durch eine Abtastbewegung in einer Richtung, während die benachbarte Information von der vorangegangenen Abtastbewegung ausgelesen und auf die Anzeige 11 gegeben wird. Dies geschieht auch bei der nächsten zurückgehenden Abtastbewegung, so daß in einem Speicher stets gleichzeitig Informationen ein- und ausgelesen werden.

[0034] In Figur 3 ist die Ablenkungsfrequenz, mit der der Elektronenstrahl des Bildschirmes 11 betrieben wird, mit F bzeichnet, während mit einer Rate von 2F gespeichert wird. L ist die Zeilenzahl und E die Anzahl der helligkeitssteuerbaren Punkte einer Zeile eines Fernsehbildes. Außerdem kann die Frequenz F der Abtastbewegung des Reflektorspiegels 70 an eine Resonanzfrequenz der Flüssigkeit angepaßt werden, in der der Spiegel gelagert ist. Bei Wasser kann diese Frequenz F 15 Herz betragen und L und E an die Zeilenzahlen normaler Fernsehgeräte angepaßt werden. Im Beispiel wurden 250 Zeilen eines aus 500 Zeilen bestehenden Feldes, bei dem je 1 Zeile übersprungen wurde, mit 500 Elementen pro Zeile verwendet, so daß L 250 und E 500 betragen.

[0035] Die dem System zugrunde legende Taktfrequenz C3 erzeugt Impulse mit einer Frequenz: 2 x F x L x E. Wie beschrieben, wird mit der Taktfrequenz 3 eingespeichert. Mit dem Phasenschieber 171 werden drei um 120° zueinander versetzte Phasenimpulse C3 erzeugt. Ferner ist ein Taktgenerator vorgesehen, der'mit einer Frequenz 2 x F x L Impulse C2 erzeugt, die durch eine Division.der Frequenz von C3 durch E ermittelt werden. Außerdem.wird eine Taktfrequenz 2 F durch Division der Taktfrequenz 2 x F x L von C2. durch L erzeugt. Eine weitere Taktfrequenz, bezeichnet mit F, wird durch Division dieser Taktfrequenz durch 2 erhalten.

[0036] Wie bereits beschrieben, wird mit der Taktfrequenz C2 die Zeilenzahl, die beim Auslesen des Ladungstransportspeichers 200 anfallen, ferner zur Synchronisation des elektrischen Impulsgebers/Empfängers 130 und darüber hinaus zur Synchronisation der horizontalen Abtastlinien des Anzeigegerätes 11 verwendet. Die zuletzt genannte Synchronisation wird durch Kopplung an den horizontal Ablenkungsschaltkreis 181 erreicht, der ein Teil der Energieversorgung des Abtastantriebes und der Abtastbewegung 180 ist. Mit der Frequenz 2 F wird der Bildschirm durch eine Kopplung an den vertikalen Ablenkungsantrieb 182 an den Spiegelantrieb und an den Ablenkungsantrieb 180 für den Bildschirm verbunden. Der Ausgang der Schaltsysteme 181 und 182, der mit normalen Ablenkungsgeneratoren verbunden ist, liefert die Signale für die.normale horizontale und vertikale Ablenkung des Elektronenstrahles einer Elektronenstrahlröhre 11. Mit der Taktfrequenz F wird der Oszillator 183 synchronisiert, der sinusförmige Signale für den Antrieb des Ablenkspiegels 70 auf der Frequenz F, wie in Figur 5A dargestellt, liefert, mit denen der Antriebsmotor 72 versorgt wird. Die Taktimpulse mit der Frequenz F sind ferner an einen Invertor 175 gekoppelt, so daß Impulse mit der Frequenz F' erzeugt werden, die auch auf den Speicher 200 gegeben werden . Die Taktimpulse mit der Frequenz F' unterscheiden sich von den Taktimpulsen mit der Frequenz F durch entgegengesetzt liegende Phasenlage.

[0037] Figur 4 zeigt eine besondere Ausführungsform des Ladungsschiebespeichers 200 aus Figur 2. Ein Paar von Ladungsschiebespeichern 210 und 260 in der Art von Dreiphasenladungsschiebespeichern (sogenannte CCD) sind vorgesehen, die als solche in der US-PS 3,882,271 beschrieben sind. In der zitierten Patentschrift wird beschrieben, wie ein an einem Videosignal entsprechendes elektrisches Signal diskriminiert und in einem Ladungsschiebespeicherregister zeilenweise aufgehoben wird, um die Information einer Zeile vollständig in einen Speicher zu geben, und daß die Information einer Zeile abgegeben werden kann, während Informationen für die nächstfolgende Zeile aufgenommen werden. Selbstverständlich ist ein_'Gerät der Erfindung auch mit anderen käuflich erwerbbaren Speichern zu betreiben.'

[0038] Zur besseren Erläuterung des Speichers 210 sind mit Pfeilen dargestellte Informationen in Reihe 1 gezeichnet, die unter Taktkontrolle der Frequenz C3 stehen, wie bisher üblich und bekannt ist. Nachdem eine Zeile voll gespeichert, ist, wird mit TaktfrequenzCl die nächste Zeile aufgeladen, wobei die Taktfrequenz Cl vom Drehmomentgeber entnommen wird (Figur 2). Der Speicher wird in der Weise gefüllt, daß die Information vorangegangener Zeilen zeilenweise weitergeschoben wird. Auf diese Weise enthält die letzte Zeile des Speichers die erste - Zeile der eingelesenen Information. Der Speicher kann dann auf die Weise wieder ausgelesen werden, indem er gleichzeitig vom Eingang her mit neuer Information beladen wird.

[0039] Die Information von dem Speicher soll aber in einer anderen als der eingelesenen Frequenz Cl, nämlich mit der vom Drehmomentgeber kommenden Frequenz C2 ausgelesen werden. Da keine Informationen in dieser Frequenz ankommen, wird der Speicher ohne Wiederauffüllen geleert, aber die gleichzeitig ankommenden Information in der Zeilenvorschubsfrequenz Cl auf einen zweiten Speicher 260 gegeben. Zur Darstellung auf dem Bildschirm werden dann die Speicher wechselweise ausgelesen, wozu logische Bausteine und ein Additionsglied 290 vorgesehen ist. Ferner ist noch ein Filterglied 295 vorgesehen, mit dem die der Information aufgeprägte Taktfrequenz wieder entfernt wird. Das Gerät der Erfindung könnte natürlich auch mit einem Paar anders aufgebauter "Eimerkettenschieberegister" geschaltet sein, wenn der Speicher 200 wie folgt arbeitet:

[0040] Beim Abtasten in einer Richtung wird zunächst ein Speicher 210 in der beschriebenen Weise beladen. Während der Rückbewegung des Reflektors 70 in entgegengesetzter Richtung wird die gespeicherte Information sägezahnförmig für den Bildschirm geeignet ausgelesen, während neu eingehende Information auf den Speicher 210 gegeben werden, usw. Weil die Information von beiden Abtastrichtungen zu einem gemeinsamen Bildschirmsignal kombiniert wird, und weil der Abtaststrahl in beiden. Richtungen empfangen wird, können laufend Informationen entgegengenommen und dargestellt werden, weil entweder Speicher 210 oder Speicher_-260 empfangsbereit und entweder Speicher 260 oder Speicher 210 zur Abgabe von Signalen für den Bildschirm 11 bereit sind.

[0041] Die Bereitschaft der Speicher 210 oder 260 wird von der jeweiligen Phasenlage des jeweiligen Taktsignales F oder F' gesteuert.

[0042] Das Eintakten der Information in den Speicher 210 wird durch ein UND-Gatter 211 kontrolliert, der den in 3 Phasen aufgeteilten Taktimpuls C3 mit dem Speicher 210 bei positiver Phasenlage der Taktfrequenz F verbindet. Zum Herauslesen jeder Abtastzeile ist ein weiteres UND-Gatter 212 vorgesehen, das Informationen nur dann durchläßt, wenn das in der Phase entgegengesetzte Taktsignal F' positiv ist. Einlesen und Auslesen im Speicher 260 verläuft während entgegengesetzter Phasen der Taktfrequenzen F und F'. Während nämlich das UND-gatter 261 Einlesen nur bei positivem Phasenverlauf des Signals F' erlaubt, wird von dem UND-gatter 262 das Auslesen gesteuert, das nur bei positivem Verlauf des Taktsignals F möglich ist.

[0043] Der Zeilenvorschub wird im Speicher 210 durch das UND-gatter 216 mit einer Frequenz Cl gesteuert, während der Zeilenvorschub beim Auslesen nur mit einer Frequenz C2 über das UND-gatter 217 möglich ist. Entsprechende logische Bausteine, UND-gatter 266 und 267 sind für das Ein- und das Auslesen am Speicher 260 vorgesehen.

[0044] Zum besseren Verständnis der

Gerätes der Erfindung sind in Figur 5 Impulsdiagramme dargestellt, die die verschiedenen verwendeten Impulsreihen in Abhängigkeit von der Zeit zeigen. Figur 5A zeigt einen sinusförmigen Spannungsverlauf, der zum Antrieb des Abtastspiegels 70 dem Oszillator 83 entnommen wird. Dieser sinusförmigen Steuerfrequenz steht eine doppelt so hohe Abtastfrequenz F gegenüber. Während des Anstieges der sinusförmigen Spannung vom Oszillator tastet der Spiegel 70 beispielsweise von der linken bis zur rechten Seite den Meßbereich ab, während gleichzeitig Schallwellen in das Objekt abgegeben werden. Während des Spannungsabfalles der sinusförmigen-Frequenz wird der Abtastspiegel entsprechend von rechts nach links zurückbewegt. Damit wird der Abtastspiegel 70 wieder in Ausgangsstellung zurückgestellt. In den Figuren 5B und 5C sind zwei volle Durchläufe der Taktsignale F und F' dargestellt. In Figur 5D ist die Taktfrequenz 2F dargestellt, aus dem die vertikale Ablenkfrequenz V für die Bildschirmanzeige durch die Ablenkeinheit 182 (Figur 3) gewonnen wird. Figur 5E zeigt den typischen Verlauf der Taktsignale Cl, ,die von dem Drehmomentgeber 73 ausgehen und Figur 5F zeigt schematisch einen Impulszug. der Taktsignale, wie sie in Figur 3 dargestellt, entstehen. Die Anzahl und Intensität der in den Figuren 5E und 5F in Form von vertikalen Linien dargestellten Taktimpulse wäre bei natürlichem Maßstab größer und dichter, so daß in dem Gezeigten nur ungefähre Verhältnisse sichtbar werden. Dabei soll deutlich werden, daß die Takte Cl, von dem Drehmomentgeber 73, im Bereich der Wendepunkte der Bewegung des Abtastspiegels weiter auseinanderliegen, als in dem Bereich der Bewegung des Abtastspiegels, in dem er mit großer Geschwindigkeit von rechts nach links oder von links nach rechts durch die Mitte eines-Abtastweges schwingt (wenn die Sinuswelle auf dem Maximum angekommen ist). Die Takte C2 vom Zeitgenerator 170 sind zeitkonstant, wie die Takte C3, erhalten durch Division - gezeigt in Figur 3. Während einer ersten Halbwelle der Frequenz F, während der das Gatter 216 geöffnet ist, wird die Information mit der Taktfrequenz Cl in den Speicher 210 eingegeben und die Taktfrequenz C2 wird dabei zum Auslesen der Information aus dem Speicher 260 der von dem Gatter 267 geöffnet ist, verwendet. Während der nächsten Halbwelle der Frequenz F, während der die invertierte Frequenz F' positiv ist, wird mit der Taktfrequenz Cl vom Drehmomentgeber der Speicher 260 zeilenweise auf geladen, weil das Gatter 266 bei positivem F' geöffnet ist, und dabei wird die Taktfrequenz C2 nunmehr zum Auslesen der Information aus dem Speicher 210, der bei invertierter Frequenz F' durch Gatter 217 geöffnet ist, verwendet. Die Mechanik des Antriebes für den Abtastspiegel 70 kann zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften eines Gerätes der Erfindung noch ausgestaltet werden. Zwecks weiterer Anpassung sollten am besten 1 Blendenöffnungen in der Blende 73D des Drehmomentgebers 73 vorgesehen sein, so daß die Zahl der Impulse Cl während eines Durchganges gleich der Anzahl der zeitabhängigen Taktimpulse C2 ist.

Bezugszeichen

[0045] 

Ansprüche

1. Einrichtung zur Darstellung des reflektierten Ultraschalles auf einem Bildschirm, mit dem ein Ob-jekt untersucht wird, dadurch gekennzeichnet, daß in Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen ein Abtastspiegel.(70) angeordnet ist, daß ein Antrieb (72) zur Bewegung des Abtastspiegels (70) vorgesehen ist, daß ein Meßgerät (73) zur Bestimmung der momentanen Winkellage des Spiegels (70) vorgesehen ist, der eine Impulsreihe (C₁) als Funktion der Winkellage erzeugt, daß ein Empfänger (80) zur Umwandlung der vom Objekt zurückgeworfenen Ultraschallwellen in elektrische Signale vorgesehen ist, daß ein Speicher (200) für diese elektrischen Signale vorgesehen ist, die mit einer Positionstaktfrequenz (C₁) eingelesen werden, daß ein Bauelement zur Erzeugung einer zweiten Taktfrequenz (C₃) vorgesehen ist, daß eine Schaltung zum Auslesen der gespeicherten Signale in einer Zeilenfrequenz, die von der zweiten Taktfrequenz (C₃) abhängt, vorgesehen ist und daß Bauelemente (11) zur Anzeige der ausgelesenen Signale in Form eines Bildes vorgesehen ist, wobei die Bildfrequenz mit der zweiten Taktfrequenz (^C₃-C₂) synchronisiert ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastspiegel (70) nicht linear angetrieben wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (70) im wesentlichen sinusförmig angetrieben wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder .3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtästspiegel (70) yon Flüssigkeit umgeben ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät zur Bestimmung der Winkellage des Abtastspiegels einen Drehmomentgeber (73) enthält, der aus Lichtquelle (73B), Photoempfänger (73C) und gitterförmiger Blende (73D) besteht.

6. Einrichtungnach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher der als Echo zurückgeworfenen Schallsignale aus mindestens einem Ladungstransportspeicherregister (CCD) oder. Eimerkettenspeicher besteht.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher der dem.Schallecho entsprechenden elektrischen Signale aus einem Paar von Ladungstransportspeicherregistern besteht.

8. Einrichtung nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Auswertung der elektrischen Signale aus logischen Bauelementen (211,212, 216,217,261 ,262,266,267) besteht, die dafür sorgen, daß während einer Hälfte des sinusförmig angetriebenen Abtastspiegels (70) die dem Schallecho entsprechenden elektrischen Signale auf ein Ladungstransportspeicherregister (210) gegeben und einem anderen Ladungstransportspeicherregister (260) entnommen und daß die elektrischen Signale während der zweiten Hälfte des Abtastantriebes dem beladenen Ladungstransportspeicherregister (210) wieder entnommen und das andere Ladungstransportspeicherregister (260) beladen wird.

9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungstransportspeicherregister (210, 260) aus Zeilen und Spalten bestehen, und eine logische Schaltung vorgesehen ist, die dafür sorgt, daß die Impulse der Information auf einer Seite der Zeilen ein- und wieder ausgelesen wird und bei einem anderen Ladungstransportspeicherregister die Information auf einer Seite eingelesen und auf einer zweiten Seite wieder ausgelesen wird.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiewandler (80) in konzentrisch ineinanderliegende Einzelsegmente unterteilt ist.

11. Verwendung einer Eirichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in der diagnostischen Medizin, zur Untersuchung von Lebewesen.

Zeichnung