DE2911957A1

DE2911957A1 - Ultraschallabtaster

Info

Publication number: DE2911957A1
Application number: DE19792911957
Authority: DE
Inventors: Robert S Ledley
Original assignee: Georgetown University
Current assignee: Georgetown University
Priority date: 1978-05-03
Filing date: 1979-03-27
Publication date: 1979-11-08
Also published as: ES8200555A1; US4271706A; DK180779A; IE48106B1; NL7903435A; CA1123504A; JPS54144786A; GB2020428B; DE2911957B2; NL187035C; DK152154B; MX146784A; GB2020428A; NL187035B; FR2425081B1; FR2425081A1; IE790879L; ES480125A0; BE875980A; JPS6221536B2

Description

MERTENS & KEIL

PATENTANWÄLTE

Frankfurt/M 23.3.1979

P 21 P 5

Georgetown University 3900 Reservoir Road, N.W.

Washington, D.C. 20007 USA

"Ul traschallabtaster"

Zum leichtern Verständnis seien die Kernpunkte der Offenbarung kurz zusammengefaßt: Ein Ultraschallpuls wird in einen Körper hineingeleitet und von den entstehenden Pulsreflektionen an Zwischenflächen des Körpers längs der Pulsbahn werden elektrische Wiedergaben oder Abbildungen erzeugt. Die Ultraschallsignalbahn wird abtastend durch ein Volumen des Körpers geführt; dabei werden Positions-, Orts- oder Stellungssignale erzeugt, die die augenblickliche Lage der Bahn oder des Signalmelden. Die Reflektionssignale werden selektiert, nämlich selektiv durchgelassen (freigegeben), und zwar in vorgegebener Abhängigkeit (Funktion) von der Lage der Abtaststrahlbahn, um so eine Wiedergabe zu schaffen, die selektiv gewünschte Zwischenflächen darbietet, die innerhalb eines ausgewählten umrissenen Teiles des Volumens gelegen sind. Durch Verändern der vorgegebenen Abhängigkeit (Funktion) kann eine bestimmte gewünschte innere Oberfläche oder Zwischenfläche dargestellt werden.

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O '

MERTENS & KEIL PATENTANWÄLTE

Mittel für das Entwickeln einer dreidimensionalen Wiedergabe der ausgewählten Fläche werden ebenfalls beschrieben.

Diese Erfindung betrifft demnach ein Ultraschallabtastsystem für die Wiedergabe von Zwischenflächen oder Oberflächen innerhalb eines Körpers; sie betrifft insbesondere einen als medizinisches Instrument benutzbaren Ultraschal lab tast er .

Ultraschallabtastsysteme verschiedener Arten sind in der. Technik bekannt. Z.B. können die meisten der bekannten, allgemein in der Medizin benutzten Ultraschallabtastsysteme in zwei Gruppen (A und B) eingeteilt werden. In einem Abtaster der Gruppe A liefert ein feststehender Wandler (transducer) Ultraschallpulse, die längs einer festen Bahn in den Körper gerichtet sind. Die Laufzeit bis zur Rückkkehr von Reflektionen an inneren organischen Zwischenflächen wird erfaßt und liefert eine Anzeige der Entfernung zu solchen Zwischenflächen. Im B-Abtaster wird ein gepulster Ultraschallstrahl in einer einzigen Richtung in einer Art Wischbewegung geführt und wie beim Α-Abtaster werden aufeinanderfolgende Entfernungen zu reflektierenden organischen Zwischenflächen durch herkömmliche oder genormte Intervallometerverfahren bestimmt. Diese B-Abtaster liefern typisch eine Anzeige der Zwischenfläche im Ergebnis dadurch, daß die gefundenen Entfernungen zeichnerisch über der Lage der Bahn des Strahles aufgetragen werden. Verschiedene Abtaster der Gruppe B sind mit einer Echtzeitwiedergabe ausgestattet und führen das Abtasten elektrisch aus, beispielsweise unter Verwendung einer Reihe phasengesteuerter Übertrager, Wandler oder Sendeempfänger (transducer).

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t2ck ^ MERTENS & KEIL

PATENTANWÄLTE

In der vorliegenden Erfindung wird ein Rauminhalt oder Volumen oder abgegrenzter Raum in zwei Dimensionen abgetastet und die dreidimensionalen Konturen einer Zwischenflche oder im Inneren gelegenen Oberfläche wird in einer zweidimensionalen Wiedergabe dargestellt. (Die Bewegung des Abtaststrahles vollzieht sich in zwei Dimensionen; die dritte ergibt sich aus der Richtung des Strahles selbst). In Übereinstimmung mit einer vorgegebenen und/oder veränderbaren Funktion der augenblicklichen Abtaststrahlposition werden die Entfernungen selektiv zugeteilt, d.h. selektiv aus- bzw. eingeblendet, um so den gerade innerhalb der Wiedergabevorrichtung darzustellenden Raum- oder Volumenbereich auszuwählen und in seinem Umriß festzulegen. Ein solches selektives Erfassen der Kontur schließt wirre Überschneidungen der Reflektionen von nicht interessierenden Zwischenflächen aus. Nimmt man beispielsweise an, daß für ein Cartesisches Koordinatensystem die Z-Achse in den Körper hineingerichtet ist und daß die Abtastung (d.h. Abtastbewegung) in der X-Y-Ebene ausgeführt werden soll, lassen die Torkreise (gating circuits) oder Freigebekreise (Ein- und Ausblendkreise) Reflektionen von denjenigen Zwischenflächen selektiv hindurch, die innerhalb eines Z-Koordinatenbereiches liegen, wie er als Funktion der X- und Y-Lage der Signalbahn festgelegt ist.

Im menschlichen Körper haben die meisten Organe grob gesehen eine sphärische Form. Demgemäß wurde gefunden, daß es in einer medizinischen Umgebung bequemer ist, in einem Polarkoordinatensystem zu arbeiten, nämlich dabei einen laumwinkel innerhalb des Körpers nach einem Raster abzutasten. Der Abtastvorgang wird dann beschrieben in Termen der Winkellage des Signalpfades, definiert durch die Winkel

oC (in Bezug auf die X-Richtung) und θ (in Bezug auf die Y-Richtung) und denradialen Abstand R vom Übertrager (Sendeempfänger). Die Torfunktion (Sperrfunktion oder Freigabefunktion) wird in radialer Richtung ausgeführt.

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t2dg MERTENS & KEIL

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• τ·

Ein solches selektives Öffnen (Freigeben eines Tores; gating) erlaubt eine Wiedergabe, die nur die Oberfläche der gewünschten Zwischenfläche zeigt. Ferner kann die Abtastfunktion durch den Bedienenden abgewandelt werden zum Zwecke der Anpassung an die Form bzw. Gestalt einer bestimmten Fläche, insbesondere Oberfläche.

Es wurde nun erkannt, daß die Größe oder Intensität der Reflektion von einer Zwischenfläche eine Funktion des Winkel des Strahles in Bezug auf eine Tangentialebene oder eine Normale zur reflektierenden Oberfläche ist. Wenn der Einfallswinkel zwischen dem Strahl und einer Normalen klein ist, ist die Intensität des zurückgeworfenen Reflektions~ anteils hoch. Umgekehrt ist bei großem Winkel zwischen dem Strahl und einer Normalen die Intensität der Rückstrahlung der Reflektion klein. Nach Ausgleich der normalen Abschwächung von Ultraschall Signalen infolge der Übertragung innerhalb des Körpers kann somit die resultierende Intensität der Reflektion in ihren Variationen nach Art einer Rasterabtastung dargestellt werden als ein im Augenblick abgeformtes, plastisch oder reliefartig mit Graustufenübergängen erscheinendes "Bild" der fraglichen Oberfläche .

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Teile. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Wiedergabe eines Übertrager-Abtastmechanismus und den Raumwinkel des dadurch abgetasteten Volumens,

Fig. 2 eine Blockdarstellung eines Abtastsystems gemäß der vorliegenden Erfindung,

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_ g_ MERTENS & KEIL

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Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Schaltbildes einer geeigneten Torsteuerschaltung oder Freigabeschaltung,

Fig. 4 ein Schaltbild einer Schaltung, die geeignet ist für die Steuerung der Tor- oder Ausblendschaltung nach einer gegebenen Gestalt (nach Umriß oder Hüllfläche) eines Raumbereiches, und

Fig. 5 die Darstellung verschiedener Spannungen, die der Schaltung nach Fig. 4 zugeordnet sind.

Zum abtastenden Weiterschalten des Ultraschallstrahles können richtig' auch hinsichtlich ihrer Phasenlage gesteuerte Reihen feststehender Übertrager (transducers) verwendet werden. Andererseits kann auch ein mechanisch in seiner Abtastbewegung gesteuerter Strahl verwendet werden. An sich kann der für die Aufgabe des Abtasters verwendete jeweilige Mechanismus als herkömmlich betrachtet werden, obgleich eine der möglichen Ausführungsformen in der Zeichnung dargestellt ist.

Gemäß Fig. 1 ist ein herkömmlicher Ultraschallübertrager (im allgemeinen ein Sendeempfänger) 10 in einer Vorrichtung, die iner kardanischen Aufhängung entspricht, montiert; sie bietet eine Abtastbeweglichkeit in zwei Freiheitsgraden. Der Übertrager wird so in der Abtastbewegung über einen Winkel von 2OC in Bezug auf beispielsweise die X-Richtung geführt und durch einen Winkel von 2 θ in Bezug beispielsweise zur Y-Richtung. Genauer gesagt ist der Übertrager 10 in einem inneren Ring 14 befestigt, der mit wellenähnlichen Vorsprüngen 16 und 18 versehen ist. Die Vorsprünge oder Stummel 16 und 18 sind drehbar in einem äußeren Ring 20 gehalten und gelagert und arbeiten mit einem Motor 22

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, MERTENS & KEIL

PAT E N TA NWA LT E

•J.

herkömmlicher Art und einem Sinus/Kosinus-Generator 24 zusammen. Der Sinus/Kosinus-Generator 24 kann von beliebiger Bauart sein, doch besteht er vorzugsweise aus einer Art,; die ein Licht- und Detektorsystem aufweist, das mit einer am Wellenstummel 18 befestigten Schablone zusammenwirkt. Die Drehftg des Stummels 18 ruft die vorschreitende Bewegung einer entsprechend geformten Öffnung in der Schablone hervor, und zwar in eine und aus einer das Licht durchlassenden Beziehung zum Detektor zur Erzeugung eines Signales, das den Sinus oder den Kosinus des Drehwinkels des Wellenstummels 18 angibt. Am Außenring 20 sitzen Wellenvorsprünge oder -stummel 26 und 28, die drehbar im Rahmen oder Gehäuse 30 befestigt sind. Stummel 26 bzw. 28 arbeitet mit einem herkömmlichen Motor 32 und einem Sinus/Kosinus-Generator 34 zusammen.

Der Motor 22 liefert eine hin- und hergehende Bewegung des Übertragers 10 im Winkel Θ, während der Motor 32 de;n Übertrager 10 in pc-Richtung schwenkt; so wird eine Rasterabtastung eines Raumwinkels im Körper erzeugt. Die Abtastvorrichtung wird passend gegenüber dem Körperjvon Hand gehalten und räumlich eingestellt, obgleich natürlich auch eine mechanische Positioniervorrichtung benutzt werden kann. Hervorgehoben sei, daß die Wisch-, Fahrstrahl- oder Schwenkbewegung des Übertragers 10 in c*. vom Bedienenden von Hand statt durch Benutzung des Motors 32 hervorgerufen werden kann. Ein mit Wasser oder Gel gefülltes Behältnis 36 oder überhaupt ein Zwischenkörper aus Wasser oder Gel kann zur Herabsetzung der Dämpfung benutzt werden, wie sie sonst zwischen Übertrager und Körper in Luftspalten oder Luftstrecken auftritt.

Gemäß Fig. 2 werden die Motore 22 und 32 durch einen passsenden herkömmlichen Motorschaltkreis 38 gespeist, der mit einem herkömmlichen passenden Zeitgeber oder Zeitplangeber

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40 zusammenwirkt. Aus den Sinus/Kosinus-Generatoren 23 und 43 stammende Funktionen Kosinus θ und Kosinus </. können entsprechend herkömmlicher Technik als Rückkopplungssignale für den Motorspeisekreis 38 verwendet werden; sie werden ebenfalls dem Zeitplangeber 40 zugeführt.

Der Zeitplangeber 40 kann in fester Verdrahtung aufgebaut sein oder als herkömmlicher programmierbarer und programmierter Mikroprozessor oder Kleinrechner. Der Zeitplangeber 40 spricht auf die Stellungssignale (Positionssignale) vom Stellungsmelder, nämlich auf die Kosinus θ und Kosinus U. -Signale an und liefert Zünd- oder Triggerimpulse an einen herkömmlichen Pulsator oder -Impulsgeber oder Pulsgeber 32, beispielsweise einen Pulsgeber vom Typ Metrotek MP 203. Signale aus dem Pulsgeber 32 werden durch einen herkömmlichen T-Koppler oder Zirkulator 44 dem Übertrager 10 zugeführt, der dementsprechend Ultraschallpulse erzeugt. Der Zeitgeber 40 erzeugt und liefert dem Pulsator 42 einen ersten Triggerimpuls, wenn der Übertrager 10 im am weitesten oben gelegenen Abschnitt des Abtastfeldes steht, wie es durch die Positionierungssignale vorgegeben ist, und danach liefert der Zeitgeber Triggersignale in Übereinstimmung mit der vorgegebenen Winkelverschiebung innerhalb des Abtastfeldes. Die Dauer zwischen den Pulsen wird in Übereinstimmung mit der Tiefe der gewählten Zwischenfläche innerhalb des Körpers gewählt, so daß entsprechende reflektierte Signale vor der Erzeugung des nächsten Pulses empfangen werden können.

Wie in der Technik bekannt,ist die Strecke zu einer reflektierenden Zwischenfläche unmittelbar proportional der Zeit, die für den Gesamtweg eines Pulses zwischen dem Übertrager und der Zwischenfläche erforderlich ist. Genauer ist der Abstand R gleich der Hälfte der Gesamtlaufzeit

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■ /ΙΑ-

multipliziert mit der Geschwindigkeit des Schalles in dem Körper. Jedoch gelangt von jeder Zwischenfläche längs des Weges des Ultraschallpulses ein Teil desselben infolge Reflektion zurück an den Übertrager. Reflektionen von anderen als der interessierenden Zwischenfläche stören und sind somit eine potentielle Quelle der Verwirrung in der Wiedergabe. Um zwischen verschiedenen Zwischenflächen Selektivität zu erzielen, wird ein Entfernungstorsystem (range gating system) benutzt. Im allgemeinen sind Entfernungstorsysteme an sich bekannt (Systeme zur Störaustastung oder -ausblendung), sowohl in der Radar- als auch in der Sonartechnik. Reflektionen von verschiedenen Zwischenflächen werden durch den Übertrager 10 empfangen und durch den T-Koppler 44 und einen Verstärker 46 mit veränderbarem Verstärkungsgrad einer Tor- oder Fenster- oder Durchlaßvorrichtung (gating device) 48 zugeführt, beispielsweise einem Feldeffekttransistor (FET). Das Tor 48 wird selektiv leitend gemacht (das entspricht dem Schließen eines Schalters) für einen vorgegebenen zweiten Zeitraum nach einem ersten Zeitraum, der der Gesamtlaufzeit für einen ausgewählten Ort auf der näher gelegenen Seite des interessierenden Bereiches entspricht. Das Tor wird so für eine Dauer geöffnet (das entspricht dem Schließen eines Schalters), die Abständen vom Übertrager in einem Bereich R bis R +AR entspricht. Reflektionen von Zwischenflächen außerhalb dieses Entfernungsbereiches werden blockiert, so daß eine Wiedergabe von nur solchen Zwischenflächen gewährleistet ist, die innerhalb des gewählten Entfernungsbereiches liegen.

Die Schalt- oder Torvorrichtung 48 wird von einem Torsteuerkreis 50 gesteuert. Eine einfache Verzögerungsschaltung zur Erzeugung eines der Entfernung entsprechenden Zeittores, das einem Ausschnitt einer sphärischen Oberfläche entspricht, ist in Fig. 3 gezeigt. Diese Schaltung (50a)

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_Ae.

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umfaßt zwei in Reihe geschaltete monostabile Kippschaltungen 52 und 54; passend sind beispielsweise integrierte Schaltungen SN 74123 (z.B. von Texas Instruments). Die monostabile Kippschaltung 52 wird durch den Triggerimpuls aus dem Zeitgeber ausgelöst (getriggert), also dem Impuls, der zur Erzeugung des Ultraschallpulses benutzt wird. Die Dauer des Ausgangssignals der monostabilen Kippschaltung 52 wird so bemessen, daß sie der Gesamtlaufzeit zwischen dem Übertrager 10 und der näheren Seite des interessierenden ausgewählten Bereiches entspricht. Der negativ gehende Übergang am Ausgang der monostabilen Kippschaltung 52 (die negative Flanke) wird zur Auslösung der monostabilen Kippschaltung 54 benutzt, die einen Puls erzeugt, dessen Dauer der Stärke oder Dicke Δ R des ausgewählten Raumbereiches entspricht. Die Impulseigenzeiten der Ausgangssignale der monostabilen Kippschaltungen können in geeigneter Weise durch die Bedienungspersonen mittels Potentiometer 56 und 58 gesteuert (eingestellt) werden.

Ein solcher Torsteuerkreis 50a bestimmt während des Ganges der Abtastung die Durchlaßzeiten der Reflektionssignale entsprechend einem Abschnitt AR des Raumwinkels der" in Fig. 1 gezeigten Art.

Nochmals zu Fig. 2: Die torgesteuerten Ausgangssignale werden einer Anzeige- oder Wiedergabevorrichtung 68 zugeführt. Diese enthält einen Abtastumformer, -umsetzer oder -wandler 70 und eine herkömmliche Kathodenstrahlröhre 72. Der Abtastkonverter 70 zeichnet die torgesteuerten Daten mit der Abtastgeschwindigkeit des Ultraschallsystems auf und gibt sie dann an die Vorrichtung 72 in Geschwindigkeiten, Abschnitten und Zeiten, die von der Rasterabtaströhre verarbeitet werden können.

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yf-

Nach einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird der Graupegel oder die Strahlintensität der Kathodenstrahlröhre in Übereinstimmung mit der Amplitude oder Auslenkung der torgesteuerten Signale gesteuert, um ein plastisch oder dreidimensional aussehendes Bild von Zwischenoberflächen innerhalb des ausgewählten Abschnittes des abgetasteten Volumens zu liefern. Die Rückstrahlung der Ultraschallsignale von der reflektierenden Zwischenfläche sind proportional dem Einfallswinkel zwischen dem Pfad des Ultraschal lpulses und einer Normalen zur Oberfläche. Wenn der Winkel zwischen dem Strahlpfad und der Normalen klein ist, ist die Intensität der Rückstrahlung hoch. Ist der Einfallswinkel groß, hat die Rückstrahlung eine geringe Intensität. Somit wird durch Steuerung der Strahlintensität auf dem Röhrenbildschirm in Übereinstimmung mit der Rückstrahlintensität ein aktuelles "Bild" der Zwischenoberfläche in Grauabstufung entwickelt. Die Wiedergabe in unterschiedlichen Graustufen liefert Schattierungen in der zweidimensionalen Wiedergabe, so daß eine dreidimensionale optische Wirkung erzielt wird, die dem üblichen Lichtbild von dreidimensionalen Gegenständen sehr ähnlich sieht.

Jedoch nimmt die Intensität des Ultraschallsignals von Natur aus exponentiell bei seinem Durchgang durch das Körperge/ebe infolge der üblichen Dämpfung ab. Demnach ist es erwünscht, diese Dämpfung auszugleichen. Ein solcher Ausgleich wird in der bevorzugten Ausführungsform durch einen Verstärker 46 mit veränderbarem Verstärkungsgrad herbeigeführt. Als Verstärker 46 mit veränderbarem Verstärkungsgrad kann ein Videozwischenfrequenz-Verstärker vom Typ Motorola MC 1350 benutzt werden, der eine vorgegebene Verstärkungsminderung bietet. Der Verstärkungsgrad nimmt von einem Maximum ausgehend um Beträge ab, die in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Funktion stehen,- die an einer Ein-

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• 4k'

gangsspannung anfängt, die ihrerseits durch eine Bezugsspannung, die an den Verstärker gelegt wird, bestimmt wird. Eine Spannung V , die ein Maß für die gewünschte Versetzung R des gewählten Raumbereiches ist, wird als Bezugsspannung benutzt. Das Tor-, Fenster- oder Freigabesignal oder ein diesem entsprechendes Datum wird an Plätzen im Abtastkonverter in Übereinstimmung mit den Winkeln θ und ^-gespeichert. Der Abtastkonverter speichert allgemein die Information nach einem Cartesischen Koordinatensystem (X, Y), worin die X- und Y-Stellungen für das Datum wie folgt bestimmt sind:

X = S tg θ

L = S/cos θ = (Entfernung vom Zentrum der Rasterabtastfläche zu einem gegebenen Datenpunkt)

Y = L tg = S

cos θ

Der Wert S ist ein geschätzter Wert, der darauf ausgerichtet ist, daß das Wiedergabeschirmbild auf dem Röhrenbildschirm, von links nach rechts, nahe an den Rand des Schirmes reicht, wenn der Übertrager in der Stellung steht, in der der Winkel -Θ sein Maximum hat. Wenn beispielsweise der größte Winkel für den Übertrager _+ 20° ist, dann ist der Verstärkungsgrad oder Gewinn des Abtastkonverters so eingestellt, daß der Maximalwert von X gleich S tg 20° ist. Eine solche Einstellung liefert eine 1:1-Entsprechung zwischen den übertragenen Ultraschallpulsen und den Punkten des Rasters des Abtastkonverters (und - letztlich - der Bildröhre). Hervorgehoben sei, daß die Gesamtlaufzeit des Ultraschallpulses vernachlässigbar in Bezug zur mechanischen Abtastbewegung des Übertragers 10 und Abtastbewegung im Wiedergaberaster ist.

Zu bemerken ist ferner, daß die Daten (Bezugsdaten wie die gewonnenen Daten) digitalisiert (verziffert) und ge-

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speichert werden können, so beispielsweise in einem Hochgeschwindigkeitsmassendatenspeicher statt in einem Abtastkonverter. Die Daten können dann aus dem Speicher durch einen passenden Digital/Analogwandler ausgelesen und auf dem Bildröhrenschirm dargestellt werden.

Es sollte jedoch auch hervorgehoben werden, daß dann, wenn die zu beobachtende Zwischenoberfläche nicht einfach in den sphärischen oder räumlichen Abschnitt paßt, der einfache Torsteuerkreis oder Freigabesteuerkreis 40a für eine angemessene Sperre gegen unerwünschte Reflektionen nicht ausreichen mag. Wenn beispielsweise der räumliche oder sphärische Abschnitt 60 als ein konkaver Abschnitt anzusehen ist und die Oberfläche der zu beobachtenden Zwischenfläche wäre konvex, würde die Stärke oder Dicke des sphärischen Abschnittes 60 verhältnismäßig dick sein müssen, um die Oberfläche der Zwischenflache einzuschließen und zu umfassen. Dementsprechend könnte die Wiedergabe mit Signalen der Zwischenflächen, die nicht die interessierende Zwischenfläche ist, jedoch innerhalb des durch die Torschaltung eingestellten Bereiches liegt, durcheinandergeraten. Es ist daher erwünscht, der die Abstände (Entfernungen) festlegenden Torsteuerung eine solche Kontur vorzugeben, daß sie der zu betrachtenden besonderen Oberfläche entspricht.

Es sei angenommen, daß das Bereichstor oder -gatter in einer Entfernung R vom Übertrager beginnt und daß dieses Bereichstor durch Verändern von R während des Laufs der Abtastung nach Größe und Lage verändert werden kann. Da der Abstand Ii in jedem Augenblick während des Abtastens ausgedrückt werden kann als Funktion der Kosinus von θ und D<- , kann die Torsteuerschaltung gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung so gestaltet werden, daß das Bereichs- oder Entfernungs- oder Abstandstor festgelegt und umrissen werden

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. Ab-

kann durch Betätigung von Torvorrichtungen in Zeitpunkten, die den unterschiedlichen Abständen R in Übereinstimmung mit der relativen Lage der Bahn oder des Weges des Ultraschallpulses innerhalb des abgetasteten Volumens entsprechen.

Fig. 4 zeigt eine geeignete Schaltung 50b zur Erzeugung von Steuersignalen zum Gatter oder Tor 48 zwecks Erzeugung eines Bereichs- oder Entfernungstorsignals, das von der Bedienungsperson eingestellt werden kann, um einer konkaven, flachen oder konvexen Oberfläche entweder in X- oder in Y-Richtung zu folgen. Die entsprechenden Kosinussignale werden entsprechenden Verstärkern A, und A_? zusammen mit Spannungen zur Einstellung der entsprechenden Ausgangsspannungen V₁ und Vp der Verstärker A₁ und A„ zur Erzeugung einer Nullspannung bei 0° zugeführt. Ein Beispiel einer typischen, 20 überstreichenden Funktion Kosinus Θ ist in Fig. 5a zusammen mit der entsprechenden eingestellten Spannung V₁ gezeigt. Die Spannungen V₁ und V₂ sind in entsprechender Weise an eine Eingangsklemme von entsprechenden Multiplizierermodulen M₁ und M„ gelegt, beispielsweise an Vervielfacher oder Multiplizierer vom Typ Burr Brown BB 4205. Die Multiplizierer M₁ und M_? empfangen auch an den anderen Eingangsklemmen Spannungen, die den X- und Y-Konturen entsprechen. Für X und Y werden Spannungen bei Pegeln erzeugt, die zwischen einem positiven Maximum und einem negativen Minimum in Übereinstimmung mit den Potentiometern Pg und P. liegen. Die Ausgangsspannungen V und V der Multiplizierer M₁ bzw. M„ sind gleich dem Produkt der Eingangssignale, geteilt durch 10. V und V werden

χ y

zusammen mit einer Spannung V , die durch das Potentiometer P₅ geliefert wird (als Indiz einer gewünschten R-Versetzung) durch einen Additionsverstärker A„ summiert. Die sich daraus ergebende Spannung V« ist demnach eine Kurve, die in Übereinstimmung mit ·θ und peabgewandelt ist und verläuft.

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Die Parameter der Kurve werden durch die Bedienungsperson durch Einstellen der Potentiometer P„, P. und P₅ gesteuert. So sind beispielsweise die Potentiometer P„ und P₄ entsprechend zwischen positive und negative Spannungsquellen geschaltet. Durch Verändern des Potentiometers aus einer Mittelstellung heraus können die entsprechenden, die Kontur oder Begrenzung festlegenden Spannungen positiv oder negativ gemacht werden, um entweder eine konkave oder eine konvexe Kurvenform und Krümmung vorzugeben. Wenn der Betrag der die Kontur festlegenden Spannung (Konturspannung) größer wird, wird die Wellenform der Spannung mit dem Kosinus des ihr zugeordneten Winkels stärker gekrümmt. Eine solche Kontureinstellung von V ist in Fig. 5b gezeigt.

Die R-Verschiebungsspannung V entspricht der geschätzten Entfernung der interessierenden Zwischenfläche. Wie in Fig. 5c gezeigt, stellt die R-Versetzungsspannung V den Pegel der Gleichspannung V dar, wo θ und Dc beide Null sind, d.h. auf das Maximum oder Minimum von V .

Die Spannung V₃ wird einem Integrator 62 zugeführt, der einen Verstärker A₄ enthält, ferner einen Widerstand R_1R und einen Kondensator CL. Das Ausgangssignal V₄ des Integrators 62 ist durch folgende Gleichung gegeben:

Die' Dauer der gesteuerten Integration ist jedoch sehr kurz, £O daß V_q nur leicht während der Integration schwankt und als konstant angesehen werden kann. Dementsprechend kann V₄ ausgedrückt werden durch:

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^' PATENTANWÄLTE

4 . t

^C1^R18

worin t die Integrationsdauer ist.

Die Spannung V₄ wird einem Komparator 64 zugeführt, der eine veränderbare Bezugsspannung V_ empfängt, die von einem Potentiometer P_g stammt. Die Spannung V₆ wird entsprechend dem ungefähren Abstand der zu betrachtenden Zwischenfläche eingestellt. Das Potentiometer P_ kann bei Bedarf durch einen Schalter zum Auswählen verschiedener Näherungsanfangsbereiche wie beispielsweise 2· cm, 4 cm usw. ersetzt werden. Der Komparator 64 erzeugt einen Impuls, wenn V. den Pegel von Vg erreicht, um einen monostabilen Multivibrator 66 anzustoßen und dadurch einen Bereichs- oder Reichweitetorimpuls zu erzeugen. Die Dauer des monostabilen Signals wird durch ein Potentiometer P₇ gesteuert.

Die Integrationsdauer wird in Übereinstimmung mit den Triggerimpulsen aus dem Zeitgeber 40 eingeleitet. Diese Triggerimpulse werden einer bistabilen Kippschaltung FFl zugeleitet, um die Kippschaltung einzustellen und eine Schaltvorrichtung Q₁ nichtleitend zu machen, die parallel dem Integrationskondensator C₁ liegt. Die bistabile Kippschaltung FFl wird in Übereinstimmung mit dem Zündimpuls aus der monostabilen Kippschaltung 66 zurückgesetzt, um den Integrationszeitraum zu beenden, den Kondensator C₁ zu entladen und den Integrator 62 bis zum nächsten Triggerimpuls zu sperren. Somit entspricht die Länge der Zeit, die der Integrator A₄ zum Erreichen des Schwellenpegels Vg braucht, im allgemeinen der Gleichung:

A_x+B_y+ C,

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worin A die der Kontur in X-Richtung entsprechende Span-

Ji

nung ist, B die der Kontur in Y-Richtung entsprechende

Spannung und C die Spannung V ist.

Somit bewirkt die Schaltung 50b die Leitfähigkeit in der Tor- oder Gattervorrichtung 48 für unterschiedliche Dauern entsprechend den Torsignalen für unterschiedliche Reichweite oder unterschiedliche Entfernung, wie es für die Abtastbewegung des Übertragers verlangt wird.

Es sei hervorgehoben, daß die Schaltung 50b lediglich ein Ausführungsbeispiel ist und für viele passende Schaltungen zur Steuerung der Torsignale für die Vorgabe einer bestimmten Kontur des abzutastenden Raumes steht. Es können ebenfalls passend programmierte digitale Schaltungen benutzt werden. In der Praxis wird die von der Konturtorsteuerschaltung gelieferte vorgegebene Funktion nach der allgemein erwarteten Form des zu betrachtenden Objekts oder Gegenstandes gewählt.

Die dargestellte Schaltung und die darin wiedergegebenen Leitungen stellen lediglich den Funktionszusammenhang heraus; es wurden herkömmliche bekannte Symbole verwendet, zu denen noch weitere Leitungen gehören, wie beispielsweise die für Speisespannungen, auch für Frequenz- oder Nullpunktskompensation und dergl.. Die dargestellten Schaltungen der Operationsverstärker weisen deren Funktion aus, so beispielsweise als Spannungsfolger und Impedanzwandler (A^), als Summierverstärker (A₃), als Integrator (A₄), als Komparator (64) usw.

Im Zweifel sind alle hier beschriebenen und/oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination erfindungswesentlich. Schutz wird begehrt für das, was objektiv schutzfähig ist.

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Claims

MERTENS & KEIL RATENTANWÄLTE Patentansprüche:

1. System zur Abtastung mittels Ultraschall, das eine zweidimensionale Wiedergabe mehrwertiger Signale entwickelt, die dreidimensionale reflektive Zwischenflächen innerhalb eines Körpers darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß es folgendes enthält:

a) einen Ultraschall-Sendeempfänger (10) zur Erzeugung von Ultraschallsignalen, zum Richten dieser Signale in den Körper längs eines Weges oder einer Bahn vorbestimmter Lage und zur Erzeugung elektrischer Ausgangssignale, die ein Anzeichen von Ultraschallsignalen sind, die von den reflektierenden Zwischenflächen an den Sendeempfänger zurückgeworfen werden oder sind,

b) eine Abtastvorrichtung im Sendeempfänger, die die Ultraschal lsignale abtastend durch ein vorgegebenes Volumen innerhalb des Körpers führt und bewegt,

c) eine Vorrichtung, die Positionssignale oder Ortssignale erzeugt (Stellungsmelder), die ein Anzeichen der augenblicklichen Lage des Ultraschallsignalweges oder -pfades sind,

d) Tor- oder Freigabevorrichtungen, die auf die Stellungsmeldesignale oder Ortssignale und die Auagangssignale des Sendeempfängers für selektive Durchlaßfreigabe anspricht, in der Weise, daß nur Ausgangssignale von ihr durchgelassen werden, die Reflektionen von Zwischenflächen darstellen, die innerhalb vorgegebener Abstände vom Sendeempfänger gelegen sind, und zwar als eine Funktion der augenblicklichen Lage oder des augenblicklichen Ortes des Ultraschall-

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signalweges, wodurch torgesteuerte Ausgangssignale erzeugt werden, die Reflektionen von Zwischenflächen innerhalb eines vorgegebenen Volumens mit einer vorgegebenen Kontur darstellen, und

e) Wiedergabevorrichtungen, die auf die torgesteuerten Ausgangssignale und die Lage- oder Ortssignale ansprechen und eine zweidimension.ale Wiedergabe von vielwertigen oder mehrwertigen Signalen liefern, die repräsentativ für die dreidimensionalen Zwischenflächen in dem in der Kontur oder im Umriß festgelegten Volumen sind.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiedergabevorrichtungen eine Kathodenstrahlröhre enthalten, die auf die Ortssignale durch Auslenken eines Elektronenstrahls auf einen Wiedergabeschirm und auf die torgesteuerten Signale durch Modulieren der Intensität des Elektronenstrahls anspricht.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß weiter Kompensations- oder Ausgleichsmittel vorgesehen sind, die zwischen den Sendeempfänger und die Wiedergabeeinrichtungen geschaltet sind und den Pegel der Ausgangssignale in Übereinstimmung mit der angenäherten Entfernung einstellen, die von den Ultraschallsignalen innerhalb des Körpers durchlaufen werden, und daß durch diese Ausgleichsmittel die Abschwächung der Ultraschallsignale im Körper ausgeglichen oder kompensiert wird.

4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsteuermittel folgendes enthalten:

a) eine auf ein Steuersignal ansprechende und die Signale selektiv durchlassende Durchlaß-, Tor- oder Fenstersteuervorrichtung,

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b) einen ersten Zeitgeber, der ein erstes Zeitsignal ( Zeitplansignal) erzeugt, das das Ende eines ersten Zeitraumes darstellt, das nach Aussendung eines Ultraschallsignals in den Körper auftritt, wobei die erste Zeitdauer verändert wird in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Funktion des Lage- oder Positionssignals und

c) einen zweiten Zeitgeber zur Erzeugung eines zweiten Zeitsignals vorgegebener Dauer in Antwort auf das erste Zeitsignal, wobei das zweite Zeitsignal der Durchlaß- oder Torvorrichtung als Steuersignal zugeführt wird.

5. System nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Kreissteuervorrichtung zum selektiven Abwandeln der vorgegebenen Funktion, wodurch das in seinem Umriß nach festgelegte
Volumen zur Anpassung an eine bestimmte gewünschte innere Oberfläche oder Zwischenfläche verändert werden kann.

6. System nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Anwendung der Merkmale des Anspruchs 3.

909845/0687