DE2630865A1 - Ultraschall-abbildungssystem - Google Patents

Ultraschall-abbildungssystem

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DE2630865A1 DE19762630865 DE2630865A DE2630865A1 DE 2630865 A1 DE2630865 A1 DE 2630865A1 DE 19762630865 DE19762630865 DE 19762630865 DE 2630865 A DE2630865 A DE 2630865A DE 2630865 A1 DE2630865 A1 DE 2630865A1
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Description

PATENTANWÄLTE
DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT
D-8 München 60 · Orthstraße 12 ■ Telefon 832024/5 Telex 5212744 . Telegramme Interpatent
8. Juli BI
Vl P425 D
VARIAN Associates
Palo Alto, CaI., USA
Ultraschall-Abbildungssystem "
Priorität: 7. August 1975 - USA Ser. No. 602 700
Zusammenfassung
Es wird ein Signalprozessor für ein Ultraschallabbildungssystem beschrieben, der die Auswahl von Abfragewinkeln und Fokussierdistanzen erlaubt. Das System weist einen Ultraschallempfänger auf, der aus einer Anordnung von elektromechanischen Wandlern besteht, wobei die einzelnen Wandler mit Phasenwahlschaltungen
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verbunden sind, so da.ß nichtkontinuierliche Verzögerungswerte zwischen benachbarten Wandlern eingeführt werden können. Eine geeignete Auswahl der Verzögerungswerte zwischen benachbarten Wandlern kann einen bevorzugten Ultraschallempfang oder eine bevorzugte Ultraschallsendung in bestimmten Eichtungen bewirken. Eine optimierte Schaltanordnung minimiert die Anzahl von elektronischen Bauteilen, die dazu erforderlich sind, die gewünschten Verzögerungswerte zu schaffen.
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft die.Richtungswahl für Ultraschallabbildungssysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung die Einführung von diskontinuierlichen Verzögerungswerten zwischen den verschiedenen Elementen einer Wandleranordnung, und eine optimierte Schaltanordnung zur Minimierung der Anzahl von elektronischen Bauteilen, die dazu erforderlich sind, die erforderlichen Verzögerungswerte zum Lenken und Fokussieren des Ultraschallabbildungssystems zu schaffen.
In einem Ultraschallstrahl-Bildgerät mit Impulsbetrieb kann ein bestimmter Abfragewinkel und eine bestimmte lokusdistanz für eine Anordnung von elektromechanischen Wandlern dadurch erhalten werden, daß jedes der Wandlerelemente der Anordnung in einer passenden Zeitfolge gepulst wird, so daß die akustischen Impulse, die von jedem der Wandlerelemente abgegeben werden, alle am gewünschten Brennpunkt zum gleichen Zeitpunkt ankommen. Dieses Prinzip ist schematisch in Fig. 1 dargestellt, wo die Wandleranordnung 10 aus einer nicht näher angegebenen Anzahl von einzelnen Wandlerelementen besteht, wobei das Element am linken Ende mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet ist, das Element am rechten Ende mit dem Bezugszeichen 20 und zwischenliegende Elemente der Anordnung mit den Bezugszeichen 12, ..., 15, ···> 19· Das Element 15 repräsentiert das Wandlerelement, das am oder in der Nähe des Zentrums der Anordnung angeordnet ist. Um einen akustischen Impuls auf den Punkt P zu fokussieren, der in einer
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Distanz von der Wandleranordnung 10 liegt, ist es notwendig, daß die von den einzelnen Wandlern abgegebenen Impulse alle gleichzeitig am Punkt P ankommen. Der akustische Impuls vom Wandler am linken Ende muß also zu einem Punkt B auf dem Impulsweg zum Brennpunkt P laufen, ehe das Wandlerelement 20 am rechten Ende angeregt wird, einen akustischen Impuls zu emittieren. Durch Verzögerung der elektrischen Anregung jedes der Wandlerelemente rechts vom Endelement 11 um eine entsprechende Zeitspanne ist es möglich, die Impulse von allen Wandlerelementen gleichzeitig zu einem Brennpunkt am Punkt P zu bringen. Der Brennpunkt P wird durch die Fokusdistanz f vom Zentrumselement zum Punkt P und den Winkel θ zwischen der Normalen auf der Anordnung am Zentrumselement 15 und dem Weg vom Zentrumselement zum Punkt P identifiziert.
In ähnlicher Weise ist es zum Betrieb der Wandleranordnung 10 im Empfangsbetrieb zur Fokussierung auf den Punkt P als Quelle für reflektierte Schallenergie notwendig, daß, wenn eine vom Punkt P reflektierte Wellenfront ihrerseits auf jedes der Wandlerelemente der Anordnung aufprallt, die dadurch von jedem der Wandlerelemente nacheinander erzeugten elektronischen Signale gleichzeitig von einem Empfänger detektiert werden. Beispielsweise wird im Fall der Fig. 1 ein vom Punkt P reflektiertes Signal gleichzeitig am Wandlerelement 20 am rechten Ende und am Punkt B auf dem Weg vom Punkt P zum Wandlerelement 11 am linken Ende ankommen. Das vom rechtsliegenden Wandlerelement 20 im Empfangsbetrieb erzeugte elektronische Signal muß deshalb während des Zeitintervalls verzögert werden, das die akustische Wellenfront auf dem Weg vom Punkt P zum linksseitigen Wandlerelement 11 benötigt, um die Distanz vom Punkt B zum Element 11 zu durchlaufen. Die von den zwischenliegenden Wandlerelementen der Anordnung 10 erzeugten elektronischen Signale müssen in ähnlicher Weise durch in geeigneter Weise zwischenliegende Zeitintervalle verzögert werden, ehe sie so kombiniert werden, daß
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sie ein kohärentes Bild des Punktes P schaffen.
Verschiedene Techniken sind in bekannten Abbildungssystemen dazu verwendet worden, kohärente Verzögerungen zwischen den einzelnen Empfangselementen einer Wandleranordnung zu schaffen, um ein analoges elektronisches Bild der Quelle der reflektierten "Wellen zu erhalten. Eine solche bekannte Technik ist in Fig. 2 dargestellt wo die Wandlerelemente 11, 12, ..., 20, die eine belierijr Ar.zah.1 von ¥andlerelementen repräsentieren, in einer lir.5£r-5:i Ar.ircn'uiig angeordnet sind, wobei das linksseitige Zlinsrrc mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet ist und das rechtsseitige Element mit dem Bezugszeichen 20. Jedes Wandlerelement ist über eine getrennte, variable Verzögerungsleitung 21, 22, ...,30 nit 5ir.=r Ssnde-Einpfangs-Einheit 31 verbunden. Die Sende-Empfangs- -irJisiT J.l ist so programmiert, daß sie elektrische Impulse zur Umwandlung in akustische Impulse an die einzelnen Wandlerelemente sendet, und elektrische Impulse, die in den einzelnen Wandlsrelementen durch reflektierte Ultraschallwellen erzeugt werden, empfängt. Die Verarbeitung der empfangenen Signale in der Sende-Empfangs-Einheit 31 erfolgt während der Euheperioden zwischen Impulsaussendungen. Der spezielle Verzögerungswert für jedes der variablen Verzögerungselemente 21, 22, ..., 30 wird mit einer Steuerung 35 kontrolliert und wird durch den gewünschten Abfragewinkel für die Anordnung festgelegt·
Typischerweise haben die einzelnen Wandlerelemente der Anordnung 10 einen Abstand von einer halben Wellenlänge. Diese Forderung wird durch den Wunsch nach guter Auflösung im optischen Sinne für die abgebildete Quelle reflektierter Schwingungen diktiert. Die variablen Verzögerungsleitungen konnten entweder kontinuierlich variable Verzögerungswerte liefern oder konnten digital zwischen verschiedenen diskreten Verzögerungswerten umgeschaltet werden. Die elektronische Schaltung, die dazu erforderlich war, kontinuierlich variable Verzögerungswerte zu schaffen, ist
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komplizierter als die Schaltung, mit der eine digitale Umschaltung zwischen diskreten Verzögerungswerten erhalten wird, und dementsprechend wird für die meisten praktischen Anwendungsfälle eine Umschaltungsanordnung vorgesehen, mit der eine digitale Umschaltung zwischen verschiedenen Verzögerungswerten möglich ist.
3Pür digital geschaltete Verzögerungsleitungen ist das Kriterium für gute Abbildung, daß der Phasenfehler, der bei irgendeinem bestimmten Wandlerelement hervorgerufen wird, kleiner ist als t X/8, wobei \ die akustische Wellenlänge der Ultraschallschwingung in dem Medium ist, durch das sie läuft. Um dieses Kriterium zu erfüllen, sollte die Anzahl von Verzögerungswerten (oder Schritten) n,in die der dynamische Bereich eines bestimmten Verzögerungselementes aufgeteilt werden kann, größer sein als 2 N sin ömaxi wobei N die Gesamtzahl der Wandlerelemente in der Anordnung ist und ©max der maximale Lenkwinkel oder Abtastwinkel, gemessen von der Normalen zur Anordnung. Bei der Ableitung dieser Beziehung wurde angenommen, daß die Brennweite f der Anordnung groß gegenüber den Abmessungen der Anordnung ist, und daß die Mittelpunkte benachbarter Anordnungselemente einen Abstand von \/2 haben. Für eine typische Anordnung aus 32 Wandlerelementen und einem maximalen Lenkwinkel von 4-5 Grad erfordert dieses Kriterium für gute Bildauflösung, daß 46 oder mehr Verzögerungsschritte für jede der Verzögerungsleitungen vorhanden sind.
Eine andere bekannte Anordnung zur Erzielung kohärenter Verzögerungen zwischen Wandlerelementen eines Ultraschallabbildungssystems ist in Fig. 3 dargestellt, wo die Wandlerelemente 11, 12, 13* ...» 20 wie in Fig. 2 bezeichnet sind. Das linksseitige Wandlerelement 11 ist mit einer festen Verzögerungsleitung 21 verbunden, das rechtsseitige Wandlerelement 20 ist mit einer festen Verzögerungsleitung 30 verbunden und die zwischenliegenden Wandlerelemente der Anordnung sind mit getrennten festen
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Verzögerungsleitungen 22, 25, ..., 29 verbunden. Die Ausgangssignale von benachbarten festen Verzögerungsleitungen sind Jeweils an je eine Seite von variablen Verzögerungselementen angeschlossen. Beispielsweise sind Ausgangssignale von den festen Verzögerungsleitungen 21 und 22 mit den beiden Seiten eines Verzögerungselementes 40 gekoppelt. Die festen Verzögerungsleitungen 21, 22 und 23, ..., 30 haben unterschiedliche Werte, wie durch die unterschiedlichen Längen in Fig. 3 angedeutet ist. Wenn beabsichtigt ist, unter einem Winkel nach rechts zur Normalen der Anordnung abzutasten, ist die Verzögerung der variablen Verzögerungsleitungen 40, 41,...,48 größer als der Unterschied der Verzögerung benachbarter fester Verzögerungsleitungen, so daß Signale zum und vom Wandler 20 stärker verzögert werden als Signale von anderen Wandlern zu seiner Linken. Die variablen Verzögerungselemente 40, 41,...,48 werden von der Kontrolle oder Steuerung 35 kontrolliert. Das elektronische Signal, das vom rechtsseitigen Wandlerelement 20 erzeugt wird, wenn eine Ultraschallschwingungsfront, die von rechts läuft, unter einem Winkel Q gegenüber der Normalen auftrifft, läuft durch, die feste Verzögerungsleitung 30 zum variablen Verzögerungselement 48. Wenn die Wellenfront weiterläuft, nachdem sie auf das rechtsseitige Wandlerelement 20 aufgetroffen ist, trifft sie aufeinanderfolgend auf jedes Wandlerelement zur Linken des rechtsseitigen Elementes 20. Das vom Wandlerelement 20 erzeugte Signal läuft durch die diesem zugeordnete feste Verzögerung 29 zur Leitung 39» wo es mit dem Ausgang des variablen Verzögerungselementes 48 kombiniert wird. Die Gesamtverzögerung des Signals vom Wandlerelement 20, die durch die feste Verzögerungsleitung 30 und das variable Verzögerungselement 48 hervorgerufen wird, ist ausreichend groß, um ihm zu erlauben, sich, phasenmäßig mit dem Signal vom Wandlerelement 19 zu kombinieren, nachdem dieses durch die feste Verzögerungeleitung 29 gelaufen is1r. Die kombinierten Signale von den Wandlern 19 und 20 werden weiter durch
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zusätzliche variable Verzogerungselemente verzögert, und mit Signalen von zwischenliegenden Wandlern kombiniert. Schließlich wird das vom linksseitigen Wandlerelement 11 gelieferte Signal an einem Punkt links vom variablen Verzögerungselement 40 in die Leitung 49 eingespeist und mit den Signalen kombiniert, die von den vorangegangenen Wandler element en geliefert sind.
Für feriJfokussierte UIt raschall strahl en, d.h., wo die Brenn-. weite der Anordnung groß ist gegenüber den Abmessungen der Anordnung, ist der Unterschied der Sendezeit oder Laufzeit für zwei benachbarte Wandlerelemente durch den Ausdruck gegeben T = (d/c) sin Θ, wobei d der Abstand zwischen benachbarten Wandlerelementen ist, c die Geschwindigkeit der Ultraschallwelle in dem Medium, durch das sie läuft, und Q der Lenkwinkel ist. Die maximale Differenz der Verzögerungszeit zwischen benachbarten Wandlerelementen ist T max = (d/c) sin θ . Wenn der Minimalwert für die Verzögerung der variablen Verzogerungselemente ausreichend klein ist, um vernachlässigbar zu sein, kann die Differenz der Verzögerungen für benachbarte feste Verzögerungselemente auf IT v gesetzt werden. Die maximal
3H&X
erforderliche Verzögerung der variablen Verzogerungselemente "beträgt dann 2.Tmax· 3e** Stand der Technik erforderte kontinuierlich variable Verzogerungselemente, die auf exakte Verzögerungswerte eingestellt wurden, um die Anordnung der ankommenden Wellenfront anzupassen. Srfindungsgemäß wird berücksichtigt, daß es möglich ist, eine minimale Anzahl von Verzögerungsschritten für gedes variable Verzögerungselement zu
erreichen, um das oben genannte Phasenkriterium zu erfüllen. Wenn also der Minimalwert der Verzögerung für die variablen Verzogerungselemente 40, 41,...,48 klein genug ist, um vernaehlässigbar zu sein, ist die erforderliche Anzahl von Schritten η für jedes variable Verzögerungselement zur Erzielung einer guten Bildauflösung entsprechend dem oben genannten Kriterium
η = 4 sin θ · Bei der Ableitung dieses Ausdrucks wurde angemax "
nommen, daß der Abstand zwischen benachbarten Wandler element en \/2 beträgt.
.../8 509886/0313 .
Die Anzahl der Verzögerungswerte, die für jedes variable ■Verzögerungselement 40, 41,...,48 nach Fig. 3 erforderlich ist, wird um den Faktor N/2 gegenüber der Anzahl von Verzögerungswerten reduziert, die für jedes variable Verzögerungselement 21, 22,...,30 im Fall der Fig. 2 erforderlich sind. Das System nach Fig. 3 erfordert jedoch zusätzlich feste Verzögerungselemente 21, 22, 23,...,30. Der für die längste Verzögerung dieser Elemente erforderliche Wert beträgt, wenigstens Nf" „.
wobei N die Anzahl der Wandlerelemente der Anordnung ist. Die Kosten und die Qualität von Verzögerungsleitungen wird durch das Produkt Verzögerung χ Bandbreite bestimmt. Die große Anzahl von festen Verzögerungsleitungen und variablen Verzögerungselementen, die bei den bekannten Systemen nach Fig. 2 und 3 erforderlich ist, und die Forderung nach großen Produkten Verzögerung χ Bandbreite für diese festen Verzögerungsleitungen und einige der variablen Verzögerungselemente trägt erheblich zur Komplexität und zu den Kosten des Systems bei. Durch die Erfindung wird eine beträchtliche Verbesserung gegenüber diesen bekannten Systemen dadurch erreicht, daß eine erhebliche Herabsetzung der Anzahl von Verzögerungswerten möglich wird, die für jedes variable Verzögerungselement benötigt werden, indem die Notwendigkeit der Verzögerungswerte mit großen Produkten Verzögerung χ Bandbreite beseitigt wird und keine festen Verzögerungsleitungen benötigt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung wird ein Ultraschallabbildungssystem mit einer Anordnung aus elektromechanischen Wandlern verfügbar gemacht, das bevorzugt Ultraschallsignale in bzw. aus gewünschten Abtastrichtungen senden bzw. empfangen kann. Bei einem System nach der Erfindung ist ein variables Verzögerungselement elektrisch mit jedem Wandleremement der Anordnung
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verbunden, eine Kontrolle zur Auswahl eines geeigneten Verzögerungswertes für jedes variable Verzögerungselement, und eine Schalteinrichtung, mit der wahlweise mehrere mögliche elektrische Verbindungswege zwischen benachbarten Verzögerungselementen geschaffen werden, um der Wandleranordnung zu ermöglichen, vorzugsweise Ultraschallsignale zu empfangen oder zu senden, die entweder normal zur Anordnung oder unter einem Winkel nach rechts oder links mit Bezug auf die Normale laufen.
Durch die Erfindung soll ermöglicht werden, daß ein Ultraschallabbildungssystem mit einem variablen Verzögerungselement, das an jedes Wandlerelement einer Abtast-Wandler-Anordnung angekoppelt ist, variable Verzögerungselemente mit einer kleineren Anzahl von Verzögerungswerten pro Verzögerungselement arbeiten kann,als es beim Stand der Technik erforderlich ist.
Durch die Erfindung soll ferner ermöglicht werden, daß ein Ultraschallabbildungssystem unter gewünschten Winkeln zu beiden Seiten einer Normalen zu einer Abtast-Wandler-Anordnung abtasten kann, ohne daß es erforderlich ist, daß irgendein Wandlerelement der Anordnung mit einem festen Verzögerungselement gekoppelt ist.
Durch die Erfindung sollen also die Kosten und die elektronische Komplexität von Ultraschallabbildungssystemen reduziert werden, indem die Anzahl der Verzögerungselemente und die Anzahl der Verzögerungswerte pro Verzögerungselement gegenüber den Werten herabgesetzt wird, die bei bekannten Ultraschallabbildungssystemen erforderlich ist.
Durch die Erfindung .sollen ferner Verzögerungselemente verwendet werden, die kleinere Produkte Verzögerung χ Bandbreite haben als bei den bekannten Systemen.
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Weiter soll durch die Erfindung eine Anzahl von diskreten Verzögerungswerten oder Schritten in jeder variablen Verzögerungsleitung verwendet werden statt einer kontinuierlichen Variation der Verzögerung in einem Ultraschallabbildungssystem.
Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:
Fig. 1 eine Skizze zur Veranschaulichung des Auftreffens einer Ultraschallwellenfront auf eine bekannte Anordnung von Wandlern einer Ultraschallabbildungsvorrichtung;
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines bekannten Ultraschallabbildungsgerätes;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines anderen bekannten speziellen Ultraschallabbildungsgerätes;
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Ultraschallgerätes nach der Erfindung; und
Fig. 5 ein. Blockschaltbild eines Ultraschallabbildungssystems nach der Erfindung.
Die Erfindung ist in Form eines Blockschaltbildes in Fig. 4- dargestellt. Die Wandlerelemente 11, 12, IJ,...,20 sind als lineare Anordnung dargestellt, wenn auch anerkannt wird, daß Vorteile bei zweidimensionalen Anordnungen erreicht werden, insbesondere bei der Erzeugung von C-Abtast-Bildern. Jedes Wandlerelement ist mit einem variablen Verzögerungselement gekoppelt. Das linksseitige Wandlerelement 11 ist also mit einem variablen Verzögerungselement 51 gekoppelt, das rechtsseitige Wandlerelement 20 ist mit einem Verzögerungselement 60 gekoppelt, und die zwischenliegenden Wandlerelemente 12, 13 ··· der Anordnung sind in ähnlicher Weise mit variablen Verzögerungselementen 52, 53,... gekoppelt. Eine identische Schaltanordnung
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ist zwischen federn, benachbarten Paar von variablen Verzögerungselementen vorgesehen, um die Verzögerungswege der in jedem der Wandlerelemente erzeugten Signale bei Betrieb in Sende- oder Empfangs-Betrieb zu kontrollieren. Wie dargestellt, besteht die Schaltanordnung zwischen den variablen Verzögerungselementen 51 und 52 aus drei einpoligen Ausschaltern 60, 61 und 62. Die Stellungen der Schalter können manuell oder mit Hilfe der Kontrolle 35 gesteuert werden. Es versteht sich von selbst, daß diese Schalter Transistoren sein können.
Das System nach Fig. 4 kann sowohl im Sendebetrieb als auch im Empfangsbetrieb arbeiten. Für die Zwecke der folgenden Beschreibung soll angenommen werden, daß das System eine Ultraschallwellenfront empfängt. Die Verzögerungsanordnungen für Sendung sind identisch denjenigen für Empfang, nur daß die Laufrichtung der elektrischen und akustischen Signale umgekehrt wird. Bei der Beschreibung wird auch angenommen, daß eine parallele Wellenfront ankommt, d.h., der Brennpunkt im Unendlichen liegt. Das geschieht nur zur Vereinfachung der Erläuterung und stellt keine Begrenzung des Systems dar. Für eine Wellenfront, die auf die Wandleranordnung von rechts unter einem Winkel zur Normalen auftrifft, wird das rechtsseitige Wandlerelement 20 als erstes angeregt und das linksseitige Wandlerelement 11 zuletzt, während die ankommende akustische Wellenfront fortschreitet. Jedes der Wandlerelemente von rechts nach links erzeugt also seinerseits ein elektronisches Signal als Antwort auf die auftreffende Wellenfront. Wenn der Schalter geschlossen ist und die Schalter 80 und 81 geöffnet sind, läuft das Signal vom rechtsseitigen Wandlerelement 20 durch das Verzögerungselement 60 zu Komponenten der Schaltung, die links davon im Blockschaltbild in Fig. 4 angedeutet sind, um mit Signalen summiert zu werden, die in zeitlicher Folge von den Wandlerelementen zur Linken erzeugt werden.
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Um nur das Verhalten von zwei "Verzögerungselementen des Systems in Antwort auf eine Ultraschallwelle zu betrachten, die auf die Wandleranordnung von rechts auftrifft, kann der Ausgang des vorletzten Verzögerungselementes 52 durch den geschlossenen Schalter 62 mit dem Eingang des letzten Verzögerungselementes verbunden werden. Das Verzögerungselement 51 nimmt zusätzlich ein Eingangssignal vom letzten Wandlerelement 11 auf. Der Ausgang des Verzögerungselementes 51 wird dann über den geschlossenen Schalter 90 mit der Sende-Empfangs-Einheit 31 verbunden. Das vom Wandlerelement 12 erzeugte Signal muß notwendigerweise vom Verzögerungselement 52 für eine geeignete Zeit verzögert werden, so daß es phasenmäßig zum Signal addiert, das vom nächstfolgenden Wandlerelement 11 erzeugt wird. Die von den Wandlerelementen 12 und H erzeugten Signale werden dann kohärent addiert und laufen durch das Verzögerungselement 51» und von dort durch den geschlossenen Schalter 90 zur Sende-Empfangs-Einheit 31» die im Empfangsbetrieb arbeitet.
Signale, die von irgendwelchen beliebigen benachbarten Wandlerelementen erzeugt werden, können phasenmäßig addiert und dann als Eingang zum nächsten Verzögerungselement fortgeleitet werden, das mit dem nächstfolgenden Wandlerelement gekoppelt ist, gerade wie das eben in Verbindung mit den speziellen benachbarten Wandlerelementen 12 und 11 beschrieben wurde. Gemäß Fig. 4 können also die Signale, die von den beiden benachbarten Wandlerelementen 13 und 12 erzeugt worden sind, phasenmäßig dadurch addiert werden, daß der Ausgang des Verzögerungselementes 53 über den geschlossenen Schalter 72 mit dem Eingang des Verzögerungselementes 52 verbunden wird, so daß der Ausgang des Verzögerungselementes 52 die Summe des Ausgangs des Verzögerungselementes 53 und des Eingangssignals vom Wandlerelement 12 repräsentiert. Die Forderung, daß der Ausgang vom Wandlerelement
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zum Ausgangssignal vom Wandlerelement 12 phasenmäßig addiert werden kann, kann durch die Wahl eines entsprechenden Verzögerungswertes für das Verzögerungselement 53 erfüllt werden. Wie oben beschrieben, wird der Verzögerungswert des Verzögerungselementes 52 so ausgewählt, daß die richtige Phasenlage mit Bezug auf die Signale vom Wandlerelement 11 geschaffen wird, In gleicher Weise kann der Ausgang irgendeines bestimmten Elementes 52, 53»·«· oder 60 gemäß Fig. 4 mit dem Eingang des Verzögerungselementes im Verzögerungsweg des Signals verbunden werden, das von dem Wandlerelement erzeugt wird, das in der allgemeinen Fortpflanzungsrichtung der akustischen Wellenfront als nächstes folgt.
Wenn es erwünscht ist, nach links abzutasten oder abzulenken, würde eine von links ankommende Wellenfront das linksseitige Wandlerelement 11 erreichen, ehe sie das benachbarte Wandlerelement 12 erreicht. Um solche akustischen Signale von links zu detektieren, wird der Schalter 60 geschlossen und die Schalter 61 und 62 werden geöffnet. Bei dieser Anordnung wird das vom Wandlerelement 11 erzeugte Signal vom Verzögerungselement 51 verzögert, und wird dann durch den geschlossenen Schalter 60 zu dem Signal addiert, das vom Wandlerelement 12 erzeugt wird. Der kombinierte Ausgang der Wandlerelemente 11 und 12 wird dann für eine geeignete Zeit vom Verzögerungselement 52 verzögert und wird anschließend durch den geschlossenen Schalter 70 (Schalter 71 und 72 sind geöffnet) zu dem Signal addiert, das vom Wandlerelement 13 erzeugt ist. Wenn die akustische Wellenfront nacheinander auf die übrigen Wandlerelemente auftrifft, die weiter nach rechts angeordnet sind, wird das von jedem folgenden Wandlerelement erzeugte Signal in gleicher Weise zur Summe der Signale addiert, die durch die Verzögerungselemente gelaufen sind, die den vorangegangenen Wandlerelementen zugeordnet sind. Für eine Wellenfront, die auf die Wandleranordnung von links auftrifft, wobei der als letzter
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zu erregende Wandler das rechtsseitige Wandlerelement 20 ist, wird das vom Wandlerelement 20 erzeugte Signal zum integrierten Ausgangssignal von den Wandlern 11, 12, 13,... addiert, und das gesamte integrierte Signal läuft als Eingang zum Verzögerungselement 60. Der Ausgang des Verzögerungselementes 60 läuft zur Sende-Empfangs-Einheit 31, die im Empfangsbetrieb arbeitet, sobald der Schalter 91 geschlossen ist (Schalter 90 ist offen).
Bei dieser Schaltanordnung sind alle Schalter 60, 70,...,80 zum Lenken nach links geschlossen, und alle Schalter 62, 72,...,82 sind für Lenkung nach rechts von der Normalen geschlossen. Eine Lenkung auf spezielle Winkel wird dadurch erreicht, daß die internen Verzögerungsleitungen in den Verzögerungselementen auf unterschiedliche Verzögerungswerte geschaltet werden. Es ist jedoch zu beachten, daß ein minimaler möglicher Lenkwinkel für die obige Anordnung festgelegt ist, und zwar durch die nichtreduzierbare Minimalverzögerung, die jedem Verzögerungselement innewohnt. Für Lenkwinkel kleiner als der mit dieser Anordnung mögliche Minimalwinkel, einschließlich Lenkung normal zur Wandleranordnung, ist eine alternative Schaltanordnung erforderlich.
TJm ein selektives Ansprechen auf eine akustische Wellenfront zu erreichen, die normal auf die Wandleranordnung auftrifft, werden die mittleren Schalter 61, 71,.··,81 geschlossen, und die Schalter 60, 70,...,80 und 62,72,...,82 geöffnet. Das Signal von jedem Wandlerelement 11, 12,13,...,20 läuft dabei durch das direkt angeschlossene Verzögerungselement 51,52,53,...,60, so daß der Ausgang aller Verzögerungselemente summiert und direkt zur Sende-Empfangs-Einheit 31 weitergeleitet werden kann.
Wenn gleiche Verzögerungswerte für alle Verzögerungselemente 51, 52, 53,...,60 gewählt werden, können die elektrischen Signale, die durch eine akustische Wellenfront erzeugt werden,
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die normal auf die Wandleranordnung auftrifft, alle phasenmäßig addiert und zur Sende-Empfangs-Einheit 31 weitergeleitet werden.
Für Lenkwinkel nahe an der Normalen oder in Richtung der Normalen kann die beschriebene Schaltanordnung, bei der alle Schalter 61, 71»···»81 geschlossen sind, so modifiziert werden, daß eine Phasenverzögerung erhalten wird, die für den gewählten kleinen Winkel geeignet ist. Diese Modifikation besteht darin, daß einer oder mehrere der Schalter 61,71»...,81 geöffnet wird und ein entsprechender Satz Schalter 60, 70»··-80 geschlossen wird, um zur Linken von der Normalen zu lenken, oder einer oder mehrere der Schalter 62, 72,...,82 zum Lenken nach rechts geschlossen wird bzw. werden, so daß die Verzögerungselemente so geschaltet sind, daß eine Verzögerung auf alle Signale ausgeübt wird, die von links kommen, bzw. die von rechts kommen, so daß die Phasenverzögerung approximiert wird, die für den gewählten kleinen Lenkwinkel erforderlich ist.
Im Normalbetrieb ist nur einer der drei Schalter jeder Schaltanordnung zwischen benachbarten Verzögerungselementen geschlossen. Mir die Schaltanordnung zwischen den Verzögerungselementen 51 und 52 ist also normalerweise nur einer der Schalter 60,61 und 62 geschlossen. Einer der Schalter 90 oder 91 ist geschlossen, je nachdem, ob nach rechts oder nach links gelenkt werden soll. Beide Schalter 90 und 91 können geschlossen werden, wenn gerade nach vorn gelenkt wird, oder wenn Fokussierung verwendet wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform können die Wandlerelemente 11, 12, 13,...,20 sowohl im Sende- als auch im Empfangsbetrieb arbeiten, wobei der Empfangsbetrieb während der Ruheperioden zwischen Sendeimpulsen stattfindet. Es ist darauf hinzuweisen, daß elektronische Sendesignale durch die Verzögerungselemente in entgegengesetzter Richtung laufen zu Empfangssignalen für irgendeinen bestimmten Abtast- oder Ablenkwinkel.
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Der maximale Verzögerungswert, der für irgendein Verzögerungselement 51» 52, .53» · · · ,60 erforderlich, ist, ist gegeben durch den Ausdruck Ύηο =(d/c) sin Τ__ν. Wird angenommen, daß
IUcLX IUcLX
d = X/2, und daß der Phasenwinkel jedes Elementes der Anordnung kleiner ist als ± "X/8, ist die Anzahl der Verzögerungsschritte η (d.h. der maximale Verzögerungswert) gegeben durch den Ausdruck n - 2 sin 9max·
Ersichtlich erfordert also ein Abbildungssystem nach der Erfindung eine kleinere Anzahl von Verzögerungswerten, nämlich um den Faktor 2 kleiner, für jedes variable Verzögerungselement als das bekannte Abbildungssystem nach Fig. 3.
Ersichtlich erfordert das Abbildungssystem nach der Erfindung auch keine festen Verzögerungsleitungen, wie sie bei dem Abbildungssystem nach Fig. 3 erforderlich waren. Weiter werden durch die Erfindung nicht die sehr langen Gesamtverzogerungswerte benötigt, die bei dem System nach Fig. 2 benötigt wurden. Diese Herabsetzung der Anzahl an Verzögerungselementen und der Anzahl von Verzögerungswerten pro Verzögerungselement, die durch die Erfindung verfügbar gemacht wird, ergibt eine erhebliche Herabsetzung des Aufwandes und der elektronischen Kompliziertheit eines Ultraschallabbildungssystems.
Bei den angeführten Vergleichen der verschiedenen Systeme wurde durchgehend angenommen, daß ein Phasenfehler von ± X/8 akzeptierbar wäre. Tabelle I gibt die Anzahl der Verzögerungsschritte an, die für jedes variable Verzögerungselement in den drei Systemen nach Fig. 2, 3 und 4 erforderlich sind.
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Tabelle I
System
Fig. 2 46 227
Fig. 3 3 8
Pig. 4 2 4
Die zweite Spalte gibt die Anzahl der Elemente an, die aufgrund der obigen Formeln benötigt werden, wenn eine Phasengenauigkeit von + X/8 erforderlich ist. In einigen Systemen kann es erwünscht sein, eine höhere Phasengenauigkeit zu erreichenjund die dritte Spalte der Tabelle gibt die Anzahl der Verzögerungsschritte η für jedes variable Verzögerungselement an, wenn eine Genauigkeit von λ/20 benötigt wird. Bei der Durchführung dieser Berechnungen wurde angenommen, daß die Anordnung eine Gesamtzahl Ή = 32 Elemente aufweist, und daß jedes Element vom benachbarten einen Abstand von V2 hat.
Eine typische Betriebsfrequenz kann 2,5 MHz sein. In diesem Falle würde der minimale Schrittwert für einen Phasenfehler * \/8 100 Nanosekunden betragen, und bei einem Phasenfehler + λ/20 würde der minimale Schrittwert 40 Nanosekunden betragen.
Die maximale Verzögerung TmQV, die für ein einstellbares Verzögerungselement 51» 52,...,60 benötigt wird, ist gegeben durch d/c sin TL,.-,. Mit einem Abstand zwischen Wandlerelementen
IHcLX
von d = "k/2, einer Betriebsfrequenz von 2,5 MHz und einer maximalen Ablenkung θ = 45° ergibt sich Tn,.,.. = 141 Nano-Sekunden.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung. Bei diesem System werden Verstärker in Verbindung mit dem Verzögerungselement verwendet, um Signalamplitudenverluste zu
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kompensieren, die in den Verzögerungselementen auftreten, und um eine optimale Impedanzanpassung zu erreichen; dadurch werden unerwünschte Reflexionen oder Echos innerhalb der Verzögerungselemente eliminiert. Bei diesem System sind Wandlerelemente 11,12,... jeweils über Sende-Empfangs-Schaltungen 92 mit den Sendern 93 bzw. Empfangsvorverstärkern 9^ verbunden. Die Zeitgabesignale für die Sender werden von der Senderkontrolle abgeleitet, die ihrerseits vom Hauptprogrammierer 37 kontrolliert wird. Die Empfängervorverstärker 94- können auch dazu verwendet werden, eine Verstärkungskompensation zu erreichen, so daß Echos von fernen Objekten in größerem Maße verstärkt werden als Echos von nahen Objekten. Das wird leicht durch eine Schaltung erreicht, die die Verstärkung dieser Verstärker erhöht, nachdem ein Sendeimpuls stattgefunden hat, indem eine vorgegebene Verstärkungskennlinie in Abhängigkeit von der Zeit geschaffen wird. Die Zeitgabesignale für diese Verstärkungsänderungen können vom Hauptprogrammierer 37 geliefert werden. Die Vorverstärker 94- können auch Schaltungen enthalten, mit denen die ankommenden Signale logarithmisch komprimiert ' werden, um weiter Differenzen der Signalstärken von nahen Objekten, verglichen mit ferneren Objekten, zu kompensieren. Die Ausgänge der Vorverstärker 94- sind über Widerstände 95 mit dem Summationspunkt 96 eines invertierenden Verstärkers 97 verbunden. Der Ausgang des invertierenden Verstärkers 97 ist über einen Anpasswiderstand 98 an die jeweiligen Verzögerungsleitungen 51» 52,...,60 angekoppelt. Die Verstärkung dieser Verstärkersysteme wird normalerweise durch Wahl eines Rückkopplungswiderstandes 99 auf 1 eingestellt. Die Ausgangsimpedanz der Verzögerungsleitung 51» 52,... wird mittels eines Widerstandes 101 an die gewünschte Eigenimpedanz angepaßt. Irgendwelche Verstärkungsverluste in den Verzögerungsleitungen 51, 52,...,60 können durch den Rückkopplungswiderstand 102 des invertierenden Ausgangsverstärkers 103 kompensiert werden. Der Ausgangswiderstand 104· dient als Eingangssummationswiderstand, wenn beispielsweise der Schalter 60 geschlossen ist, um
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den verzögerten Ausgang des Wandlers 11 zum Signal vom Wandler zu koppeln. Der Schaltvorgang im Empfangsbetrieb ist identisch dem oben in Verbindung mit Fig. 4 beschriebenen. Das Ausgangssignal vom Empfänger 105 wird zur Anzeige 106 gekoppelt, wo es die Helligkeit einer Kathodenstrahlbildröhre 107 moduliert. Der Hauptprogrammierer 37 steuert die X-Y-Position des Kathodenstrahls, um eine Abtastlinie zu schaffen, deren Orientierung in Beziehung steht mit der Richtung des empfangenen Ultraschallstrahls, wie er durch die Verzögerungsleitungs-Schaltkombination festgelegt ist, die durch die Empfängerkontrolle J8 ausgewählt ist.
Die Vorverstärker 0A ergeben eine Verstärkung der Signale von den Wandlerelementen 11, 12-20, um einen Signalpegel oberhalb des Rauschpegels der Verzögerungsleitungen und Schalter zu erreichen, und damit die Empfindlichkeit des Systems zu verbessern. Vorverstärker 94 sorgen auch für eine unidirektionale Verstärkung, so daß Signale in den Verzögerungsleitungsschaltungen daran gehindert werden, Signale durch die Wandlerelemente-11, 12,,..,20 wieder auszustrahlen.
Die Lenkwinkelinformation, die in der Hauptkontrolle 37 enthalten ist, wird an die Senderkontrolle 36 gelegt, die Zeitgabesignale für die Sender 93 erzeugt, die mit jedem Wandler 11, 12,...,20 gekoppelt sind. Diese Zeitgabesignale sorgen dafür,, daß jeder Sender 93 einen elektrischen Impuls in der richtigen zeitlichen Beziehung erzeugt, um dafür zu sorgen, daß der entsprechende Ultraschallenergieimpuls, der von den Wandlerelementen 11, 12,...,20 emittiert wird, sich phasenmäßig in Richtung und Pokustiefe entsprechend der Wahl des Hauptprogrammierers 37 addiert. Irgendwelche akustischen Impedanzdiskontinuitäten sorgen dafür, daß ein Teil der Ultraschallenergie zu den Wandlerelementen zurückreflektiert wird.
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Die reflektierte Ultraschallenergie wird mittels der Wandlerelemente 11, 12,...,20 in elektrische Signale umgewandelt und durch die Sende-Empfangs-Kopplungsnetzwerke 92 an die Vorverstärker 94- gekoppelt. Die Ausgänge dieser Vorverstärker sind mit den Verzögerungsleitungsnetzwerken und Schaltern gekoppelt, wie oben beschrieben, wobei Signale, die aus der gewählten Richtung und lokustiefe ankommen, kohärent addiert werden und dem Empfänger 105 zugeführt werden. Im Empfänger 105 werden die Signale weiter verstärkt und mit einer Hochfrequenzdetektorschaltung gleichgerichtet. Die detektierten Signale können weiter in einem Videoverstärker verstärkt werden, der im Empfänger IO5 enthalten ist, und weiter beispielsweise mit einem logarithmischen Verstärker verarbeitet werden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das zur Anzeige 106 gekoppelt wird. Die Ausgangsspannung ist damit ein Maß für die reflektierte Signalamplitude aus der gewählten Richtung und Tiefe, und die Zeit des Auftretens dieses Signals hängt direkt mit der Tiefe zusammen, aus der die Reflexion stattfindet. Wenn also dieses Ausgangssignal an die Anzeige 106 in der Art gegeben wird, daß es die Intensität der Kathodenstrahlröhre ΙΟ? moduliert, wird ein heller Heck derart geformt, daß dessen Helligkeit mit Streuquerschnitt des Objektes in Beziehung steht, das das reflektierte Signal liefert. Die Hauptkontrolle liefert geeignete Spannungen an die X- und Y-Achsen der Kathodenstrahlröhre, so daß eine gerade Linie gezogen wird, deren Orientierung in Beziehung mit der Richtung des empfangenen Signals steht. Die Zeitverzögerung des Ausgangssignals vom Empfänger nach dem Senderimpuls bestimmt den Bereich des Objektes, und durch Durchsteuerung (im-^n^l±schen u«weep") der Radiallinien der Anzeige mit der richtigen vorgegebenen Rate ergibt die Distanz des hellen Fleckes vom Scheitelpunkt ein direktes Maß für den Bereich des streuenden Objektes.
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In einem typischen System kann die Anzeige aus 64 radialen Linien bestehen, d.h., die Hauptkontrolle programmiert die Senderkontrolle und die Empfängerkontrolle so, daß 64 verschiedene Lenkwinkel ausgewählt werden. Für einen speziellen Winkel zünden die Sender alle innerhalb einer Periode von etwa 6 Mikrosekunden. Im Anschluß daran sind die Empfänger etwa 200 Mikrosekunden lang für ankommende Signale empfindlich. Da die Geschwindigkeit des Schalls im menschlichen Körper etwa 1,5 mm/μ see beträgt und das Signal zum Reflexionspunkt und zurück zu den Wandlern laufen muß, beträgt der Gesamtbereich, der für die Anzeige zur Verfügung steht, etwa 26 cm. Im Anschluß an diese Periode folgt eine weitere Periode von vielleicht 300 Mikrosekunden, die dazu verwendet werden kann, irgendwelche restlichen Signale oder Echos abklingen zu lassen, und gleichzeitig der Hauptkontrolle erlaubt, neue Information an die Sender- und Empfänger-Kontrollen zu schicken und der Empfängerkontrolle, die Verzögerungswerte und Schalterpositionen für die nächste radiale Abtastlinie auszuwählen. Mit insgesamt 64 Abtastlinien erhält man ein vollständiges Bild mit einer Rate von etwa 30 Bildern pro Sekunde, so daß eine Echtzeit-Anzeige von sich bewegenden Gegenständen möglich ist, beispielsweise dem Herzen.
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Claims (7)

  1. Vl Ρ425 D
    Patentansprüche
    ( li Ultraschall-Abbildungssystem gekennzeichnet durch erste und zweite elektromechanische Wandlerelemente, erste und zweite elektronisch variable Verzögerungselemente, wobei jedes Verzögerungselement eine Eingangsklemme und eine Ausgangsklemme hat, das erste Wandlerelement mit der Eingangsklemme des ersten Verzögerungselementes und das zweite Wandlerelement mit der Eingangsklemme des zweiten Verzögerungselementes verbunden ist, und Schalteinrichtungen, mit denen wahlweise eine elektrische Verbindung entweder zwischen der Ausgangsklemme des zweiten Verzögerungselementes und der Eingangsklemme des ersten Verzögerungselementes,oder der Ausgangsklemme des ersten Verzögerungsalementes und der Eingangsklemme des zweiten Verzögerungselementes, oder dem Ausgang des zweiten Verzögerungselementes und der Ausgangsklemme des ersten Verzögerungselementes hergestellt werden kann.
  2. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Wandlerelement in einer Reihe von Wandlerelementen einander benachbart angeordnet sind.
  3. 3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung von Wandlerelementen linear ist.
    .../A2
    60S8SS/0313
  4. 4. System nach Anspruch 1, 2 oder 35 dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente der Anordnung in der Lage sind, Ultraschallwellenimpulse in einer vorgegebenen Richtung zu senden.
  5. 5- System nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß während der Ruheperioden zwischen den Sendeimpulsen die Wandlerelemente der Anordnung in der Lage sind, elektrische Signale als Antwort auf reflektierte Ultraschallenergie zu erzeugen, die aus der vorgegebenen Richtung auf sie auftrifft.
  6. 6. System nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die variablen Verzögerungselemente dafür sorgen, daß elektrische Signale, die als Antwort auf die reflektierte Welle aus der vorgegebenen Richtung erzeugt werden, in einer kohärenten Summation integriert werden.
  7. 7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kohärenten Summationssignale auf einer Kathodenstrahlröhre angezeigt werden.
    §0988$/
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