DE2655274C3 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung für Echographie mit einem Mosaik von in N Zeilen und M Spalten
geordneten Ultraschallwandlern zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallschwingungen und zum
Umsetze.i dieser Schwingungen in elektrische Signale, nachdem sie an einer zu untersuchenden Fläche
reflektiert worden sind, wobei die Ultraschallschwingungen dadurch als fokussierte Strahlenbündel ausgesandt
und empfangen werden, daß ausgewählte Wandler gemäß vorausbestimmten Regeln in Phase
oder in Gegenphase betrieben werden.
Derartige Anordnungen sind bekannt und weisen alle ein Netzwerk von Elementarwandlern in einer Ebene
auf, in der ein von oder zu den Wandlern ausgestrahlter Ultraschallstrahl durch die geeignete Wahl der Phase
der in den verschiedenen Wandlern auftretenden Signale fokussiert wird. Diese Wahl ergibt ein
Fokussierungsdiagramm und wird annäherungsweise mit folgender Formel dargestellt
p{Xl) -= Pl) COS [(.7JC2/./ /)
Hierin haben die Symbole folgende Bedeutung:
— ρ der Druck im flüssigen Medium, in dem sich die
Ultraschallwellen fortpflanzen,
die Winkelfrequenz,
die Wellenlänge,
die Winkelfrequenz,
die Wellenlänge,
— χ die Koordinate des Wandlers gemäß der
A"-Achse, und
—· / der Abstand zwischen der Ebene der Wandler und dem Brennpunkt.
—· / der Abstand zwischen der Ebene der Wandler und dem Brennpunkt.
Gemäß der Formel (1) schwankt ununterbrochen die Phase der ausgesandten Schwingungen als Funktion
von x. Eine gute Annäherung dieser Situation wird erhalten, wenn die Phase als Funktion von χ sprunghaft
zwischen zwei möglichen Zuständen (0 und π) schwankt. Dies wird mit nachstehender Formel
wiedergegeben.
p{x, I) = PoS(y) cos.
.-7.V2
y = cos
y = cos
worin
Sly) =
oder gegebenenfalls
Sly)
Sly)
4- 1 fiir y > 0
- I für y < 0
- I für y < 0
+ 1 für y > 0
O für y = 0
- 1 für y<0.
O für y = 0
- 1 für y<0.
(Der aufwiese Weise im Ultraschallbersich erhaltene
Fokussierungseffekt kann dem bereits lange bekannten Richtungseffekt gleichgesetzt werden, der im elektromagnetischen
Bereich entsteht, wenn durch ausgerichtete Elemente gebildeten Antennennetzwerken phasenverschobene
Signale zugeführt werden).
Die oben erwähnten Anordnungen ermöglichen die Untersuchungen eines Gegenstandes oder eines Organs
in einer Ebene, die in einem Abstand / von den Wandlern liegt: durch Verschieben des Netzwerkes von
Wandlern wird mit der Zeit der ganze Gegenstand abgetastet
Eine der Lösungen zur Verwirklichung einer derartigen Abtastung besteht darin, daß wenigstens zum
Senden bandförmige Wandler benutzt werden, deren Längsachsen parallel verlaufen und in einer Ebene
liegen, die mit der zu untersuchenden Ebene parallel verläuft und in einem Abstand /von dieser Ebene liegt.
Dadurch bildet sich ein linienförmiger Brennpunkt, der mit den bandförmigen Wandlern parallel verläuft. Wenn
das Wandlernetzwerk senkrecht auf den Längsachsen der Wandler verschoben wird, wird der Linienfokus
parallel zu sich selbst verschoben, wodurch die zu untersuchende Fläche abgetastet wird.
Oben erwähnte Anordnung ist in einem Artikel von Fräser e. a. beschrieben, der unter dem Titel »a two
dimensional electronically focused imaging system« in der Zeitschrift »IEEE 1974 Symposium Proceedings«
(Seite 19) veröffentlicht wurde.
In der offengelegten französischen Patentanmeldung Nr. 22 43 435 ist ebenfalls eine Anordnung der eingangs
erwähnten Art beschrieben.
Sie enthält ein Netzwerk von N Elementarwandlern, wobei N größer ist als n, die dem für fokussierten Strahl
ausgewählten Öffnungswinkel entsprechende Zahl. Die Anordnung enthält weiter ein digitales Schieberegister
mit N Positionen, von denen jede Position einem bestimmten Wandler zugeordnet ist, wobei die Information,
die sich in η Positionen dieses Registers befindet, eine Wiedergabe des Fokussierungsdiagramms bildet
und die Übertragung in Phase oder in Gegenphase der in den Wandlern auftretenden Signale bestimmt.
Wie mit der im erwähnten Artikel beschriebenen Anordnung erfolgt die Fokussierung beim Senden
nacheinander auf einer Anzahl von Linien, die mit den Linien des Mosaiks parallel verlaufen. Beim Anfang
wird auf mit den Spalten parallel verlaufenden Linien fokussiert.
Sowohl beim Senden als auch beim Empfangen wird also wegen der durch die Art der Wandler bestimmten
benutzten Fokussierungsmittel n,.· eine einfache Fokussierung
angewandt, nämlich in K-Richtung beim Senden und in X-Richtungbeim Empfang.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeit einer Doppelfokussierung in den X- und
K-Richtungen zu bieten. Dazu schafft die Erfindung eine Anordnung, die den Vorteil eines bedeutend besseren
Auflösungsvermögens im Vergleich zu dem der bestehenden Anordnungen hat. Außerdem ermöglicht
es die Erfindung, auf eine verhältnismäßig einfache Weise die Beschränkungen herabzusetzen, die die Folge
eines Linienfokus in einer Ebene sind, die mit der Mosaikebene parallel verläuft.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die V/andler aus einem Materia!
bestehen, daß durch eine Vorpolarisierung in einen von zwei charakteristischen Zuständen geLracht werden
ίο kann, wobei die Phase eines einer Ultraschallwelle
entsprechenden elektrischen Signals vom Zustand abhängig ist, den der Wandler durch Vorpolarisierung
erhalten hat, wobei jeweils von einer Gruppe von η Zeilen bzw. Spalten (n<N und M) von Wandlern
manche Zeilen bzw. Spalten im einen Zustand und andere im anderen Zustand derart vorpolarisiert sind,
daß die von diesen Zeilen bzw. Spalten ausgestrahlten oder empfangenen Ultraschallwellen einen Strahl mit
einem an einer vorausbestimmten Stelle liegenden linienförmigen Brennpunkt bilden.
Bei der Verwendung eines Wandlermosaiks, dessen Signale zeilen- oder spaltenweise verarbeitet werden,
also wenn die Vorfokussierung im voraus einen Linienbrennpunkt bestimmt, ist es klar, daß es möglich
ist, an diesem Linienbrennpunkt, der beispielsweise mit den Zeilen des Mosaiks parallel verläuft, einen
bestimmten Funktfokus zu bestimmen, indem die auf η Spalten übertragenen elektrischen Signale entsprechend
der Formel (2) gleichphasig oder gegenphasig verarbeitet werden. Dadurch wird eine Näherung des
räumlichen Fresnel-Transformierten durch die Verbindung zweier linearer Transformierten nach der Λ'-Achse
und der y-Achse erhalten. Der Doppelfokussierungspunkt befindet sich am Kreuzpunkt der Mitten des
Vorfokussierungsdiagramms (durch die Vorpolarisierung bestimmt) und des Fokussierungsdiagramms
(durch die Signalverarbeitung bestimmt). Es zeigt sich daraus, daß durch Abtastung ein vollständiges Bild
erhalten werden kann, weil eine Verschiebung der erwähnten Diagramme um eine Zeile oder eine Spalte
die Verschiebung des Doppelfokussierungspunktes um einen Elementarschritt in X- oder K-Richtung veranlaßt.
Das ausgewählte Material muß somit vorpolarisierbar und zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen geeignet sein.
Das ausgewählte Material muß somit vorpolarisierbar und zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen geeignet sein.
Ein Merkmal einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist, daß die Wandler
aus einem ferro-elektrischen und piezo-elektrischen Material gebildet sind.
Wenn außer den beiden oben erwähnten Vorpolari· sierungszuständen (+ und —) ein dritter Vorpolarisierungszustand
(0) erwünscht ist, ist es vorteilhaft, ein Material mit elektrostriktiven Eigenschaften zu verwenden.
Der Vorteil eines Materials mit drei Vorpolarisierungszuständen besteht darin, daß der Öffnungswinkel
des fokussierten Strahles kleiner sein kann, wodurch das System weniger störanfällig ist.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der bo Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1A und 1B schematisch die Wirkungsweise bzw.
den Aufbau einer bekannten Anordnung,
F i g. 2 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßer:
Anordnung,
b5 Fig.3A bis 3E ein Prinzipschaltbild der Steuerung
und Signalverarbeitung in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
In Fig. IA stellt die gestrichelte Linie den bereits
In Fig. IA stellt die gestrichelte Linie den bereits
erwähnten Ausdruck (1) und die gezogene Linie den Ausdruck (2) dar, in der Annahme, daß sich die Wandler
auf der Linie XX befinden. Der Fokussierungspunkt wird mit Fbezeichnet.
Fig. IB gibt schematisch den wesentlichen Teil einer
bekannten Anordnung an. Die Bezeichnung MTgibt ein (teilweise dargestelltes) Mosaik von Wandlern an,
beispielsweise von dem bereits in der erwähnten Patentanmeldung angegebenen Typ.
Beim Senden treten in π Zeilen von Wandlern Signale
auf, die gleichphasig oder gegenphasig in Abhängigkeit vom Fokussierungsdiagramm DFE sind, wobei das
Eingangssignal se auf diese Wandler entweder direkt oder über eine Phasenumkehrstufe IP übertragen wird.
In der zu untersuchenden Fläche PA (in einem Abstand / des Mosaiks liegend) wird der ausgesandte Ultraschallstrahl
auf die Linie SFE fokussiert (die Figur stellt nur die sieben Wandlerzeilen dar, die das Zentrum der η
Zeilen bilden).
Beim Empfang werden die empfangenen Signale über π Spalten von Wandlern kanalisiert und gleichphasig
oder gegenphasig je nach dem Fokussierungsdiagramm DFR verarbeitet (also direkt oder beispielsweise über
eine Phasenumkehrstufe IP' übertragen), um auf diese Weise das Ausgangssignal ss zu bilden. Die Fokussierung
erfolgt auf die Linie SFR. Da der ausgesandte Ultraschallstrahl auf die Linie SFEfokussiert war, ist der
untersuchte Punkt der Punkt pf, an dem sich die beiden Linien kreuzen. Es wird also eine Fokussierung in
y-Richtung beim Senden und in X-Richtung beim Empfangang erhalten (in der Figur sind nur die sieben
zentralen Spalten der π Spalten von Wandlern dargestellt).
Eine der Aufgaben der erfindungsgemäßen Anordnung ist es, eine Doppelfokussierung in X-Richtung und
K-Richtung zu schaffen, wobei von einer Matrix von N ■ M Wandlern ausgegangen wird, um auf diese Weise
das Auflösungsvermögen bedeutend zu verbessern und gegebenenfalls auf verhältnismäßig einfache Weise die
Beschränkungen zu beseitigen, die die Folge einer einfachen Fokussierung auf einer Linie sind, von der alle
Punkte notwendigerweise in der gleichen Ebene liegen. Außerdem mußte diese Aufgabe mit Hilfe ziemlich
einfacher elektronischer Schaltungen verwirklicht werden. Dies ist durch die Verwendung vorpolarisierbarer
Wandler erreicht worden, d. h. von Wandlern, die unter dem Einfluß eines Feldes den einen oder den anderen
zweier bestimmter charakteristischer Zustände annehmen, gegebenenfalls drei unter Hinzurechnung des
Zustandes »Null«, wobei die Phase der Ausgangssignale der Wandler vom erhaltenen Zustand abhängig ist,
wenn sie vom gleichen Eingangssignal direkt gespeist werden. In gewissem Sinne wird so eine Vorfokussierung
des auszusendenden und des zu empfangenden Ultraschallstrahles erhalten. Da, wie in obiger Beschreibung
erläutert wurde, das Produkt zweier Linienfokussierungen einen Punktfokus am Kreuzpunkt ergibt,
genügt es, die ausgesandten oder empfangenen Signale spaltweise gleichphasig oder gegenphasig zu behandeln,
wenn die Vorfokussierung zeilenweise durchgeführt to
worden ist (oder umgekehrt).
F i g. 2 veranschaulicht schematisch diesen Grundsatz und zeigt deutlich die Eigenschaften des erfindungsgemäß
ausgewählten Materials. Dieses Material ist entweder gleichzeitig piezo-elektrisch und ferro-elek- w
trisch (zum Vorpolarisieren unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes geeignet, dessen Intensität größer
ist als die des Koerzitivfeldes) oder elektrostriktiv. Wie in Fig. IB ist das Wandlermosaik nur teilweise
dargestellt, aber die Wandler bestehen jetzt aus einem Material mit den oben erwähnten Eigenschaften. Diese
Wandler sind in Gruppen von η Zeilen (die Figur zeigt nur die sieben zentralen der η Zeilen) durch Zuführen
eines positiven oder negativen Impulses />je nach dem
Vorfokussierungsdiagramm DPF vorpolarisiert, wodurch die Position einer Vorfokussierungslinie SPF
bestimmt ist, in der ein zu untersuchender Punkt, zum Beispiel der Punkt pf, liegt. Wenn eleklrostriktives
Material verwendet ist, wird statt der Impulse P eine konstante Vorpolarisierungsspannung während des
Betriebs benötigt.
Die Eingangssignale se, die einen Beitrag zur Bildung eines Ultraschallstrahles liefern, werden π Spalten (die
Figur zeigt nur die sieben zentralen Spalten) gleichphasig oder gegenphasig (Phasenumkehrstufe IP) über das
Fokussierungsnetzwerk RF zugeführt, mit dessen Hilfe das Diagramm für die Fokussierung des Strahles auf die
Linie SER gebildet wird. Durch die Vorfokussierung, die durch die Polarisation der Wandler erhalten ist, erfolgt
die Fokussierung des Sendestrahles faktisch im Punkt pf auf der Kreuzung der Linien SPF und SER. Dies ist
ebenfalls der Fall beim Empfang eines möglichen Echosignals aus dem Punkt pf, wobei die aus den
Wandlern herrührenden Signale über das Fokussierungsnetzwerk RF übertragen werden, um auf diese
Weise das Ausgangssignal si zu bilden.
In der erfindungsgemäßen Anordnung besteht somit eine Doppelfokussierung in den x- und y-Richtungen,
wodurch sich das Auflösungsvermögen bedeutend verbessert und Ultraschallenergie erspart wird, wodurch
es möglich ist, die Steuerschaltungen zu vereinfachen und zumal die Strahlungsintensität, der der
Patient ausgesetzt ist, herabzusetzen. (Obgleich es nicht nachgewiesen worden ist, daß die normalerweise
benutzten Ultraschallstrahlungsintensitäten für den Patienten gefährlich sind, wird stets die Durchführung
der Untersuchung bei möglichst niedrigen Intensitäten bevorzugt).
Da die Vorfokussierung des Strahles durch die Vorpolarisierung bestimmt wird, die nur statisch in den
Sende- und Empfangsprozeß eingreift, ist es außerdem klar, daß eine Änderung des Vorfokussierungsdiagramms
verhältnismäßig einfach durchführbar ist, um auf diese Weise die Linien SPF, auf der die
Fokussierungspunkte liegen, in verschiedenen Abständen von dem durch die Wandler gebildeten Mosaik
anzuordnen.
In obiger Beschreibung ist gesagt, daß die Wandler des Mosaiks polarisierbar sind. Es wurde ebenfalls
erwähnt, daß erfindungsgemäß diese Wandler piezoelektrische und ferro-elektrische Eigenschaften aufweisen
oder aus elektrostriktivem Material hergestellt sind. In den meisten Fällen sind Materialien, die unter dem
Curie-Punkt ferro-elektrisch sind über diesem Punkt
elektrostriktiv. In der Praxis zeigen sich die meisten Materialien nur schwach elektrostriktiv mit Ausnahme
der ferro-elektrischen Materialien, die dicht über dem Curie-Punkt betrieben werden. Wird der Curie-Punkt
überschritten, verschwinden zwar die piezoelektrischen Eigenschaften, aber bis zu einige Grad über
diesem Punkt bleiben sie dank einer kräftigen Elektrostriktion weiter bestehen.
Das für die Wandler ausgewählte Material ist ein ferro-elektrischer und piezo-elektrischer oder ein
elektrostriktiver Einkristall, der somit zum Empfangen und Aussenden von Ultraschallwellen und zum Beein-
flüssen der Phase des empfangenen oder ausgesandten Signals je nach dem Zustand geeignet ist, in den es durch
die Wahl seiner Polarisierungsrichtung gebracht ist. Das ausgewählte Material muß, wenn es zur ersten Gattung
(piezo-elektrisch und ferro-elektrisch) gehört, selbstverständlich
piezo-elektrische Eigenschaften bei der Arbeitstemperatur, vorzugsweise bei der Raumtemperatur,
aufweisen. Außerdem muß es folgende Bedingungen erfüllen:
— es muß ein schwaches koerzitives Feld aufweisen, um in einem oder dem anderen der zwei Zustände
ohne Verwendung zu aufwendiger Schaltungen polarisiert werden zu können,
— die piezo-elektrische Achse des Materials muß möglichst mit der entsprechenden Richtung des
elektrischen Feldes zusammenfallen, um eine einfache Wirkung und den optimalen Effekt zu
gewährleisten,
— der piezo-elektrische Kopplungsfaktor des Malerials muß ungefähr mit dem der üblichen piezo-elektrischen
keramischen Materialien übereinstimmen,
— der Relaxationszeitraum muß kurz sein, damit der Obergang des Materials vom einen in den anderen
Zustand und umgekehrt keine Nebeneffekte veranlaßt,
— das Material muß in Form einer Platte mit verhältnismäßig großer Oberfläche erhältlich sein.
Ein obige Bedingungen erfüllendes Material ist das jo Triglyzinsulfat (TGS), das:
— ferro-eleKtrisch ist und eine Curie-Temperatur von
49°C aufweist,
— ein koerzitives Feld aufweist, dessen Stärke etwa
300 Volt/cm bei Raumtemperatur beträgt,
— nach der OK-Achse piezo-elektrisch und pyroelektrisch ist, wobei die Verschiebungen ebenfalls gemäß
dieser Achse stattfinden,
— einen piezo-elektrischen Kopplungsfaktor von etwa 0,25 hat, d. h. etwas niedriger als der der Titanaten-Zirkonate,
die ungefähr zwischen 0,35 und 0,40 liegt, jedoch eine geringere akustische Impedanz (5 in
bezug auf Wasser) aufweist, was also eine bessere Anpassung an die biologischen Gewebe erlaubt,
— einen Relaxationszeitraum im Gigaherzbereich aufweist,
— und schließlich in Form von Monokristallen erhalten werden kann, deren Abmessungen 50x50x0,1 mm
betragen, mit denen eine Platte von 200 mm χ 200 mm angefertigt werden kann, die bei
einer Frequenz von 2 MHz schwingt
Das Triglyzinsulfat ist somit ein Material, das sich für die Verwirklichung des Wandlermosaiks der erfindungsgemäßen
Anordnung eignet.
Wird Material der zweiten Kategorie gewählt (elektrostriktives Material), muß die Arbeitstemperatur
die Temperatur sein, bei der der Elektrostriktionseffekt
auftritt. Außerdem:
60
— muß die Achse, längs der die Elektrostriktion auftritt, möglichst mit der entsprechenden Richtung des
elektrischen Feldes zusammenfallen,
— muß der Umsetzungsfaktor zum Umsetzen von elektrischer in akustische Energie hoch genug sein
(von der Größenordnung, bei der die üblichen piezo-elektrischen keramischen Materialien vorkommen).
— muß das Material in der Form einer Platte mit verhältnismäßig großer Oberfläche erhältlich sein.
Die Relaxationszeit eines derartigen Materials ist im allgemeinen nahezu gleich Null.
Materialien die den oben erwähnten Bedingungen entsprechen (wobei nicht ausgeschlossen ist, daß sie
auch den früher genannten Bedingungen für piezo- und ferro-elektrische Materialien entsprechen!) sind beispielsweise
Triglyzinsulfat (TGS) und Triglyzinselena.t (TGSe) und im allgemeinen jede als Monokristall
erhältliche Mischung von TGS und TGSe.
Diese Materialien
— sind mit einer Curie-Temperatur zwischen 49 und 53°C elektrostriktiv,
— sind nach der Achse OY elektrostruktiv, wobei die Verschiebungen längs der gleichen Achse erfolgen,
— haben einen Energieumsetzungsfaktor, der in der Nähe der Curie-Temperatur und für elektrische
Felder in der Größenordnung von 500 bis 1000 V/cm in der gleichen Größenordnung ist wie die für den
ferro-elektrischen Effekt unter der Curie-Temperatur,
40
Alle diese Materialien entsprechen dabei den gestellten Bedingungen und eignen sich für die
erfindungsgemäße Anordnung.
Die F i g. 3A bis 3E veranschaulichen eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung. Bestimmte
Teile dieser Anordnung sind in mehr als einer dieser Figuren dargestellt, wie beispielsweise das
Wandlermosaik MTund die Programmeinheit P.
Fig.3A stellt schematisch die Schaltungen dar, die
sich auf die Vorpolarisierung der Wandler des Mosaiks MR beziehen. Die Wandler werden zeilenweise
vorpolarisiert und das Mosaik enthält N-Zeilen, von denen nur die äußersten Zeilen 1 und Ndargestellt sind.
Die Vorpolarisierungsschaltungen enthalten im wesentlichen:
— einen Speicher MP, in dem das ausgewählte Polarisierungsdiagramm in binärerer Form gespeichert
ist,
— zwei Schieberegister RPP und RPN, die je N
Stellungen aufweisen, wobei in jedem Augenblick jedes Schieberegister den Zustand der den Wandlerzeilen
1 bis N aufgezwängten Polarisationszustände darstellt.
50
Das erste Schieberegister RPP liefert ein positives Bild des Polarisationsdiagramms in dem Sinne, daß jede
der Positionen des Registers im Zustand »1« einer positiv polarisierten Zeile von Wandlern an der
entsprechenden Stelle im Mosaik entspricht.
Das zweite Schieberegister RPN liefert ein negatives Bild des Polarisationsdiagramms in dem Sinne, daß jede
der Positionen des Schieberegisters im Zustand »1« einer negativ polarisierten Wandlerzeile an der
entsprechenden Stelle im Mosaik entspricht. Im allgemeinen brauchen diese beiden Bilder nicht
komplementär zu sein. Diese Anordnung ermöglicht es, bei einer beliebigen Vorpolarisierung, die unwichtigen
Wandlerzeilen bei der Bildung des Vorfokussierungsstrahls durch Vorpolarisierung auszuschließen. Vorangehende
Beschreibung ist in nachstehender Tabelle wiedergegeben:
Mosaikzeilen | 1-2 | und | Schieberegisterstellungen | 1+2 | 1+3 | 1+4 | 1+5 | 1+6 | 1+7 | 1+8 | 1+9 | |
1-3 | Ι | I 1 1 + 1 | - | — | - | + | + | + | + | + | ||
Diagramme | 0 | + | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||
Zustand der Positionen | 0 | Ο | 0 1 | |||||||||
des Registers RPP | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |||
Zustand der Positionen | 0 | 0 | 1 0 | |||||||||
des Registers RPN |
Mosaikzeilen und Schieberegisterstellungen
1 + 10 1 + 11 1 + 12 1 + 13 1 + 14 1 + 15 1 + 16 1 + 17 1 + 18 1 + 19 1 + 20 1+21 1+22 1+23
Diagramme
Zustand der
Positionen des
Registers RPP
Positionen des
Registers RPP
Zustand der
Positionen des
Registers RPN
Positionen des
Registers RPN
+ + + + + + --- + 11111100010000
0 0 0 0 0 0 1 0
0 0 0
In dieser Tabelle wird beispielsweise angenommen, tiaß einundzwanzig Wandlerzeilen einen Beitrag zur
Vorpolarisierung liefern; es handelt sich um die Zeilen / bis Z+20. Für jede dieser Zeilen weisen in diesem
Beispiel eine oder die andere der beiden entsprechenden Positionen der Register RPPund RPNden Zustand
»1« als Funktion des Fokussierungsdiagramms auf, das auf der zweiten Zeile der Tabelle dargestellt ist und der
vorangehenden Beschreibung entspricht. Für alle anderen Zeilen des Mosaiks, von denen nur die Zeilen
(/-3) bis (/-1) und (/+21) bis (/+23) in der Tabelle
auftreten, weisen die entsprechenden Positionen der beiden Register den Zustand »0« auf.
Der Übertrag der im Speicher MP gespeicherten Information zu den Schieberegistern RPP und RPN
wird von einem Signal tmp gesteuert, das die Programmeinheit P vor jeder Messung liefert. Diese
Information durchläuft die beiden Schieberegister unter der Steuerung eines ebenfalls von der Programmeinheit
Pgelieferten Signals p.
Die Vorpolarisierungsschaltungen enthalten ebenfalls ein Netzwerk RP aus logischen und analogen Gattern,
das N Signalvvege enthält, an seinem Eingang mit den Schieberegistern RPP und RPN gekoppelt und an
seinem Ausgang mit den N Zeilen des Mosaiks über die Verstärker ALi bis AL /Vgekoppelt ist.
Unter »analogem Gatter« sei in diesem Zusammenhang ein elektronisches Element verstanden, das unter
der Kontrolle eines seinem Regeleingang zugeführten logischen Signals ein analoges Signal durchläßt oder
nicht. Beispiele derartiger Elemente sind Relais und Schalttransistoren. In Fig.3 sind beispielsweise die
Elemente la —,la+— Na-,Na+ analoge Gatter.
Das Netzwerk der Gatter RP arbeitet, wie übrigens t>o
alle derartigen Netzwerke, die in den folgenden Figuren dargestellt sind, genau so gut, wenn für die Wandler ein
Material mit zwei oder drei Vorpalisierungszuständen verwendet wird.
Die Wirkung des Netzwerkes RP'isl wie folgt: b5
Die Polarisationsspannung einer Zeile wird vom Ausgang der entsprechenden Position des Registers
RPP (wenn es sich um eine positive Polarisation handelt) oder des Registers RPN (bei negativer
Polarisation) oder beider Register (wenn es sich um eine Polarisation gleich 0 handelt) geliefert. Diese Spannung
wird von einem oder dem anderen (oder beiden) der UND-Gatter »1 +«und»l—«... +N, und — N, danach
auf eines von beiden (oder auf beide) analogen Gatter (»la — «, »la + « ...) und weiter auf den Eingang des
entsprechenden Verstärkers (AL i... AL N) übertragen.
Die UND-Gatter »1 +«, »1 —« ... müssen vermeiden,
daß irrtümlicherweise gleichzeitig die Polarisation + und — auf der gleichen Zeile von Wandlern verwendet
werden, was die Zerstörung der betreffenden Schaltungen durch Kurzschluß zur Folge haben würde.
Mit Hilfe des Netzwerkes RPkönnen den Eingängen
der Verstärker ALi... AL N drei mögliche Vorpolarisierungszustände
angeboten werden. Dadurch läßt sich die Signalbearbeitung besser der ΚμΓνε (2) in Fig. IA
anpassen. Um die Stellen zu berücksichtigen, an denen diese Kurve die Achse XX schneidet, braucht man
faktisch nur in das Fokussierungsdiagramm an den diesen Schnittpunkten entsprechenden Stellen die
Information einzuführen, die dem Zustand 0 der entsprechenden Positionen der beiden Schieberegister
RPPund RPNentspricht
Der Vorteil eines derartigen dritten Polarisaiionszustandes
(Zustand 0) ist, daß der öffnungswinkel des fokussierten Strahls kleiner wird, so daß sich eine
geringere Zeilenanzahl von Wandlern an der Fokussierung beteiligt Hierdurch werden Störsignale (Rauschen
u. dgl.) aus den anderen Zeilen beseitigt
Außerdem ist das Erhalten des Polarisationszustandes 0 besonders leicht, wenn das Wandlermosaik aus
elektrostriktivem Material besteht Man braucht dabei nur das angelegte elektrische Feld auszuschalten.
F i g. 3B stellt den Teil der Anordnung dar, der sich auf die Sendeschaltungen bezieht Auch hier ist wiederum
das Mosaik MT sowie die Programmeinheit P mit den zwei bereits erwähnten Steuersignalen tmp und £
dargestellt Die Struktur der Sendeschaltüngen entspricht der der Vorpolarisationsschaltungen in dem
Sinne, daß auch die Sendeschaltungen einen Speicher
MFsowie zwei Schieberegister RFP und RFN und ein
Netzwerk von Gattern RF enthalten. Dieses Netzwerk verbindet jedoch die Ausgänge der Register mit den M
Spalten des Mosaiks; es hat also M Signalwege und ist zum gleichphasigen oder gegenphasigen Übertragen
des impulsförmigen Sendesignals je nach den Zuständen
der Positionen der Schieberegister eingerichtet. Das Sendesignal wird im Generator C erzeugt und unter der
Steuerung des Signals ce ausgesendet, das die Programmeinheit P liefert. Der Generator arbeitet mit
einer Phasenumkehrstufe I zusammen und die Sendesignale werden auf die Spalten über die Verstärker
ACX. ..ACM und über Zweiwegelemente BPl... BPM übertragen, die zum Trennen eingehender
und ausgehender Signale eingerichtet sind.
Der Speicher MF enthält u. a. die information entsprechend dem Fokussierungsdiagramm zum Senden,
das es auf die Weise das Diagramm der Vorpolarisationen der Wandlerzeiten ermöglicht, einen
Punkt auf dem Linienfokus zu wählen, der von der Vorpolarisation bestimmt ist.
Der Benutzer hat mehrere Möglichkeiten zum Arbeiten mit der erfindungsgemäßen Anordnung.
Durch Einführen eines bestimmten Diagramms in die Schieberegister und durch schrittweises Weiterschieben
der Information in diesen Registern kann der Benutzer beispielsweise den ausgesandten Strahl nacheinander an
den aufeinanderfolgenden Punkten des Linienfokus fokussieren, der durch die Vorfokussierung erhalten
worden ist. In diesem Falle ist die im Speicher MF vorhandene Information in jeder Hinsicht der Information
vergleichbar, die sich im Speicher MPnach F1 g. 3A
befindet, d. h. die Information ist zweifach vorhanden, .um zu einem »positiven Bild« im Register RFP und zu
•einem »negativen Bild« im Register RFN zu führen, wobei die beiden Bilder nicht notwendigerweise
komplementär sind. Das Einlesen der Schieberegister erfolgt unter der Steuerung eines Signals tmf, das die
Programmeinheit P liefert, während das aufeinanderfolgende
Wählen der entsprechenden Punkte auf dem durch Vorpolarisation bestimmten Linienfokus durch
gleichzeitiges Weiterschieben der Information in den beiden Registern unter der Steuerung eines Impulses ih
erfolgt, den die Programmeinheit P am Ende jeder Sende-Empfangreihe liefert.
Weiter ist es möglich, den ausgesandten Strahl gleichzeitig auf eine Anzahl über den Linienfokus
verteilter Punkte zu fokussieren, was bedeutet, daß die Schieberegister eine Anzahl von Bildern (positive oder
negative) des Fokussierungsdiagramms enthalten, welehe
Anzahl der Anzahl gleichzeitig fokussierter Punkte einspricht, beispielsweise dadurch, daß die entsprechende
Doppelinformation im ganzen im Speicher MF gespeichert ist. In jedem Fall, wenn der »öffnungswinkel«
des fokussierten Strahls die Anregung von m Wandlerspalten erfordert, ist es möglich, den ausgesandten
Strahl gleichzeitig auf M/m Punkte zu fokussieren.
Im Netzwerk von Gattern RF enthält jeder Signalweg vier Gatter: zwei analoge Gatter (beispielsweise
lad und lap für den der Spalte 1 zugeordneten Signalweg), die das vom Generator G gelieferte Signal
direkt gleichphasig oder über die Phasenumkehrstufe I der entsprechenden Spalte zuführen, und zwei UND-Gatter
zum Vorbereiten dieser Übertragungen (Ip und lrfim gleichen Beispiel), deren Funktion gleich der der
UND-Gatter des Netzwerkes ÄPnach F i g. 3A ist
Schließlich läßt sich noch bemerken, daß der Benutzer über eine zweite Wählmöglichkeit in bezug auf das
weitere Programm nach einer Sende-Empfangsreihe verfügt:
— er kann Fokussierungspunkte wählen, die sich unmittelbar neben den gerade abgetasteten Punkten
befinden, in welchem Fall die Programmeinheit P einen einzigen Impuls ih liefern muß,
— oder er kann Punkte wählen, die sich in gleichen Abständen von den gerade abgetasteten Punkten
befinden, in welchem Fall die Programmeinheit eine Anzahl von Impulsen ih liefern muß, welche Anzahl
durch diesen Abstand bestimmt wird.
Die Funktion der Verstärker AB 1 ... AB M wird nachher beschrieben.
F i g. 3C, 3D und 3E zeigen die Empfangschaltungen dieser Anordnung, die im großen ganzen in Fokussierungsempfangsschaltungen
(F i g. 3C), in Signalverarbeitungsschaltungen (Fig. 3D) und Steuerschaltungen
(Fig.3E) verteilt sind: Fig.3C zeigt erneut das durch
die Wandler gebildete Mosaik MT, die Verstärker AB 1, AB Mund die Zweiwegelemente BPi, BPM, während
die F i g. 3E erneut die Programmeinheit Pzeigt.
Auch hier ist die Struktur der Fokussierungsschaltungen (F i g. 3C) der der Schaltungen nach F i g. 3A und 3B
in dem Sinne vergleichbar, daß ebenfalls ein Speicher MF'(Fig. 3E) und Schieberegister angewandt sind, die
den Übertrag der Empfangssignale über Netzwerke von Gattern konditionieren, aber diese Schaltungen sind
dadurch komplizierter, daß sie an die Möglichkeit zum gleichzeitigen Abtasten verschiedener Punkte des
Linienfokus angepaßt sind. In den Schemen ist die Anzahl von Punkten auf /gesetzt. Im Prinzip handelt es
sich also darum, / entsprechenden Empfangsstufen die möglichen Echosignale zuzuführen, die in jedem
bestimmten Punkt gebildet werden und für jeden Punkt an m Spalten empfangen werden, wobei die durch das
für den Empfang gewählte Fokussierungsdiagramm bestimmte Polarisationen berücksichtigt werden.
In der Praxis sind / Differenzverstärker verfügbar, beispielsweise die Verstärker D 1 und DJ, wobei die —
und 4- Eingänge jedes Verstärkers über die M Signalwege eines Netzwerkes von Gattern (AT" 1 für
Di, RTJ für DJ) mit dem Ausgang der M Verstärker,
AB 1 ... AB M, gekoppelt sind, deren Eingänge über die M Zweiwegelemente BPX ... BPM mit den Ausgängen
der MSpalten verbunden sind. Die Übertragungsbedingungen
für die Gatter eines Netzwerkes werden durch einen Satz von zwei Schieberegistern geliefert, der
diesem Netzwerk [RN \ und RPi für RTU RNJ und
RPJ für RTJ) zugeordnet ist, was bedeutet, daß die
Schaltungen 2 · /Schieberegister enthalten.
Bei der Beiiauhiuiig eines einzigen Sai^eb rweici
Schieberegister, beispielsweise der Register RN1 und
RPi, kann wie schon eher gesagt werden, daß diese Register positive Bilder (Register RPi) und negative
Bilder (Register RN1) des Fokussierungsdiagramms für
den Empfang geben, aber selbstverständlich nur an einem der abgetasteten Punkte, in diesem Fall an dem
Punkt, an dem mögliche Echosignale gebildet werden, die dem Differenzverstärker D i zugeführt werden.
Während des Abtastprogramms nimmt dieser Punkt nacheinander verschiedene Positionen auf dem Linienfokus
ein und es ist somit erwünscht, alle Übertragungsmöglichkeiten ab den M Spalten des Mosaiks zum
erwähnten Verstärker D 1 offen zu lassen. Die Anzahl von Positionen jedes Registers RNi, RPl ist gleich M
und jeder der M Signalwege des Netzwerkes RTl hat zwei analoge Gatter, nämlich eines zum Zuführen an
IU
20
den (— )Eingang und das ander,, zum Zuführen an den
(+) Eingang des Differenzverstärkers D 1. Die entsprechenden Positionen b;ider Register liefern Übertragungsbedingungen
für die zwei Gatter, die den Signalweg bilden, der der Spalte gleicher Rangordnung
wie die dieser Positionen zugeordnet ist, und dieser Obertrag erfolgt zum (-)Eingang oder zum (-t-)Eingang
des Differenzverstärkers in Abhängigkeit von der Frage, ob die beschriebene Speicherstellung des
Registers RN1 oder die des Registers RP1 den Zustand
»1« hat, oder nach beiden Eingängen, wenn die beschriebene Position sowohl in RN1 als auch in RP1
den Zustand 0 hat Gleiches gilt für den Satz von Register RMJ und RPJ, das Gatternetzwerk RTJ und
den Differenzverstärker DJ
Aus obiger Beschreibung kann hergeleitet werden, daß sich die Gruppen von Positionen, die in beiden
Registersätzen das Fokussierungsdiagramm auf / gleichzeitig abgetasteten Punkten bestimmen, voneinander
unterscheiden, aber daß selbstvertändlich die Register RPt... RPJ und RNi... RNJ zusammen die
gleichen Bilder (positive und negative) des Fokussierungsdiagramms
liefern wie die Register RFP und RFN der F i g. 3B. Das Einlesen der 2 · j Schieberegister kann
also aus dem gleichen Speicher erfolgen, der mit den Schieberegistern RFP und RFN zusammenarbeitet. Der
Speicher MF' nach F i g. 3E kann daher der gleiche sein wie der Speicher MFnach Fig.3B. Der Speicher MF
arbeitet dabei mit dem Gatternetzwerk RTM zusammen, das / Signalwege enthält, die je zwei UND-Gatter jo
haben, die durch die Vorbereitungssignale sa 1 ... saj
geöffnet werden, die die Programmeinheit P derart liefert, daß die gespeicherte Doppelinformation (p, n)
nacheinander den Sätzen von Schieberegislern RN 1 ... RP1 (n I -p 1) bis RNJ... RPj(nj-pj) zugeführt
wird. Das Weiterschieben der Information in den Schieberegistern nach Fig.3C erfolgt synchron mit
dem Weiterschieben der Information in den Schieberegistern nach F i g. 3B (Impulse ih).
Die Ausgangssignale d_\---d[ der Differenzverstärker
DX... DJ werden gleichgerichtet, in den Schaltungen
RFi... RFJ(FIg. 3D) filtriert und auf den Eingang
eines Netzwerkes RVübertragen, das /analoge Gatter
enthält. Diese Gatter werden zum Zeitpunkt to+tr geöffnet (wobei to der Zeitpunkt ist, an dem die
Aussendung zum Abtasten von / Punkten des Linienfokus erfolgt, der durch die Vorpolarisierung der
Wandler bestimmt ist, während ir die Ansprechzeit ist
35
40
45 vom Fokusabstand und von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der Ultraschallwellen in der benutzten Umgebung bestimmt wird). Das Signal sy zum Öffnen
der Gatter liefert die Programmeinheit P.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung werden die Empfangssignale in
einem Speicher gespeichert, um Zeile für Zeile am Schirm einer Wiedergaberöhre TA dargestellt zu
werden, deren Ablenkschaltung CD von einem von der Programmeinheit P gelieferten Signal se/synchronisiert
wird. Die Wiedergabe einer Zeile fällt mit dem Abtasten der nächsten Zeile zusammen. Es ist somit notwendig,
über zwei Videospeicher MA und MB imd über zwei Führungsnetzwerke RSM und RVM mit analogen
Gattern zu verfügen, die von einem bistabilen Flipflop
BS gesteuert werden, dessen Zustand sich unter dem Einfluß des von der Programmeinheit gelieferten
Signals bs ändert:
— das erste Netzwerk RSM führt die Empfangssignale zum Speicher MA bzw. zum Speicher MB, wenn sich
der Flip-flop BS in dem Zustand befindet, den die Erfüllung der Bedingung a bzw. ä bestimmt,
— das zweite Netzwerk RVM ermöglicht die Übertragung
der im Speicher MA bzw. der im Speicher MB vorhandenen Information, wenn sich der Flipflop BS
in den Zustand befindet, den die Erfüllung der Bedienung ä bzw. a bestimmt.
Auf herkömmliche Weise wird das Auslesen der Speicher vom Selektor S unter dem Einfluß des von der
Programmeinheit gelieferten Signals svm seriell gesteuert,
um die Information in der entsprechenden Reihenfolge am Schirm der Röhre TA darzustellen.
Das Einlesen der Speicher MA und MB erfolgt in Abhängigkeit von einer »Adressierung« (Signale sap)
aus der Programmeinheit P, die ja auch die aufeinanderfolgenden Positionen der Abtastpunkte an Hand eines
vorausbestimmten Programms, u. a. mittels der Impulse ih, bestimmt. Die Signale sap öffnen die analogen Gatter
eines Adressierungsnetzwerkes RAP für die Übertragung der Empfangssignale (die bereits dem Speicher
MA oder dem Speicher MB zugeführt sind) auf die den Positionen der abgetasteten Punkte entsprechenden
Speicherpositionen des ausgewählten Speichers.
Die beschriebene Anordnung eignet sich insbesondere für medizinische Zwecke, wenn das Mosaik auf
bekannte Weise über einen Wassersack mit dem Patienten gekuppelt wird.
Hierzu 7 Blatt Zcichnuniicn
Claims (7)
1. Anordnung für Echographie mit einem Mosaik von in N Zeilen und M Spalten geordneten
Ultraschallwandlern zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallschwingungen und zum Umsetzen
dieser Schwingungen in elektrische Signale, nachdem sie an einer zu untersuchenden Fläche
reflektiert worden sind, wobei die Ultraschallschwingungen dadurch als fokussierte Strahlenbündel
ausgesandt und empfangen werden, daß ausgewählte Wandler gemäß vorausbestimmten Regeln in Phase oder in Gegenphase betrieben
werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler aus einem Material bestehen, das durch
eine Vorpolarisierung in einen von zwei charakteristischen Zuständen gebracht weraen kann, wobei die
Phase eines einer Ultraschallwelle entsprechenden elektrischen Signals vom Zustand abhängig ist, den
der Wandler durch Vorpolarisierung erhalten hat, wobei jeweils von einer Gruppe von η Zeilen bzw.
Spalten (n< A/und M) von Wandlern manche Zeilen
bzw. Spalten im einen Zustand und andere im anderen Zustand derart vorpolarisiert sind, daß die
von diesen Zeilen bzw. Spalten ausgestrahlten oder empfangenen Ultraschallwellen einen Strahl mit
einem an einer vorausbestimmten Stelle liegenden linienförmigen Brennpunkt bilden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler aus ferro-elektrischen und
piezoelektrischem monokristallinem Material hergestellt sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler aus einem Material mit
mindestens drei möglichen Polarisationszuständen bestehen.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das erwähnte Material monokristallin und elektrostriktiv ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der
Wandler monokristallines Triglyzinsulfat (TGF) oder Triglyzinselenat (TGSe) oder eine monokristalline
Mischung von TGS und TGSe ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden zu untersuchenden Punkt die
elektrischen Signale, die zum Aussenden oder zum Empfang der vorfokussierten Ultraschallstrahlen
beitragen, in einem Fokussierungsnetzwerk verarbeitet werden, das für die gleichphasige, bzw.
gegenphasige Signale zwei Eingangs-Ausgangssignalwege enthält, die mit η aufeinanderfolgenden
Spalten oder Zeilen des Mosaiks gekoppelt sind, wobei ein Signalweg mit ρ Spalten und der andere
mit q=(n—p) Spalten nach einem vorausbestimmten Muster derart gekoppelt ist, daß der ausgesandte
oder empfangene Ultraschallstrahl auf eine mit den erwähnten Spalten oder Zeilen parallel verlaufende
Linie fokussiert ist, die den durch Vorpolarisation bestimmten Linienfokus in Höhe des zu untersuchenden
Punktes schneidet.
7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, in der eine Wahl von Zeilen und/oder
Spalten des Wandlermosaiks durch ein digitales Schieberegister erfolgt, dessen verschiebbare Infor- mil
mation dem Fokussierungsdiagramm entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß für die erwähnte Wahl
zwei Schieberegister vorgesehen sind, von denen die π entsprechenden Speicherherstellungen, die die
Information für die Vorfokussierung und/oder die Fokussierung des Ultraschallstrahls enthalten, im
ersten Register das positive Bild und im zweiten Register das negative Bild des Fokussierungsdiagramms
darstellen, wobei die ersten und zweiten Schieberegister mit den erwähnten Zeilen und/oder
Spalten über ein Gatternetzwerk gekoppelt sind, das die Rolle des Vorfokussierungsnetzwerkes
und/oder Fokussierungsnetzwerkes erfüllt, über welches Netzwerk die Vorpolarisationssignale
und/oder die Sende- oder Empfangssignale auf eine Zeile und/oder auf eine Spalte mit der Rangordnung
r gleichphasig, wenn die Speicherstellungen mit der Rangordnung r der ersten und zweiten Register die
entsprechenden binären Datenelemente »1« und »0«, oder gegenphasig übertragen werden, wenn die
erwähnten Speicherstellungen die entsprechenden binären Datenelemente »0« und »1« enthalten.
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