DE2841694A1

DE2841694A1 - Anordnung zum abtasten und abbilden mittels ultraschallwellen

Info

Publication number: DE2841694A1
Application number: DE19782841694
Authority: DE
Inventors: Michel Joseph Auphan
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-10-05
Filing date: 1978-09-25
Publication date: 1979-04-12
Also published as: AU4041478A; JPS5462684A; JPS6224093B2; NL7809905A; FR2405484A1; FR2405484B1; IT7828353A0; GB2005835B; AU516912B2; DE2841694C2; US4219846A; BR7806490A; ES473891A1; BE870990A; IT1099337B; GB2005835A; SE7810271L; CA1131750A

Description

"Anordnung zum Abtasten und Abbilden mittels Ultraschallwellen"

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Abtasten und Abbilden mittels Ultraschallwellen mit einer elektroakustischen Umwandlungseinrichtung mit Wandlern und mehreren Schaltern zum selektiven Verbinden bestimmter Wandler der Umwandlungseinrichtung entweder mit Anordnungen zum Speichern und/oder zum Wiedergeben eines Ultraschallbildes oder mit einem Generator zum Erzeugen elektrischer Signale zwecks Aussendung von Ultraschallstrahlen.

Derartige Systeme eignen sich insbesondere für medizinische Anwendungen.

Ein Beispiel einer derartigen Anordnung ist in der FR-PS 2 231 beschrieben. Diese Patentschrift beschreibt ein Gerät zum

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Senden und Empfangen von Ultraschallwellen durch aufeinanderfolgende Schalthandlungen an Wandlern eines mit einer Reihe von Ultraschallwandlern versehenen Heßkopfes. Auf diese Weise ist es möglich, einen Ultraschallstrahl in einer Richtung fokussiert auszustrahlen und zu empfangen und mit diesem Strahl ein Objekt elektronisch abzutasten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Doppelfokussierung in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen mit einer möglichst geringen Anzahl von Schaltern zu ermöglichen. Das Auflösungsvermögen eines doppelfokussierten Systems ist erheblich höher als das der bestehenden Systeme.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustische Umwandlungseinrichtung ein rechteckiges Mosaik enthält, in dem die Wandler zeilen- und spaltenweise angeordnet sind, und daß die Anordnung weiterhin mit folgenden Elementen versehen ist:

- einer Anzahl erster Schaltorgane (Fig. 3), die je Schalter enthalten, die eine Verbindung mit einer geschlossenen Gruppe ausgewählter Wandler einer Zeile herstellen, wobei die Position der Gruppe in der Zeile derart variabel ist, daß alle Gruppen zusammen eine in der Längsrichtung des Mosaiks verschiebbare, rechteckige Abtastzone bilden;

- einer Anzahl zweiter Schaltorgane (Fig. 5), die je Schälter enthalten, die je zum gegenseitigen Verbinden zweier zu einer Gruppe gehörender Wandler eingerichtet ist, die symmetrisch in bezug auf die Mitte der Gruppe liegen;

- einer Anzahl dritter Schaltorgane (Fig. 7), die je Schalter enthalten, die zum Verbinden eines vom zweiten Schaltorgan gebildeten Wandlerpaares mit einem Anschluß aus einer Reihe eingerichtet sind, wobei die Reihenfolge des ausgewählten Anschlusses in dieser Reihe vom Abstand der Wandler des Paares zur Mitte der Gruppe bestimmt wird;

- einem Verbindungsorgan (Fig. 8), in dem die Anschlüsse mit gleicher Rangordnung von jedem dritten Schaltorgan

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miteinander verbunden und weiterhin Verbindungen zwischen Anschlüssen verschiedener Gruppen derart vorhanden sind, daß in der Abtastzone ungefähr ringförmige, konzentrisch in bezug auf die Mitte der Abtastzone liegende Konfigurationen miteinander verbundener Wandler gebildet werden, die je mit einer Ausgangsleitung des Verbindungsorgans verbunden sind.

Vorzugsweise enthält die Anordnung erfindungsgemäß ein viertes Schaltorgan, da.s mit Richtungskoppler für die Verbindung der Ausgangsleitungen des Verbindungsorgans entweder mix Ausgängen eines Generators zum Erzeugen elektrischer Signale zwecks Aussendung von Ultraschallstrahlen oder mit Eingängen einer Anordnung zur Speicherung und/oder Wiedergabe eines Ultraschallbildes versehen ist.

Nach einer weiteren Ausführungsform enthält die Verbindung zwischen jeder Ausgangsleitung und dem Generator sowie die Verbindung zwischen jeder Ausgangsleitung und der Anordnung zur Speicherung und/oder Wiedergabe ein Verzögerungselement .

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine elektroakustische Umwandlungseinrichtung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung

in der Perspektive,
Fig. 2 eine Draufsicht eines Teils der in Fig. 1 dargestellten

Umwandlungseinrichtung,
Fig. 3 ein erstes Schaltorgan,
Fig. 4 eine Tabelle zur Veranschaulichung der Wirkung des ersten Schaltorgans,

Fig. 5 die Struktur eines zweiten Schaltorgans, Fig. 6 ein Schema, das die Wirkung des zweiten Schaltorgans

veranschaulicht,
Fig. 7 die Struktur eines dritten Schaltorgans,

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_ r-> __pB

Fig. 8 die Struktur eines Verbindungsorgans, Fig. 9 ein Steuerorgan,

Fig. 10 ein viertes Schaltorgan,

Fig. 11 einen Generator zum Erzeugen elektrischer Signale für die Erzeugung ausgesandter Ultraschallstrahlen,

und
Fig. 12 eine Anordnung für die Verarbeitung erhaltener Signale.

Fig. 1 zeigt eine zweidimensionale elektroakustische Umwandlungseinrichtung mit der üblichen Bezeichnung "^T.'fandlermosaik". Diese Einrichtung ist mit in Fig. 1 nicht dargestellten elektronischen Organen für die Abtastung und Fokussierung verbunden. Diese Einrichtungsart ist an sich bekannt. Deswegen wird nachstehend nur eine nähere Erläuterung gegeben werden, soweit sie für ein besseres Verständnis notwendig ist.

Die elektroakustische Umwandlungseinrichtung hat die Form einer Platte 1, auf der Wandler in mehreren Zeilen 3angeordnet sind.

Diese Wandler können durch kleine, einzeln metallisierte Oberflächenelemente gebildet werden, die auf einer der Hauptflächen der piezoelektrischen Platte 1 angebracht sind (im allgemeinen durch einen piezoelektrischen keramischen Werkstoff gebildet), während die andere Hauptfläche der Platte normalerweise vollständig metallisiert ist.

Jeder Wandler ist mit einem Anschlußdraht versehen. Die Anzahl der Anschlußdrähte ist also gleich der Anzahl von Wandlern plus einen Anschlußdraht für die metallisierte Rückseite der Platte 1.

Die in Fig. 1 dargestellte elektroakustische Umwandlungseinrichtung hat also die Form einer Matrix von Wandlern, die η Zeilen und m Spalten enthält. Diese Matrix ist

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rechteckig

In einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäi3en Anordnung bestand die Matrix aus η = 32 Zeilen und m = 144 Spalten, so daß sie 4603 Wandler enthielt.

Fig. 1 veranschaulicht ebenfalls das benutzte Abtastverfahren. Da jeder Wandler einen Anschlußdraht besitzt, ist es möglich, für ein Zeitintervall At bestimmte Wandler des Mosaiks mit elektrischen Organen für Abtastung und Fokussierung zu verbinden. Diese Wandler bilden im Mosaik eine Abtastzone. Für ein erstes Zeitintervall /\t^ besteht die Abtastzone aus den rechteckigen Bereich 2 in Fig. 1.

Nur die Wandler der Zone 2 sind im Zeitintervall £Λ><\ wirksam. Anschließend wird im folgenden Zeitintervall /^t^ ^^B Abtastzone durch einen gleich großen rechteckigen Bereich gebildet, der um einen Spaltenabstand in Richtung der Pfeilspitze F verschoben ist, die die zur Längsrichtung des Mosaiks parallel verlaufende Abtastachse darstellt.

Durch diese aufeinanderfolgenden Verschiebungen verschiebt sich die Abtastzone 2 über die ganze Oberfläche des Mosaiks in einem Zeitraum T, dessen Dauer beispielsweise 60 bis 80 Millisekunden beträgt. Dies wiederholt sich in den folgenden Zeiträumen T.

Die Verschiebung der Abtastzone 2 über das Mosaik wird von der Bildung der Abtastfläche 4 begleitet, die parallel zur Längsrichtung des Mosaiks und also zur Abtastachse verläuft und das Mosaik in zwei gleiche Teile teilt.

Die Fläche 5 ist die Symmetriefläche der Abtastzone und steht senkrecht auf der Abtastachse.

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Im erwähnten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung bestand die Abtastzone 2 aus n¹ = 32 Zeilen und m¹ = 32 Spalten von Wandlern. Die in einer Reihe angeordneten Wandler in der Abtastzone bilden eine geschlossene Gruppe und alle Gruppen zusammen bilden ein geschlossenes rechteckiges Gebiet.

Fig. 2 veranschaulicht das benutzte Verfahren für die Fokussierung.

Zur Vereinfachung der Erläuterung des Verfahrens zeigt Fig. ein Mosaik oder ein Teil eines Mosaiks, das nur 16 Reihen von Wandlern enthält (R1 bis R8 und R101 bis R108).

Jedes Viereck des Mosaiks stellt einen Wandler dar. Die Fokussierung erfolgt durch die Gruppierung der Wandler in konzentrischen Fokussierungskonfigurationen. Nach einem bekannten Prinzip fordert die Fokussierung die Verwendung von Wandlern,die in Form konzentrischer Ringe angebracht sind. Da aas Wandlermosaik hier durch viereckige Wandler gebildet wird, wird die reine Ringform ungefähr angenähert. In Fig. sind konzentrische Kreise und Kreisbogen angegeben, die Ringe oder Ringteile begrenzen, die ungefähr kreisförmig sind und aus schraffiert dargestellten Wandlern bestehen. Die Fokussierung erfolgt auf gleiche Weise wie mit in reiner Ringform angebrachten Wandlern und der Wirkungsgrad der Fokussierung ist dabei ungefähiTgleich. Die Kreisbogen 221 und 222 begrenzen den äußersten Fokussierungsring. Das Viereck 220 bildet eine Annäherung der zentralen runden Scheibe in einem System ringförmiger Wandler. Auf gleiche Weise wie bei dieser runden Scheibe muß das Viereck 220 nicht nur Ultraschallimpulse aussenden, die Echosignale bilden, sondern ebenfalls derartige Impulse empfangen. In Fig. 2 ist ebenfalls ein Zwischenring von Wandlern dargestellt, der durch die Kreise 223 und 224 begrenzt wird. Alle diese Ringe (oder Ringteile) bilden zusammen eine konzentrische Fokussierungs-

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konfiguration.

Zu jedem Zeitpunkt liegt die Fokussierungskonfiguration innerhalb der oben beschriebenen Abtastzone 2, die ebenfalls in Fig. 2 dargestellt ist und sich in Richtung der Pfeilspitze F verschiebt. Für einen möglichst vorteilhaften Gebrauch der Oberfläche der sich verschiebenden Abtastzone ist es vorteilhaft, über einige vollständige Ringe im zentralen Teil dieser Zone und über eine bestimmte Anzahl von Kreisbögen zu verfugen, die nur Ringteile im restlichen Teil der Oberfläche der Abtastzone begrenzen.

Schließlich stellt Fig. 2 die Art der gegenseitigen Verbindung der Wandler durch Schaltorgane dar, die anhand nachstehender Figuren beschrieben werden.

Zur Bildung der konzentrischen Fokussierungskonfigurationen werden die Wandler auf bestimmte Weise für ein Zeitintervall Δι«, verbunden. Anschließend werden im folgenden Intervall Atp die Wandler auf eine andere Weise gruppiert sein, um erneut konzentrische Fokussierungskonfigurationen zu bilden. In nachstehender Beschreibung wird reihenweise beschrieben, wie die Wandler im Intervall Δ-t^ miteinander verbunden werden.

In der Reihe R₁ sind die Wandler 225 und 225' durch Schaltorgane miteinander verbunden, die weiter unten beschrieben werden. Dies ist auch der Fall für die Wandler 227 und 227' sowie für die Wandler 229 und 229'.

Allgemeiner: Es sind alle Wandler, die zu dem gleichen Ring oder dem gleichen Ringteil gehören, miteinander im Intervall At₁ verbunden; es handelt sich beispielsweise um die Wandler und 229^f, 228 und 228' usw. Im Intervall At₂ ist die Abtastzone 2 um den Abstand einer oher mehrerer Spalten verschoben.

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In diesem Zeitintervall v/erden die gleichen konzentrischen Fokussierungskonfigurationen wie im Zeitintervall At^ gebildet. Diese Konfigurationen sind um den gleichen Abstand wie die Abtastzone 2 verschoben. Auf diese 'feise verschiebt sich die Abtastzone allmählich über die ganze Länge des Mosaiks.

Die noch zu beschreibenden Schaltorgane werden zunächst Verbindungen zwischen ausgewählten Wandlern einer gleichen Reihe herstellen (beispielsweise zwischen den Wandlern 229 und 229' im Zeitintervall Z^t₁). Durch Vertauschung der Anschlüsse (229 wird beispielsweise 229' und 229' wird 230')wird es möglich sein, die Abtastzone 2 zu verschieben (beispielsweise um einen Spaltenabstand). Anschließend werden Verbindungen zwischen den Anschlüssen von Wandlern verschiedener Reihen hergestellt. Dadurch werden die erwähnten Fokussierungsringe gebildet. Auf diese Weise werden beispielsweise die Wandler 229 + 229' auf der Reihe R1 mit den Wandlern 228 + 228' auf der Reihe R101 verbunden,usw. Für die Herstellung von Anschlüssen kann also die symmetrische Position in bezug auf die Symmetrieflache 5 (siehe Fig. 1), die in der Mitte der Abtastzone liegt und senkrecht auf der Abtastachse F steht, ausgenutzt werden. In der weiteren Beschreibung werden die Bezugsziffern der Wandler, wenn nicht anders erwähnt, mit einem Strichindex oder mit einem obengestellten Querstrich versehen, wenn es sich um Wandler handelt, die rechts von der Symmetriefläche 5 liegen und nicht mit einem Strichindex oder mit einem Inversionsstrich versehen werden, wenn die betreffenden Wandler links von der Symmetriefläche liegen.

Für die Verwirklichung der gegenseitigen Verbindungen kann jetzt die Symmetrie zwischen den Wandlern ausgenutzt werden, die an beiden Seiten der Abtastfläche 4 liegen (siehe Fig. 1).

Fig. 3 zeigt ein erstes Schaltorgan, das durch Schalter gebildet wird, die durch Vertauschung die Verbindungen mit den

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Wandlern einer Reihe (beispielsweise der Reihe R1) herstellen, die in der Abtastzone liegen und eine Gruppe bilden. Das Schaltbild nach Fig. 3 stellt das erwähnte Ausführungsbeispiel des Mosaiks dar (n = 32, m = 1^-M. Die Abtastzone 2 ist.nach diesem Ausführungsbeispiel ein viereckiges Gebiet von 32 χ 32 Wandlern.

Das in Fig. 3 dargestellte Schaltorgan enthält 32 analoge Multiplexschalter (mit der Bezeichnung "CAIi"), beispielsweise vom Typ HEF 4051 B der Anmelderin. Jeder dieser Schalter besitzt 8 Wähleingänge, einen gemeinsamen Eingang und 3 Steueranschlüsse. Die Schalter sind vorzugsweise Zweirichtungsschalter, d.h. Signale können sowohl vom gemeinsamen Eingang zu einem der Wähleingänge als auch umgekehrt durchgelassen werden. Sie sind paarweise derart gruppiert, daß die V/ähleingänge eines Schalterpaares mit neun Wandlern verbunden sind. Die 32 Schalter CAM sind also mit den

<^2 χ 9 = 144 Wandlern einer Mosaikreihe verbunden. Die Wirkung

des ersten Schaltorgans ist wie folgt: In einem Intervall ^\t ist der gemeinsame Eingang 1 bis 16 bzw. T bis TE jedes Schalters CAM mit einem der Wähleingänge dieses Schalters derart verbunden, daß die 32 gemeinsamen Eingänge stets mit 32 Wandlern mit laufenden Nummern verbunden sind, sei es, daß die Reihenfolge der Wandlernummern nicht gleich der der Nummern der gemeinsamen Eingänge zu sein braucht. Diese 32 Wandler bilden also eine geschlossene Gruppe. Eine Wiedergabe dieser Anordnung ist in der Tabelle nach Fig. 4 für die IntervalleAt₁

bis At.y gegeben. Die Tabelle zeigt nur, welche Wandler jeweils

mit den gemeinsamen Eingängen 1 bis 16 verbunden sind. Der mit einem gemeinsamen Eingang χ verbundene Wandler kann gefunden werden, wenn zu der Nummer des mit dem gemeinsamen Eingang χ verbundenen Wandlers 16 addiert wird (x = 1 bis 16).

Fig. 3 zeigt, daß die Nummern zweier Wandler des Mosaiks, die mit zwei aufeinanderfolgenden Schaltklemmen verbunden

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sind, einen Unterschied von 16 aufweisen. Die Wähleingänge des Schalters mit gemeinsamem Eingang 1 sind beispielsweise mit den Wandlern 1, 17, 33, 49, 65, 31, 97, 113 und 129 verbunden.

Nach dem ausgexrählten Ausführungsbeispiel hat das Wandlermosaik die Abmessungen 144 χ 32. Ss werden also 32 erste Schaltorgane wie das Schaltorgan nach Fig. 3 benötigt, um alle Verbindungen mit den Wandlern der 32 Reihen herzustellen.

Insgesamt haben diese 32 ersten Schaltorgane also 144 χ 32 = 4608 Wähleingänge und 1024 (= 32 χ 32) gemeinsame Eingänge. Die in einem Intervall ZLt mit diesen gemeinsamen Eingängen verbundenen Wandler bilden die Abtastzone.

Die Steuersignale an den Steueranschlüssen A, B und C eines Schalters CAM bestimmen, welcher Wähleingang dieses Schalters mit dem gemeinsamen Eingang verbunden ist. Diese Steuersignale sind Binärsignale, die durch ein in Fig. 9 dargestelltes Steuerorgan erzeugt werden, dessen Wirkung veLter unten beschrieben wird.

Zusammenfassend kann also gesagt werden, daß die ersten Schaltorgane bestimmen, welche Wandler zu jedem Zeitpunkt einen Teil der Abtastzone bilden. Die Reihenfolge der Wandler entspricht dabei nicht immer der Reihenfolge der gemeinsamen Klemmen, mit denen sie verbunden sind.

Eine Anzahl zweiter Schaltorgane, von denen Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel darstellt, dient zum Herstellen von Verbindungen zwischen Wandlern, die in der Abtastzone und geographisch symmetrisch in bezug auf die Symmetriefläche 5 dieser Zone liegen. Diese Verbindungen werden zwischen gemeinsamen Eingängen der ersten Schaltorgane hergestellt, die, wie bereits bemerkt wurde, auf ungeordnete Weise mit

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- 13 Wandlern des Mosaiks verbunden sind.

Das in Fig. 5 dargestellte zweite Schaltorgan enthält 16 analoge Multiplexschalter CAM1 bis CAM16, deren Wähl eingän see auf die in der Figur dargestellte Weise mit den gemeinsamen Eingängen mit geraden Nummern der Schalter des ersten Schaltorgans verbunden sind. Es ist z.B. so, daß der gemeinsame Eingang TE des ersten Organs mit einem Wähleingang der Schalter CAM 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 und 16 verbunden ist. Dagegen sind die gemeinsamen Eingänge des ersten Organs, die ungerade Nummern tragen, direkt mit den gemeinsamen Eingängen der Schalter CAM des zweiten Organs gemäß Fig. 5 verbunden.

Fig. 6 gibt ein Beispiel der Verbindungen, die das zweite Organ zwischen den gemeinsamen Eingängen des ersten Organs herstellen kann.

Allgemein kann gesagt werden, daß das zweite Schaltorgan jeden gemeinsamen Eingang mit einer ungeraden Nummer des ersten Organs mit einem gemeinsamen Eingang mit einer geraden Nummer derart verbinden kann, daß die beiden auf diese Weise miteinander verbundenen Wandler symmetrisch in bezug auf die Symmetriefläche 5 der Abtastzone liegen. Selbstverständlich müssen dazu in einem anderen Zeitintervall At andere Verbindungen hergestellt werden, was wiederum durch die Änderung der Kombination von Steuersignalen an den Steueranschlüssen A, B und C erfolgt. An den gemeinsamen Eingängen der zweiten Schaltorgane werden also Rahe für Rihe Verbindungen mit Wandlern erhalten, die in der Abtastzone und geographisch symmetrisch in bezug auf die Mittelfläche 5 dieser Zone liegen. Diese Anschlüsse zwischen Wandlern werden auf ungeordnete Weise erhalten, d.h. die Reihenfolge der Wandler braucht der Reihenfolge der gemeinsamen Eingänge nicht zu entsprechen. Es ist nämlich so, daß die gemeinsamen

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Eingänge T und 16 nicht notwendigerweise mit benachbarten Wandlern übereinstimmen. Es ist daher notwendig, über eine Anzahl dritter Schaltorgane gemäß Fig. 7 zu verfügen, wobei diese dritten Organe die Funktion der Wiederherstellung der Reihenfolge der Anschlüsse zwischen den permutierten symmetrischen Wandlern haben. Dadurch wird es möglich, die Anschlüsse in einer Reihenfolge von den äußeren zu den inneren Wandlern der Abtastzone oder umgekehrt zu ordnen.

Das dritte Schaltorgan, das in Fig. 7 dargestellt ist, wird ebenfalls durch identische analoge Multiplexschalter gebildet (oder gleichartige Schalter), wie sie für die Schaltorgane nach Fig. 3 und 5 benutzt und auf gleiche Weise vom Steuerorgan gesteuert werden, das weiter unten beschrieben wird. Die zur Bildung eines dritten Schaltorgans verwendeten Schalter haben vorzugsweise je 16 Wähleingänge. Es ist ebenfalls möglich, die Anzahl der Wähleingänge je Schalter durch Vergrößerung der Anzahl benutzter Schalter herabzusetzen.

Die Wähleingänge der 16 Schalter, die das dritte Schaltorgan bilden, sind mit Buchstaben bezeichnet (Fig. 7). Das Schaltorgan ermöglicht es, den Eingang χ oder x, der den zentral liegenden Wandlern der Abtastzone entspricht, mit dem Wahleingang a und dann immer weiter auswärts liegende Wandlerpaare hintereinander mit den Wähleingängen b, c, d ... zu verbinden, bis die äußersten Wandler mit dem Wähleingang ρ verbunden sind. Die gemeinsamen Eingangsklemmen der Schalter des dritten Schaltorgans sind gemäß Fig. 7 mit den ungeordneten gemeinsamen Eingängen mit ungeraden Nummern des zweiten Schaltorgans verbunden. Die Steueranschlüsse A, B, C, D der Schalter der dritten Organe erhalten wie die Steuereingänge der zweiten und ersten Organe Steuersignale, die aus dem weiter unten beschriebenen Steuerorgan herrühren.

Fig. 8 zeigt ein Verbindungsorgan, in dem alle 16 χ 16 Anschlüsse "a", "b" ... "p" zusammenkommen, die aus einem vorangehenden

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dritten Schaltorgan herrühren und auf einer gleichen Reihe liegenden Wandlern (Beispielsweise der Reihe R1) des Mosaiks entsprechen. Dieses Verbindungsorgan verringert: alle erwähnten Anschlüsse "a" bis "p" auf 16 Anschlüsse, indem Anschlüsse mit gleichen Buchstaben "a", "b" ... "p" miteinander verbunden werden.

Es sei bemerkt, daß ein Kreis mit einem ersten Schaltorgan, einem zweiten Schaltorgan und einem dritten Schaltorgan nicht nur die erforderlichen Verbindungen zwischen und mit den Wandlern einer gleichen Reihe des Mosaiks herstellen kann, sondern unter Berücksichtigung der Symmetrie in bezug auf die Abtastfläche 4 ebenfalls die Verbindungen mit den Wandlern einer zweiten Reihe (beispielsweise den Reihen R1 und R101 gemäß Fig. 2) versorgen kann, wenn nur die beiden Reihen in bezug auf die Fläche 4 des Mosaiks symmetrisch sind. Man kann also durch das Anbringen einer direkten Verbindung zwischen den Wandlern zweier Reihen, die in bezug auf die Abtastfläche symmetrisch sind, mit 16 Ketten erster, zweiter und dritter Schaltorgane zum Abtasten und Fokussieren der Ultraschallwellen aus einem Mosaik mit 32 Reihen auskommen. Diese 16 Ketten, die je 16 Anschlüsse aufweisen, die mit Buchstaben "a" bis "p" bezeichnet werden, werden im Verbindungsorgan noch einmal miteinander verbunden, um die konzentrischen Fokussierungskonfigurationen zu bilden, die anhand der Fig. beschrieben sind. Dazu enthält das Verbindungsorgan sechzehn Auswahlorgane S, eines für jedes Paar zueinander gehörender Reihen, wie R1 und R101. Ein jedes dieser Auswahlorgane kann einen oder mehrere d?r Anschlüsse a bis ρ mit einer von mehreren Ausgangsleitungen wie Ui verbinden. Es können beispielsweise konzentrische Fokussierungskonfigurationen gebildet werden, die mit F1 bis F7 bezeichnet sind, für die 7 Ausgangsleitungen U1 bis U7 benötigt werden.

Wenn erneut das Beispiel der in Fig. 2 dargestellten konzentrischen Fokussierungskonfigurationen und insbesondere der Ring,

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der von den Kreisen 223 und 224 ungefähr begrenzt wird, herangezogen wird, ist es leicht, die Verbindungsformel für die Wandler der Abtastzone zu finden, die diesen Ring bilden. Zur Erläuterung der Bezeichnungen sei erwähnt, daß die Verbindung beispielsweise zwischen den vier Wandlern 229 - 229' - 228· - 228 der Reihen R1 und R101 (symmetrisch in bezug auf die Flächen 4 und 5 nach Fig. 1) mit aR^ bezeichnet wird. In dieser Bezeichnung sieht die Formel Fi, die die Verbindungen der Wandler bestimmt, die zum Ring zwischen den Kreisen 223 und 224 gehören, wie folgt aus:

Fi:S aR6 + bR6 + cR5 + dR5 + eR4 + eR3 + fR2 + fR1 \

(Das +-Zeichensymbolisiert eine Verbindung über die Ausgangsleitung Ui). Für den Fachmann ist es ein leichtes, auf diese Weise die Formeln herzuleiten, die die konzentrischen Fokussierungskonfigurationen seiner Auswahl definieren. Die von den Formeln Fi symbolisierten Verbindungen, die die Zusammensetzung der konzentrischen Fokussierungskonfiguration Fi definieren, sind in Fig. 8 dargestellt.

In jedem Zeitintervall Δι ist es also durch eine Anzahl erster, zweiter und dritter Schaltorgane und durch einen mit einem Verbindungsorgan gebildeten Kreis möglich, die Fokussierung mit Hilfe von Fokussierungsringen zu verwirklichen, die ungefähr den konzentrischen Fokussierungskonfigurationen F1...F1. entsprechen, und zwar sowohl beim Ausstrahlen als auch beim Erhalten der Echosignale dadurch, daß die Schalter CAM in beiden Richtungen arbeiten können. Dazu muß dieser Kreis mit einer Sende- und Empfangseinrichtung und ebenfalls mit dem bereits erwähnten Steuerorgan verbunden werden. Dieses in Fig. 9 dargestellte Organ erzeugt mehrere binäre Steuersignale, die die Steuerung der CAM-Schalter der Schaltorgane ermöglichen.

Ein zentraler Taktgeber H erzeugt Impulse mit einer bestimmten PPiF 77-570 - 17 -

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festen Frequenz, die beispielsweise einige MHz betragen kann. Eine erste Teilerschaltung D1 (die durch 16 teilt) erzeugt an ihren vier Ausgängen die Binärsignale, die die Steuerung der CAM-Schalter der dritten Schaltorgane ermöglichen. Anschließend wird das geteilte Taktsignal einer zweiten Teilerschaltung D2 (die durch 8 teilt) zugeführt, deren drei Ausgangssignale A, B und C an die Eingänge I von drei Schieberegistern SR1, SR2 und SR3 und an die Steueranschlüsse der zweiten Schaltorgane gelangen. Die drei Schieberegister SR1, SR2, SR3 haben je 16 Ausgänge, an denen die 48 Signale A1, B1, C1 usw. ... A16, B16, C16 für die Steuerung der ersten Schaltorgane erscheinen. Der Takteingang (C1) der Schieberegister SR1, SR2 und SR3 ist mit dem zentralen Taktgeber H verbunden.

Fig. 10 zeigt ein viertes Schaltorgan. Dieses Organ verbindet elektrisch entweder Generatoren zum Erzeugen elektrischer Signale für die Erzeugung der ausgesandten Ultraschallstrahlen mit den Anschlüssen der ausgewählten Wandler oder diese Anschlüsse mit Anordnungen zur Speicherung und/oder für die Wiedergabe des empfangenen Ultraschallbildes. Einerseits ist das vierte Schaltorgan dazu mit den Ausgangsleitungen U1 bis Un des Verbindungsorgans und andererseits mit einer Sendeeinrichtung und mit einer Empfangseinrichtung verbunden. Die mit der Sendeeinrichtung verbundenen Klemmen sind mit E₁, E₂·..Ei...En und die mit der Empfangseinrichtung (Einrichtungen für die Speicherung und/oder die Wiedergabe des empfangenen Ultraschallbildes) verbundenen Klemmen sind mit RE1, RE2 ...REi ...REn bezeichnet.

Das vierte Schaltorgan wird im wesentlichen durch Richtungskoppler BP1, BP2...BPi...BPn gebildet. Diese Richtungskoppler bilden Verbindungen, die nur Si'gnale in den in Fig. mit Pfeilspitzen bezeichneten Richtungen durchlassen. Auf diese Weise stellen die Klemmen E^, E₂...Ei...En für das vierte Schaltorgan Signaleingänge dar, während die Klemmen RE1, RE2...REi...REn Ausgangsklemmen sind. Die Richtungskoppler BP1, PHF 77-570 909815/0775 -18-

ΒΡ2...ΒΡη können auf verschiedene '/eisen gebildet sein. Sis können beispielsweise aus Umschaltern bestehen, denn die Sendesignale und die Empfangs signale ^Tverden in verschiedenen Zeitintervallen übertragen. Andere bekannte Richtungskoppler können ebenfalls sehr gut im Rahmen der Erfindung verwendet werden.

Sendesignale werden also zu den Wandlern des Mosaiks über Ketten erster, zweiter und dritter Schaltorgane gesandt, um auf diese Weise Ultraschallwellen zu erzeugen. Diese Wellen werden durch verschiedene Hindernisse oder durch Unterschiede in den Brechungsindizes der von den Wellen durchflossenen Medien reflektiert; die erzeugten Echosignale werden in den gleichen Wandlern aufgefangen, die jetzt als Enrofangswandler dienen.

■Ό¹-

Fig. 11 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform eines Generators zum Erzeugen elektrischer Signale für die Erzeugung der ausgesandten Ultraschallstrahlen (Sendeeinrichtung). Diese Sendeeinrichtung hat eine bekannte Struktur, die dazu dient, eine Vorfokussierung der Signale an der Senderseite herzustellen. Sin Impulsgeber G erzeugt Impulsfolgen mit einer Frequenz von einigen MHz. Diese Impulse erfahren verschiedene progressive Verzögerungen in Verzögerungselementen G^, Gp. · .Gi... .Gn. Die Aus gangs klemme jedes Verzögerungselementes Gi ist mit der entsprechenden Eingangsklemme Ei des vierten Schaltorgans verbunden. Ein erster unverzögerter Impuls erscheint also an der Ausgangsklemme der ersten Verzögerungsschaltung (E^) und wird der konzentrischen Konfiguration F1 in der Mitte der Abtastzone 2 zugeführt. Danach erscheint der folgende Impuls (Verzögerung 1) an der zweiten Klemme E₂ usw. bis zur Klemme η (En), an der der Impuls mit der größten Verzögerung ankommt (Verzögerung n) und auf die konzentrische Konfiguration Fn übertragen wird, die von der Mitte am weitesten entfernt ist.

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Die Zunahme der Verzögerungen ist derart, daß ein Proportionalitätsverhältnis zwischen den Verzögerungen und dem mittleren Durchmesser der Fokussierungsringe "besteht, deren Form im Rahmen der Erfindung ungefähr von den konzentrischen Fokussierungskonfigurationen angenähert wird. Die Anzahl der Verzögerungselemente ist selbstverständlich höchstens gleich der Anzahl konzentrischer Fokussierungskonfigurationen. Je nach der gewünschten Güte der Fokussierung kann dasselbe Verzögerungselement, beispielsweise G1, mit zwei (oder mehreren) konzentrischen Konfigurationen F^, F^ ··· verbunden werden, wodurch die Anzahl der Verzögerungselemente herabgesetzt wird.

Ein Signalverarbeitungsorgan, das ein Teil des erfindungsgemäßan Systems ist, ist in Fig. 12 dargestellt. Dieses Organ enthält eine Anzahl analoger Verzögerungsschaltungen L^, Lp .·· Li ··· Ln, beispielsweise Schaltungen vom Typ üblicherweise mit PCCD oder CCD bezeichnet.

Der Eingang jeder Verzögerungsschaltung Li ist mit mindestens einer der Klemmen RE₁, REp ... REi ...REn des vierten Schaltorgans verbunden. Auf diese Weise erhalten die Eingänge der Verzögerungsschaltungen Li die Signale Fi der Ausgangsleitungen Ui des Verbindungsorgans. Es ist selbstverständlich möglich, einer Verzögerungsschaltung Li mehr als ein Signal Fi zuzuführen, wie solches auch bei der Verbindung der Sendeeinrichtung mit den Eingängen E1, E2...En beschrieben worden ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Anzahl von η Verzögerungsschaltungen Li herabzusetzen.

Sämtliche Ausgänge der Verzögerungsschaltungen Li sind mit den Eingängen S1 bis Sn eines Summenverstärkerä A verbunden. Dieser Verstärker addiert also die Echosignale, die durch die Schaltungen Li verzögert worden sind. Das Signal, das als Ergebnis dieser Addierung erhalten wird, bildet das

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Videosignal SV, das eine Einrichtung M für die Speicherung und/oder Wiedergabe des empfangenen Ultraschallbildes erreichen kann. SV stellt also das Ultraschallbild eines mit Hilfe der Anordnung untersuchten Objekts dar. Die durch die Verzögerungsschaltungen bewirkten Verzögerungen sind ungefähr proportional dem Quadrat der mittleren Durchmesser der Fokussierungsringe, deren Form ungefähr durch die konzentrischen Fokussierungskonfigurationen angenähert wird. Sie können nach jeder Aussendung dementsprechend variiert werden, was normalerweise im Englischen mit "tracking focussing" bezeichnet wird.

Fig. 12 zeigt ebenfalls eine Einrichtung für die Erzeugung von Steuersignalen für die Verzögerungsschaltungen Li. Diese Einrichtung enthält einen Spannungsgeber 121, der von Impulsen aus dem Taktgeber H periodisch gesteuert wird und Spannungssignale erzeugt, die nach einer bestimmten Funktion L(t) in der Zeit schwanken, beispielsweise nach ^ (C = konstant). Diese Spannungssignale gelangen an η spannungsgesteuerte Oszillatoren VC01, VC02, VCOi...VCOn. Die ausgewählte Funktion L(t) ist von den Eingangskennlinien der Oszillatoren VCOi abhängig. Sie können beispielsweise ein Verzögerungssignal erzeugen, dss der Spannung proportional ist. Die Widerstände R1, R2, Ri...Rn sorgen für die Verteilung der Spannungssignale auf die η Oszillatoren VCOi.

Das Signal SV kann auf einfache Weise einer Wiedergabeeinrichtung M vom herkömmlichen Typ zugeführt werden, beispielsweise einem Fernsehmonitor, insofern die Abtastgeschwindigkeit der Abtastzone 2 an die genormten Eigenschaften des Monitors angepaßt ist. Diese Abtastgeschwindigkeit ist von der Frequenz des Taktgebers H abhängig.

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Claims

N.V. Philips'Gloeilampenfabrieken, Eindhoven/Holland

PATENTANSPRÜCHE;

Anordnung zum Abtasten und Abbilden mit Hilfe von Ultraschallwellen mit einer elektroakustischen Umwandlungseinrichtung mit Wandlern sowie mit einer Anzahl von Schaltern zum selektiven Verbinden bestimmter Wandler der Umwandlungseinrichtung entweder mit Einrichtungen zur Speicherung und/ oder für die Wiedergabe eines Ultraschallbildes oder mit einem Generator.für die Erzeugung elektrischer Signale zwecks Aussendung von Ultraschallstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustische Umwandlungseinrichtung ein rechteckiges Mosaik (1) enthält, in dem die Wandler zeilenweise und spaltenweise angeordnet sind, und daß die Anordnung weiterhin mit folgenden Elementen versehen ist:

- einer Anzahl erster Schaltorgane (Fig. 3), die je Schalter enthalten, die eine Verbindung mit einer geschlossenen Gruppe ausgewählter Wandler einer Zeile herstellen, wobei die Position der Gruppe in der Zeile derart variabel ist, daß alle Gruppen zusammen eine in der Längsrichtung des Mosaiks verschiebbare, rechteckige Abtastzone (2) bilden;

- einer Anzahl zweiter Schaltorgane (Fig. 5), die je Schalter enthalten, die je zum gegenseitigen Verbinden zweier zu einer Gruppe gehörender Wandler eingerichtet ist, die symmetrisch in bezug auf die Mitte der Gruppe liegen;

-einer Anzahl dritter Schaltorgane (Fig. 7)» die je Schalter enthalten, die zum Verbinden eines vom zweiten Schaltorgan gebildeten Wandlerpaares mit einem Anschluß aus einer Reihe eingerichtet sind, wobei die Reihenfolge des ausgewählten Anschlusses in dieser Reihe vom Abstand der Wandler des Paares zur Mitte der Gruppe bestimmt wird;

- einem Verbindungsorgan (Fig. 8), in dem die Anschlüsse mit gleicher Rangordnung von jedem dritten Schaltorgan miteinander verbunden und weiterhin Verbindungen zwischen Anschlüssen verschiedener Gruppen derart vorhanden sind,

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daß in der Abtastzone ungefähr ringförmige, konzentrisch in bezug auf die Mitte der Abtastzone liegende Konfigurationen miteinander verbundener Wandler gebildet werden, die je mit einer Ausgangsleitung (Ui) des Verbindungsorgans verbunden sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein viertes Schaltorgan (Fig. 10) vorgesehen ist, in dem Richtungskoppler (BPi) für die Verbindung der Ausgangsleitungen (Ui) des Verbindungsorgans entweder mit Ausgängen (Ei) eines Generators (G, Fig. 11) für die Erzeugung elektrischer Signale zwecks Aussendung von Ultraschallstrahlen, oder mit Eingängen (REi) einer Anordnung (A, M, Fig. 12) für die Speicherung und/oder Wiedergabe eines Ultraschallbildes vorgesehen sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen jeder Ausgangsleitung (Ui) und dem Generator (G) sowie die Verbindung zwischen jeder Ausgangsleitung (Ui) und der Einrichtung für die Speicherung und/oder Wiedergabe (A, M) ein Verzögerungselement (Gi bzw. Li) enthält.

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