DE2630865B2

DE2630865B2 - Ultraschall-abbildungssystem

Info

Publication number: DE2630865B2
Application number: DE19762630865
Authority: DE
Priority date: 1975-08-07
Filing date: 1976-07-09
Publication date: 1977-12-08
Also published as: DE2630865A1; JPS5620866B2; FR2320560B1; US4005382A; JPS5220058A; CA1062802A; GB1557218A; FR2320560A1; NL7608280A; DE2630865C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Abbildungssystem mit einer Mehrzahl von in einer Linie angeordneten elektromechanischen Wandlerelementen, mit jeweils einem jedem Wandlerelement zugeordneten Verzögerungselement.

In einem solchen Abbildungssystem kann ein bestimmter Abfragewinkel und eine bestimmte Fokusdistanz für die Wandlerelemente dadurch erhalten werden, daß jedes der Wandlerelemente der Anordnung in einer passenden Zeitfolge gepulst wird, so daß die akustischen Impulse, die von jedem der Wandlerelemente abgegeben werden, alle am gewünschten Brennpunkt zum gleichen Zeitpunkt ankommen. Dieses Prinzip ist schematisch in Fig. i darge;>ieiu, wc die Wandleranordnung 10 aus einer nicht näher angegebenen Anzahl von einzelnen Wandlerelementen besteht, wobei das Element am linken Ende mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet ist, das Element am rechten Ende mit dem Bezugszeichen 20 und zwischen-

liegende Elemente der Anordnung mit den Bezugszeichen 12, .... 15 19. Das Element 15 repräsentiert

das Wandlerelement, das am oder in der Nähe des Zentrums der Anordnung angeordnet ist. Um einen akustischen Impuls auf den Punkt P zu fokussieren, der in einer Distanz von der Wandleranordnung 10 liegt, ist es notwendig, daß die von den einzelnen Wandlern abgegebenen Impulse alle gleichzeitig am Punkt P ankommen. Der akustische impuls vom Wandler 11 am linken Ende muß also zu einem Punkt B auf dem Impulsweg zum Brennpunkt P laufen, ehe das Wandlerelement 20 am rechten Ende angeregt wird, einen akustischen Impuls zu emittieren. Durch Verzögerung der elektrischen Anregung jedes der Wandlerelemente rechts vom Endeiement 11 um eine entsprechen de Zeitspanne ist es möglich, die Impulse von allen Wandlerelementen gleichzeitig zu einem Brennpunkt am Punkt P zu bringen. Der Brennpunkt P wird durch die Fokusdistanz /vom Zentrumselement 15 zum Punkt P und den Winkel θ zwischen der Normalen auf der Anordnung am Zentrumselement 15 und dem Weg vom Zentrumselement 15 zum Punkt P identifiziert.

In ähnlicher Weise ist es zum Betrieb der Wandleranordnuni* 10 im Empfangsbetrieb zur Fokussierung auf den Punkt P als Quelle für reflektierte Schallenergie notwendig, daß, wenn eine vom Punkt P reflektierte Wellenfront ihrerseits auf jedes der Wandlerelemente der Anordnung aufprallt, die dadurch von jedem der Wandlerelemente nacheinander erzeugten elektronischen Signale gleichzeitig von einem Empfänger detektiert werden. Beispielsweise wird im Fall der Fig. 1 ein vom Punkt Preflektiertes Signal gleichzeitig am Wandlerelement 20 am rechten Ende und am Punkt B auf dem Weg vom Punkt P zum Wandlerelement 11 am linken Ende ankommen. Das vom rechtsliegenden Wandlerelement 20 im Empfangsbetrieh erzeugte elektronische Signal muß deshalb während des Zeilin terval'äS verzögert werden, das die akustische Wellenfront auf dem Weg vom Punkt P zum linksseitigen Wandlerelement 11 benötigt, um die Distanz vom Punkt B zum Element 11 zu durchlaufen. Die von den zwischenliegenden Wandlerelementen der Anordnung 10 erzeugten elektronischen Signale müssen in ähnlicher Weise durch in geeigneter Weise zwischenliegende Zeitintervalle verzögert werden, ehe sie so kombiniert werden, daß sie ein kohärentes Bild des V-inkles P schaffen.

Verschiedene Techniken sind in bekannten Abbildungssystemen dazu verwendet worden, kohärente Verzögerungen zwischen den einzelnen Empfangselementen einer Wandleranordnung zu schaffen, um ein analoges elektronisches Bild der Quelle der reflektierten Wellen zu erhalten. Eine solche bekannte Technik ist in Fig. 2 dargestellt, wo die Wandlerelemente 11, 12,..., 20, die eine beliebige Anzahl von Wandlerelementen repräsentieren, in einer linearen Anordnung angeordnet sind, wobei das linksseitige Element mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet ist und das rechtsseitige Element mit dem Bezugszeichen 20. Jedes Wandlerelement ist über eine getrennte, variable Verzögerungsleitung 21, 22, ..., 30 mit einer Sende Empfangs-Einheit 31 verbunden. Die Sende-Hmpfangs-Einheit 31 ist so programmiert, daß sie elektrische Impulse zur Umwandlung in akustische Impulse an die einzelnen Wandlerelemente sendet und elektrische Impulse, die in den einzelnen Wandlerelementen durch reflektierte Ultraschallwellen erzeugt werden, empfangt. Die Verarbeitung der empfangenen Signale in der

U)

20

-e-Empfangs-Einheit 31 erfolgt während der RuhDerioden zwischen Impulsaussendungen. Der speziel-1 Verzögerungswert für jedes der variablen Verzögenineselemente 21, 22,.... 30 wird mit einer Steuerung «kontrolliert und wird durch den gewünschten Abfragewinkel für die Anordnung festgelegt Tvpischerweise haben die einzelnen Wandlerelemender Anordnung 10 einen Abstand von einer halben Wellenlänge. Diese Forderung wird durch den Wunsch h _guter Auflösung im optischen Sinne für die "b bildete Q_uelle reflektierter Schwingungen diktiert, nie variablen Verzögerungsleitungen konnten entwe-V_pr kontinuierlich variable Verzögerungswerte liefern ^Ultrasonics«, Juli 1968. S. 153-159) oder konnten V j_ta! _zwjschen verschiedenen diskreten Verzöge-Ümcrswerten umgeschaltet werden (»Acoustical Holography« Bd 5, New York 1974, S. 249-259). Die plektronische Schaltung, die dazu erforderlich war, kontinuierlich variable Verzögerungswerte zu schaffen, ist komplizierter als die Schaltung, mit der eine digitale Umschaltung zwischen diskreten Verzögerungswerten erhalten wird, und dementsprechend wird für die meisten praktischen Anwendungsfälle eine Umschaltungsanordnung vorgesehen, mit der eine digitale Umschaltung zwischen verschiedenen Verzögerungswerten möglich ist.

Für digital geschaltete Verzögerungsleitungen ist das Kriterium für gute Abbildung, daß der Phasenfehler, der bei irgendeinem bestimmten Wandlerelement hervorgerufen wird, kleiner ist als ± λ/8, wobei λ die akustische Wellenlänge der Ultraschallschwingung in dem Medium ist durch das sie läuft. Um dieses Kriterium zu erfüllen, sollte die Anzahl von Verzögemngswerten (oder Schritten) n, in Jie der dynamische Bereich eines bestimmten Verzögerungselementes aufgeteilt werden j kann, größer sein als

2 N sin 9_nu»,

wobei N die Gesamtzahl der Wandlerelemente in der Anordnung ist und Θ™, der maximale Lenkwinkel oder Abtastwinkel, gemessen von der Normalen zur Anordnung. Bei der Ableitung dieser Beziehung wurde angenommen, daß die Brennweite f der Anordnung groß gegenüber den Abmessungen der Anordnung ist und daß die Mittelpunkte benachbarter Anordnungselemente einen Abstand von λ/2 haben. Für eine typische Anordnung aus 32 Wandlerelementen und einem maximalen Lenkwinkel von 45 Grad erfordert dieses Kriterium für gute Bildauflösung, daß 46 oder mehr Verzögerungsschritte für jede der Verzögerungsleitungen vorhanden sind.

Eine andere bekannte Anordnung (»Neurology« 23 fill S. 1147-1159, 1973) zur Erzielung kohärenter Verzögerungen zwischen Wandlerelementen eines Ultraschallabbildungssystems ist in Fig.3 dargestellt, wo die Wandlerelemente 11,12,13,..., 20 wie in F i g. bezeichnet sind. Das linksseitige Wandlerelement 11 ist mit einer festen Verzögerungsleitung 21 verbunden, das rechtsseitige Wandlerelement 20 ist mit einer festen Verzögerungsleitung 30 verbunden, und die zwischenliegenden Wandlerelemente der Anordnung sind mit

getrennten festen Verzögerungsleitungen 22, 23

verbunden. Die Ausgar.gssignale von benachbarten festen Verzögerungsleitungen sind jeweils an je eine Stelle von variablen Verzögerungselementen angeschlossen. Beispielsweise sind Ausgangssignale von den festen Verzögerungsleitungen 21 und 22 mit den beiden Seiten eines Verzögerungselementes 40 gekoppelt. Die festen Verzögerungsleitungen 21, 22 und 23, .... 30 haben unterschiedliche Werte, wie durch die unterschiedlichen Längen in Fig.3 angedeutet ist. Wenn beabsichtigt ist, unter einem Winkel nach rechts zur Normalen der Anordnung abzutasten, ist die Verzögerung der variablen Verzögerungsleitungen 40,41 48

größer als der Unterschied der Verzögerung benachbarter fester Verzögerungsleitungen, so daß Signale zum und vom Wandler 20 stärker verzögert werden als Signale von anderen Wandlern zu seiner Linken. Die variablen Verzögerungselemente 40, 41,..., 48 werden von der Kontrolle oder Steuerung 35 kontrolliert. Das elektronische Signal, das vom rechtsseitigen Wandlerelement 20 erzeugt wird, wenn eine Ultraschallschwingungsfront, die von rechts läuft, unter einem Winkel θ gegenüber der Normalen auftrifft, läuft durch die feste Verzögerungsleitung 30 zum variablen Verzögerungselement 48. Wenn die Wellenfront weiterläuft, nachdem sie auf das rechtsseitige Wandlerelement 20 aufgetroffen ist, trifft sie aufeinanderfolgend auf jedes Wandlerelement zur Linken des rechtsseitigen Elementes 20. Das vom Wandlerelement 20 erzeugte Signal läuft durch die diesem zugeordnete feste Verzögerung 29 zur Leitung 39, wo es mit dem Ausgang des variablen Verzögerungselementes 48 kombiniert wird. Die Gesamtverzögerung des Signals vom Wandlerelement 20, die durch die feste Verzögerungsleitung 30 und das variable Verzögerungselement 48 hervorgerufen wird, ist ausreichend groß, um ihm zu erlauben, sich , phasenmäßig mit dem Signal vom Wandlerelement 19 zu kombinieren, nachdem dieses durch die feste Verzögerungsleitung 29 gelaufen ist. Die kombinierten Signale von den Wandlern 19 und 20 werden weiter durch zusätzliche variable Verzögerungselemente ver- -, zögert und mit Signalen von zwischenliegenden Wandlern kombiniert. Schließlich wird das vom linksseitigen Wandlerelement 11 gelieferte Signal an einem Punkt links vom variablen Verzögerungselement 40 in die Leitung 49 eingespeist und mit den Signalen ο kombiniert, die von den vorangegangenen Wandlerelementen geliefert sind.

Für fern fokussierte Ultraschallstrahlen, d. h. wo die Brennweite der Anordnung groß ist gegenüber den Abmessungen der Anordnung, ist der Unterschied der ι-, Sendezeit oder Laufzeit für zwei benachbarte Wandlerelemente durch den Ausdruck gegeben

γ = (d/c)sme,

wobei c/der Abstand zwischen benachbarten Wandler- -„, elementen ist, cdie Geschwindigkeit der Ultraschallwelle in dem Medium, durch das sie läuft, und θ der Lenkwinkel ist. Die maximale Differenz der Verzogerungszeit zwischen benachbarten Wandlei elementen ist

).„,.„. = (d/c) sin Θ,,,,,.

Wenn der Minimalwert für die Verzögerung der variablen Verzögerungselemente ausreichend klein ist, um vernachlässigbar zu sein, kann die Differenz der Verzögerungen für benachbarte feste Verzögerungselemente auf y™, gesetzt werden. Die maximal erforderliche Verzögerung der variablen Verzögerungselemente

beträgt dann 2 y,,,«· . . ,

Die Anzahl der Verzögerungswerte, die fur jedes

variable Verzögerungselement 40, 41 4» nacn

F i g 3 erforderlich ist, wird um den Faktor N/2 gegenüber der Anzahl von Verzögerungswerten reduziert die für jedes variable Verzögerungselement 21, 22 .'.., 30 im Fall der F i g. 2 erforderlich sind. Das

System nach F i g. 3 erfordert jedoch zusätzlich feste Verzögerungselemente 21, 22, 23, ..., 30. Der für die längste Verzögerung dieser Elemente erforderliche Wert beträgt wenigstens /Vy,,,,,,, wobei A/die Anzahl der Wandlerelemente der Anordnung ist. Die Kosten und die Qualität von Verzögerungsleitungen wird durch das Produkt Verzögerung · Bandbreite bestimmt. Die große Anzahl von festen Verzögerungsleitungen und variablen Verzögerungselementen, die bei den bekannten Systemen nach F i g. 2 und 3 erforderlich ist, und die Forderung nach großen Produkten Verzögerung ■ Bandbreite für diese festen Verzögerungsleitungen und einige der variablen Verzögerungselemente trägt erheblich zur Komplexität und zu den Kosten des Systems bei.

Aufgabe der Erfindung ist es, das eingangs erwähnte Abbildungssystem derart auszugestalten, daß eine erhebliche Herabsetzung der Anzahl von Verzögerungswerten möglich wird, die für jedes variable Verzögerungselement benötigt werden, daß die Notwendigkeit der Verzögerungswerte mit großen Produkten Verzögerung ■ Bandbreite beseitigt wird und daß keine festen Verzögerungsleitungen benötigt werden.

Prinzipiell geht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe von der Überlegung aus, daß keine kontinuierlich variablen Verzögerungselemente wie beim Stand der Technik benötigt werden, die auf exakte Verzögerungswerte eingestellt werden, um die Anordnung der ankommenden Wellenfront anzupassen, daß es vielmehr möglich ist, eine minimale Anzahl von Verzögerungsschritten für jedes variable Verzögerungselement zu erreichen, um das obengenannte Phasenkriterium zu erfüllen. Wenn der Minimalwert der Verzögerung für die variablen Verzögerungselemente 40, 41,..., 48 klein genug ist. um vernachlässigbar zu sein, ist die erforderliche Anzahl von Schritten π fur jedes variable Verzögcrungselement zur Erzielung einer guten Bildauflösung entsprechend dem obengenannten Kriterium

η = 4 sin O_n^,.

Bei der Ableitung dieses Ausdrucks wurde angenommen, daß der Abstand zwischen benachbarten Wand lerelementen λ/2 beträgt. Konkret wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst. Spezielle Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt

F i g. 1 eine Skizze zur Veranschaulichung des Auftreffens einer Ultraschaliwellenfront auf ein bekanntes Ultraschallabbildungssystem.

F i g. 2 ein Blockschaltbild eines bekannten Ultraschallabbildungssystems.

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines anderen bekannten speziellen Ultraschallabbildungssystems,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Ultraschallabbildungssystems nach der Erfindung und

Fig. 5 ein detaillierteres Blockschaltbild eines Ultraschallabbildungssystems nach der Erfindung.

Die Erfindung ist in Form eines Blockschaltbildes in

F i g. 4 dargestellt. Die Wandlerelemente 11, 12. 13

20 sind als lineare Anordnung dargestellt, wenn auch anerkannt wird, daß Vorteile bei zweidimensionalen •\r,iirJ.ni:Piien erreicht werden, insbesondere bei der ι : .-Ji₁L : -j '.on C - \bt.i-.'.-Bildern. |edes Wandlcrelc- ■.■,;■·■:. is· ■■ ' e:;i'. ί: \ ,-.rvh'eri Y'er/ögerungselenient .· -ι..·-·: -.·:-. i'···· : --''VSSL₁- ,■■·: VY.ruüereien-.em 11 ist also pelt, das rechtsseitige Wandlerclement 20 ist mit einem Verzögerungselement 60a gekoppelt, und die zwischenliegenden Wandlerelemente 12, 13 ... der Anordnung sind in ähnlicher Weise mit variablen Verzögerungselcmenten 52, 53,... gekoppelt. Eine identische Schaltanordnung ist zwischen jedem benachbarten Paar von variablen Verzögerungsetementen vorgesehen, um die Vetiogeiungswege der in jedem der Wandlerelemcnte erzeugten Signale bei Betrieb in Sende- oder Empfangs Betrieb zu kontrollieren. Wie dargestellt, besteht die Schaltungsanordnung zwischen den variablen Verzöge rungselementen 51 und 52 aus drei einpolige!· Ausschaltern 60,61 und 62. Die Stellungen der Schalter können manuell oder mit Hilfe der Kontrolle 35 gesteuert werden. Es versteht sich von selbst, daß diese Schalter Transistoren sein können.

Das System nach Fig.4 kann sowohl im Sendebetrieb als auch im Empfangsbetrieb arbeiten. Für die Zwecke der folgenden Beschreibung soll angenommen werden, daß das System eine Ultraschallwellenfront empfängt. Die Verzögerungsanordnungen für Sendung sind identisch denjenigen für Empfang, nur daß die Laufrichtung der elektrischen und akustischen Signale umgekehrt wird. Bei der Beschreibung wird auch angenommen, daß eine parallele Wellenfront ankommt, d. h., der Brennpunkt im Unendlichen liegt. Das geschieht nur zur Vereinfachung der Erläuterung und stellt keine Begrenzung des Systems dar. Für eine Wellenfront, die auf die Wandleranordnung von rechts unter einem Winkel zur Normalen auftrifft, wird das rechtsseitige Wandlerelement 20 als erstes angeregt und das linksseitige Wandlerelement 11 zuletzt, während die ankommende akustische Wellenfror,ι fortschreitet. Jedes der Wandlerelemente von rechts nach links erzeugt also seinerseits ein elektronisches Signa! als Antwort auf die auftreffende Wellcnfmnt. Wenn der Schalter 82 geschlossen ist und die Schalter 80 und 81 geöffnet sind, läuft das Signal vom rechtsseitigen Wandlerelement 20 durch das Verzögerungselcmcni 60 zu Komponenten der Schaltung, die links davon inBlockschaltbild in Fig.4 angedeutet sind, um mi'. Signalen summiert zu werden, die in zeitlicher Folge vor. den Wandlerelementen zur Linken erzeugt werden

Um nur das Verhalten von zwei Verzögerungseiementen des Systems in Antwort auf eine Ultraschallwel le zu betrachten, die auf die Wandleranordnung von rechts auftrifft, kann der Ausgang des vorletzten Verzögerungselementes 52 durch den geschlossenen Schalter 62 mit dem Einzug des letzten Verzögerungs- elementes 51 verbunden werden. Das Verzögeningsele ment 51 nimmt zusätzlich ein Eingangssignal von letzten Wandlerelement 11 auf. Der Ausgang de: Verzögerungselementes 51 wird dann über de; geschlossenen Schalter 90 mit der Sende-Empfangs Einheit 31 verbunden. Das vom Wandlerelement 1 erzeugte Signal muß notwendigerweise vom Verzöge rungselement 52 für eine geeignete Zeit verzöge: werden, so daß es phasenmäßig zum Signal addiert, άν vom nächstfolgenden Wandlerelement 11 erzeugt wir, Die von den Wandlerelementen 12 und U erzeugte Signale werden dann kohärent addiert und laufen durt das Verzögerungselement 5! und von clon durch dt geschlossener, Schalter 90 zur Sende-Fmpfangs-FinlK 3!,die im Empiangsbetnel· arbeitt;.

Signale, die von irgendwelchen beliebigen benachba ten Wandlerelementen er/eus:t werden, können phase mäßig addiert und d:uin als F.inpang zum nächst Ver/ös:eru:'!7seienv:n! ^foris;eleik't werden, das mit dt

nächstfolgenden Wandlerelement gekoppelt ist, gerade wie das eben in Verbindung mit den speziellen benachbarten Wandlerelementen 12 und 11 beschrieben wurde. Gemäß Fig.4 können also die Signale, die von den beiden benachbarten Wandlerelementen 13 und 12 erzeugt worden sind, phasenmäßig dadurch addiert werden, daß der Ausgang des Verzögerungselementes 53 über den geschlossenen Schalter 72 mit dem Eingang des Verzögerungselementes 52 verbunden wird, so daß der Ausgang des Verzögerungselementes 52 die Summe des Ausgangs des Verzögerungselementes 53 und des Eingangssignals vom Wandlerelement 12 repräsentiert. Die Forderung, daß der Ausgang vom Wandlerelement 13 zum Ausgangssignal vom Wandlerelement 12 phasenmäßig addiert werden kann, kann durch die Wahl eines entsprechenden Verzögerungswertes für das Verzögerungselement 53 erfüllt werden. Wie oben beschrieben, wird der Verzögerungswert des Verzögerungselementes 52 so ausgewählt, daß die richtige Phasenlage mit Bezug auf die Signale vom Wandlerelement 11 geschaffen wird. In gleicher Weise kann der Ausgang irgendeines bestimmten Elementes 52, 53,... oder 60 gemäß Fig.4 mit dem Eingang des Verzögerungselementes im Verzögerungsweg des Signals verbunden werden, das von dem Wandlerelement erzeugt wird, das in der allgemeinen Fortpflanzungsrichtr.ng der akustischen Wellenfront als nächstes folgt.

Wenn es erwünscht ist, nach links abzutasten oder abzulenken, würde eine von links ankommende Wellenfront das linksseitige Wandlerelement 11 erreichen, ehe sie das benachbarte Wandlerelement 12 erreicht. Um solche akustischen Signale von links zu detektieren, wird der Schalter 60 geschlossen und die Schalter 61 und 62 geöffnet. Bei dieser Anordnung wird das vom Wandlerelement 11 erzeugte Signal vom Vcrzögerungselement 51 verzögert und wird dann durch den geschlossenen Schalter 60 zu dem Signal addiert, das vom Wandlerelement 12 erzeugt wird. Der kombinierte Ausgang der Wandlerelemente 11 und 12 wird dann für eine geeignete Zeit vom Verzögerungselement 52 verzögert und wird anschließend durch den geschlossenen Schalter 70 (Schalter 7i und 72 sind geöffnet) zu dem Signal addiert, das vom Wandlerelement 13 erzeugt ist. Wenn die akustische Wellenfront nacheinander auf die übrigen Wandlerelemente auftrifft, die weiter nach rechts angeordnet sind, wird das von jedem folgenden Wandlerelement erzeugte Signal in gleicher Weise zur Summe der Signale addiert, die durch die Verzögerungselemente gelaufen sind, die den vorangegangenen Wandlerelementen zugeordnet sind. Für eine Wellenfront, die auf die Wandleranordnung von links auftrifft, wobei der als letzter zu erregende Wandler das rechtsseitige Wandlerelement 20 ist, wird das vom Wandlerelement 20 erzeugte Signal zum integrierten Ausgangssignal von den Wandlern 11, 12, 13,... addiert, und das gesamte integrierte Signal läuft als Eingang zum Verzögerungseiement 60a. Der Ausgang des Verzögerungselementes 60a läuft zur Sende-Empfangs-Einheit 31. die im Empfangsbetrieb arbeitet, sobald der Schalter 91 geschlossen ist (Schalter 90 ist offen).

Bei dieser Schaltanordnung sind alle Schalter 60,

70 80 zum Lenken nach links geschlossen, und alle

Schalter 62,72 82 sind für Lenkung nach rechts von

der Normalen geschlossen. Eine Lenkung auf spezielle Winkel wird dadurch erreicht, daü die internen Verzögerungsleitungen in den Ver/.ögcrungselemenien auf unterschiedliche Ver/ogeiungsv, erte geschähet werden. Es ist jedoch zu beachten, daß ein minimaler möglicher Lenkwinkel für die obige Anordnung festgelegt ist, und zwar durch die nichtreduzierbare Minimalverzögerung, die jedem Verzögerungselement innewohnt. Für Lenkwinkel kleiner als der mit dieser Anordnung mögliche Minimalwinkel, einschließlich Lenkung normal zur Wandleranordnung, ist eine alternative Schaltanordnung erforderlich.

Um ein selektives Ansprechen auf eine akustische Wellenfront zu erreichen, die normal auf die Wandleranordnung auf trifft, werden die mittleren Schalter 61, 71, .... 81 geschlossen, und die Schalter 60, 70,..., 80 und 62, 72, ..., 82 geöffnet. Das Signal von jedem

Wandlerelement 11, 12,13 20 läuft dabei durch das

direkt angeschlossene Verzögerungselement 51, 52, 53,..., 60a, so daß der Ausgang aller Verzögerungselemente summiert und direkt zur Sende-Empfangs-Einheit 31 weitergeleitet werden kann. Wenn gleiche Verzögerungswerte für alle Verzögerungselemente 51, 52,53,..., 60a gewählt werden, können die elektrischen Signale, die durch eine akustische Wellenfront erzeugt werden, die normal auf die Wandleranordnung auftrifft, alle phasenmäßig addiert und zur Sende-Empfangs-Einheit 31 weitergeleitet werden.

Für Lenkwinkel nahe an der Normalen oder in Richtung der Normalen kann die beschriebene Schallanordnung, bei der alle Schalter 61, 71,..., 81 geschlossen sind, so modifiziert werden, daß eine Phasenverzögerung erhalten wird, die für den gewählten kleinen Winkel geeignet ist. Diese Modifikation besteht darin, daß einer oder mehrere der Schalter 61, 71, ..., 81 geöffnet wird und ein entsprechender Satz Schalter 60, 70,..., 80 geschlossen wird, um zur Linken von der Normalen zu lenken, oder einer oder mehrere der Schalter 62, 72, ..., 82 zum Lenken nach rechts geschlossen wird bzw. werden, so daß die Verzögerungseiemenie so geschaltet sind, daß eine Verzögerung auf alle Signale ausgeübt wird, die von links kommen bzw. die von rechts kommen, so daß die Phasenverzögerung approximiert wird, die für den gewählten kleinen Lenkwinkel erforderlich ist.

Im Normalbetrieb ist nur einer der drei Schalter jeder Schaltanordnung zwischen benachbarten Verzögerungselementen geschlossen. Für die Schaltanordnung zwischen den Verzögerungselementen 51 und 52 ist also normalerweise nur einer der Schalter 60, 61 und 62 geschlossen. Einer der Schalter 90 und 91 ist geschlossen, je nachdem, ob nach rechts oder nach links gelenkt werden soll. Beide Schalter 90 und 91 können geschlossen werden, wenn gerade nach vorn gelenkt wird oder wenn Fokussierung verwendet wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform können die Wandlerelemente 11, 12, 13, ..., 20 sowohl im Sende- als auch im Empfangsbetrieb arbeiten, wobei der Empfangsbetrieb während der Ruheperioden zwischen Sendeimpulser stattfindet. Es ist darauf hinzuweisen, daß elektronische Sendesignale durch die Verzögerungselemente ir entgegengesetzter Richtung laufen zu Empfangssigna len für irgendeinen bestimmten Abtast- oder Ablenk winkel.

Der maximale Verzögerungswert, der für irgendeit Verzögerungseiement 51, 52, 53,..., 60 erforderlich isi ist gegeben durch den Ausdruck

Wird angenommen, daß J = λ/2 und daü der Phasen winkel jedes Elementes der Anordnung kleiner ist al :t/./8, ist die Anzahl der Ver/ogerungssehriite π (ti. I

der maximale Verzögerungswert) gegeben durch den Ausdruck η = 2 sin θ,,,.,».

Ersichtlich erfordert also ein Abbildungssytem nach der Erfindung eine kleinere Anzahl von Verzögerungswerten, nämlich um den Faktor 2 kleiner, für jedes variable Verzögerungselement als das bekannte Abbildungssystem nach F i g. 3.

Ersichtlich erfodert das Abbildungssystem nach der Erfindung auch keine festen Verzögerungsleitungen, wie sie bei dem Abbildungssystem nach Fig. 3 erforderlich waren. Weiter werden durch die Erfindung nicht die sehr langen Gesamtverzögerungswerte benötigt, die bei dem System nach F i g. 2 benötigt wurden. Diese Herabsetzung der Anzahl an Verzögerungselementen und der Anzahl von Verzögerungswerten pro Verzögerungselement, die durch die Erfindung verfügbar gemacht wird, ergibt eine erhebliche Herabsetzung des Aufwandes und der elektronischen Kompliziertheit eines Ultraschallabbildungssystems.

Bei den angeführten Vergleichen der verschiedenen Systeme wurde durchgehend angenommen, daß ein Phasenfehler von ±λ/8 akzeptierbar wäre. Tabelle I gibt die Anzahl der Verzögerungsschritte an, die für jedes variable Verzögerungselement in den drei Systemen nach F i g. 2,3 und 4 erforderlich sind.

Tabelle I

System

F ig. 2
F ig. 3
F ig. 4

46 3 2

227 8

Die zweite Spalte gibt die Anzahl der Elemente an, die aufgrund der obigen Formeln benötigt werden, wenn eine Phasengenauigkeit der obigen Formeln benötigt werden, wenn eine Phasengenauigkeit von ±λ/8 erforderlich ist. In einigen Systemen kann es erwünscht sein, eine höhere Phasengenauigkeit zu erreichen; und die dritte Spalte der Tabelle gibt die Anzahl der Verzögerungsschritte η für jedes variable Verzögerungselement an, wenn eine Genauigkeit von λ/20 benötigt wird. Bei der Durchführung dieser Berechnungen wurde angenommen, daß die Anordnung eine Gesamtzahl N = 32 Elemente aufweist und daß jedes Element vom benachbarten einen Abstand von λ/2 hat.

Eine typische Betriebsfrequenz kann 2,5 MHz sein. In diesem Falle würde der minimale Schrittwert für einen Phasenfehler ±λ/8 100 Nanosekunden betragen, und bei einem Phasenfehler ±λ/20 würde der minimale Schrittwert 40 Nanosekunden betragen.

Die maximale Verzögerung y„,.,„ die für ein einstellbares Verzögerungselement 51, 52, ..., 60 benötigt wird, ist gegeben durch c/A-sin )'_mjl. Mit einem Abstand zwischen Wandlerelementen von d = λ/2. einer Betriebsfrequenz von 2,5 MHz und einer maximalen Ablenkung θ,,,.η = 45° ergibt sich )■„,.,> =141 Nanosekunden.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung. Bei diesem System werden Verstärker in Verbindung mit dem Verzögerungselement verwendet, um Signalamplitudenverluste zu kompensieren, die in den Verzögerungselementen auftreten, und um eine optimale Impedanzanpassung zu erreichen; dadurch werden unerwünschte Reflexionen oder F.chos innerhalb der Verzögerungselemente eliminiert. Bei diesem System sind Wandlerelemente 11, 12, ... jeweils über Sende-Empfangs-Schaltungen 92 mit den Sendern 93 bzw. Empfangsvorverstärkern 94 verbunden. Die Zeitgabesignale für die Sender werden von der Senderkontrolle 36 abgeleitet, die ihrerseits vom Hauptprogrammierer 37 kontrolliert wird. Die Empfängervorverstärker 94 können auch dazu verwendet werden, eine Verstärkungskompensation zu erreichen, so daß Echos von fernen Objekten in größerem Maße verstärkt werden als Echos von nahen Objekten. Das wird leicht durch eine Schaltung erreicht, die die Verstärkung dieser Verstärker erhöht, nachdem ein Sendeimpuls stattgefunden hat, indem eine vorgegebene Verstärkungskennlinie in Abhängigkeit von der Zeit geschaffen wird. Die Zeitgabesignale für diese Verstärkungsänderungen können vom Hauptprogrammierer 37 geliefert werden. Die Vorverstärker 94 können auch Schaltungen enthalten, mit denen die ankommenden Signale logarithmisch komprimiert werden, um weiter Differenzen der Signalstärken von nahen Objekten, verglichen mit ferneren Objekten, zu kompensieren. Die Ausgänge der Vorverstärker 94 sind über Widerstände 95 mit dem Summationspunkt % eines invertierenden Verstärkers 97 verbunden. Der Ausgang des invertierenden Verstärkers 97 ist über einen Anpaßwiderstand 98 an die jeweiligen Verzögerungsleitungen 51, 52,.. ·, 60 angekoppelt. Die Verstärkung dieser Verstärkersysteme wird normalerweise durch Wahl eines Rückkopplungswiderstandes 99 auf 1 eingestellt. Die Ausgangsimpedanz der Verzögerungsleitung 51,52,... wird mittels eines Widerstandes 101 an die gewünschte Eigenimpedanz angepaßt. Irgendwelche Verstärkungsverluste in den Verzögerungsleitungen 51,52,..., 60 können durch den Rückkopplungswiderstand 102 des invertierenden Ausgangsverstärkers 103 kompensiert werden. Der Ausgangswiderstand 104 dient als Eingangssumma· tionswiderstand, wenn beispielsweise der Schalter 60 geschlossen ist, um den verzögerten Ausgang des Wandlers 11 zum Signal vom Wandler 12 zu koppeln Der Schaltvorgang im Empfangsbetrieb ist identisch ι dem oben in Verbindung mit F i g. 4 beschriebenen. Da: Ausgangssignal vom Empfänger 105 wird zur Anzeige 106 gekoppelt, wo es die Helligkeit einer Kathoden· Strahlbildröhre 107 moduliert. Der Hauptprogrammie rer 37 steuert die X- K-Position des Kathodenstrahls, urr ι eine Abtastlinie zu schaffen, deren Orientierung ir Beziehung steht mit der Richtung des empfangener Ultraschallstrahls, wie er durch die Verzögerungslei tungs-Schaltkombination festgelegt ist, die durch dif Empfängerkontrolle 38 ausgewählt ist.
ι Die Vorverstärker 94 ergeben eine Verstärkung de Signale von den Wandlerelementen 11, 12-20, un einen Signalpegel oberhalb des Rauschpegels de Verzögerungsleitungen und Schalter zu erreichen um damit die Empfindlichkeit des Systems zu verbesserr , Vorverstärker 94 sorgen auch für eine unidirektionali Verstärkung, so daß Signale in den Verzögerungslei tungsschaltungen daran gehindert werden. Signal·

durch die Wandlerelemente 11, 12 20 wiede

auszustrahlen.

ι) Die Lenkwinkelinformation, die in der Hauptkontrol Ie 37 enthalten ist, wird an die Senderkontrolle 36 geleg' die Zeitgabesignale für die Sender 93 erzeugt, die mi jedem Wandler U, 12, ...,20 gekoppelt sind. Dies Zeitgabesignale sorgen dafür, daß jeder Sender 93 einei \ elektrischen Impuls in der richtigen zeitlichen Bezie hung erzeugt, um dafür zu sorgen, daß der entsprechen de Ultraschallencrgieimpuls. der von den Wandlerele men-.en 11, 12 20 emittiert wird, sich phasenmaß),

in Richtung und Fokustiefe entsprechend der Wahl des Hauptprogrammierers 37 addiert. Irgendwelche akustischen Impedanzdiskontinuitäten sorgen dafür, daß ein Teil der Ultraschallenergie zu den Wandlerelementen zurückreflektiert wird.

Die reflektierte Ultraschallenergie wird mittels der Wandlerelemente ti, 12, ...,20 in elektrische Signale umgewandelt und durch die Sende-Empfangs-Kopplungsnetzwerke 92 an die Vorverstärker 94 gekoppelt. Die Ausgänge dieser Vorverstärker sind mit den Verzögerungsleitungsnetzwerken und Schaltern gekoppelt, wie oben beschrieben, wobei Signale, die aus der gewählten Richtung und Fokustiefe ankommen, kohärent addiert werden und dem Empfänger 105 zugeführt werden. Im Empfänger 105 werden die Signale weiter verstärkt und mit einer Hochfrequenzdetektorschaltung gleichgerichtet. Die delektierten Signale können weiter in einem Videoverstärker verstärkt werden, der im Empfänger 105 enthalten ist, und weiter beispielsweise mit einem logarithmischen Verstärker verarbeitet werden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das zur Anzeige 106 gekoppelt wird. Die Ausgangsspannung ist damit ein Maß für die reflektierte Signalamplitude aus der gewählten Richtung und Tiefe, und die Zeit des Auftretens dieses Signals hängt direkt mit der Tiefe zusammen, aus der die Reflexion stattfindet. Wenn also dieses Ausgangssignal an die Anzeige 106 in der Art gegeben wird, daß es die Intensität der Kathodenstrahlröhre iO7 moduliert, wird ein heller Fleck derart geformt, daß dessen Helligkeit mit Streuquerschnitt des Objektes in Beziehung steht, das das reflektierte Signal liefert. Die Hauptkontrolle liefert geeignete Spannungen an die X- und Y-Achsen der Kathodenstrahlröhre, so daß eine gerade Linie gezogen wird, deren Orientierung in Beziehung mit der Richtung des empfangenen Signals steht. Die Zeitverzögerung des Ausgangssignals vom Empfänger 105 nach dem Senderimpuls bestimmt den Bereich des Objektes, und ι durch Durchsteuerung der Radiallinien der Anzeige mit der richtigen vorgegebenen Rate ergibt die Distanz des hellen Fleckes vom Scheitelpunkt ein direktes, Maß für den Bereich des streuenden Objektes.

In einem typischen System kann die Anzeige aus 64

πι radialen Linien bestehen, d.h., die Hauptkontrolle programmiert die Senderkontrolle und die Empfängerkontrolle so, daß 64 verschiedene Lenkwinkel ausgewählt werden. Für einen speziellen Winkel zünden die Sender alle innerhalb einer Periode von etwa 6

ι, Mikrosekunden. Im Anschluß daran sind die Empfänger etwa 200 Mikrosekunden lang für ankommende Signale empfindlich. Da die Geschwindigkeit des Schalls im menschlichen Körper etwa 1,5 mm/^sec beträgt und das Signal zum Reflexionspunkt und zurück zu den

Ji) Wandlern laufen muß, beträgt der Gesamtbereich, der für die Anzeige zur Verfügung s'.eht. etwa 26 cm. Im Anschluß an diese Periode folgt eine weitere Periode von vielleicht 300 Mikrosekunden, die dazu verwendet werden kann, irgendwelche restlichen Signale oder

:. Echos abklingen zu lassen und gleichzeitig der Hauptkontrolle erlaubt, neue Informationen an die Sender- und Empfänger-Kontrollen zu schicken und der Empfängerkontrolle, die Verzögerungswerte und Schalterpositionen für die nächste radiale Abtastlinie

in auszuwählen. Mit insgesamt 64 Abtastlinien erhält man ein vollständiges Bild mit einer Rate von etwa 30 Bildern pro Sekunde, so daß eine Echtzeit-Anzeige von sich bewegenden Gegenständen möglich ist, beispielsweise dem Her/en.

Hier/u 2 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Abbildungssystem mit ein .viehrzahl.von in einer Linie angeordneten elektromechanischen Wandlerelementen, mit jeweils einem jedem Wandlerelement zugeordneten Verzögerungselement, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungselemente (51, 52 ... 6OaJ durch Schalter (60, 70 ... 80) ohne Unterbrechung der Verbindungen mit den jeweiligen Wandlerelementen (11,12... 20) in Reihe schaltbar sind, daß durch Schalter (61, 71 ... 81) jedem Wandlerelement (11, 12 ... 20) sein zugeordnetes Verzögerungselement (51, 52 ... 6OaJ zuschaltbar ist und daß durch Schalter (62, 72 ... 82) die Verzögerungselemente (51, 52 ... 6Oa^ in entgegengesetzter Reihenfolge wie durch die Schalter (60, 70 ... 80) hintereinander schaltbar sind.

2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit jedem Wandlerelement (11, 12... 20) und dem zugehörigen Verzögerungselement (51, 52 ... 6OaJ ein Vorverstärker (94) liegt, dessen Verstärkung in Abhängigkeit von der Zeit nach Auftreten eines Sendeimpulses steigt.

3. Abbildungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit jedem Wandlerelement (U, 12 ... 20) und dem zugehörigen Verzögerungselement (51, 52 ... 6OaJ ein Vorverstärker (94) mit logarithmischer Kompression liegt

4. Abbildungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet. da3 in Reihe mit jedem Wandlerelement (11, 12 ... 20) und dem zugehörigen Verzögerungselement (51, 52 ... 6OaJ wenigstens ein Verstärker (97, 103) mit Impedanzanpassung (95,98,101,104) liegt.

5. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit jedem Wandlerelement (11, 12 ... 20) und dem zugehörigen Verzögerungselement (51, 52 ... 6OaJ ein die Verstärkungsverluste im Verzögerungselement (51, 52 ... 6OaJ kompensierender Verstärker (103) liegt.