DE2630865C3

DE2630865C3 - Ultraschall-Abbildungssystem

Info

Publication number: DE2630865C3
Application number: DE2630865A
Authority: DE
Inventors: William Lawrence Los Altos Hills Calif. Beaver
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1975-08-07
Filing date: 1976-07-09
Publication date: 1982-04-01
Also published as: JPS5220058A; FR2320560A1; DE2630865A1; FR2320560B1; US4005382A; DE2630865B2; NL7608280A; CA1062802A; GB1557218A; JPS5620866B2

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-

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 ß_max 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 y_mdx.

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 Q_max.

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 Q_ma<.

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

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 y_m.,<· 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

Patentansprüche:

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.