[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]

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.