CH617269A5 - Arrangement for generating high-resolution images with the aid of the ultrasonic pulse echo method - Google Patents

Description

Die Erfindung befasst sich mit der Sichtbarmachung des Inneren undurchsichtiger Gegenstände mittels Ultraschall und betrifft speziell eine mit hoher Auflösung und nach dem Impuls-echo-Verfahzren arbeitende Abbildungsvorrichtung, die sich besonders zur Sichtbarmachung weichen Gewebes (auch tiefsitzenden weichen Gewebes) in einem lebenden Menschen zu medizinischen Diagnosezwecken als auch für die zerstörungslose Prüfung unbelebter Objekte eignet.

An dieser Stelle sei auf eine Arbeit «Considérations for Diagnostic Ultrasonic Imaging» von Green u.a. am Stanford Research Institute hingewiesen, die in Acoustical Holography, Band 4, Seiten 97 bis 111 erschienen ist (Proceedings of the Fourth International Symposium, April 1972, herausgegeben von Glen Wade und veröffentlicht von Plenum Press, New York, 1972). Diese Arbeit befasst sich sowohl mit einem nach dem Impulsecho-Verfahren arbeitenden Ultraschall-Abbildungssystem als auch mit einem fokussierten und holographischen Ultraschall-Abbildungssystem als unschädliche Diagnosehilfe zur Untersuchung weichen Gewebes und vergleicht die wünschenswerten Merkmale, die ein Ultraschall-Diagnosegerät haben sollte, mit dem seinerzeit tatsächlich vorhandenen Stand der Ultraschall-Abbildungstechnik. Die Arbeit kommt u. a. zu dem Schluss, dass die seinerzeit betrachteten Abbildungssysteme zwar zur pathologischen Untersuchung herausgeschnittener Organe brauchbar waren, dass aber andererseits die mit solchen Systemen mögliche Empfindlichkeit, Auflösung und Betriebsfrequenz, die eng miteinander verwandte Parameter darstellen, für Diagnosezwecke nur sehr begrenzt ausreichen (insbesondere was die Untersuchung tiefsitzenden Gewebes betrifft wie etwa die Betrachtung des Inneren von Bauch-und Beckenorganen).

Eine weniger weit zurückliegende Würdigung des Standes der Technik, betreffend die Ultraschall-Abbildung weichen Gewebes innerhalb eines lebenden Menschen für medizinische Diagnosezwecke, befindet sich in einem Aufsatz von C. R. Hill «Ultrasonic Imaging» (vgl. Journal of Physics E, Scientific Instruments, März 1976, Band 9, Nr. 3, veröffentlicht vom Institute of Physics). Aus diesem Aufsatz geht hervor, dass die Mehrzahl der in der Praxis gebräuchlichen Ultraschall-Abbildungssysteme nach dem Impulsecho-Verfahren arbeitet und dass die laufende Entwicklung von der einfachen Umrissdarstellung grober echoerzeugender Grenzflächen weiterschreitet zur detaillierteren Abbildung feiner Strukturen von Organen und Geweben in Tönen einer Grauskala. Der genannte Aufsatz führt zwar nicht aus, dass mit dem Impulsecho-Ultra-schallverfahren eine hohe Auflösung (z. B. im Bereich von 0,5 bis 2,5 mm) in der Abbildung tiefsitzenden Gewebes erzielbar ist, es wird jedoch erkannt, dass praktische Abbildungssysteme zweckmässigerweise mit schneller Bildabtastung arbeiten sollten, so dass das Bild annähernd oder vorzugsweise direkt in Realzeit betrachtet werden kann. In diesem Zusammenhang offenbart der Aufsatz, dass sich eine entsprechend schnelle Abtastung erreichen lässt entweder durch Bewegung des Ultraschallwandlers selbst oder durch elektrische Beeinflussung der Strahlachse einer aus mehreren Elementen bestehenden Wandlergruppe (d. h. durch selektiven Einsatz verschiedener Untergruppen von Elementen).

Wie es auf dem Gebiet der Ultraschall-Abbildungen bekannt ist, wird das Auflösungsvermögen mit wachsender Ultraschallfrequenz grösser, andererseits erhöht sich mit steigender Frequenz aber auch die Dämpfung durch Absorption, welche die Ultraschallenergie beim Durchdringen eines Mediums, wie z. B. Wasser oder menschliches Gewebe, erfährt. Quantitativ ausgedrückt liegt der Absorptionskoeffizient für die meisten weichen Gewebe im Bereich zwischen 0,5-f und 2,5-f Dezibel pro Zentimeter (db/cm), wobei f die Ultraschallfrequenz in MHz ist (ein typischer Wert ist 1-f db/cm). Um eine allzu starke Dämpfung zu vermeiden, wird die Frequenz der

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Ultraschallenergie in der Praxis normalerweise im Bereich von 1 bis 10 MHz gewählt (abhängig vom jeweiligen Fortpflanzungsmedium und von der Länge der innerhalb des Fortpflanzungsmediums zu durchlaufenden Strecke). Ein vernünftiger Kompromiss zwischen Auflösung und Dämpfung zur Beobachtung tiefsitzenden Gewebes wird mit einer Ultraschallfrequenz im Bereich von 2 bis 3 MHz erzielt.

Im Zusammenhang mit Ultraschall-Diagnoseverfahren ist ferner angeregt worden, aus Sicherheitsgründen die Intensität der auf einen menschlichen Körper treffenden Schallenergie im Mittel nicht grösser als 10~2 Watt/cm2 werden zu lassen, während Spitzenwerte der Ultraschallintensität nicht oberhalb 0,5 Watt/cm2 sein sollten. Bei Impulsbestrahlung mit Impulsen maximaler Spitzenleistung darf also das Impulstastverhältnis nicht grösser als 2% werden (z. B. darf die Impulsfolgefrequenz nicht grösser als 20 KHz sein, wenn die gesendeten Impulse jeweils eine Dauer von 1 (is haben). Die zur Erfassung empfangener Impulsechos erforderliche Mindestempfindlichkeit des Empfängers ist bestimmt durch diese maximal zulässige auftreffende .Ultraschallintensität und durch die Gesamtdämpfung, welche die Ultraschallwelle bei ihrem Lauf zum und vom abgebildeten Gewebe durch das dazwischenliegende Gewebe erfährt. Handelsübliche klinische Instrumente, die derzeit nur begrenzte Fokussierung bringen, können tiefsitzendes Gewebe nicht mit einer Auflösung von wesentlich weniger als einem Zentimeter abbilden.

In der US-Patentschrift 3 958 559 ist jedoch ein System beschrieben, bei dem eine Linse mit relativ grosser Apertur (speziell eine elliptisch geformte Linse) verwendet wird, um ein relativ weit ausgedehntes Bündel (Strahl) einfallender Ultraschallenergie zu einem ausgewählten beugungsbegrenzten fokussierten Fleck mit einem kleinen Durchmesser von etwa 0,5 mm am Ziel konvergieren zu lassen. Da der konvergierende Strahl bei seinem Eintritt in den menschlichen Körper eine gegenüber dem fokussierten Fleck viel grössere Fläche belegt und da die im Strahl enthaltene Energie im Verlauf ihrer Konvergenz zu dem kleinen fokussierten Fleck am Ziel durch Absorption gedämpft wird, kann im Prinzip eine zur Erzielung eines Ultraschallbildes relativ hoher Auflösung ausreichende Energiemenge den Zielfleck erreichen, ohne dass die obere Sicherheitsgrenze der Ultraschallintensität beim Auftreffen auf den menschlichen Körper überschritten wird. Bei dem in der besagten US-Patentschrift beschriebenen System wird jedoch die Position des ausgewählten Flecks über eine im Vergleich zur Fleckabmessung grosse Fläche mit Hilfe eines Abtasters bewegt, der eine als zusammengefasste Einheit ausgebildete Wandler- und Linsenanordnung mechanisch sowohl längs der akustischen Achse vor- und zurückbewegen als auch quer zu dieser Achse aufwärts- und abwärtsbewegen kann. Die erforderliche mechanische Bewegung einer Linse grosser Apertur bezüglich der Zielfläche macht es schwierig, das hohe Auflösungsvermögen einer solchen Linse bei schnellen Abtastgeschwindigkeiten zu erreichen, weil eine mechanische Abtastvorrichtung zur Bewegung einer Linse grosser Apertur zwangsläufig eine grosse Trägheit hat. Ausserdem ist es schwierig und aufwendig, solch eine mechanisch ablenkbare Wandler- und Linseneinheit ausreichend steif aufzuhängen, um das hohe Auflösungsvermögen der Grossaperturlinse zu bekommen. Eine andere relativ komplizierte mechanische Ultraschall-Abtastvorrichtung für medizinische Diagnosezwecke, bei der keine Linse verwendet wird, ist in der US-Patentschrift 3 752 255 beschrieben.

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung für eine nach dem Ultraschall-Impulsechoverfahren arbeitende Anlage zur bildlichen Darstellung bestimmter Innenstrukturen eines mit Ultraschallwellen abgetasteten undurchsichtigen Objekts, mit einer akustischen Fokussierungseinrichtung und einer strahlbildenden Einrichtung, die einen Wandler zur Erzeugung und zum

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Empfangen aufeinanderfolgender Ultraschallimpulse und eine Strahlablenkeinrichtung enthält, wobei die akustische Fokussierungseinrichtung und die strahlbildende Einrichtung zusammenwirken, um die jeweils zu betrachtende Innenstruktur mit einem abtastenden fokussierten Strahl der gepulsten Ultraschallwellen anzustrahlen und nach einer dem Abstand zwischen dem Wandler und der betrachteten Innenstruktur proportionalen Zeitverzögerung einen Nutzsignalanteil der von der betrachteten Innenstruktur reflektierten Ultraschallenergie zu empfangen und zu erfassen, so dass von diesem Signalanteil Ausgangssignale abgeleitet werden können, welche die relativen Intensitäten jeweils einzelner Punkte des Bildes darstellen.

Die erfindungsgemässe Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Apertur der akustischen Fokussierungseinrichtung während der Abtastung des Objekts im wesentlichen in fester Lage gegenüber dem Objekt bleibt, und dass der Wandler fern sowohl von der Fokussierungseinrichtung als auch von der betrachteten Innenstruktur angeordnet ist und als Nutzsignalanteil denjenigen Teil der reflektierten Ultraschallenergie empfängt und erfasst, der durch die akustische Fokussierungseinrichtung hindurch zum Wandler zurückkehrt.

Der Umstand, dass die feste Fokussierungseinrichtung und die Wandleranordnung auseinander liegen, macht es möglich, die Abtastbewegung des Beleuchtungsstrahls durch Einwirkung auf die trägheitslose Ultraschallwelle zu erreichen und nicht durch Einwirkung auf die Fokussierungseinrichtung mit ihrer festen Apertur. Hierdurch wird das Gerät zur schnellen Abtastung der besagten inneren Struktur fähig (d. h. bis hin zur Realzeitwiedergabe). Der im folgenden verwendete Ausdruck «Realzeit» bedeutet eine Rasterfrequenz beim Abtasten eines Zielgebiets, die mindestens so hoch ist, dass den natürlichen Bewegungen des Ziels, wie sie etwa aus Herzschlägen des Patienten, aus den Bewegungen eines Fötus oder sogar aus den Herzschlägen eines Fötus resultieren, gefolgt werden kann. Eine Rasterfrequenz von zehn Vollabtastungen des Zielgebiets pro Sekunde reicht normalerweise aus, um solche natürlichen Bewegungen zu verfolgen.

Wenn die Fokussierungseinrichtung eine Linse mit festliegender Apertur ist, kann man ausserdem eine Abtastung dadurch erreichen, dass man die Achse des einfallenden Strahls der Ultraschallwellenenergie winkelmässig bezüglich der akustischen Achse der Festaperturlinse ablenkt. Wenn man Linsenaberrationen ausser Acht lässt, führt eine solche Ablenkung zu einem praktisch planen Bild, in welchem die lineare Versetzung irgend eines Punktes im Bild im wesentlichen proportional der Winkelversetzung des die Festaperturlinse beleuchtenden einfallenden Strahls ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen beispielsweise erläutert.

Fig. 1 zeigt ein eine Linse enthaltendes und nach dem Impulsecho-Verfahren arbeitendes Ultraschall-Abbildungssystem gemäss dem Stand der Technik;

Fig. 2 und 2a veranschaulichen ein Impulsecho-Ultraschall-Abbildungssystem nach der Erfindung;

Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsart des in der Anordnung nach Fig. 2 enthaltenen abtastenden Ultraschallgenerators und -detektors;

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsart des in der Anordnung nach Fig. 2 enthaltenen abtastenden Ultraschallgenerators und-detektors;

Fig. 4a zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 4, die als Fokussierungseinrichtung ein sogenanntes Axicon enthält;

Fig. 4b zeigt eine Ausführungsart der in Fig. 2 schematisch angedeuteten Abbildungselektronik, die gemeinsam mit der Anordnung nach Fig. 4 verwendet werden kann, um eine isometrische Darstellung eines dreidimensionalen Bereichs der abgebildeten inneren Struktur zu erhalten;

Fig. 5 und 5a zeigen eine dritte Ausführungsart des in Fig. 2 schematisch dargestellten abtastenden Ultraschallgenerators und -detektors;

Fig. 6 und 6a zeigen eine vierte Ausführungsart des in Fig. 2 schematisch dargestellten abtastenden Ultraschallgenerators und -detektors;

Fig. 6b zeigt eine besondere Ausführungsform der schematisch in Fig. 2 dargestellten Abbildungselektronik und eine besondere Ausführungsform der schematisch in Fig. 6 dargestellten Zeitsteuereinrichtung, die mit der Anordnung nach Fig. 6 verwendet werden können, um eine isometrische Darstellung eines dreidimensionalen Bereichs der abgebildeten inneren Struktur zu erhalten;

Fig. 7 und 7a zeigen eine fünfte Ausführungsart eines abtastenden Ultraschallgenerators und -detektors;

Fig. 8a veranschaulicht eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 6 zur Verminderung des Einflusses derjenigen Linsenaberration, die eine Krümmung im Bildfeld bewirkt, und Fig. 8b zeigt eine entsprechende Abwandlung für die Anordnung nach Fig. 7.

Das in Fig. 1 als Beispiel des Standes der Technik dargestellte Ultraschall-Abbildungssystem, welches nach dem Impulsecho-Verfahren arbeitet und eine Linse enthält, entspricht in seinen meisten Teilen (wenn auch nicht in jeder Hinsicht) derjenigen Anordnung, die in Fig. 3 der weiter oben genannten US-Patentschrift 3 958 559 gezeigt ist. Im einzelnen ist in dieser Anordnung ein Ultraschallwandler 10 mit einer plankonkaven akustischen Linse 12 gekoppelt, und zwar unter Zwischenschaltung einer Schicht 14 eines geeigneten Koppelmediums wie z. B. Wasser oder dergleichen. Die Form der vorderen konkaven Fläche der Linse 12 muss nicht elliptisch sein, wie es in Fig. 3 der oben genannten US-Patentschrift 3 958 559 gezeigt ist, sie kann auch sphärisch sein oder irgend eine andere geeignete Gestalt aufweisen, um die von ihr ausgehende Ultraschallenergie zu einem konvergierenden Strahl 15 zu bündeln.

Der Wandler 10 wird durqh eine geeignete Ansteuerelektronik 16 mit Hochfrequenz beaufschlagt und vermag diese elektrische Energie in Ultraschallwellen umzuwandeln bzw. Ultraschallwellen in Hochfrequenzenergie umzuwandeln. Der Wandler kann also sowohl als Ultraschallsender als auch als Ultraschalldetektor arbeiten, und für beide Funktionen ist seine wirksame Apertur zweckmässigerweise so gross wie möglich, um einerseits ein Höchstmass an abgegebener Ultraschalleistung und andererseits einen möglichst grossen Einfangwinkel für die von einem Objekt reflektierten Echos zu erhalten.

Der konvergierende Ultraschallstrahl 15 wird durch ein flüssiges Medium (nicht dargestellt), bei welchem es sich wegen seiner leichten Verfügbarkeit und seiner relativ einfachen Handhabung gewöhnlich um Wasser handelt, in den Kopf eines Patienten geschickt und dort zu einem kleinen Fleck innerhalb der «Brennzone» 28 fokussiert. Wenn die Leistungssteuerung 18 des Systems in der Schaltstellung «niedrig» ist, wird der Wandler 10 mit einer Frequenz im Bereich von z. B. 1 bis 10 MHz erregt, um den konvergierenden Erkundungsstrahl 15 zu erzeugen. Die vom Wandler 10 erfassten Echoimpulse werden auf eine Abbildungselektronik 20 gegeben, die auf die Trägerfrequenz der zugeordneten Ansteuerelektronik abgestimmt ist, um Ausgangsspannungsimpulse zu erzeugen, deren Stärke proportional zur Amplitude der Echoimpulse ist. Diese Impulse können auf einem Sichtgerät mit A-Abtastung dargestellt werden oder auf dem dargestellten Sichtgerät 22 mit C-Abtastung wiedergegeben werden, auf dem der Fleck 24 die Orte der Tiefenkoordinaten einer inneren biologischen Struktur darstellt, z. B. eines Tumors am Hirn des untersuchten Patienten.

Die aus dem Wandler 10 und der über das Medium 14 gekoppelten Linse 12 bestehende Anordnung wird mittels

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eines Abtasters 26 über eine mechanische Kopplung 27 in vorgewählter Weise zum Zwecke der Abtastung bewegt. In der Anordnung nach Fig. 1 ist diese vorgewählte Art, in der die den Wandler und die Linse enthaltende Einheit mechanisch geführt wird, nicht darauf beschränkt, diese Einheit längs der akusti- 5 sehen Achse der Linse 12 vor- und zurückzubewegen und quer zu dieser Achse aufwärts und abwärts zu bewegen, wie es speziell in der oben genannten US-Patentschrift 3 958 559 beschrieben ist. Der Abtaster 26 kann die den Wandler 10 und die Linse 12 enthaltende Einheit beispielsweise auch kontinu- 10 ierlich im Sinne einer kegeligen oder einer spiraligen Abtastung oder gemäss der Abtastung eines Fernsehrasters mechanisch bewegen. Andererseits kann die den Wandler 10 und die Linse 12 enthaltende Einheit auch schrittweise mechanisch zu jedem einzelnen von vielen Abtastpunkten bewegt werden, 15 wobei jeder der Punkte bei stillstehender Einheit abgebildet wird und das Fortschreiten der Einheit von einem Abtastpunkt zum nächsten immer nur zwischen dem Abbilden der einzelnen aufeinanderfolgenden stationären Abtastpunkte erfolgt.

In Fig. 2 ist ein wassergefüllter Behandlungstisch 200 20

gezeigt, auf dem ein menschlicher Patient liegt. Innerhalb des wassergefüllten Tischs 200 eingetaucht befindet sich eine feste Linse 202, die von einem Ultraschallstrahl 204 beleuchtet wird, der eine im wesentlichen ebene Wellenfront darstellt. Der Ultraschallstrahl 204 kommt aus einer abtastenden Ultraschall- 25 einheit 206, die eine Ultraschallquelle und einen Ultraschalldetektor enthält und im Abstand von der festen Linse 202 angeordnet ist.

Der Ausdruck «feste» Linse soll hier bedeuten, dass die effektive Position der Apertur der Linse 202 während einer 30 Bildabtastung im wesentlichen stationär bezüglich des auf dem Wasser gefüllten Tisch 200 liegenden Patienten ist. Um das jeweils abzubildende weiche Gewebe innerhalb des Patienten auszuwählen, kann jedoch der Betriebsabstand zwischen der Linse 202 und dem Patienten gewünschtenfalls vor einer Bild- 35 abtastung justiert werden, wozu entweder die Höhe der Oberseite des wassergefüllten Tischs 200 gegenüber der Linse 202 oder die Position der Linse 202 bezüglich der Oberseite des wassergefüllten Tischs 200 geändert werden kann. Diese Möglichkeit sei bei der obigen Definition der «festen» Linse mit ein- 40 geschlossen. Da ausserdem die blosse Drehung einer kreissymmetrischen Linse um ihre eigene Achse keinerlei Effekt auf die Position der Linsenapertur oder auf die Linsenwirkung bezüglich der hindurchtretenden Ultraschallenergie hat, ist eine solche blosse Drehung der Linse um ihre eigene Achse eben- 45 falls in der obigen Definition des Begriffs «feste» Linse mit eingeschlossen. Die feste Linse 202 überträgt die in ebener Wellenfront ankommende Ultraschallenergie des auf sie treffenden Strahls 204 in einen konvergierenden Strahl 208, der zu einem kleinen Fleck in der Brennebene 210 der Linse 202 (innerhalb so des Körpers des Patienten) fokussiert wird.

Die Fig. 2 zeigt den sich mit ebener Wellenfront fortpflanzenden Beleuchtungsstrahl 204 der Ultraschallenergie an einem Punkt seiner Abtastung, wo seine Fortpflanzungsrichtung parallel der akustischen Achse 212 der festen Linse 202 ist. 55 In diesem Fall wird der aus der festen Linse 202 austretende konvergierende Ultraschallstrahl 208 zu einem Fleck fokussiert, der mitten auf den Brennpunkt 214 in der Brennebene 210 der Linse 202 fällt. Wenn jedoch, wie in Fig. 2a dargestellt, der sich in ebener Wellenfront fortpflanzende Beleuchtungsstrahl 60 204 an einem Punkt seiner Abtastung ist, wo seine Fortpflanzungsrichtung einen endlichen Winkel 0 mit der akustischen Achse 212 der Linse 202 bildet, dann fällt der Fokussierungs-fleck des aus der Linse 202 austretenden konvergierenden Strahls 208 auf einen Punkt 216 in der Brennebene 210 der 65 Linse 202. Gemäss der Darstellung in Fig. 2a ist der Punkt 216 um eine Distanz d gegenüber dem Brennpunkt 214 linear verschoben. Wie aus der Optik bekannt, ist die Beziehung zwischen der Distanz d und der Winkelversetzung 0 durch folgende Gleichung gegeben:

d = f0 (1)

wobei f die Brennweite der Linse 202 gemäss Fig. 2a ist. Die Gleichung (1) gilt, solange der Maximalwert von 0 (wie im gezeigten Fall) so klein ist, dass sein Bogenmass (gemessen in Bogeneinheiten) praktisch gleich seinem Tangens ist.

Die Gleichung (1) gibt an, dass sich der Wert von d linear mit 0 ändert. Ausserdem bleibt die Position des Konvergenzpunkts (z. B. des Punkts 216) des Strahls 208 in der Brennebene 210, wenn sich der Winkel 0 während einer Abtastung ändert. Dies führt zu einem im wesentlichen ebenen Bild (wenn man den Einfluss irgend welcher Linsenaberrationen vernachlässigt.)

Verschiedene spezielle Ausführungsformen abtastender Ultraschalleinheiten 206 werden ausführlich weiter unten beschrieben. Zunächst genüge die Feststellung, dass die abtastende Ultraschalleinheit 206 allermindestens folgendes enthält: Eine Wandleranordnung mit einer zugehörigen ansteuernden Elektronik zur Gewinnung von Ultraschall-Erkundungsimpulsen einer geeigneten Folgefrequenz, die von der Ultraschalleinheit als Beleuchtungsstrahl 204 ausgesandt werden; eine Einrichtung zum Steuern, Auswählen und/oder Ändern des Abstrahlungswinkels des Beleuchtungsstrahis 204, um dadurch den Einfallswinkel 0 des Beleuchtungsstrahls an der festen Linse 202 zu steuern, auszuwählen und/oder zu ändern; einen mit dem Wandler gekoppelten oder Teil des Wandlers bildenden Detektor zum Empfang von Echos der Erkundungsimpulse, die von der festen Linse 202 eingefangen und vom Wandler der Ultraschalleinheit 206 aufgenommen worden sind. Zusätzlich zu diesen wesentlichen Elementen der Ultraschalleinheit 206 kann der Block 206 ausserdem im Bedarfsfall weitere Einrichtungen enthalten wie z. B. eine Kolli-mationslinse (Kollektivlinse), einen Strahlaufweiter, einen aus mehreren Elementen bestehenden Wandler mit geeigneten Steuermitteln zur Auswahl eines einzelnen oder einer Untergruppe von Elementen, eine Irisblende (die in der Nähe der festen Linse 202 angeordnet sein kann) zur Verstellung der effektiven Apertur der festen Linse 202, oder irgendwelche anderen Einrichtungen, die das Funktionsvermögen der abtastenden Ultraschalleinheit 206 verbessern können.

In jedem Fall bildet die abtastende Ultraschalleinheit 206 wie bei herkömmlichen Geräten ein die erfassten Echos als Funktion der Zeit wiedergebendes Ausgangssignal zusammen mit passenden Abtastungs-Synchronsignalen, die gemeinsam als Eingangsgrösse der Abbildungselektronik 218 zugeführt werden. Diese Elektronik kann in an sich bekannter Weise ausgebildet sein und Einrichtungen enthalten wie u. a. Entfernungstorschaltungen, Abtastumsetzer und Bildablenkschaltungen, die mit der Abtastbewegung des Beleuchtungsstrahls 204 synchronisiert sind, um am Ausgang der Abbildungselektronik Signale zu erzeugen, welche die relative Intensität an jedem Punkt des Bildes und eine oder mehrere Raumkoordinaten dieses Punktes wiedergeben. Diese Information wird in der üblichen Weise als Eingangsgrösse einem Bildwiedergabegerät 220 zugeführt, bei dem es sich um ein Kathodenstrahl-Sichtgerät handeln kann. Das Sichtgerät bildet unter Verarbeitung dieser Informationen ein sichtbares Bild der «Szene», d. h. der Struktur innerhalb des vom konvergierenden Ultraschallstrahl 208 abgetasteten Körperbereichs des Patienten.

Das kleinste noch auflösbare Detail des sichtbaren Bildes der «Szene» ist noch kleiner als die Grösse des fokussierten Flecks in der Brennebene 210, weil die feste Linse 202 nicht nur auf den von ihr ausgehenden ursprünglichen Beleuchtungsstrahl sondern ausserdem noch auf das reflektierte Echo wirkt, welches zur Ultraschalleinheit 206 zurückgeworfen wird.

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Quantitativ ausgedrückt bestimmen sich der Durchmesser À des fokussierten Flecks und die Grösse des kleinsten auflösbaren Details A ' im Bildfleck nach folgenden Gleichungen:

A = 2,44 —and (2)

A' = 1,1-6 , (3)

wobei X die Wellenlänge der sich ausbreitenden Ultraschallwelle ist und die Grössen f und A die Brennweite bzw. die Apertur der festen Linse 202 darstellen (vgl. Fig. 2a).

Praktische Werte für die Apertur A und die Brennweite f der festen Linse 202 sind z. B. 12,7 cm bzw. 25,4 cm. Wenn beispielsweise die Frequenz der Ultraschallenergie bei 3 MHz liegt, beträgt die Wellenlänge X etwa 0,5 mm. Setzt man diese als Beispiel gewählten Werte in Gleichung (3) ein, ergibt sich für das Auflösungsvermögen À ' (Durchmesser eines auflösbaren Bildflecks) ein Wert von 1,46 mm. Das Bildauflösungsvermögen kann noch weiter erhöht werden, indem man eine feste Linse 202 mit grösserer numerischer Apertur (d. h. ein grösseres Verhältnis A/f) verwendet und/oder die Frequenz der Ultraschallenergie höher als 3 MHz macht. Allgemein lässt sich je nach der speziellen Art des abgebildeten Gewebes und je nach der Tiefe des Gewebes die jeweils optimale Auflösung im Bereich von 0,5 bis 2,5 mm erhalten, indem man die Werte für die Grössen X, f und A der Gleichungen (2) und (3) entsprechend wählt.

Wie aus der Optik bekannt, richtet sich die Schärfentiefe 5 nach folgender Gleichung:

S="X(f)2 (4)

Aus Gleichung (4) ist zu entnehmen, dass sich die Schärfentiefe 8 umgekehrt proportional zum Quadrat der numerischen Apertur ändert. In der Optik kann diese Beziehung in der Praxis nicht ausgenutzt werden, da die sehr kleine Wellenlänge des Lichts (z. B. 0,4 bis 0,7 (im) zur Folge hat, dass die Schärfentiefe für eine grosse numerische Apertur sehr klein wird. Anders ist es jedoch bei der Ultraschalltechnik, wo man mit Wellenlängen X im Bereich von 0,15 bis 1,5 mm (im Falle von Frequenzen von 1 bis 10 MHz) zu tun hat. Hier bekommt man auch im Falle einer Linse relativ grosser numerischer Apertur eine relativ grosse Schärfentiefe. Für das oben gegebene praktische Beispiel, bei dem die Linse 202 eine Brennweite f von 25,4 cm und eine Apertur A von 12,7 cm hat und die Wellenlänge X der sich ausbreitenden Welle 0,5 mm beträgt, hat die Schärfentiefe 8 gemäss der Gleichung (4) noch einen relativ grossen Wert von 8 mm (also mehr als fünfmal so gross wie der Bildfleckdurchmesser von 1,46 mm). Ferner zeigt ein Vergleich der Gleichung (4) mit den Gleichungen (2) und (3), dass sich die Schärfentiefe reziprok mit dem Quadrat der numerischen Apertur ändert, während sich der Fleckdurchmesser lediglich linear mit dem Reziprokwert der numerischen Apertur ändert. Durch eine verhältnismässig geringfügige Verkleinerung des Werts der numerischen Apertur der Linse 202 kann also die Schärfentiefe mit einer relativ kleinen Einbusse an Auflösungsvermögen beträchtlich erhöht werden.

Mit Hilfe geeigneter Mittel wie etwa einer Irisblende kann man die effektive Apertur einer Grossaperturlinse zunächst auf einen kleineren Wert einstellen, um ein vorläufiges Bild grosser Schärfentiefe und relativ geringer Auflösung zu erhalten, anhand dessen sich der genaue Ort des gewünschten Zielbereichs ermitteln lässt, um dann durch eine Feinjustierung die relative Position der Linse 202 bezüglich des Patienten so einzustellen, dass die gewünschte Zielfläche möglichst genau mit der Brennebene der Linse 202 zusammenfällt. Nach dieser Feinjustierung kann die Irisblende voll geöffnet werden, um das Bild dieser Zielfläche in hoher Auflösung zu erhalten.

Ein gewisser Teil der Ultraschallenergie des den Patienten durchdringenden Strahls gelangt durch Streuwirkung an Punkte, die im Abstand seitlich neben dem gerade anvisierten Fokussierungspunkt (z. B. 216) liegen, und wird von dort zurückgeworfen. Der Empfang und die Erfassung von Reflexionen dieser abgestreuten Ultraschallenergie führt zu ungewollten Signalen. Die in den Fig. 2 und 2a gezeigte Anordnung ist jedoch praktisch immun gegenüber solchen Störungen, denn jede Ultraschallenergie, die von im Abstand neben dem Fleck 216 liegenden Punkten reflektiert wird und zur Linse 202 zurückkehrt, verlässt diese Linse in einer Richtung, die gegenüber dem in Fig. 2a gezeigten Winkel 0 des Strahls 204 winkelversetzt ist. Daher beschränkt sich die zum abtastenden Wandler im Block 206 zurückgekehrte und tatsächlich erfasste Ultraschallenergie praktisch auf denjenigen Teil, der während einer Abtastung des Zielgebiets durch Primärreflexion innerhalb der Schärfentiefe jedes der aufeinanderfolgenden Brennflecke (wie z. B. des Punkts 216) in der Brennebene 210 zurückgeworfen wird.

Die Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer abtastenden Ultraschalleinheit 206 (Ultraschallquelle und Ultraschalldetektor), der einen wassergefüllten Behälter 300 aufweist. Der Behälter 300 ist ähnlich dem Behälter 200 nach Fig. 2 und enthält ebenfalls in einer vorderen Wand eine feste Linse 202. Ein feststehender Drehmotor 302 dreht mit einer relativ hohen vorbestimmten Geschwindigkeit eine Drehwelle 304 um die akustische Achse 212 der festen Linse 202, wie es. mit dem Pfeil 301 angedeutet ist. Die feste Linse und die besagte Achse entsprechen der oben in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Linse 202 und Achse 212. An der Drehwelle 304 ist ein mit ihr rotierender Drehzylinder 306 befestigt. Am Ende der Drehwelle 304 ist mittels eines Drehzapfens 310 eine dreh- und schwenkbare Wandleranordnung 308 kippbar angelenkt. Am Drehzylinder 306 ist ein sich mitdrehender Schwenkmotor mit Gestänge 312 befestigt, der mechanisch mit der Wandleranordnung 308 gekoppelt ist (mit dem gestrichelten Pfeil 314 angedeutet), um die Wandleranordnung 308 um einen kleinen Winkel mit einer relativ langsamen zweiten vorbestimmten Geschwindigkeit zurück- und vorzukippen (wie es mit dem beidendig gespitzten Pfeil 316 angedeutet ist).

Die Wandleranordnung 308 bestehe beispielsweise aus einer piezoelektrischen Platte mit relativ grosser Apertur (etwa 12,7 cm). Geeignete Mittel wie z. B. Schleifringe (nicht im einzelnen dargestellt) sorgen für eine elektrische Kopplung der piezoelektrischen Platte der Wandleranordnung 208 mit der Ansteuerungselektronik 316 und mit der Abbildungselektronik 218. Die Ansteuerungselektronik 316 liefert in an sich bekannter Weise kurze (z. B. 1 jxs dauernde) Erkundungsimpulse mit einer derartigen Folgefrequenz, dass während einer Abtastung des Zielgebiets eine relativ grosse Anzahl (z. B. 10 000) getrennte Punkte abgefragt und erfasst werden können. Die erfassten Abfragewerte werden der Abbildungselektronik 218 als Eingangsgrösse zugeführt. Geeignete Steuermittel wie etwa eine digitale Codierscheibe (nicht gesondert dargestellt) versorgen die Abbildungselektronik 218 mit geeigneten Abta-stungs-Synchronsignalen von den Motoren 302 und 312. In ähnlicher Weise kann die dem Drehmotor 302 zugeordnete Codierscheibe dazu herangezogen werden, ein Synchronsignal an die Ansteuerungselektronik 316 zu senden, um die Folgefrequenz der Erkundungsimpulse festzulegen. Die in der oben beschriebenen Weise herbeigeführte schnelle Drehbewegung und gleichzeitige langsame Kippbewegung der Wandleranordnung 308 führt zu einer solchen Ablenkung des Ultraschall-

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strahls 204, dass der durch die Linse 202 fokussierte Fleck einen Der in Fig. 4 dargestellte Block 206 besteht aus einem wasser-spiraligen Abtastweg beschreibt. Die Fortpflanzungsgeschwin- gefüllten Behälter mit einer Vorderwand, in der sich (ähnlich digkeit von Ultraschallenergie in Wasser oder in menschlichem wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3) eine Linse 202 befin-Gewebe liegt in der Grössenordnung von 1.5-106 mm/sec. Bei det. Innerhalb des Behälters 400 sitzt ein fester Wandler 402 dieser Geschwindigkeit beträgt die Zeit zwischen der Absen- 5 mit relativ grosser Apertur, der aus einer piezoelektrischen dung eines Erkundungsimpulses und der Rückkehr eines Echos Platte bestehen kann. Der feste Wandler 402 erzeugt als Ant-von der Brennebene einer Linse, welche die oben angenom- wort auf Impulssignale, die ihm von der Ansteuerungselektro-mene Brennweite von 25,4 cm hat, mehr als 330 Mikrosekun- nik 316 zugeführt werden, einen nicht-abtastenden Ultraschall-den. Wenn eine einzige Abtastung der gesamten Zielfläche strahl 404. Dieser Ultraschallstrahl 404 wird hintereinander

10 000 Abfragepunkte umfasst, dann dauert diese Abtastung io zunächst durch ein Paar in X-Richtung ablenkender Risley-Pris-länger als 3,3 Sekunden. Ein solches Intervall für die Zielabta- men 406 und dann durch ein Paar in Y-Richtung ablenkender stung ist zwar relativ kurz, aber immer noch länger, als es einer Risley-Prismen 408 gesendet, um daraus einen im Raster abge-Realzeitabtastung entsprechen würde. Daher ist es bei Verwen- lenkten Ultraschallstrahl 204 zu bilden, der die Linse 202 dung der Anordnung nach Fig. 3 zweckmässig, wenn die Abbil- beleuchtet.

dungselektronik 218 einen Abtastungsumsetzer enthält, um die 15 Wie aus der Optik bekannt, kann ein Risley-Prismenpaar unter Spiralabtastung gewonnene Information über das Zielge- dazu verwendet werden, einen hindurchtretenden Wellenener-biet zu speichern und dann in eine Rasterabtastung zur Wieder- giestrahl im wesentlichen linear abzulenken. Im einzelnen wird gäbe auf einem Kathodenstrahlgerät umzusetzen. Die Abbil- hierzu eines der Prismen jedes Paars kontinuierlich mit einer dungselektronik 218 kann ausserdem eine geeignete Entfer- vorbestimmten Geschwindigkeit in Uhrzeigerrichtung nungstorschaltung enthalten, um die den Abtastungsumsetzer 20 gedreht, während das andere Prisma des betreffenden Paars erreichende Information auf die Brennebene selbst zu gleichzeitig mit derselben vorbestimmten Geschwindigkeit beschränken (oder auf irgend eine andere Bildebene innerhalb entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird. Dementsprechend der Schärfentiefe). wird in der Anordnung nach Fig. 4 das X-Ablenkprisma 406a

Da das Abtastintervall der Kipp-Periode entspricht, sorgt mit einer relativ hohen ersten vorbestimmten Geschwindigkeit der Schwenkmechanismus 312 für eine Kipp-Periode, die für 25 und das Y-Ablenkprisma 408a mit einer relativ niedrigen zwei-das hier angenommene Beispiel länger ist als 3,3 Sekunden. ten vorbestimmten Geschwindigkeit gedreht, und zwar beide Eine Kipp-Periode sollte vorzugsweise etwa 50 Umdrehungen im Uhrzeigersinn, wie es die Pfeile 410a und 412a andeuten, der Wandleranordnung 308 umfassen. Beim angenommenen Gleichzeitig werden das X-Ablenkprisma 406b mit der besag-Beispiel sollte daher die Drehzahl der rotierenden Weile 304, ten ersten Geschwindigkeit und das Y-Ablenkprisma 408b mit des rotierenden Zylinders 306 und der rotierenden Wandleran- 30 der besagten zweiten Geschwindigkeit entgegen dem Uhrordnung 308 etwas mehr als 1000 U/min betragen, wobei wäh- zeigersinn gedreht, wie es die Pfeile 410b, 412b andeuten. Diese rend jeder Umdrehung der Wandleranordnung 308 etwa 200 Drehung der X-Ablenkprismen 406 und Y-Ablenkprismen 408 Erkundungsimpulse ausgesandt werden. Hierzu muss die Fol- wird mit Hilfe mechanischer Kopplungen 414a, 414b, 416a und gefrequenz der dem Wandlerelement der Wandleranordnung 416b erreicht, die von X- und Y-Ablenkantrieben 418 ausgehen. 308 von der Ansteuerungselektronik 316 zugeführten Impulse 35 Die Antriebe 418 liefern ausserdem Ablenksynchronsignale an etwas mehr als 3,3 kHz betragen. die Abbildungselektronik 218 und ferner Erkundungsimpuls-

Wenn die Linse 202 eine kreissymmetrische (z. B. sphäri- Synchronsignale (zur Steuerung der Folge der Erkundungsim-sche) Linse ist, kann sie direkt am Drehzylinder 306 derart befe- pulse) an die Ansteuerungselektronik 316.

stigt werden, dass sie sich um ihre eigene akustische Achse 212 Zu dem in Fig. 4 festgehaltenen Zeitpunkt sollten die dreht, ohne dass sich dabei ihr Einfluss auf den Ultraschallstrahl 40 Y-Ablenkprismen 408a und 408b gerade dieselbe relative Lage 204 in irgend einer Weise ändert. In diesem Fall können der zueinander haben, wie es für die X-Ablenkprismen 406a, 406b Drehzylinder und die rotierende Linse 202 gemeinsam das was- gezeigt ist. Die Orientierung des X-Prismenpaars 406 ist im sergefüllte Gehäuse bilden, womit der Behälter 300 fortgelas- gezeigten Augenblick in Richtung der Zeichenebene, während sen werden kann. Obwohl eine solche Drehung der Linse 202 die Orientierung des Y-Prismenpaars 408 gerade senkrecht zur um ihre eigene akustische Achse nicht in jedem Fall zu empfeh- 45 Zeichenebene ist. Bei der in Fig. 4 gezeigten Augenblicksorien-len ist, liegt eine entsprechende Ausführungsform noch im tierung der Prismen werden die von den Prismen 414a und 416a

Bereich der Erfindung. bewirkten Ablenkungen des Ultraschallstrahls 404 von den

Wie an sich bekannt, lässt sich ein Ultraschallstrahl relativ Ablenkwirkungen der Prismen 414b und 416b gerade wieder grosser Apertur aus einem Ultraschallwandler relativ kleiner aufgehoben, so dass der Ultraschallstrahl 204 am Ende insge-Apertur (oder sogar aus einer punktförmigen Ultraschall- 50 samt unabgelenkt ist. Wenn sich aber die Prismen 406a und quelle) ableiten, indem man eine geeignete akustische Kollima- 406b aus der gezeigten Position zueinander gegensinnig um tionslinse und/oder einen Reflektor verwendet, nötigenfalls eine Vierteldrehung bewegt haben (gemäss den mit den Pfeilen gemeinsam mit einer geeigneten strahlaufweitenden Linse und/ 410a und 410b angedeuteten Richtungen), dann befinden sich oder Reflektoreinrichtung. Die Erfindung umfasst daher auch die Basen der Prismen 406a und 406b in Flucht zueinander (in Ausführungsformen, in denen solche kompliziertere Einrich- 55 einer Ebene, die parallel zur aber oberhalb der Zeichenebene tungen anstelle der Wandleranordnung 308 grosser Apertur liegt), und unter diesen Bedingungen erfolgt eine Maximalab-verwendet werden. Ausserdem kann der Wandler in der lenkung des Strahls 204 in der X-Richtung (d. h. senkrecht zur

Anordnung 308 in an sich bekannter Weise eine gekrümmte Zeichenebene). Am Ende eines halben Umlaufs der gegensinni-Oberfläche statt einer ebenen Oberfläche haben. Auch muss gen Drehung der Prismen 406a und 406b (in der mit den Pfeilen die Wellenfront des Ultraschallstrahls 204 nicht unbedingt 6o 410a und 41 Ob angedeuteten Richtung) zeigen diese Prismen eben sein, obwohl eine solche Ausbildung zu bevorzugen ist; wieder in entgegengesetzte Richtungen, wobei allerdings dies-wesentlich ist allein, dass die Linse 202 den einfallenden Ultra- mal die Basis des Prismas 406a nach unten und die Basis des schallstrahl 204 zu einem Fleck in einer Bildebene fokussiert Prismas 406b nach oben in der Zeichnung weist. Auch hier (die durch geometrische Optik aus der Krümmung der einfal- heben sich die Ablenkungen wieder auf, so dass der Ultraschall-lenden Ultraschallenergie und aus der Brennweite der Linse 65 strahl 204 insgesamt unabgelenkt ist. Nachdem drei Viertel bestimmt wird). eines Umlaufs der„gegensinnigen Drehbewegungen der Pris-

Die Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer abtasten- men 406a und 406b (in Richtung der Pfeile 410a und 41 Ob) den Ultraschalleinheit 206, die einen festen Wandler enthält. durchwandert sind, liegen die Basen der Prismen 406a und 406b

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wieder in Flucht miteinander parallel zur Zeichenebene, jedoch diesmal unterhalb der Zeichenebene. Dies führt wieder zu einer Maximalablenkung des Ultraschallstrahls 204 in der X-Rich-tung. Die Y-Ablenkprismen 408 arbeiten in ähnlicher Weise, sie lenken jedoch wegen ihrer anfänglichen 90"-Versetzung gegenüber den X-Ablenkprismen 406 den Ultraschallstrahl 404 während jedes ihrer Umläufe in der Y-Richtung und der -Y-Richtung (parallel zur Zeichenebene) ab. Somit führt jeder volle Umlauf eines Risley-Prismenpaars zu zwei linearen Abtastungen zunächst in einer gegebenen Richtung und dann in einer dazu entgegengesetzten Richtung.

Wenn jede Abtastung der Zielfläche wie oben angenommen 10 000 Abfragepunkte umfasst, die schnellere X-Ablenkung mit einer Drehzahl von etwa 900 U/min der Risley-Prismen 406 erfolgt und die langsamere Y-Ablenkung mit einer Drehzahl von etwa 9 U/min der Risley-Prismen 408 erfolgt, dann tastet der fokussierte Ultraschallstrahl die Zielfläche im Raster mit einer Rasterperiode von 3,3 Sekunden ab.

Die Fig. 4a zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 4, in der ein akustisches Axicon anstelle der Linse 202 als fokussierendes Element im Block 206 verwendet wird. Ein optisches Axicon, welches die Form eines Kegels haben kann (beschrieben von ]. H. McLeod in J.O.S.A. 44, Seite 592 [1954]) fokussiert, wenn es mit einer zur Achse des Axicons senkrecht ebenen Welle bestrahlt wird, das einfallende Licht längs eines bestimmten Linienstücks der Achse des Axicons (und nicht auf einen Brennpunkt wie bei einer Linse). Dies hat den Vorteil, dass eine viel grössere Schärfentiefe als bei einer Linse erreicht wird. Eine Winkelversetzung der Orientierung der einfallenden Wellenebene gegenüber der Normalen zur Achse des Axicons führt lediglich dazu, dass die Orientierung des den «Fokus» darstellenden Linienstücks winkelverschoben wird. Für Winkelversetzungen der einfallenden Welle von mindestens ±10° ist die besagte Orientierungsänderung praktisch gleich der Winkelversetzung der einfallenden Welle.

Gemäss der Darstellung nach Fig. 4a sei Ro der Radius des Axicons und 0 sei der Winkel, den die konische Ausschnittfläche des Axicons 202a mit der Normalen zur Achse des Axicons bildet. Der normierte Brechungsindex des Materials des Axicons im Verhältnis zum umgebenden Medium (Wasser) sei gleich n, und die Wellenlänge der Ultraschallenergie sei X. Für die sogenannte «Flecktiefe» (Länge des Fokus-Linienstücks) und die sogenannte «Fleckbreite» (Dicke oder Durchmesser des Fokus-Linienstücks) gelten dann folgende Gleichungen:

R

0

Flecktiefe =

Pieckbreite = (i?nf taiT3"

(5)

(6)

Wenn das Axicon beispielsweise aus Polystyrol (n = 0,64) besteht, die Wellenlänge X = 1 mm ist, der Radius Ro etwa 60 mm beträgt und der Axikonwinkel 0 = 26,5 ° ist, dann liegt die Fleckbreite im wesentlichen konstant bei 2 mm bis in eine Entfernung von etwa 400 mm von der Ebene des Axicons.

In bevorzugter Ausführungsform befindet sich das Axicon 202a wie in Fig. 4a dargestellt in der Vorderwand des wassergefüllten Behälters 400. Es ist jedoch auch möglich, das Axicon 202a stattdessen zwischen den festen Wandler 402 und den Ris-ley-Prismen 406 im Weg des Ultraschallstrahls 404 anzuordnen. In diesem letzteren Fall braucht die Vorderwand des wassergefüllten Behälters 400 lediglich ein Fenster zu enthalten, um die in Form eines Linienstücks fokussierte Ultraschallenergie durchzulassen.

Wenn man als Fokussierungseinrichtung ein akustisches Axicon verwendet, dann sollte die Wiedergabeeinrichtung 220

(vgl. Fig. 2) zweckmässigerweise sowohl ein Kathodenstrahlge-rät mit B-Abtastung als auch ein Kathodenstrahlgerät mit C-Abtastung enthalten. Die B-Abtastung, bei der keine Entfernungstorschaltung oder eine Entfernungstorschaltung für 5 einen relativ grossen Entfernungsbereich verwendet werden mag, liefert ein Bild in derjenigen Ebene, die durch die relativ schnelle Ablenkung (angenommenerweise in der X-Richtung) und die axiale Entfernungsrichtung 212 (Z-Richtung senkrecht zur X-Y-Ebene) definiert ist. Eine solche B-Abtastung kann in io Realzeit erfolgen (beim angenommenen Beispiel mit annähernd 33 ms für eine halbe Umdrehung der X-ablenkenden Risley-Prismen 406). Eine C-Abtastung, bei der zur Auswahl der besonderen X-Y-Bildebene eine Schmalbereichs-Entfernungs-torschaltung verwendet wird, kann jedoch nicht in Realzeit 15 erfolgen (d. h. eine C-Abtastung beansprucht für das angenommene Beispiel etwa 3,3 Sekunden). Bei Verwendung einer C-Abtastung kann ausserdem die ausgewählte darzustellende X-Y-Ebene geändert werden, indem man das Entfernungsintervall ändert (d. h. durch Änderung der Zeitverzögerung zwi-20 sehen der Abgabe eines Erkundungsimpulses und der Erzeugung eines Schmalbereichs-Torimpulses).

Auch wenn die Fokussierungseinrichtung wie im Falle der Figuren 3 und 4 eine Linse ist, wird es wegen der relativ grossen Schärfentiefe der akustischen Linse (vgl. die obige Gleichung 4) 25 zweckmässig sein, in der Wiedergabeeinrichtung 220 sowohl ein Kathodenstrahlgerät mit B-Abtastung als auch ein Kathodenstrahlgerät mit C-Abtastung vorzusehen. Andererseits ist es durch Verwendung der in Fig. 4b dargestellten Abbildungselektronik auch möglich, auf einem einzigen Kathodenstrahlgerät 3o eine isometrische dreidimensionale Darstellung eines ausgewählten «Zielvolumens» zu erhalten, welches mit der Anordnung nach Fig. 4 oder nach Fig. 4a durch Ultraschall abgetastet wird.

Die in Fig. 4b gezeigte Abbildungselektronik 218 enthält 35 einen Treppengenerator 420 für die Horizontalabtastung und einen Treppengenerator 422 für die Vertikalabtastung. Ein in den X- und Y-Ablenkantrieben 418 enthaltener Codierer liefert jeden Impuls einer Reihe von X-Positionsimpulsen an einen Eingang des Horizontal-Treppengenerators 420, wobei jeder 40 dieser Positionsimpulse einem vorbestimmten Winkelschritt der X-ablenkenden Risley-Prismen 406 entspricht. In ähnlicher Weise wird eine Reihe von Y-Positionsimpulsen erzeugt, deren jeder einem vorbestimmten WinkelschHtt der Y-ablenkenden Risley-Prismen 408 entspricht und dem Eingang des Vertikal-45 Treppengenerators 422 zugeführt wird. Der Horizontal-Trep-pengenerator 420 kann einen umkehrbaren Zähler und einen Digital/Analog-Umsetzer enthalten, um während jeder Umdrehung der X-Ablenkprismen 406 ein Treppensignal 424 als Aus-gangsgrösse zu erzeugen. In ähnlicher Weise erzeugt der Verti-50 kal-Treppengenerator 422 während jeder Umdrehung der Y-Ablenkprismen 408 ein treppenförmiges Ausgangssignal 428.

Die Schrittcodierer für die X-Position werden auch in der Anordnung nach Fig. 4 verwendet, um die Wiederholungsperiode der dem Wandler 402 von der Ansteuerungselektronik 55 316 zugeführten Erkundungsimpulse zu synchronisieren. Daher ist die Dauer jeder Stufe des Treppensignals 424 gleich einer Wiederholungsperiode der Erkundungsimpulse. Die Antriebseinrichtung 418 liefert am Ende jeder halben Umdrehung der X-Ablenkprismen 406 jeweils einen Y-Positionsimpuls, so dass 60 jede Stufe des Treppensignals 428 in ihrer Dauer einer «Einzeilenperiode» des Treppensignals 424 entspricht. In ähnlicher Weise entspricht die Dauer einer halben Umdrehung der Y-Ablenkprismen jeweils einer Bildperiode (Rasterperiode).

Jeder X-Positionsimpuls wird ausserdem durch eine Ver-65 zögerungseinrichtung 430 gesendet, deren Verzögerungszeit gleich ist derjenigen Zeitdauer, die vom Absenden eines Erkundungsimpulses durch den Wandler 402 bis zum Empfang eines Echos am Wandler 402 verstreicht, welches vom nächstliegen-

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den Teil der inneren Struktur des darzustellenden Volumens die Abbildungselektronik 218.

zurückgeworfen wird. Der verzögerte Positionsimpuls triggert Es sei an dieser Stelle auf die Veröffentlichung «Microwave einen Generator 432 für Breitbereichs-Torimpulse, der darauf- Scanning Antennas», Band 3 (herausgegeben von R. C. Hansen hin einen Rechteckimpuls 434 erzeugt, dessen Dauer t der Tiefe und veröffentlicht von der Academic Press, NY, 1964) verwie-des in seiner inneren Struktur darzustellenden Volumens ent- s sen, in der die Technik phasengesteuerter Strahlerfelder insbe-spricht. Der Impuls 434 wird direkt zum Öffnen einer Entfer- sondere für Radarzwecke ausführlich beschrieben ist. Die Rich-nungstorschaltung 436 verwendet, um in an sich bekannter tung des von einem phasengesteuerten Strahlerfeld ausgesand-

Weise dafür zu sorgen, dass nur solche erfassten Echos zur ten Strahls ist eine vorbestimmte Funktion erstens des bekann-

Intensitätssteuerung (Z-Achse) des Bildgeräts 220 gelangen, die ten Abstandes zwischen benachbarten Abschnitten des Feldes, aus diesem Tiefenbereich zurückgeworfen werden. Der Torim- io zweitens der bekannten Fortpflanzungsgeschwindigkeit der puls 434 wird jedoch ausserdem einem Integrator 438 zuge- Wellen im Ausbreitungsmedium und drittens der selektiv führt, um während des Intervalls t während jeder «Bereichspe- gesteuerten Phasendifferenz zwischen jeweils zwei benachbar-riode» einen Sägezahn 440 zu erzeugen. Die Dauer des Säge- ten Abschnitten des Feldes. Daher ist die Technik phasenge-zahns 440 wird daher nur einen kleinen Teil jeder relativ kurzen steuerter Strahlerfelder ebensogut wie auf elektromagnetische Stufe des Treppensignals 424 und jeder relativ langen Stufe des is Mikrowellen auch auf Ultraschallwellen anwendbar. Treppensignals 428 ausmachen. Ein summierender Operations- Die Fig. 5a zeigt schematisch eine Ausführungsform der die Verstärker 442 addiert den Sägezahn 440 mit dem Treppensig- zeitgesteuerten Verzögerungseinrichtungen und die Ansteue-nal 424 und führt sein Ausgangssignal dem Horizontal-Ablenk- rungselektronik enthaltenen Anordnung 514. Jedem Linienabeingang des Bildwiedergabegeräts 220 zu. In ähnlicher Weise schnitt 512-1... 512-n des phasengesteuerten Wandlerfeldes addiert ein Operationsverstärker 444 den Sägezahn 440 mit 20 500 istein gesondertes Verzögerungsglied 516-1... 516-n dem Treppensignal 428 und führt sein Ausgangssignal dem Ver- zugeordnet, dessen Verzögerungszeit durch Signale in beiden tikal-Ablenkeingang des Bildwiedergabegeräts 220 zu. Wie mit Richtungen veränderbar ist. Jedes dieser veränderbaren Ver-dem Kubus 446 angedeutet, führt die Addition des Sägezahns zögerungsglieder verzögert ein hindurchlaufendes Signal um 440 mit den Horizontal- und Vertikalablenkungen dazu, dass einen Betrag entsprechend einem Steuersignal, welches dem die intensitätsmodulierte Entfernungsinformation des durch 25 betreffenden Glied von der Zeitsteuerung 520 über eine jeweils Ultraschall abgetasteten Volumens der inneren Struktur in zugeordnete von mehreren Steuerleitungen 518-1... 518-n

Form eines dreidimensionalen isometrischen Bildes dargestellt zugeführt wird. Bei den veränderbaren Verzögerungsgliedern wird. Diese dreidimensionale isometrische Darstellung ist eine 516-1... 516-n kann es sich um Analogbauformen wie z. B.

Hilfe, um Aufschluss über die innere Struktur komplexer For- angezapfte Verzögerungsleitungen handeln. In der Praxis wer-men wie z. B. die verschiedenen Formen menschlichen Gewe- 30 den jedoch normalerweise hierfür digitale Einrichtungen verbes zu geben. wendet, etwa wie sie im Band 3 der oben genannten Veröffent-Keine der in den Fig. 3,4,4a und 4b gezeigten Ausführungs- lichung «Microwave Scanning Antennas» beschrieben sind. Im formen der abtastenden Ultraschalleinheit 206 (und überhaupt, Betrieb legt die Ansteuerungselektronik 522 unter dem Einfluss kein sequentiell punktweise abtastendes System) vermag eine der Zeitsteuerung 520 nacheinander eine vorbestimmte Anzahl C-Abtastung in Realzeit zu liefern, und zwar wegen des verhält-35 (z. B. 100) von Erkundungsimpulsen über die gemeinsame Lei-nismässig langen Hin-Rück-Intervalls (z. B. 330 jxs) zwischen tung 524 an das Wandlerfeld 500 durch die veränderbaren Ver-der Absendungeines Erkundungsimpulses und der Rückkehr zögerungsglieder 516-1 ...516-n. Die Zeitsteuerung520liefert eines Echos aus der Brennebene der Linse. Durch Anwendung ausserdem für jeden der aufeinanderfolgenden Erkundungsim-zeitunterteilter oder raumunterteilter Multiplexverfahren kann pulse eine andere Gruppe von Steuersignalen 518-1... 518-n, man jedoch einen ganzen Linienabschnitt des Zielgebiets 40 um den vom Wandlerfeld 500 ausgesandten Ultraschallstrahl in Punkt für Punkt effektiv in einer Zeit abtasten, die ein- bis zwei- der vorgeschriebenen Weise in X-Richtung abzulenken. Die mal so lang wie ein Hin-Rück-Intervall ist. Wenn z. B. das Ziel- Gesamtzeit eines solchen Ablenkvorgangs sollte vorzugsweise gebiet aus hundert Linienabschnitten (Zeilen) mit jeweils hun- so kurz wie möglich sein (d. h. das Tastverhältnis der Erkun-dert Abtastpunkten besteht und das Hin-Rück-Intervall 330 n,s dungsimpulse sollte möglichst gross sein) und in keinem Fall beträgt, dann kann auf diese Weise das Zielgebiet innerhalb 45 länger dauern als der Hin- und Rückweg zum und vom Zielge-einer Zeitspanne zwischen 33 und 66 Millisekunden voll abgeta- biet. Wenn sich eine Ablenkung über 100 Erkundungsimpulse stet werden. Daher ist das eine hohe Auflösung bringende mit jeweils einer Breite von 1 |i.s erstreckt und die Hin- und Abbildungsverfahren gemäss der Erfindung vereinbar mit dem Rückkehrzeit zwischen der Absendung eines Erkundungsim-Erfordernis nach Realzeitabtastung des Zielgebiets. puises und dem Empfang des zugehörigen Echos 330 jxs beträgt

Die Fig. 5 und 5a zeigen eine Ausführungsform der abta- 50 (wie oben angenommen), dann muss die Mindestdauer der Stenden Ultraschalleinheit 206, bei der ein Zeitmultiplexverfah- Ablenkbewegung bei hohem Tastverhältnis der Erkundungsim-ren zur Erreichung einer Realzeitabtastung des Zielgebiets pulse grösser als 100 n,s sein, während die Höchstdauer des angewendet wird. Diese Ausführungsform besteht aus einem Ablenkvorgangs unter 330 jxs liegen muss. Am Ende eines Hinfür X-Ablenkung phasengesteuerten Wandlerfeld 500, Risley- Rück-Intervalls (d. h. nach 330 jxs) schwenken die veränderba-Prismen 502 zur Y-Ablenkung und einem Y-Ablenkantrieb 504, « ren Verzögerungsglieder 516-1... 516-n unter dem Einfluss der wobei sich alle diese Teile innerhalb eines wassergefüllten aus der Zeitsteuerung 520 kommenden Steuersignale 518-1...

Behälters 506 befinden, der in seiner Vorderwand eine Linse 518-n erneut die Strahlrichtung des Wandlerfeldes 500 in der 202 enthält. Das zur X-Ablenkung phasengesteuerte Wandler- gleichen Weise, um zurückgekehrte Echos zu erfassen und die feld 500, das ausführlicher in Fig. 5a dargestellt ist, besteht vor- Echosignale über die gemeinsame Leitung 524 auf die Abbil-zugsweise aus einer piezoelektrischen Platte 508, deren eine 60 dungselektronik 218 zu geben. Zur Abtastung einer ganzen Oberfläche mit einer an Masse gelegten Elektrode 510 Linie oder Zeile des Zielgebiets in X-Richtung braucht es also beschichtet ist und deren andere Oberfläche mit einer Gruppe eine Zeit, die zwischen dem Ein- und Zweifachen der Hin-Rück-von Linienelektroden 512-1... 512-n belegt ist. Eine Anordnung Zeit von der Aussendung eines Erkundungsimpulses bis zur 514 mit zeitgesteuerten Phasenverzögerungseinrichtungen und Rückkehr des zugehörigen Echos liegt. Quantitativ ausge-Ansteuerungselektronik sendet Erkundungsimpulssignale an 65 drückt:

das Wandlerfeld 100 und liefert die erfassten Echos und Tx = Tr + Ts n\

X-Ablenksynchronsignale an die Abbildungselektronik 218.

Der Y-Ablenkantrieb 504 liefert Y-Ablenksynchronsignale an nxt<Ts<Tr /o\

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Hierin ist Tx die Zeit für die Abtastung einer Zeile des Ziel- keit von 1500 m/s fortpflanzt). Der Impulsquelle 614 und der gebiet in X-Richtung, Tr ist die Hin-Rück-Zeit, Ts ist die Ablenk- Verteilungsschaltung 616 werden Y-Steuersignale jeweils am

Periode, nx ist die Anzahl von Abfragepunkten in einer Abtast- Beginn der einzelnen Y-Wiederholungsperioden angelegt, die zeile in X-Richtung, und t ist die Breite eines Erkundungsimpul- gleich oder etwas grösser sind als die Hin-Rück-Zeit (660 jis),

ses. Beim angeführten Beispiel mit Tr = 330 us, nx = 100 und t = 5 um alle Erregungselektroden 608-1... 608-y zu veranlassen,

1 p.s ist der Wert für Tx grösser als 430 jxs, aber kleiner als 660 jeweils nacheinander in Intervallen von im wesentlichen 660 jxs

[is. Wenn eine Gesamtabtastung des Zielgebiets über 100 Zei- einen Ultraschall-Erkundungsimpuls auszusenden.

len geht, dann ist die Dauer einer Abtastung länger als 43 Milli- Ferner ist ein Parallel-Serien-Umsetzer 620 vorgesehen, der Sekunden, aber kürzer als 66 Millisekunden (d. h. die zur folgendes enthält: Eine Gruppe von x Speicherelementen; eine Y-Ablenkung verwendeten Risley-Prismen 502 werden mit io Gruppe von Eingangstorschaltungen, die von Y'-Signalen aus einer Drehzahl zwischen etwa 900 und 1400 U/min betrieben). der Zeitsteuerung 618 gesteuert werden, um die von den Fühl-Dies führt zu einer Bildwechselfrequenz zwischen 14 und 24 elektroden 610-1... 610-x gefühlten Signale an oder nahe dem Bildern je Sekunde, was einer Realzeitwiedergabe gleich- Ende jeder Y-Periode (660 jxs) in die jeweils betreffenden kommt. Speicherelemente zu geben (aber die Elektroden 610-1 ...610-x In den Fig. 6 und 6a ist eine Ausführungsform der Ultra- 15 zu anderen Zeiten an Masse zu legen); eine von den X-Signalen schalleinheit 206 dargestellt, bei der die Realzeitabtastung des aus der Zeitsteuerung 618 gesteuerte Ausleseschaltung, um Zielgebiets mit Hilfe räumlicher Unterteilung erreicht wird. In während der nachfolgenden Y-Periode nacheinander alle in der der Vorderwand eines wassergefüllten Behälters 600 befindet Gruppe der Speicherelemente gespeicherten Signale auszule-sich eine Linse 202. Innerhalb des Behälters 600 eingetaucht ist sen und damit während dieser Y-Periode eine Serienfolge von x ein in X- und Y-Richtung räumlich untergliederter Wandler 20 (z. B. 100) Abfragepunktsignalen an die Abbildungselektronik 602. Der Abstand zwischen dem Wandler 602 und der Linse 202 218 zu liefern. Die Zeitsteuerung 618 liefert ausserdem Abtastist vorzugsweise gleich der doppelten Brennweite (2f) der Synchronsignale an die Abbildungselektronik 218. Die Abta-Linse, wie es in Fig. 6 angegeben ist, so dass Punkte auf dem stung des gesamten Zielgebiets dauert somit (y+1) Y-Perioden Wandler 602 mit einer Vergrösserung von 1 auf einer Ziel- oder, beim hier angenommenen Beispiel, 66,66 ms. Dies bedeu-ebene abgebildet werden, die sich hinter der Linse 202 ebenfalls 25 tet eine Bildfrequenz von 15 Abtastungen des Zielgebiets je im Abstand 2f befindet. In ähnlicher Weise werden Punkte der Sekunde, was als Realzeitabtastung angesehen werden kann. Zielebene mit einer Vergrösserung von 1 auf dem Wandler 602 Es ist zweckmässig, wenn die Verteilungsschaltung 616 abgebildet. irgendwann zwischendurch die Elektroden 608-1... 608-y kurz-

Wie in Fig. 6a gezeigt, besteht der Wandler 602 aus einer zeitig abkoppelt (d. h. potentialfrei macht), um die effektive piezoelektrischen Platte 604, die auf ihrer links liegenden Ober- 30 parasitäre Nebenschluss-Lastimpedanz zwischen den Fühlelek-fläche eine erste Gruppe erregender Linienelektroden 608-1... troden 610-1... 610-x und Masse zu vermindern. Dieses vor-608-y und auf ihrer rechts liegenden Oberfläche eine zweite übergehende Abkoppeln kann am Ende irgend einer Y-Periode Gruppe fühlender Linienelektroden 610-1... 610-x trägt. Wie erfolgen, während der Parallel-Serien-Umsetzer 620 die Echos gezeigt, verlaufen die Elektroden der zweiten Gruppe senk- abfragt, die aus dem Zielgebiet als Antwort auf die Erkundungsrecht zu den Elektroden der ersten Gruppe, so dass insgesamt 35 impulse zurückkehren, welche am Beginn dieser Y-Periode von (x-y) Kreuzungspunkte zwischen den Elektroden entstehen. einer speziellen der erregenden Linienelektroden abgesandt Jeder dieser Kreuzungspunkte entspricht einem Abfragepunkt worden sind. Die besagte Nebenschluss-Lastimpedanz neigt in der Zielfläche. Wenn wie angenommen x und y jeweils gleich nämlich dazu, die effektive Empfindlichkeit zu vermindern und 100 ist, dann ergeben sich insgesamt 10 000 Abfragepunkte für den effektiven Rauschabstand der gefühlten Signale zu erhö-die Abtastung der Zielfläche. 40 hen, die von den fûhlendén Elektroden 610-1... 610-x an die

Die Ansteuerungselektronik 612 zur Erregung des Wand- Speicherelemente des Parallel-Serien-Umsetzers 620 gesendet lers 602 besteht aus einer Impulsquelle 614 und einer Vertei- werden. Je grösser die Anzahl der X-Y-Kreuzungspunkte ist,

lungsschaltung 616. Die Verteilungsschaltung 616 wirkt unter desto grösser wird der Einfluss der Nebenschluss-Lastimpe-

Steuerung durch von der Zeitsteuereinheit 618 kommende danz, während sich sonst im Prinzip nichts ändert.

Y-Signale als Kommutator, um nacheinander jede der Erre- 45 In Fig. 6b ist eine besondere Ausführungsform der Zeit-

gungselektroden 608-1... 608-y selektiv mit aufeinanderfolgen- Steuerung 618 und der Abbildungselektronik 218 dargestellt,

den Erkundungsimpulsen zu beaufschlagen und dabei gleichzei- mit deren Hilfe auf einem einzigen Kathodenstrahlgerät eine tig alle jeweils übrigen unbeaufschlagten Elektroden dieser isometrische dreidimensionale Darstellung eines ausgewählten ersten Gruppe an Masse zu legen. Zum Zeitpunkt des Anlegens Zielvolumens erhalten werden kann, das durch die Anordnung eines Erkundungsimpulses an eine der Erregungselektroden 50 nach den Fig. 6 und 6a mit Ultraschall abgetastet werden kann.

608-1... 608-y werden ausserdem die fühlenden Elektroden Gemäss Fig. 6b enthält die Zeitsteuerung 618 einen Taktgeber

610-1... 610-x mit Masse verbunden. Dies führt zu einem 622 zur Erzeugung von X-Steuersignalen, deren Folgefrequenz schmalen (z. B. 1 mm dicken) Linienstrahl, der von jedem der gleich derjenigen der Serienfolge der vom Parallel-Serien-

Kreuzungspunkte am gerade gewählten Exemplar der Erre- Umsetzer 620 kommenden y Abfragepunktsignale ist. Wenn,

gungselektroden 608-1... 608-y abgesandt wird. 55 wie angenommen, während jeder Y-Periode von 660 (is eine

Da bei der in den Fig. 6 und 6a gezeigten Anordnung des Anzahl von 100 Abfragepunkten erfasst wird, wird man den

Blocks 206 jeder Abfragepunkt der Zielfläche an einem Taktgeber 622 mit einer Folgefrequenz von etwa 150 kHz zugeordneten Kreuzungspunkt des Wandlers abgebildet wird, arbeiten lassen. Das Ausgangssignal des Taktgebers 622 wird ist die Hin-Rück-Zeit zwischen der Absendung eines Erkun- einem zyklischen Y-Steuerzähler 624 zugeführt, der nach dem dungsimpulses und dem Empfang eines daraufhin von der Ziel- 60 Ende jeder Y-Periode (d. h. nach jeweils 100 Zählschritten beim fläche zurückgeworfenen Echos doppelt so lang wie bei der angenommenen Beispiel) wieder neu beginnt, um ein Aus-

davor beschriebenen Ausführungsform des Blocks 206. Wenn gangssignal von 1,5 kHz als sogenanntes Zeilenzählsignal zu z. B. die Zielfläche 25,4 cm hinter der Linse 202 liegt (d. h. 2f = liefern. Dieses Zeilenzählsignal wird dem Eingang eines zykli-

25,4 cm wie oben angenommen), dann beträgt die Gesamtent- sehen Bildzählers 626 und einem Eingang einer veränderbaren fernung zwischen dem Wandler 602 und der Zielfläche 50,8 cm. 65 Verzögerungseinrichtung 628 zugeführt und entspricht ausser-

Daher liegt im vorliegenden Fall die Hin-Rück-Zeit in der Gros- dem dem Y-Steuerausgang der Zeitsteuerung 618. Ausserdem senordnung von 660 (xs (unter der Annahme, dass sich die Ultra- wird der Zählwert, der sich innerhalb eines Zyklus des schallenergie im Ausbreitungsmedium mit einer Geschwindig- Y-Steuerzählers 624 angesammelt hat, als Eingangsgrösse

13 617269

einem der Horizontalabtastung zugeordneten Digital/Analog- Wenn die von Stufe zu Stufe vorgenommene Änderung der

Umsetzer 630 (Horizontal-D/A-Umsetzer) in der Abbildungs- von der variablen Verzögerungseinrichtung 628 bewirkten elektronik 218 zugeführt. Verzögerung j eweils eine Entfernungsänderung von z. B. etwa

Der bild- oder rasterperiodische Zähler 626 stellt sich nach 2 mm entspricht (ein Mass, welches bei den verwendeten Ultra-

jedem Raster (d. h. nach jeweils 100 Zeilen beim angenomme- s schallwellenlängen nahe der Grenze der Tiefenauflösung liegt)

nen Beispiel) zurück, um ein Rasterzählsignal an einen Eingang und die Zahl m = 25 ist, dann erhält man eine dreidimensionale eines Treppengenerators 632 zu legen, der sich innerhalb der isometrische Darstellung der inneren Struktur eines etwa 5 cm

Abbildungselektronik 218 befindet und Treppensignale mit tiefen Zielvolumens.

jeweils m Treppenstufen erzeugt. Der rasterperiodische Zähler Die Fig. 7 und 7a zeigen eine Ausführungsform der abta-

626 liefert ausserdem ein Signal, welches dem innerhalb eines io Stenden Ultraschalleinheit, die in ihrem Betrieb der Ausfüh-

Zyklus aufgelaufenen Zeilenzählwert entspricht, an einen Ein- rungsform nach den Fig. 6 und 6a funktionell etwa gleich-

gang eines der Vertikalablenkung zugeordneten Digital/Ana- kommt, aber mit einer wesentlich niedrigeren parasitären log-Umsetzers 634 (Vertikal-D/A-Umsetzer) in der Abbildungs- Nebenschluss-Lastimpedanz behaftet ist.

elektronik 218. Gemäss Fig. 7 befinden sich in einem wassergefüllten

Das Ausgangssignal des Horizontal-D/A-Umsetzers 636 ist is Behälter 700 ein für X-Zeilenablenkung räumlich gegliederter ein Treppensignal 636, dessen jede Stufe eine Dauer gleich Wandler 702 und Risley-Prismen 704 für die Y-Ablenkung, die einer Taktperiode hat und dessen Gesamtdauer gleich derjeni- mit einem Y-Ablenkantrieb 706 gekuppelt sind. Abfragepunkte gen einer Zeile ist. Der Vertikal-D/A-Umsetzer 634 liefert am des Zielgebiets werden mit Hilfe eines Linsensystems an entAusgang ein Treppensignal 638, dessen jede Stufe die Dauer sprechenden Punkten des Wandlers 702 abgebildet. Das Lin-einer Zeile hat und dessen Gesamtdauer gleich der Raster- 20 sensystem besteht aus zwei beabstandeten Linsen 202a und Abtastzeit ist. Der m Treppengenerator 632 besteht aus einem 202b, die wie dargestellt zu beiden Seiten der Y-Ablenkprismen zyklischen Zähler, der nach jeweils m Rasterzählsignalen neu 704 angeordnet sind. Die besagte Abbildungsbeziehung resul-beginnt, ferner einer analogen oder digitalen Einrichtung, die tiert daraus, dass die Brennebene der in der Vorderwand des abhängig von dem in einem Zyklus dieses Zählers aufgelaufe- wassèrgefûllten Behälters 7.00 befindlichen Linse 202b mit der nen Zählwert ein Verzögerungssteuersignal an eine veränder- 25 Zielfläche zusammenfällt und dass der Wandler 702 in der bare Verzögerungseinrichtung 628 liefert, sowie einem Digital/ Brennebene der Linse 202a liegt. Die Verwendung eines Zwei-Analog-Umsetzer zur Ableitung eines Treppensignals 640 ent- linsensystems zur Abbildung der Abfragepunkte des Zielge-sprechend dem im Zähler registrierten aufgelaufenen Zähl- biets auf dem Wandler 702 ist in mancher Hinsicht vorteilhafter wert. Das Treppensignal 640 besteht aus m Stufen, deren jede als der Einsatz einer einfachen Linse gemäss Fig. 6, denn mit eine Dauer entsprechend einem Rasterzählsignal hat. 30 einem Zweilinsensystem ist die Verzerrung geringer, weil die Das Treppensignal 640 wird in einem summierenden Ope- Y-Ablenkprismen mit akustischer Energie in Form parachsial rationsverstärker 642 mit dem Horizontal-Treppensignal 636 laufender ebener Wellen beleuchtet wird und nicht mit sphäri-addiert und dann dem Horizontal-Ablenkeingang des Bildge- sehen Wellen aus einer linear abgelenkten Punktquelle.

räts 220 zugeführt. Das Treppensignal 640 wird ausserdem in Wie in Fig. 7a gezeigt, besteht der Wandler 702 aus einer einem summierenden Verstärker 644 dem Vertikal-Treppensig- 35 piezoelektrischen Platte 708, die auf ihrer rechten Oberfläche nal 638 hinzuaddiert und dann dem Vertikal-Ablenkeingang des zwei erregende Linienelektroden 710-1 und 710-2 trägt. In der

Bildgeräts 220 zugeführt. Die Serienfolge der x Abfragesignale Mitte zwischen den Linienelektroden 710-1 und 710-2 befindet vom Ausgang des Parallel-Serien-Umsetzers 620 wird dem sich eine geradlinige Reihe von einzelnen Fühlelektroden

Intensitätssteuereingang des Bildgeräts 220 zugeführt. 712-1... 712-x, deren Abstand zu den beiden linienförmigen

Während eines der untersten Stufe des Treppensignals 640 40 Erregungselektroden jeweils gleich «s» ist. Auf der linken entsprechenden Rasters hat das Verzögerungssteuersignal Oberfläche der piezoelektrischen Platte 708 befinden sich an einen solchen Wert, dass es die veränderbare Verzögerungsein- Masse liegende Linienelektroden 714, die mit den erregenden richtung 628 veranlasst, eine minimale Verzögerung zwischen Linienelektroden 710-1 und 710-2 und mit der linienförmigen dem Erscheinen j edes Y-Steuersignals (was der Aussendung Reihe der Fühlelektroden 712-1... 712-x ausgerichtet sind, wie eines Erkundungsimpulses entspricht) und dem Erscheinen 45 es die Fig. 7a zeigt. Eine in der Ansteuerungselektronik 718 ent-eines Y'-Steuersignals zu bewirken (das Y'-Steuersignal öffnet haltene Impulsquelle 716 liefert als Antwort auf Y-Steuersi-die Tore für die Speicherung der erfassten Echosignale im Par- gnale, die aus der Zeitsteuerung 720 kommen, eine Reihe von allel-Serien-Umsetzer 620). Somit entspricht die dem Intensi- Erkundungsimpulsen über einen Schalter 722 an eine ausge-tätssteuereingang des Bildgeräts 220 zugeführte Folge von x wählte der Erregungselektroden 710-1 und 710-2, und zwar Abfragesignalen der am nächsten liegenden Bildebene des in 50 mit einer Wiederholungsperiode, die im wesentlichen gleich ist seiner inneren Struktur darzustellenden Zielvolumens. Die Dar- der Hin-Rück-Zeit zwischen der Absendung eines Erkundungsstellung dieser nächstliegenden Bildebene erfolgt in C-Abta- impulses und dem Empfang eines daraufhin vom Zielgebiet stung, die durch die Vielzahl der Horizontal-Treppensignale zurückgeworfenen Echos (z. B. 660 (im). Der Schalter 722 wählt 636 und das einzige Vertikal-Treppensignal 638 bestimmt wird, abhängig von einem Steuersignal, welches ihm vom Y-Ablenk-welche während der Dauer dieser untersten Stufe des Treppen- 55 antrieb 706 zugeführt wird, die jeweils mit einem Erkundungssignals 640 erscheinen. Die Darstellung des nächsten Bildes, impuls zu beaufschlagende Erregungselektrode 710-1 oder das im Verlauf der zweiten Stufe erscheint, erfolgt in einer 710-2 aus. Die zur Y-Ablenkung dienenden Risley-Prismen 704 zweiten C-Abtastung, die gegenüber der ersten C-Darstellung drehen sich kontinuierlich während der Zeit, in der ein Erkun-etwas nach rechts und nach oben versetzt ist. Gleichzeitig führt dungsimpuls zum Ziel läuft, und während der Zeit, in der ein der während der zweiten Stufe des Treppensignals 640 ange- 6o Echo vom Ziel zurück zum Wandler 702 läuft. Daher gelangt nommene Wert des Verzögerungssteuersignals dazu, dass vom das Echo eines von einer ausgewählten Erregungselektrode Parallel-Serien-Umsetzer 620 nunmehr solche Echosignale 710-1 oder 710-2 ausgesandten Erkundungsimpulses nicht dem Intensitätssteuereingang des Wiedergabegeräts 220 zuge- zurück zur selben Elektrode, sondern es erfährt eine Zusatzabführt werden, die aus einer etwas weiter entfernt liegenden Bild- lenkung in Y-Richtung um ein gegebenes Längenmass, welches ebene des Zielvolumens stammen. Dieser Ablauf, der sich für 65 durch die Drehgeschwindigkeit der Ablenkprismen 704 und die jede der m Stufen des Treppensignals 640 wiederholt, führt zu Hin-Rück-Zeit zum und vom Zielgebiet bestimmt ist. Der einer isometrischen dreidimensionalen Darstellung der inneren Abstand zwischen der linienförmigen Reihe der Fühlelektro-Struktur des Zielvolumens auf dem Bildgerät 220. den 712-1... 712-x und den beiden Erregungselektroden 710-1

617269 14

und 710-2 ist so gewählt, dass er gleich diesem gegebenen der vorderen Oberfläche des Wandlers 602 ist. Der Wandler

Ablenkungsmass ist. Während der ersten Hälfte jedes Umlaufs 602 hat gegenüber dem als Ausbreitungsmedium verwendeten der Y-Ablenkprismen 704 wird ausserdem ein durch die Pris- Wasser eine relativ hohe akustische Impedanz. Daher sollte die men dringender Strahl akustischer Energie in Y-Richtung von Korrekturplatte 800a aus einem Material bestehen, dessen aku-oben nach unten abgelenkt. Während der anderen Hälfte jeder 5 stische Impedanz zwischen derjenigen des Wandlers 602 und Umdrehung der Prismen 704 wird ein hindurchtretender Strahl derjenigen des Wassers liegt. Vorzugsweise sollte die akusti-akustischer Energie in Y-Richtung von unten nach oben abge- sehe Impedanz der Korrekturplatte 800a nahe dem geometri-lenkt Das dem Schalter 722 vom Y-Ablenkantrieb 706 zuge- sehen Mittel zwischen der akustischen Impedanz des Wandlers führte Steuersignal bewirkt, dass während der ersten Hälfte der 602 und derjenigen des Wassers liegen, um eine optimale Impe-Umdrehung der Risley-Prismen 704, wenn der akustische 10 danzanpassung für die Ultraschallwellenenergie zu bekommen. Strahl von oben nach unten abgelenkt wird, Erkundungsim- In der Praxis kann die Korrekturplatte 800a aus demselben pulse zur Erregungselektrode 710-1 gelangen und die Erre- Material wie die akustische Linse 202 bestehen, z. B. aus einem gungselektrode 710-2 an Masse gelegt wird. In ähnlicher Weise Kunststoff wie Polystyrol oder Methylmethacrylat. Vorzugs-wird während derjenigen Halbumdrehungen der Risley-Pris- weise sollte die Korrekturplatte 800a jedoch aus einem Metall men 704, bei denen der akustische Strahl von oben nach unten 15 wie etwa Aluminium bestehen, dessen akustische Impedanz für abgelenkt wird, mittels des Schalters 722 die Erregungselek- die sich ausbreitenden Ultraschallwellen dem für eine optimale trode 710-2 mit Erkundungsimpulsen versorgt und die Erre- Impedanzanpassung erforderlichen Wert näher liegt als die gungselektrode 710-1 an Masse gelegt. In beiden Fällen treffen akustische Impedanz von Kunststoff.

die vom Zielgebiet zurückgeworfenen Echos auf die linienför- Die Korrekturplatte 800a hat eine konkave vordere Ober-

mige Reihe der Fühlelektroden 712-1... 712-x. 20 fläche 802a, so dass sie wie eine akustische Sammellinse wirkt,

Wenn die Umlaufperiode der zur Y-Ablenkung verwende- um erstens einen erhöhten Teil der vom Wandler 602 abge-ten Risley-Prismen 704 nicht genau gleich einem geradzahligen strahlten Ultraschallenergie innerhalb der Apertur der Linse Vielfachen der Folgeperiode der Erkundungsimpulse ist, dann 202 zu halten und dadurch den Wirkungsgrad des Systems in wird während aufeinanderfolgenden Halbumdrehungen der der Ausnutzung der Ultraschallenergie zu erhöhen, und zwei-Risley-Prismen 704 jeweils eine andere Gruppe von X-Zeilen & tens, was noch wichtiger ist, einen sehr grossen Anteil der die des Zielgebiets abgetastet. Das heisst, man erhält eine Raster- Grossaperturlinse 202 bestrahlenden gesamten Ultraschallabtastung des Zielgebiets nach dem sogenannten Zeilensprung- energie in dem kleinen Mittenbereich 804 der Apertur zu konverfahren. zentrieren, der die Achse 212 umgibt. Auf diese Weise bringt Ein Parallel-Serien-Umsetzer 724, der strukturell und funk- die Grossaperturlinse 202 die erforderliche hohe Auflösung, tionell dem oben beschriebenen Parallel-Serien-Umsetzer 620 30 mit der die akustische Wellenenergie in der Bildebene fokusentspricht, fragt am Ende jeder Y-Periode (d. h. der Wiederho- siert wird, während gleichzeitig die durch die Korrekturplatte lungsperiode der Erkundungsimpulse) in paralleler Weise alle 800a bewirkte Konzentration der Ultraschallenergie innerhalb die dann von den Fühlelektroden 712-1... 712-x empfangenen des kleinen Bereichs 804 der Apertur der Linse 202 alle uner-Echosignale der betreffenden Zeile des Zielgebiets ab und spei- wünschten Krümmungen der Bildebene auf ein Mindestmass chert sie, um anschliessend während der folgenden Y-Perioden 35 reduziert.

die gespeicherten Signale in eine entsprechende Serienfolge Wenn Kosten keine Rolle spielen, kann die Krümmung der umzusetzen. Oberfläche 802a und/oder der Oberflächen der Linse 202 mit

Im Idealfall müsste die Linse 202 in Fig. 6 den ebenen Wand- Hilfe von Strahlengangverfahren so zugeschnitten werden, 1er 602 in einer ebenen Bildebene abbilden, und die Linsen 202a dass eine oder mehrere der normalerweise von einer Grossund 202b nach Fig. 7 müssten den ebenen Wandler 702 in einer 40 aperturlinse bewirkten Aberrationen im wesentlichen ausge-ebenen Bildebene abbilden. Wie aus der Optik bekannt, treten schaltet werden. Wenn jedoch sowohl die Linse 202 als auch jedoch bei normalen sphärischen Linsen verschiedene Arten die Korrekturplatte 800a billig hergestellte sphärische Oberflä-von Aberrationen auf. Das Mass dieser Aberrationen ist ausser- chen haben, dann lässt sich die unerwünschte Krümmung der dem bei Linsen mit grosser Apertur grösser, insbesondere Bildebene noch dadurch eliminieren, dass man der durch die wenn das Objekt (Wandler) ein relativ grosses Feld einnimmt 45 Korrekturplatte 800a gebildeten Sammellinse eine Brennweite (was auf die Anordnungen nach den Fig. 6 und 7 zutrifft). gibt, die im wesentlichen gleich dem Abstand La zwischen der

Eine besonders unangenehme Aberration, die bei den Hauptebene der Korrekturplatte 800a und der Hauptebene der

Anordnungen nach den Fig. 6 und 7 auftritt, ist die Abbildung akustischen Linse 202 ist.

des flachen Wandlers 602 bzw. 702 in einer konkav gekrümm- Die Anordnung nach Fig. 6 arbeitet mit einer einfachen ten Fläche. Eine Möglichkeit zur Überwindung dieses Pro- so Linse 202, während die Anordnung nach Fig. 7 mit zwei beab-blems besteht darin, der Linse 202 in Fig. 6 bzw. den Linsen standeten Linsen 202a und 202b arbeitet. Wie in Fig. 8b ange-

202a und 202b in Fig. 7 passende komplexe Krümmungen zu deutet ist, gibt man der durch die Korrekturplatte 800b gebildegeben, die in an sich bekannter Weise durch computergesteu- ten Sammellinse, die mit dem Wandler 702 in Fig. 7 zusammen-erte Strahlengangermittlung herausgefunden werden können. wirken soll, eine Brennweite gleich dem Abstand Lb zwischen Die Herstellung akustischer Grossaperturlinsen mit derartigen 55 der Hauptebene der Korrekturplatte 800b und der näherliegen-komplexen Krümmungen ist jedoch schwierig und teuer. Eine den akustischen Linse 202a in Fig. 7, so dass die in die Linse einfachere und billigere Lösung ist in den Fig. 8a und 8b veran- 202a fallende akustische Wellenenergie in dem die Achse 212 schaulicht. umgebenden Mittenbereich dieser Linse konzentriert wird.

Gemäss Fig. 8a ist eine Korrekturplatte 800a in der gezeig- Ansonsten ist die in Fig. 8b dargestellte Anordnung im wesent-ten Weise zwischen dem Wandler 602 und der Linse 202 so liehen gleich mit der oben beschriebenen Anordnung nach angeordnet, und zwar so, dass sie praktisch in Berührung mit Fig. 8a.

G

3 Blatt Zeichnungen

Claims (33)

617269 PATENTANSPRÜCHE
1. (1-n) tan 9

   0,58-A (1-n) tan 9

   65

   1. Anordnung für eine nach dem Ultraschall-Impulsecho-verfahren arbeitende Anlage zur bildlichen Darstellung bestimmter Innenstrukturen eines mit Ultraschallwellen abgetasteten undurchsichtigen Objekts, mit einer akustischen Fokussierungseinrichtung und einer strahlbildenden Einrichtung, die einen Wandler zur Erzeugung und zum Empfangen aufeinanderfolgender Ultraschallimpulse und eine Strahlablenkeinrichtung enthält, wobei die akustische Fokussierungseinrichtung und die strahlbildende Einrichtung zusammenwirken, um die jeweils zu betrachtende Innenstruktur mit einem abtastenden fokussierten Strahl der gepulsten Ultraschallwellen anzustrahlen und nach einer dem Abstand zwischen dem Wandler und der betrachteten Innenstruktur proportionalen Zeitverzögerung einen Nutzsignalanteil der von der betrachteten Innenstruktur reflektierten Ultraschallenergie zu empfangen und zu erfassen, so dass von diesem Signalanteil Ausgangssignale abgeleitet werden können, welche die relativen Intensitäten jeweils einzelner Punkte des Bildes darstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Apertur (A in Fig. 2a) der akustischen Fokussierungseinrichtung (z. B. 202 in Fig. 2) während der Abtastung des Objekts im wesentlichen in fester Lage gegenüber dem Objekt bleibt, und dass der Wandler (206 in Fig. 2 und 3) fern sowohl von der Fokussierungseinrichtung als auch von der betrachteten Innenstruktur (28) angeordnet ist und als Nutzsignalanteil denjenigen Teil der reflektierten Ultraschallenergie empfängt und erfasst, der durch die akustische Fokussierungseinrichtung hindurch zum Wandler zurückkehrt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlbildende Einrichtung einen mit einem Ultraschallwellen-Fortpflanzungsmedium, z. B. Wasser, gefüllten Behälter (300 in Fig. 3) aufweist; dass mindestens ein Teil der Fokussierungseinrichtung (202) in einer Vorderwand des Behälters angeordnet ist; dass der Wandler (308) innerhalb des Behälters in einem gegebenen Abstand hinter der Fokussierungseinrichtung liegt und die Fokussierungseinrichtung mit einem Einfallsstrahl (204) der Ultraschallwellen beleuchtet;

   dass die Strahlablenkeinrichtung (302,304,310,312) die Winkelorientierung des Einfallstrahls gegenüber der akustischen Fokussierungseinrichtung steuert.
3. 3

   Wiedergabeeinrichtung (220 in Fig. 4b) vorgesehen sind, die mit der strahlbildenden Einrichtung gekoppelt sind und auf die abgeleiteten Ausgangssignale ansprechen, um eine dreidimensionale Darstellung der betrachteten Innenstruktur in Abhängigkeit von deren Abmessungen zu geben. 5

   3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Fokussierungseinrichtung eine akustische Linse (z. B. 202) aufweist, die eine numerische Apertur von mindestens 0,5 hat und sich in der Vorderwand des Behälters (300) befindet.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlablenkeinrichtung gebildet ist durch eine schwenkbare Aufhängung (310) des Wandlers (308) am Ende einer Welle (304) und durch eine Vorrichtung (302,312) zur Drehung der Welle mit einer relativ hohen Geschwindigkeit unter gleichzeitigem Kippen des Wandlers um sein Schwenklager mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit derart, dass die Winkelorientierung des Einfallsstrahls einem spiraligen Abtastweg folgt.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlablenkeinrichtung mindestens ein Paar Risley-Prismen (406 oder 408 in Fig. 4) aufweist, die vor dem Wandler (402) im Weg des Einfallsstrahls (204) liegen, und dass das eine Risley-Prismenpaar so orientiert ist, dass der Einfallsstrahl in einer gegebenen linearen Richtung (X oder Y) hin- und hergelenkt wird, wenn sich die Risley-Prismen dieses Paars gegensinnig zueinander drehen (410a, 410b oder 412a, 412b), und dass eine Vorrichtung (418) vorgesehen ist, um die Risley-Prismen des besagten Paars mit einer ersten Geschwindigkeit gegensinnig zueinander zu drehen.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung ausserdem ein weiteres Risley-Pris-menpaar aufweist, welches vor dem Wandler im Weg des Einfallsstrahls liegt und derart orientiert ist, dass der Einfallsstrahl eine lineare Hin- und Herbewegung in einer der gegebenen linearen Richtung senkrechten zweiten linearen Richtung erfährt, wenn die Risley-Prismen dieses weiteren Paars gegen-5 sinnig zueinander gedreht werden, und dass eine Vorrichtung vorgesehen ist, um die Risley-Prismen des weiteren Paars mit einer zweiten Geschwindigkeit gegensinnig zueinander zu drehen.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, io dass die zweite Geschwindigkeit um so viel höher als die erste

   Geschwindigkeit ist, dass der Einfallsstrahl eine einen X-Y-Raster beschreibende Ablenkung mit einer durch die erste Geschwindigkeit bestimmten Rasterfrequenz und einer durch die zweite Geschwindigkeit bestimmten Zeilenfrequenz i5 erfährt.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler einen Einfallsstrahl mit einer ebenen Wellenfront erzeugt.
9. 9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 20 dass die Ultraschallwellen eine gegebene Wellenlänge X haben und dass die Grössen der Parameter der akustischen Fokussierungseinrichtung in derartiger Relation zu dieser Wellenlänge stehen, dass der abtastende fokussierte Ultraschallstrahl eine Schärfentiefe bringt, die mindestens einigemal so gross wie die 25 Grösse des Fokussierungsflecks ist.
10. 10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungseinrichtung eine akustische Linse mit einer Apertur A und einer Brennweite f ist und dass der Durchmesser A des Fokussierungsflecks, die Ausdehnung A ' des

    3o kleinsten auflösbaren Details im dargestellten Bild und die Schärfentiefe 8 gemäss folgenden Gleichungen mit der Wellenlänge X, der Apertur A und der BrennweiteI verknüpft sind:

    35

    40

    A = 2 M1 A* = 1,^6

    A

    A f.

    A f\2

    <f = 4/W|)
11. 11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungseinrichtung ein akustisches Axicon

    45 (202a in Fig. 4a) ist.
12. 12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das akustische Axicon (202a) aus einem einen kegelförmigen Ausschnitt aufweisenden Block eines Materials besteht, dessen normierter Brechungsindex bezüglich seiner Umge-

    50 bung kleiner ist als 1, und dass die dem Durchmesser des Fokussierungsflecks entsprechende Fleckbreite und die dem Bereich der Schärfentiefe entsprechende Flecktiefe in folgender Beziehung zu der Wellenlänge X, dem Brechungsindex n, dem Winkel 0 zwischen der durch eine Axialebene definierten Mantellinie

    55 des kegelförmigen Ausschnitts und der Normalen zur Achse des Axicons und zum grössten Radius Ro des kegelförmigen Ausschnitts stehen:

    R

    60

    Flecktiefe =

    Fleckbreite=

    0
13. 13. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abbildungselektronik (218 in Fig. 4b) und eine Bild-
14. 14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlablenkeinrichtung den abtastenden fokussierten Strahl gemäss einem X-Y-Raster ablenkt und entsprechende Raster-Synchronsignale erzeugt, und dass die Abbildungselektronik und Bildwiedergabeeinrichtung ein Kathodenstrahl- io Sichtgerät enthalten, das entsprechend den abgeleiteten Ausgangssignalen intensitätsmoduliert wird, und dass zwischen die strahlbildende Einrichtung und das Kathodenstrahl-Sichtgerät eine Kathodenstrahl-Ablenksteuereinrichtung (420,422,430, 432,436,438,442,444) gekoppelt ist, um unter Berücksichti- 15 gung des Erzeugungszeitpunkts jedes Ultraschallimpulses und der Raster-Synchronsignale eine isometrische Darstellung

    (446) der betrachteten Struktur auf dem Kathodenstrahl-Sichtgerät zu geben.
15. 15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, 20 dass die Kathodenstrahl-Ablenksteuereinrichtung folgendes enthält:

    eine erste Schaltung (430,432,438) zur Erzeugung eines Sägezahnsignals (440) nach der Abgabe jedes der aufeinanderfolgenden Ultraschallimpulse zu einer Zeit, während der ein 25 Nutzsignalanteil des fokussierten Strahls aufgrund der Tiefe der genannten Innenstruktur empfangen wird;

    eine zweite Schaltung (442) zur Ableitung eines ersten Signals, welches gleich der Summe zweier Komponenten ist, deren erste (424) ein die augenblickliche Position des abtasten- 30 den fokussierten Strahls in der X-Richtung angebender Analogwert ist und deren zweite (440) dem Sägezahnsignal proportional ist;

    eine dritte Schaltung (444) zur Ableitung eines zweiten Signals, welches gleich der Summe einer dritten und einer vier- 35 ten Komponente ist, wobei die dritte Komponente (428) ein die augenblickliche Position des abtastenden Strahls in der Y-Rich-tung angebender Analogwert ist und die vierte Komponente proportional dem Sägezahnsignal (440) ist;

    eine vierte Schaltung, welche das erste Signal an das Katho- -to denstrahl-Sichtgerät (220) legt, um die Kathodenstrahlablen-kung in diesem Gerät in einer der X-Richtung entsprechenden ersten Richtung zu steuern; und eine fünfte Schaltung, welche das zweite Signal an das Kathodenstrahl-Sichtgerät legt, um die Kathodenstrahlablen- 45 kung in diesem Gerät in einer Richtung zu steuern, die zur besagten ersten Richtung senkrecht ist und der Y-Richtung entspricht.
16. 16. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlablenkeinrichtung mindestens eine Folge von m so aufeinanderfolgenden Ablenkungen jeweils über den gesamten X-Y-Raster bewirkt, und dass die Abbildungselektronik (218 in Fig. 4b) und Bildwiedergabeeinrichtung (220) folgendes enthalten: .

    ein Kathodenstrahl-Sichtgerät; 55

    eine erste Schaltungsanordnung (514 in Fig. 5) mit einer veränderbaren Verzögerungseinrichtung (516-1,516-2 usw., in Fig. 5a), die mit dem Kathodenstrahl-Sichtgerät gekoppelt ist, um während jeder der aufeinanderfolgenden Rasterabtastungen eine C-Darstellung des Teils der betrachteten Struktur aus 60 einer jeweils anderen sich in Längen-und Breitenrichtung erstreckenden ausgewählten Ebene der Innenstruktur zu geben, wobei die verschiedenen C-Darstellungen längs einer Linie zueinander versetzt sind, die schräg zu der bei der C-Darstellung verwendeten Ablenkrichtung verläuft, und wobei das 65 Mass dieser Versetzung und die Tiefenlage der jeweils ausgewählten Ebene eine im wesentlichen lineare Funktion des von der veränderbaren Verzögerungseinrichtung bewirkten Ver-

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    zögerungsmasses ist; und eine zweite Schaltungsanordnung (520), die das Mass der von der Verzögerungseinrichtung bewirkten Verzögerung entsprechend der Ordnungszahl jedes der m Rasterabtastungen in der Reihe bestimmt.
17. 17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schaltungsanordnung (520) das Mass der Verzögerung zwischen den aufeinanderfolgenden m Rasterabtastungen jeweils um im wesentlichen gleiche diskrete Schritte erhöht.
18. 18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der untereinander gleichen Schritte bei der Erhöhung der Verzögerung einem Schritt in zunehmende Tiefe der Innenstruktur entspricht, dessen Länge nicht grösser ist als die Grösse des kleinsten im dargestellten Bild noch aufzulösenden Details.
19. 19. Anordnung nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (602 in Fig. 6) in einem Bereich sitzt, wo das Objekt durch die Fokussierungseinrichtung abgebildet wird, und dass der Wandler eine erste Gruppe aus y beabstan-deten parallelen Elektroden (608-1... 608-y) aufweist und eine zweite Gruppe aus x beabstandeten parallelen Elektroden (610-1... 610-x) enthält, die senkrecht zu den Elektroden der ersten Gruppe verlaufen und mit diesen Elektroden insgesamt x-y verschiedene Kreuzungspunkte als Bildabfragepunkte bil- „ den, wobei x und y gegebene ganze Zahlen sind, und dass die Fokussierungseinrichtung folgendes enthält:

    eine erste Schaltung (616), die jede Elektrode der ersten Gruppe eine gewisse Zeit nach der Erregung der vorangehenden Elektrode der ersten Gruppe erregt, so dass alle Kreuzungspunkte einer gerade erregten Elektrode gleichzeitig Ultraschallenergie erzeugen und nach der besagten Zeitverzögerung gleichzeitig entsprechende Nutzsignalanteile des fokussierten Strahls empfangen und erfassen, wobei die besagte gewisse Zeit mindestens gleich der besagten Zeitverzögerung ist;

    eine Vielzahl von Abfragespeichern, die wahlweise mit einzelnen Elektroden der zweiten Elektrodengruppe parallelgeschaltet werden, wenn Nutzsignalanteile des fokussierten Strahls entsprechend den einzelnen Kreuzungspunkten jeder Elektrode der ersten Gruppe empfangen und erfasst werden, wobei die einzelnen Abfragespeicher jeden Bildabfragewert der gerade mit ihnen parallelgeschalteten Elektrode der ersten Gruppe getrennt speichern; und eine zweite Schaltung zum seriellen Auslesen aller einzeln gespeicherten Bildabfragewerte in einer der Einspeicherung unmittelbar folgenden Zeitperiode, die nicht länger als die besagte gewisse Zeit ist.
20. 20. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bild der betrachteten Innenstruktur in mindestens einem Raster dargestellt wird, der eine erste Anzahl von Gruppen von Bildpunkten hat, wobei jede dieser Gruppen eine zweite Anzahl einzelner Bildpunkte enthält;

    dass die Strahlablenkeinrichtung eine Anordnung (502, 512-1... 512-n, 516-1... 516-n, 520,522) aufweist, um eine ganze Gruppe von Bildpunkten in einer ersten Zeitspanne (Ts) abzutasten, die nicht grösser als die besagte Zeitverzögerung (TR) ist;

    dass die Nutzsignalanteile des fokussierten Strahls, die den einzelnen Bildpunkten irgend einer der besagten Gruppen entsprechen, innerhalb der Dauer einer zweiten Zeitperiode (Tx) empfangen und erfasst werden können, die gleich der Summe der ersten Zeitperiode (Ts) und der besagten Zeitverzögerung (TR) ist, und dass ein Raster in einer dritten Zeitperiode dargestellt werden kann, die gleich ist einem der ersten Anzahl entsprechenden Vielfachen der zweiten Zeitperiode.
21. 21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlablenkeinrichtung während jedes Bildrasters den fokussierten Strahl in einem X-Y-Raster ablenkt, der aus

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    einer der ersten Anzahl entsprechenden Anzahl von im wesentlichen parallelen Ablenkzeilen besteht, deren jede sich im wesentlichen linear in einer ersten Richtung erstreckt und einer gesonderten der besagten Gruppen entspricht und die zueinander in einer der ersten Richtung im wesentlichen senk- s recht verlaufenden zweiten Richtung angeordnet sind.
22. 22. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahl-Ablenkeinrichtung voneinander distanzierte Elektroden (512-1... 512-n) in einer gegebenen Verteilung enthält, die mit dem Wandler (500) zusammenwirken, um die Ablenkung des fokussierten Strahls in mindestens einer (X) der beiden Richtungen (X und Y) entsprechend der Erregung der einzelnen der genannten Elektroden zu steuern, sowie eine Einrichtung (516-1... 516-n, 520,522) zur Steuerung der Erregung der einzelnen Elektroden. 15
23. 23. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der voneinander distanzierten Elektroden ein phasengesteuertes Wandlerfeld bildet und dass die Strahlablenkeinrichtung folgendes enthält:

    eine mit den genannten Elektroden gekoppelte Phasenver- 20 zögerungseinrichtung (516-1... 516-n) ;

    eine erste Schaltungsanordnung (520,522), die nur während eines ersten Teils jeder zweiten Zeitperiode eines Rasters wirksam wird, um den genannten Elektroden über die veränderbare Phasenverzögerungseinrichtung relativ zueinander phasenver- 25 zögerte Erregungsimpulse zuzuführen, wobei der besagte erste Teil der zweiten Zeitperiode eines Rasters gleiche Länge wie die erste Zeitperiode hat, so dass der fokussierte Strahl innerhalb einer ersten Zeitperiode eine Ablenkzeile des Rasters durchläuft; 30

    eine zweite Schaltungsanordnung (520), die nur während eines zweiten Teils jeder zweiten Zeitperiode, in der ein der Ablenkzeile zugeordneter Nutzsignalteil empfangen und erfasst wird, wirksam ist, um die Ausgangssignale von den genannten Elektroden über die veränderbare Phasenverzöge- 35 rungseinrichtung abzuleiten.
24. 24: Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung ferner ein Paar Risley-Prismen (502. 504) zur Steuerung der Ablenkung in der zweiten Richtung enthält. 40
25. 25. Anordnung nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandleranordnung (702 in Fig. 7) in einem Bereich liegt, wo das Objekt durch die Fokussierungseinrichtung abgebildet wird und dass der Wandler folgendes enthält: eine erste und eine zweite Erregungselektrode (710-1,710-2) zur Erzeu- 45 gung von Wellen, die sich parallel zueinander im wesentlichen linear in eine erste Richtung erstrecken und einen bestimmten Abstand (2s) voneinander haben, und eine geradlinige Reihe bildpunkterfassender Fühlelektroden (712-1... 712-x), die sich in der besagten ersten Richtung erstreckt und in der Mitte zwi- so sehen der ersten und der zweiten Erregungselektrode liegt, so dass alle Fühlelektroden denselben gegebenen Abstand (s) von der ersten Erregungselektrode wie von der zweiten Erregungselektrode haben;und dass die Fokussierungseinrichtung für den Ultraschallstrahl 55 zwei Risley-Prismen (504) enthält, die sich gegensinnig zueinander mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit drehen, um den fokussierten Strahl in einer zur besagten ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung abzulenken, wobei die vorbestimmte Geschwindigkeit in derartiger Relation zu dem besagten gege- 60 benen Abstand steht, dass die Fühlelektroden während einer bestimmten Halbumdrehung der Risley-Prismen den Nutzsignalanteil des von der ersten Erregungselektrode erzeugten fokussierten Strahls empfangen und während der anderen Hälfte der Umdrehung der Risley-Prismen den Nutzsignalan- 65 teil des von der zweiten Erregungselektrode erzeugten fokussierten Strahls empfangen.
26. 26. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet,

    dass die strahlbildende Einrichtung ferner eine mit der Drehung der Risley-Prismen synchronisierte Steueranordnung (718) enthält, um Erregungsimpulse mit einer gegebenen Wiederholungsperiode, die nicht kürzer ist als die besagte Zeitverzögerung, während der erstgenannten Halbumdrehung der Risley-Prismen an die erste Erregungselektrode zu liefern und während der anderen Hälfte der Umdrehung der Risley-Pris-men an die zweite Erregungselektrode zu liefern.
27. 27. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlbildende Einrichtung ausserdem einzelne Abfragespeicher (724) enthält, die wahlweise mit den einzelnen Fühlelektroden parallel geschaltet werden, wenn Nutzsignalanteile des fokussierten Strahls empfangen und erfasst werden, sowie eine Schaltungsanordnung, die als Ausgangssignal alle gespeicherten Bildpunkt-Abfragewerte in einer Zeitspanne unmittelbar nach der Einspeicherung seriell ausliest, wobei diese Zeitspanne nicht grösser als die besagte Wiederholungsperiode ist.
28. 28. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler eine im wesentlichen ebene Wandlerplatte (602 in Fig. 8a) aufweist, die gegenüber der Fokussierungseinrichtung (202) in eine Bildebene des Objekts angeordnet ist;

    dass die Fokussierungseinrichtung mindestens eine akustische Linse mit einer numerischen Apertur von mindestens 0,5 enthält, deren Aberration an sich dazu führen würde, dass die ebene Wandlerplatte in einer gekrümmten Fläche abgebildet wird;

    dass die strahlbildende Einrichtung zusätzlich eine Korrekturplatte (800a) enthält, die zwischen der Wandlerplatte und der akustischen Linse praktisch in direktem Kontakt mit der Wandlerplatte angeordnet ist und aus einem Material besteht, das für Ultraschallwellen einen bezüglich des umgebenden Mediums normierten Brechungsindex von kleiner als 1 hat und deren Dicke sich über ihren Querschnitt in vorbestimmter Weise derart ändert, dass die Korrekturplatte die Aberration im wesentlichen kompensiert, so dass die ebene Wandlerplatte in einer Ebene abgebildet wird.
29. 29. Anordnung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerplatte (602), die Korrekturplatte (800a) und die akustische Linse (202) in einem Ultraschallwellen-Fortpflan-zungsmedium, z. B. Wasser eingetaucht sind und dass die Wandlerplatte und die akustische Linse voneinander durch einen gegebenen Abstand (La) getrennt sind und dass der Brechungsindex und die Dickenänderung der Korrekturplatte jeweils so bemessen sind, dass die vom Wandler ausgesandte und die Korrekturplatte durchdringende Welle zur Mitte (804) der akustischen Linse hin konvergiert.
30. 30. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Linse (202) eine sphärische Oberfläche hat und dass die Dickenänderung der Korrekturplatte (800a) eine zur akustischen Linse hinweisende konkave sphärische Oberfläche mit einem Radius bildet, der der Korrekturplatte eine dem gegebenen Abstand im wesentlichen gleiche Brennweite gibt.
31. 31. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerplatte (602) eine akustische Impedanz hat, die sich wesentlich von derjenigen des Fortpflanzungsmediums unterscheidet, und dass das Material der Korrekturplatte (800a) eine akustische Impedanz hat, die zwischen derjenigen der Wandlerplatte und derjenigen des Fortpflanzungsmediums liegt.
32. 32. Anordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturplatte (800a) aus Aluminium besteht.
33. 33. Anordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturplatte aus einem Kunststoff besteht.