DE2506506A1 - Anordnung fuer untersuchungen mittels ultraschallschwingungen - Google Patents

Description

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"Anordnung für UntorsuchungGii mittels Ultraschall schwingungen".

Die Erfindung betrifft eine Anordming für UntorKuclmngßn mittels Ultraschallschwingungen eines in einer Analyseebenc P liegenden Körpoi^durelischnitts und enthält eine Anzahl Sciide-Umsetzor, deren Sende — riclituiig in der Ebene P liegt und welche Umsetzer a*if einer in der P-Ebene liegenden Ivlnie angeordnet sind, und eine Anzahl r.i .oh tungsabhängiger Eni])fangsurasetz»]', die derart angeordnet sind, dass sie durch Spicgo lref-1 .c>k ti on an Treimebeiion i in uiiter.suc:ht(;ii Kör-

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Empfangsrichtungen der Empfangsumsetzer in mindestens einer P'-Ebene liegen, die senkrecht auf der Linie von Sende-Umsetzern steht.

Die französische Patentschrift Nr. 1 497 h96 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung für Untersuchungen an Reflektionsflachen mittels Ultraschallschwingungen, welche Flächen stark verschiedene Krümmungen aufweisen, z.B. Oberflächen lebender Gewebe; insbesondere eignet sich diese Anordnung für die Topographieuntersuchungen von Organen, die sich im Inneren des menschlichen Körpers befinden, um auf diese Weise eine Diagnose zu stellen. Db erwähnte Patentschrift beschreibt ein Verfahren, nach dem eine Sendeanordnung Ultraschallwellen nach dem zu untersuchenden Organ aussendet und ei.'i Teil der reflektierten Wellen in einer Empfangsanordnung aufgefangen wird; die Sendeanordnung enthält eine Reihe ungefähr punktf öi'iniger Sende-Umsetzer, die nacheinander Impulse aussenden, die einen schmalen Strahl bilden, welche Strahlen zusammen einen nahezu flachen Sendebereich bilden. Die Empfangsanordnung enthält eine Reihe ungefähr punktförmiger Empfangsumsetzer, die einen ungefähr flachen Empfangsbereich bilden, der den Sendebereich schneidet. Einige Empfangsumsetzer empfangen die Ultraschallwellen, die im Empfangsbereich und auf der Schnittlinie des Sonde-

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bereichs reflektiert werden, und dor Empfangsbereich kann in der Ebene des betreffenden Durchsclmitts des zu untersuchenden Organs verschoben werden. Die Positionen der verschiedenen Echopunkte werden eineraeits aus den Koordinaten der Sende-Umsetzer und Empfangsumsetzer, die zur Bildung eines Echosignals beitragen, und andererseits aus der Laufzeit der Ultraschallwelle zwischen Sende-Umsetzer und Einpf angsunisetzer ermittelt. Bei dieser Anordnung er— folgt die Abtastung mechanisch.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Vorteile der bekannten Anordnung ohne mechanische Abtastung zu erreichen.

Die erfindungsgemässe Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsumsetzer mit Anschlüssen verbunden sind, wobei alle mit einem einzigen gemeinsamen Anschluss verbundenen Empfangsumsetzer zusammen ein Empfangselement bilden und sich jedes Empfangselement längs einer senkrecht auf der P-Ebene stehenden Linie erstreckt derart, dass es eine Anzahl P'-Ebenen gibt, die je mindestens ein Empfangselement enthalten, während weiter Mittel zum Erregen eines jeweiligen Sende-Umsetzers mit einem Ultraschall-Sendeerrerungsirapuls sowie Mittel zum aufeinanderfolgenden Erregen bestimmter EmpfangsuKsetser in deiE .jedem SendoerreguEgsimpuls

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nachfolgenden Zeitintervall vorgesehen sind, während ebenfalls eine Bildwiedergabeanordnung mit einer Bildfläche sowie Mittel zum Formen eines Bildes auf der Bildfläche angeordnet sind, welche bildformende Mi ttel mit den Mitteln zum Erregen der Empfangsmuster derart gekoppelt sind, dass jedes einen erregten Empfangsumsetzer erreichende Echosignal die Formung eines Bildelements an einer derartigen Stelle in der Bildfläche verursacht, dass die Bildelemente zusammen eine Abbildung reflektierender Ebenen im untersuchten Körper, die die P-Eberie schneiden, bilden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 die GrundanOrdnung der Sender und der Empfangsstruktur nach der Erfindung,

Fig. 2 schematisch die praktische Anordnung der Elemente nach Fig. 1 sowie ein Ausführungsbeispiel der damit zusammenarbeitenden Schaltungen, und

Fig. 3 eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 2.

In einer mit der Zeichenebene der Fig. 1 zusammenfallenden Ebene P befinden sich, η Ultraschall-Sende-Uinsetaex' e': bis en. Jeder- dieser Sende-Umsetzer ist derart ang&or-cl.^&'fc, class seine Sender-xclitung in der- P—Ebene liegt} was bedeutet, dass

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sich der vom Sende—Umsetzer ausgesandte (im allgemeinen Tächerf öi*mige) Strahl in dieser Ebene in verschiedenen Richtungen fortpflanzt und dass insbesondere die Achse dieses Strahls in der P-Ebene liegt.

- Fig. 1 zeigt ebenfalls teilweise die Empfangsstruktur, die mit den η Sende-Umsetzern zusammenarbeitet. Diese Struktur enthält eine Anzahl Anschlüsse t, von denen nur vier ti, t2, t3 und th dargestellt sind. Jeder Anschluss ist mit einem Empfangselement verbunden: jedes Empfangselement gehört zu einer Gruppe von Empfangselementen, die in einer senkrecht auf der P—Ebene und auf der Reihe von Sende-Umsetzern stehenden P'-Ebene liegen. Es

und
gibt m Gruppen (m \, n) / somit auch P'-Ebenen, von denen in Fig. 1 vier dargestellt sind (P'I, P¹II, P¹III, P'IV), in denen sich die Gruppen mit den Empfangselementen befinden, die mit den oben erwähnten Anschlüssen t1...t4 verbunden sind. Jedes Empfangselement liegt gleichfalls in einer P''-Ebene, die senkrecht auf den P- und P'-Ebenen steht; die dargestellten Empfangselemente befinden sich in nur zwei P¹'-Ebenen: die mit den Anschlüssen ti und th verbundenen Einpfangselemente liegen in der P¹'e-Ebene, die auch die Reihe "von Sende—Umsetzern enthält, und die mit den Anschlüssen t2 und t3 verbundenen Empfangselemente liegen in

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der P¹'g-Ebene.

Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, dass jedes Empfangseloment faktisch zwei Empfangsumsetzer enthält, die zur P-Ebene symmetrisch liegen. So bilden z.B. die Empfangsumsetzer r1A und r1B das mit dem Anschluss ti verbundene Empfangselement, usw. Der Vorteil der dargestellten Struktur wird weiter unten erläutert.

Auf der Schnittlinie der P-Ebene und der P'III-Ebene ist eine Trennebene ss der Struktur eines Körpers angegeben, von dem ein in der P-Ebene liegender Querschnitt untersucht werden muss. Wenn in einem bestimmten Augenblick T der Sende-Umsetzer e2 erregt wird und dadurch ein impulsförmiger Ultraschallstrahl fe a.usgesandt wird, pflanzt sich dieser Strahl in der angegebenen Richtung in der Analyseebeno Γ fort. Der Strahl fe erreicht die Ebene ss und löst damit ein Echosignal aus, das in der P'III-Ebene in einer Richtung zurückgestrahlt wird, die mit der Schnittlinie der P- und P'III-Ebenen einen Winkel bildet, dessen Wert und Richtung vom Neigungswinkel der Trennebene ss abhängig sind. Ζλίβΐ mögliche Echostrahlen fa1 und fa2 sind in Fig. 1 dargestellt. Daraus ergibt sich der Vorteil der Anordnung zweier Empfangsumsetzer, die zur P-Ebcne symmetrisch und mit einem einzigen Anschluss

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verbunden sind;- bei. einem gegebenen Neigungswinkel der Ebene ss wird richfrungsunabhänglg von der Orientierung der Ebene ss gegen die P—Ebene ein Echosignale aufgefangen.

Wenn nun angenommen sei, dass c die Schallgeschwindigkeit im Medium zwischen e2 und ss, χ der Abstand zwischen dem Sende-Umsetzei* e2 und der

P«III-Ebene,
■y der Abstand zwischen den mit dem Anschluss t3 ver— bundenen Empfangsumsetzern r3A bzw. r3B einerseits

und der P-Ebene andererseits, und ζ der Abstand zwischen der P^1!g—Ebene und der P¹'e—

Ebene ist,
und wenn angenommen sei, dass im Augenblick T + t ein Echosignal aii Anschluss t3 erscheint, so kann durch Dreiecksberechnung der Abstand h zwischen der Ebene ss und der Linie der P-Ebene, die die Reihe von Sende-Umsetzern enthält, ermittelt werden:

h = f(c, t, x, y, z) (1)

Faktisch und auch gemäss Fig. 2 wird die Empfangsstruktur vorzugsweise und nach der einfachsten Lösung durch ein flaches Mosaik M gebildet, das in der die Reihe von Sende-Umsetzern enthaltenden P'^!G-Ebene liegt. In diesem Falle enthält die Formel (1) keine von ζ abhängigen Terma. Ih der-Fig, Zg deren Zeichenebene sit dox· F^iCe—ISbone dos*

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Fig. 1 zusammenfällt, enthält dieses Mosaik M also

in Spalten (c1, c2 cm) und (2r + 1) Zeilen,

nämlich die Senderreihe 1o und 2r Empfänger HA, 12A... IrA und HB, 12B...lrB, die in bezug auf die Senderreihe symmetrisch vorteilt sind. Im dargestellten Beispiel ist die Anzahl der Sonde-Umsetzer η gleich der Anzahl von Spalten m und jede Spalte enthält einen einzigen Sende-Umsetzer. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen möglich.

Die Enipf angsums etz er jeder Spalte sind mit r Anschlüssen ti, t2. . . tr verbunden, wobei ,jeder Anschluss mit zwei Empf arigsuinsetzern verbunden ist, die in bezug auf den Sende-Umsetzer dieser Spalte symmetrisch liegen. Diese zwei Empfangsumsetzer (z.B. r1A(i) und r1B(i)) bilden zusammen ein Empfangs element , so dass das Mosaik r χ πι Empf an gs elemente enthält, die je durch eine Spaltennummer (von 1 bis m) und durch eine Zeilennuraraer (von 1 bis r) gekennzeichnet sind.

In Fig. 2 ist gleichfalls eine Stauereinheit B dargestellt. Sie liefert folgende Impulse und Signale:

— Synchronimpulse s, durch die ein Generator G mit Zeitintervallen T Ultraschallimpulsfolgen iu aussendet;

- ein Signal ae (Senderadresse), durch

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das eine Auswahlschaltung DA hintereinander die Sende-Umsetzer e1...em auswählt, um auf jeden dieser Sende-XTmsetzer r Ultraschallimpulse zu übertragen (nämlich eine Impulszahl gleich der Anzahl von Anschlüssen pro Spalte oder gleich der Anzahl von Doppelzeilen des Mosaiks);

- ein Signal al (Zeilenadresse), durch das den m Spalten zugeordnete Auswahlschaltungen MA.1 bis MAm im Zeitintervall T, das dom Zuführen eines Ultraschallimpulses an einen Seiido-Uinsetzer folgt, auf einer einzigen Zeile liegende Empfangselemente, beispielsweise die Zeile d des Mosaiks, erregen; jeder Sendo-Umsetzex* empfängt also hintereinander r Ultraschallimpulse, wobei die jeweils mit einem der Anschlüsse ti bis tr (im Beispiel der Anschluss. td) verbundenen Empfangselemente erregt sind;

- ein Signal ac (Spaltenadresse), durch das eine ultrasclmclle Auswahlschaltung DU, die mit den Ausgängen der analogen Auswahlschaltungen MA1 bis MAm gekoppelt ist, in jedem dor S Teilintervallo T/S, in die das Zeitintervall T geteilt werden kann, das einem Ultraschallinvpuls mit der Rangordnung d folgt, der einem Sende-Umsotzer mit der Rangordnung e ziigeführt wird, hintereinander die Empfangs elemente erliegt, die im Mosaik in doi" Zeile d und in q Spalten liegen, die sich an beiden

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Seiten der den Sende-Umsetzer mit der Rangordnung e enthaltenden Spalte befinden.

Der oben beschriebenen Vorgang ist in der

Tabelle 1 schematisch wiedergegeben. Mit Hilfe der in Fig. 2 nicht dargestellten Zähler I, II und III kann die zu wiederholende Anzahl der verschiedenen Teilprogramme kontrolliert werden.

Die Synchronimpulse s und die Signale ae,

al, ac werden auf eine Recheneinheit C übertragen, die einer nicht dargestellten Kathodenstrahlröhre Signals für die Abtastung des Schirmes dieser Röhre in X- und Y-Richtung zuführt. Die Abtastung in der X-Richtuiig erfolgt mit einer Periode T/S und die Abweichung h in der Y-Richtung entspricht dem Ausdruck:

\/. 2 2 22V2 ~2Z

b _ VMc t - χ -y) - kx. y

2ct

Hierin ist

c die Schallgeschwindigkeit im betreffenden Medium, t die Zeitspanne nach dem Aussenden des letzten synchronisierten Impulses iu,

χ der Abstand zwischen dem von diesem iu-Impuls gesteuerten Sende-Umsetzer einerseits und der das erregte Empfangselement enthaltenden Spalte anderseits,
y der Abstand zwischen der Reihe von Sende-Umsetzern

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und der das erregte Empfangselement enthaltenden Reihe,

Die von der ultraschnellen Auswahlschaltung DU ausgewählten Signale gelangen an die Steuer elektrode ¥ der Kathodenstrahlröhre, welche Elektrode normalerweise den Elektronenstrahl in der Röhre sperrt und ihn freigibt, wenn dieser Elektrode Signale zugeführt werden, die den Empfang eines Echosignals an der Stelle des erregten Empfangselements bedeuten.

Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, dass das in der Kathodenstrahlröhre vom Elektronenstrahl aufgebaute Bild für jeden Sende-Umsetzer aus r Gruppen von je S parallelen, in X~Richtung verlaufenden Linien besteht,, Die Bildbreite gibt den Ab- stand zwischen den beiden Enden der q erregten Spalten wieder. Jede Linie wird während einer Erregungsreihe der q Spalten abgetastet.

Die S Linien einer Gruppe werden zwischen zwei ausgesandten Impulsen iu, also während des Intervalls T, abgetastet. Jede folgende Linie gibt also Echosignale aus einer grösseren Tiefe als die vorherige wieder, indem seit dem Aussenden des eirsten der erwähnten Impulse in eine längers Zelt vergangen ist; eine Tiefe' Null (die erste Linie) entspricht einem Echo dor P^ä'e-Essne,'die die

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Reihe von Sende-Umsetzern enthält. Der Wert r (Anzahl von Doppelzeilen) bestimmt die Grenzen, zwischen denen sich die Neigung der Trennebenen befindet, die den Empfang eines Echosignals verursachen.

Der Fortschritt in X-Richtung der Fig. 1, der durch das aufeinanderfolgende Auswählen der Sende—Umsetzer e1...em verursacht wird, führt zum vollständigen Abtasten eines Bildes, das jenem Teil der P-Ebene entspricht, in dem der untersuchte Durchschnitt des zu untersuchenden Körper liegt. Es leuchtet ein, dass das Bild aus Linienstücke aufgebaut ist, die mit je einem kleinen Teil einer Berührungslinie an dem Oberflächenteil entsprechen, der das Echosignal auslöste.

In Fig. 3 ist schematisch eine Abwandlung dargestellt, von der zunächst das Prinzip erläutert wird. Diese Abwandlung vereinfacht die Signalwirkung, denn dadurch ist die Mögiieiikeit gegeben, entweder nur eine Abtastung für die Empfangsumsetzer der verschiedenen Zeilen durchzuführen, oder die Emp— f ängersignale, für die χ den gleichen Wert, y jedocl: verschiedene Werte hat, gleichzeitig zu verai'beiten» Dies erfordert die Bestimmung einer Funktion /i tj (i, x_s y)» oie derart ist, dass ϊι (t - dl t- :--., ■;-; = h(t, ::, yo) (2)

so dass durch die Vs^sogertmg des Signals um einen 10 ο fi *\ ** / 0 'ΐ* Ρ ^r-

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/Γ .

Betrag /xt das Signal betrachtet werden kann, als käme es aus der Reihe yo. In diesem Falle "beantwortet die Abtastung des Schirmes der Kathodenstrahlr(ihre dem Ausdruck

h = f(c, t, x, yo)

und die Echosignale aller Zeilen werden gleichzeitig sichtbar.

Obige Gleichung (2) ist nicht beliebig . -· verwirklichbar, jedoch gibt es die Möglichkeit, eine Δ t Funktion zu" finden, mit der die Gleichheit auf eine ausreichende Weise angenähert und das Auflösungsvermögen von Ultraschalls}Btemen berücksichtigt wird.

Nach den Ergebnissen eines Rechenbeispiels können für yo und Δ t folgende ¥erte ausgewählt werden:

yo = 0, und

. 2/2.
t = y /ct.

Fig. 3 enthält einige Schaltungen ent-' sprechend Schaltungen in Fig. 2 und mit den gleichen Bezugsangaben, die Steuereinheit B, die Recheneinheit C, die ultraschnelle Auswahlschaltung DU, den. ) Ultraschallgenerator G und die Auswahlschaltung DA.

Beim Ausgang des Mosaiks M sind die An-Schlüsse t11 bis trm mit einer Ganzheit von (m χ r) Phasenverschiebungsregistern RD verbunden, d.h. mit einem Register für jedes Empfangselement. Die Pha-

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senverschiebungsregister werden von einem Phasenverschiebungssignal cd gesteuert, das von einer Recheneinheit C geliefert wird. Die aus einer Spalte herrührenden Empfangssignale erscheinen gleichzeitig am Ausgang der Phasenverschiebungsregister, die den Empfangselementen dieser Spalte zugeordnet sind. Die Ausgänge dieser Register sind mit den Eingängen der Summenerzeugungsanordnung AD1 für.die Spalte 1, AD2 für die Spalte 2, ...ADm für die Spalte m verbunden. Die Auswahl der unterschiedlichen Spalten erfolgt auf gleiche Weise wie in Fig·. 2 mit Hilfe der Auswahlschaltung DU.

Dies bedeutet in der Tabelle 1, das nach dem Aussenden eines einzigen Impulses iu vom ausgewählten. Sende-Unisetzer Erregungsreihen von je q Spalten auftreten (vom Zähler I geprüft; ungeändert), was jedoch nach dem gleichzeitigen Erregen aller Reihen einer Spalte geschieht, so dass das Zählen der Anzahl von Doppelzeilen (Zähler II) entfällt.

Unter Berücksichtigung gewisser Einschränkungen (Bildzahl pro Sekunde am Schirm der Kathodenstrahlröhre, Abtastzeit für die Auswahlschaltung DU, Sondierungstiefe, usw.) kann die Erfindung beispielsweise als ein Mosaik mit 2k Sende-Umsetzern, 24 Spalten und k Doppelzeilen ausgeführt werden. Die Anzahl von auswählten Spalten q beträgt

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z.B. 15> also 7 Spalten an beiden Seiten der den gesteuerten Sende-Umsetzer enthaltenden Spalte.

- Maximale Empfangszeit nach jeder Sendung: 200 /US mit einer Totzeit von 300 /us zur Vermeidung parasitärer durch mehrfache Reflektionen verursachter Echosignale.

- Aufbauzeit für ein vollständiges Bild: h8 ms (also etwas mehr als 20 Bilder pro Sekunde).

Für die beiden beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemässen Systems wurde als die Anzahl von Erregungsreihen S der Wert 200 und als Dauer jeder Reihe 1 /US gewählt.

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Claims (2)

FPHF 7 4 10.2.75 PATENTANSPIiUCHE:

1.) Anordnung für Untersuchungen mittels Ultraschallschwingungeii eines in einer Analyseebeno P liegenden Körperdurchschnitts, mit einer Anzahl von Sende—Umsetzern, deren Senderichtung in der P—Ebene liegt und welche Seride-Umsetzer auf eine in der P-Ebene liegenden Linie angeordnet sind, und mit einer Anzahl richtungsabhängigor Empfangsumsetzer, die derart angeordnet sind, dass sie durch Spiegelreflektion an Trennebenen im untersuchten Körper gebildete Echosignale auffangen können, xirobei die Empfangsrichtungen der Empfangsumsetzer in mindestens einer P'-Ebene liegen, die senkrecht auf der Linie von Sende—Umsetzern steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsumsetzer (r1A, r1B, ··.) mit Anschlüssen (ti, «··) verbunden sind, wobei alle mit einem einzigen gemeinsamen Anschluss verbundenen Empfarigsumsetzer zusammen ein Empfangselement bilden und sich jedes Empfangselement längs einer senkrocht auf der P-Ebene stehenden Linie dex^art erstreckt, dass es eine Anzahl P'-Ebencn gibt, die je mindestens ein Empfangselement enthalten, während weiter Mittel zum Erregen eines jeiveiligen Sende-Umsetzers (el, e2, ...) mit einem Ultraschall-Sendeerregungsimpuls sowie Mittel zum aufeinander— folgendem Erregen bestimmter Empfangsumsotzer in

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ORIGINAL

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dem jedem Sendeerregungsimpuls folgenden Zeitintervall vorgesehen sind, während ebenfalls eine Bildwiedergabeanordiiung mit einer Bildfläche sowie Mittel zum Formen eines Bildes auf der Bildfläche angeordnet sind, welche bildformende Mittel mit den Mitteln zum Erregen der Empfangsumsetzer derart gekoppelt sind, dass jedes einen erregten Empfangsumsetzer erreichende Echosignal die Formung eines Bildele— merits an einer derartigen Stelle in der Bildfläche verursacht, dass die Bildelernente zusammen eine Abbildung reflektierender Ebenen im untersuchten Körper, die die P-Eberie schneiden, bilden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erapfangsumsetzer ein flaches Mosaik bilden, das in einer die Sonde-Umsetzer— reihe enthaltenden P¹'-Ebene liegt. 3· Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das flache Mosaik eine Rechteclcform atifweist und eine gerade Anzahl von Empfangsumset— zerreihen enthält, die je zwei und zwei in bezug auf die Reihe der Sende-Umsetzer symmetrisch sind, während jedes Empfangselement zwei Empfangsumsetzer enthält, die auf aen beiden Reihen eines derartigen symmetrischen Reihenpaares liegen ο

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