DE2900129A1

DE2900129A1 - Fresnel-fokussiertes abbildungssystem

Info

Publication number: DE2900129A1
Application number: DE19792900129
Authority: DE
Inventors: Roger Henry Tancrell
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1978-01-03
Filing date: 1979-01-03
Publication date: 1979-08-23
Also published as: GB2011620A; GB2011620B; US4145931A; CA1116742A; FR2413667B1; DE2900129C2; FR2413667A1; JPS6132015B2; JPS54102078A

Description

München, den 3· Januar 1979 Anwaltsaktenz.: 27 - Pat. 230

Raytheon Company, lAl Spring Street, Lexington, MA 02173, Vereinigte Staaten von Amerika

Fresnel-fokussiertes Abbildungssystem

Die Erfindung betrifft ein Abbildungssystem mit einer Anordnung von Wandlerelementen für Strahlungsenergie, welche so auf eine Person gerichtet werden, daß sie von Stellen innerhalb der Person ausgehende Strahlungsenergie aufnehmen bzw. zu derartigen Stellen hin aussenden.

Ein Abbildungssystem nach der Erfindung weist eine Anordnung von strahlungsempfindlichen Detektoren auf, wobei insbesondere den von den Detektoren empfangenen Signalen ein Fresnel'sches Muster aufgeprägt wird, um beispielsweise für die Erzeugung eines Abbildes eines zu untersuchenden Menschen auf akustischem Wege eine bildliche Darstellung zu erzielen.

Fresnel'sches Maskieren wurde sowohl bei elektromagnetischen als auch bei akustischen Abbildungssystemen eingesetzt. Für elektrische Abbildungssysteme findet sich eine Beschreibung in der US-Patentschrift 3 263 079, wobei dort das Muster dazu verwendet

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ORIGINAL INSPECTED

".irrt, ein Abbild cU-r Sterne «πι Hinrncl zu or/n:;.cn. Dir Einsatz ι on Pi^-O f-nol ' tchcn Mustern in der KuIr Ic arm ccH ;H η , υϊπ ein Abbild einer radioaktiven Quelle zu er^e\igen, ist in t" r US-Patentschrift 3 936 639 beschrieben. Die Vorwendung eines Fresnel'sehen Musters, das Signalen von Schallstrahlungsdetektoren aufgeprägt •vri.rd, kann der US-Patentschrift 3 9 H 730 entnommen werden; darin wird die Speisung von Gruppen von Strahlungsdetektoren oder Fr, pfäu^erv.-fmdlei'ii in der Anordnung eines Fresnel' sehen Musters in wenigstens einer Dimension eingesetzt. Die Verwendung eines Ultraschallbildabtasters zum Darstellen von Organen des menschlichen Körpers ist in der US-Patentschrift 3 805 596 beschrieben. Die Verwendung des Fresnel'sehen Musters für akustische Bilderzeugungssysteme ist insofern vorteilhaft, als das Fresnelmuster in der Art einer Linse für ein Fokussieren der akustischen Strahlung sorgt. Eine Schwierigkeit tritt bei den bisher verwendeten Systemen insofern auf, als das Fresnel'sehe Muster, ob es nun als eindimensionale oder zweidimensional Anordnung verwendet wird, eine Wirkung hervorbringt, nach der das Strahlungsmuster sowohl in Richtung auf einen Brennpunkt im zu untersuchenden Körper vor der Anordnung konvergiert als auch ein divergierendes Strahlungsmuster hervorgerufen wird, das von einem virtuellen Brennpunkt ausgeht, der hinter der Anordnung liegt. Der Energiegehalt von Signalen, die von den Wandlern abhängig von der auftreffenden Schallenergie von dem divergierenden Strahlungsmuster erzeugt werden.ist annähernd gleich dem Energiegehalt der Signale, die von dem erwünschten konvergierenden Muster stammen. Auf diese Weise herrscht eine erhebliche, unerwünschte Hintergrundstörung, die eine Verschlechterung des Bildes von der zu untersuchenden Person, das aus dem konvergierenden Strahlungsmuster erhalten wird, mit sich bringt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Mangel der hohen Hintergrundstörung zu beseitigen, weshalb eine erste und eine zweite Schaltungsanordnung mit jedem der Wandlerelemente verbunden sind, um die Polarität der aus der Strahlungsenergie gewonnenen Signale auszuwählen. Weiter ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß

Einrichtungen mit den Polaritäts-

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•~ xisvrahlinitteln vtrbuiiden sind, um diese in /sbstii·)? "'iig ;-.u der üx'tliehe-η Iift^e dor Unndlereleincmte in der Anurdmmg ;u betätigen, f.o daß liiister der Polarität gescl· ffon verdon, wob&i die erste /\us\.* füllvorrichtung ein Kosinus-Frfwiel-Miister der Polarität iüid die Kvoite Auswahlvorrichtung ein Sinus-Fresnel-Muster der Polarität hcrvoriiringt, daß eine erste und eine zweite Einrichtung y-nrn S\i·* licrcn der durch die Ausvrahl\^rorrichiuni;cn g(.koj>peltf!n Sii;i)'ile voi hfiiideii sind, daß Multipliziere inrichtmigr-n nit den Suumiereinrichtungen verbunden sind, die die jeweiligen Summen zur Bildung eines ersten und eines zweiten Produktes mit einem Cosinus- bzw. Sinus-Bezugssignal multipliziert, daß Einrichtungen zum Abgleichen der Amplituden der von den MuItipliziereinrichtungen abgegebenen Produkte aufeinander vorgesehen sind und daß die abgeglichenen Produkte in einer dritten Summiereinrichtung zum Erzeugen eines Strahlungsmusters, das auf einen der Orte fokussiert ist, summiert werden«

Mit anderen Worten, es wird ein Bilderzeugungssystem in Verbindung mit strahlungsempfindlichen Elementen wie akustischen Wandlern geschaffen, bei welchen ein Paar von Fresnel'sehen Mustern den von den Wandlern abgegebenen Signalen überlagert wird. Eines der Fresnel'sehen Muster ist ein kosinusförmiges Fresnel-Muster, während das zweite ein sinusförmiges Fresnel-Muster ist. Die Signale der beiden Muster werden zur Bildung eines resultierenden Strahlungsmusters der Wandleranordnung kombiniert, worin das unerwünschte, divergierende Muster nicht mehr enthalten ist. Bei der Abbildungserzeugung eines Patienten werden innerhalb seines Körpers durch das konvergierende Strahlungsmuster verschiedene Stellen betrachtet, wobei von jeder Stelle ein scharfes Abbild erzeugt wird, ohne daß dabei die Hintergrundstörungen von dem divergierenden Strahlungsmuster auftreten. Das Bilderzeugungssystem läßt sich genauso auf eine Detektoranordnung für elektromagnetische Strahlung anwenden, wie auf eine solche für akustische Strahlung. Der Einfachheit halber werden bei der vorliegenden Beschreibung nur akustische Wandler betrachtet.

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Die Fresnel-Muster werden Signalen aufgeprägt, die \on den Wandlern aufgrund der auftreffenden akustischen eilen abgegeben werden, was mit Hilfe eines Satzes von Vc-rviclfachcrn geschieht, die an die einzelnen Wandler angeschlossen sind. Jeder Vervielfacher multipliziert die Polarität eines Ifandl er signals mit einem Faktor + 1 oder -1 oder 0. Bei einem bevorzugten Ausfülrrungsbeispiel weist jeder Vervielfacher einen Uinkehrvcrstärker mit einem Auswahlschalter auf, der entweder die positiven oder· negativen Ausgangssignale des Verstärkers auswählt oder das Signal an Masse führt, wenn der Wert 0 erscheinen soll. Der Multiplikationsfaktor jedes Wandlersignals wird gemäß dem Ort des jeweiligen Wandlers innerhalb der Anordnung derart ausgewählt, daß ein Diagramm der Multiplikationsfaktoren als Funktion des Wandlerplatzes das Erscheinungsbild einer Rechteckwellenannäherung an ein Fresnel-Muster hat. Ein Paar von Vervielfältigern ist mit jedem Wandler so gekoppelt, daß das vorstehend genannte Paar von Fresnel-Mustern gleichzeitig erzeugt werden kann.

Die Summe der Produkte aus den Vervielfältigern für das kosinus-

förmige Fresnel-Muster wird dann zusammenaddiert und mit einem

Weise

kosinusförmigen Bezugssignal multipliziert. In gleicher werden die Produkte aus den Vervielfältigern für das sinusförmige Fresnel-Muster zusammensummiert und mit einem sinusförmigen Bezugssignal multipliziert. Die Amplituden der sich daraus ergebenden Produkte werden dann gleichgemacht und summiert. Die fertige Summe wird durch ein Bandpaßfilter geleitet,um Harmonische, die sich beim Multiplikationsvorgang gebildet haben, auszuschalten, und dann auf eine Wiedergabevorrichtung geleitet, wodurch verschiedene Stellen innerhalb des untersuchten Körpers betrachtet werden können. Eine Steuervorrichtung für die Multiplikationsfaktoren ist mit einem Speicher ausgerüstet, der entsprechend der Entfernung oder Tiefe innerhalb des zu untersuchenden Körpers der Reihe nach adressiert wird, wodurch das Fresnel-Muster so geändert wird, daß eine Fokussierung auf die entsprechenden Stellen vorgenommen wird, so daß jede Stelle mit einer Scharf-

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<? i nstßllung des Rronnpunktes untersucht vfferdcn kann. Zum Abschluß

der Wiedergabedartteilung der Stellen entlang einer Normalen zu~7 V.^Taiidlergruppe, die im Fresnel-Muster eingesetzt wird, werden die Multiplikationsfaktoren so gewählt, daß das Fresnel-Muster sich entlang der Anordnung seit ärts verschiebt, so daß die Scharfeinstellung auf kontinuierlich aneinander angrenzende Teile des Körpers vorgenommen wird. Diese kontinuierliche Seitwärtsverschiebung des Fresnel-Musters ermöglicht eine Betrachtung einer rechteckigen Scheibe des Patienten (Schnittbild).

Die Figuren der Zeichnung zeigen Einzelheiten und Schemadarstellungen zur Erläuterung der Erfindung. Im einzelnen stellen dar :

Fig. 1 eine Wandleranordnung, die auf einen zu untersuchenden Patienten aufgesetzt ist, wobei die Wandleranordnung mit einer Sender- und Empfängereinrichtung verbunden ist, wodurch akustische Signale in den Patienten hinein abgegeben und Echosignale aufgefangen werden können;

Fig. 2 eine Unteransicht der Wandleranordnung aus Fig. 1 gemäß Linie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht der Wändleranordnung in

Verbindung mit einer Graphik, die eine zeitliche und örtliche Übersicht über die Wandlergruppen gibt, welche aktiv an der Bilderzeugung von einzelnen Stellen im Patienten teilnehmen, wobei die Graphik die seitliche Wanderung der aktiven Bereiche während des Abtastens eines RechteckScheibenausschnitts aus dem Patienten angibt;

Fig. 4 eine Graphik von vier zueinander ausgerichteten Darstellungen, deren erste eine Fresnel'sehe Funktion mit dem horizontalen Abstand entlang

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der Wandleranordnung der Fig. 1 zeigt, die zweite eine Rechteckwellenannäherung an die Fresnel-Funktion wiedergibt, die dritte die Multiplikation der Signale der einzelnen Wandler des aktiven Bereichs der Anordnung zeigt, wobei die Polarität der Signale im Anschluß an die Multiplikation dem Muster der Rechteckwellenannäherung der zweiten Darstellung folgt, und die vierte das sich ergebende, konvergieren de Strahlungsmuster wie auch das divergierende Strahlungsmuster zeigt, das auftritt, wenn nur eine Fresnel-Funktion bei der Signalbehandlung eingesetzt wird;

Fig. 5 eine Darstellung der Echointensität von einer Stelle innerhalb des Körpers in Abhängigkeit zum Winkel gegenüber der Normalen auf der Wandleroberfläche entsprechend den Winkelbezeichnungen in der vierten Graphik der Fig. 4, wobei die zweite Darstellung der Fig. 5 die Abnahme der Hintergrundstorung erkennen läßt, wenn die Signale des divergierenden Strahls ausgeschaltet sind;

Fig. 6 ein Blockschaltbild, das die Verbindungen zwischen der Wandleranordnung einerseits und Sender und Empfänger der Fig. 1 andererseits wiedergibt ;

Fig. 7 ein Blockschaltbild des Empfängers gemäß Fig. 1 und 6, woraus die Multiplikation der Wandlersignale zur Bildung eines Fresnel-Musterpaares deutlich wird;

Fig. 8 ein Blockschaltbild der Steuerung des Multiplikationsfaktors einschließlich eines Speichers,

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der den Multiplikationsfaktor für die Gruppe der aktiven Wandler speichert, und einer Schaltmatrix zum Umadressieren der Faktoren, wenn die Gruppe der aktiven Wandler wäh.end des Abtastvorgangs seitlich verlagert wird; und

Fig. 9 ein Blockschaltbild eines Signalteilers des Wandlers der Fig. 6.

In der Fig. 1 ist ein Bilderzeugungssystem 20 dargestellt, zu dem eine Wandleranordnung 22 gehört, die auf den Körper einer zu untersuchenden Person 24 aufgesetzt wird und die mit einem Verstärkersystem 26 verbunden ist« Das Verstärkersystem 26 und die Wandleranordnung 22 bilden gemeinsam eine Baugruppe 28. Zum Gesamtsystem 20 gehören ferner ein Sender 30, ein Empfänger und eine den Sender 30 und den Empfänger 32 mit der Baugruppe verbindendes, flexibles Kabel 34«. An der linken unteren Ecke der Baugruppe 28 ist ein Koordinatensystem 36 mit X- und T-Achse auf der Oberfläche des Patientenkörpers 24 dargestellt, das dazu dient, die zu untersuchenden Stellen innerhalb des Patientenkörpers 24 festzulegen., wobei die X-Achse die horizontale Stellung auf der Berührungsfläche zwischen. Baugruppe 28 und Patientenkörper 24 kennzeichnetj während der Wert der Y-Achse in die Tiefe des Patientenkörpers 24 mißt und somit der Y-Wert den Abstand von der Oberfläche der Wandleranordnung 22 angibt» Es sind ferner akustische Strahlungsbahnen 3®" eingezeichnet, die von Stellen innerhalb des Patientenkörpers 24 ausgehen und den Verlauf von Echosignalen von. diesen Körperstellen aus im Richtung auf die Wandler des aktiven Teils der Anordnung 22 darstellen»

Wie im folgenden deutlich wird, gibt der Sender 30 ein. elektrisches Impulssignal über das Kabel 3% taid das Yerstärkersystem an die WandleranOrdnung 22 ab, wobei ausgewählte Wandler 4© der Anordnung 22 durch das Impulssignal so erregt werden,, daß sie akustische Impialssigsiale auf die Stellen im Patientenkörper hin abgeben» Ton diesen Stellen sich, wieder ausbreitende Eclio-

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, «k f- -:.: _BAD ORIGINAL

signale werden zur Anordnung 22 zuiückgeworfen und über das Verstärkersystem 26 dem Empfänger 32 zugeleitet, der einen Fresnel-Multiplikationsvorgang ausführt und dann das sich ergebende Echo darstellt. Das flexible Kabel 34 läßt es zu, daß die Baugruppe oder das Modul 28 an beliebiger Stelle auf den Patientenkörper 24 aufgesetzt wird.

In der Fig. 2 sind die Abmessungen eines Ausführungsbeispiels der Wandleranordnung 22 wiedergegeben. Diese hat im vorliegenden Fall eine Breite von 13 mm ,und eine Länge von 13O mm und enthält 260 Einzelelemente, wobei jedes einzelne Element einer der Wandler 4O der Fig. 1 ist. Die Sendefrequenz der akustischen Energie beträgt 1,5 MHz mit einer Wellenlänge von 1 mm innerhalb des Patientenkörpers 24. Jeder Wandler kO hat eine Stirnfläche, die die Gestalt eines schmalen Rechtecks mit einer Länge von 13 mm und einer Breite von 1/2 mm aufweist. Bei dem dargestellten Beispiel ist für das Auffangen der akustischen Energie eine Gruppe von 6O Elementen als aktiver Bereich dargestellt, durch den die Fresnel'sehen Muster gebildet werden.

In der Fig. 3 ist die Gruppe von Elementen der Anordnung 22, die für das Empfangen der akustischen Energie benutzt werden , mit einer Klammer umfaßt, welche mit dem Buchstaben R gekennzeichnet ist, während eine kleinere Gruppe von Elementen, die für das Aus·* senden akustischer Energie benutzt wird, mit einer mit dem Buchstaben T gekennzeichneten Klammer umfaßt ist. Die Indices 1 und 2 bei dan Buchstaben R und T kennzeichnen die aufeinanderfolgenden Stellungen der Gruppen aktiver Elemente, wobei der Index N die letzte Position der Empfangergruppen am Ende einer Abtastung entlang des Patientenkörpers 2k kennzeichnet. Die Gerade 42 zeigt das lineare schrittweise Weiterschalten der Gruppen aktiver Elemente nach jedem Abtasten einer Gruppe von Stellen innerhalb des Patientenkörpers 24 auf einer Linie normal zur Mitte der Gruppen der aktiven Elemente. In der Fig. 3 ist die Linie 42 eine Gerade, doch versteht es sich, daß die wirkliche Stellung der Mitten der Gruppen aktiver Elemente schrittweise verschoben wird, wobei je-

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<icr Schritt die Breite eines Wandlers hO oder zweier oder mehrerer Wandler haben kann.

In der Fig. k gibt die erste Darstellung ein Fresnel'sches
Muster wieder, das für eine Elementengruppe der Anordnung 22
gebildet wurde, welches die aktive Gruppe der empfangenen Elemente enthält. Bedenkt man, daß gemäß Fig. 2 sechzig Wandler als aktive Elemente dienen, dann umfaßt das Fresnel'sehe Muster bei der ersten Darstellungszeile der Fig. 4 diese sechzig Elemente. Gleiches gilt für die Darstellung in der zweiten und in der dritten Zeile der Fig. k, bei denen die Rechteckwellenannäherung an das Fresnel'sehe Muster wiedergegeben ist. Aus der dritten Zeile der Figur ist zu erkennen, daß die einzelnen Wandlersignale mit den Faktoren O, +1 oder -1 multipliziert sind.
Diese Darstellung läßt auch erkennen, daß eine relativ große
Anzahl von Wandlerelementen so angesteuert wird, daß die Signale im Mittelbereich phasengleich sind. Nahe den Rändern werden dann die Zahlen der in den einzelnen schmalen Bändern der Fresnel ' sehen Funktion zusammengefaßten Wandler relativ schmal, so daß in dem jeweils äußersten gezeigten Band nur ein einziges
Wandlerelement dargestellt ist. Die in der dritten Zeile der
Figur angedeuteten Multiplikationsfaktoren erzeugen das Strahlungsmuster des aktiven Bereichs, wie es in der vierten Darstellungszeile dieser Figur aufgezeigt ist, aus der zwei überlagerte Strahlungsmuster zu erkennen sind. Eines dieser einander überlagerten Strahlungsmuster konvergiert auf einen realen Brennpunkt hin, der vor der Anordnung 22 der Fig. 1 liegt, während das zweite der überlagerten Strahlungsmuster von einem
virtuellen Brennpunkt aus divergiert, der sich hinter der Anordnung 22 befindet. Angesichts der Tatsache, daß das Kosinus-Fresnel-Muster eine gerade Funktion bezüglich des Abstands entlang der Vorderfläche der Anordnung 22 ist, während die Sinus-Fr esnel-Funk ti on eine ungerade Funktion bezüglich des Abstands entlang der Frontfläche ist, führt eine Kombination dieser beiden Muster dazu, daß das divergierende Muster aufgehoben wird, so daß für die Signalauswertung zur Erstellung von Abbildungen

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der Plätze innerhalb des Patientenkörpers 24 nur das konvergierende Strahlungsmuster zur Auswirkung kommt.

Die beiden Darstellungen der Fig. 5 zeigen Strahlungsmuster nach der Kombination der Signale der Wandler der Anordnung, wobei die erste Darstellung lediglich ein einziges Fresnel-Muster erfaßt, während die zweite Darstellung die Kombination aus Kosinus- und Sinus-Fresnel-Mustern berücksichtigt. In horizontaler Richtung ist dabei der Winkel bezüglich der Normalen auf der Frontfläche der Anordnung ,aufgetragen. Dieser Winkel ist in der Fig. 4 bereits eingezeichnet. Die erste Darstellung der Fig. 5 erfaßt die bisher geübte Praxis, woraus erkennbar ist, daß erhebliche Hintergrundsignale in den Flanken 44 der Strahlungsmuster enthalten sind. Die Flanken 46 bei der zweiten Darstellung der Fig. 5 zeigen erheblich verminderten Energieinhalt, was anzeigt, daß die Signalverarbeitung bei Einsatz eines Fr esnel-Musterpaares mit erheblich verringerten Hintergrundsignalen um die gewünschten Signale herum, aus denen ein Abbild des Patientenkörpers 24 zusammengesetzt werden soll, durchgeführt werden kann. Es sei auch bemerkt, daß bei der bereits erwähnten Verwendung des Fresnel'sehen Musters in der Nuklearmedizin die Bilderzeugung nicht auf der Beugung oder Brechung von Gammastrahlen beruht, während im vorliegenden Fall bei akustischer Bilderzeugung Brechung oder Beugung und Interferenzerscheinungen der akustischen Wellen zu berücksichtigen sind und damit die Fokussierung des Strahlungsmusters auf einen Brennpunkt analog der Fresnel'sehen Fokussierung in der Optik erfolgt.

In der Fig. 6 sind der Sender 30, der Empfänger 32 und die Verstärkereinrichtung 26 aus der Fig. 1 mehr im einzelnen dargestellt. Der Sender 30 enthält einen Modulator 48, eine Taktsteuerung 50, einen Verstärker 52 und einen Signalteiler 5^· Der Empfänger 32 ist mit einer Wiedergabeeinrichtung 56 für die Darstellung des Bildes vom Patientenkörper 24 und einem Signalgenerator 58 ausgestattet, welcher auf der Leitung 60 das Trägersignal für das von der Anordnung 22 ausgesendete Signal sowie

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ein Paar von Bezugssignalen auf den Leitungen 62 und 64 erzeugt, die, wie noch später im Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben -wird, bei der Behandlung der von der Anordnung 22 empfangenen Signale verwendet werden, um das Bild von dem Patienterikörper 24 zu erzeugen. Der Verstärkersystem 26 enthält eine Gruppe von Verstärkern 66, deren Eingänge mit dem Signalaufteiler 54 verbunden sind, während eine Gruppe von Sende-Empfangs-Schaltkreisen 70 zwischen die jeweiligen Ausgangsklemmen der Verstärker 66 und die Wandler 4O der Anordnung 22 geschaltet sind und eine Gruppe von Vorverstärkern 72 vorgesehen ist, von denen jeweils einer mit einer der Schaltungen 70 in Verbindung steht, um Signale, welche von den Fandlern 40 an den Schaltungen 70 ankommen, zu verstärken. Die Ausgänge der einzelnen Vorverstärker 72 sind über Leitungen 74, die durch das Kabel 3^ hindurchgeführt sind, an den Empfänger 32 geleitet.

Die Betriebsweisendes Senders 30 und des Empfängers 32 sind durch die Taktsignale vom Taktgeber 50 synchronisiert. Auf die Taktsignale des Taktgebers 50 hin liefert der Generator 58 das genannte Trägersignal über die Leitung 60 zum Modulator 48, und der Modulator 48 führt eine Amplitudenmodulation in Gestalt eines kurzen Impulses am Trägersignal durch. Die Impulsdauer beträgt dabei beispielsweise in der Größenordnung von 3 Mikrosec., was etwa der Dauer von vier Schwingungszyklen des Trägersignals entspricht. Der Verstärker 52 verstärkt das gepulste Signal vom Modulator 48, um den Signalaufteiler 54 zu speisen, was noch später in Verbindung mit der Fig. 9 erläutert wird. Die beiden Bezugssignale vom Signalgenerator 58 haben die doppelte Frequenz des Trägersignals, wobei das eine Bezugssignal eine Kosinus-Wellenform und das andere Bezugssignal eine Sinus-Wellenform aufweist. Der Signalaufteiler 5^ wählt eine Gruppe von Wandlern 40 aus, die der aussendenden Gruppe der Fig. 3 entspricht, und verteilt das gepulste Trägersignal vom Verstärker 52 über die durch die Leitung 68 angedeutete Leitungsverbindungsgruppe im Kabel 34 auf die zugehörigen Verstärker 66. Die Verstärker 06 geben den gepulsten Trägersignalen hinreichend Energie, um die

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Wandler 4O so stark zu erregen, daß der Patientenkörper 2k mit Schallenergie durchsetzt wird. Die Schaltung 70 überträgt das Sendesignal von den jeweiligen Verstärkern 60 auf die Wandler 4O, während sie das Signal nicht zu den Vorverstärkern 72 durchläßt. Die von den Wandlern kO empfangenen Signale dagegen werden von den Schaltungen 70 auf die Vorverstärker 72 und von diesen zum Empfänger 32 gelenkt.

Als nächstes wird die Fig. 7 betrachtet, die ein Detail-Blockschaltbild des Empfängers .32 darstellt. Die Leitung 7k des Kabels 3k führt in den Verstärker 32 hinein, der außerdem Taktsignale an seinem Eingang C vom Taktgeber 50 zugeführt erhält. Der Empfänger 32 enthält eine erste Gruppe von Multiplizierschaltungen 76, eine zweite Gruppe von Multiplizierschaltungen 77% Summierschaltungen 80 und 8l, Dämpfungsglieder 88 und 891 die mechanisch mit einem Stellknopf 9k über die angedeutete Verbindung 92 verbunden sind, eine Summierschaltung 96, ein Bandpaßfilter 98, eine Steuerung 100 und die Anzeige 56, sowie den Signalgenerator 58, die bereits in der Fig. 6 dargestellt waren. Die einzelnen Leitungen 102A bis C, die aus der vom Kabel kommenden Leitung 7k herausgezweigt sind, führen jeweils das Signal eines der Wandler 40 aus Fig. 6 und sind zu jeweils einem Paar von Multiplizierschaltungen 76 und 77 geleitet. So führt die Leitung 102A beispielsweise zu den Multiplizierschaltungen #1 und #2. Die Leitung 102B führt zu den Multiplizierschaltungen $3 und f=4. Die Gesamtzahl der Multiplizierschaltungen 76-77 ist M, wobei M doppelt so groß wie die Anzahl der Wandler k0 ist.

Die Gruppe von Multiplizierschaltungen' 76, die im vorliegenden Fall die ungeraden Zahlen tragen, führt die Multiplikation mit einer Gruppe von Faktoren durch, die dem Kosinus-Fresnel-Muster entsprechen, so daß gelegentlich in der späteren Beschreibung hierfür der Begriff Kosinuszweig gewählt ist. Die Gruppe von Multiplizierschaltungen 77 mit den geraden Zahlen führt eine Multiplikation mit einer Faktorgruppe durch, die dem Sinus-Fresnel-Muster entspricht und wird deshalb nachfolgend gelegentlich

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als Sinuszweig bezeichnet. Das Signal von jedem einzelnen Wandler wird folglich einer Multiplizierschaltung in jeder Gruppe zugeführt. Damit liefert jeder Wandler kO des aktiven Bereichs, der Strahlung empfängt, einen Anteil zur Erzeugung des Kosinus-Fresnel-Musters und des Sinus-Fresnel-Musters. Das Produkt der einzelnen Multiplizierschaltungen .76-77 tritt an der Klemme B auf. Die Eingänge zu den Summierschaltungen 8O-8I sind ebenfalls mit dem Kennzeichen B bezeichnet und haben darüber hinaus Ziffern, die den einzelnen Multiplizierschaltungen 76-77 entspre chen. Mit der Ausgangsklemme B der Multiplizierschaltung $1 ist somit die Eingangsklemme Bl der Summierschaltung 8O verbunden, während als weiteres Beispiel die Ausgangsklemme B der Multiplizierschaltung {£4 mit der Eingangsklemme Bk: der Summier schaltung 8l in Verbindung steht. Auf diese Weise sind die Produkte sämtlicher ungeradzahliger Multiplizierechaltungen 76 auf den Summierer 80 geführt und werden dort in einer Summe zusammengefaßt; gleiches geschieht mit den Produkten der geradzahligen Multiplizierschaltungen 77» die in der Summierschaltung 8l summiert

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werden.

Die Multiplizierschaltungen 76-77 führen Multiplikationen mit den Faktoren +1, -1 oder O aus, wie dies im Block #1 der Multiplizierschaltung angedeutet ist. Jede Multiplizierschaltung besteht aus einem Verstärker 1θ4 und einem Schalter IO6, wie dies andeutungsweise im Block der Multiplizierschaltung £2 dargestellt ist. Der Verstärker 104 erzeugt aus dem Signal an seinem Eingang ein positives und ein negatives Signal, und diese beiden Signale werden dann den Eingängen des Schalters IO6 zugeführt. Ein dritter Eingang zum Schalter IO6 liegt an Masse. Die Ausgangsklemme B der Multiplizierschaltungen 76-77 wird nun wahlweise durch den Schalter IO6 mit einer seiner Eingangsklemmen verbunden, wodurch das am Ausgang B erscheinende Produkt eines der genannten Multiplikationsfaktoren enthält. Der Schalter IO6 wird in den Multiplizierschaltungen 76-77 durch ein Signal, etwa ein 2-bit-Digitalsignal, an dem Sehaltereingang A gesteuert. -Die Signale, die auf den Eingang A kommen, werden von der Steuer-

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schaltung 100 erzeugt, die eine Gruppe von Ausgangsklemmen aufweist, -welche die Kennzeichnung A tragen und die darüber hinaus mit den Indexziffern 1-M gekennzeichnet sind, um die jeweilige Multiplizierschaltung 76-77 anzudeuten, der das Schaltsteuersignal zugeführt wird. Die Steuerschaltung 100 ist kurz in der Fig. 7 und genauer in der Fig. 8 dargestellt. Tn der Fig. 7 ist ein Speicher 108, ein Adressengenerator 110 und ein Bereichszähler 112 gezeigt. Entsprechend der Entfernung oder Tiefe der Stelle innerhalb des Patientenkörpers 24 zählt der Zähler 112 nach Maßgabe dieser Tiefe der Stelle und adressiert der Generator 110 den Speicher 108, um eine Gruppe von Multiplikationsfaktoren für ein Fresnel'sches Muster hervorzubringen, das auf diese Stelle fokussiert ist.

Die Summe, die die Summierschaltung 80 hervorbringt, wird in demMischer 84 durch den kosinusförmigen Bezug des Generators 58 multipliziert, und der Mischer erzeugt die Differenz zwischen der Bezugsfrequenz und der ausgesendeten Frequenz im Ausgangsprodukt. Der Mischer 85 arbeitet in derselben Weise wie der Mischer 84 und bringt das Produkt aus der Summe der Summierschaltung 8l und dem Sinus-Bezugssignal hervor. Wie bereits an früherer Stelle in Verbindung mit Fig. 6 erwähnt, haben das kosinnsförmige Bezugssignal auf der Leitung 62 und das sinusförmige Bezugssignal auf der Leitung 64 die doppelte Frequenz wie das Trägersignal für das ausgesendete Signal. Die Amplituden der Produkte aus den Mischern 84 und 85 werden durch die Dämpfungsglieder 88 und 89 gleich gemacht. Die Dämpfungsglieder lassen sich durch den Stellknopf 9^ einstellen, so daß die Dämpfung des Produktes vom Mischer 84 gegenüber dem aus dem Mischer 85 verändert werden kann, womit die gewünschte Übereinstimmung erzielt wird. Danach werden die gedämpften Signale von den Dämpfungsgliedern 88-89 durch die "Summierschaltung 96 zusammengefügt und über das Filter 98 der Anzeigevorrichtung 56 eingegeben. Das Filter 98 besitzt ein Durchlaßband, das ausreichend breit ist, um das Summensignal der Summierschaltung 96 hindurchzulassen, während Harmonische dieses Signals, die in den Mischern 84-85

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entstehen, abgedämpft werden. Eine Darstellung innerhalb d"s das Filter 98 andeutenden Blocks zeigt beispielsweise, daß die Filtersperrfrequenzen bei 1/2 und 3/2 der übertragenen Frequenz liegen. Das vom Filter 98 abgegebene Signal enthält das Bild einer Stelle im Patientenkörper 24, das durch das konvergierende Strahlungsmuster der Fig. 4 erzeugt wird, während die divergierende Strahlung in der Summierschaltung 96 weggehoben wurde. Der Entfernungszähler 112 ist mit der Anzeige 56 verbunden, um die Wiedergabe eines Bildes von Stellen im Körper durch das Filter 98 als Funktion dieser durch den Zähler 112 bestimmten Entfernung oder Tiefe zu erhalten.

In der Fig. 8 ist die Steuereinrichtung 100 gezeigt, die den Speicher IO8, den Adressengenerator 110 und den Entfernungs-

li.cn

zähler 112 enthalt, wie dies aus Fig. 7 bereits ersieht- ist. Darüber hinaus weist die Steuereinheit 100 eine Schaltmatrix 114, einen Zähler Il6_t Pufferspeicherregister Il8-H9₅ einen Schalter 122 und einen Digitalumsetzer 124 auf. Die Schaltmatrix Il4 enthält eine Gruppe von Schaltern 126 und eine weitere Gruppe von Schaltern 128. Wie bereits in Verbindung mit Fig. 7 gesagt, speichert der Speicher 108 eine Gruppe von Faktoren, welche graphisch in einer diagrammartigen Darstellung des Speichers in Fig. 8 dargestellt ist, in der die einzelnen Spalten der Tiefe der Stellen in Y-Richtung dem Koordinatensystem 36 in Fig. 1 entsprechen. So entspricht beispielsweise eine Reihe der Tiefe Y = 20 mm, die nächste einer Tiefe Y = 40 mm usw. in Stufen von jeweils 20 mm bis zu einer Tiefe Y = I60 mm. Jede der Reihen speichert die Faktoren sowohl für das Kosinus-Fresnel-Master als auch das Sinus-Fresnel-Muster, wie dies der ungeradzahligen Multiplizierschaltung 76 und der geradzahligen Multiplizierschaltung 77 der Fig. 7 entspricht. Eine Adresse zum Adressieren der einzelnen Zellen des Speichers 108 wirdTöm Generator 110 über die Leitung 130 zugeführt. Die gespeichertem Daten im Speicher IO8 werden auf der Leitung 132 je nach Adresse der Leitung 13O ausgelesen und dann über den Schalter 122 dem Register II8 und dem Register 119 zugeführt. Fig. 2 zeigt, daß die Zahl der-aktiven.

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Elemente im Bereich der Anordnung 22, welche zur Bildung der Fresnel'sehen Fokussierung benutzt werden, durch die Zahl K bestimmt ist. Bei dem in Verbindung mit den Fig. 2 und k. beschriebenen Beispiel ist K zu 6O angenommen. Somit sind im Speicher 108 nicht Faktorenpaare für alle 260 Elemente der Anordnung 22 der Fig. 2 gespeichert, sondern nur Faktorenpaare für jeweils 6O Elemente des aktiven Bereichs. Diese insgesamt 120 Faktoren genügen für jeden einzelnen Wert von Y. Somit hat jeder Speicher 108 in Fig. 8 120 Speicherzellen, um die 6O Faktoren für das Kosinus-Fresnel-Muster und die 60 Faktoren für das Sinus-Fresnel- Muster zu speichern. Die benötigten Faktoren werden der Reihe nach auf der Leitung 132 nacheinander ausgelesen, in den Multiplizierschaltungen 76-77 der Figur jedoch gleichzeitig benutzt. Die Register II8-II9 führen dazu eine Pufferspeicherung dieser Faktoren aus, um die serielle Auslesung auf der Leitung 132 und die gleichzeitige Ausführung der Modifikation durch Signale an den Klemmen Al bis AM zu ermöglichen.

Die Zuführung der Faktoren von der Leitung 132 an die Anschlüsse A der Steuereinheit 100 wird folgendermaßen durchgeführt. Die Schalter 128 wählen die in den Registern II8-II9 gespeicherten Daten aus. Die Schalter 128 sind jeweils mit demselben Register ll8~H9 verbunden. Somit ist ein Schalter 128 gemäß Darstellung der Fig. 8 zunächst mit dem Register II8 in Verbindung, während' der Schalter 122 in dieser Zeit Signale in das Register 119 einleitet. Auf diese Weise werden Signale aus dem Register II8 parallel über die K-Ausgangsleitungen zu den zugehörigen Schaltern 128 ausgelesen, während das Register 119 mit neuen Datenwerten aus den im Speicher I08 gespeicherten Daten angefüllt wird. Die Ausgangssignale der Schalter 128, die auf den Leitungen $1, $2 und (K auftreten, werden zugeordneten Schaltern 126 zugeführt. Jeder dieser Schalter hat die Gestalt eines Vielselektorschalters oder Multiplexers und ist mit einer Gruppe von Ausgangsklemmen ausgestattet, die in ihrer Zahl der Anzahl Anschlußklemmen A entsprechen. Dadurch gibt auf ein Digitalsignal vom Zähler II6 hin jeder Schalter 126 das Signal von seinen Eingangsklemmen zu einer

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der Ausgänge Al bis AM.

Die Funktionsweise der Schalter 126 kann an einem Beispiel i.->ch weiter erklärt werden. Auf die Taktimpulse hin, die die Zeitsteuerschaltung 50 an der Klemme C bereitstellt, zählt der Zähler H6 der Reihe nach Entfernungs- oder Tiefenabtastungen von einer Gruppe von Stellen oder Plätzen innerhalb des Patientenkörpers 24, wie etwa die drei verschiedenen Tiefen in Fig. 1. Nach Beendigung der Abtastungen in den einzelnen Tiefenregionen wird ein Taktimpuls der Eingangsklemme des Zählers Il6 zugeführt, woraufhin der Zählwert des Zählers um eins zunimmt, was der nächsten Stellung auf der X-Achse in Fig. 1 für die nächste Tiefenabtastung entlang der Y-Achse in Fig. 1 entspricht. Das Verbinden der Schalter 126 mit den Anschlüssen Al-A-M wird in einer Art vorgenommen, bei der in Abhängigkeit von einem Digitalsignal, das einem Zählwert von eins des Zählers Il6 entspricht, der erste der Schalter 126 das Signal von der Leitung |}1 zur Anschlußklemme Al durchverbindet, der zweite Schalter 126 das Signal von der Leitung #2 zur Klemme A2 verbindet usw. bis zum K-ten Schalter 126. Auf diese Weise wird vom Zähler Il6 in Verbindung mit den Schaltern 126 die schrittweise Seitwärtsverschiebung der Bereichsabtastung in Y-Richtung durchgeführt, womit ein Abbild des Patientenkörpers 24 in Form einer in der Ebene der Y-Achse stehenden Scheibe erzeugt werden kann.

Der Entfernungszähler 112, der auf die Taktimpulse vom Zeitgeber 50 an seiner Eingangsklemme C anspricht, zählt einzelne Schritte oder Stufen der Entfernung oder Tiefe entlang der Y-Achse der Fig. 1. Das Bit der kleinsten Stelle bewirkt, daß die Schalter 128 und der Schalter 122 zwischen den Registern 118 und 119 umschalten. Der logische Zustand des Bits der kleinsten Stelle ändert sich in seinem Zustand bei jeder Tiefenstufe, und diese Zust ands änderung en betätigen die Schalter 128, um das bereits erwähnte Umschalten zwischen den Registern 118-119 zu erwirken. Das Bit der kleinsten Stelle vom Entfernungszähler 112 wird über den Inverter 124 dem Schalter 122 zugeführt, wobei der Inverter

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124 den logischen Zustand umkehrt, so daß der Schalter 122 zum Register 119 hingeschaltet wird, während die Schalter 128 dann zum Register 118 überschalten. Das Takten der Daten durch die Register 118-119 wird durch Taktimpulssignale von der Zeitsteuerung 50 her bewirkt, die von der Klemme C zugeleitet werden.

Die nächste Betrachtung gilt der Fig. 9i welche den Signalaufteiler 54 der Fig. 6 zum Inhalt hat, der eine Gruppe von Schaltern 136 enthält, die mit den jeweiligen Wandlern 40 verbunden sind, während ein Adressengenerator I38 über Leitungen l4O mit den einzelnen Schaltern I36 in Verbindung steht. Der Generator 138 adressiert auf die Taktimpulssignale von der Zeitsteuerung 50 hin die einzelnen Schalter über die Leitungen l4O und gibt so das Signal vom Verstärker 52 auf die einzelnen Wandler 4O. Eine Gruppe von vier Schaltern wird adressiert, um bei dem Beispiel der Fig. 9 eine Gruppe von vier Wandlern 4O (wie auch in Fig. dargestellt) zu erregen und damit einen Schallenergiestrahl auszusenden. Gruppen von Schaltern I36 werden der Reihe nach entsprechend der seitlichen stufenweisen Verschiebung der Erregung der Wandlergruppen 4O nacheinander adressiert, womit eine Abtastung durch den Strahl entlang der X-Koordinate des Koordinatensystems 36 der Fig. 1 erfolgt.

Mathematische Beschreibung

Das voranstehend beschriebene System kann außerdem folgendermaßen mathematisch beschrieben werden. Das von einem der Wandler empfangene Signal s(t,x) ist bestimmt durch

s(t,x) = A(X-)-cos(cdt +M_x) Cl)

darin bedeuten χ die Strecke entlang der Anordnung, t die Zeit,

0 einen Phasenwinkel abhängig von der X-Koordinate, (J die Winkel frequenz, A(x) die Amplitude abhängig von der X-Koordinate. j

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Dor Ausdruck des Signal s (t,x), das den Kosinuszveig der Fig. durchläuft und am Ausgang des Mischers 84 auftritt, lautet unter der Annahme, daß das reine Fresnel-Muster gemäß der ersten graphischen Darstellung der Fig. k und nicht die Rechteckwellenannäherung in der zweiten Graphik der Fig. k auftritt :

s (t,x) = K Α(χ) cos (ωΐ + Φ_χ) cos(ßx ) cos(2üjt) (2)

Nach dem Ausscheiden des höherfrequenten Terms mit der Kreisfrequenz (3 Oi ), da diese Komponente durch die elektrische Schaltungsanordnung ausgefiltert wird, verbleibt als Grundfrequenzkomponente s . (t,x) der folgende Ausdruck

C D

s_db (t,x) = (K_c/2)ACx) cos (tut - έ_χ) cosfßx²)

= (K /4)A(x) cos(a>t - 6 + ßx²) +

(K_c/4)A(x) οο5(ωΐ - φ_χ - βχ²) (3)

worin K ein Amplxtudenmaßstabsfaktor und β eine Konstante im Fresnel'sehen Ausdruck ist. Die entsprechenden Signale im Sinuszweig s (t,x) und s , (t,x), die am Ausgang des Mischers 85 auf-

S SO

treten, sind durch folgende Gleichungen gegeben

s (t,x) = K A(x) cos (tut + φ ) sin(ßx²) sin(2üjt) (4)

2 sin(o)t - ri ) sin(gx )

= (K_s/4)A(x) cos(mt -

(K_s/4)A(x) cosCut'- φ_χ + ßx²) (5)

worin K ein Amplitudenmaßstabsfaktor ist. s

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Nach Ab s ti mining der Dänrpfungsglieder 88 und 89 für ein Gleichmachen der Amplituden K A(x) und K A(x) der Signale des Kosinus

C S

und des Sinuszweiges, ist die Summe der Signale des Kosinus- und des Sinuszweiges ν (t,x), die am Ausgang der Summierschaltung 96 auftritt, gegeben durch die Summe der Gleichungen (3) und (5)» nämlich

Die Gleichung (6) enthält nur einen Ausdruck mit /3 χ , während gesonderte Ausdrücke in /?x in den beiden Gleichungen (3) und

(5) auftreten. Es sind diese gesonderten Ausdrücke, die bei den bisher üblichen Verfahren den unerwünschten, divergierenden Strahl hervorrufen. Wenn β so abgestimmt ist, daß 0 = -β χ ist, dann sind die Wandler auf eine Welle fokussiert, deren Kurvenverlauf oder Krümmung um den gewünschten Brennpunkt herum liegt. Die oben genannte Analyse beschreibt den Vorgang der Einrichtung als Empfänger; für den Senderbetrieb (in den Figuren nicht besonders dargestellt) gilt die gleiche mathematische Analyse.

Das beschriebene System kann mit dynamischer Fokussierung betrieben werden, das heißt, die Brennweite der Wandleranordnung kann geändert werden in Abhängigkeit von der Zeit, womit eine Art Wanderung der Punkte erzielt wird, von denen Echos aufgefangen werden. Dies läßt sich durch Verändern der Schalter IO6 in Fig. 7 zeitabhängig erreichen, so daß der quadratische Aus-

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druck ^x mit dem Kurvenverlauf der Echos zusammenpaßt.

Die vorstehende Beschreibung betrifft also ein Abbildungssystem, das insbesondere in der Schalldiagnosetechnik der Humanmedizin einsetzbar ist und eine Anordnung von akustischen Strahlerelementen oder Wandlern aufweist, die nebeneinander angeordnet sind und an den Patienten herangeführt werden. Von den Wandlern aufgefangene Signale werden einem Paar mustererzeugender Schal-, tungen zugeführt, die die einzelnen Signale mit den Faktoren +1, -1 oder O bewerten oder gewichten. Darstellungen der Be-

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ivei'tungsfaktoren in Abhängigkeit vom Ort des Wandlers haben Ähnlichkeit mit Kosinus- und Sinus-Fresnel-Mustern, die von den beiden Schaltungen hervorgebracht werden. Die gewichteten oder bewerteten Signale jedes Musters werden summiert und ergeben ein Strahlungsmuster, das von der Strahleranordnung bis zu einem Brennpunkt vor der Anordnung zusammenläuft, während ein divergierendes Muster von einem virtuellen Brennpunkt hinter der Anordnung ausgeschlossen wird«

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Claims

Patentansprüche

(lV Bilderzeugungssystem mit einer Anordnung von Strahler- bzw. Wandlereleinenten, die so auf eine Person gerichtet -werden, daß sie von Stellen innerhalb der Person ausgehende Strahlungsenergie aufnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine zweite Schaltungsanordnung (76, 77) mit jedem der Wandlerelemente (kO) verbunden sind, um die Polatität der aus der Strahlungsenergie gewonnenen Signale auszuwählen, daß Einrichtungen mit den Polaritätsauswahlmittein verbunden sind, um diese in Abstimmung zu der örtlichen Lage der Wandlerelemente (4θ) in der Anordnung (28) zu betätigen, so daß Muster der Polarität geschaffen werden, wobei die erste Auswahlvorrichtung ein Kosinus-Fresnel-Muster der Polatität und die zweite Auswahlvorrichtung ein Sinus-Fresnel-Muster der Polarität hervorbringt, daß eine erste und eine zweite Einrichtung zum Summieren der durch die Auswahlvorrichtungen gekoppelten Signale vorhanden sind, daß Multipliziereinrichtungen mit den Suinmi er einrichtung en verbunden sind, die die jeweiligen Summen zur Bildung eines ersten und eines zweiten Produktes mit einem Kosinus- bzw» Sinus-Bezugssignal multiplizieren, daß Einrichtungen zum Abgleichen der Amplituden der von den Multipliziereinrichtungen abgegebenen Produkte aufeinander vorgesehen sind, und daß die abgeglichenen Produkte in einer dritten Summiereinrichtung sum Erzeugen eines Strahlungsmusters, das auf eine der Stellen, im Patienten fokussiert ist, summiert werden«
2. Bilderzeugungssystem mit einer Anordnung von Strahler- bzw. Wandlerelementen, gekennzeichnet durch erste Mittel zum Modulieren von Signalen, welche mit den Strahlerelementen (kO) gekoppelt sind, nach Art eines Kosinus-Fresnel-Musters, zweite . Mittel zum Modulieren, iron Signalen.,, welche, mit den Strahlerelementen (4O) gekoppelt sind, nach Art eines Sinus-Fresnel-Musters und durch mit den Modulationsmitteln verbundene Einrichtungen, die die in den Fresnel-Mustern modulierten Signale--

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kombinieren und eine Abbildung einer von der Anordnung der Strahlerelemente abgetasteten Person erzeugen.
3. Bilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsenergie akustische Energie ist.
4. Bilderzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß bei der Signalverarbeitung Signalanteile entsprechend einer von einem virtuellen Brennpunkt aus divergierenden Strahlenbündel ausgeschieden werden.

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