DE2709570C2

DE2709570C2 - Ultraschallimpulsechogerät zur hochaufgelösten bildmäßigen Darstellung

Info

Publication number: DE2709570C2
Application number: DE19772709570
Authority: DE
Inventors: Jeremiah Yehudi Kendall Park N.J. Avins; Edwin Townley Monmouth N.J. Koenig; Reuben Saul Rocky Hill N.J. Mezrich; David Herman Raphael South Brunswick N.J. Vilkomerson
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1976-03-04
Filing date: 1977-03-04
Publication date: 1982-06-09
Also published as: JPS5740771B2; NL7702297A; PL122292B1; GB1544961A; AU2268277A; IT1076757B; AU506976B2; DE2709570A1; FR2349835A1; CH617269A5; FR2349835B1; JPS52107188A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallimpulsechogerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Geräte werden insbesondere in der Humanmedizin zur Darstellung der Struktur von auch tiefliegendem Weichgewebe für Diagnosezwecke als 'auch für die zerstörungslose Prüfung unbelebter Objekte verwendet

Aus der DE-AS 22 55 179 ist ein Ultraschallimpulsechogerät mit stationärem Sender und stationärem Empfänger bekannt, die an gegenüberliegenden-Ecken eines zu überwachenden Raumes, insbesondere eines Aquariums, angeordnet sind. Eine bildmäßige Darstellung eines beschauten Objektbereiches ist weder

beabsichtigt noch möglich.

Aus der DE-OS 23 43 721 ist ein Ultraschallimpulsechogerät zur bildmäßigen Darstellung eines Objektbereiches bekannt, welches einen einzelnen akustischen Sender zur Beschallung des abzubildenden Objektberei- > ches enthält. Die vom Objektbereich reflektierte Ultraschallstrahlung wird durch eine akustische Linse auf eine Reihe stationärer Ultraschallempfänger abgebildet. Mit diesem Gerät kann die Struktur in einer durch die Wandlerreihe definierten ebenen Schnittebe- κι ne dargestellt werden. Da der ganze Objektbereich, der abgebildet werden soll, gleichzeitig mit Ultraschallstrahlung beleuchtet wird, sind die Energiedichte und damit die Intensität der empfangenen Echos bei vorgegebener Sendeleistung verhältnismäßig klein.

Aus der DE-OS 22 49 091 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fokussierung von Ultraschallwellen in einer Brennlinie bekannt, bei denen ein ringförmiges Ultraschallstrahlungsbündel verwendet wird, um eine gute laterale Auflösung über eine große Tiefe zu erreichen. Eine bildmäßige Darstellung oder Abtastung eines untersuchten Objektbereiches wird in dieser Druckschrift nicht behandelt.

Aus der DE-OS 23 53 071 ist ein Fokussier- und Ablenksystem für die Schallbilderzeugung bekannt, das 2 > mit zwei gegenläufig gedrehten Keillinsen oder Risley-Prismen arbeitet. Durch das Fokussier- und Ablenksystem soll der Ultraschallstrahl so bewegt werden, daß eine im wesentlichen lineare Anordnung von getrennten Empfangswandlerelementen in die Lage jo versetzt wird, das volle Bildfeld in elektrische Signale umzuwandeln, die dann z. B. auf dem Bildschirm eines Oszillographen optisch dargestellt werden können. Ein mit dem beschriebenen Fokussier- und Ablenksystem ausgerüstetes Gerät arbeitet also mit einem Sendewandler und einer linearen Anordnung von getrennten Empfangswandlerelementen.

In der deutschen Patentanmeldung P 26 01 559.8 ist eine Ultraschallabtastvorrichtung mit einem Sende-Empfangs-Wandler vorgeschlagen worden, der in -»ο einer vertikalen Ebene schwenkbar gelagert ist, so daß ein sektorförmiger Bereich überstrichen werden kann.

In der deutschen Patentanmeldung P 25 18 338.4 ist eine akustische Bilderzeugungsvorrichtung mit einer durch flexible Membranen begrenzten, flüssigkeitsgefüllten akustischen Linse vorgeschlagen worden, bei der das Objekt durch einen einzigen Sendewandler homogen beschallt und die reflektierte Ultraschallstrahlung mit Hilfe der Linse auf eine Fläche der Anordnung aus einer Vielzahl akustischer Empfangswandler abgebildet wird.

Eine zusammenfassende Darstellung der Technik der Ultraschallabbildi;ng findet sich in der Arbeit »Considerations for Diagnostic Ultrasonic Imaging« von Green u.a, Stadford Research Instutute, die in Acoustical Holography, Band 4, S. 97 bis 111 erschienen ist (Proceedings of the Fourth International Symposium, April 1972 herausgegeben von Glen Wade, Plenum Press, New York, 1972). In dieser Arbeit werden sowohl Impulsecho-Ultraschallabbiidungssysteme als auch mit fokussierter und holographischer Ultraschallabbildung arbeitende Systeme als ungefährliche Diagnosehilfe zur Untersuchung von Weichgewebe behandelt und die wünschenswerten Eigenschaften, die solche Ultraschall-Diagnosegeräte haben sollten, mit dem damaligen Stand der Technik verglichen. Die Autoren kommen dabei zu dem Schluß, daß die untersuchten bekannten Ultraschallabbildungssysteme zwar für die pathologische Untersuchung exkorporierter Organe brauchbar sind, daß jedoch andererseits bei den bekannten Systemen die erreichbare Empfindlichkeit, Auflösung und Betriebsfrequenz, die eng miteinander zusammenhängende Parameter darstellen, für Diagnosezwecke noch erheblich zu wünschen übrig lassen, insbesondere was die Untersuchung tieferliegenden Gewebes betrifft, wie des Bauchinneren und der Organe im Becken.

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

Wie es auf dem Gebiet der Ultraschall-Abbildungen bekannt ist, wird das Auflösungsvermögen mit wachsender Ultraschallfrequenz größer, andererseits erhöht sich mit steigender Frequenz aber auch die Dämpfung durch Absorption, welche die Ultraschallenergie beim Durchdringen eines Mediums, wie z. B. Wasser oder menschliches Gewebe, erfährt. Quantitativ ausgedrückt liegt der Absorptionskoeffizient für die meisten Weichgewebe im Bereich zv/ischen 0,5 · / und 2,5 · f Dezibel pro Zentimeter (dB/cm), wobei / die Ultraschallfrequenz in MHz ist (ein typischer Wert ist 1 · /dB/cm). Um eine allzu starke Dämpfung zu vermeiden, wird die Frequenz der Ultraschallenergie in der Praxis normalerweise im Bereich von 1 bis 10 MHz gewählt (abhängig vom jeweiligen Fortpflanzungsmediuni und von der Länge der innerhalb des Fortpflanzungsmediums zu durchlaufenden Strecke). Ein vernünftiger Kompromiß zwischen Auflösung und Dämpfung zur Beobachtung tiefliegenden Gewebes wird mit einer Ultraschaufrequenz im Bereich von 2 bis 3 MHz erzielt

Im Zusammenhang mit Ultraschall-Diagnoseverfahren ist ferner angeregt worden, aus Sicherheitsgründen die Intensität der auf einen menschlichen Körper treffenden Schallenergie im Mittel nicht größer als 10~² Watt/cm² werden zu lassen, während die Spitzenwerte der Ultraschallintensität nicht oberhalb 0,5 Watt/cm² liegen sollten. Bei Impulsbestrahlung mit Impulsen maximaler Spitzenleistung darf also das Impulstastverhältnis nicht größer als 2% werden (z. B. darf die Impulsfolgefrequenz nicht größer als 20 KHz sein, wenn

die gesendeten Impulse jeweils eine Dauer von 1 p.s haben). Die zur Erfassung empfangener Impulsechos erforderliche Mindestempfindlichkeit des Empfängers ist bestimmt durch diese maximal zulässige auftreffende Ultraschallintensität und durch die Gesamtdämpfung, s welche die Ultraschallwelle bei ihrem Lauf zum und vom abgebildeten Gewebe durch das dazwischenliegende Gewebe erfährt. Handelsübliche klinische Instrumente, die derzeit nur begrenzte Fokussierung bringen, können tiefsitzendes Gewebe nicht mit einer Auflösung ι ο von wesentlich weniger als einem Zentimeter abbilden.

In der US-PS 39 58 559, von der die Erfindung ausgeht, ist ein System beschrieben, bei dem eine Linse mit relativ großer Apertur (speziell eine elliptisch geformte Linse) verwendet wird, um ein einen relativ großen Querschnitt aufweisendes Bündel (Strahl) einfallender Ultraschallenergie in einen beugungsbegrenzten fokussierten Fleck mit einem kleinen Durchmesser von etwa 0,5 mm am Ziel konvergieren zu lassen. Da der konvergierende Strahl bei seinem Eintritt in den menschlichen Körper eine gegenüber dem fokussierten Fleck viel größere Fläche einnimmt und da die im Strahl enthaltene Energie im Verlauf ihres Konvergierens in den kleinen fokussierten Fleck am Ziel durch Absorption gedämpft wird, kann im Prinzip eine zur Erzielung eines Ultraschallbildes relativ hoher Auflösung ausreichende Energiemenge den Zielfleck erreichen, ohne daß die obere Sicherheitsgrenze der Ultraschallintensität beim Auftreffen auf den menschlichen Körper überschritten wird. Bei dem in der besagten USA-Patent- so schrift beschriebenen System wird jedoch die Position des ausgewählten Flecks über eine im Vergleich zur Fleckabmessung große Fläche mit Hilfe eines Abtasters bewegt, der eine als zusammengefaßte Einheit ausgebildete Wandler- und Linsenanordnung mechanisch sowohl längs der akustischen Achse vor- und zurückbewegen als auch quer zu dieser Achse aufwärts- und abwärtsbewegen kann. Die erforderliche mechanische Bewegung einer Linse großer Apertur bezüglich der Zielfläche macht es schwierig, das hohe Auflösungsver- 4« mögen einer solchen Linse bei schnellen Abtastgeschwindigkeiten zu erreichen, weil eine mechanische Abtastvorrichtung zur Bewegung einer Linse großer Apertur zwangsläufig eine große Trägheit hat.

Es ist außerdem schwierig und aufwendig, eine mechanisch schwenkbare Wandler- und Linseneinheit so steif zu haken, daß das hohe Auflösungsvermögen der Linse hoher Apertur voll ausgenutzt werden kann.

Eine andere, ebenfalls relativ komplizierte mechanische Ultraschallabtastvorrichtung für medizinische 5<. Diagnosezwecke, die jedoch keine Linse enthält, ist in der US-PS 37 52 255 beschrieben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. ein Ultraschallimpulsechogerät anzugeben, mil dem ein Bild auch tiefliegender Strukturen im Inneren eines mit Ultraschallwellen abgetasteten, optisch undurchsichtigen Objekts mit hoher Auflösung in Realzeit erzeugt werden kann, ohne daß mechanisch bewegte Fokussiereinrichtungen oder kompliziert aufgebaute Wandleranordnungen benötigt werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Ultraschallimpulsechogerät der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Die Unteransprüche haben Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des vorliegenden Ultraschalümpulsechogerätes zum Gegenstand.

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

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

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt ein eine Linse enthaltendes und nach dem Impulsecho-Verfahren arbeitendes Ultraschall-Abbildungssystem gemäß dem Stand der Technik,

F i g. 2 und 2a veranschaulichen ein erfindungsgemäßes Impulsecho-Ultraschall-Abbildungssystem,

F i g. 3 zeigt eine erste Ausführungsart des in der Anordnung nach F i g. 2 enthaltenen abtastenden Ultraschallgenerators und -detektors,

F i g. 4 zeigt eine zweite Ausführungsart des in der Anordnung nach F i g. 2 enthaltenen abtastenden Ultraschallgenerators und -detektors,

F i g. 4a zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach F i g. 4, die als Fokussierungseinrichtung ein sogenanntes Axicon enthält,

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

F i g. 5 und 5a zeigen eine dritte Ausführungsart des ir F i g. 2 schematisch dargestellten abtastenden Üitra schaligenerators und -detektors.

F i g. 6 und 6a zeigen eine vierte Ausführungsari des in F i g. 2 schematisch dargestellten abtastenden Ultraschallgenerators und -detektors,

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

F i g. 7 und 7 a zeigen eine fünfte Ausführungsart eines abtastenden Ultraschiugenerators und-detektors,

F i g. 8a veranschaulicht eine Abwandlung der Anoro-

nung nach Fig.6 zur Verminderung des Einflusses derjenigen Linsenaberration, die eine Krümmung im Bildfeld bewirkt, und F i g. 3b zeigt eine entsprechende Abwandlung für die Anordnung nach F i g. 7.

Das in F i g. 1 als Beispiel des Standes der Technik dargestellte Ultraschall-Abbildungssystem, welches nach dem Impulsecho-Verfahren arbeitet und eine Linse enthält, entspricht im wesentlichen derjenigen Anordnung, die in Fig.3 der weiter oben genannten US-Patentschrift 39 58 559 gezeigt ist Im einzelnen ist in dieser Anordnung ein Ultraschallwandler 10 mit einer plankonkaven akustischen Linse 12 gekoppelt, und zwar unter Zwischenschaltung einer Schicht 14 eines geeigneten Koppelmediums wie z. B. Wasser oder dergleichen. Die Form der vorderen konkaven Fläche der Linse 12 muß nicht elliptisch sein, wie es in F i g. 3 der oben genannten US-Patentschrift 39 58 559 gezeigt ist, sie kann auch sphärisch sein oder irgend eine andere geeignete Gestalt aufweisen, um die von ihr ausgehende Ultraschallenergie zu einem konvergierenden Strahl 15 zu bündeln.

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

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

Die aus dem Wandler 10 und der über das Medium 14 gekoppelten Linse 12 bestehende Anordnung wird mittels eines Abtasters 26 über eine mechanische Kopplung 27 in vorgewählter Weise zum Zwecke der Abtastung bewegt. In der Anordnung nach F i g. 1 ist diese vorgewählte Art, in der die den Wandler und die Linse enthaltende Einheit mechanisch geführt wird, nicht darauf beschränkt, diese Einheit längs der akustischen Achse der Linse 12 vor- und zurückzubewegen und quer zu dieser Achse aufwärts und abwärts zu bewegen, wie es speziell in der oben genannten US-Patentschrift 39 58 559 beschrieben ist. Der Abtaster 26 kann die den Wandler 10 und die Linse 12 enthaltende Einheit beispielsweise auch kontinuierlich im Sinne einer kegeligen oder einer spiraligen Abtastung oder gemäß der Abtastung eines Fernsehrasters mechanisch bewegen. Andererseits kann die den Wandler 10 und die Linse 12 enthaltende Einheit auch schrittweise mechanisch zu jedem einzelnen von vielen Abtastpunkten bewegt werden, wobei jeder der Punkte bei stillstehender Einheit abgebildet wird und das Fortschreiten der Einheit von einem Abtastpunkt zum

ic nächsten immer nur zwischen dem Abbilden der einzelnen aufeinanderfolgenden stationären Abtastpunkte erfolgt

In F i g. 2 ist ein wassergefüllter Behandlungstisch 200 gezeigt, auf dem ein menschlicher Patient liegt

is Innerhalb des wassergefüllten Tischs 200 eingetaucht befindet sich eine feste Linse 202, die von einem Ultraschallstrahl 204 beleuchtet wird, der eine im wesentlichen ebene Wellenfront darstellt. Der Ultraschallstrahl 204 kommt aus einer abtastenden Ultraschalleinheit 206, die eine Ultraschallquelle und einen Ultraschalldetektor enthält und im Abstand von der festen Linse 202 angeordnet ist.

Der Ausdruck »feste« Linse soll hier bedeuten, daß die effektive Position der Apertur der Linse 202

:·-, während einer BiMabtastung im wesentlichen stationär bezüglich des auf dem Wasser gefüllten Tisch 200 liegenden Patienten ist. Um das jeweils abzubildende weiche Gewebe innerhalb des Patienten auszuwählen, kann jedoch der Betriebsabstand zwischen der Linse 202 und dem Patienten gewünschtenfalls vor einer Bildabtastung justiert werden, wozu entweder die Höhe der Oberseite des wassergefüllten Tischs 200 gegenüber der Linse 202 oder die Position der Linse 202 bezüglich der Oberseite des wassergefüllten Tischs 200 geändert werden kann. Diese Möglichkeit sei bei der obigen Definition der »festen« Linse mit eingeschlossen. Da außerdem die bloße Drehung einer kreissymmetrischen Linse um ihre eigene Achse keinerlei Effekt auf die Position der Linsenapertur oder auf die Linsenwirkung bezüglich der hindurchtretenden Ultraschallenergie hat, ist eine solche bloße Drehung der Linse um ihre eigene Achse ebenfalls in der obigen Definition des Begriffs »feste« Linse mit eingeschlossen. Die feste Linse 202 überträgt die in ebener Wellenfront ankommende Ultraschallenergie des auf sie treffenden Strahls 204 in einen konvergierenden Strahl 208, der zu einem kleinen Fleck in der Brennebene 210 der Linse 202 (innerhalb des Körpers des Patienten) fokussiert wird.

Die F i g. 2 zeigt den sich mit ebener Wellenfront

so fortpflanzenden Beleuchtungsstrahl 204 der Ultraschallenergie an einem Punkt seiner Abtastung, wo seine Foripflanzungsrichtung parallel der akustischen Achse 212 der festen Linse 202 ist. In diesem Fall wird der aus der festen Linse 202 austretende konvergierende Ultraschallstrahl 208 zu einem Fleck fokussiert, der mitten auf den Brennpunkt 214 in der Brennebene 210 der Linse 202 fällt. Wenn jedoch, wie in Fig.2a dargestellt, der sich in ebener Wellenfront fortpflanzende Beleuchtungsstrahl 204 an einem Punkt seiner

bo Abtastung ist, wo seine Fortpflanzungsrichtung einen endlichen Winkel Θ mit der akustischen Achse 212 der Linse 202 bildet, dann fällt der Fokussierungsfleck des aus der Linse 202 austretenden konvergierenden Strahls 208 auf einen Punkt 216 in der Brennebene 210 der Linse

202. Gemäß der Darstellung in F i g. 2a ist der Punkt 216 um eine Distanz d gegenüber dem Brennpunkt 214 linear verschoben. Wie aus der Optik bekannt, ist die Beziehung zwischen der Distanz c/und der Winkelver-

Setzung θ durch folgende Gleichung gegeben:

d = /0

(D

wobei /die Brennweite der Linse 202 gemäß F i g. 2a ist Die Gleichung (1) gilt, solange der Maximalwert von θ (wie im gezeigten Fall) so klein ist, daß sein Bogenmaß (gemessen in Bogeneinheiten) praktisch gleich seinem Tangens ist

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

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

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

Das kleinste noch auflösbare Detail des sichtbaren Bildes der »Szene« ist noch kleiner als die Größe des fokussierten Flecks in der Brennebene 210, weil die feste Linse 202 nicht nur auf den von ihr ausgehenden ursprünglichen Beleuchtungsstrahl sondern außerdem noch auf das reflektierte Echo wirkt, welches zur Ultraschalleinheit 206 zurückgeworfen wird. Quantitativ ausgedrückt bestimmen sich der Durchmesser Δ des fokussierten Flecks und die Größe des kleinsten

ίο auflösbaren Details Δ' im Bildfleck nach folgenden Gleichungen:

A = 2,44

und

A' = 1,46

I-

f-λ

(2)

(3)

wobei λ die Wellenlänge der sich ausbreitenden Ultraschallwelle ist und die Größen / und A die Brennweite bzw. die Apertur der festen Linse 202 darstellen (vgl. F i g. 2a).

Praktische Werte für die Apertur A und die Brennweite /der festen Linse 202 sind z. B. 12,7 cm bzw. 25,4 cm. Wenn beispielsweise die Frequenz der Ultraschallenergie bei 3 MHz liegt, beträgt die Wellenlänge λ etwa 0,5 mm. Setzt man diese als Beispiel gewählten Werte in Gleichung (3) ein, ergibt sich für das Auflösungsvermögen Δ' (Durchmesser eines auflösbaren Bildflecks) ein Wert von 1,46 mm. Das Bildauflösungsvermögen kann noch weiter erhöht werden, indem man eine feste Linse 202 mit größerer numerischer

Apertur (d.h. ein größeres Verhältnis—1 verwendet V r I

und/oder die Frequenz der Ultraschallenergie höher als 3 MHz macht. Allgemein läßt sich je nach der speziellen Art des abgebildeten Gewebes und je nach der Tiefe des Gewebes die jeweils optimale Auflösung im Bereich von 0,5 bis 2,5 mm erhalten, indem man die Werte für die Größen λ, / und A der Gleichungen (2) und (3) entsprechend wählt.

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

(4)

Aus Gleichung (4) ist zu entnehmen, daß sich die Schärfentiefe δ umgekehrt proportional zum Quadrat der numerischen Apertur ändert. In der Optik kann diese Beziehung in der Praxis nicht ausgenutzt werden, da die sehr kleine Wellenlänge des Lichts (z. B. 0,4 bis 0,7 μπι) zur Folge hat, daß die Schärfentiefe für eine große numerische Apertur sehr klein wird. Anders ist es jedoch bei der Ultraschalltechnik, so man mit Wellenlängen λ im Bereich von 0,15 bis 1,5 mm (im Falle von Frequenzen von 1 bis 10 MHz) zu tun hat. Hier bekommt man auch im Falle einer Linse relativ großer numerischer Apertur eine relativ große Schärfentiefe.

(Ό Für das oben gegebene praktische Beispiel, bei dem die Linse 202 eine Brennweite / von 25,4 cm und eine Apertur A von 12,7 cm hat und die Wellenlänge λ der sich ausbreitenden Welle 0,5 mm beträgt, hat die Schärfentiefe δ gemäß der Gleichung (4) noch einen

μ relativ großen Wert von 8 mm (also mehr als fünfmal so groß wie der Bildfleckdurchmesser von 1,46 mm). Ferner zeigt ein Vergleich der Gleichung (4) mit den Gleichungen (2) und (3), daß sich die Schärfentiefe

reziprok mit dem Quadrat der numerischen Apertur ändert, während sich der Fleckendurchmesser lediglich linear mit dem Reziprokwert der numerischen Apertur ändert Durch eine verhältnismäßig geringfügige Verkleinerung des Werts der numerischen Apertur der Linse 202 kann also die Schärfentiefe mit einer relativ kleinen Einbuße an Auflösungsvermögen beträchtlich erhöht werden.

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

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

Die Fig.3 zeigt eine erste Ausführungsform einer abtastenden Ultraschalleinheit 206 (Ultraschallquelle und Ultraschalldetektor), der einen wassergefüllten Behälter 300 aufweist. Der Behälter 300 ist ähnlich dem Behälter 200 nach F i g. 2 und enthält ebenfalls in einer vorderen Wand eine feste Linse 202. Ein feststehender Drehmotor 302 dreht mit einer relativ hohen vorbestimmten Geschwindigkeit eine Drehwelle 304 um die 5η akustische Achse 212 der festen Linse 202, wie es mit dem Pfeil 301 angedeutet ist. Die feste Linse und die besagte Achse entsprechen der oben in Verbindung mit F i g. 2 beschriebenen Linse 202 und Achse 212. An der Drehwelle 304 ist ein mit ihr rotierender Drehzylinder 306 befestigt. Am Ende der Drehwelle 304 ist mittels eines Drehzapfens 310 eine dreh- und schwenkbare Wandleranordnung 308 kippbar angelenkt. Am Drehzylinder 306 ist ein sich mitdrehender Schwenkmotor mit Gestänge 312 befestigt, der mechanisch mit der to Wandleranordnung 308 gekoppelt ist (mit dem gestrichelten Pfeil 314 angedeutet), um die Wandleranordnung 308 um einen kleinen Winkel mit einer relativ langsamen zweiten vorbestimmten Geschwindigkeit zurück- und vorzukippen (wie es mit dem beidendig b5 gespitzten Pfeil 316 angedeutet ist).

Die Wandleranordnung 308 bestehe beispielsweise aus einer piezoelektrischen Platte mit relativ großer Apertur (etwa 12,7 cm). Geeignete Mittel wie z. B. Schleifringe (nicht im einzelnen dargestellt) sorgen für eine elektrische Kopplung der piezoelektrischen Platte der Wandleranordnung 208 mit der Ansteuerungselektronik 316 und mit der Abbildungselektronik 218. Die Ansteuerungselektronik 316 liefert in an sich bekannter Weise kurze (z. B. 1 us dauernde) Erkundungsimpulse mit einer derartigen Folgefreqirenz, daß während einer Abtastung des Zielgebiets eine relativ große Anzahl (z.B. 10 000) getrennte Punkte abgefragt und erfaßt werden können. Die erfaßten Abfragewerte werden der Abbildungselektronik 218 als Eingangsgröße zugeführt. Geeignete Steuermittel wie etwa eine digitale Codierscheibe (nicht gesondert dargestellt) versorgen die Abbildungselektronik 218 mit geeigneten Abtastungs-Synchronsignalen von den Motoren 302 und 31Z In ähnlicher Weise kann die dem Drehmotor 302 zugeordnete Codierscheibe dazu herangezogen werden, ein Synchronsignal an die Ansteuerungselektronik 316 zu senden, um die Folgefrequenz der Erkundungsimpulse festzulegen. Die in der oben beschriebenen Weise herbeigeführte schnelle Drehbewegung und gleichzeitige langsame Kippbewegung der Wandleranordnung 308 führt zu einer solchen Ablenkung des Ultraschallstrahls 204, daß der durch die Linse 202 fokussierte Fleck einen spiraligen Abtastweg beschreibt. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Ultraschallenergie in Wasser oder in menschlichem Gewebe liegt in der Größenordnung von 1,5 · 10⁶mm/sec. Bei dieser Geschwindigkeit beträgt die Zeit zwischen der Absendung eines Erkundungsimpulses und der Rückkehr eines Echos von der Brennebene einer Linse, weiche die oben angenommene Brennweite von 25,4 cm hat, mehr als 330 Mikrosekunden. Wenn eine einzige Abtastung der gesamten Zielfläche 10 000 Abfragepunkte umfaßt, dann dauert diese Abtastung länger als 3,3 Sekunden. Ein solches Intervall für die Zielabtastung ist zwar relativ kurz, aber immer noch langer als es bei einer Realzeitabtastung entsprechen würde. Daher ist es bei Verwendung der Anordnung nach F i g. 3 zweckmäßig, wenn die Abbildungselektronik 218 einen Abtastungsumsetzer enthält, um die unter Spiralabtastung gewonnene Information über das Zielgebiet zu speichern und dann in eine Rasterabtastung zur Wiedergabe auf einem Kathodenstrahlgerät umzusetzen. Die Abbildungselektronik 218 kann außerdem eine geeignete Entfernungstorschaltung enthalten, um die den Abtastungsumsetzer erreichende Information auf die Brennebene selbst zu beschränken (oder auf irgend eine andere Bildebene innerhalb der Schärfentiefe).

Da das Abtastintervall der Kipp-Periode entspricht, sorgt der Schwenkmechanismus 312 für eine Kipp-Periode, die für das hier angenommene Beispiel langer ist als 3,3 Sekunden. Eine Kipp-Periode sollte vorzugsweise etwa 50 Umdrehungen der Wandleranordnung 308 umfassen. Beim angenommenen Beispiel sollte daher die Drehzahl der rotierenden Welle 304, des rotierenden Zylinders 306 und der rotierenden Wandleranordnung 308 etwas mehr als 1000 U/min betragen, wobei während jeder Umdrehung der Wandleranordnung 308 etwa 200 Erkundungsimpulse ausgesandt werden. Hierzu muß die Folgefrequenz der dem Wandlerelement der Wandleranordnung 308 von der Ansteuerungselektronik 316 zugeführten Impulse etwas mehr als 3,3 kHz betragen.

Wenn die Linse 202 eine kreissymmetrische (z. B. sphärische) Linse ist, kann sie direkt am Drehzylinder 306 derart befestigt werden, daß sie sich um ihre eigene

akustische Achse 212 dreht, ohne daß sich dabei ihr Einfluß auf den Ultraschallstrahl 204 in irgend einer Weise ändert In diesem Fall können der Drehzylinder und die rotierende Linse 202 gemeinsam rlas wassergefüllte Gehäuse bilden, womit der Behälter 300 s fortgelassen werden kann. Obwohl eine solche Drehung der Linse 202 um ihre eigene akustische Achse nicht in jedem Fall zu empfehlen ist, liegt eine entsprechende Ausführungsform noch im Bereich der Erfindung.

Wie an sich bekannt, läßt sich ein UltraschallsUahl relativ grcuJer Apertur aus einem Ultraschallwandler relativ kleiner Apertur (oder sogar aus einer punktförmigen Ultraschallquelle) ableiten, indem man eine geeignete akustische Kollimationslinse und/oder einen Reflektor verwendet, nötigenfalls gemeinsam mit einer geeigneten strahlaufweitenden Linse und/oder Reflektoreinrichtung. Die Erfindung umfaßt daher auch Ausführungsformen, in denen solche komplizierten Einrichtungen anstelle der Wandleranordnung 308 großer Apertur verwendet werden. Außerdem kann der Wandler in der Anordnung 308 in an sich bekannter Weise eine gekrümmte Oberfläche statt einer ebenen Oberfläche haben. Auch muß die Wellenfront des Ultraschallstrahls 204 nicht unbedingt eben sein, obwohl eine solche Ausbildung zu bevorzugen ist; wesentlich ist allein, daß die Linse 202 den einfallenden Ultraschallstrahl 204 zu einem Fleck in einer Bildebene fokussiert (die durch geometrische Optik aus der Krümmung der einfallenden Ultraschallenergie und aus der Brennweite der Linse bestimmt wird).

Die Fig.4 zeigt eine zweite Ausführungsform e^;ner abtastenden Ultraschalleinheit 206, die einen festen Wandler enthält. Der in F i g. 4 dargestellte Block 206 besteht aus einem wassergefüllten Behälter mit einer Vorderwand, in der sich (ähnlich wie bei der Ausführungsform nach F i g. 3) eine Linse 202 befindet. Innerhalb des Behälters 400 sitzt ein fester Wandler 402 mit relativ großer Apertur, der aus einer piezoelektrischen Platte bestehen kann. Der feste Wandler 402 erzeugt als Antwort auf Impulssignale, die ihm von der Ansteuerungselektronik 316 zugeführt werden, einen nicht-abtastenden Ultraschallstrahl 404. Dieser »stille« Ultraschallstrahl 404 wird hintereinander zunächst durch ein Paar in X-Richtung ablenkender Risley-Prismen 406 und dann durch ein Paar in V-Richtung ablenkender Risley-Prismen 408 gesendet, um daraus einen im Raster abgelenkten Ultraschallstrahl 204 zu bilden, der die Linse 202 beleuchtet.

Wie aus der Optik bekannt, kann ein Risley-Prismenpaar dazu verwendet werden, einen hindurchtretenden Wellenenergiestrahl im wesentlichen linear abzulenken. Im einzelnen wird hierzu eines der Prismen jedes Paars kontinuierlich mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit in Uhrzeigerrichtung gedreht, während das andere Prisma des betreffenden Paars gleichzeitig mit derselben vorbestimmten Geschwindigkeit entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird. Dementsprechend wird in der Anordnung nach F i g. 4 das X-Ablenkprisma 406a mit einer relativ hohen ersten vorbestimmten Geschwindigkeit und das Y-Ablenkprisma 408a mit einer relativ niedrigen zweiten vorbestimmten Geschwindigkeit gedreht, und zwar beide im Uhrzeigersinn, wie es die Pfeile 410a und 412a andeuten. Gleichzeitig werden das -Y-Ablenkprisma 406b mit der besagten ersten Geschwindigkeit und das V-Ablenkprisma 408b mit der besagten zweiten Geschwindigkeit entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, wie es die Pfeile 4106, 4126 andeuten. Diese Drehung der X-Ablenkprismen 406 und V-Ablenkprismen 408 wird mit Hilfe mechanischer Kopplungen 414a, 4146,416a und 4166 erreicht, die von X- und V-Ablenkantrieben 418 ausgehen. Die Antriebe 418 liefern außerdem Ablenksynchronsignale an die Abbildungselektronik 218 und ferner Erkundungsimpuls-Synchronsignale (zur Steuerung der Folge der Erkundungsimpulse) an die Ansteuerungselektronik 316.

Zu dem in F i g. 4 festgehaltenen Zeitpunkt sollten die y-Ablenkprismen 408a und 4086 gerade dieselbe relative Lage zueinander haben, wie es für die A"-Ablenkprismen 406a, 406b gezeigt ist Die absolute Orientierung des X- Prismenpaars 406 ist im gezeigten Augenblick in Richtung der Zeichenebene, während die absolute Orientierung des y-Prismenpaars 408 gerade senkrecht zur Zeichenebene ist Bei der in Fig.4 gezeigten Augenblicksorientierung der Prismen werden die von den Prismen 414a und 416a bewirkten Ablenkungen des Ultraschallstrahls 404 von den Ablenkwirkungen der Prismen 414b und 4166 gerade wieder aufgehoben, so daß der Ultraschallstrahl 204 am Ende insgesamt unabgelenkt ist Wenn sich aber die Prismen 406a und 406b aus der gezeigten Position zueinander gegensinnig um eine Vierteldrehung bewegt haben (gemäß den mit den Pfeilen 410a und 410b angedeuteten Richtungen), dann befinden sich die Basen der Prismen 406a und 406b in Flucht zueinander (in einer Ebene, die parallel zur aber oberhalb der Zeichenebene liegt), und unter diesen Bedingungen erfolgt eine Maximalablenkung des Strahls 204 in der -Y-Richtung (d. h. senkrecht zur Zeichenebene). Am Ende eines halben Umlaufs der gegensinnigen Drehung der Prismen 406a und 406b (in der mit den Pfeilen 410a und 410b angedeuteten Richtung) zeigen diese Prismen wieder in entgegengesetzte Richtungen, wobei allerdings diesmal die Basis des Prismas 406a nach unten und die Basis des Prismas 406b nach oben in der Zeichnung weist. Auch hier heben sich die Ablenkungen wieder auf, so daß der Ultraschallstrahl 204 insgesamt unabgelenkt ist. Nachdem dVei Viertel eines Umlaufs der gegensinnigen Drehbewegungen der Prismen 406a und 406b (in Richtung der Pfeile 410a und 410ώ) durchwandert sind, liegen die Basen der Prismen 406a und 406b wieder in Flucht miteinander parallel zur Zeichenebene, jedoch diesmal unterhalb der Zeichenebene. Dies führt wieder zu einer Maximalablenkung des Ultraschallstrahls 204 in der X- Richtung. Die Y-Ablenkprismen 408 arbeiten in ähnlicher Weise, sie lenken jedoch wegen ihrer anfänglichen 90°-Versetzung gegenüber den X-Ablenkprismen 406 den Ultraschallstrahl 404 während jedes ihrer Umläufe in der K-Richtung und der -K-Richtung (parallel zur Zeichenebene) ab. Somit führt jeder volle Umlauf eines Risley-Prismenpaars zu zwei linearen Abtastungen zunächst in einer gegebenen Richtung und dann in einer dazu entgegengesetzten Richtung.

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

Die F i g. 4a zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach F i g. 4, in der ein akustisches Axicon anstelle der Linse 202 als fokussierendes Element im Block 206 verwendet wird. Ein optisches Axicon, welches die Form eines Kegels haben kann fokussiert, wenn es mit einer

zur Achse des Axicons senkrecht ebenen Welle bestrahlt wird, das einfallende Licht längs eines bestimmten Linienstücks der Achse des Axicons (und nicht auf einen Brennpunkt wie bei einer Linse). Dies hat den Vorteil, daß eine viel größere Schärfentiefe als bei einer Linse erreicht wird. Eine Winkelversetzung der Orientierung der einfallenden Wellenebene gegenüber der Normalen zur Achse des Axicons führt lediglich dazu, daß die Orientierung des den »Fokus« darstellenden Linienstücks winkelverschoben wird. Für Winkelversetzungen der einfallenden Welle von mindestens ±10° ist die besagte Orientierungsänderung praktisch gleich der Winkelversetzung der einfallenden Welle.

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

Flecktiefe =

Fleckbreile =

«υ

- η) tan Θ

0,38 A
-η) tan©

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

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

Wenn man als Fokussierungseinrichtung ein akustisches Axicon verwendet, dann sollte die Wiedergabeeinrichtung 220 (vgl. F i g. 2) zweckmäßigerweise sowohl ein Kathodenstrahlgerät mit B-Abtastung als auch ein Kathodenstrahlgerät mit C-Abtastung enthalten. Die B-Abtastung, bei der keine Entfernungstorschaltung oder eine Entfernungstorschaltung für einen relativ großen Entfernungsbereich verwendet werden mag, liefert ein Bild in derjenigen Ebene, die durch die relativ schnelle Ablenkung (angenommenerweise in der X-Richtung) und die axiale Entfernungsrichtung 212 (Z-Richtung senkrecht zur A^K-Ebene) definiert ist Eine solche B-Abtastung kann in Realzeit erfolgen (beim angenommenen Beispiel mit annähernd 33 ms für eine halbe Umdrehung der .^-ablenkenden Risley-Prismen 406). Eine C-Abtastung, bei der zur Auswahl der besonderen X-y-Bildebene eine Schmalbereichs-Entfernungstorschaltung verwendet wird, kann jedoch nicht in Realzeit erfolgen (d.h. eine C-Abtastung beansprucht für das angenommene Beispiel etwa 33 Sekunden). Bei Verwendung einer C-Abtastung kann außerdem die ausgewählte darzustellende X-Y-Ebene geändert werden, indem man das Entfernungsintervall ändert (d. h. durch Änderung der Zeitverzögerung zwischen der Abgabe eines Erkundungsimpulses und der Erzeugung eines Schmalbereichs-Torimpulses).

Auch wenn die Fokussierungseinrichtung wie im Falle der Fig. 3 und 4 eine Linse ist, wird es wegen der relativ großen Schärfentiefe der akustischen Linse (vgl.

ίο die obige Gleichung 4) zweckmäßig sein, in der Wiedergabeeinrichtung 220 sowohl ein Kathodenstrahlgerät mit B-Abtastung als auch ein Kathodenstrahlgerät mit C-Abtastung vorzusehen. Andererseits ist es durch Verwendung der in Fig.4b dargestellten Abbildungselektronik auch möglich, auf einem einzigen Kathodenstrahlgecät eine isometrische dreidimensionale Darstellung eines ausgewählten »Zielvolumens« zu erhalten, welches mit der Anordnung nach F i g. 4 oder nach F i g. 4a durch Ultraschall abgetastet wird.

Die in Fig.4b gezeigte Abbildungselektronik 218 enthält einen Treppengenerator 420 für die Horizontalabtastung und einen Treppengenerator 422 für die Vertikalabtastung, Ein in den X- und V-Ablenkantrieben 418 enthaltender Codierer liefert jeden Impuls einer Reihe von X-Positionsimpulsen an einen Eingang des Horizontal-Treppengenerators 420, wobei jeder dieser Positionsimpulse einem vorbestimmten Winkelschritt der Λ-ablenkenden Risley-Prismen 406 entspricht Ir ähnlicher Weise wird eine Reihe von y-Positionsimpul·

jo sen erzeugt, deren jeder einem vorbestimmten Winkelschritt der y-ablenkenden Risley-Prismen 408 entspricht und dem Eingang des Vertikal-Treppengenerators 422 zugeführt wird. Der Horizontal-Treppengenerator 420 kann einen umkehrbaren Zähler und einer Digital/Analog-Umsetzer enthalten, um während jedei Umdrehung der A'-Ablenkprismen 406 ein Treppensignal 424 als Ausgangsgröße zu erzeugen. In ähnlicher Weise erzeugt der Vertikal-Treppengenerator 422 während jeder Umdrehung der V-Ablenkprismen 408 ein treppenförmiges Ausgangssignal 426.

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

Jeder X-Positionsimpuls wird außerdem durch eine Verzögerungseinrichtung 430 gesendet deren Verzögerungszeit gleich ist derjenigen Zeitdauer, die vom Absenden eines Erkundungsimpulses durch den Wandler 402 bis zum Empfang eines Echos am Wandler 402 verstreicht, welches vom nächstliegenden Teil dei inneren Struktur des darzustellenden Volumens zurückgeworfen wird. Der verzögerte Positionsimpuls trigger einen Generator 432 für Breitbereichs-Torimpulse, dei daraufhin einen Rechteckimpuls 434 erzeugt, dessei Dauer t der Tiefe des in seiner inneren Struktur darzustellenden Volumens entspricht Der Impuls 43* wird direkt zum Öffnen einer Entfernungstorschaltunj 436 verwendet, um in an sich bekannter Weise dafür zi

sorgen, daß nur solche erfaßten Echos zur Intensitätssteuerung (Z-Achse) des Bildgeräts 220 gelangen, die aus diesem Tiefenbereich zurückgeworfen werden. Der Torimpuls 434 wird jedoch außerdem einem Integrator 438 zugeführt, um während des Intervalls t während jeder »Bereichsperiode« einen Sägezahn 440 zu erzeugen. Die Dauer des Sägezahns 440 wird daher nur einen kleinen Teil jeder relativ kurzen Stufe des Treppensignals 424 und jeder relativ langen Stufe des Treppensignals 428 ausmachen. Ein summierender Operationsverstärker 442 addiert den Sägezahn 440 mit dem Treppensignal 424 und führt sein Ausgangssignal dem Horizontal-Ablenkeingang des Bildwiedergabegeräts 220 zu. In ähnlicher Weise addiert ein Operationsverstärker 444 den Sägezahn 440 mit dem Treppensignal 428 und führt sein Ausgangssignal dem Vertikal-Ablenkeingang des Bildwiedergabegeräts 220 zu. Wie mit dem Kubus 446 angedeutet, führt die Addition des Sägezahns 440 mit den Horizontal- und Vertikalablenkungen dazu, daß die intensitätsmodulierte Entfernungsinformation des durch Ultraschall abgetasteten Volumens der inneren Struktur in Form eines dreidimensionalen isometrischen Bildes dargestellt wird. Diese dreidimensionale isometrische Darstellung ist eine Hilfe, um Aufschluß über die innere Struktur komplexer Formen wie z. B. die verschiedenen Formen menschlichen Gewebes zu geben.

Keine der in den F i g. 3, 4, 4a und 4b gezeigten Ausführungsformen der abtastenden Ultraschalleinheit 206 (und überhaupt, kein sequentiell punktweise abtastendes System) vermag eine C-Abtastung in Realzeit zu liefern, und zwar wegen des verhältnismäßig langen Hin-Rück-Intervalls (z. B. 330 μς) zwischen der Absendung eines Erkundungsimpulses und der Rückkehr eines Echos aus der Brennebene der Linse. Durch Anwendung zeitunterteilter oder raumunterteilter Multiplexverfahren kann man jedoch einen ganzen Linienabschnitt des Zielgebiets Punkt für Punkt effektiv in einer Zeit abtasten, die ein- bis zweimal so lang wie ein Hin-Rück-lntervall ist. Wenn z. B. das Zielgebiet aus hundert Linienabschnitten (Zeilen) mit jeweils hundert Abtastpunkten besteht und das Hin-Rück-lntervall 330 μβ beträgt, dann kann auf diese Weise das Zielgebiet innerhalb einer Zeitspanne zwischen 33 und 66 Millisekunden voll abgetastet werden. Daher ist das eine hohe Auflösung bringende Abbildungsverfahren gemäß der Erfindung vereinbar mit dem Erfordernis nach Realzeitabtastung des Zielgebiets.

Die F i g. 5 und 5a zeigen eine Ausführungsform der abtastenden Ultraschalleinheit 206, bei der ein Zeitmultiplexverfahren zur Erreichung einer Realzeitabtastung des Zielgebiets angewendet wird. Diese Ausführungsform besteht aus einem für X-Ablenkung phasengesteuerten Wandlerfeld 500, Risley-Prismen 502 zur Y-Ablenkung und einem V-Ablenkantrieb 504, wobei sich alle diese Teile innerhalb eines wassergefüllten Behälters 506 befinden, der in seiner Vorderwand eine Linse 202 enthält. Das zur A"-Ablenkung phasengesteuerte Wandlerfeld 500, das auführlicher in Fig.5a dargestellt ist, besteht vorzugsweise aus einer piezoelektrischen Platte 508, deren eine Oberfläche mit einer an Masse gelegten Elektrode 510 beschichtet ist und deren andere Oberfläche mit einer Grnppe von Linienelektroden 512-1 ...512-n belegt ist Eine Anordnung 514 mit zeitgesteuerten Phasenverzögerungseinrichtungen und Ansteuerungselektronik sendet Erkundungsimpulssignale an das Wandlerfeld 100 und liefert die erfaßten Echos und X-Ablenksynchronsignale an die Abbfldungselektronik 218. Der K-Ablenkantrieb 504 liefert V-Ablenksynchronsignale an die Abbildungselektronik 218.

Es sei an dieser Stelle auf die Veröffentlichung »Microwave Scanning Antennas«, Band 3 (herausgegeben von R. C. Hansen und veröffentlicht von der Academic Press, NY, 1964) verwiesen, in der die Technik phasengesteuerter Strahlerfelder insbesondere für Radarzwecke ausführlich beschrieben ist. Die

to Richtung des von einem phasengesteuerten Strahlerfeld ausgesandten Wellenenergiestrahls ist eine vorbestimmte Funktion erstens des bekannten Abstandes zwischen benachbarten Abschnitten des Feldes, zweitens der bekannten Fortpflanzungsgeschwindigkeit der

ι 5 Wellenenergie im Ausbreitungsmedium und drittens der selektiv gesteuerten Phasendifferenz zwischen der ansteuernden Wellenenergie an jeweils zwei benachbarten Abschnitten des Feldes. Daher ist die Technik phasengesteuerter Strahlerfelder ebensogut wie auf elektromagnetische Mikrowellenenergie auch auf Ultraschallwellenenergie anwendbar.

Die F i g. 5a zeigt schematisch eine Ausführungsform der die zeitgesteuerten Verzögerungseinrichtungen und die Ansteuerungselektronik enthaltenen Anordnung

514. Jedem Linienabschnitt 512-1... 512-n des phasengesteuerten Wandlerfeldes 500 ist ein gesondertes Verzögerungsglied 516-1 ...516-/7 zugeordnet, dessen Verzögerungszeit durch Signale in beiden Richtungen veränderbar ist. Jedes dieser veränderbaren Verzöge-

Jd rungsglieder verzögert ein hindurchlaufendes Signal um einen Betrag entsprechend einem Steuersignal, welches dem betreffenden Glied von der Zeitsteuerung 520 über eine jeweils zugeordnete von mehreren Steuerleitungen 518-1 ...518-n zugführt wird. Bei den veränderbaren Verzögerungsgliedern 516-1 ...516-n kann es sich um Analogbauformen wie z. B. angezapfte Verzögerungsleitungen handeln. In der Praxis werden jedoch normalerweise hierfür digitale Einrichtungen verwendet, etwa wie sie im Band 3 der obengenannten Veröffentlichung »Microwave Scanning Antennas« beschrieben sind. Im Betrieb legt die Ansteuerungselektronik 522 unter dem Einfluß der Zeitsteuerung 520 nacheinander eine vorbestimmte Anzahl (z. B. 100) von Erkundungsimpulsen über die gemeinsame Leitung 524 an das Wandlerfeld 500 durch die veränderbaren Verzögerungsglieder 516-1... 516-n. Die Zeitsteuerung 520 liefert außerdem für jeden der aufeinanderfolgenden Erkundungsimpulse eine andere Gruppe von Steuersignalen 518-1... 518-n, um den vom Wandlerfeld 500 ausgesandten Ultraschallstrahl in der vorgeschriebenen Weise in A'-Richtung abzulenken. Die Gesamtzeit eines solchen Ablenkvorgangs sollte vorzugsweise so kurz wie möglich sein (& h. das Tastverhältnis der Erkundungsimpulse sollte möglichst groß sein) und in keinem Fall langer dauern als der Hin- und Rückweg zum und vom Zielgebiet. Wenn sich eine Ablenkung über 100 Erkundungsimpulse mit jeweils einer Breite ' von 1 us erstreckt und die Hin- und Rückkehrzeit zwischen der Absendung eines Erkundungsimpulses und dem Empfang des zugehörigen Echos 330 us beträgt (wie oben angenommen), dann muß die Mindestdauer der Ablenkbewegung bei hohem Tastverhältnis der Erkundungsimpulse größer als 100 ps sein, während die Höchstdauer des Ablenkvorgangs unter 330 us liegen muß. Am Ende eines Hin-Rück-Intervalls (d.h. nach 330 us) schwenken die veränderbaren Verzögerungsglieder 516-1... 516-n unter dem Einfluß der aus der Zeitsteuerung 520 kommenden Steuersignale

518-1 ...518-n erneut die Strahlrichtung des Wandlerfeldes 500 in der gleichen Weise, um zurückgekehrte Echos zu erfassen und die Echosignale über die gemeinsame Leitung 524 auf die Abbildungselektronik 218 zu geben. Zur Abtastung einer ganzen Linie oder Zeile des Zielgebiets in -Y-Richtung braucht es also eine Zeit, die zwischen dem Ein- und Zweifachen der Hin-Rück-Zeit von der Aussendung eines Erkundungsimpulses bis zur Rückkehr des zugehörigen Echos liegt. Quantitativ ausgedrückt:

n_y KT_s<T_r

2(1

30

Hierin ist TV die Zeit für die Abtastung einer Zeile des Zielgebiets in X-Richtung, Γ,·ist die Hin-Rück-Zeit, T_s ist die Ablenkperiode, n_x ist die Anzahl von Abfragepunkten in einer Abtastzeile in .Y-Richtung, und f ist die Breite eines Erkundungsimpulses. Beim angeführten Beispiel mit 7>=330μ5, π,= 100 und f=1 μ5 ist der Wert für Tx größer als 430 μ5, aber kleiner als 660 μβ. Wenn eine Gesamtabtastung des Zielgebiets über 100 Zeilen geht, dann ist die Dauer einer Abtastung länger als 43 Millisekunden, aber kürzer als 66 Millisekunden (d. h. die zur V-Ablenkung verwendeten Risley-Prismen 502 werden mit einer Drehzahl zwischen etwa 900 und 1400 U/min betrieben). Dies führt zu einer Bildwechselfrequenz zwischen 14 und 24 Bildern je Sekunde, was einer Realzeitwiedergabe gleichkommt.

In den Fig.6 und 6a ist eine Ausführungsform der Ultraschalleinheit 206 dargestellt, bei der die Realzeitabtastung des Zielgebiets mit Hilfe räumlicher Unterteilung erreicht wird. In der Vorderwand eines wassergefüllten Behälters 600 befindet sich eine Linse 202. Innerhalb des Behälters 600 eingetaucht ist ein in X- und Y- Richtung räumlich untergliederter Wandler 602. Der Abstand zwischen dem Wandler 602 und der Linse 202 ist vorzugsweise gleich der doppelten Brennweite {2f) der Linse, wie es in F i g. 6 angegeben ist, so daß Punkte auf dem Wandler 602 mit einer Vergrößerung von 1 auf einer Zielebene abgebildet werden, die sich hinter der Linse 202 ebenfalls im Abstand 2/befindet In ähnlicher Weise werden Punkte der Zielebene mit einer Vergrößerung von 1 auf dem Wandler 602 abgebildet

Wie in F i g. 6a gezeigt besteht der Wandler 602 aus einer piezoelektrischen Platte 604, die auf ihrer links liegenden Oberfläche eine erste Gruppe erregender Linienelektroden 608-1... 608-y und auf ihrer rechts liegenden Oberfläche eine zweite Gruppe fühlender Linienelektroden 610-1... 610-x trägt Wie gezeigt verlaufen die Elektroden der zweiten Gruppe senkrecht zu den Elektroder der ersten Gruppe, so daß insgesamt (x ■ y) Kreuzungspunkte zwischen den Elektroden entstehen. Jeder dieser Kreuzungspunkte entspricht einem Abfragepunkt in der Zielfläche. Wenn wie angenommen χ und y jeweils gleich 100 ist, dann ergeben sich insgesamt 10 000 Abfragepunkte für die Abtastung der Zielfläche.

Die Ansteuenmgselektrode 612 zur Erregung des ω Wandlers 602 besteht aus einer Impulsquelle 614 und einer Verteilungsschaltang 616. Die Verteflungsschaltung 616 wirkt unter Steuerung durch von der Zeitsteuereinheit 618 kommende ^-Signale als Kommutator, um nacheinander jede der Erregungselektroden 608-1... 608-y selektiv mit aufeinanderfolgenden Erkundungsimpulsen zu beaufschlagen und dabei gleichzeitig alle jeweils übrigen unbeaufschlagten Elektroden

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45 dieser ersten Gruppe an Masse zu legen. Zum Zeitpunkt des Anlegens eines Erkundungsimpulses an eine der Erregungselektroden 608-1 ... 608-y werden außerdem die fühlenden Elektroden 610-1 ...610-x mit Masse verbunden. Dies führt zu einem schmalen (z. B. 1 mm dicken) Linienstrahl, besteht aus der Ultraschallenergie, die von jedem der Kreuzungspunkte am gerade gewählten Exemplar der Erregungselektroden 608-1... 608-> abgesandt wird.

Da bei der in den F i g. 6 und 6a gezeigten Anordnung des Blocks 206 jeder Abfragepunkt der Zielfläche an einem zugeordneten Kreuzungspunkt des Wandlers abgebildet wird, ist die Hin-Rück-Zeit zwischen der Absendung eines Erkundungsimpulses und dem Empfang eines daraufhin von der Zielfläche zurückgeworfenen Echos doppelt so lang wie bei der davor beschriebenen Ausführungsform des Blocks 206. Wenn z. B. die Zielfläche 25,4 cm hinter der Linse 202 liegt (d. h. 2/"= 25,4 cm wie oben angenommen), dann beträgt die Gesamtentfernung zwischen dem Wandler 602 und der Zielfläche 50,8 cm. Daher liegt im vorliegenden Fall die Hin-Rück-Zeit in der Größenordnung von 660 μ5 (unter der Annahme, daß sich die Ultraschallenergie im Ausbreitungsmedium mit einer Geschwindigkeit von 1500 m/s fortpflanzt).

Der Impulsquelle 614 und der Verteilungsschaltung 616 werden V-Steuersignale jeweils am Beginn der einzelnen V-Wiederholungsperioden angelegt, die gleich oder etwas größer sind als die Hin-Rück-Zeit (660 μ5), um alle Erregungselektroden 608-1 ... 608-y zu veranlassen, jeweils nacheinander in Intervallen von im wesentlichen 660 μβ einen Ultraschall-Erkundungsimpuls auszusenden.

Ferner ist ein Parallel-Serien-Umsetzer 620 vorgesehen, der folgendes enthält: Eine Gruppe von χ Speicherelementen; eine Gruppe von Eingangstorschaltungen, die von V'-Signalen aus der Zeitsteuerung 618 gesteuert werden, um die von den Fühlelektroden 610-1 ... 610-x gefühlten Signale an oder nahe dem Ende jeder V-Periode (660 μβ) in die jeweils betreffenden Speicherelemente zu geben (aber die Elektroden 610-1... 610-x zu anderen Zeiten an Masse zu legen); eine von den >f-Signalen aus der Zeitsteuerung 618 gesteuerte Ausleseschaltung, um während der nachfolgenden V-Periode nacheinander alle in der Gruppe der Speicherelemente gespeicherten Signale auszulesen und damit während dieser F-Periode eine Serienfolge von χ (ζ. B. 100) Abfragepunktsignalen an die Abbildungselektronik 218 zu liefern. Die Zeitsteuerung 618 liefert außerdem Abtastsynchronsignale an die Abbildungselektronik 218. Die Abtastung des gesamten Zielgebiets dauert somit (y+\) V-Perioden oder, beim hier angenommenen Beispiel, 66,66 ms. Dies bedeutet eine Bildfrequenz von 15 Abtastungen des Zielgebiets je Sekunde, was als Realzeitabtastung angesehen werden kann.

Es ist zweckmäßig, wenn die Verteilungsschaltung 616 irgendwann zwischendurch die Elektroden 608-1... 608-y kurzzeitig abkoppelt (d. h. potentialfrei macht), um die effektive parasitäre Nebenschluß-Lastimpedanz zwischen den Fühlelektroden 610-1... 610-λγ und Masse zu vermindern. Dieses vorübergehende Abkoppeln kann am Ende irgend einer ^-Periode erfolgen, während der Parallel-Serien-Umsetzer 620 die Echos abfragt, die aus dem Zielgebiet als Antwort auf die Erkundungsimpulse zurückkehren, welche am Beginn dieser ^Periode von einer speziellen der erregenden Linienelektroden abgesandt worden

sind. Die besagte Nebenschluß-Lastimpedanz neigt nämlich dazu, die effektive Empfindlichkeit zu vermindern und den effektiven Rauschabstand der gefühlten Signale zu erhöhen, die von den fühlenden Elektroden 610-1... 610-x an die Speicherelemente des Parallel-Se- -> rien-Umsetzers 620 gesendet werden. Je größer die Anzahl der X- V-Kreuzungspunkte ist, desto größer wird der Einfluß der Nebenschluß-Lastimpedanz, während sich sonst im Prinzip nichts ändert.

In Fig.6b ist eine besondere Ausführungsform der κι Zeitsteuerung 618 und der Abbildungselektronik 218 dlrgestellt, mit deren Hilfe auf einem einzigen Kathodenstrahlgerät eine isometrische dreidimensionale Darstellung eines ausgewählten Zielvolumens erhalten werden kann, das durch die Anordnung nach den i> Fig.6 und 6a mit Ultraschall abgetastet werden kann. Gemäß Fig.6b enthält die Zeitsteuerung 6i8 einen Taktgeber 622 zur Erzeugung von A"-Steuersignalen, deren Folgefrequenz gleich derjenigen der Serienfolge der vom Parallel-Serien-Umsetzer 620 kommenden y Abfragepunktsignale ist. Wenn, wie angenommen, während jeder V-Periode von 660 μ5 eine Anzahl von 100 Abfragepunkten erfaßt wird, wird man den Taktgeber 622 mit einer Folgefrequenz von etwa 15OkHz arbeiten lassen. Das Ausgangssignal des Taktgebers 622 wird einem zyklischen K-Steuerzähler 624 zugeführt, der nach dem Ende jeder K-Periode (d. h. nach jeweils 100 Zählschritten beim angenommenen Beispiel) wieder neu beginnt, um ein Ausgangssignal von 1,5 kHz als sogenanntes Zeilenzählsignal zu liefern, ja Dieses Zeilenzählsignal wird dem Eingang eines zyklischen Bildzählers 626 und einem Eingang einer veränderbaren Verzögerungseinrichtung 628 zugeführt und entspricht außerdem dem K-Steuerausgang der Zeitsteuerung 618. Außerdem wird der Zählwert, der 3: sich innerhalb eines Zyklus des K-Steuerzählers 624 angesammelt hat, als Eingangsgröße einem der Horizontalabtastung zugeordneten Digital/Analog-Umsetzer 630 (Horizontal-D/A-Umsetzer) in der Abbildungselektronik 218 zugeführt.

Der bild- oder rasterperiodische Zähler 626 stellt sich nach jedem Raster (d.h. nach jeweils 100 Zeilen beim angenommenen Beispiel) zurück, um ein Rasterzählsignal an einen Eingang eines Treppengenerators 632 zu legen, der sich innerhalb der Abbildungselektronik 218 befindet und Treppensignale mit jeweils m Treppenstufen erzeugt Der rasterperiodische Zähler 626 liefert außerdem ein Signal, welches dem innerhalb eines Zyklus aufgelaufenen Zeilenzählwert entspricht, an einen Eingang eines der Vertikalablenkung zugeordne- 5η ten Digital/Analog-Umsetzers 634 (Vertikal-D/A-Umsetzer) in der Abbildungselektronik 218.

Das Ausgangssignal des Horizontai-D/A-Umseizerb 636 ist ein Treppensignal 636, dessen jede Stufe eine Dauer gleich einer Taktperiode hat und dessen Gesamtdauer gleich derjenigen einer Zeile ist Der Vertikal-D/A-Umsetzer 634 liefert am Ausgang ein Treppensignal 638, dessen jede Stufe die Dauer einer Zeile hat und dessen Gesamtdauer gleich der Raster-Abtastzeit ist Der m Treppengenerator 632 besteht aus einem zyklischen Zähler, der nach jeweils m Rasterzählsignalen neu beginnt, ferner einer analogen oder digitalen Einrichtung, die abhängig von dem in einem Zyklus dieses Zählers aufgelaufenen Zählwert ein Verzögerungssteuersignal an eine veränderbare Verzögerungseinrichtung 628 liefert, sowie einem Digital/ Analog-Umsetzer zur Ableitung eines Treppensignals 640 entsprechend dem im Zähler registrierten aufgelaufenen Zählwert. Das Treppensignal 640 besteht aus m Stufen, deren jede eine Dauer entsprechend einem Rasterzählsignal hat.

Das Treppensignal 640 wird in einem summierenden Operationsverstärker 642 mit dem Horizontal-Treppensignal 636 addiert und dann dem Horizontal-Ablenkeingang des Bildgeräts 220 zugeführt. Das Treppensignal 640 wird außerdem m einem summierenden Verstärker 644 dem Vertikal-Treppensignal 638 hinzuaddiert und dann dem Vertikal-Ablenkeingang des Bildgeräts 220 zugeführt. Die Serienfolge der χ Abfragesignale vom Ausgang des Parallel-Serien-Umsetzers 620 wird dem Intensitätssteuereingang des Bildgeräts 220 zugeführt.

Während eines der untersten Stufe des Treppensignals 640 entsprechenden Rasters hat das Verzögerungssteuersignal einen solchen Wert, daß es die veränderbare Verzögerungseinrichtung 628 veranlaßt, eine minimale Verzögerung zwischen dem Erscheinen jedes K-Steuersignals (was der Aussendung eines Erkundungsimpulses entspricht) und dem Erscheinen eines K'-Steuersignals zu bewirken (das V-Steuersignal öffnet die Tore für die Speicherung der erfaßten Echosignale im Farallel-Serien-Umsetzer 620). Somit entspricht die dem Intensitätssteuereingang des Bildgeräts 220 zugeführte Folge von * Abfragesignalen der am nächsten liegenden Bildebene des in seine! inneren Struktur darzustellenden Zielvolumens. Die Darstellung dieser nächstliegenden Bildebene erfolgt in C-Abtastung, die durch die Vielzahl der Horizontal-Treppensignale 636 und das einzige Vertikal-Treppensignal 638 bestimmt wird, welche während der Dauer dieser untersten Stufe des Treppensignals 640 erscheinen. Die Darstellung des nächsten Bildes, das im Verlauf der zweiten Stufe erscheint, erfolgt in einer zweiten C-Abtastung, die gegenüber der ersten C-Darstellung etwas nach rechts und nach oben versetzt ist. Gleichzeitig führt der während der zweiten Stufe des Treppensignais 640 angenommene Wert des Verzögerungssteuersignals dazu, daß vom Parallel-Serien-Umsetzer 620 nunmehr solche Echosignale dem Intensitätssteuereingang des Wiedergabegeräts 220 zugeführt werden, die aus einer etwas weiter entfernt liegenden Bildebene des Zielvolumens stammen. Dieser Ablauf, der sich für jede der m Stufen des Treppensignals 640 wiederholt, führt zu einer isometrischen dreidimensio nalen Darstellung der inneren Struktur des Zielvolumens auf dem Bildgerät 220.

Wenn die von Stufe zu Stufe vorgenommene Änderung der von der variablen Verzögerungseinrichtung 628 bewirkten Verzögerung jeweils eine Entfernungsänderung von z. B. etwa 2 mm entspricht (ein Maß, welches bei den verwendeten Uitraschsüwcllcnlängcn nahe der Grenze der Tiefenauflösung liegt) und die Zahl m=25 ist, dann erhält man eine dreidimensionale isometrische Darstellung der inneren Struktur eines etwa 5 cm tiefen Zielvolumens.

Die F i g. 7 und 7a zeigen eine Ausführungsform der abtastenden Ultraschalleinheit, die in ihrem Betrieb der Ausführungsform nach den Fig.6 und 6a funktionell etwa gleichkommt aber mit einer wesentlich niedrigeren parasitären Nebenschluß-Lastimpedanz behaftet ist

Gemäß F i g. 7 befinden sich in einem wassergefüllten Behälter 700 ein für ^-Zeilenablenkung räumlich gegliederter Wandler 702 und Risley-Prismen 704 für die Y-AUenkung, die mit einem Y^Ablenkantrieb 706 gekuppelt sind. Abfragepunkte des Zielgebiets werden mit Hufe eines Linsensystems an sntsorecbenden

Punkten des Wandlers 702 abgebildet Das Linsensystem besteht aus zwei beabstandeten Linsen 202a und 202b, die wie dargestellt zu beiden Seiten der Y-Ablenkprismen 704 angeordnet sind. Die besagte Abbildungsbeziehung resuliert daraus, daß die Brennebene der in der Vorderwand des wasse^rgefüllten Behälters 700 befindlichen Linse 2026 mit der Zielfläche zusammenfällt und daß der Wandler 702 in der Brennebene der Linse 202a liegt Die Verwendung eines Zweilinsensystems zur Abbildung der Abfragepunkte des Zielgebietes auf dem Wandler 702 ist in mancher Hinsicht vorteilhafter als der Einsatz einer einfachen Linse gemäß F i g. 6, denn mit einem Zweilinsensystem ist die Verzerrung geringer, weil die Y-Ablenkprismen mit akustischer Energie in Form paraxial laufender ebener Wellen beleuchtet wird und nicht mit sphärischen Wellen aus einer linear abgelenkten Punktquelle. Wie in Fig. 7a gezeigt, besteht der Wandler 702 aus einer piezoelektrischen Platte 708, die auf ihrer rechten Oberfläche zwei erregende Linienelektroden 710-1 und 710-2 trägt. In der Mitte zwischen den Linienelektroden 710-1 und 710-2 befindet sich eine geradlinige Reihe von einzelnen Fühlelektroden 712-1... 712-x, deren Abstand zu den beiden linienförmigen Erregungselektroden jeweils gleich »s« ist. Auf der linken Oberfläche der piezoelektrischen Platte 708 befinden sich an Masse liegende Linienelektroden 714, die mit den erregenden Linienelektroden 710-1 und 710-2 und mit der linienförmigen Reihe der Fühlelektroden 712-1... 712-χ ausgerichtet sind, wie es die F i g. 7a zeigt. Eine in der Ansteuerungselektronik 718 enthaltene Impulsquelle 716 liefert als Antwort auf V-Steuersignale, die aus der Zeitsteuerung 720 kommen, eine Reihe von Erkundungsimpulsen über einen Schalter 722 an eine ausgewählte der Erregungselektroden 710-1 und 710-2, und zwar mit einer Wiederholungsperiode, die im wesentlichen gleich ist der Hin-Rück-Zeit zwischen der Absendung eines Erkundungsimpulses und dem Empfang eines daraufhin vom Zielgebiet zurückgeworfenen Echos (z. B. 660 μηι). Der Schalter 722 wählt abhängig von einem Steuersignal, welches ihm vom y-Ablenkantrieb 706 zugeführt wird, die jeweils mit einem Erkundungsimpuls zu beaufschlagende Erregungselektrode 710-1 oder 710-2 aus. Die zur K-Ablenkung dienenden Risley-Prismen 704 drehen sich kontinuierlich während der Zeit, in der ein Erkundungsimpuls zum Ziel läuft, und während der Zeit, in der ein Echo vom Ziel zurück zum Wandler 702 läuft. Daher gelangt das Echo eines von einer ausgewählten Erregungselektrode 710-1 oder 710-2 ausgesandten Erkundungsimpulses nicht zurück zur selben Elektrode, sondern es erfahrt eine Zusatzablenkung in V-Richtung um ein gegebenes Längsmaß, welches durch die Drehgeschwindigkeit der Ablenkprismen 704 und die Hin-Rück-Zeit zum und vom Zielgebiet bestimmt ist. Der Abstand zwischen der linienförmigen Reihe der Fühlelektroden 712-1... 712-x und den beiden Erregungselektroden 710-1 und 710-2 ist so gewählt, daß er gleich diesem gegebenen Ablenkungsmaß ist. Während der ersten Hälfte jedes Umlaufs der V-Ablenkprismen 704 wird außerdem ein durch die Prismen dringender Strahl akustischer Energie in V-Richtung von oben nach unten abgelenkt. Während der anderen Hälfte jeder Umdrehung der Prismen 704 wird ein hindurchtretender Strahl akustischer Energie in K-Richtung von unten nach oben abgelenkt. Das dem Schalter 722 vom K-Ablenkantrieb 706 zugeführte Steuersignal bewirkt, daß während der ersten Hälfte der Umdrehung der Risley-Prismen 704, wenn der akustische Strahl von oben nach unten abgelenkt wird, Erkundungsimpulse zur Erregungselektrode 710-1 gelangen und die Erregungselektrode 710-2 an Masse gelegt wird. In ähnlicher Weise wird während derjenigen Halbumdrehungen der Risley-Prismen 704, bei denen der akustische Strahl von oben nach unten abgelenkt wird, mittels des Schalters 722 die Erregungselektrode 710-2 mit Erkundungsimpulsen versorgt und die Erregungselektrode 710-1 an Masse gelegt !n

!0 beiden Fällen treffen die vom Zielgebiet zurückgeworfenen Echos auf die linienförmige Reihe der Fühlelektroden 712-1... 712-x

Wenn die Umlaufperiode der zur y-Ablenkung verwendeten Risley-Prismen 704 nicht genau gleich

lä einem geradzahligen Vielfachen der Folgeperiode der Erkundungsimpulse ist, dann wird während aufeinanderfolgenden Halbumdrehungen der Risley-Prismen 704 jeweils eine andere Gruppe von X-Zeilen des Zielgebiets abgetastet Das heißt, man erhält eine Rasierabtastung des Zielgebiets nach dem sogenannten Zeilensprungverfahren.

Ein Parallel-Serien-Umsetzer 724, der strukturell und funktionell dem oben beschriebenen Parallel-Serien-Umsetzer 620 entspricht, fragt am Ende jeder V-Periode (d. h. der Wiederholungsperiode der Erkundungsimpulse) in paralleler Weise alle die dann von den Fühlelektroden 712-1... 7\2-xempfangenen Echosignale der betreffenden Zeile des Zielgebiets ab und speichert sie, um anschließend während der folgenden

jo Y- Perioden die gespeicherten Signale in eine entsprechende Serienfolge umzusetzen.

Im Idealfall müßte die Linse 202 in F i g. 6 den ebener Wandler 602 in einer ebenen Bildebene abbilden, und die Linsen 202a und 2026 nach Fig.7 müßten der ebenen Wandler 702 in einer ebenen Bildebene abbilden. Wie aus der Optik bekannt, treten jedoch bei normalen sphärischen Linsen verschiedene Arten vor Aberrationen auf. Das Maß dieser Aberrationen isl außerdem bei Linsen mit großer Apertur größer insbesondere wenn das Objekt (Wandler) ein relativ großes Feld einnimmt (was auf die Anordnungen nach den F i g. 6 und 7 zutrifft).

Eine besonders unangenehme Aberration, die bei der Anordnungen nach den Fig.6 und 7 auftritt, ist die Abbildung des flachen Wandlers 602 bzw. 702 in einei konkav gekrümmten Bildebene. Eine Möglichkeit zui Überwindung dieses Problems besteht darin, der Linse 202 in F i g. 6 bzw. den Linsen 202a und 202b in F i g. 7 passende komplexe Krümmungen zu geben, die in ar

so sich bekannter Weise durch computergesteuerte Strahlengangermittlung herausgefunden werden können. Die Herstellung akustischer Großaperturlinsen mit derartigen komplexen Krümmungen ist jedoch schwierig unc teuer. Eine einfachere und billigere Lösung ist in der Fig.8aund8bveranschaulicht.

Gemäß Fig.8a ist eine Korrekturplatte 800a in dei gezeigten Weise zwischen dem Wandler 602 und dei Linse 202 angeordnet, und zwar so, daß sie praktisch ir Berührung mit der vorderen Oberfläche des Wandler

bo 602 ist. Der Wandler 602 hat gegenüber dem al Ausbreitungsmedium verwendeten Wasser eine relati' hohe akustische Impedanz. Daher sollte die Korrektur platte 800a aus einem Material bestehen, dessei akustische Impedanz zwischen derjenigen des Wandler

M 602 und derjenigen des Wassers liegt. Vorzugsweise sollte die akustische Impedanz der Korrekturplatte 800 nahe dem geometrischen Mittel zwischen der akusti sehen Impedanz des Wandlers 602 und derjenigen de

Wassers liegen, um eine optimale Impedanzanpassung für die Ultraschallwellenenergie zu bekommen. In der Praxis kann die Korrekturplatte 800a aus demselben Material wie die akustische Linse 202 bestehen, z. B. aus einem Kunststoff wie Polystyrol oder Methylmethacrylat Vorzugsweise sollte die Korrekturplatte 800a jedoch aus einem Metall wie etwa Aluminium bestehen, dessen akustische Impedanz für die sich ausbreitenden Ultraschallwellen dem für eine optimale Impedanzanpassung erforderlichen Wert näher liegt als die akustische Impedanz von Kunststoff.

Die Korrekturplatte 800a hat eine konkave vordere Oberfläche 802a, so daß sie wie eine akustische Sammellinse wirkt, um erstens einen erhöhten Teil der vom Wandler 602 abgestrahlten Ultraschallenergie innerhalb der Apertur der Linse 202 zu halten und dadurch den Wirkungsgrad des Systems in der Ausnutzung der Ultraschallenergie zu erhöhen, und zweitens, was noch wichtiger ist, einen sehr großen Anteil der die Großaperturlinse 202 bestrahlenden gesamten Ultraschallenergie in dem kleinen Mittenbereich 804 der Apertur zu konzentrieren, der die Achse 212 umgibt Auf diese Weise bringt die Großaperturlinse 202 die erforderliche hohe Auflösung, mit der die akustische Wellenenergie in den Bildebene fokussiert wird, während gleichzeitig die durch die Korrekturplatte 800a bewirkte Konzentration der Ultraschallenergie innerhalb des kleinen Bereichs 804 der Apertur der Linse 202 alle unerwünschten Krümmungen der Bildebene auf ein Mindestmaß reduziert Wenn Kosten keine Rolle spielen, kann die Krümmung der Oberfläche 802a und/oder der Oberflächen der Linse 202 mit Hilfe von Strahlengangverfahren so zugeschnitten werden, daß eine oder mehrere der normalerweise von einer Großaperturlinse bewirkten Aberrationen im wesentlichen ausgeschaltet werden. Wenn jedoch sowohl die Linse 202 als auch die Korrekturplatte 800a billig hergestellte sphärische Oberflächen haben, dann läßt sich die unerwünschte Krümmung der Bildebene noch dadurch eliminieren, daß man der durch die Korrekturplatte 800a gebildeten Sammellinse eine Brennweite gibt, die im wesen Jichen gleich dem Abstand L_a zwischen der Hauptebene der Korrekturplatte 800a und der Hauptebene der akustisehen Linse 202 ist

Die Anordnung nach Fig.6 arbeitet mit einer einfachen Linse 202, während die Anordnung nach F i g. 7 mit zwei beabstandeten Linsen 202a und 2026 arbeitet Wie in Fig.8b angedeutet ist, gibt man der durch die Korrekturplatte 8006 gebildeten Sammellinse, die mit dem Wandler 702 in F i g. 7 zusammenwirken soll, eine Brennweite gleich dem Abstand Lb zwischen der Hauptebene der Korrekturplatte 8006 und der näherliegenden akustischen Linse 202a in F i g. 7, so daß die in die Linse 202a fallende akustische Wellenenergie in dem die Achse 212 umgebenden Mittenbereich dieser Linse konzentriert wird. Ansonsten ist die in Fig.8b dargestellte Anordnung im wesentlichen gleich mit der oben beschriebenen Anordnung nach F i g. 8a.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschallimpulsechogerät zur hochaufgelösten bildmäßigen Darstellung von Strukturen in einem Objektbereich, mit einer Ultraschall-Abtast- und Empfangsvorrichtung, die eine sowohl zum Senden als auch zum Empfangen dienende Ultraschallwandleranordnung, eine Fokussierungseinrichtung sowie eine Ultraschallablenkeinrichtung enthält und den Objektbereich mit einem gepulsten und fokussieren Ultraschallstrahl punktweise abtastet, dadurch gekennzeichnet, daß die Apertur (A) der Fokussierungseinrichtung (202) bezüglich des Objektbereiches während der Abtastung stationär ist und daß die Ultraschallwandleranordnung (308) in Kombination mit der Ultraschallabienkeinrichtung (302, 312) die Fokussierungseinrichtung (202) mit Ultraschallstrahlung unter wechselndem Winkel beaufschlagt

2. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Abtast- und Empfangsvorrichtung einen mit einem Ultraschallwellen-Fortpflanzungsmedium (ζ. Β. Wasser) gefüllten Behälter (300 in Fig.3) aufweist; daß mindestens ein Teil der Fokussierungseinrichtung (202) in einer Vorderwand des Behälters angeordnet ist; daß die Ultraschallwandleranordnung (308) innerhalb des Behälters in einem vorgegebenen Abstand hinter der Fokussierungseinrichtung liegt und diese mit einem Ultraschallwellen-Einfallsstrahl (204) beleuchtet; und daß die Ultraschall-Ablenkeinrichtung (301,302,303,310,312) die Winkelorientierung des Einfallsstrahles (204) gegenüber einer Achse (212) der Fokussierungseinrichtung (202) steuert

3. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Fokussierungseinrichtung eine in der Vorderwand des Behälters (300) angeordnete akustische Linse (z. B. 202} aufweist, die eine große numerische Apertur hat

4. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Abtast- und Empfangsvorrichtung eine schwenkbare Aufhängung (310) der Ultraschallwandleranordnung (308) am Ende einer Welle (304) und eine Vorrichtung (302, 312) zum Drehen der Welle mit einer relativ hohen Geschwindigkeit unter gleichzeitigem Kippen der Ultraschallwandleranordnung um sein Schwenklager mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit, so daß die Winkelorientierung des Einfallsstrahles einen spiraligen Abtastweg beschreibt, enthält.

5. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallablenkeinrichtung mindestens ein Paar Risley-Prismen (406 oder 408 in F i g. 4) aufweist, die vor der Ultraschallwandleranordnung (402) im Weg des Einfallsitrahles (204) liegen, und da£ das Risley-Prismenpaar so orientiert ist daß der Einfallsstrahl in einer vorgegebenen linearen Richtung (X oder Y)\an- und hergeschwenkt wird, wenn sich die Risley-Prismen dieses Paares gegensinnig in bezug aufeinander drehen (410a, 4100 oder 412a, 4126), und daß eine Vorrichtung (418) vorgesehen ist, die die Risley-Pris- b5 men des betreffenden Paares mit einer vorgegebenen ersten Geschwindigkeit gegensinnig zueinander drehen.

6. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Ultraschallablenkeinrichtung außerdem ein weiteres Risley-Prismenpaar aufweist welches ebenfalls vor der Ultraschallwandleranordnung im Weg 'des Einfallsstrahls liegt und derart orientiert ist daß der Einfallsstrahl eine lineare Hin- und Herbewegung in einer der vorgegebenen linearen Richtung senkrechten zweiten linearen Richtung erfährt wenn die Risley-Prismen dieses weiteren Paars gegensinnig zueinander gedreht werden, und daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, um die Risley-Prismen des weiteren Paars mit einer vorgegebenen zweiten Geschwindigkeit gegensinnig zueinander zu drehen.

7. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die vorgegebene zweite Geschwindigkeit um so viel höher als die erste gegebene Geschwindigkeit ist daß der Einfallsstrahl eine einen X-V-Raster beschreibende Ablenkung mit einer durch die vorgegebene erste Geschwindigkeit bestimmten Rasterfrequenz und einer durch die vorgegebene zweite Geschwindigkeit bestimmten Zeilenfrequenz erfährt.

8. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandleranordnung einen Einfallsstrahl mit einer ebenen Wellenfront erzeugt.

9. Uitraschallimpulsechogerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallstrahlung eine gegebene Wellenlänge λ (ζ. Β. 0,15 bis 1,5 mm) hat und daß die Parameter der akustischen Fokussierungseinrichtung in derartiger Relation zu dieser Wellenlänge stehen, daß der abtastende fokussierte Ultraschallstrahl einen Fokussierungsfleck vorgegebener Größe (Δ) bildet und eine Schärfentiefe (ö) bringt, die mindestens einige Mal so groß wie die vorgegebene Größe des Fokussierungsflecks ist.

10. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungseinrichtung eine akustische Linse (202) mit einer vorgegebenen Apertur A (z. B. 127 mm) und einer vorgegebenen Brennweite / (z. B. 254 mm) ist und daß der Durchmesser Δ (ζ. B. 1,4 mm für λ = 0,5 mm) des Fokussierungsflecks, die Ausdehnung Δ' des kleinsten auflösbaren Details im dargestellten Bild und die Schärfentiefe ό (ζ. Β. 8 mm) gemäß folgenden Gleichungen mit der gegebenen Wellenlänge A, der gegebenen Apertur A und der gegebenen Brennweite /verknüpft sind:

2,44

A' = 1,46

/•λ

δ = 4λ

11. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungseinrichtung ein akustisches Axicon (202a in F i g. 4a) ist.

12. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Axicon (202a) aus einem einen kegelförmigen Ausschnitt aufweisenden Block eines Materials besteht, dessen

normierter Brechungsindex bezüglich seiner Umgebung kleiner ist als I₁ und daß die dem Durchmesser des vorgegebenen Fokussiert!ngsflecks entsprechende Fleckbreite und die dem Bereich der Schärfentiefe entsprechende Flecktiere in folgender Beziehung zu der gegebenen Weilenlänge λ, dem Brechungsindex n, dem Winkel θ zwischen dem kegelförmigen Ausschnitt und der Normalen zur Achse des Axicons und zum größten Radius Rq des kegelförmigen Ausschnitts stehen: ι ο

Flecktiefe =

Fleckbreite

-n)tan0

0,38 A
-n)tan0

13. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die betrachtete innere Struktur im Objektbereich ein gegebenes Volumen mit vorbestimmter Länge und Breite und vorbestimmter Tiefe ausmacht, die nicht größer als die Schärfentiefe für den abtastenden fokussierten Strahl ist, und daß eine Abbildungseiektronik (218 in Fig.4b) und eine Bildwiedergabeeinrichtung (218, 220 in Fig.4b) vorgesehen sind, die mit der Ultraschallwandleranordnung gekoppelt sind und auf deren Ausgangssignale ansprechen, um eine dreidimensionale Darstellung der Struktur gemäß den jeweiligen Abmessungen des Volumens zu geben.

14. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallablenkeinrichtung den abtastenden fokussierten Strahl gemäß einem X-K-Raster ablenkt und entsprechende Raster-Synchronsignale erzeugt, und daß die Abbildungselektronik und Bildwiedergabeeinrichtung ein Kathodenstrahl-Sichtgerät (220, Fig.4b) enthalten, das entsprechend den gewonnenen Ausgangssignalen intensitätsmoduliert wird, und daß zwischen die Ultraschallwandleranordnung und das Kathodenstrahl-Sichtgerät eine Kathodenstrahl-Ablenksteuereinrichtung (420, 422, 430, 432, 436, 438, 442, 444) gekoppelt ist, um unter Berücksichtigung des Erzeugungszeitpunkts jedes Ultraschallimpulses und der Raster-Synchronsignale eine isometrische Darstellung (446) der betrachteten Struktur auf dem Kathodenstrahl-Sichtgerät zu erzeugen.

15. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenstrahl-Ablenksteuereinrichtung folgendes enthält:

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

eine zweite Schaltung (242) zur Bildung eines ersten Signals, welches gleich der Summe zweier Komponenten ist, deren erste (424) ein die augenblickliche Position des abtastenden fokussierten Strahls in der ΑΓ-Richtung angebender Analogwert ist und deren zweite (440) dem Sägezahnsignal proportional ist; eine dritte Schaltung (444) zur Bildung eines zweiten Signals, welches gleich der Summe einer dritten und einer vierten Komponente ist, wobei die dritte Komponente (428) ein die augenblickliche Position des abtastenden Strahls in der V-Richtung angebender Analogwert ist und die vierte Komponente proportional dem Sägezahnsignal (440) ist;
eine vierte Schaltung (Leitung), welche das erste Signal dem Kathodenstrahl-Sichtgerät (220) zuführt, um die Kathodenstrahlablenkung in diesem Gerät in einer der X-Richtung entsprechenden ersten Richtung (H)zu steuern; und

eine fünfte Schaltung (Leiter), welche das zweite Signal dem Kathodenstrahl-Sichtgerät zuführt, um die Kathodenstrahlablenkung in diesem Gerät in einer Richtung (V) zu steuern, die der besagten ersten Richtung senkrecht ist und der V-Richtung entspricht.

16. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkeinrichtung mindestens eine Folge von m aufeinanderfolgenden Abtastungen des A'-KRasters bewirkt, wobei m eine ganze Zahl größer als 1 ist, und daß die Abbildungselektronik (218 in Fig.4b) und Bildwiedergabeeinrichtung (220) folgendes enthalten:

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

eine zweite Schaltungsanordnung (520), die das Maß der von der Verzögerungseinrichtung bewirkten Verzögerung entsprechend der Ordnungszahl jedes der m Rasterabtastungen in der Reihe bestimmt.

17. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltungsanordnung (520) das Maß der bewirkten Verzögerung zwischen den aufeinanderfolgenden m Rasterabtastungen jeweils um im wesentlichen gleiche diskrete Schritte erhöht.

18. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der untereinander gleichen Schritte bei der Erhöhung der Verzögerung einem Schritt in zunehmende Tiefe der Innenstruktur entspricht, dessen Länge nicht größer ist als die Größe des kleinsten im dargestellten Bild noch aufzulösenden Details.

19. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandleranordnung (602 in Fig.6) in einem Bereich angeordnet ist, in dem das Objekt durch die Fokussierungseinrichtung abgebildet wird, und daß die Ultraschallwandleranordnung eine erste Gruppe

aus y beabstandeten parallelen Elektroden (608-1... 608-,ν) aufweist und eine zweite Gruppe aus χ beabstandeten parallelen Elektroden (610-1 ... 610-Af) enthält, die senkrecht zu den Elektroden der ersten Gruppe verlaufen und mit diesen Elektroden insgesamt χ ■ y verschiedene Kreuzungspunkte als Bildabfragepunkte bilden, wobei χ und y gegebene ganze Zahlen sind, und daß die Ultraschallablenkeinrichtung folgendes enthält:

eine erste Schaltung (616), die jede Elektrode ι ο der ersten Gruppe eine gewisse Zeit nach der Erregung der vorangehenden Elektrode der ersten Gruppe erregt, so daß alle Kreuzungspunkte einer gerade erregten Elektrode gleichzeitig Ultraschallenergie erzeugen und nach einer Zeitverzögerung, die dem Abstand zwischen der Ultraschallwandleranordnung und dem Objektbereich proportional ist, gleichzeitig entsprechende Nutzsignalanteile des fokussierten Strahls empfangen und erfassen, wobei die besagte gewisse Zeit mindestens gleich der besagten Zeitverzögerung ist;
eine Vielzahl von Abfragewertspeichern (Speicherelemente innerhalb 620), die selektiv in paralleler Weise mit einzelnen Elektroden der zweiten Elektrodengruppe gekoppelt werden, wenn Nutzsignalanteile des fokussierten Strahls entsprechend den einzelnen Kreuzungspunkten jeder Elektrode der ersten Gruppe empfangen und erfaßt werden, wobei die jo einzelnen Abfragewerispeicher jeden Bildabfragewert der gerade mit ihnen gekoppelten einzelnen Elektrode der ersten Gruppe getrennt speichern; und

eine zweite Schaltung (Torschaltungen inner- j5 halb 620, die auf Taktimpulse aus 622 ansprechen) zum seriellen Auslesen aller einzelnen gespeicherten Bildabfragewerte in einer der Einspeicherung unmittelbar folgenden Zeitperiode, die nicht langer als die besagte gewisse Zeit ist

20. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Bild des Objektbereiches in mindestens einem Raster (F i g. 5, 5a) dargestellt wird, der eine erste Vielzahl von Gruppen (z. B. 100 Zeilen) von Bildpunkten umfaßt, wobei jede dieser Gruppen eine zweite Vielzahl (z. B. 100) einzelner Bildpunkte enthält;
daß die Strahlablenkeinrichtung eine Abtastan-Ordnung (502, 512-1 ... 512-/1, 516-1 ... 516-n, 520, 522) aufweist u~. mit dcnr. ickussiertsn Ultraschallstrahl eine ganze Zeile von Punkten im Objektbereich in einer ersten Zeitspanne (T^ abzutasten, die nicht größer als die besagte Zeitverzögerung (T/t) ist, die die Ultraschallimpulse für den Weg von der Wandleranordnung zum Objektbereich und zurück benötigen; daß die Nutzsignalanteile des fokussierten Strahls, die den Bildpunkten der zweiten Vielzahl der Gruppen entsprechen, innerhalb der Dauer einer zweiten Zeitperiode (T^ empfangen und erfaßt werden, die gleich der Summe der ersten Zeitperiode (7$ und der besagten Zeitverzögerung (Tg) ist, und daß das Raster in einer dritten Zeitperiode wiedergegeben wird, die gleich ist einem der ersten Vielzahl (100) entsprechenden Vielfachen der zweiten Zeitperiode.

21. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkeinrichtung während der Erzeugung jedes Bildrasters den fokussierten Strahl über den Objektbereich in einem A^--Y-Raster ablenkt, der aus einer der ersten Vielzahl entsprechenden Anzahl von im wesentlichen parallelen Ablenkzeilen besteht, deren jede sich im wesentlichen linear in einer ersten Richtung durch den Objektbereich erstreckt und einer gesonderten der besagten Gruppen entspricht und die zueinander in einer zur ersten Richtung im wesentlichen senkrecht verlaufenden, durch den Objektbereich gehenden zweiten Richtung angeordnet sind.

22. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung beabstandete Elektroden (512-1 ... 512-n) in einer gegebenen Verteilung enthält, die mit der Ultraschallwandleranordnung (500) zusammenwirken, um die Ablenkung des fokussierten Strahls in mindestens einer (X) der beiden Richtungen (X und Y) entsprechend der Erregung der einzelnen beabstandeten Elektroden zu steuern, sowie eine Einrichtung (514 mit 516-1... 516-/J, 520,522) zur Steuerung der Erregung der einzelnen beabstandeten Elektroden.

23. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der beabstandeten Elektroden ein phasengesteuertes Wandlerfeld bildet und daß die Strahlablenkeinrichtung folgendes enthält:

eine mit den einzelnen beabstandeten Elektroden gekoppelte Phasenverzögerungseinrichtung (516-1. ..516-n);

eine erste Schaltungsanordnung (520, 522), die nur während eines ersten Teils jeder zweiten Zeitperiode eines Rasters wirksam wird, um den einzelnen beabstandeten Elektroden fiber die veränderbare Phasenverzögerungseinrichtung Erregungsimpulse entsprechender Phasenlage zuzuführen, wobei der besagte erste Teil der zweiten Zeitperiode eines Rasters gleiche Länge wie die erste Zeitperiode hat, so daß der fokussierte Strahl innerhalb der ersten Zeitperiode die Punkte einer Ablenkzeile des Objektbereiches abtastet, und

eine zweite Schaltungsanordnung (520), die während eines zweiten Teils jeder zweiten Zeitperiode, in der den Punkten längs der Ablenkzeile zugeordnete Nutzsignalteile empfangen und erfaßt werden, wirksam ist, um die Ausgangssignale von den beabstandeten Elektroden über die veränderbare Phasenverzögerungseinrichtung abzuleiten.

24. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung ferner ein Paar Risley-Prismen (502, 504) zur Steuerung der Ablenkung in der zweiten Richtung enthält

25. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet

daß die Wandleranordnung (702 in Fig.7) in einem gegebenen Bereich im Abstand vom Objektbereich angeordnet ist, wo dieser durch die Fokussierungseinrichtang abgebildet wird und daß die Ultraschallwandleranordnmig folgendes enthält

eine erste und eine zweite Erregungselektrode (710-1, 710-2) zur Erzeugimg von Ultraschall-

energie, die parallel zueinander im wesentlichen linear in einer ersten Richtung (X) verlaufen und einen bestimmten Abstand (2s) voneinander haben,

und eine lineare Anordnung bildpunkterfassen- -> der Fühlelektroden (712-1 ... 712-4 die sich in der besagten ersten Richtung erstreckt und in der Mitte zwischen der ersten und der zweiten Erregungselektrode liegt, so daß alle Fühlelektroden denselben gegebenen Abstand (s) von in der ersten Erregungselektrode wie von der zweiten Erregungselektrode haben;
daß die Strahlablenkeinrichtung für den Ultraschallstrahl ferner zwei Risley-Prismen (504) enthält, die sich gegensinnig zueinander mit r> einer vorbestimmten Geschwindigkeit drehen, um den fokussierten Strahl in einer zur besagten ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung (Y) abzulenken, wobei die vorbestimmte Geschwindigkeit in derartiger Relation zu dem :i> besagten gegebenen Abstand steht, daß die Fühlelektroden während einer bestimmten Halbumdrehung der Risley-Prismen aus dem Objektbereich Reflexionen des von der ersten Erregungselektrode erzeugten fokussierten 2> Strahls empfangen und während der anderen Hälfte der Umdrehung der Risley-Prismen aus dem Objektbereich Reflexionen des von der zweiten Erregungselektrode erzeugten fokussierten Strahls empfangen. jo

26. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Abtast- und Empfangsvorrichtung ferner eine mit der Drehung der Risley-Prismen synchronisierte Steueranordnung (718) enthält, um Erregungsimpulse mit einer gegebenen Wiederholungsperiode, die nicht kürzer ist als die besagte Zeitverzögerung entsprechend der Laufzeit der Ultraschallimpulse von der Wandleranordnung zum Objektbereich und zurück,

a) während bestimmter erstgenannter Halbumdrehungen der Risley-Prismen an die erste Erregungselektrode und b) während der übrigen Halbumdrehung der Risley-Prismen an die zweite Erregungsperiode zu liefern.

27. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Abtast- und Empfangsvorrichtung außerdem einzelne Abfragewertspeicher (724) enthält, die in paralleler Weise selektiv mit den einzelnen Fühlelektroden gekoppelt werden, wenn die Wandleranordnung so Reflexionen vom Objektbereich empfängt, sowie eine Schaltungsanordnung (Torschaltungen innerhalb 724), die als Ausgangssignal alle gespeicherten Abfragewerte in einer Zeitspanne unmittelbar nach der Einspeicherung seriell ausliest, wobei diese Zeitspanne nicht größer als die besagte Wiederholungsperiode ist

28. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Wandleranordnung eine im wesentlichen ebene Wandlerplatte (602 in Fig.8a) aufweist, die gegenüber der Fokussierungseinrichtung (202) in einer Bildebene des Objekts angeordnet ist;

daß die Fokussierungseinrichtung mindestens eine akustische Linse großer Apertur enthält, deren Aberration an sich dazu führen würde, daß die ebene Wandlerplatte in einer gekrümmten Bildebene abgebildet wird;
daß die Ultraschall-Abtast- und Empfangsvorrichtung zusätzlich eine Korrekturplatte (800a) enthält, die zwischen der Wandlerplatte und der akustischen Linse praktisch in direktem Kontakt mit der Wandlerplatte angeordnet ist und aus einem Material besteht, daß für Ultraschallwellen einen vorbestimmten bezüglich des umgebenden Mediums normierten Brechungsindex von kleiner als 1 hat und dessen Dicke sich über seinen Querschnitt in vorbestimmter Weise derart ändert, daß die Korrekturplatte der Aberration im wesentlichen kompensiert, so daß die ebene Wandlerplatte in einer ungekrümmten Ebene abgebildet wird.

29. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerplatte (602), die Korrekturplatte (800a) und die akustische Linse (202) in einem Fortpflanzungsmedium (Wasser) für Ultraschallwellen eingetaucht sind; daß die Wandlerplatte und die akustische Linse voneinander durch einen gegebenen Abstand (L_a) getrennt sind und daß der vorbestimmte Brechungsindex und die vorbestimmte Dickenänderung der Korrekturplatte jeweils so bemessen sind, daß die vom Wandler ausgesandte und die Korrekturplatte durchdringende Wellenenergie zur Mitte (804) der akustischen Linse hin konvergiert.

30. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Linse (202) eine sphärische Oberfläche hat und daß die vorbestimmte Dickenänderung der Korrekturplatte (800a) eine zur akustischen Linse hinweisende konkave sphärische Oberfläche gegebenen Radius bildet, der der Korrekturplatte eine dem gegebenen Abstand im wesentlichen gleiche Brennweite gibt.

31. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerplatte (602) eine akustische Impedanz hat, die sich wesentlich von derjenigen des Ausbreitungsmediums unterscheidet, und daß das Material der Korrekturplatte (800a) eine akustische Impedanz hat, die zwischen derjenigen der Wandlerplatte und derjenigen des Ausbreitungsmediums liegt.

32. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturplatte (800a) aus Aluminium besteht.

33. Ultraschallimpulsechogerät nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturplatte aus einem Kunststoff (Polystyrol, Methylmethacrylat) besteht.