DE2834284A1

DE2834284A1 - Vorrichtung zur erzeugung von ultraschallbildern im echografie-b-verfahren

Info

Publication number: DE2834284A1
Application number: DE19782834284
Authority: DE
Inventors: Pierre Boudy; Christian Bruneel; Lieven Camus; Bernard Delannoy; Roger Torguet
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1977-08-05
Filing date: 1978-08-04
Publication date: 1979-02-15
Also published as: NL7808089A; FR2399661B1; FR2399661A1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

ti·

PU 8000 MÜNCHEN 86, DEI* ^, /JUg, IQ70

POSTFACH 860820 ' '*"*

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

AGENCE NATIONALE DE VALORISATION DE LA RECHERCHE (ANVAR) 13, rue Madeleine Michelis
92522 Neuilly-sur-Seine
Frankreich

Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallbildern im Echografie-B-Verfahren

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Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Di?l.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8000 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallbildern im Echografie-B-Verfahren

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung mittels Ultraschallwellen oder Ultraschallbildern im Echografie-B-Verfahren, wobei von einer Anordnung aufeinanderfolgende Ultraschallimpulse auf ein Objekt, eine Struktur oder ein Organ eines zu untersuchenden menschlichen oder tierischen Körpers gerichtet werden und wobei die vom Objekt, der Struktur oder dem Organ reflektierten Ultraschallwellen empfangen werden, so daß aus der Laufzeit in beiden Richtungen der Ultraschallwellen zwischen dem Sendeteil und dem Empfangsteil der Anordnung der Abstand (als Funktion der Laufzeit) der Reflexionsstelle bestimmt werden kann.

Derartige Vorrichtungen weisen üblicherweise eine Reihe oder ein Mosaik von Ultraschallsendern zum Aussenden der Ultraschallimpulse und eine Reihe oder ein Mosaik von Ultraschallempfängern auf zum Empfang der reflektierten

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Ultraschallwellen,wobei beide Reihen oder Mosaiken bei einigen Anwendungsfällen zusammenfallen.

Durch elektronische Umschaltung der Ausgänge der Ultraschallempfänger und Anlegen dieser an eine als Anzeigevorrichtung dienende Kathodenstrahlröhre wird das zu untersuchende Objekt in eineT Ebene senkrecht zur Eindringtiefe analysiert. Die Umschaltung erfolgt dabei üblicherweise in Reihe, wodurch nur ein geringer BiIdtakt in der Größenordnung von 25 bis 30 Bilder pro Sekunde erzielt wird. Dieser Bildtakt ist für schnelle Bewegungsabläufe unzureichend, wie z.B. bei der Kardiologie, wenn die schnelle Bewegung der Herzklappen beobachtet werden soll.

Werden die Ausgangssignale der Reihe oder des Mosaiks der Ultraschallempfänger direkt auf die Anzeigevorrichtung gegeben, so erhält man kein wahres Bild des beobachteten Objektes, sondern einen Kernschatten. Der Unterschied zwischen einem Kernschatten und einem wahren Bild ist in den Figuren 1 und 2 der beigefügten Zeichnung dargestellt, in denen mit S^ und Sp zwei Stellen des zu untersuchenden Objektes bezeichnet sind, d.h. zwei Ultraschallquellen. In Figur 1 erhält man nun den Kernschatten in einer Ebene P, in der die Reihe oder das Mosaik der Ultraschallempfänger angeordnet ist; sieht man dagegen eine Ultraschallinse L vor, so würde man an den Punkten I. bzw. Ip wahre Bilder der Punkte S₁, S₂ erhalten. Das wahre Bild eines ausgedehnten Objektes ist durch die Tatsache gekennzeichnet, daß jeglicher Bildpunkt (wie z.B. I.) nur Ultraschallinformationen eines um diesen Objektpunkt (wie z.B. S) begrenzten Gebietes empfängt.

Um nun aus den Ausgangssignalen der Umformer Bilder zu er halten, muß eine Vorzeichenumkehr der Phase erfolgen, wie

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-If-

es in Figur 3 dargestellt ist, in der mit L eine Linse bezeichnet ist, die ein Bild I des Objektpunktes S erzeugt. Wird mit χ die Ordinate des Punktes M bezeichnet, so sieht man, daß der Abstand zwischen SN und SO mit χ zunimmt; das bedeutet, daß die Phasenverschiebung zwischen einer Ultraschallwelle, die M erreicht und der entsprechenden Welle, die 0 erreicht (wobei beide Wellen von S stammen) mit χ zunimmt. Die Linse L erzeugt eine Vorzeichenumkehr der Phase und ermöglicht damit, daß die beiden Wellen in I ohne Phasenverschiebung zwischen ihnen ankommen; die Vorzeichenumkehr der Phase in Höhe der Linse resultiert aus der veränderlichen Verzögerung als Funktion der Ordinate χ des Punktes M, die durch die Linse L erzeugt wird.

Im einzelnen gilt für die Phasenverteilung für die einzelnen von S ausgehenden Wellen, die von der Linse L auf I gebündelt werden, die folgenden Beziehungen, wobei mit )i» die Wellenlänge und mit D und D¹ die Abstände zwischen S und I von 0 bezeichnet sind:

(χ) = -^b ^{für die Seite der} Quelle S

(x) - für die Seite des Bildes I;

·■- :

(diese Beziehungen gelten unter der Voraussetzung, daß die Linien gleicher Phase Kreise um die Mittelpunkte S bzw. I sind).

Die Vorzeichenumkehr der Phase wird durch diepvon der

Linse L erzeugte variable VerzögerungΔφ ='C-2L. erhalten, wobei mit R der Linsenradius und mit η ihr Brechungsindex bezeichnet sind.

In der älteren französischen Patentanmeldung der Anmelderin

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Nr. 76 30 476 vom 11.Okt.1976 mit dem Titel »Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallbildern¹¹ ist bereits eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, mit dem eine Vorzeichenumkehr der Phase mittels einer elektronischen und Ultraschall-Anordnung erzielt werden kann, wobei jedoch noch erhebliche störende Nebenbilder auftauchen (mit verringerten Amplituden von 8dB bezüglich des Hauptbildes).

Es sind auch bereits Ultraschall-Bilderzeuger vorgesehen worden, mit einer Verarbeitung der Ausgangssignale der Ultraschallempfänger mittels Rechenmaschinen, jedoch sind derartige Vorrichtungen langsam und sehr teuer.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zu schaffen, die die obengeannten Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet und die gleichzeitig die folgenden Probleme löst:

1) Erzeugung eines tatsächlichen wahren Bildes und nicht eines Kernschattens; dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß den Ausgangssignalen der Ultraschallempfänger eine elektronische Phasenverzögerung erteilt wird;

2) Erzeugung eines Bildes, das so weit wie möglich von störenden Nebenbildern befreit ist; dieses erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die Reihe der Ultraschallempfänger in mehrere Gruppen aufgeteilt ist, deren jede aus einer kleinen Anzahl von Ultraschallempfängern besteht, um mögliche Elementarempfänger kleiner Öffnung zu bilden, wobei die Anzahl der Empfänger pro Gruppe als Funktion des Abstandes von der zu beobachtenden Ebene variabel ist;

3) Ermöglichung eines erhöhten Bildtaktes um 1000 bis 3000 Bilder pro Sekunde zu erzeugen; dieses wird erfindungsgemäß ermöglicht durch Parallelverarbeitung (und keine Reihenverarbeitung) der Ausgangssignale der

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gesamten Reihe der Ultraschallempfänger;

4) Möglichkeit der Veränderung der "Scharfeinstellung" der elektronischen Anordnung zur Phasenverschiebung entsprechend einer Linse veränderlicher Brennweite bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, um dergestalt ein scharfes Bild für verschiedene Tiefen des zu untersuchenden Objektes zu erhalten; erfindungsgemäß ist dazu eine Anordnung vorgesehen, um gleichzeitig die für die verschiedenen Ultraschallempfänger einer Gruppe als Punktion des Abstandes zwischen dieser Gruppe und der Ebene des zu untersuchenden Objektes die eingeführten Phasenverschiebungen zu variieren, wobei diese Variation stufenförmig erfolgen kann, da die Unterteilung der Empfänger oder Umformer in Gruppen mit einer kleinen Anzahl von Empfängern oder Umformern die Tiefenschärfe erhöht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallbildern im Echografie-B-Verfahren weist also eine Anordnung auf, um eine Folge von Ultraschallimpulsen auf ein zu untersuchendes Objekt zu richten,eine Reihe von Ultraschallempfängern, die derart angeordnet sind, daß sie die vom Objekt reflektierten Ultraschallwellen empfangen, sowie eine Anzeigevorrichtung zur Beobachtung. Die Umformer sind einerseits in mehrere Gruppen unterteilt, deren jede eine kleine Anzahl Umformer aufweist, während andererseits Phasenschieber vorgesehen sind, um den Ausgangssignalen einer jeglichen Umformergruppe eine Phasenverschiebung erteilen zu können, so daß die Ausgangssignale der Umformer jeder Gruppe, die einer bestimmten Stelle des Objektes entlang der Achse der Gruppe entsprechen, wieder in Phase zu bringen, sowie eine Anordnung, um die dergestalt in Phase gebrachten Signale jeder Gruppe zu addieren und eine Multiplexanordnung für die summierten Signale der verschiedenen Gruppen, die sie auch der Anzeige

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vorrichtung zuführt. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Veränderung der Anzahl η der Umformer in jeglicher Gruppe als Funktion des Abstandes der Beobachtungsebene bezüglich der Reihe der Umformer.

Vorzugsweise sind die" aufeinanderfolgenden Gruppen von Ultraschallempfängern (Umformer), deren Anzahl gleich G = N - η + 1 ist, wobei mit N die Gesamtanzahl der Ultraschallempfänger und mit η die Anzahl der Umformer in einer Gruppe bezeichnet ist_fum je einen Umformer verschoben.

Mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen erzielt man also folgende Vorteile:
-)5 -die den einzelnen Aus gangs signal en einer einzelnen Umformergruppe erteilten Phasenverschiebungen können ebenfalls als Funktion des genannten Abstandes modifiziert werden,

- die Ausgangs signale der genarjiten Gruppen werden parallel weiterverarbeitet,

-die Anzahl der erforderlichen Phasenschieber wird dadurch reduziert, daß in jeder Gruppe die beiden Umformerausgänge, denen die gleiche Phasenverschiebung erteilt wird, zusammengefaßt werden, d.h. diejenigen Ausgänge zweier Ultraschallempfänger einer jeglichen Gruppe, die symmetrisch zum Mittelpunkt der Gruppe angeordnet sind,

-die Phasenschieberanordnungen erzeugen die Phasenverschiebungen durch Verändern der Frequenz in Mischern, die vorzugsweise als Ringmodulatoren ausgebildet sind, denen von einem Oszillator Signale zugeführt werden, mit einer Frequenz, die sich von derjenigen der Ultraschallwelle unterscheidet,und zwar über Phasenschieber, die unterschiedliche, vorzugsweise variable Phasenverschiebungen erzeugen, wobei die Unterbrechung des

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vom Oszillator stammenden Signals in wenigstens einem Mischer eine Auslöschung des Ausgangssignals dieses Mischers ermöglicht und damit eine Verringerung der Anzahl der wirksamen Ultraschallempfänger einer Gruppe.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen:

Figuren 1 und 2, wie bereits oben beschrieben, die Unterschiede zwischen einem Kernschatten(Figur 1) und einem wahren Bild (Figur 2),

Figur 3> ebenfalls oben beschrieben, den Ausbreitungsweg zwischen Objekt und Bild mit einer dazwischen angeordneten Linse,

die Figuren 4 und 5 den Weg der Wellen in Richtung einer Reihe von Ultraschallempfängern (Umformern) zur Aufstellung von Formeln, die das Verständnis der Erfindung erleichtern,

die Figuren 6 und 7 schematisch die Erzielung einer Phasenverschiebung für eine Gruppe von Ultraschallempfängern und Figur 8 die schematische Darstellung in Form eines Funktionsblocks eines bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.

Im folgenden werden bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallbildern im Echografie-B-Verfahren beschrieben.

Wie bereits eingangs erwähnt, ermöglicht das -Echografie-B-Verfahren die Trennung zweier Punkte verschiedenen Abstandes als Funktion der Laufzeit in beiden Richtungen von Ultraschallen zwischen einen Sendeteil und einem Empfangsteil der Vorrichtung. Zur Untersuchung in den anderen

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Dimensionen (senkrecht zur Richtung, in der sich im wesentlichen die Ultraschallwellen ausbreiten), muß eine räumliche Aufteilung des akustischen Feldes vorgenommen werden. Diese Aufteilung erfolgt üblicherweise, wie auch bei der Erfindung, durch Vorsehen einer Reihe Ultraschallempfänger und zusätzlich einer Reihe Ultraschallsender und mittels Umschaltung der Ausgangssignale der Ultraschallempfänger. Im allgemeinen wird diese Umschaltung in Reihe durchgeführt, wodurch der Bildtakt reduziert ist; die vorliegende Erfindung sieht dahin- _gegen, wie noch näher erläutert werden,wird, eine Parallel umschaltung vor.

Da es unpraktisch ist, eine Ultraschallinse zwischen das zu beobachtende Objekt und den Ultraschallempfänger anzuordnen, wie es dem Fall der Figur 3 entsprechen würde, wird das Bild bei den bekannten Vorrichtungen durch elektronische und Ultraschallmittel rekonstruiert, wie es bereits in der oben zitierten älteren Anmeldung erwähnt ist, oder mittels numerischen Ausrechnens in einer Rechenmaschine; dadurch erhält man störende Nebenbilder mit einem Verhältnis von ungefähr -8 dB bezüglich des Hauptbildes einer punktförmigen Quelle.

Erfindungsgemäß wird nun dieser störende Nebenbildpegel auf beispielsweise -15 dB dadurch reduziert, wodurch die Dynamik der Vorrichtung verbessert wird, daß die Öffnung der "Linse" verringert wird, d.h. durch Verwendung eines Teils der Länge der Ultraschallempfängerreihe anstelle der gesamten Länge dieser Reihe. Zu diesem Zweck werden die N Ultraschallempfänger der Reihe in eine bestimmte Anzahl Gruppen von η Umformern aufgeteilt, wobei sich jede von der nächsten entlang der Reihe um einen Umformer unterscheidet. In Figur 8 ist dargestellt, daß z.B. die erste Gruppe G₁ von Umformern aus den Umformern

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T^ bis Tg besteht, die zweite Gruppe G£ aus den Umformern Tp bis T₁Q, die dritte Gruppe G, aus den Umformern T, bis Ύ_ΛΛ und schließlich die letzte G₁,, _Λ

D Π JM-n+Ί

aus den Umformern T_n_q bis T^. Man erhält demzufolge eine Anzahl G von Gruppen, die nach der folgenden Formel zusammengesetzt sind und deren jede aus η Umformern besteht: G = N - η + 1.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 werden die Vorteile aufgezeigt, die durch das Einteilen der Ultraschallempfänger in Gruppen erzielt werden, deren jede aus einer reduzierten Anzahl η von Umformern besteht.

In Figur 4 ist ein Objektpunkt oder eine Quelle S in einem Abstand d von einer Reihe von Umformern T der Breite 2b dargestellt, deren Mittelpunkte durch den Abstand a voneinander getrennt sind, so daß eine vereinfachte Rechnung durchgeführt werden kann, unter der Annahme, daß der Abstand d groß bezüglich den Abmessungen der Gruppe aus η Ultraschallempfängern ist.

Die Amplitudenverteilung in den Ultraschallempfängern für eine akustische V/elle, die von einer Punk-tquelle ausgeht, hängt von der Öffnung der Empfänger ab.

Für den k-ten Empfänger mit dem Achsenabstand x_Q = ka gilt: / —χ

während man für den Abstand χ jenseits von χ folgende Be-Ziehung erhält:

d_x = Kd²+ (x_o + xO²

Der akustische Wegun^erjschied beträgt (I = α_χ - d_Q; für und x<<ka gilt:S# r^— . ■ Die entsprechende Phasenverschiebung beträgt: . ■■

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- - --Q- 27?kax
ι ^^χ^ ⁼ —XTd— ⁼ Λ d * ^"^{e vom} ^-ten Empfänger aufgenommene Amplitude beträgt demzufolge:

2ΪΓχ_λχ

^Ak = ^A

^o

d.h.:

sin X,
= A'_o —^ Ä mit

2 77 xb 27Tk b

■y O __ 3

Dieser Ausdruck entspricht dem Aufnahmediagramm eines Ultraschallempfängers.

In Figur 5 sind nun ebenfalls eine Reihe von Empfängern T sov/ie die W_erte d, x_Q, a und 2b dargestellt.

Im folgenden wird eine Amplituden- und Phasendarstellung für eine beliebig angeordnete Punktquelle gegeben bezüglich eines einzigen beliebigen AusgangspunktesQ. In Figur 5 ist eine Punktquelle S' dargestellt, die sich gegenüber dem k-ten Empfänger befindet, sowie eine Punktquelle S zwischen ο und S¹.

Der akustische Wegunterschied zwischen einer von S ausgehenden und am k-ten Empfänger ankommenden Welle und der von S¹ ausgehenden und am selben Punkt ankommenden Welle beträgt:

mit der relativen Phase:

Die vom k-ten Empfänger aufgenommene Amplitude lautet dann:

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-Κ-

(ka - u) sin X_fc

Λ d ' ~

mit

_T _ 27Tb (ka
*k - XX"

Eine Phasenkorrektur für u = ο beträgt, demzufolge ρ -.1 fr fea)²

Die von einer Gruppe von Empfängern mit der Bezeichnung k = -q bis k = +q aufgenommene Amplitude beträgt nach der Phasenkorrektur:

.-iiT(u²-2kau) sin X_fc

jTTu^ r- -32Tfkau sin

^{0 e}Ä^

QlIX

Man erhält zwei Nebenpeaks für eine ganze Zahl von ^-g·, d.h.:

ρ M mit ρ = 1, 2, 3

Man sieht also, daß störende Nebenbilder aufgrund der Nebenpeaks für aufeinanderfolgende Werte von p: 1,2, 3, auftreten.

Es ist vorteilhaft, den Wert 2b in der Nähe von a zu wählen, wie es in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist, um derart die Anzahl der Ultraschallempfänger mit der Abnähme des Abstandes d zu verkleinern und um so die Amplitude der Rauschbilder nach Möglichkeit zu verringern.

Die Formel für die von einer Gruppe von Empfängern aufgenommenen Amplitude A(u) kann man auch nach erfolgter

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2&342S4

Phasenkorrektur wie folgt schreiben:

mit

SIN f^

Unter der Annahme, daß die Breite der Empfänger sehr klein bezüglich der Wellenlänge ist. Ihr Strahlungsdiagramm ist demzufolge sehr breit und in allen Richtungen ungefähr gleich. Die Rauschbilder liegen demzufolge regelmäßig um ——- auseinander.

Die Halbwertsbreite dieser Bilder entspricht τ-κ— , d.h.

^Zq+i ja. '

^q j sie ist umgekehrt proportional zur Öffnung einer jeglichen Gruppe von Ultraschallempfängern. Bei 3 dB hat sie im wesentlichen den Wert Au= -r*——r-t—

(.2q+i; a

Die Anzahl η der zusammenzufassenden Ultraschallempfänger resultiert aus einem Kompromiß zwischen der Forderung nach Verringerung der Anzahl der Empfänger und dem Auftreten von erheblichen Nebenzipfeln entsprechend den Rauschbildern.

Eine genaue Durchrechnung mittels einer Rechenmaschine sowie die gewonnenen experimentelle Resultate zeigen die Genauigkeit der oben gegebenen Annäherungsrechnung.

Erfindungsgemäß wird zur Erzielung eines wahren Bildes eine Phasenverschiebung zwischen den Ausgangssigna^der η Ultraschallempfänger einer Gruppe eingeführt, um die Signale wieder in Phase zu bringen, aufgrund der unterschiedlichen akustischen Wege für die Ultraschall-

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wellen, die von der Punktquelle S ausgehen und die einzelnen Empfänger T einer Gruppe erreichen.

Dies erfolgt gemäß Figur 6,in der die Quelle S und die verschiedenen η Ultraschallempfänger T dargestellt sind,' wobei in Figur 6 η = 7 ist.

Die Ausgangssignale der verschiedenen Ultraschallempfänger weisen verschiedene Amplituden und Phasen auf.

Die Ausgangssignale der aufeinanderfolgenden Ultraschallempfänger T₁" Ty können wie folgt dargestellt werden:

SS₁ = A

55₂ = A₃

55₃ = A₁SIn(Wt SS^ = A_QSin Wt SS₅ = A₁SIn(Wt SS₆ = A₂SIn(K/t

SS₇ = A₃SIn(Wt

Für eine Phasenübereinstimmung müssen also in den Phasen schiebern P₁ bis Py die folgenden Phasenverschiebungen durchgeführt werden:

P₁ : 0

P₂ : V ₂ - V 3 ^P3 ^:4Ί * H 3 P₄ : 0 -

^P5 ^:lii

^P6 ^:1ί2
P₇ : 0

Am Ausgang der Phasenschieber P₁ bis Py erhält man also

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-erfolgende Signale:

₁ = A₃SIn(U; t-SP₂ = A₂Sin(iV t-

_{3 1}

SP₄ = A_oSin(U;t-

SP₅ = A₁SIn(UZt-

SP₆ = ApSin(tt/t- ^₃) SP° = A₃Si_n(Wt-^₃).

Durch anschließende Summierung in einem Summierglied , erhält man also ein das Bild des Punktes S darstellende* Signal ohne wesentliches Rauschbild aufgrund der reduzierten Anzahl η der verwendeten Empfänger.

Betrachtet man die von den Phasenschiebern P₁ bis P₇ erzeugten Phasenverschiebungen, so stellt man fest, daß sie zur mittleren Phasenverschiebung symmetrisch sind, da die Phasenschieber P^. und P₇ eine Phasenverschiebung 0 erzeugen, die Phasenschieber P„ und P/- eine Phasenverschiebung von LP ρ - \0 -,, die Phasenschieber P₃ und P₅ -eine Phasenverschiebung von LP ₁ - iP ₃ und schließlich der Phasenschieber P, eine Phasenverschiebung von 0 - ψ-?. Aufgrund dieser Tatsache läßt sich nun die Anzahl der Phasenschieber verringern, wenn zusätzliche Summierglieder vorgesehen werden, wie es in Figur 7 dargestellt ist.

Gemäß dieser Figur ist das Ausgangssignal des Empfängers T. um -k— in einem Phasenschieber P₁₁ phasenverschoben; die Ausgangssignale der Empfänger T₃ und T₁. werden in einem Summierglied ^₁ summiert, wobei ihnen das Ausgangssignal des Phasenschiebers P₁₁ zugeführt wird, wobei das Ausgangssignal von f . in einem Phasenschieber

(0-1 1

P um — ^₃ phasenverschoben wird; die Ausgangssignale der Empfänger T₃ und Tg werden in einem Summierglied £ ρ summiert, dessen Ausgangssignal in einem Phasen

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-abschieber P. ,um Ip₂ ~^3 Phasenverschoben wird; die Ausgangssignale der Empfänger T₁ und T₂ schließlich werden nicht phasenverschoben. Aufgrund dieser Summierungen und Phasenverschiebungen sind die Ausgangssignale von T und Ty sowie von P₁^ und P₁₂ in Phase; sie werden in einem Summierglied £, das dem Summierglied £. von Figur 6 entspricht, summiert, während die Gesamtheit der Bauteile P₁₁, P₁₂, P₁₃^₁ und £₂ von Figur 7 der Gesamtheit der Phasenschieber P₁ bis Py von Figur 6 äquivalent ist.

Eine Gruppierung der Phasenschieber unter Verwendung von Summiergliedern kann auch dann erfolgen, wenn die Anzahl der Empfänger T in einer Gruppe geradzahlig ist; beispielsweise im Fall, in dem die Anzahl der Empfänger pro Gruppe 6 beträgt, genügt es, den Phasenschieber P₁₁ von Figur 7 wegzulassen, da der Empfänger T. ebenfalls weggelassen wird.

Im folgenden wird nun im Zusammenhang mit Figur 8 ein vollständiges Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallbildern im Echografie-B-Verfahren beschrieben. Dabei wird davon ausgegangen, daß jede Gruppe aus Sendern und Empfängern 9 Umformer aufweist.

In Figur 8 ist mit E die Reihe der Ultraschallsender bezeichnet, mit T₁, T₂, T₃, ... T_n-1, T_n die Reihe der Ultraschallempfänger und mit G₁, G₂ und ^G(jj-n+1) einzelne Gruppen.

Vnn den Umformern einer Gruppe von Umformern, beispielsweise der Gruppe G₁, sind jeweils zwei (mit Ausnahme des Ausgangs des mittleren Umformers T₁-) mittels der Summierglieder £ , £_b, £_c und £_d zusammengefaßt,

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bevor in den Bauteilen Ma, Mb, Mc, Md und Me₇ die beim bevorzugten Ausführungsbeispiel Phasenschieber in Form von Ringmodulatoren sind, eine Phasenverschiebung durchgeführt wird. Diesen wird ein Signal der Frequenz _ß_ zugeführt, die sich von der Frequenz ω der Ultraschallwelle unterscheidet und vorzugsweise größer als ω ist, wobei dieses Signal in einem Oszillator Q mit der Frequenz-ß. erzeugt wird, wobei ihm in den Phasenschiebern Pa, Pb, Pc, Pd und Pe eine Phasenverschiebung erteilt wird. Die Mischstufen Ma, Mb, Mc, Md und Me mischen die entsprechenden Ausgangssignale von ca mit "dem in Pa phasenverschobenen Ausgangssignal des Oszillators Q, das Ausgangssignal von Cb mit dem in Pb phasenverschobenen Ausgangssignal von Q, das Ausgangssignal von cc mit dem in Pc phasenverschobenen Ausgangssignal von Q, das Ausgangssignal von £d mit dem in Pd phasenverschobenen AusgangsSignal von Q und schließlich das Ausgangssignal von T(- mit dem in Pe phasenverschobenen Signal von Q.

Bezeichnet man mit φ die verschobene Phase des von Q stammenden Signals, so gilt für jede Mischstufe:

Ä cos(<*»t -¹C). β cos(SL-0) = ψ * cos£(J2_-to )t+f -0] + ■ ' *"

+ cos Q (W +SL)t- ψ -{

Anschließend werden die Ausgangssignale von Ma, Mb, Mc, Md, und Me in einem Summierglied £_ summiert, wonach das summierte Signal in einem Bandfilter F gefiltert wird.

Aufgrund dieser Filterung wird aus den beiden Komponenten des oben beschriebenen Signals eine Komponente herausfiltriert:

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AB

cos£(W+JL)t -ψ -

Dieses Signal weist eine zusätzliche Phasenverschiebung von© auf, sowie eine Amplitude, die zur empfangenen Amplitude A proportional ist. Außerdem kann die Winkelfrequenz (SL+UJ ) des Ausgangssignal erheblich größer als (jö sein, wodurch das Filtrieren und das Feststellen der Impulse erheblich erleichtert wird. Das Feststellen findet in einem Bauteil Y statt, wonach das so festgestellte Signal auf eine schnelle Multiplex-Anordnung Z gegeben wird, die weiter unten noch näher erläutert wird.

Aufgrund der Anordnung Q, Pa-Pe, Ma-Me, F, Y für jede Gruppe von Ultraschallempfängern ist es möglich, mit einem einzigen örtlichen Oszillator der Frequenz _R- und' der steuerbaren Phasenverschiebung <p auszukommen, um so alle gleiehrangigen Modulatoren (z.B. Me) aller Umformergruppen zu steuern, wodurch die Phasenschieber Pa bis Pe für die Gesamtanordnung auf eine kleine Anzahl verringert werden. Die Phasenschieber können beispielsweise durch eine einstellbare Verzögerungsleitung dargestellt werden, mittels Widerstandsveränderung oder mittels Veränderung der Frequenz SL aufgrund der Beziehung ψ =J1Y (wobei mit Ύ die Verzögerung bezeichnet ist). Aufgrund der hohen Frequenz SL läßt sich ein Koaxialkabel als Verzögerungsleitung einsetzen.

Da die Unterbrechung des Signals der Frequenz SL am Eingang einer Mischstufe Ma bis Me ein Null-Signal an ihrem Ausgang erzeugt, kann man durch Unterbrechung des Ausgangssignals einer oder^: mehrerer Phasenschieber. P die Anzahl der Ultraschallempfänger in jeder Gruppe verringern, wenn das zu untersuchende Objekt sich in der Nähe der Reihe der Ultraschallempfänger T. bis T_n befindet, wodurch die

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Öffnung verringert wird und damit der störende Einfluß der Rauschbilder.

Andererseits kann man durch Variation der von den Phasen-Schiebern Pa bis Pe eingeführten Phasenverschiebungen entweder kontinuierlich oder stufenweise (unter Ausnutzung der Tiefenschärfe) eine "Scharfstellung" auf die mehr oder weniger entfernt angeordneten Objekte erzielen, wobei die Phasenverschiebungen für alle Eingänge gleichrangiger Mischstufen (z.B. Ma) der verschiedenen Umformergruppen G^ bis Gfw _n+-j) die gleichen sind.

Die Ausgangssignale der verschiedenen Detektoren Y werden in einer schnellen MuItipiex-Anordnung Z einem Multiplex-Verfahren unterworfen, wonach sie nacheinander dejn Video- oderWehnelt-Eingang V einer Anzeigevorrichtung M zugeführt werden.

Bis zum Multiplexer Z findet eine Parallelverarbeitung statt und dieser Vorteil wird dadurch beibehalten, daß ein ultraschneller Multiplexer Z verwendet wird und indem, wie dargestellt, in der Anzeigevorrichtung M eine Abtastung von oben nach unten erfolgt, wobei die Abtasteingänge mit X bzw. Y bezeichnet sind. Die Synchronisation erfolgt im wesentlichen durch eine Einheit 21, die den Multiplexer Z steuert, sowie die Abtastungen X und Y , sowie eine Synchronisationseinheit 22, die gleichzeitig den Ultraschallgenerator 23 steuert, der auf die Reihe E wirkt, sowie die Einheit 21 und die Phasenschieber Pa bis Pe.

.... _ Die Erfindung-eignet sich beispielsweise zur Untersuchung lebender Organe, insbesondere in der Kardiologie, damit

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ihr die schnellen Bewegungen ,wie derjenigen der Herzklappen, untersucht werden können. Sie eignet sich gleichzeitig zur Untersuchung bestimmter Strukturen, beispielsweise aus Beton, und insbesondere von Betonbrücken.

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L e e r s e i t

r η s η

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-P:-:ys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber D*. Ing. H. Liska 28342-84

8000 MÜNCHEN 86, DEN

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MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Patentansprüche

f 1.) Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Ultraschall-Dildern im Echografie-B-Verfahren mit einer Anordnung zum Aussenden einer Folge von Ultraschallimpulsen auf ein zu untersuchendes Objekt, mit einer Reihe von Ultraschallempfängern., die derart angeordnet sind, daß sie die vom Objekt reflektierten Ultraschallwellen empfangen können^ und mit einem Anzeigegerät., wobei einerseits die Ultraschall empfänger in mehrere Gruppen unterteilt sind., deren jede eine kleine Anzahl Empfänger aufweist und wobei andererseits Phasenschiebervorrichtungen vorgesehen sind, die den Ausgangssignalen jeder Empfängergruppe Phasenverschiebungen erteilen, um die Ausgangssignale der Empfänger jeder Gruppe entsprechend einer bestimmten Stelle des Objektes entlang der Gruppenachse in Phase zu bringen und mit einer Anordnung zum Verknüpfen der dergestalt in Phase gebrachten Signale jeder Gruppe, sowie mit einer Multiplex-Anordnung zur Verarbeitung der summierten Signale der verschiedenen Gruppen und zu ihrer Zuführung an das Anzeigegerät, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Veränderung der Anzahl η der Empfänger, jeder Gruppe als Funktion des Äbstandes der Beobachtungsebene von der Empfängerebene.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

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zeichnet , daß aufeinanderfolgende Gruppen um je einen Ultraschallempfänger verschoben sind, und daß ihre Anzahl G=N- n+1 ist, wobei mit N die Gesamtzahl der Ultraschallempfänger und mit η die Anzahl der Empfänger in einer Gruppe bezeichnet sind.
3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß weiterhin eine Anordnung vorgesehen ist, um die den einzelnen Ausgangssignalen einer einzigen Empfängergruppe als Funktion des ATastandes der Beobachtungsebene von der Empfängerebene erteilten Phasenverschiebungen zu verändern.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausgänge zweier symmetrisch zum Gruppenmittelpunkt angeordneter Ultraschallempfänger einer jeden Gruppe vor einer eventuellen Phasenverschiebung zusammengefaßt sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Phasenschiebervorrichtungen die Phasenverschiebungen mittels Frequenzänderungen in Mischern erzeugen, denen von einem Oszillator Signale zugeführt werden mit einer.Frequenz, die sich von derjenigen der Ultraschallwellen unterscheidet, und zwar über Phasenschieber, die unterschiedliche, vorzugsweise variable, Phasenverschiebungen erzeugen, wobei die Unterbrechung des vom Oszillator stammenden Signals an wenigstens einem Mischer eine Unterdrückung . des Ausgangssignals dieses Mischers ermöglicht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Mischer aus Ringmodulatoren bestehen.

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7. Vorrichtung nach Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Phasenschieber aus Verzögerungsleitungen bestehen.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch .gekennzeichnet ■, daß die Ausgangssignale der Gruppen parallel verarbeitet werden.
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