DE2857247C1 - Elektronische B-Abtastbildvorrichtung fuer Ultraschall-Wellenenergie - Google Patents

Description

• Die vordere Wand 110 der Umhüllung 100 besteht aus einem Material, beispielsweise aus Gummi, das eine Ausbreitung einer von der mit der Übertragungsflüssigkeit gefüllten Umhüllung 100 einfallenden Energie einer Ultraschall-Welle ermöglicht. Die Struktur 108, bei der es sich um ein lebendes Gewebe eines Lebewesens handeln kann, ist nicht homogen und weist aus diesem Grunde Ultraschall-Ausbreitungscharakteristiken an verschiedenen räumlichen Stellen auf, die sich in einer komplexen Weise in Übereinstimmung mit der genauen Zusammensetzung der Struktur 108 ändern. Die Struk- tur 108 ist so angeordnet, daß eine ihrer Oberflächen in Kontakt zur vorderen Wand 110 der Umhüllung 100 steht.
• Der Wandler 102, der in der F i g. 2 ausführlich dargestellt ist, wird unter der Steuerung des Zeitsteuerkreises 112 durch einen Ultraschall-Frequenz-Impuls (UF) von der Steuerelektronik 114 intermittierend bzw. zeitlich aussetzend erregt. In Antwort darauf startet ein elektronisch abgetasteter Wandler 102 einen Strahl mit einer gepulsten Ultraschall-Wellenenergie, der sich durch die mit der Flüssigkeit gefüllten Umhüllung 100 und durch die Struktur 108 ausbreitet. Dieser Ultraschall-Strahl wird durch die Linse 104 in einem Punkt der Bildebene 106 fokussiert, der der dann gerade bestehenden Abtastposition des elektronisch abgetasteten Wandlers 102 entspricht. Infolge der Tatsache, daß die Feldtiefe der Struktur 108 die gesamte Tiefe d aufweist, ist die gesamte Tiefe des Bereiches der Struktur 108, die dann gerade durch den abgetasteten Strahl der Energie der Ultraschall-Welle bestrahlt wird, die Ursache für reflektierte Echos, die über die Linse 104 zurückgelangen und auf dem elektronisch abgetasteten Wandler 102 nach einer Zeitverzögerung abgebildet werden, die proportional zu dem Abstand (Entfernung) des reflektierenden Punktes der Struktur 108 von dem Wandler 102 ist.
• Der Wandler 102 leitet in Antwort auf den Empfang eines Ultraschall-Echos ein ermitteltes elektrisches Signal ab, das als ein Eingangssignal an die Bildeelektronik 116 angelegt wird. Diese Bildelektronik 116 legt unter der Steuerung eines Signals von dem Zeitsteuerkreis 112 ein bereichsgetastetes Videosignal an die Intensitäts-Steuerelektrode der Kathodenstrahlröhre (CRT) der B-Abtastanzeigeeinrichtung 118 an. Außerdem leitet die Bildelektronik 116 einen Kipp-Bereichs-Synchronisierimpuls ab, der in einer zeitsynchronen Beziehung zu der Erzeugung jedes UF-Impulses zur Einleitung einer linearen Ablenkung des Elektronenstrahls der Kathodenstrahlröhre der B-Abtastanzeigeeinrichtung 118 in einer der beiden orthogonalen Richtungen (beispielsweise der horizontalen Richtung) ist. Zur selben Zeit wird der Elektronenstrahl der Kathodenstrahlröhre der B-Abtastanzeigeeinrichtung 118 in der anderen der beiden orthogonalen Richtungen (beispielsweise in der Vertikalrichtung) in Übereinstimmung mit einem Abtast-Positionssignal von der Steuerelektronik 114 abgelenkt.
• Dies führt -dazu, daß ein Bild einer bestimmten Abtast-Positions-Tiefenebene der Struktur 108 auf der Fläche der Kathodenstrahlröhre der B-Abtastanzeigeeinrichtung 118 abgebildet wird.
• Wie dies in der F i g. 2 dargestellt ist, enthält der Wandler 102 einen Längsstab 200 aus einem piezoeSektrischen Material. Die Rückfläche des Stabes 200 ist im wesentlichen durch die Elektrode 202 bedeckt. Ein aus n voneinander getrennten Elektroden 204-1 bis 204-n bestehender Satz steht mit der Vorderfläche des piezoelektrischen Stabes 200 in Kontakt. Die vorbestimmte Anzahl n ist gleich der Anzahl der geforderten Abtastungen pro Rasterbild (d. h. der Auflösung der Abtastposition). Je größer der Wert n ist, umso größer ist die Anzahl der Kippbereiche in jedem angezeigten Rasterbild. In der Praxis liegt der Wert von n im allgemeinen in dem Bereich von 100 bis zu mehreren hundert Elektroden. Jede Elektrode 204-1 bis 204-n des Elektrodensatzes wird durch die Steuerelektronik 114 individuell in einer Weise erregt, die später beschrieben wird.
• Sowohl die angelegten UF-lmpulse und die ermittelten Echosignale werden durch die Elektrode 202 an den Eingang des Verstärkers 206 der Bildelektronik 116 angelegt. Der Verstärker 206 sollte eine ausreichend kieine Eingangsimpedanz aufweisen, so daß er für die Steuerimpulse eine Erdrückleitung bildet. Diese kleine Eingangsimpedanz stellt auch sicher, daß jede relativ große Amplitude eines angelegten UF-lmpulses im wesentlichen vollständig abgeklungen ist bevor irgendein Echo von der Struktur 108 durch den Wandler 102 ermittelt wird. Dies ist erforderlich, weil ermittelte Echosignale eine Amplitude aufweisen, die weitaus kleiner ist als die Amplitude der UF-lmpulse. Durch die Verwendung eines Verstärkers 206 mit einer kleinen Eingangsimpedanz wird die Notwendigkeit eines herkömmlichen T-R Schalters, der sicherstellen soll, daß die UF-lmpulse sich nicht mit der Anzeige der relativ sehr schwachen ermittelten Echos stören, beseitigt.
• Das Ausgangssignal des Verstärkers 206 wird auf jeden Fall als ein Eingangssignal an das Bereichsgatter 208 der Bildelektronik 116 angelegt Das Bereichsgatter 208 ist normalerweise geschlossen. Es wird aber während des Erscheinens jedes an das Bereichsgatter 208 von dem Zeitsteuerkreis 112 angelegten Steuerimpulses für das Bereichsgatter offen gehalten. Jeder Steuerimpuls für das Bereichsgatter, der zeitsynchron mit dem Anlegen eines UF-Impulses an den Wandler 102 auftritt, hält das Bereichsgatter 208 während des gesamten Zeitintervalles offen, währenddem Echos innerhalb der ganzen Struktur 108 von dem Wandler 102 empfangen werden. Dies führt dazu, daß das Bereichsgatter 208 alle ermittelten Signale von der Struktur 108 als ein Torgetaktetes Bereichs-Videosignal für die B-Abtastanzeigeeinrichtung 118 befördert bzw. durchläßt. Die Kipp-Bereichssynchronisierung wird durch den differenzierenden Kreis 210 für die Vorderflanke der Bildelektronik 116 in zeitlicher Übereinstimmung mit der Vorderflanke jedes Steuerimpulses für das Bereichsgatter von der Zeitsteuereinheit 112 abgeleitet.
• Wie dies in der F i g. 3 dargestellt ist, enthält die Zeitsteuerschaltung einen Taktgenerator 300 zur periodischen Takterzeugung mit einer Wiederholungsperiode, die wenigstens geringfügig größer als die maximale Rundlaufzeit der Energie der Ultraschall-Welle zu irgendeinem Punkt innerhalb der Struktur 108 ist. Jeder Taktimpuls wird als ein Trigger-Impuls an die Steuerelektronik 114 angelegt Außerdem wird jeder Taktimpuls als ein Trigger-Eingang an die einstellbare Zeitverzögerungsschaltung 302 angelegt, die einen monostabilen Multivibrator enthalten kann. Die einstellbare Zeitverzögerungsschaltung 302 wird so eingestellt, daß sie eine Verzögerung erzeugt, die der gewünschten Zeit des Erscheinens der Vorderflanke des Steuerimpulses für das Bereichsgatter entspricht. Das Ausgangssignal von der einstellbaren Zeitverzögerungsschaltung 302 ist ein verzögerter Trigger-Impuls, der als ein Eingangssignal an den Kreis 304 zur Erzeugung von Steuerimpulsen für das Bereichsgatter angelegt wird. Dieser Kreis 304 erzeugt einen Impuls einer Dauer, die der gesamten Periode gleich ist, während der es gewünscht wird, daß das Bereichsgatter 208 geöffnet ist, so daß alle ermittelten Signale von der Struktur 108 passieren können. Das Ausgangssignal von dem Kreis 304 wird als em Steuereingangssignal an das Bereichsgatter 208 der Bildelektronik 116 angelegt, wie dies oben beschrieben wurde.
• Die Steuerelektronik 114 kann eine Quelle 400 (F i g. 4) für UF-lmpulse enthalten, die in Antwort auf jeden an sie als ein Trigger-lmpuls angelegten Taktimpuls von der Zeitgeberschaltung 112 einen UF-Impuls erzeugt. Jeder UF-lmpuls von der Quelle 400 wird par- allel an jeden Verstärker eines Satzes von n normalerweise ausgeschalteten Verstärkern 402-1 bis 402-n angelegt. Eine Einschalt-Vorspannung 404 für irgendeinen der Verstärker 402-1 bis 402-n wird der Reihe nach durch verschiedene, ausgewählte Ausgänge des ersten Satzes der n Ausgänge 406-1 bis 406-n des Steuerkreises 408 für die Einschalt-Vorspannung, weitergeschaltet.
• Genauer gesagt, kann der Steuerkreis 408 für die Einschalt-Vorspannung einen Digitalzähler mit einem Zählvermögen n enthalten. Der Zähler zählt die von der Zeitsteuerschaltung 112 an die Quelle 400 angelegten Takt-Triggerimpulse. Außerdem kann der Steuerkreis 408 für die Einschalt-Vorspannung einen entsprechenden Satz von n normalerweise geöffneten elektronischen Schaltern enthalten, von denen jeder den Steuerkreis 404 bzw. die Einschalt-Vorspannung mit einem anderen Ausgang der Ausgänge 406-1 bis 406-n verbindet. leder dieser n Schalter ist in Übereinstimmung mit dem dann in dem Zähler registrierten Zählerstand zu einer Zeit geschlossen.
• Der Befehl zum Schließen dieser n Schalter des Steuerkreises 408 für die Einschalt-Vorspannung kann oder kann nicht, wie dies gewünscht wird, mit dem Befehl des Satzes der Verstärker 402-1 bis 402-n übereinstimmen.
• Insbesondere wird das Kipp-Bereichsraster der B-Abtastanzeigeeinrichtung 118 nicht verschachtelt, wenn der Befehl zum Schließen des Satzes der n Schalter des Steuerkreises 408 für die Einschält-Vorspannung so beschaffen ist, daß er jeden der normalerweise geschalteten Verstärker 402-1 bis 402-n in der richtigen Reihenfolge einschaltet. Wenn jedoch der Befehl zum Einschalten der Verstärker 402-1 bis 402-n so beschaffen ist, daß er zuerst der Reihe nach alle ungeraden Verstärker und dann der Reihe nach alle geraden Verstärker einschaltet, ist das Kipp-Bereichsraster der B-Abtastanzeigeeinrichtung 118 in einer Weise verschachtelt, die der eines Fernsehrasters ähnlich ist. Wenn die Bildfolge sehr klein ist, kann es wünschenswert sein, ein Verschachteln mit einem höheren Grad als 2 (d. h. mehr als zwei Felder pro Ausschnitt) zu erzeugen, um ein Flackern zu vermindern. Auf jeden Fall kann jeder der n Schalter des Steuerkreises 408 für die Einschalt-Vorspannung individuell in irgendeiner ausgewählten Reihenfolge mit den Ausgängen 406-1 bis 406-n verbunden werden, um irgendeine gewünschte Verschachtelungsart zu erzeugen. Es kann auch irgendeine Verschachtelungsart übereinstimmend mit der Weise der individuellen Zuordnung der Ausgänge der Verstärker 402-1 bis 402-n mit dem Satz der Elektroden 204-1 bis 204-n ausgewählt werden.
• Der Abtast-Positionskreis 410 kann einen Digital-Analog-Wandler enthalten, der auf den dann in dem Zähler des Steuerkreises 408 für die Einschalt-Vorspannung registrierten Zählerstandes anspricht. Dabei wird dieser Zählerstand über einen zweiten Satz von n Ausgängen 412-1 bis 412-n von dem Kreis 408 angelegt. Die Anordnung ist so beschaffen, daß der Abtast-Positionskreis 410 ein treppenstufenförmiges vertikales Ablenksignal für die B-Abtastanzeigeeinrichtung 118 ableitet, das zu jeder Zeit einen Pegel aufweist, der der räumlichen Position der dann gerade erregten Elektrode des Elektrodensatzes 204-1 bis 204-n entspricht.
• In der Fig. 5 zeigt das Kurvenbild 500 die relative Zeit des Erscheinens von aufeinanderfolgenden, durch den Taktgenerator 300 der Zeitsteuerschaltung 112 erzeugten Taktsignalen. Das Kurvenbild 504 stellt die relative Zeit des Erscheinens eines Steuerimpulses 506 für das Bereichsgatter dar, der von dem Kreis 304 der Zeitsteuerschaltung 112 zur Erzeugung der Steuerimpulse für das Bereichsgatter abgeleitet ist. Das Kurvenbild 507 zeigt die Einschalt-Zeit 508 des normalerweise abgeschalteten Verstärkers 402-1. Wie durch das Kurvenbild 507 angedeutet wird, wird der normalerweise ausgeschaltete Verstärker 402-1 für im wesentlichen eine gesamte Taktperiode eingeschaltet. Wenn jedoch n Verstärker vorhanden sind, verstärkt der Verstärker 402-1 und bleibt dann für die nächsten (n-1) Taktperioden ausgeschaltet. Wenn man einen nichtverschachtelten Betrieb voraussetzt, zeigt das Kurvenbild 510 den ersten Teil der Einschalt-Zeitperiode 512 des normalerweise ausgeschalteten Verstärkers 402-2. Auf diese Weise wird jeder Verstärker des Satzes der normalerweise ausgeschalteten n Verstärker 402-1 bis 402-n während einer einzigen verschiedenen Taktperiode jedes Satzes der n aufeinanderfolgenden Taktperioden eingeschaltet.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Mit Ultraschall arbeitende elektronische B-Abtastbildvorrichtung mit einem elektro-akustischen Wandler, einer Steuerelektronik zum Anlegen von Ultraschallfrequenz-lmpulsen an den Wandler und eine zur Verstärkung von von dem Wandler empfangenen Echosignalen vorgesehene verstärkende Einrichtung, wobei der elektro-akustische Wandler einen Längsstab aus einem piezoelektrischen Material, eine im wesentlichen eine der beiden sich gegenüberliegenden Längsflächen des Stabes bedeckende vorgebene Elektrode und einen aus n voneinander getrennten und gegeneinander beabstandeten Elektroden bestehenden Elektrodensatz aufweist, wobei n eine vorgegebene ganze Zahl ist, die größer als 1 ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik eine Reihe von n Ultraschallfrequenz-Impulsen an den Wandler (102) anlegt, wobei jeder der getrennten Impulse dieser Reihe an eine andere Elektrode (204-1, 204-2 usw) des Satzes mit den n Elektroden angelegt wird; und daß die verstärkende Einrichtung (in 116) einen einzigen Verstärker (206) aufweist, dessen Eingang mit der vorgegebenen Elektrode (202) verbunden ist, um alle ermittelten Echosignale, die von dem Wandler (102) von einer abzubildenden Struktur (108) empfangen wurden, zu verstärken.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des Verstärkers (206) andauernd mit der gegebenen Elektrode (202) verbunden ist, daß die Ultraschallfrequenz-lmpulse an den Eingang des Verstärkers (206) anlegbar sind und daß die Eingangsimpedanz des Verstärkers (206) ausreichend klein ist, so daß diese eine Erdrückleitung für jeden Ultraschallfrequenz-lmpuls der Reihe bildet und daß jeder Ultraschallfrequenz-lmpuls im wesentlichen vollständig abklingt, bevor ermittelte Echosignale an der abzubildenden Struktur (108) erscheinen.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß n Elektroden (204-1,204-2 usw.) des Satzes im wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gek-ennzeichnet, daß die Steuerelektronik (114) eine Einrichtung (404, 408, 410) zum Ableiten eines B-Abtastpositions-Ablenksignales mit einem variablen Pegel aufweist, bei dem es sich um einen analogen Wert zur räumlichen Lage von der Elektrode des aus n Elektroden bestehenden Satzes handelt, an die daraufhin der Ultraschallfrequenz-lmpuls angelegt wurde.

   Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

   Aus der DE-OS 26 54 280 ist bereits eine Vorrichtung der gattungsbildenden Art bekannt. Diese Vorrichtung arbeitet mit einem elektroakustischen Wandler, der einen Längsstab aus piezoelektrischem Material hat. Eine der beiden sich gegenüberliegenden Längsflächen des Längsstabes sind durch eine vorgegebene Elektrode bedeckt. Auf der gegenüberliegenden Seite liegen n voneinander getrennte und gegeneinander beabstandete Einzelelektroden, die einen Elektrodensatz bilden. Die gegebene, große Längselektrode ist geerdet. Sowohl die Sendersignale als auch die Empfängersignale werden über die einzelnen Elektrodensegmente an den Wandler angekoppelt. Zum Betrieb der Wandleranordnung genügt es, daß diese einseitig Elektrodensegmente besitzen, an denen die zeitlich verschobenen Sendesignale angelegt und aus denen Echosignale entnommen werden können. Die Verwendung der zahlreichen Einzelelektroden zum Empfangen der Echosignale erfordert eine äußerst aufwendige Empfängerschaltung.

   Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß sie einen erheblich einfacheren und preiswerteren Aufbau hat.

   Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

   Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild eines B-Bildanzeigesystems, F i g. 2 eine detaillierte Darstellung des Aufbaus eines elektronisch abgetasteten Wandlers und einer Bildelektronik gemäß F i g. 1; F i g. 3 ein Blockschaltbild, das den Aufbau des Zeitsteuerkreises der F i g. 1 ausführlich darstellt, F i g. 4 ein Blockschaltbild, das den Aufbau der Steuerelektronik der F i g. 1 ausführlich darstellt, und F i g. 5 ein Zeitsteuerdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung.

   Bei der F i g. 1 sind in einer mit einer Flüssigkeit gefüllten Umhüllung 100 ein elektronisch abgetasteter elektro-akustischer Wandler 102 und eine akustische Linse 104 angeordnet, die einen Brennpunktabstand f aufweist. Die physikalische Linsenöffnung der Linse 104, oder die Linsenöffnung einer irisähnlichen Linse 104, die kleiner ist, bestimmt die effektive Bildöffnung der Wandler-Linsen-Kombination. Wie dies angedeutet ist, ist die Linse 104 so angeordnet, daß sie von dem Wandler 102 um eine Entfernung 2f beabstandet ist. Gemäß den Grundsätzen der geometrischen Optik wird daher der Wandler 102 in der Bildebene 106 abgebildet, die um dieselbe Entfernung 2f von der Linse 104 entfernt auf der anderen Seite der Linse angeordnet ist. In der umgekehrten Weise wird jede in der Bildebene 106 angeordnete Struktur auf dem Wandler 102 abgebildet.

   Eine akustische Linse erzeugt eine Feldtiefe, die proportional zur Wellenlänge der einfallenden akustischen (Ultraschall) Energie der Welle und umgekehrt proportional zum Quadrat des Verhältnisses der effektiven Linsenöffnung am Brennpunktabstand der akustischen Linse ist. Zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird vorausgesetzt, daß die von der Linse 104 bewirkte Feldtiefe wenigstens ein halb mal der Tiefe d der abzubildenden Struktur 108 ist.