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Nach dem Imuls-Echo-Verfahren arbeitendes Ultraschall-
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Bildgerät Die Erfindung bezieht sich auf ein nach dem Impuls-Echo-Ver-ahren
arbeitendes Ultraschall-Bildgerät, insbesondere für die medizinische Diagnostik,
mit Ultraschall-Applikator für die zeilenweise Ultraschallabtastung eines Untersuchungsobjektes
im Zeilensprungverfahren und Fernsehbildsystem zur Abbildung anfallender Echo impulse
als zeilenförmiges Sichtbild nach Fernsehnorm ebenfalls im Zeilensprungverfahren,
wobei für jedes der Teilbilder Empfang und Auslesung der Echo signale im Wechselpufferspeicherbetrieb
erfolgen, in dem Sinne, daß die Echosignale bestimmter aufeinanderfolgender Abtastzeilen
wechselweise im Pufferspeicher eingelesen und im nachfolgenden entsprechend wechselweise
mehrfach aus dem Speicher wieder ausgelesen werden.
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Ein Ultraschall-Bildgerät dieser Art ist beispielsweise durch die
DE-AS 26 29 895 vorbekannt. Ein ähn-
liches Bildgerät, das Jedoch
speziell für Infrarotabtastung ausgelegt ist, ist Gegenstand der US-PS 39 47 826.
Beide Geräte arbeiten also nach dem sog.
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Wechselpufferspeicherprinzip, wonach immer in jeweils einem der verwendeten
Pufferspeicher die Echoinformation in einer ersten darzustellenden Zeile in Echtzeit
übernommen wird, während im anderen Speicher anschliessend eine folgende Echozeile
unter gleichzeitiger Auslesung der Echozeile aus dem ersten Speicher eingespeichert
wird. Die Auslesung einer Zeile zur Fernsehbildröhre erfolgt mit einem ganzzahligen
Vielfachen der Einlesegeschwindigkeit, wobei die Auslesezeile mit Austastsignalen
versehen und in Form mehrerer benachbarter Fernsehzeilen eines Halbbildes am Röhrenbildschirm
dargestellt wird.
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Durch die DE-AS 26 43 918 ist nun ein weiteres Ultraschall-Bildgerät
vorbekannt, bei dem zum Zwecke der Erzeugung einer mitlaufenden natürlichen Fokussierung
bei vorgegebener Sendefläche der Wandlerelemente nach Aussenden eines Sendesignals
die aktive Empfangsfläche in der Empfangsphase von einem Niedrigwert auf einen Höchstwert
verändert wird. Der Ultraschall-Bildaufbau erfolgt dann in mehreren Teilbildern,
die so ineinander schachtelbar sind, daß sich in Jedem Teilbild wechselweise Austastlücken
für Flächenmuster-Umschaltungen ergeben. Die Teilbilder werden wahlweise zeitlich
nacheinander oder zeitlich ineinander verschachtelt mit Zeilenwechseltakt erzeugt.
Die Teilbildzeilen werden wahlweise nebeneinander oder übereinander dargestellt.
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Unterschiedlichen Teilbildern werden bevorzugt auch unterschiedliche
Sendeenergien, z.B. durch Einstellung unterschiedlicher Sendeflächen, zugeordnet.
In diesem Sinne setzt sich also z.B. das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 der DE-AS
26 43 918 aus zwei Teilbildern zusam-
men, von denen eines jeweils
zwei Feldbereiche I und III (bei kleiner Sendefläche) und das andere beispielsweise
drei weitere Feldbereiche II, IV und V (bei größerer Sendefläche) umfaßt.
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Bei üblichen Ultraschallfrequenzen, z.B. im Bereich 2,25 MHz, beträgt
nun die Zeitdauer für eine Zeile eines Teilbildes im Nahbereich des Untersuchungsobjektes
(bis etwa 7 cm Tiefe) Werte im Bereich von 90/us (z.B. 94/us). Für tiefere Bereiche
(z.B. 20 cm Tiefe) verlängert sich die Zeile des.zugehörigen Teilbildes auf Werte
im Bereich 260/us (z.B. 266/us). Addiert man zu diesen Zeilendauern noch Umschaltpausen
von etwa 24/us zwischen den Zeilen, so ergibt sich bereits bei Bildaufbau in zwei
Teilbildern mit nur vier Bildbereichen die Anforderung, daß die Information einer
einzigen Ultraschallzeile in insgesamt wenigstens sechs benachbarten Fernsehzeilen
untergebracht werden muß. Dies bedeutet, daß sich auf den Bildschirmen üblicher
Fernsehmonitore zumindest für den allgemein angewendeten Frequenzbereich eine zu
geringe Anzahl von Ultraschallzeilen (höchstens 47) unterbringen läßt.
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Bei ca. 2 mm Schrittweite der Ultraschallzeilen würde dies eine maximal
darstellbare Abtastbreite von etwa 94 mm ergeben. Bei einem Bild-Seitenverhältnis
von 4:3 ergibt sich in Zeilenrichtung eine maximal darstellbare Bildtiefe von 12,5
cm. Dies kann z.B. für ein 4 MHz-Bild ausreichend sein. Für den allgemeinen Fall
mit üblichen Frequenzen im Bereich 2 MHz (z.B.
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2,25 MHz) ist dies zu wenig. Notwendig ist, daß die ganze ultraschallseitig
erreichbare Eindringtiefe von beispielsweise 20 cm bei einer Mindest-Abtastbreite
von ca. 12 cm darstellbar ist.
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Letzteres könnte dadurch erreicht werden, daß weitere Zeilenspeicher
eingeführt und mit dem Inhalt dieser
Speicher die Informationslücken
gefüllt werden, die dann entstehen, wenn eine kleinere Zahl als die oben angegebene
Zahl (z.B. sechs) von Fernsehzeilen einer Ultraschallzeile zugeordnet wird. Ein
solches Verfahren verlöre allerdings den Vorteil des geringen technischen Aufwandes.
Gleichfalls kann auch Echoinformation in kürzerer Zeit dadurch gewonnen werden,
daß parallele Informationskanäle geschaffen werden. Aber auch damit ergibt sich
keine aufwandsmäßig besonders günstige Lösung.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, bei einem Ultraschall-Bildgerät
der eingangs genannten Art eine Konversionsmethode zu schaffen, die eine Umsetzung
einer Ultraschallzeile in eine optimal geringe Anzahl zugehöriger Fernsehzeilen
eines Halbbildes ermöglicht, so daß das Gesamtbild eine entsprechend optimal hohe
Anzahl von Ultraschallzeilen am Bildschirm der Fernsehröhre umfaßt. Durch Variation
der Anzahl der Fernsehzeilen soll also eine Bildformatänderung in gewissen Grenzen
möglich sein.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Ultraschall-Applikator
sowie Wechselpufferspeicher und Fernsehbildsystem eine Zeilenaustast-Steuereinheit
zugeordnet ist, die hinsichtlich der Fernsehbildröhre die zur Darstellung einer
kompletten Ultraschallzeile notwendige Anzahl von Fernsehzeilen unterteilt in eine
erste Zahl Bruchteile solcher Fernsehzeilen, die für jeden betreffenden Teilbilddurchgang
mit Echoinformationen helligkeitsmoduliert werden, während die restliche Zahl Bruchteile
im selben Teilbilddurchgang dunkelgetastet bleibt, und daß im oder einem der nächstfolgenden
Teilbilddurchgänge für das oder die weiteren zum Gesamtbild gehörenden Teilbilder
dieje-
nigen Bruchteile vorher bereits helligkeitsmodulierter Fernsehzeilen
für das betreffende weitere Teilbild nunmehr dunkelgetastet bleiben und vorher dunkelgetastete
Bruchteile entsprechend jetzt mit Echoinformation helligkeitsmoduliert werden.
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Mit der Erfindung ist das Verhältnis zwischen Anfalldauer einer Ultraschallzeile
und Zahl der zur Darstellung benötigten Fernsehzeilen auch bei relativ langsamem
Ultraschallzeilenaufbau optimal einstellbar.
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Hierdurch ergibt sich für jeden erwünschten Gebrauchszweck (also beispielsweise
auch für Teilbildschreibung) optimale Einstellmöglichkeit auf ein erwünschtes Bildformat.
Bei technisch einfachstem Aufbau ist demnach optimale Bildqualität bei hinreichend
guten Bildabmessungen des Ultraschallbildes in Fernsehnorm immer mit Sicherheit
gewährleistet.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung
mit den Unteransprüchen.
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Es zeigen: Fig. 1 einen möglichen Bildaufbau in Teilbildern durch
Ultraschall-Abtastung mit Array mit Austastlücken bei mitlaufendem natürlichen Fokus;
Fig. 2 ein Zeitdiagramm für den Informationsfluß bei Teilbildschreibung und dessen
Aufteilung auf Fernsehzeilen bei normalem Wechselpufferspeicherbetrieb;
Fig.
3 die Zuordnung von Ultraschallzeilen zu Fernsehzeilen bei Zeilensprungverfahren
sowohl auf der Ultraschallabtastseite als auch auf der Seite der Wiedergabe in Fernsehnorm;
Fig. 4 ein erstes Prinzipschaltbild der Erfindung mit Nachsortierung bei Teilbildschreibung;
Fig. 5 ein zweites Prinzipschaltbild der Erfindung mit Vorsortierung bei Teilbildschreibung.
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Die Fig. 1 zeigt schematisch das Bildfeld mit beispielsweise einer
Bildbreite von 12 cm und einer Bildtiefe von ca. 20 cm bei etwa 16 cm langem Ultraschall-Array
1, das in insgesamt vier Feldbereiche I bis IV unterteilt ist. Das erste Teilbild
soll also beispielsweise aus den beiden Bildfeldbereichen I und III bestehen. Das
zweite Teilbild umfaßt die beiden Bildfeldbereiche II und IV. Die Sendefläche S2
des zweiten Teilbildes ist um ein Mehrfaches größer als die Sendefläche S1 des ersten
Teilbildes. Die Variation der beiden Sendeflächen S1 bzw. S2 ergibt sich durch Zusammenschaltung
einer entsprechend größeren oder kleineren Anzahl von Einzelwandlerelementen des
Ultraschall-Arrays 1 in der jeweiligen Sendephase. Entsprechendes gilt für die Empfangsflächen
E, die in Richtung zunehmender römischer Ziffern I bis IV, d.h. mit zunehmender
Bildtiefe, zunehmend größer werden. Im ersten Teilbild stellen die Bereiche II und
IV Austastlücken dar, welche zur Umschaltung der Flächenmuster ausgenutzt werden.
Entsprechend stellen im zweiten Teilbild die Bereiche I und III mögliche Austastlücken
dar.
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Mit dem Teilbildschema der Fig. 1 ergeben sich dann gemäß dem Zeitdiagramm
der Fig. 2 in Aufeinanderfolge
der beiden Sendeimpulse S1 und 82,
die aus den unterschiedlich großen Sendeflächen S1 und S2 der Fig. 1 resultieren,
komplette Ultraschallzeilen, die gemäß der Darstellung sich im ersten Teilbild aus
den Feldbereichen I und III und im zweiten Teibild aus den Feldbereichen II und
IV zusammensetzen. Bei einer üblichen Sendefrequenz von z.B. 2,25 MHz beträgt die
Zeitdauer für eine Zeile des ersten Teilbildes t1 = 94 hsec, was ca. 7 cm Abtasttiefe
entspricht. Für die Zeile des zweiten Teilbildes werden bei vorausgesetzter Abtasttiefe
von 20 cm insgesamt t2 = 266/usec benötigt.
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Addiert man zu diesen Zeilen noch Je t3 = 12/usec für jede Umschaltpause
zwischen den Zeilen, dann ergibt sich in der Summe exakt der Zeitbedarf für insgesamt
sechs Zeilen eines Fernseh-Halbbildes bei vorausgesetzter Dauer tF = 64/usec für
eine solche Fernsehzeile. Jede komplette Ultraschallzeile benötigt also insgesamt
sechs nebeneinanderliegende Fernsehzeilen eines jeden Halbbildes zur Abbildung (in
der Fig. 2 sind z.B.
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die Zeilen Z1, Z3, Z5 usw. bis Zll des ersten Halbbildes dargestellt).
Mit einem solchen Verfahren ergibt sich also der eingangs schon dargelegte Nachteil,
daß nämlich die Zahl darzustellender Ultraschallzeilen am Fernsehbildschirm klein
ist, so daß die maximal darstellbare Bildtiefe (in Zeilenrichtung) unvorteilhaft
eingeschränkt ist.
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Einen Ausweg bietet die Erfindung mit sowohl schallals auch fernsehseitigem
Zeilensprungverfahren auf Basis einer Zuordnung von Ultraschallzeilen zu Fernsehzeilen,
wie sie in der Fig. 3 schematisch dargestellt ist. In den ersten Speicher von insgesamt
zwei Wechselpufferspeichern wird zunächst wie bisher die Information einer ersten
vollständigen Ultraschallzeile eingelesen (Feldbereiche I, II, III, IV). Anschließend
springt
der Ultraschallstrahl des Ultraschall-Abtasters (Ultraschall-Array) nicht auf die
direkt benachbarte Ultraschallzeile, sondern z.B. auf die übernächste.
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Die zugehörige Information wird in Echtzeit in den zweiten Wechselpufferspeicher
eingeschrieben. Während dieses Speichervorganges wird nun gleichzeitig der Inhalt
U1 des ersten Wechselpufferspeichers mit erhöhter Frequenz dergestalt ausgelesen,
daß die ersten drei Zeilen Z1, Z3 und Z5 des ersten Fernseh-Halbbildes mit ein und
derselben Information U1 beschrieben werden, während die nächsten drei Zeilen des
Fernseh-Halbbildes, also Z7, Z9 und Zil, dunkelgetastet bleiben. Im nächsten Wechsel
wird der erste Wechselpufferspeicher wieder neu geladen und der Inhalt des zweiten
Speichers, also U3, auf den ersten drei Zeilen der nächsten Sechsergruppe, also
Z13, Z15 und Z17, dargestellt, während die letzten drei Zeilen dieser Gruppe wiederum
dunkelgetastet sind. Die dunkelgetasteten Zeilen halten den Platz der vom Ultraschall-Abtaster
übersprungenen Ultraschallzeilen frei. Im ersten Fernseh-Halbbild wird demnach bei
Fortsetzung dieses Prinzips die Hälfte aller Ultraschallzeilen, und zwar die mit
ungeradzahliger Nummer Ul, U.3, U5 etc., dargestellt. Im zweiten Halbbild folgen
die Ultraschallzeilen mit geradzahliger Nummer U.2, U4, U6 etc. Die Information
der Ultraschallzeile U2 wird zuerst in den ersten Wechselpufferspeicher eingelesen.
Danach springt der Abtaster auf die Ultraschallzeile U4 und die zugehörige Information
fließt in den zweiten Wechselpufferspeicher. Gleichzeitig mit diesem Einlesevorgang
wird der Inhalt des ersten Wechselpufferspeichers wieder so ausgelesen, daß die
Information auf die letzten drei Fernsehzeilen Z8, Z10 und Z12 der ersten Sechsergruppe
des zweiten Halbbildes gelangt. Die ersten drei Fernsehzeilen Z2, Z4, Z6 des zweiten
Halbbildes sind dunkelgetastet.
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Der Vorgang wird sinngemäß wie beim ersten Halbbild
fortgesetzt,
bis mit Ende des zweiten Halbbildes alle Ultraschallzeilen dargestellt worden sind.
Danach kann der Vorgang mit dem nächstfolgenden Scan gleichartig wiederholt werden.
Man könnte aber auch beim Jeweils übernächsten, also z.B. beim zweiten Sean, die
Zuordnung von Ultraschallzeilen zu den Zeilen der Halbbilder derart vertauschen,
daß nun die geradzahligen Ultraschallzeilen auf den ungeradzahligen Fernsehzeilen
dargestellt werden und umgekehrt (z.B. Ultraschallzeile U2 auf Fernsehzeilen Z7,
Z9, Z11; Z1, Z3, Z5 dunkel bzw. Ultraschallzeile Ul auf die Fernsehzeilen Z2, Z4,
Z6; Z8, Z10, Z12 dunkel etc., wie in der Fig. 3 durch die Halbbildverschiebungen
HB3, HB4 gegenüber dem oben beschriebenen Halbbildaufbau HB1, HB2 angedeutet ist).
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Dadurch könnte eine evtl. Streifigkeit des Bildes besser verwischt
werden, die dadurch zustandekommen kann, daß der Abstand zwischen beschriebenen
Zeilen des Fernseh-Vollbildes nicht gleichartig ist (Zeile Z6, Z7 unbeschrieben,
zwischen Zeile Z12 und Z13 aber keine Lücke). Die Fig. 3 zeigt die geschilderten
Zuordnungen.
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Mit der beschriebenen Methode brauchen demnach einer Ultraschallzeile
U nur insgesamt drei Fernsehzeilen Z eines Halbbildes zugeordnet zu werden, so daß
insgesamt 280:3 = 93 Ultraschallzeilen darstellbar sind.
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Bei einer Sprungweite der Abtastung von 2mm ergibt dies eine maximal
wiedergebbare Abtastbreite von 186mm.
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Nach dem Bildbreitenverhältnis der Fernsehnorm bedeutet dies eine
maximal wiedergebbare Bildtiefe von ca.25 cm.
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Damit ergibt sich sogar ein darstellbares Gebiet, das größer ist als
das normal geforderte. Der überschüssige Platz auf der Sichtröhre kann z.B. in vorteilhafter
Weise für Schrifteinblendung od.dgl. genutzt werden.
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Bei einem 3,5 MHz-Array ist das darzustellende Bildfenster beispielsweise
etwa 10 cm breit und 12 bis 13 cm tief. Nach bisheriger Technik müßten bei Teilbildschreibung
auf der US-Seite vier Fernsehzeilen einer Ultraschallzeile zugeordnet werden. Dies
würde einer maximal darstellbaren Bildbreite von 7 cm und Bildtiefe von 9 cm entsprechen.
Die Verhältnisse werden verbessert, wenn gemäß der Erfindung drei Fernsehzeilen
einer Ultraschallzeile zugeordnet werden. Die 93 sichtbaren Ultraschallzeilen ergäben
bei einer Schrittbreite der Abtastung von z.B. 1,2 mm eine maximale Basisbreite
von 11 cm entsprechend einer maximalen Bildtiefe von 15 cm. Der Maßstab ist also
gegenüber dem 2,25 MHz-Bild geändert. Gleichen Maßstab erhält man, wenn das Zeilensprungverfahren
auf der Basis zwei Fernsehzeilen für eine Ultraschallzeile bei einem Abtastraster
von 1,33 mm angewendet wird: Beim Ras-ter 2,0 mm (2,25 MHz) fallen 50 Ultraschallzeilcn
bzw. 150 Fernsehzeilen auf jene Bildbreite, welche 10 cm Abtaststrecke entspricht.
Mit zwei Fernsehzeilen pro Ultraschallzeile ergibt dies eine Zahl von 75 Ultraschallzeilen
für dieselbe Abtastbreite. Wenn die Abtastschrittweite gerade 1,333 mm beträgt,
ergibt sich wieder die Abtastweite 1Q cm. Das Bild füllt jetzt zwar nur noch einen
Teil des Sichtschirmes, hat aber denselben Maßstabsfaktor wie zuvor das 2,25 MHz-Bild.
Geht man bei der vorgeschlagenen Schrittweite von 1,33 mm wieder auf das alte Wandlungsverfahren
zurück, so ergibt sich ein maximaler Darstellungsbereich von 9,4 cm x 12,5 cm bei
voller Ausnutzung des Sichtschirmes.
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Die gerätemäßige Realisierung des erfindungsgemäßen Prinzips (Fig.
4 und 5) erfordert wesentliche Änderungen und Zusätze zu bisher bekannten Lösungen.
So
muß jeder der beiden Wechselpufferspeicher 2, 3 zumindest programmäßig
in so viele Teilspeicher TS gegliedert werden, wie von der Ultraschallseite her
Teilbildbereiche anfallen. Die Teilspeicher TS können wie bisher in der Struktur
eines Schieberegisters aufgebaut sein und alle Teilspeicher TS können hintereinandergeschaltet
sein. Die Information einer vollständigen Ultraschallzeile kommt in verschachtelter
zeitlicher Reihenfolge: I, III, II, IV an. Es kann nun entweder diese Reihenfolge
unverändert in den Speicher übernommen und nur beim Auslesen die Vertauschung zur
richtig gen Sequenz hergestellt werden (Fig. 4); umgekehrt kann auch sofort beim
Einlesen umsortiert werden, so daß das Auslesen wie bisher erfolgt (Fig. 5).
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In Fig. 4 sind die beiden Wechselpufferspeicher 2 und 3 als getrennte
Blöcke dargestellt mit den Unterteilungen TSI bis TS IV für die Teilbildbereiche
I bis IV. Der von einer Steuerlogik 4 betätigte (elektronische) Schalter 5 sortiert
die Bereiche beim Auslesen in die richtige Reihenfolge. Die Steuerlogik 4 unterbricht
entweder den Auslesevorgang oder die Ausleseleitung in den Zeiten, während denen
die Zeilen dunkel bleiben sollen.
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Außerdem gibt sie die Abtastbefehfe synchron mit dem Zeilenkipp der
Fernsehbildröhre 6 an den Abtaster 1 (Array). Der Analog-Digital-Wandler 7 sowie
auch der Digital-Analog-Wandler 8 entfallen, wenn als Speicher Analog-Schieberegister
verwendet werden. Das Bauelement 9 ist ein Hochfrequenzimpulsgenerator, der in üblicher
Weise im Takt der Sendetaktimpulse eines Taktgebers 10 über eine Schalterbank 11
(mit Ansteuer-und Empfangsschaltern) die Wandlerelemente W1 bis Wn des Ultraschall-Arrays
einzeln oder in ausgewählten Gruppen ansteuert. Mit 12 ist der Hochfrequenzempfänger
für die Echosignale bezeichnet. Der Fernsehbildröhre 6
sind in
der üblichen Weise auch noch eine Dunkelsteuerschaltung 13, ein Impulsgeber 14 für
die Austastimpulse und ein Zeilentaktgeber 15 sowie eine Uberlagerungsstufe 16 zur
Herstellung des BAS-Signals zugeordnet.
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Das Bauelement 17 ist einlruertierglied.
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Für Fig. 5 gilt sinngemäß dieselbe Beschreibung. Der Unterschied zu
vorher besteht nur darin, daß der Schalter 18 zur Sortierung der anfallenden Information
in die richtige Reihenfolge auf der Eingabeseite der Speicher 2, 3 sitzt. Die Bauelemente
19 bis 21 sind Ausgangs-UND-Stufen. Das Glied 22 ist wieder ein Invertierglied.