DE2343721C2

DE2343721C2 - Verfahren zur Erzeugung einer sichtbaren Anzeige eines Objektes und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2343721C2
Application number: DE2343721A
Authority: DE
Inventors: John Mapes Houston; Jack Dean Schenectady N.Y. Kingsley
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-09-01
Filing date: 1973-08-30
Publication date: 1982-06-09
Also published as: NL7312019A; DE2343721A1; FR2198149B1; US3778756A; FR2198149A1; JPS4976369A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung einer sichtbaren Anzeige eines Objektes und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Einrichtung sind in der US-PS 35 48 642 beschrieben.

Die visuelle Büdwandlung von Ultraschall-Echosignalen wird in der medizinischen Diagnose bei der Untersuchung von biologischen Geweben und Organen und in der Industrie bei der Untersuchung von hergestellten Gegenständen auf innere Fehler verwendet Dies sind zwei typische Anwendungsbeispiele. Dabei wurde ein einzelner Quarzkristall (Sender) für ein enges Strahlenbündel mechanisch entlang einer Linie geführt welche parallel zur Oberfläche des zu untersuchenden Objektes lag. Der Kristall kann im Impulsbetrieb mit etwa 100 Impulsen pro Sekunde betrieben werden. Nach jedem Impuls arbeitet der Kristall auch noch als piezoelektrischer Detektor zur Erfassung der vom Gegenstand oder Objekt reflektierten Ultraschall-Echosignale. Diese werden über der Zeit auf einer Zeile einer Anzeige einer Kathodenstrahlröhre wiedergegeben. Mit dem mechanischen Durchlauf des Kristalls entlang der Linie wird die Wiedergabe oder das Bild an der Kathodenstrahlröhre von Zeile zu Zeile weitergeführt und es wird hierdurch in wenigen Sekunden ein gesamtes Bild (Rahmen) abgebildet; beispielsweise würde ein Bild mit 500 Zeilen bei einer Impulsfolgefrequenz von 100 Impulsen pro Sekunde insgesamt 5 Sekunden benötigen. Dieses Verfahren mit mehreren Sekunden für die Aufzeichnung eines Bildes macht es jedoch unmöglich, mit einer annehmbaren Auflösung eine visuelle Abbildung eines Gegenstandes zu erhalten, der sich in einer Bewegung befindet, beispielsweise das Schlagen eines menschlichen Herzens.

Eine kürzliche Verbesserung auf dem Gebiet der visuellen Büdwandlung von Ultraschall-Echosignalen verwendet eine ebene Anordnung von n² akustischen Detektoren, welche jeweils einem üchtemittierenden Element zugeordnet sind, um hierdurch eine visuelle Wiedergabe eines ebenen Schnittes des untersuchten Objektes zu erzeugen, wobei die Schnittebene parallel zur Anordnungsebene der akustischen Detektoren liegt. Im Gegensatz hierzu verwendet die erfindungsgemäße Anordnung nur eine Zahl von η akustischen Detektoren, welche in einer einzigen Reihe angeordnet sind, und ergibt eine visuelle Wiedergabe eines ebenen Schnittes des untersuchten Objektes, wobei die Schnittebene in einer Ebene liegt, welche definiert ist durch die Mittelachse der Signalfortpflanzung vom akustischen Sender zum Objekt und durch die Achse der akustischen Detektoren, d.h. wenn beide Anordnungen von Detektoren unmittelbar vor dem zu untersuchenden Objekt angeordnet sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine Einrichtung zu dessen Durchführung für eine Ultraschall-Bilddarstellung zu schaffen, durch die eine visuelle Abbildung mit einer hinreichend großen Geschwindigkeit erzeugt wird, um eine Bewegung des untersuchten Objektes zu betrachten.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 5 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die mit der Erfindung crzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung eine Diskriminierung im Zeitbereich vornehmen kann, wodurch eine visuelle Darstellung in der Tiefe, insbesondere bei der medizinischen Diagnose zur Untersuchung von inneren Organen und Blutgefäßen, ermöglicht wird und auch Fehlerstellen in hergestellten Objekten festgestellt

so werden können. Die optische Wiedergabe oder Anzeige auf der Kathodenstrahlröhre oder einer anderen Sichtanzeige kann unmittelbar und kontinuierlich betrachtet werden und besitzt eine hohe Auflösung infolge des engen Abstandes der Detektoren und der Zeitbereichsdiskriminiening der reflektierten Echos. Das Verfahren und die Einrichtung verwenden einen einzigen akustischen Sender und eine einzige Reihe einer Anzahl von akustischen Detektoren (200 bis 1000), welche die erfaßten reflektierten Ultraschall-Signale in elektrische Signale umwandeln zur visuellen Darstellung auf einer Sichtanzeige. Die Sichtanzeige besteht aus einem ebenen Schnitt durch das Objekt Die Schnittebene ist dabei definiert durch die Mittenachse der Einrichtung, die durch die Achse des Fokussierungsteils und die Mitte der Detektoren und die Längsachse der Anordnung der akustischen Detektoren festgelegt ist Die Dicke des ebenen Schnittes bzw. der Scheibe, d.h. die Tiefe in dem untersuchten Objekt, kann in

leichter Weise beherrscht werden durch eine Zeitbereichsdiskriminierung der erfaßten Ultraschall-Signale in einer Bereichssteuerschaltung, die die Ein- und Ausschaltzeiten von elektronischen Verstärkern steuert, welche mit den Ausgängen der akustischen Detektoren ι verbunden sind. Die Einrichtung gemäß der Erfindung besteht aus relativ einfachen und billigen Bauteilen und ergibt eine hinreichend schnelle Ansprechzeit, so daß mit Leichtigkeit eine Bildgeschwindigkeit in der Größenordnung von 100 Bildern pro Sekunde für die i<> visuelle Wiedergabe erreicht werden kann. Hierdurch wird eine unmittelbare Wiedergabe der Bewegung des untersuchten Objektes, beispielsweise des menschlichen Herzens, gestattet, oder es wird möglich, Filmaufnahmen der Bewegung eines solchen Organs zu erhalten.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Seitenansicht eines vereinfachten vorbekannten Gerätes zum mechanischen Abtasten oder Durchlauf eines einzigen akustischen Senders entlang einer Linie parallel zur Vorderseite eines Patienten in einer Anwendung der Ultraschall-Abbildung für eine medizinische Diagnose.

F i g. 2 zeigt eine typische Wiedergabe der reflektierten Ultraschall-Signale abgetragen über dem Tiefenbereich, wie man sich nach einem Gerät gemäß der F i g. 1 erhält.

F i g. 3 enthält eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Uitraschall-Abbildungskompo- m nenten gemäß der Erfindung unter Verwendung einer Sammellinse zur Abbildung der Echosignale auf die akustischen Detektoren.

F i g. 4 ist eine typische Wiedergabe oder Anzeige auf einer Kathodenstrahlröhre, wie man sie mit dem Gerät π gemäß F i g. 3 erhält.

F i g. 5 enthält ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltung, welche in Fig.3 nur teilweise wiedergegeben ist und dazu dient, bei einer konventionellen Kathodenstrahlröhre oder einer anderen visuellen Anzeigeeinrichtung mit Reiheneingang die visuelle Anzeige zu erhalten. Die

F i g. 6 enthält eine Seitenansicht einer zweiten und bevorzugten Ausführungsform der Ultraschall-Abbildungskomponenten gemäß der Erfindung. Die

F i g. 7 zeigt eine dritte Ausführungsform der Ultraschall-Abbildungskomponenten gemäß der Erfindung. Die

F i g. 8 enthält ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltung, um eine visuelle Anzeige auf einer Mehrstrahl-Kathodenstrahlröhre oder einer anderen visuellen Anzeigeeinrichtung mit Paralleleingang zu erhalten.

F i g. 1 zeigt ein vorbekanntes Cierät zur Erzeugung einer visuellen Anzeige von Ultraschallbildern auf einer konventionellen Kathodenstrahlröhre (CRT) 10. Dabei soll hier der Ausdruck »Kathodenstrahlröhre« die Wiedergaberöhre und die dieser Röhre zugeordnete elektronische Schaltungsanordnung umfassen, beispielsweise den Durchlauf- oder Kippgeneratcr usw. Das auf dem Schirm der Röhre 10 wiedergegebene Bild ist in Fig.2 in gestrichelter Form veranschaulicht Diese vorbekannte Ultraschall-Abbildung wird dadurch erhalten, daß ein einziger piezoelektrischer Wandler 11 mit engem Strahl in Form eines Quarzkristalls entlang einer linie parallel zur Oberfläche des untersuchten Objektes mechanisch vorbeigeführt wird. In dem bestimmten Anwcniiüngsfall nach der Abbildung in Fig. 1 ist das Objekt ein Patient, bei dem ein inneres Organ, beispielsweise das Herz, durch Ultraschall-Abbildung untersucht wird. Selbstverständlich muß das untersuchte Objekt nicht unbedingt ein biologisches Objekt sein, es kann auch ein hergestellter Gegenstand auf innere Fehler oder akustische Heterogenitäten untersucht werden. Unter akustischer Heterogenität wird eine Diskontinuität oder Trennfläche zwischen zwei Medien verstanden, weiche verschiedene akustische Impedanzen besitzen. Es ist zu beachten, daß bei den vorbekannten Anordnungen und bei der vorliegenden Erfindung der Ultiaschallwandler-Sender-Empfänger und der untersuchte Gegenstand in einem geeigneten flüssigen Medium, beispielsweise Wasser, angeordnet sind zu einer wirkungsvolleren Übertragung der auftreffenden und reflektierten Ultraschallsignale. Wie in F i g. 1 dargestellt, wird der piezoelektrische Wandler 11 mechanisch entlang einer vertikalen Linie geführt, die parallel zur vorderen Körperfläche des Patienten ist. Dabei besitzt diese Linie eine ausreichende Höhe, um eine Ultraschallbestrahlung des gesamten Herzens zu erhalten. Diese mechanische Abtastung oder Verschiebung des Wandlers 11 in der vertikalen Richtung gemäß der Abbildung in F i g. 1 kann in irgendeiner geeigneten Weise erzielt werden, beispielsweise dadurch, daß der Wandler 11 auf einer vertikal orientierten Laufschiene gehaltert wird. Der Kristall des Wandlers 11 wird aus einer geeigneten elektrischen Impulsquelle 12 mit Impulsen bei einer Folgefrequenz von etwa 100 Impulsen pro Sek. versorgt. Nach jedem Impuls arbeitet der Wandler 11 auch noch als ein piezoelektrischer Detektor zur Erfassung der Ultraschall-Energieechos, welche von dem untersuchten Objekt reflektiert werden. Nach jedem Impuls wird das Echosignal zeitlich über einer Durchlauflinie (oder Zeile) auf der Kathodenstrahlröhre 10 wiedergegeben. Mit der mechanischen Verschiebung des Wandlers 11 entlang seiner Laufschiene schreitet die Wiedergabe an der Kathodenstrahlröhre von Zeile zu Zeile fort, und dadurch wird das gesamte Bild des Objektes innerhalb von wenigen Sekunden abgebildet. Im Falle eines Bildes mit 500 Zeilen erfordert dieser Vorgang 5 Sek. bei einer Impulsfrequenz von 100 Impulsen pro Sek. für den Kristall. Der piezoelektrische Wandler 11 kann durch irgendeine geeignete Einrichtung mechanisch verschoben werden, beispielsweise durch ein durch Motor angetriebenes Teil 13, das mit dem Wandler 11 verbunden ist Da dieser vorbekannte Ultraschall-Abtaster etwa 5 Sek. zur Ausbildung jedes vollständigen Bildes benötigt ist es offensichtlich, daß die visuelle Anzeige einer Bewegung des Objektes, d. h. eine Anzeige ähnlich einem üblichen Fernsehbild, nicht möglich ist

Der Typ einer visuellen Anzeige, wie sie auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre 10 gebildet wird, ist in Fig.2 wiedergegeben. Dabei entspricht die Abszisse (Z-Achse) dem Durchlauf des Bereichs durch die den Wandler 11 (d.h. es ist eine Zeitfunktion) und die Ordinate {Y-Achse) entspricht der mechanischen Verschiebung des Wandlers. Daher stellt jede horizontale Abtastlinie den durch einen Impuls oder eine zusammengehörige Folge von Impulsen in der Impulsquelle 12 erzeugten Durchlauf dar, und jedes erfaßte Echosignal wird als ein Lichtpunkt wiedergegeben (d. h. als eine Intensitätsmodulation des Elektronenstrahls der Kathodenstrahlröhre entlang der Abtastlinie) und entspricht dem Tiefenbereich oder der Entfernung vom Wandler zu einer akustischen Heterogenität Der Wandler 11 wird vertikal (gemäß der Ansicht in F i g. 1)

mit einer ausreichend geringen Geschwindigkeit bewegt, um einen engen Abstand der benachbarten Durchlauflinien der Wiedergabe an der Kathodenstrahlröhre zu erhalten. Dadurch wird eine visuelle Anzeige erhalten, welche eine relativ hohe Auflösung für Gegenstände besitzt, die im wesentlichen völlig stationär sind.

F i g. 3 zeigt den Teil für die Ultraschall-Abbildungskomponente einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Es wird hierbei eine akustische Abbildungs- oder Fokussierungseinrichtung in Form einer akustischen Linse 30 zum Empfang der Ultraschallreflektionen vom Gegenstand 32 verwendet. Die Linse 30 fokussiert die Echosignale auf eine einzige Reihe von akustischen Detektoren, welche vorzugsweise mit gleichem Abstand untereinander angebracht sind. Das heißt, sie bildet die Ultraschall-Reflektionen in der Brennebene der Linse 30 ab. Dabei ist diese Fokusebene in einem Abstand von der Linse, welcher größer ist als der Abstand des Brennpunktes von demselben. Der Grund hierfür besteht darin, daß die Wellenfront des aus der Linse auftreffenden Ultraschall-Echosignals nicht planar oder eben ist infolge des relativ geringen Abstandes des Gegenstandes 32 von der gegenüberliegenden Seite der Linse. Zwischen der Linse 30 und dem untersuchtenObjekt 32 ist ein einziger akustischer Sender 31 angebracht. In diesem bestimmten Anwendungsfall ist das Objekt 32 das Herz 32a eines menschlichen Patienten. Der akustische Sender 31 ist hier ein konventioneller akustischer Wandler. Dieser kann beispielsweise einen piezoelektrischen Kristall beinhalten zur Umwandlung elektrischer Erregerwellen (diese werden dem Kristall von einer noch nachstehend beschriebenen geeigneten elektrischen Quelle zugeführt) in äquivalente akustische oder Uitraschaii-Energiewellen in dem flüssigen Medium. Dieses ist in einem Tank enthalten, in dem die Linse 30, der Sender 31, der Patient 32 und eine einzige Reihe von akustischen Detektoren 33 eingetaucht sind, wobei die letzteren in einer Brennebene der Linse 30 auf der dem Sender gegenüberliegenden Seite angebracht sind. Der Tank, welcher das flüssige Medium, beispielsweise Wasser enthält, besitzt zweckmäßigerweise eine solche Größe, daß sich der Patient 32 an einem Ende des Tanks und die einzige Reihe von Detektoren 33 in der Nähe oder am zweiten Ende desselben befinden. Die akustischen Detektoren 33 können als Ultraschall-Bildwandler zur Umwandlung oder Konvertierung einer räumlichen Verteilung des Drucks der reflektierten an den Eingängen derselben empfangenen Ultraschall-Energiewellen in entsprechende elektrische Spannungssignale an den Ausgängen derselben bezeichnet werden. Die Detektoren 33 -sind ebenfalls konventioneiie akustische Wandler, welche piezoelektrische Kristalle umfassen können. Es kann beispielsweise für den akustischen Sender und die Detektoren als piezoelektrisches Material Blei-Zirkonium-Titanat verwendet werden.

Die einzelne Reihe von akustischen Detektoren 33 wird in einer geraden Linie entlang einer Achse senkrecht zur Mittenachse des Gerätes angeordnet, welche durch die Achse der linse 30 und die Mitte der Detektorenreihe definiert ist (im allgemeinen Fall ist sie auch definiert durch die Mittenachse 31a der Signalfortpflanzung vom Sender 31 zu dem untersuchten Objekt 32a} Die Detektoren sprechen gleichzeitig auf die Ultraschall-Echosignale an, die aus verschiedenen Tiefenbereichen im Innern des Herzens 32a ankommen. Die visuelle Abbildung wird auf einer Kathodenstrahlröhre (oder einer anderen geeigneten visuellen Anzeigeeinrichtung) aus den Ausgängen der Detektoren 33 gebildet (dies wird noch im einzelnen im Zusammenhang mit der Fig. 5 und 8 erläutert). Die Abbildung ist

^ri dabei ein ebener Schnitt durch den Gegenstand 32a in einer Ebene, welche durch die Mittelachse des Gerätes und diejenige Achse definiert ist, die durch die Linie gebildet ist, in der die akustischen Detektoren 33 in einer einzigen Reihe angeordnet sind. Daher ist gemäß

lü der Darstellung in Fig.3 die von einer einzigen vertikalen Reihe von Detektoren 33 erfaßte Abbildung des Herzens 32a ein vertikaler ebener Sennit*, durch das Herz 32a von der Vorderseite zur Rückseite desselben unter der Annahme, daß die vordere Körperseite des

ι·; Patienten dem Sender 31 zugewendet ist. Im Unterschied zu dem engen Strahl am Ausgang eines akustischen Senders ii gemäß dem vorbekannten Ultraschall-Abbildungssystem nach der Beschreibung zur Fig. 1 ist das Muster der Ultraschall-Druckwellen-

2u front, welches durch den hier verwendeten einzelnen Sender 31 erzeugt wird, breit genug, um das gesamte untersuchte Objekt auszuleuchten. Daher werden bei dem Anwendungsfall einer medizinischen Untersuchung eines menschlichen Herzens 32a die Appertur

:ϊ oder Öffnungsblende des Senders 31 und der Abstand des Senders vom Patienten so ausgewählt, daß man eine Ultraschall-Bestrahlung des gesamten Herzens durch die gepulsten Ultraschall-Signale, ausgesendet vom Sender 31, erhält. Die Ultraschall-Signale (Druckwellen)

jo in dem flüssigen Medium sind auftreffend oder inzident auf der vorderen Oberfläche des Körpers des Patienten

32 und durchsetzen den Körper des Patienten vollständig. An jeder akustischen Heterogenität oder Unregelmäßigkeit, d. h. an jeder Trennfläche zwischen zwei Medien mit verschiedenen akustischen Impedanzen im Innern des Patienten 32 und auch an der vorderen und rückwärtigen Oberfläche seines Körpers wird ein Ultraschall-Echosignal erzeugt, das von dort in viele Richtungen reflektiert wird. F i g. 3 veranschaulicht zwei von vielen möglichen Ultraschall-Reflektionen, welche an einem oberen Punkt des Herzens 32a in Folge eines vom Sender 31 abgegebenen auftreffenden Ultraschall-Signals erzeugt werden, auf die Detektoren

33 mit Hilfe einer akustischen Linse 30 fokussiert oder abgebildet werden. Die Linse kann beispielsweise aus einem geeigneten Kunststoffmaterial als Sammellinse hergestellt sein oder in einem anderen beispielhaften Fall kann sie doppelt-konvex sein. Die Detektoren 33 sind alle gleichzeitig ansprechend auf ein breites Muster einer Ultraschall-Druckwellenfront und empfangen daher die mit vielen Richtungen ausgestatteten Ultraschall-Reflektionen. Dabei empfängt jeder der Dciekiöfen UliraschaH-Signale nur von einem bestimmiten kleinen Bereich des Herzens infolge der Fokussierungswirkung der Linse 30. Der Abstand von der Linse zum Objekt 32a ist vorzugsweise größer als die doppelte Brennweite der Linse 30, so daß das an den Detektoren 33 abgebildete Objekt kleiner als das tatsächliche Objekt und umgekehrt ist Die einzelne Reihe von akustischen Detektoren 33 besitzt daher eine Gesamtlängenabmessung (in der vertikalen Richtung gemäß der Darstellung nach F i g. 3), welche wesentlich kleiner ist als die Höhe des Herzens 32a. In einem typischen Beispiel für die in der Ausführungsform nach der F i g. 3 verwendeten relativen Entfernungen beträgt der Abstand von der Linse 30 zum Objekt 32a das Doppelte des Abstandes von der Linse 30 zu den Detektoren 33. In diesem Falle ist es aus den

Lichtbrechungseigenschaften von Linsen ersichtlich, daß die Abbildung auf den Detektoren 33 nur die halbe Höhe des Objektes 32a besitzt.

Die Vielzahl von akustischen Detektoren 33 sind in einem geringen Abstand zueinander angebracht. Die Auflösung des erfaßten Abbildes in Richtung der K-Achse (vertikal) (s. F i g. 4), welche der vertikalen Achse der Reihe von Detektoren gemäß F i g. 3 entspricht, kann durch eine Erhöhung der Zahl der Detektoren in der Reihe verbessert werden, ohne die Gesamthöhe der Reihe zu vergrößern, d. h. durch Verminderung des Abstandes zwischen benachbarten Detektoren. Als typisches Beispiel können 20 bis 100 akustische Detektoren verwendet werden. Da jedoch gemäß der nachstehenden Beschreibung die Detektoren und die zugeordneten Verstärker durch Verfahren der integrierten Schaliungslechnik hergesieül werden können, sind die Kosten für jeden Detektor-Verstärker relativ gering und es ist wirtschaftlich tragbar, in einer einzigen Reihe 200 oder sogar 1000 Detektoren zu verwenden. Die akustischen Detektoren und der Sender können jeweils eine Abmessung in der Größenordnung von etwa 1,6 mm (Vi6 Zoll) Durchmesser besitzen, um eine Charakteristik für ein breites Druckwellenfront-Verteilungsmuster zu erhalten. Es ist offensichtlich kein Grund dafür vorhanden, die akustischen Detektoren enger als λ/2 anzuordnen, wobei λ die Wellenlänge der Ultraschallwelle in dem flüssigen Medium ist.

F i g. 4 zeigt die visuelle Anzeige, wie sie auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre erhalten wird. Dabei ist hier die Abszisse als die Z-Achse definiert und stellt den Abstand oder die Entfernung vom Sender 31 zum Gegenstand 32 dar .(d. h. diese Achse entspricht der Mittelachse für die Fortpflanzung der Ultraschallwelle vom akustischen Sender 31 zum Herzen 32). Die Ordinate ist als V-Achse bezeichnet und entspricht der Nummer der Abtastzeile der Kathodenstrahlanzeige (d. h. ein Fortschreiten entlang der V-Achse entspricht einem Fortschreiten entlang der Achse der Reihe von akustischen Detektoren 33). Gemäß der nachstehend im Zusammenhang mit der F i g. 5 gegebenen Beschreibung werden geeignete Gatter- oder Torsteuerungseinrichtungen verwendet, um die Verstärker, welche den akustischen Detektoren zugeordnet sind, zu gewünschten Zeitpunkten ein- und auszuschalten und dadurch die Tiefe des Feldes zu definieren, das im Innern des Objektes 32 untersucht wird. Eine richtige Gattersteuerung der Verstärker liefert daher eine visuelle Anzeige nur für das Herz 32a oder einen Teil desselben auf einer Kathodenstrahlröhre oder einer anderen geeigneten visuellen Anzeige- oder Abbildungseinrichtung. Die Anzeige oder Abbildung enthält dabei jegliche akustische Hetcrogcnitätcn irr· Innern des Herzens, beispielsweise die durch Herzventile, Arterien usw. gebildeten Heterogenitäten. Jede horizontale Durchlauf- oder Abtastlinie oder Zeile auf der Anzeige kann daher einen oder mehrere Lichtpunkte enthalten, welche jeweils ein Echosignal darstellen, das im Innern der definierten Feldtiefe im Innern des Herzens 32a durch einen bestimmten Detektor der Detektoren 33 erfaßt worden ist

F i g. 5 zeigt in Blockschaltbildform die elektronische Schaltungsanordnung, welche dem akustischen Sender 31 und den akustischen Detektoren 33 zugeordnet ist Eine typische Betriebsweise des Gerätes wird nachstehend erläutert, wobei besonders auf die Funktion der einzelnen Komponenten Bezug genommen wird. Es wird angenommen, daß sich der akustische Sender 31 in einem Abstand von 50 cm von der vorderen Oberfläche des Körpers 32 des Patienten befindet und die Reihe von akustischen Detektoren 33 aus 100 Detektoren besteht, die in einem Abstand von 150 cm von der vorderen Oberfläche des Körpers 32 des Patienten angebracht sind. Ein Synchronisationsgenerator 50 erzeugt periodisch Spannungsimpulse mit kurzer Dauer, welche die Zeitpunkte (Zeitdauer) der Ultraschall-Abstrahlung von dem piezoelektrischen Kristall des

ίο akustischen Senders oder Transmitters 31 steuern. Daher kann der Synchronisationsgenerator 50 als eine Komponente bezeichnet werden, welche periodische Impulse erzeugt, die den Bezugszeitpunkt Null für den Betrieb des Gerätes festlegen. Die Dauer der Ausgangsimpulse des Synchronisationsgenerators 50 kann in der Größenordnung von einer Mikrosekunde liegen und der Impuls wird periodisch etwa alle 10 Millisekunden wiederholt; dieser Zeitraum entspricht der Zeitdauer zur Erzeugung eines vollständigen Bildes, d. h. einer kompletten Wiedergabe Zeile um Zeile auf der Kathodenstrahlröhre oder einer anderen geeigneten visuellen Anzeigeeinrichtung mit Reiheneingang. Der Zeitraum von 10 Millisekunden ist auch der Zeitraum, welcher zum Abklingen akustischer Schwingungen in dem Tank mit der Flüssigkeit und den verschiedenen Komponenten des Gerätes benötigt wird. Nötigenfalls kann jedoch das Zeitintervall von 10 Millisekunden verkürzt werden durch Verwendung einer komplizierteren und kostspieligeren elektronischen Schaltungsan-Ordnung. Für die meisten Anwendungsfälle erscheint es jedoch als nicht erforderlich, ein einziges Informationsbild schneller auszulesen als der akustischen Nachschwingzeit des Tanks entspricht.
Da ein vollständiges Bild der Information in

js 10 Millisekunden erzeugt werden kann, kann diese vollständige Bildverarbeitung mit einer Geschwindigkeit von 100 Bildern pro Sekunde wiederholt werden. Hierdurch kann jedoch ein Objekt wie das menschliche Herz mit einer Bewegung auf einer konventionellen Kathodenstrahlröhre 10 betrachtet werden und die Anzeige oder Wiedergabe ist ähnlich einem sich bewegenden Bild auf einem konventionellen Fernsehschirm. Eine Mindestbildfolgefrequenz von 15 Bildern pro Sekunde wird empfohlen, da unterhalb einer Folgefrequenz von 15 Bildern pro Sekunde die Flackereffekte der visuellen Anzeige für das menschliche Auge unangenehm werden. Eine fotografische Filmaufzeichnung der Bewegung des Objektes kann dadurch erhalten werden, daß eine konventionelle Filmkamera mit der Folgefrequenz der Anzeige auf der Kathodenstrahlröhre synchronisiert wird.
Der Synchronisationsgenerator 50 erzeugt daher

Folgefrequenz von etwa einem Impuls alle 10 Millisekünden. Das Ausgangssignal des Synchronisationsgenerators 50 bewirkt eine Triggerung oder Durchsteuerung eines Hochfrequenzoszillators (RF-Oszillator) (burst generator) 51, wodurch eine periodische Erzeugung eines kurzen Burst (Impulspaket) eines Hochfrequenzsignals erhalten wird; für dieses Beispiel wird angenommen, daß das Hochfrequenzsignal eine Frequenz von 2£ MHz besitzt Der Ultraschallbereich ist definiert mit den Grenzen von 1 bis 10 MHz. Unter der Annahme der Erzeugung eines Burst von fünf Perioden in dem HF-Oszillator 51 für jeden am Eingang erscheinenden Synchronisationsimpuls wird eine solche Impulsfolge von 5 Perioden dem piezoelektrischen Senderkristall 31 zugeführt und in ein periodisches gepulstes Ultraschall-

Druckwellensignal mit einer Frequenz von 2,5 MHz und einer Dauer von zwei Mikrcsekunden umgewandelt Da sich der Schall in Wasser oder Fleisch mit einer Geschwindigkeit von etwa 1500 m pro Sekunde fortpflanzt, beträgt die Wellenlänge jedes Ultraschallimpulses 0,6 mm und die räumliche Länge oder Ausdehnung der periodischen, fünf Impulse enthaltenden Folge von Ultraschalldruckwellen ist daher in Wasser 3,0 mm. Diese Ultraschall-Impulsfolge mit einer Länge von 3 mm benötigt 330 Mikrosekunden bis zur ι ο Ankunft an der vorderen Oberfläche des Körpers des Patienten und es werden weitere 1000 Mikrosekunden benötigt bis zum Beginn des Eintreffens von Echosignalen an den akustischen Empfängern 33, da die Entfernung vom Patienten zu den Detektoren das Dreifache der Entfernung vom Patienten zu dem akustischen Sender beträgt Daher treffen die interessierenden Ultraschall-Echosignale an den Detektoren zu einem Zeitpunkt etwa 1330 Mikrosekunden nach dem Nullbezugszeitpunkt ein, welcher durch den Synchroni- 2« sationsgenerator festgelegt wurde. Nach einem Zeitraum von 1330 Mikrosekunden nach der Erzeugung jedes periodischen Synchronisationsimpulses (Nullbezugszeit) werden die 100 gleichzeitig ansprechenden Detektor-Verstärker 52, welche mit den Ausgängen ihrer zugeordneten akustischen Detektoren 33 verbunden sind, mit Hilfe eines Einschaltsignals zugeschaltet, das periodisch im Innern des Impulsgenerators 53 für die Bereichssteuerung bei Vorhandensein des periodischen Synchronisationsimpulses erzeugt wird. Zur Einsparung von Kosten und des erforderlichen Raumbedarfs werden die akustischen Detektoren 33 und die zugeordneten Verstärker 52 gemäß den Methoden der Technik für integrierte Schaltungen hergestellt und können auf einem einzigen Träger- oder Substratteil ausgebildet werden. Der Abstand zwischen benachbarten Detektoren kann verkleinert werden bis zur halben Wellenlänge der Senderfrequenz gemäß den obigen Ausführungen und im Falle eines Hochfrequenzoszillators 51, welcher bei 0,5 MHz betrieben wird, beträgt 4» dieser Abstand entsprechend der halben Wellenlänge 0,3 mm.

Bei einer Sendefrequenz von 10 MHz würde ein solcher Abstand gemäß der halben Wellenlänge 0,08 mm betragen.

Die periodischen Einschaltsignale von dem Impulsgenerator 53 für die Bereichssteuerung werden jeweils zweiten Eingängen an jedem der 100 Verstärker 52 zugeführt, welche den 100 akustischen Detektoren 33 zugeordnet sind. Sie schalten dann diese Verstärker ein, so daß man eine Verstärkung der Niederspanrungssignale erhält, welche in den akustischen Detektoren 33 bei Vorhandensein der erfaßten Ultraschall-Echosignale erzeugt worden sind. Die Ausgänge der Vielzahl der Detektor-Verstärkerkombinationen 52 sind mit den Eingängen einer gleichen Vielzahl von geeigneten Gedächtnisspeicherelementen 54 verbunden, um eine zeitweilige Speicherung der verstärkten elektrischen Signale zu erhalten, die ihrerseits den Ultraschall-Echosignalen in der erwünschten Feldtiefe entsprechen, wie w> sie durch den Impulsgenerator 33 zur Bereichssteuerung festgelegt ist. Das periodische Einschalten der Verstärker 52 bewirkt daher auch, daß die erfaßten Echosignale von jedem der Detektoren 33 in entsprechender Weise periodisch parallel in einer entsprechenden Anzahl von <>5 Gedächtnisspeicherelementen 54 gespeichert werden. Die Gedächtnisspeicherkomponenten können elektronische Halbleitergedächtnisspeicher sein, oder ein Videoaufzeichnungsband oder eine rotierende magnetische Scheibe. Dies sind jedoch nur drei typische Beispiele für mögliche Gedächtnisspeicher. Der Zweck der zeitweiligen Signalspeicherung in den Gedächtnisspeicherelementen 54 besteht darin, eine geeignete Zeitverzögerung zu erhalten, so daß die parallel gespeisten Gedächtnisspeicherelemente in Serie ausgelesen werden können und hierdurch eine konventionelle Kathodenstrahlröhre 10 oder eine andere geeignete visuelle Anzeigeeinrichtung mit Serieneingang verwendet werden kann, um darauf die visuelle Wiedergabe der Ultraschall-Echosignale zu erzeugen.

An den vorerwähnten Gedächtnisspeicherelementen 54 ist eine gleiche Zahl von Ausgängen enthalten wie die Anzahl der Vielzahl von akustischen Detektoren. Der Aufwand an Verdrahtung zur Zwischenverbindung zwischen den Verstärkern 52 und der visuellen Anzeigeeinrichtung 10 kann dadurch auf ein Minimum gebracht werden, daß an den Ausgängen der Verstärker 52 ein Multiplexnetzwerk verwendet wird, um auf diese Weise einen einzigen Ausgang zur Speisung des Serieneingangs der Kathodenstrahlröhre 10 zu erhalten. Das Multiplexnetzwerk enthält eine Vielzahl von konventionellen elektronischen Abtast- und Halteschaliungen, wobei die Eingänge dieser Schaltungen mit den Ausgängen der zugeordneten Verstärker 52 in einer Weise ähnlich den Gedächtnisspeicherelementen 54 verbunden sind. Die Abtast- und Halteschaltungen ergeben eine Abtastung der Ausgänge der Verstärker 52 und eine zeitweilige Speicherung diese' Daten während eines bekannten Zeitintervalls. Ein Schieberegister oder eine andere geeignete sequentielle Schaltereinheit tastet in Sequenz die Ausgänge dieser Schaltungen für Probenahme und Halten (sample and notch circuit) ab und liefert die Ausgangssignale in Serie über eine einzige Ausgangsleitung zur Kathodenstrahlröhre 10. Der Betrieb der sequentiellen Schaltereinheit wird durch den Impulsgenerator 53 für die Bereichssteuerung in ähnlicher Weise ausgelöst wie die sequentielle Auslesung 55 und ergibt auch die Durchlauf- oder Zeilensynchronisation für die Kathodenstrahlröhre 10.

Es sei angenommen, daß der interessierende Bereich im Körper des Patienten 32 eine Feldtiefe von 7,5 cm besitzt. Dies macht es erforderlich, daß die Gedächtnisspeicherelemente Ultraschall-Echosignale für eine Einleseperiode von 100 Mikrosckunden annehmen und speichern. Da dieser Zeitraum von 100 Mikrosekunden das 50fache der Ultraschall-Impulslänge mit einer Zeitdauer von 2 Mikrosekunden beträgt, erhält man 50 Auflösungselemente in horizontaler Richtung (d. h. gemäß dem Tiefenbereich) auf der Anzeige der Kathodenstrahlröhre. Es wird weiterhin angenommen, daß für die Grauskala 3 Bits pro Bildelement verwendet werden. Daher beträgt die Gesamtzahl der benötigten Bits für die Signalspeicherung pro Detektor und pro Impuls 150. Dies kann jedoch mit bereits vorhandenen Halbleitergedächtnisspeichern mit geringen Kosten erreicht werden.

Nach diesem Zeitintervall von 100 Mikrosekunden für die Einlesezeit werden die Verstärker 52 ausgeschaltet (funktionsunfähig gemacht), und zwar mit Hilfe eines periodischen Abschaltsignals, welches in dem Impulsgenerator 53 für die Bereichssteuerung erzeugt wird. Dieses Abschaltsignal löst auch den Betrieb einer sequentiellen Ausleseschaltung 55 aus. Diese besitzt einen ersten Ausgang, welcher an die Gedächtnisspeicherelemente 54 sequentielle Auslesesignale liefert.

Weiterhin besitzt sie einen zweiten Ausgang zur Synchronisation des Durchlaufs oder der Zeilenabtastung auf der Kathodenstrahlröhre mit der Auslösung des Gedächtnisspeichers. Daher werden die Ultraschall-Echosignale in elektrischer Form gleichzeitig parallel in den Gedächtnisspeicherelimenten 54 gespeichert und dann in Sequenz oder in Serie ausgelesen. Das Auslesen der Intensität aus den Gedächtnisspeichern bewirkt eine Modulation der Zeilenabtastlinien auf der Kathodenstrahlröhre, um hierdurch die Abbildung zu erhalten. Die gespeicherte Information kann aus dem Gedächtnisspeicher mit der gleichen Frequenz ausgelesen werden, in der sie eingespeist wurde, und es wird daher eine Zeit von 10 Millisekunden benötigt, um ein vollständiges Bild auf der Anzeige der Kathodenstrahlröhre zu erhalten. Wie bereits vorstehend erwähnt, kann jedoch die Auslösung und Anzeige nötigenfalls dadurch mit einer schnelleren Frequenz ausgeführt werden, daß eine stärker komplizierte und kostspieligere elektronische Schaltungsanordnung verwendet wird. Die optische Wiedergabe auf der Kathodenstrahlröhre besitzt den Vorteil, eine direkte und kontinuierliche (soweit dies das menschliche Auge betrifft) Beobachtung des untersuchten Objektes zu liefern und besitzt weiterhin eine hohe Auflösung infolge des engen Abstandes der Detektoren 33 und der Zeitbereichsdiskriminierung der reflektierten Echosignale.

Für alle vorstehend beschriebenen elektronischen Schaltungen können konventionelle Schaltungsanordnungen verwendet werden. Der Impulsgenerator 53 für die Bereichssteuerung besteht aus einem Generator mit variabler Verzögerung, welcher durch den Synchronisationsimpuls vom Synchronisierungsgenerator 50 durchgesteuert oder getriggert wird. Das Ausgangssignal dieses Generators mit variabler Verzögerung ist ein verzögerter Triggerimpuls, welcher eine vorbestimmte Verzögerung bezüglich des Synchronisationsimpulses besitzt, wobei diese Verzögerung mit Hilfe eines Einstellelementes 53a eingestellt werden kann. Dieser verzögerte Triggerimpuls wird einem Gatterimpulsgenerator zugeführt. Dieser erzeugt einen Impuls mit einer Vorderflanke in zeitlicher Koinzidenz mit der Vorderflanke des verzögerten Impulses und besitzt eine Impulsdauer gleich der Einschaltzeit der Verstärker 52. Die Zeitdauer des Gatterimpulses kann mit Hilfe eines Einstellelementes 53£> eingestellt werden und bestimmt die Tiefe des betrachteten Feldes in dem untersuchten Objekt. Daher macht dieser in der Komponente 53 erzeugte periodische Impuls die Verstärker 52 nach einem ersten vorbestimmten Zeitintervall nach einer periodisch auftretenden Nullbezugszeit betriebsfähig und hält die Betriebsfähigkeit der Verstärker während eines zweiten vorbestimmten Zeitintervalls aufrecht. Diese sequentielle Auslesung 55 kann durch ein Schieberegister erfolgen, bei dem eine Vielzahl von Ausgängen mit den Signalspeicherelementen 54 verbunden ist. Hierdurch wird sowohl die sequentielle Auslesung derselben als auch die Synchronisierung des Beginns jedes Durchlaufs oder jeder Zeile auf der Kathodenstrahlröhre mit der Auslesung erhalten.

Das gesamte Gerät einschließlich der gesamten elektronischen Schaltung und der Ultraschall-Abbildungskomponenten kann in dem Tank befestigt werden, in dem sich das flüssige Medium befindet, in dem wiederum die Ultraschall-Energiewellen entstehen. Eine Ausnahme bildet hierbei die Kathodenstrahlröhre 10 (oüei eine andere geeignete visuelle Wiedergabeeinrichtung), welche vorzugsweise außerhalb des Tanks angeordnet wird. Alternativ werden nur der akustische Sender 31, die Linse 30 und die Detektorverstärkerkomponenten im Innern des Tanks befestigt, und die elektronische Schaltungsanordnung wird außerhalb desselben angeordnet Geeignete Befestigungsmittel werden in dem Tank vorgesehen, um den Sender 31, die Linse 30 und die Detektoren 33 in der richtigen räumlichen Ausrichtung zueinander zu halten.

Die räumliche Auflösung in der Richtung der Z-Achse

ίο (Tiefenbereich) kann dadurch verbessert werden, daß eine höhere Frequenz für die Hochfrequenzanregung des SenderkristaUs 31 verwendet wird. So wird beispielsweise bei einer Frequenz von 10 MHz ein Impuls mit 5 Perioden die räumliche Auflösung in Z-Richtung auf einen Wert von 038 mm erhöhen. Für die gleiche Tiefe des Gesichtsfeldes von 7,5 cm werden dann 200 Abbildungs(Auflösungs)-elemente in der Richtung des horizontal liegenden Tiefenbereiches (Z-Achse) erhalten. Es wird daher das Vierfache an Gedächtnisspeicherung gegenüber dem ersten Beispiel mit lediglich 50 Auflösungselementen in der Z-Achse benötigt Die Tiefe des in dem Gegenstand untersuchten Feldes kann vergrößert werden durch richtige Einstellung des Einstellelementes 53i>. Hierdurch werden die

:; Verstärker 52 für eine längere Zeitdauer eingeschaltet Entsprechend muß dabei die Gedächtnisspeicherkapazität bis zu demjenigen Punkt vergrößert werden, bei dem keine weitere Steigerung mehr möglich ist und an dem ein Problem der Tiefenschärfe auftritt, wobei dann

3d der vollständige ebene Schnitt durch den Gegenstand nicht mehr auf der einzelnen Reihe von Detektoren fokussiert werden kann. Wie bereits vorstehend ausgeführt, kann die Auflösung der Wiedergabe in V-Richtung dadurch verbessert werden, daß in der

υ Reihe weitere Detektoren zugefügt werden. Das heißt, die Detektoren werden enger aneinander angeordnet, wobei der Abstand bis zu dem Grenzwert der Hälfte der Wellenlänge für die Signalfortpflanzung in der Flüssigkeit vermindert werden kann.

4» F i g. 6 zeigt eine zweite und bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Hierbei wird eine reflektierende Optik zur Fokussierung des Ultraschallbildes auf die einzige Reihe von gleichzeitig ansprechenden Detektoren verwendet anstelle der in der Form nach F i g. 3

■Ti verwendeten Refraktionsoptik. Insbesondere wird in der Ausführungsform nach Fig. 6 ein konkaver akustischer Reflektor 60 verwendet, welcher in Ausrichtung mit der Mitte der Reihe von Detektoren 33 und dem akustischen Sender 31 an dem vom

""' untersuchten Patienten entfernten Ende des Tanks angebracht wird. Der Reflektor 60 ist aus einem geeigneten Metall geformt, beispielsweise aus Stahl, und ist mit der gewünschten konkav gekrümmten Oberfläche ausgestattet. Die einzige Reihe von Detektoren 33

·'' ist in einem Abstand vom Reflektor 60 angebracht, welcher typischerweise etwa dem 1,5fachen der Brennweite des Reflektors entspricht. Sie ist auch noch in dem Mittenpunkt zwischen dem Reflektor 60 und dem Objekt 32 angeordnet, so daß das auf den

w Detektoren 33 nach Reflektion am Reflektor 60 abgebildete Ultraschall-Objekt die halbe Höhe des tatsächlichen Gegenstandes besitzt, wie dies für das typische Beispiel im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach Fig. 3 ausgeführt ist Der akustische ■ Sender 31 wird zwischen der einzigen Reihe von Detektoren 33 und dem Patienten angeordnet und die Ultraschall-Ausgangsleistung des Senders ist wie in dem Fall der Ausführungsform gemäß Fig. 3 auf den

Patienten gerichtet Die Ausführungsform nach F i g. 6 wird hauptsächlich deswegen gegenüber der Ausführungsform nach F i g. 3 bevorzugt, weil eine akustische Linse in der Herstellung schwieriger ist und bei den Ultraschall-Frequenzen unerwünschte Reflektionsverluste aufweisen kann. Das im Zusammenhang mit den Fig.3 und 5 beschriebene bestimmte Beispiel der Arbeitsweise und Leistung des Gerätes ist auch gültig für die Ausführungsform nach den F i g. 6 und 7.

Die F i g. 7 zeigt eine dritte, ebenfalls gegenüber der Anordnung nach F i g. 3 bevorzugte Ausführungsform. Im Unterschied zu den vorgenannten beiden Ausführungsformen richtet hier der akustische Sender 31 seine Ultraschall-Ausgangsleistung auf ein reflektierendes optisches Teil 60, welches auch der in F i g. 6 abgebildete konkave Reflektor sein kann. Der Vorteil der Ausführungsform nach F i g. 7 besteht darin, daß durch Anordnung des akustischen Senders 31 im Brennpunkt des Reflektors 60 eine resultierende parallele (planare oder ebene) Druckwellenfront der Ultraschall-Energiewellen auch auf das untersuchte Objekt 32a gerichtet wird. Diese planare oder ebene Wellenfront der auftreffenden Ultraschall-Energie vermindert die Tiefenunschärfe infolge der Krümmung einer solchen Wellenfront in den Ausführungsformen nach F i g. 3 und 6. Die einzige Reihe von gleichzeitig ansprechenden Detektoren 33 kann auch hier in einem Abstand von etwa dem 1,5fachen der Brennweite des Reflektors 60 angeordnet werden. Wenn die Detektoren in diesem Abstand etwa in der Mitte zwischen dem Reflektor 60 und dem Objekt 32 liegen, dann besitzt das auf den Detektoren abgebildete Objekt etwa die halbe Höhe des tatsächlichen Objektes. Offensichtlich kann in allen Ausführungsformen gemäß den F i g. 3, 6 und 7 der Abstand zwischen den Detektoren und der Fokussierungsoptik und/oder der Abstand zwischen den Detektoren und dem untersuchten Objekt variiert werden und dies führt zu Änderungen der Höhe des auf den Detektoren abgebildeten Objektes gemäß der an sich bekannten optischen Theorie. In der Ausführungsform nach F i g. 7 wird für den Fall, daß der Reflektor 60 kleiner ist als das untersuchte Objekt 32a, der akustische Sender 31 näher zu dem Reflektor angeordnet als es dem. Brennpunktabstand entspricht, um ein erwünschtes Ausbreiten und Auseinanderstreben des am Reflektor reflektierten Ultraschall-Strahls zu erreichen und dadurch das Objekt 32a zu bestrahlen, welches untersucht werden soll. Die visuellen Abbildungen, welche von dem Gerät nach den F i g. 6 und 7 erzeugt werden, sind identisch zu den Abbildungen wie sie bei der Ausführungsform nach F i g. 3 erhalten werden, da die elektronische Schaltungsanordnung gemäß F i g. 5 auch hier verwendet wird.

Bei der Schaltung nach F i g. 5 wird eine konventionelle Kathodenstrahlröhre 10 verwendet, um eine visuelle Bildwiedergabe der Ultraschall-Echosignale zu erhalten, welche von dem untersuchten Objekt ausgehen. Diese Kathodenstrahlröhre 10 erfordert die Verwendung eines Gedächtnisspeichers 54 zur zeitweiligen Speicherung der erfaßten Signale und zum anschließenden sequentiellen Auslesen derselben. Die Verwendung eines solchen Gedächtnisspeichers oder einer äquivalenten Abtast- und Halteschaltung, welche beide sequentielle oder Serienausgänge erzeugen, kann jedoch unterbleiben. Die Ausgangssignale der zugeschalteten Verstärker 52 werden dann gleichzeitig den Mehrfacheingängen einer Mehrstrahlkathodenröhre oder einer anderen Anzeigekomponente 80 für visuelle Wiedergabe und mit Vielfacheingang gemäß dem Blockschaltbild der Fig.8 zugeführt Die Kathodenstrahlröhre 80 wird im Falle einer einzigen Reihe von 100 akustischen Detektoren 33 mit 100 Signaleingängen von den Ausgängen einer ähnlichen Zahl von 100 Detektorverstärkern 52 ausgestattet Die elektronische Schaltungsanordnung gemäß F i g. 8 kann mit irgendeiner der Ausführungsformen nach den F i g. 3,6 und 7 wie die elektronische Schaltungsanordnung nach Fig.5

ίο verwendet werden. Der Vorteil der Schaltung nach F i g. 8 unter Verwendung beispielsweise einer Mehrstrahlkathodenstrahlröhre besteht in der schnelleren Wiedergabe der Signale auf der Röhre, da die Abtastlinien oder Zellen auf der Kathodenstrahlröhre gleichzeitig erzeugt werden und die Verstärker 52 ihre Ausgangssignale gleichzeitig auf die Kathodenstrahlröhre abgeben anstelle einer Arbeitsweise Zeile um Zeile gemäß der Anordnung in der F i g. 5. Es wird dabei der gleiche Impulsgenerator 53 für die Tiefenbereichssteuerung verwendet zur Einschaltung und Ausschaltung der Verstärker 52 wie in der Schaltungsanordnung nach F i g. 5. Er dient ebenfalls in gleicher Weise zur Synchronisation der Vielzahl von Durchlaufvorgängen (100 im Falle von 100 Detektoren) in der mehrstrahligen Kathodenstrahlröhre, welche gleichzeitig beim Einschalten der Verstärker 52 ausgelöst werden. Die elektronischen Schaltungen, welche in den Blockschaltungen nach den F i g. 5 und 8 verwendet werden, sind konventionell und sind nicht in besonderem Maße kompliziert oder schnell, d. h. sie sind bedeutend langsamer als die in modernen Elektronenrechnern verwendeten Schaltungen.

Andere Beispiele für visuelle Anzeigekornponenten 80 mit gleichzeitigem Mehrfacheingang, welche in der Ausführungsform nach Fig.8 verwendet werden können, sind:

1. eine Plasma-Bit-Tafel mit einer Anordnung von Reihen und Spalten von Gasentladungseinrichtungen,

2. eine Anordnung von Reihen und Spalten von flüssigen Kristallen und

3. eine Anordnung von Reihen und Spalten von lichtaussendenden Dioden.

Bei all diesen Komponenten ist jede Reihe (Zeile) mit dem Ausgang eines entsprechenden Verstärkers 52 verbunden und jede Spalte (Tiefenbereich) wird in Sequenz stromführend gemacht mit Hilfe von geeigneten Signalen. Diese werden in einer Tiefenbereichszeitgeberschaltung entsprechend der sequentiellen Auslesung 55 der Anordnung nach Fig.5 erzeugt und ebenfalls durch einen Impulsgenerator 53 zur Bereichssteuerung getriggert.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Erfindung ein verbessertes Verfahren und Gerät ergibt zur Erzeugung einer visuellen Anzeige von Ultraschall-Echosignalen, welche von einem untersuchten Objekt reflektiert werden. Da das Gerät eine Diskriminierung im Zeitbereich vornehmen kann und dadurch eine visuelle Darstellung in der Tiefe ergibt, ist das Gerät besonders brauchbar bei der medizinischen Diagnose zur Untersuchung von inneren Organen und Blutgefäßen und kann auch verwendet werden, um Fehlerstellen in hergestellten Objekten festzustellen. Die optische Wiedergabe oder Anzeige auf der Kathodenstrahlröhre oder einer anderen visuellen Anzeigeeinrichtung, welche mit diesem Gerät erhalten

wird, kann unmittelbar und kontinuierlich betrachtet werden und besitzt eine hohe Auflösung infolge des engen Abstandes der Detektoren und der Zeitbereichsdiskriminierung der reflektierten Echos. Das Verfahren und das Gerät verwenden einen einzigen akustischen Sender und eine einzige Reihe einer Vielzahl von akustischen Detektoren (200 bis 1000), welche die erfaßten reflektierten Ultraschall-Signale in elektrische Signale umwandeln zur visuellen Darstellung auf einer visuellen Anzeigeeinrichtung. Die visuelle Anzeige besteht aus rinem ebenen Schnitt durch das Objekt. Die Schnittebene ist dabei definiert durch die Mittenachse des Gerätes, definiert durch die Achse des Fokussierungsteils, und den Mittenpunkt der Detektoren und die Längsachse der Anordnung der akustischen Detektoren. Die Dicke dieses ebenen Ausschnittes, d. h. die Tiefe in dem untersuchten Objekt, kann in leichter Weise beherrscht werden durch eine Zeitbereichsdiskriminierung der erfaßten Ultraschall-Signale in einer Bereichssteuerschaltung. Diese steuert die Ein- uno Ausschaltzeiten von elektronischen Verstärkern, welche mit den Ausgängen der akustischen Detektoren verbunden sind. Die in diesem System verwendete Anordnung besteht aus relativ einfachen und billigen Bauteilen und ergibt eine hinreichend schnelle Ansprechzeit, so daß mit Leichtigkeit eine Bildgeschwindigkeit in der Größenordnung von 100 Bildern pro Sekunde für die visuelle Wiedergabe erreicht werden kann. Hierdurch wird eine unmittelbare Wiedergabe der Bewegung des untersuchten Objektes, beispielsweise des menschlichen Herzens, gestattet, oder es wird möglich, Filmaufnahmen der Bewegung eines solchen Organs zu erhalten.

Andere Arten von konventionellen elektronischen Schaltungsanordnungen zur Erzielung der im Zusammenhang mit den Blockschaltbildern nach den Fig.5 und 8 beschriebenen Funktionen können anstelle der hier im einzelnen aufgeführten Schaltungsanordnung verwendet werden. Obwohl im allgemeinen die Mittenachse des Gerätes koinzident der Mittenachse des Senders oder Transmitters ist, ist diese Koinzidenz nicht unbedingt erforderlich und der Sender kann geringfügig aus der Achse heraus versetzt sein. Hierdurch werden jegliche Abschattungseffekte des Senders auf die reflektierten Wellen beseitigt. Obwohl die Verstärker- und Speicherelemente in der F i g. 5 in einer Form beschrieben werden, bei der sie durch das Ausgangssignal des Impulsgenerators für die Tiefenbereichssteuerung ein- und ausgeschaltet werden, können schließlich offensichtlich die Verstärker auch ständig in Funktionsbereitschaft sein und es ist lediglich dann erforderlich, die Gedächtnisspeicherelemente ein- und auszuschalten.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung einer sichtbaren Anzeige eines Objektes, das eine Bewegung aufweisen kann, und seiner inneren akustischen Heterogenitäten mit Hilfe von an dem Objekt reflektierten Ultraschall-Echosignalen,
gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Erzeugen einer periodischen gepulsten Ultraschall-Frequenz und Druckwellensignals in einem flüssigen Medium von einem einzigen akustischen Sender mit einer Folgefrequenz mit mindestens 15 Impulsen pro Sekunde,

Richten des periodischen Ultraschall-Signals auf ein untersuchtes Objekt,

Fokussieren der periodisch vom Objekt reflektierten Ultraschall· Echosignale auf einer einzigen Reihe eng beabstandeter akustischer Detektoren, welche entlang einer Achse senkrecht zur Mittenachse der Signalausbreitung vom Sender angeordnet sind,
gleichzeitiges Erfassen der Ultraschall-Echosignale auf der einzigen Reihe von akustischen Detektoren und Umwandeln der erfaßten Ultraschall-Echosignale in elektrische Signale, periodisches Erzeugen eines elektrischen Impulses kurzer Dauer zur Auslösung des periodischen Betriebs des Senders und zur Festlegung einer periodischen Nullbezugszeit für den Betrieb der Einrichtung, periodisches gleichzeitiges Einschalten von elektrischen Signalverstärkern, welche mit den Ausgängen der zugeordneten akustischen Detektoren verbunden sind, zu einem ersten vorgegebenen Zeitpunkt nach dem Nullbezugszeitwert bei Vorhandensein des periodischen elektrischen Impulses kurzer Dauer, wobei die eingeschaltete Zeit dem Tiefenbereich des untersuchten Objektes entspricht,
periodisches Abschalten der elektrischen Signalverstärker zu einem zweiten vorgegebenen Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt, wobei das Zeitintervall zwischen Einschalten und Abschalten der Feldtiefe in dem untersuchten Objekt entspricht und hierdurch eine Zeitbereichsdiskriminierung der Ultraschall-Echosignale erhalten wird, Einspeisen der verstärkten elektrischen Signale in eine Sichtanzeigeeinrichtung,
Erzeugen eines periodischen Synchronisierungssignals beim Einschalten der Verstärker und
Zuführung des periodischen Synchronisierungssi- so gnals zu einem Abtastsynchronisationseingang der Sichtanzeigeeinrichtung, wobei jede Abtastzeile der Sichtanzeigeeinrichtung diejenigen Echosignale abbildet oder wiedergibt, welche von einem zugeordneten akustischen Detektor in dem Tiefenfeld erfaßt worden sind, das durch das Zeitintervall zwischen dem Einschalten und Abschalten der Verstärker definiert ist, und weiterhin die Betriebsfolgefrequenz der Einrichtung und die Folgefrequenz der Wiedergabe ausreichend schnell bemessen wird, um eine Anzeige zu erhalten, welche eine bewegte bildliche Darstellung in der Tiefe einer ebenen Scheibe des untersuchten Objektes ergibt, während dieses eine Bewegung durchläuft, wobei die Scheibe in einer Ebene liegt, welche durch die Mittenachse der Signalfortpflanzung vom Sender und die Achse der einzigen Reihe von Detektoren definiert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkten elektrischen Signale vor ihrer Einspeisung in die Sichtanzeigeeinrichtung zeitweilig gespeichert werden, und die gespeicherten verstärkten Signale sequentiell ausgelesen und einem einzelnen Signaleingang der Sichtanzeigeeinrichtung seriell zugeführt werden, welcher einen Serieneingang darstellt, und daß das periodische, dem Synchronisierungseingang der Sichtanzeigeeinrichtung zugeführte Synchronisierungssignal für eine Synchronisierung der Abtastung auf der visuellen Anzeigeeinrichtung Zeile um Zeile mit dem sequentiellen Auslesen der gespeicherten verstärkten elektrischen Signale sorgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß beim Zuführen der verstärkten elektrischen Signale zu der Sichtanzeigeeinrichtung die Ausgangssignale der eingeschalteten Verstärker gleichzeitig einer Anzahl von Signaleingängen der Sichtanzeigeeinrichtung zugeführt werden, die gleich der Anzahl der akustischen Detektoren ist,
und daß das periodische Synchronisierungssignal, das dem Synchronisierungseingang der Sichtanzeigeeinrichtung zugeführt wird, welcher einen Paralleleingang darstellt, für eine gleichzeitige Synchronisierung aller Abtastlinien auf der Sichtanzeige mit dem Einschalten der Verstärker sorgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Vergrößerung der Auflösung der Sichtanzeigeeinrichtung in vertikaler Richtung der Abstand zwischen den Detektoren auf die halbe Wellenlänge des Ultraschall-Druckwellensignals im flüssigen Medium begrenzt wird und zur Vergrößerung der Auflösung der Anzeige in horizontaler Richtung entsprechend der Tiefe des Feldes in dem untersuchten Objekt dadurch verringert wird, daß eine höhere Ultraschall-Erregerfrequenz des akustischen Senders verwendet wird, wobei die Ultraschall-Frequenz in einem Bereich von 1 bis 10 Megahertz liegt.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch

einen akustischen Sender (31) zur Erzeugung eines periodischen gepulsten Druckwellensignals mit Ultraschall-Frequenz in einem flüssigen Medium, welcher dieses periodische Ultraschallsignal auf das untersuchte Objekt (32) richtet,
eine Anzahl eng beanstandeter akustischer Detektoren (33), welche in einer einzelnen Reihe entlang einer Achse senkrecht zur Mittenachse (31a,} der Einrichtung angeordnet sind zum gleichzeitigen Abtasten der von dem Objekt (32) reflektierten Ultraschall-Echosignale und zum Umwandeln der abgetasteten Ultraschall-Signale in äquivalente elektrische Signale,

eine Fokussiereinrichtung (30,60) zum Abbilden der Ultraschall-Echosignale auf die akustischen Detektoren (33), wobei die Mittenachse der Einrichtung durch die Mittenachse der Fokussiereinrichtung (30, 60) und die Mitte der Detektorenreihe gebildet ist,
eine gleiche Anzahl von Verstärkern (52), welche mit den akustischen Detektoren (33) zur Verstärkung der in den Detektoren (33) erzeugten elektrischen Signale verbunden ist,

eine mit den Verstärkerausgängen verbundene Einrichtung (10) zur Erzeugung einer Sichtanzeige oder Wiedergabe der Echosignale, wobei jeder Zeile

der Sichtanzeige ein entsprechender akustischer Detektor (33) zugeordnet ist
eine Einrichtung (50), deren Ausgang mit einem Eingang des akustischen Senders (31) verbunden ist, zur Erzeugung eines periodischen elektrischen Impulses kurzer Dauer, welcher die Erzeugung des periodischen gepulsten Ultraschall-Signals vom Sender (31) auslöst und ebenfalls eine periodische Nullbezugszeit für den Betrieb der Einrichtung festlegt, und eine Einrichtung (53), deren Eingang mit dem Ausgang der Einrichtung (5C) zur Erzeugung eines periodischen elektrischen Impulses kurzer Dauer verbunden ist und deren Ausgang mit den Eingängen der Signalverstärkungseinrichtung (52) verbunden ist zur gleichzeitigen periodischen Ein- und Ausschaltung der Signalverstärkungseinrichtungen (52) in gewünschten Zeitintervallen, welche dem Tiefenbereich vom Objekt (32) zum Sender (31) und den Detektoren (33) und ebenfalls der Feldtiife in dem untersuchten Objekt entsprechen, wobei jede Zeile der Sichtanzeige diejenigen Echosignale abbildet, die von dem Objekt und seinen inneren Heterogenitäten reflektiert und von dem zugeordneten akustischen Detektor im Innern der durch die Steuereinrichtung (53) definierten Feldtiefe erfaßt werden, wobei die Anzeige eine visuelle Tiefendarstellung einer ebenen Scheibe des Objektes darstellt und diese Scheibe in einer Ebene liegt, welche durch die Mittenachse (31a,) der Einrichtung und die Achse der Detektorenreihe gebildet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Richten der Ultraschall-Signale darin besteht, daß der akustische Sender (31) derart orientiert ist, daß sein Ausgang auf das untersuchte Objekt (32) gerichtet und mit der Mittenachse (3Ia₁J der Einrichtung ausgerichtet ist, wodurch sich das erzeugte gepulste Ultraschall-Signal unmittelbar vom akustischen Sender zum untersuchten Gegenstand ausbreitet.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Bildfokussiereinrichtung eine reflektierende konkave Einrichtung ist und mit der Mitte der Detektorenreihe (33) und mit der Mittenachse (31a,) der Signalausbreitung vom Sender (31) zum Objekt (32) ausgerichtet ist und daß die Einrichtung zur Ausrichtung des Ultraschall-Signals aus der Fokussiereinrichtung besteht und der Ausgang des akustischen Senders (31) unmittelbar auf die akustische Bildfokussierungseinrichtung (60) gerichtet und mit der Mittenachse (31a,) der Einrichtung ausgerichtet ist, wodurch sich das erzeugte gepulste Ultraschall-Signal vom akustischen Sender zur akustischen Bildfokussierungseinrichtung ausbreitet und von dort in Richtung auf das untersuchte Objekt reflektiert wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Bildfokussierungseinrichtung eine reflektierende konkave Einrichtung (60) ist und mit der Mitte der Reihe von Detektoren (33) und der Mittenachse (31a^der Signalausbreitung vom Sender (31) ausgerichtet ist, wodurch die Ultraschall-Echosignale von der akustischen Bildfokussierungseinrichtung zur Abbildung auf die akustischen Detektoren reflektiert sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Bildfokussierungseinrichtung aus einer akustischen konvergierenden Linse (30) besteht, welche zwischen die akustischen Detektoren (33) und das untersuchte Objekt (32) eingefügt und mit der Mittenachse (31a,) der Signalausbreitung vom Sender (31) zum Objekt (32) ausgerichtet ist

10. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die akustische Bildfokussierungseinrichtung aus einem konkaven akustischen Reflektor (60) besteht der mit der Mittenachse (31a,) der Signalausbreitung vom akustischen Sender (31) zum Objekt (32) ausgerichtet ist wobei die akustischen Detektoren (33) zwischen dem akustischen Reflektor (60) und dem untersuchten Objekt (32) angeordnet sind und sich in einem Abstand vom Reflektor (60) jenseits des Brennpunktes desselben befinden.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Ausgänge der Verstärker (52) und den Eingang der Sichtanzeige (10) eine Einrichtung (55) geschaltet ist zur zeitweiligen Speicherung der verstärkten elektrischen Signale und daß mit der Steuereinrichtung (53) eine Einrichtung (55) verbunden ist zur periodischen Erzeugung von Sequenzsignalen, die der Signalspeichereinrichtung (54) zugeführt sind und eine periodische sequentielle Auslesung der verstärkten elektrischen Signale auf die Sichtanzeige (10) ergeben, wobei die Einrichtung (55) zur Erzeugung von Sequenzsignalen auch die Abtasizeit der Sichtanzeige (10) steuert zur Synchronisation mit der Auslesung der gespeicherten elektrischen Signale, wodurch jede Reihenabtastung lediglich die Echosignale abbildet, welche nur von einem zugeordneten akustischen Detektor (33) im Innern derjenigen Feldtiefe erfaßt werden, welche durch die Gattersteuerungseinrichtung (53) definiert ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sichtanzeige (10) eine Kathodenstrahlröhre ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenstrahlröhre (10) mit einem einzigen Signaleingang versehen ist, der mit einem gemeinsamen Ausgang der Signalspeichereinrichtungen (54) verbunden ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sichtanzeige eine Einrichtung (80) mit einer gleichen Anzahl paralleler Eingänge ist, die jeweils mit getrennten Ausgängen der Verstärker (52) verbunden sind, deren Ausgangsgrößen gleichzeitig den Eingängen der Sichtanzeige zugeführt sind.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sichtanzeige (80) eine Kathodenstrahlröhre mit mehreren Eingängen ist, wodurch die Abtastzeilen gleichzeitig erzeugbar sind und hierdurch eine schnellere Wiedergabe der erfaßten Echosignale erreichbar ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 14, dfidurch gekennzeichnet, daß die Sichtanzeige eine Plasma-Anzeigetafel ist, welche eine Anordnung von Reihen und Spalten von Gasentladuiigseinrichtungen enthält, wobei diese Gasentladungseinrichtungen Reihe um Reihe jeweils mit den Ausgängen der Verstärker (52) verbunden sind und die Spalten in Sequenz durch Signale zugeschaltet werden, welche in einer Tiefenbereichszeitgeberschaltung erzeugt sind, die durch die Steuereinrichtung (53) getriggert wird.

17. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge-

kennzeichnet, daß die Sichtanzeige (80) eine Anordnung von Reihen und Spalten von Flüssigkristallen ist, die Reihe um Reihe jeweils mit den Ausgängen der Verstärker (52) verbunden sind und die Spalten in Sequenz durch Signale zugeschaltet werden, welche in einer von der Steuereinrichtung getriggerten Zeitbereichsschaltung erzeugt sind.

18. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sichtanzeige (80) eine Anordnung von Reihen und Spalten von lichtemittierenden Dioden ist, die Reihe um Reihe jeweils mit Ausgängen der Verstärker verbunden sind und die Spalten in Sequenz durch Signale zugeschaltet sind, welche in einer von der Steuereinrichtung getriggerten Zeitbereichsschaltung erzeugt sind.

IS. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis

18, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Sender (31) die akustischen Detektoren (33) und das untersuchte Objekt (32) in das flüssige Medium eingetaucht sind.

20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis

19, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Sender (31) und die Detektoren (33) jeweils piezoelektrische Wandler sind, wobei der Mindestabstand zwischen benachbarten akustischen Detektoren (33) die Hälfte der Wellenlänge des Ultraschall-Signals in dem flüssigen Medium beträgt.

21. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe von akustischen Detektoren (33) mit einem Abstand etwa in der Mitte zwischen der akustischen Bildfokussiereinrichtung (30,60) und dem untersuchten Objekt (32) angebracht sind.

22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenfrontmuster des periodischen Ultraschall-Druckwellensignals, welches von dem einzigen akustischen Sender (31) erzeugt ist, breit genug ist zur Ausleuchtung des gesamten untersuchten Objektes (32), und die Folgefrequenz der periodischen elektrischen Impulse kurzer Dauer mindestens 15 Impulse pro Sekunde beträgt.