DE2630865C3 - Ultraschall-Abbildungssystem - Google Patents
Ultraschall-AbbildungssystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Abbildungssystem mit einer Mehrzahl von in einer Linie angeordneten
elektromechanischen Wandlerelementen, mit jeweils einem jedem Wandlerelement zugeordneten
Verzögerungselement.
Es ist ein Ultraschall-Abbildungssystem mit einer Mehrzahl von in einer Linie angeordneten Wandlerelementen
bekannt, bei dem eine einheitliche Verzögerung vorgesehen ist, an deren Anzapfungen die
Wandlerelemente mit drei Gruppen von Schaltern je nach der gewünschten Einfalls- oder Abstrahlrichtung
anschaltbar sind (GB-PS 7 72 083). Mit diesem bekannten System können einige wenige Abfragewinkel
(senkrechte Richtung und rechts und links davon) für den Ultraschallstrahl dadurch erhalten werden,
daß die Anschaltung der Wandlerelemente an die Anzapfungen umgeschaltet wird. Für mehrere Abfragewinkel
ist eine mechanische Winkeländerung oder die Verwendung mehrerer gleichartiger Schaltungen in
winkelmäßigem Abstand voneinander vorgesehen, ϊ Wegen dieses Mangels sind später Abbildungssysteme
der eingangs genannten Art entwickelt worden.
In einem solchen Abbildungssystem kann ein bestimmter Abfragewinkel ued eine bestimmte Fokusdistanz
für die Wandlerelemente dadurch erhalten ι» 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 F i g. 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 U 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 Distanz von der Wandleranordnung 10 liegt, ist
es notwendig, daß die von den einzelnen Wandlern abgegebenen Impulse alle gleichzeitig am Punkt P
ankorrmen. Der akustische Impuls vom Wandler 11 am
jo 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 Wandlerele-J")
mente 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 /vom Zentrumselement 15 zum Punkt ■»ο P und den Winkel Θ zwischen der Normalen auf der
Anordnung am Zentrumselement 15 und dem Weg vom Zentrumselement 15 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 elektronisehen Signale gleichzeitig von einem Empfänger
detektiert werden. Beispielsweise wird im Fall der Fi g. 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
b5 Zeitintervalle verzögert werden, ehe sie so kombiniert
werden, daß sie ein kohärentes Bild des Punktes P schaffen.
Verschiedene Techniken sind in bekannten Abbil-
Verschiedene Techniken sind in bekannten Abbil-
dungssystemen 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 beliebige Anzah: von Wandlerelementen repräsentieren, in einer linearen Anordnung
angeordnet sind, wobei das linksseitige Element mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet ist und das rech;sseitige
Element mit dem Bezugszeichen 20. Jedes Wandlerelement ist über eine getrennte, variable
Verzögerungsleitung 21, 22, .... 30 mit einer Sende-Empfangs-Einheit 3J verbunden. Die Sende-Empfangs-Einheit
31 ist so programmiert, daß sie elektrische Impulse zur Umwandlung in akustische Impulse an die
einzelnen Wandlerelemente sendet und elektrische Impulse, die in den einzelnen Wandlerelementen durch
reflektierte Ultraschallwellen erzeugt werden, empfängt Die Verarbeitung der empfangenen Signale in der
Sende-Empfangs-Einheit 31 erfolgt während der Ruheperioden 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 (»Ultrasonics«, Juli 1968, S. 153-159) oder konnten
digital zwischen verschiedenen diskreten Verzögerungswerten umgeschaltet werden (»Acoustical Holography«,
Bd. 5, New York 1974, S. 249-259). Die elektronische Schaltung, die dazu erforderlich war,
kontinuierlich variable Verzögerungswerte zu schaffen, ist komplizierter als die Schaltung, mit der eine digitale
Umschaltung zwischen diskreten Verzögerungswerten erhalten wird, und dementsprechend wird für die
meisten praktischen Anwendungsfälie eine Umschaltungsanordnung vorgesehen, mit der eine digitale
Umschaltung zwischen verschiedenen Verzögerungswerten möglich ist.
Für digital geschaltete Verzögerungsleitungen ist das Kriterium für gute Abbildung, daß der Phasenfehler, der
bei irgendeinem bestimmten Wandlerelement hervorgerufen wird, kleiner ist als ±λ/8, wobei λ 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 /Vsin θ™*,
wobei N die Gesamtzahl der Wandlerelemente in der Anordnung ist und ßmax der maximale Lenkwinkel oder
Abtastwinkel, gemessen von der Normalen zur Anordnung. Bei der Ableitung dieser Beziehung wurde
angenommen, daß die Brennweite / der Anordnung groß gegenüber den Abmessungen der Anordnung ist
und daß die Mittelpunkte benachbarter Anordnungselemente einen Abstand von λ/2 haben. Für eine typische
Anordnung aus 32 Wandlerelementen und einem maximalen Lenkwinkel von 45 Grad erfordert dieses
Kriterium für gute Bildauflösung, daß 46 oder mehr Verzögerungsschritte für jede der Verzögerungsleitungen
vorhanden sind.
Eine andere bekannte Anordnung (»Neurology« 23 -. [11], S. 1147-1159, 1973) zur Erzielung kohärenter
Verzögerungen zwischen Wandlerelementen eines Ultraschallabbildungssystems ist in Fig.3 dargestellt,
wo die Wandierelemente 11,12,13,..., 20 wie in F i g. 2
bezeichnet sind. Das linksseitige Wandlerelement 11 ist
ii, 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 Verzögerungsleitungen 22, 23,..., 29
π verbunden. Die Ausgangssignale von benachbarten
festen Verzögerungsleitungen sind jeweils an je eine Stelle von variablen Verzögerungselementen angeschlossen.
Beispielsweise sind Ausgangssignale von den festen Verzögerungsleitungen 21 und 22 mit den beiden
2(i 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
2". 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 Ultraschallschwin-
i) gungsfront, die von rechts läuft, unter einem Winkel θ
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 19 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 Verzögerungsleitung 29 gelaufen ist. Die kombinierten
Signale von den Wandlern 19 und 20 werden weiter durch zusätzliche variable Verzögerungselemente 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
to kombiniert, die von den vorangegangenen Wandlerelementen
geliefert sind.
Für fern fokussierte Ultraschallstrahlen, d. h. wo die Brennweite der Anordnung groß ist gegenüber den
Abmessungen der Anordnung, ist der Unterschied der Sendezeit oder Laufzeit für zwei benachbarte Wandlerelemente
durch den Ausdruck gegeben
γ = (d/c)s\ne,
wobei ei der Abstand zwischen benachbarten Wandlerelementen
ist, cdie Geschwindigkeit der Ultraschallwelle in dem Medium, durch das sie läuft, und Θ der
Lenkwinkel ist. Die maximale Differenz der Verzögerungszeit zwischen benachbarten Wandlerelementen ist
fma\ = (d/c) Sin θ „,ax-
Wenn der Minimalwert für die Verzögerung d<
ι variablen Verzögerungselemente ausreichend klein ist, um vernachlässigbar zu sein, kann die Differenz der
Verzögerungen für benachbarte feste Verzögerungselemente auf j1™,, gesetzt werden. Die maximal erforderliche
Verzögerung der variablen Verzögerungselemente beträgt dann 2 ymdx.
Die Anzahl der Verzögerungswerte, die für jedes variable Verzögerungselement 40, 41, ..., 48 nach
F i g. 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 F i g. 2 erforderlich sind. Das
System nach F i g. 3 erfordert jedoch zusätzlich feste
Verzögerungselemente 21, 22, 23 30. Der für die
längste Verzögerung dieser Elemente erforderliche Wert beträgt wenigstens N γ,,,αχ, wobei Λ/die Anzahl der
Wandlerelemente der Anordnung ist. Die Kosten und die Qualität von Verzögerungsleitungen wird durch das
Produkt Verzögerung · Bandbreite bestimmt. Die große Anzahl von festen Verzögerungsleitungen und
variablen Verzögerungselementen, die bei den bekannten Systemen nach F i g. 2 und 3 erforderlich ist, und die
Forderung nach großen Produkten Verzögerung · Bandbreite für diese festen Verzögerungsleitungen
und einige der variablen Verzögerungselemente trägt erheblich zur Komplexität und zu den Kosten des
Systems bei.
Aufgabe der Erfindung ist es, das eingangs erwähnte Abbildungssystem derart auszugestalten, daß eine
erhebliche Herabsetzung der Anzahl von Verzögerungswerten möglich wird, die für jedes variable
Verzögerungselement benötigt werden, daß die Notwendigkeit der Verzögerungswerte mit großen Produkten
Verzögerung · Bandbreite beseitigt wird und daß keine festen Verzögerungsleitungen benötigt werden.
Prinzipiell geht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe von der Überlegung aus, daß keine kontinuierlich
variablen Verzögerungselemente wie beim Stand der Technik benötigt werden, die auf exakte Verzögerungswerte
eingestellt werden, um die Anordnung der ankommenden Wellenfront anzupassen, daß es vielmehr
möglich ist, eine minimale Anzahl von Verzögerungsschritten für jedes variable Verzögerungselement
zu erreichen, um das obengenannte Phasenkritenum zu erfüllen. Wenn der Minimalwert der Verzögerung für
die variablen Verzögerungselemente 40,41,.... 48 klein
genug ist, um vernachlässigbar zu sein, ist die erforderliche Anzahl von Schritten π für jedes variable
Verzögerungselement zur Erzielung einer guten Bildauflösung entsprechend dem obengenannten Kriterium
η = 4 sin Qmax.
Bei der Ableitung dieses Ausdrucks wurde angenommen, daß der Abstand zwischen benachbarten Wandlerelementen
A/2 beträgt Konkret wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen
gelöst. Spezielle Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung sol! anhand der Zeichnung näher erläutert werden: es zeigt
F'g. 1 eine Skizze zur Veranschaulichung des Auftreffens einer Ultraschallwellenfront auf ein bekanntes
Ultraschallabbildungssystem,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines bekannten Ultraschallabbildungssystems,
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines anderen bekannten
speziellen Ultraschallabbildungssystems,
Fig.4 ein Blockschaltbild eines Ultraschallabbildungssystems
nach der Erfindung und
Fig. 5 ein detaillierteres Blockschaltbild eines Ultraschallabbildungssystems
nach der Erfindung.
Die Erfindung ist in Form eines Blockschaltbildes in F i g. 4 dargestellt. Die Wandlerelemente 11, 12, 13,...,
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 Wandlereiement
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 60a gekoppelt, und die zwischenliegenden Wandlerelemente 12, 13 ... der Anordnung
sind in ähnlicher Weise mit variablen Verzögerungselementen 52, 53,... gekoppelt. Eine identische Schaltanordnung
ist zwischen jedem 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, besieht die Schaltungsanordnung 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 F i g. 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
Weilenfront, die auf die Wandleranordnung von rechts unter einem Winkel zur Normalen auftrifft, wird das
rechtsseitige Wandlerelement 20 als erstes angeregt und das linksseitige Wandlerdemcni 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 82 geschlossen ist und die Schalter 80 und 81 geöffnet sind, läuft das Signal vom rechtsseitigen
Wandlerelement 20 durch das Verzögerungselement 60a 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.
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
Verzogerungselementes 52 durch den geschlossenen
Schalter 62 mit dem Einzug des letzten Verzögerungselementes 51 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 11 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 Her 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 13 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
ti geschaffen wird. In gleicher Weise kann der Ausgang irgendeines bestimmten Elementes 52, 53,...
oder 60 gemäß F i g. 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 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 =ine Wellenfront, die auf die Wandleranordnung
von links auftrifft, wobei der als letzter 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 60a. Der
Ausgang des Verzögerungselementes 60a 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.
Um 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 60a, 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 60a gewählt werden, können die elektrischen
Signale, die durch eine akustische Wellenfront erzeugt werden, 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. Für die Schaltanordnung zwischen den Verzögerungselementen 51 und 52 ist also
normalerweise nur einer der Schalter 60, 61 und 62 geschlossen. Einer der Schalter 90 und 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.
Der maximale Verzögerungswert, der für irgendein Verzögerungselement 5!, 52, 53,..., 60 erforderlich ist.
ist gegeben durch den Ausdruck
ymn\ — (d/C/'ä\X\ ynut\·
Wird angenommen, daß d = λ/2 und daß der Phasenwinkel jedes Elementes der Anordnung kleiner ist als
±λ/8, ist die Anzahl der Verzögerungsschritte η (d.h. der maximale Verzögerungswert) gegeben durch den
Ausdruck η = 2 sin Qma<.
Ersichtlich erfordert also ein Abbildungssytem nach der Erfindung eine kleinere Anzahl von Verzögerungswerten, nämlich um den Faktor 2 kleiner, für jedes
variable Verzögerungselement als das bekannte Abbildungssystem nach F i g. 3.
Ersichtlich erfodert das Abbildungssystem nach der Erfindung auch keine festen Verzögerungsleitungen,
wie sie bei dem Abbildungssystem nach F i g. 3 erforderlich waren. Weiter werden durch die Erfindung
nicht die sehr langen Gesamtverzögerungswerte benötigt, die bei dem System nach F i g. 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 ±λ/8 akzeptierbar wäre. Tabelle I gibt die Anzahl der Verzögerungsschritte an, die für
jedes variable Verzögerungselement in den drei Systemen nach F i g. 2,3 und 4 erforderlich sind.
Tabelle I
System
System
Fig. 2 | 46 | 227 |
Fig. 3 | 3 | 8 |
t· i ε. 4 | 2 | 4 |
Die zweite Spalte gibt die Anzahl der Elemente an, die aufgrund der obigen Formeln benötigt werden,
wenn eine Phasengenauigkeit der obigen Formeln benötigt werden, wenn eine Phasengenauigkeit von
±λ/8 erforderlich ist. In einigen Systemen kann es erwünscht sein, eine höhere Phasengenauigkeit zu
erreichen; und die dritte Spalte der Tabelle gibt die Anzahl der Verzögerungsschritte π 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 JV = 32 Elemente aufweist und daß
jedes Element vom benachbarten einen Abstand von λ/2 hat
Eine typische Betriebsfrequenz kann 2,5 MHz sein. In
diesem Falle würde der minimale Schrittwert für einen Phasenfehler ±λ/8 100 Nanosekunden betragen, und
bei einem Phasenfehler ±λ/20 würde der minimale Schrittwert 40 Nanosekunden betragen.
Die maximale Verzögerung }>,„.,„ die für ein
einstellbares Verzögerungselement 5t, 52, ..., 60 benötigt wird, ist gegeben durch <y/csin ym.,<· Mit einem
Abstand zwischen Wandlerelementen von d = λ/2, einer Betriebsfrequenz von 2,5 MHz und einer maximalen
Ablenkung 0„„„ = 45° ergibt sich y,„.·,, = 141
Nanosekunden.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung. Bei diesem System werden Verstärker in
Verbindung mit dem Verzögerungselement verwendet, um Signalamplitudenverluste zu 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 94 verbunden. Die Zeitgabesignale für die Sender werden von der
Senderkontrolle 36 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,.. .r 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 den verzögerten Ausgang des
Wandlers 11 zum Signal vom Wandler 12 zu koppein.
Der Schaltvorgang im Empfangsbetrieb ist identisch dem oben in Verbindung mit F i g. 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- F-Position des Kathodenstrahls, um
eine Abtastlinie zu schaffen, deren Orientierung in Beziehung steht mit der Richtung des empfangenen
Ultraschallstrahls, wie er durch die Verzögerungslei-
Il
tungs-Schaltkombination festgelegt ist, die durch die
Empfängerkontrolle 38 ausgewählt ist.
Die Vorverstärker 94 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 unidirektionaie
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 Fokustiefe entsprechend der Wahl des
Hauptprogrammierers 37 addiert. Irgendwelche akustischen Impedanzdiskontinuitäten sorgen dafür, daß ein
Teil der Ultraschallenergie zu den Wandlerelementen zurückreflektiert wird.
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 Verzögerungslei lungsnetzwerken und Schaltern gekoppelt,
wie oben beschrieben, wobei Signale, die aus der gewählten Richtung und Fokustiefe ankommen, kohärent
addiert werden und dem Empfänger 105 zugeführt werden. Im Empfänger 105 werden die Signale weiter
verstärkt und mit einer Hochfrequenzdetektorschaltung gleichgerichtet. Die detektieren Signale können weiter
in einem Videoverstärker verstärkt werden, der im Empfänger 105 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 damh 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
107 moduliert, wird ein heller Fleck 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 K-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 105 nach dem Senderimpuls bestimmt den Bereich des Objektes, und
durch Durchsteuerung 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.
In einem typischen System kann die Anzeige aus 64 radialen Linien bestehen, d. h., die Hauptkontrolle
programmier; die Senderkontrolle und die Empfängerkontrolle so, daß 64 verschiedene Lenkwinkel ausgewählt
werden. Fü·· 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/^sec 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 Informationen 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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Ultraschall-Abbildungssystem mit einer Mehrzahl von in einer Linie angeordneten elektromechanischen
Wandlerelementen, mit jeweils einem jedem Wandlerelement zugeordneten
variablen Verzögerungselement, dadurch gekennzeichnet, daß durch erste Schalter (61,
71, ... 81, 90, 91) jedem Wandlerelement (11, 12, ... 20) sein zugeordnetes variables Verzögerungselement (51, 52 ... 6OaJ zuschaltbar ist, daß diese
variablen Verzögerungselemente (51, 52 ... 6OaJ
durch zweite Schalter (60, 70 ... 80, 91) ohne Unterbrechung der Verbindungen mit den jeweiligen
Wandlerelementen (11, 12 ... 20) in Reihe schaltbar sind, und daß durch dritte Schalter (62,72... 82,
90) die variablen Verzögerungselemcnte (51, 52 ... 6OaJ so hintereinander schaltbar sind, daß die
Verzögerung durch die variablen Verzögerungselemente längs der Reihe der Wandlerelemente in
entgegengesetzter Richtung wie bei der Reihenschaltung durch die zweiten Schalter zunimmt.
2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit jedem Wandlerelement
(11, 12...20) und dem zugehörigen
Verzögerungselement (51, 52 ... 6OaJ ein Vorverstärker (94) liegt, dessen Verstärkung in Abhängigkeit
von der Zeit nach Auftreten eines Sendeimpulses steigt
3. Abbildungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit jedem
Wandlerelement (11, 12 ... 20) und dem zugehörigen Verzögerungselement (51, 52 ... 6OaJ ein
Vorverstärker (94) mit logarithmischer Kompression liegt
4. Abbildungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit jedem
Wandlerelement (11, 12 ... 20) und dem zugehörigen Verzögerungselement (51, 52 ... 6OaJ wenigstens
ein Verstärker (97, 103) mit Impedanzanpassung (95,98, 101,104) liegt.
5. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit
jedem Wandlerelement (11, 12 ... 20) und dem zugehörigen Verzögerungselement (51, 52 ... 6OaJ
ein die Verstärkungsverluste im Verzögerungselement (51, 52 ... 6OaJ kompensierender Verstärker
(103) liegt.
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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