DE2645738A1

DE2645738A1 - Ultraschallstrahlabtastung

Info

Publication number: DE2645738A1
Application number: DE19762645738
Authority: DE
Inventors: George Kossoff
Original assignee: Commonwealth of Australia
Current assignee: Commonwealth of Australia
Priority date: 1975-10-13
Filing date: 1976-10-09
Publication date: 1977-04-21
Also published as: FR2328205A1; CA1093674A; US4070905A; FR2328205B1; JPS5284884A; GB1556739A

Description

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Dipl.-Ing. E. Tergau [T/45 (760537)

Patentanwalt ~

Nürnberg, den η_% _Okt. 1976

, 5·

THE COMMONWEALTH OF AUSTRALIA, c/-The Department of Health, of Alexander Building, Phillip, in the Australian Capital Territory, Commonwealth of Australia

Ultraschallstrahlabtastung

Die Erfindung bezieht sich auf die Technik der Ultraschallechoskopie von Gegenständen und insbesondere auf eine Erweiterung der bekannten Technik der Ultraschallechoskopie, um aufschlußreichere Informationen von den zu untersuchenden Gegenständen zu erhalten. Sie ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf den Erhalt von Daten in der medizinischen Diagnostik bei Anwendung dieser Technik gerichtet.

Die Ultraschallechoskopie liefert Informationen über einen zu untersuchenden Gegenstand, die in Form eines Ultraschallechogramms dargestellt werden können. Ein solches Echogramm besteht aus der Aufzeichnung akustischer Widerstandsunstetigkeiten oder reflektierender Flächen im Gegenstand. Es wird dadurch erhalten, daß ein kurzer Impuls von Ultraschallenergie im Frequenz-

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Telefon (0911) Telex Telegramme Bayer. Vereinsbank Stadtsparkasse Deutsche Bank Postscheckkonto

204081-83 06/22327 'Patwetzel* Nbg. 6311695 Nbg. 1528354 Nbg. 368910 Nürnberg 11151 -853

bereich von 1 bis 30 MHz entlang einer Linie, die Strahlachse genannt wird, in den zu untersuchenden Gegenstand gerichtet wird, wo irgendwelche akustische Widerstandsunstetigkeiten im Gegenstande einen Teil der Energie in Form eines Echos reflektieren. Dieses Echo wird empfangen, in ein elektrisches Signal umgewandelt und als ein Echogramm in einem Kathodenstrah1-oszillographen, auf einem Film, einer Karte o.dgl. aufgezeichnet.

Das Echogramm kann entweder eine eindimensionale oder eine zweidimensionale Darstellung bilden, und in beiden Fällen ist die Information in der Lage und Größe des dargestellten Echos enthalten. Bei einer eindimensionalen Darstellung wird die Lage entlang einer Grundlinie dazu verwendet, um die Entfernung von der reflektierenden Fläche anzuzeigen, während die Größe des Echos beispielsweise als eine Ablenkung von der Grundlinie ("A"-Methode) oder als eine Intensitätsänderung (¹¹B"-Methode) dargestellt wird. Bei einer zweidimensionalen Darstellung wird die Lage entlang einer Grundlinie dazu verwendet, um die Entfernung von der reflektierenden Fläche wie bei einer eindimensionalen Darstellung anzuzeigen, und die Richtung der Grundlinie wird dazu verwendet, um die Richtung der Ausbreitung der akustischen Energie darzustellen, welche die Strahlenachse ist.

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Λ-

Die zweidimensionale Darstellung wird durch Änderung dieser Ausbreitungsrichtung der akustischen Energie und durch die Einführung einer ähnlichen, aber nicht notwendigerweise identischen Bewegung der Grundlinie der Darstellung erhalten. Die Größe des Echos wird wie für eine eindimensionale Darstellung aufgezeichnet, z.B. als eine Ablenkung der Grundlinie oder als eine Intensitätsänderung.

Die Technik der Ultraschallechoskopie wird in der medizinischen Diagnostik verwendet, um Informationen über die Anatomie von Patienten zu erhalten. Die Anwendung dieser Technik ist jetzt in weitem Umfang erforscht und z.B. von D.E. Robinson beschrieben in Proceeding of the Institution of Radio and Electronics Engineers, Australia, Vol. 31, No. 11, Seiten 385-392, November 1970; "The Application of Ultrasound in Medical Diagnosis". Wie in diesem Aufsatz ausgeführt wird, kann die Ultraschallechoskopie dazu verwendet werden, Darstellungen herzustellen, die anatomischen Querschnitten ähneln, die sich klinisch als nützlich erwiesen haben, wenn die gewünschten Informationen körperliche Abmessungen, Organformen, Strukturen o.dgl. betreffen. Die Ultraschallechographie hat sich als besonders wertvoll erwiesen als ein diagnostisches Hilfsmittel beim Unterleib und bei der Gebärmutter

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während der Schwangerschaft, beim Auge, bei der Brust, beim Gehirn, bei der Lunge, bei der Niere, bei der Leber und beim Herzen, also in Bereichen mit weichem Gewebe mit wenig Knochen und Luft. Im allgemeinen wird diese Technik als Ergänzung anderer Techniken angesehen, um ein vollständigeres Bild vom Zustand der Patienten zu gewinnen, jedoch besonders bei Schwangerschaften kann die ültraschallechoskopie anstelle von Röntgenstrahlen dort nützlich sein, wo diese entweder keine genügende Information ergeben oder gefährlich sein können. Bei der medizinischen Anwendung wird ein Impuls von Ultraschallenergie in einen Patienten in einer bekannten Richtung übertragen, und Echos werden von reflektierenden Flächen innerhalb des Körpers erhalten. Die zeitliche Verzögerung zwischen einem übertragenen Impuls und dem erhaltenen Echo hängt von der Entfernung des Übertragers von der reflektierenden Fläche ab, und die so erhaltene Entfernungsinformation kann in einer geeigneten Weise zur Auswertung und klinischen Verwendung als eine eindimensionale Entfernungsanzeige oder als zweidimensionaler Querschnitt dargestellt werden, wie vorher beschrieben worden ist.

Dieses bekannte System hat hinsichtlich der Zeit, die notwendig ist, einen Querschnitt zu erhalten, einen Nachteil. Dieser Querschnitt wird von einer Mehrzahl von Informationslinien gebildet, die jeder Strahlachsen-

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- st'-

.3.

Stellung entsprechen, bei welcher ein Impuls übertragen und Echos erhalten wurden. Die Zeit, die für den Erhalt einer jeden Informationslinie notwendig ist, wird durch die Tiefe der interessierenden Gewebe und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalles in den zu prüfenden Geweben bestimmt. Für einen besonders interessierenden Bereich steht keiner dieser Parameter unter der Kontrolle des Beobachters, und sie bilden eine grundsätzliche Begrenzung der Zeit, die für den Erhalt eines Echogrammes notwendig ist. Z.B. wird die Sichtbarmachung des Herzens mit einer Auflösung von 1 mm über einen Un-

tersuchungsbereich von (10 cm) mit einer maximalen Tiefe von 15 cm unterhalb der Oberfläche durchgeführt. Für jedes Querschnittsbild sind 100 Linien oder Strahlachsenstellungen notwendig, und die minimale Zeit, die für jede Stellung notwendig ist, beträgt 200 Mikrosekunden, die eine minimale Zeit von 20 Millisekunden ausmacht. So ist die absolute maximale Anzahl zur Erhaltung vollständiger Bilder 50 pro Sekunde, welche für einige diagnostische Situationen ungenügend ist.

Es ist bekannt, eine Anzahl von Wandlerelementen vorzusehen, um eine Mehrzahl von parallelen Sichtlinien zu bilden, und zwar eine für jedes Wandlerelement. Diese Annäherung hat den Nachteil, daß die Größe eines jeden Wandlerelementes und deshalb die Auflösung eines jeden Elementes durch den Abstand zwischen den Linien auf

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JO.

dem endgültigen Echogramm fest ist. Durch die US-PS 3 881 466 wird die Lehre vermittelt, eine Mehrzahl von Wandlerelementen zu verwenden, um jeden Ultraschallstrahl zu bilden, wodurch die Verbindung zwischen dem Linienabstand und der Auflösung unterbrochen wird. Es ist z.B. auch aus den US-PSen 3 166 731 und 3 086 195 bekannt, Zeitverzögerungen bei Signalen zu verwenden, die den verschiedenen Wandlerelementen zugeordnet sind, die einen Strahl bilden, um zu bewirken, daß der Strahl um einen Winkel zu der Wandleranordnung gesteuert wird und daß auch eine Fokussierung innerhalb.der Abtastebene erreicht wird. Es ist ferner bekannt (US-PS 3 936 791), eine zylindrische Linse an der Vorderseite der Wandleranordnung vorzusehen, um die Auflösung in rechten Winkeln zu der Abtastebene zu verbessern. Schließlich ist es bekannt (US-PS 3 939 707), die Blutströmung entlang der Ultraschallsichtlinie durch Messung der Frequenzverschiebung der zurückgekehrten Echos zu messen und diese Information mit der Information zu verbinden, die von dem Ultraschallechogramm nach der B-Methode des Bereiches erhalten wird, um die Blutströmung absolut zu messen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einzige Vielfachwandlerelementanordnung zu verwenden, um Verbindungsabtastungen insbesondere sich bewegender

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Strukturen durchzuführen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine

lineare Wandleranordnung zum Senden von Impulsen von Ultraschallenergie entlang einer Mehrzahl von Strahlen in den Gegenstand und zum Empfang von Echos dieser Impulse, die entlang der Strahlen durch akustische Widerstandsunstetigkeiten innerhalb des Gegenstandes reflektiert werden, wobei die Wandleranordnung eine Mehrzahl von angrenzenden Wandlerelementen aufweist, und

Mittel zur Aktivierung verschiedener Gruppen von nebeneinander befindlichen Wandlerelementen der Reihe nach innerhalb dieser Anordnung vorgesehen sind, so daß jede Gruppe Impulse von Ultraschallenergie in den Gegenstand richtet und Echos empfängt, die entlang der Strahlen in einer Mehrzahl von Winkelrichtungen in einer einzigen Ebene reflektiert werden.

Von einem anderen Standpunkt betrachtet, sieht die Erfindung eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Gegenstandes mit folgenden Merkmalen vor:

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Eine lineare Wandleranordnung zum Senden von Impulsen von Ultraschallenergie entlang einer Mehrzahl von Strahlen in den Gegenstand und zum Empfang von Echos dieser Impulse, die entlang dieser Strahlen durch akustische Widerstandsunstetigkeiten innerhalb des Gegenstandes reflektiert werden, wobei die Wandleranordnung eine Mehrzahl von nebeneinander befindlichen Wandlerelementen aufweist, und

Mittel zur aufeinanderfolgenden Aktivierung verschiedener Gruppen von nebeneinander befindlichen Wandlerelementen innerhalb dieser Anordnung sind vorgesehen, um Impulse von Ultraschallenergie entlang eines Strahles in den Gegenstand zu richten und Echos zu empfangen, die entlang des Strahles in jeder der Mehrzahl von Winkelrichtungen in einer einzigen Ebenereflektiert werden.

Die Erfindung bezieht sich auch auf Verfahren zur Ultraschallprüfung von Gegenständen, die vorher beschriebene Vorrichtungen benutzen.

Im allgemeinen sieht die Erfindung Mittel zur Prüfung eines Gegenstandes vor, in denen eine lineare Wandleranordnung verwendet wird, die nach einem kombinierten Abtastmuster betätigt wird. Diese kombinierte Abtastung kann entweder mittels direkter Superposition von Ii-

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nearer und Sektorabtastung in einem einzigen Raster oder durch Anordnung von Sichtlinien unter verschiedenen Winkeln in aufeinanderfolgenden Rastern durchgeführt werden, wobei man sich auf die durchschnittlichen Eigenschaften des Auges verläßt, um das zusammengesetzte Abtastbild zu erzeugen.

In noch anderer Hinsicht kann die Vorrichtung nach der Erfindung ferner Mittel aufweisen, um die lineare Wandleranordnung zu aktivieren und damit Impulse von Ultraschallenergie in einen Teil des Gegenstandes entlang eines Strahles in dieser Ebene zu senden und die Frequenzverschiebung der Echos dieser Impulse zu bestimmen, die durch die Flüssigkeitsströmung in diesem Teil bewirkt wird. In dieser Hinsicht wird die lineare Wandleranordnung dazu benutzt, um ein Realzeitbild nach der B-Methode zu erzeugen, und gleichzeitig wird derselbe oder ein anderer Teil der Anordnung dazu benutzt, um eine Sichtlinie für einen Dopplerstrahlimpuls für die Messung des Blutstromes zu erzeugen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine Anordnung von Wandlerelementen in einer linearen Wandleranordnung, die in überein-

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- VSr -

Stimmung mit der Erfindung verwendet werden kann,

Fig. 2 ein typisches Muster von Sichtlinien, die erzeugt werden, um ein zusammengesetztes Abtastmuster in Übereinstimmung mit der Erfindung zu bilden,

Fig. 3 ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Abtastmusters in Übereinstimmung mit der Erfindung und

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer elektronischen Vorrichtung, die dazu verwendet werden kann, die Information darzustellen, die in Übereinstimmung mit der Erfindung erhalten werden.

Fig. 1 zeigt die bekannte Art einer linearen Ultraschallanordnung, in welcher Elemente 1 in üblicher Weise eine rechteckige Form haben und nebeneinander in einer Reihe angeordnet sind. In Übereinstimmung mit der Erfindung kann diese Art in Verbindung mit bekannten, geeigneten elektronischen Vorrichtungen verwendet werden, um ein Sektorabtastmuster oder ein Muster einer linearen Anordnung zu bilden.

Fig. 2 zeigt ein zusammengesetztes Abtastmuster, welches bisher bei der Ultraschallprüfung von Gegenständen nicht verwendet wurde, wobei eine lineare Wandleranordnung benutzt wird. In übhreinstimmung mit diesem Muster

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- Mr-

wird ein einziges Echogramm von einem ersten Sektorabtaster einer ersten Gruppe von Elementen 1 gebildet, wobei der Abtaster aus einer Mehrzahl von Sichtlinien zusammengesetzt ist, von denen Linien 2,3 und 4 Beispiele sind, und dann wird ein anderer Sektorabtaster aus einer anderen Gruppe von Elementen 1 in einer verschiedenen Stellung mit Linien 5,6 und 7 als Beispiele usw. für eine Mehrzahl von Sektorstellungen gebildet. Wie vorher erläutert wurde, erfordert, wenn solch ein Muster bei der Sichtbarmachung des Herzens mit einer Auflösung von 1 mm über einen Prüfungsbereich von

(10 cm) mit einer maximalen Tiefe unterhalb der Oberfläche von 15 cm verwendet wird, jede Sichtlinie mindestens 200 lisec für ihren Erhalt, und auf diese Weise erfordert, wenn vier Sektorabtaster verwendet werden, und zwar jeder für 100 Linien, das gesamte Abtastmuster 80 msec. Das entsprechende Echogrammwiederholungsmaß beträgt deshalb 12 Raster pro Sekunde, welche eine reduzierte sichtbare Darstellung aufgrund des Flimmerns geben können. Dies kann durch Reduzierung der Anzahl von Sektoren oder Reduzierung der Anzahl von Linien pro Sektor verbessert werden.

Zur weiteren Verbesserung der Güte der Darstellung kann ein Abtastmuster, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, verwendet werden. Fig. 3 zeigt ein Abtastmuster, in welchem alle Abtastlinien 14,15,...,19 von ver-

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schiedenen Gruppen von Elemten 1 einen konstanten Winkel aufweisen, wobei z.B. 100 solche Linien verwendet werden können. Dieser Informationsraster kann in dem obenerwähnten Beispiel in 20 msec erhalten werden. Der nächste Informationsraster wird dann von der Gruppe von Elementen 1 erhalten, die aus einer Mehrzahl von Linien einschließlich 20,21......,25 in verschiedener Richtung bestehen, und der nächstfolgende Raster besteht aus Linien 26,27, /31,

die noch in einer anderen Richtung verlaufen. Auf diese Weise kann ein zusammengesetztes Abtastechogramm mit einem größerem Flimmermaß durch Verwendung der durchschnittlichen Eigenschaften des Auges erhalten werden, um die Sichtlinien in verschiedenen Richtungen auf aufeinanderfolgenden Ultraschallechogrammrastern zu überlagern.

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm eines elektronischen Systems, das zur Erzeugung der Abtastmuster geeignet ist, die in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind. Die einzelnen Elemente in der Fig. sind bekannt, z.B. aus den ÜS-PSen 3 166 731 und 3 086 195, und sie können in verschiedener Weise ausgeführt werden, wobei bekannte elektronische Konstruktionsmittel verwendet werden. Gemäß der Fig. sind die Elemente 1 der Anordnung mit ver-

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ander lichen Verzögeriangselementen 32 und 34 und dann mit einem Vervielfacher- und Addierelement 35 verbunden. Bei Verwendung bekannter Techniken, welche die veränderlichen Verzögerungselemente 32 bis 34 verändern und in geeigneter Weise den Vervielfacher und Addierer 35 schalten, können die in den Fig. 2 und 3 gezeigten Strahlen schnell auf Senden und auf Empfang gebracht werden. Bei Verwendung bekannter Techniken können auch zusätzlich die Strahlen auf eine feste Sendeentfernung und auf eine veränderliche Entfernung fokussiert werden, welche während der gesamten Empfangszeit auf Empfang geändert werden kann. Der Ausgang des Vervielfachers und Addierers 35 kann als ein Standardultraschallechosignal so betrachtet werden, als wenn es normalerweise von einem üblichen Sender-Empänger-Wandler in den bekannten Systemen erhalten worden wäre. Der signalverarbeitende Verstärker 36 ist wiederum ein üblicher und den bekannten Verstärkern ähnlich, und er wird in dieser Art zur Zeit verwendet, und sein Ausgang liefert die Z-Achse oder den Intensitätseingang einer Standard-CRT-Darstellung 37. Ein Abtastregler 38, der aus einer elektronischen Logikschaltung bestehen kann, die übliche Bauelemente oder in einer bevorzugten Ausführung einen Vielzweckdigitalminicomputer verwendet, steuert die Verzögerung eines jeden der veränderlichen Verzögerungselemente 32 bis 34 und auch das Schaltungsmuster des Vervielfachers und Addierers 35. Ähnliche Steuersignale

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sind für Ablenkungsstromkreise 39 vorgesehen, welche Linien auf der Darstellung 37 erzeugen, die die Stellung und Richtung der Strahlen in den Abtastmustern darstellen, die von dem Abtastregler 38 erzeugt werden.

Bei einer anderen Ausführung kann der Abtast-regler dazu verwendet werden, um einen Strahl von einer Anzahl von Wandlerelementen 1 zu senden, um Dopplerinformationsimpulse zu ermöglichen, die von einem ausgewählten schmalen Bereich innerhalb des größeren Bereichs erhalten werden, der durch die Abtastmuster gemäß den Fig. 2 und 3 abgetastet wird. In diesem Falle wird das Echogramm gemäß der B-Methode, das durch die Darstellung 37 erzeugt wird, als ein Bezugsraster verwendet, um die genaue Stellung der Gebiete zu sichern, von denen die Dopplersignale erhalten werden. Die Messung des Blutstromes kann durch die Technik bewirkt werden, die in der US-PS 3 939 707 beschrieben ist.

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Claims

Nürnberg, den 7 . Okt. 1976 THE COMMONWEALTH OF AUSTRALIA, c/-The Department of Health, of Alexander Building, Phillip, in the Australian Capital Territory, Commonwealth of Australia Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß eine lineare Wandleranordnung vorgesehen ist, die Impulse von Ultraschallenergie entlang einer Mehrzahl von Strahlen in den Gegenstand richtet und Echos von diesen Impulsen empfängt, die entlang den Strahlen durch akustische Widerstandsunstetigkeiten innerhalb des Gegenstandes reflektiert werden, wobei die Wandleranordnung eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Wandlerelementen aufweist, und daß Mittel zur Aktivierung verschiedener Gruppen von nebeneinander angeordneten Wandlerelementen innerhalb der Anordnung in Reihe so vorgesehen sind, daß jede Gruppe Impulse von Ultraschallenergie in den Gegenstand richtet und Echos empfängt, die entlang den Strahlen in einer Mehrzahl von Winkelrichtungen in einer einzigen Ebene reflektiert werden.

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2. Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet/ daß eine lineare WandIeranOrdnung vorgesehen ist, die Impulse von Ultraschallenergie entlang einer Mehrzahl von Strahlen in den Gegenstand richtet und Echos von diesen Impulsen empfängt, die entlang den

en

Strahlen durch akustische Widerstandsunstetigkeit/innerhalb des Gegenstandes reflektiert werden, wobei die Wandleranordnung eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Wandlerelementen aufweist, und daß Mittel zur aufeinanderfolgenden Aktivierung verschiedener Gruppen von nebeneinander angeordneten Wandlerelementen innerhalb der Anordnung vorgesehen sind, um Impulse von Ultraschallenergie entlang eines Strahles in den Gegenstand zu richten und Echos zu empfangen, die entlang des Strahles in jeder Winkelrichtung einer Mehrzahl von Winkelrichtungen in einer einzigen Ebene reflektiert werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierungsmittel Mittel zur Erregung der Elemente dieser Gruppen zu fortschreitend verschiedenen Zeiten aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Aktivierung der linearen Wandleranordnung aufweist, um Impulse von Ultraschallenergie in einen Teil des Gegenstandes entlang eines Strahles in

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der Ebene zu senden und die Frequenzverschiebung der Echos der Impulse zu bestimmen, die durch den Flüssigkeitsstrom in diesem Teil verursacht werden.

5. Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß Impulse von Ultraschallenergie entlang einer Mehrzahl von Strahlen in den Gegenstand gesendet und Echos von den Impulsen empfangen werden, die entlang dieser Strahlen durch akustische Widerstandsunstetigkeiten innerhalb des Gegenstandes reflektiert werden, wobei die Impulse gesendet und die Echos empfangen werden von Gruppen von nebeneinander angeordneten Wandlerelementen innerhalb einer linearen Wandleranordnung, die eine Mehrzahl von Wandlerelementen aufweist, und daß die Impulse wiederum von jeder Gruppe entlang den Strahlen in eine Mehrzahl von Winkelrichtungen in einer einzigen Ebene gesendet werden.

6. Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß Impulse von Ultraschallenergie entlang einer Mehrzahl von Strahlen in den Gegenstand gesendet und Echos von den Impulsen empfangen werden, die entlang dieser Strahlen durch akustische Widerstandsunstetigkeiten innerhalb des Gegenstandes reflektiert werden, wobei die Impulse gesendet und die Echos empfangen werden von Gruppen von nebeneinander

angeordneten Wandlerelementen innerhalb einer linearen Wandleranordnung, die eine Mehrzahl von Wandlerelementen aufweist, und daß die Impulse aufeinanderfolgend durch die Gruppen in jede Winkelrichtung einer Mehrzahl von Winkelrichtungen in einer einzigen Ebene gesendet werden.

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