DE2900129C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Abbildungssystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1.

Vor einer Betrachtung von Abbildungssystemen der hier betrachteten Art im einzelnen seien folgende allgemeine Betrachtungen zum besseren Verständnis der Erfindung vorausgeschickt.

Wird eine von einem abzubildenden Objekt, beispielsweise einem Patienten ausgehende oder reflektierte Strahlung mittels einer Anordnung von strahlungsempfindlichen Wandlern detektiert, so ist es zweckmäßig, die Wandlerausgangssignale entsprechend einem Fresnel'schen Muster zu modulieren, um eine gewünschte Fokussierung für die bildliche Darstellung vorzunehmen.

Ein Fresnel'sches Maskieren oder Modulieren in diesem Sinne wurde sowohl bei elektromagnetischen als auch bei akustischen Abbildungssystemen eingesetzt. Für elektrische Abbildungs­ systeme findet sich eine Beschreibung in der US-Patentschrift 32 63 079, wobei dort die genannte Maßnahme dazu verwendet wird, ein Abbild der Sterne am Himmel zu erzeugen. Der Einsatz einer Fresnel-Modulation in der Nuklearmedizin, um ein Abbild einer radioaktiven Quelle zu erzeugen, ist in der US-Patent­ schrift 39 36 639 beschrieben.

Ein Abbildungssystem mit den Merkmalen des Oberbergriffes von Patentanspruch 1 ist aus der US-Patentschrift 39 11 730 be­ kannt. Hier wird die Speisung von Gruppen von Strahlungs­ detektoren oder Empfängerwandlern in der Anordnung eines Fresnel'schen Musters in wenigstens einer Dimension verwendet.

Die Modulation der Wandlerausgangssignale entsprechend einem Fres'nelschen Muster hat den Vorteil, daß eine Fokussierung der Empfangsstrahlung nach Art der Wirkung einer Linse vorge­ nommen werden kann.

Es tritt jedoch die Schwierigkeit bei den bisher verwendeten Systemen auf, daß die bekanntermaßen erzielte Fokussierung auf­ grund der Fresnel-Modulation nicht nur einem erwünschten Strahlengang in Richtung auf einen Brennpunkt in dem zu unter­ suchenden Objekt entspricht, sondern auch einem divergierenden Strahlengang auf ein virtuelles Bild des zu untersuchenden Objektes hin.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Ab­ bildungssystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patent­ anspruch 1 so auszugestalten, daß bei der Fresnel-Fokussierung Signalanteile der Wandlerausgangssignale entsprechend einem virtuellen Bild des abzubildenden Objektes vermieden werden.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale erzielt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Abbildungssystems der vorlie­ gend angegebenen Art sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 3.

Die Figuren der Zeichnung zeigen Einzelheiten und Schemadar­ stellungen zur Erläuterung des vorliegenden Abbildungssystems . Im einzelnen stellen dar:

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

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

Fig. 3 eine Seitenansicht der Wandleranordnung 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 Be­ reiche während des Abtastens eines Rechteckscheibenausschnitts aus dem Patienten angibt;

Fig. 4 eine Graphik von vier zueinander ausge­ richteten Darstellungen, deren erste eine Fresnel'sche Funktion mit dem horizontalen Abstand entlang der Wandleranordnung der Fig. 1 zeigt, die zweite eine Rechteckwellenannäherung an die Fresnel-Funktion wiedergibt, die dritte die Multiplikation der Signale der einzelnen Wand­ ler des aktiven Bereichs der Anordnung zeigt, wobei die Polarität der Signale im Anschluß an die Multiplikation dem Muster der Rechteck­ wellenannäherung der zweiten Darstellung folgt, und die vierte das sich ergebende, konvergierende 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 Wand­ leroberfläche entsprechend den Winkelbezeich­ nungen in der vierten Graphik der Fig. 4, wo­ bei die zweite Darstellung der Fig. 5 die Ab­ nahme der Hintergrundstörung erkennen läßt, wenn die Signale des divergierenden Strahls ausgeschaltet sind;

Fig. 6 ein Blockschaltbild, das die Verbindungen zwi­ schen der Wandleranordnung einerseits und Sen­ der und Empfänger der Fig. 1 andererseits wie­ dergibt;

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

Fig. 8 ein Blockschaltbild der Steuerung des Multi­ plikationsfaktors einschließlich eines Speichers, der den Multiplikationsfaktor für die Gruppe der aktiven Wandler speichert, und einer Schalt­ matrix zum Umadressieren der Faktoren, wenn die Gruppe der aktiven Wandler während des Abtast­ vorgangs 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 32 und eine den Sender 30 und den Empfänger 32 mit der Baugruppe 28 verbindendes, flexibles Kabel 34. An der linken unteren Ecke der Baugruppe 28 ist ein Koordinatensystem 36 mit X- und Y-Achse auf der Oberfläche des Patientenkörpers 24 dargestellt, das dazu dient, die zu untersuchenden Stellen innerhalb des Patienten­ körpers 24 festzulegen, wobei die X-Achse die horizontale Stel­ lung auf der Berührungsfläche zwischen Baugruppe 28 und Patienten­ körper 24 kennzeichnet, während der Wert der Y-Achse in die Tiefe des Patientenkörpers 24 mißt und somit der Y-Wert den Ab­ stand von der Oberfläche der Wandleranordnung 22 angibt. Es sind ferner akustische Strahlungsbahnen 38 eingezeichnet, die von Stellen innerhalb des Patientenkörpers 24 ausgehen und den Verlauf von Echosignalen von diesen Körperstellen aus in Richtung auf die Wandler des aktiven Teils der Anordnung 22 darstellen.

Wie im folgenden deutlich wird, gibt der Sender 30 ein elektri­ sches Impulssignal über das Kabel 34 und das Verstärkersystem 36 an die Wandleranordnung 22 ab, wobei ausgewählte Wandler 40 der Anordnung 22 durch das Impulssignal so erregt werden, daß sie akustische Impulssignale auf die Stellen im Patientenkörper 24 hin abgeben. Von diesen Stellen sich wieder ausbreitende Echo­ signale werden zur Anordnung 22 zurückgeworfen und über das Ver­ stärkersystem 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 130 mm und enthält 260 Einzelelemente, wobei jedes einzelne Element einer der Wand­ ler 40 der Fig. 1 ist. Die Sendefrequenz der akustischen Energie beträgt 1,5 MHz mit einer Wellenlänge von 1 mm innerhalb des Pa­ tientenkörpers 24. Jeder Wandler 40 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 60 Elementen als aktiver Bereich dargestellt, durch den die Fresnel'schen 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 Buch­ staben T gekennzeichneten Klammer umfaßt ist. Die Indices 1 und 2 bei den Buchstaben R und T kennzeichnen die aufeinanderfolgenden Stellungen der Gruppen aktiver Elemente, wobei der Index N die letzte Position der Empfängergruppen am Ende einer Abtastung entlang des Patientenkörpers 24 kennzeichnet. Die Gerade 42 zeigt das lineare schrittweise Weiterschalten der Gruppen aktiver Elemen­ te 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 der Schritt die Breite eines Wandlers 40 oder zweier oder meh­ rerer Wandler haben kann.

In der Fig. 4 gibt die erste Darstellung ein Fresnel'sches Muster wieder, das für eine Elementengruppe der Anordnung 22 gebildet wurde, welches die aktive Gruppe der empfangenen Ele­ mente enthält. Bedenkt man, daß gemäß Fig. 2 sechzig Wandler 40 als aktive Elemente dienen, dann umfaßt das Fresnel'sche Muster bei der ersten Darstellungszeile der Fig. 4 diese sechzig Ele­ mente. Gleiches gilt für die Darstellung in der zweiten und in der dritten Zeile der Fig. 4, bei denen die Rechteckwellen­ annäherung an das Fresnel'sche Muster wiedergegeben ist. Aus der dritten Zeile der Figur ist zu erkennen, daß die einzelnen Wand­ lersignale mit den Faktoren 0, +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 Fres­ nel'schen 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 Strah­ lungsmuster des aktiven Bereichs, wie es in der vierten Dar­ stellungszeile dieser Figur aufgezeigt ist, aus der zwei über­ lagerte Strahlungsmuster zu erkennen sind. Eines dieser einan­ der überlagerten Strahlungsmuster konvergiert auf einen realen Brennpunkt hin, der vor der Anordnung 22 der Fig. 1 liegt, wäh­ rend das zweite der überlagerten Strahlungsmuster von einem virtuellen Brennpunkt aus divergiert, der sich hinter der An­ ordnung 22 befindet. Angesichts der Tatsache, daß das Kosinus- Fresnel-Muster eine gerade Funktion bezüglich des Abstands ent­ lang der Vorderfläche der Anordnung 22 ist, während die Sinus- Fresnel-Funktion eine ungerade Funktion bezüglich des Abstandes entlang der Frontfläche ist, führt eine Kombination dieser bei­ den Muster dazu, daß das divergierende Muster aufgehoben wird, so daß für die Signalauswertung zur Erstellung von Abbildungen der Plätze innerhalb des Patientenkörpers 24 nur das konvergie­ rende 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 er­ faßt, während die zweite Darstellung die Kombination aus Kosi­ nus- 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 Strah­ lungsmuster enthalten sind. Die Flanken 46 bei der zweiten Dar­ stellung der Fig. 5 zeigen erheblich verminderten Energieinhalt, was anzeigt, daß die Signalverarbeitung bei Einsatz eines Fres­ nel-Musterpaares mit erheblich verringerten Hintergrundsignalen um die gewünschten Signale herum, aus denen ein Abbild des Pa­ tientenkörpers 24 zusammengesetzt werden soll, durchgeführt wer­ den kann. Es sei auch bemerkt, daß bei der bereits erwähnten Ver­ wendung des Fresnel'schen Musters in der Nuklearmedizin die Bild­ erzeugung nicht auf der Beugung oder Brechung von Gammastrahlen beruht, während im vorliegenden Fall bei akustischer Bilderzeu­ gung Brechung oder Beugung und Interferenzerscheinungen der akustischen Wellen zu berücksichtigen sind und damit die Fokussierung des Strahlungsmusters auf einen Brennpunkt analog der Fresnel'schen Fokussierung in der Optik erfolgt.

In der Fig. 6 sind der Sender 30, der Empfänger 32 und die Ver­ stärkereinrichtung 26 aus der Fig. 1 mehr im einzelnen darge­ stellt. Der Sender 30 enthält einen Modulator 48, eine Takt­ steuerung 50, einen Verstärker 52 und einen Signalteiler 54. Der Empfänger 32 ist mit einer Wiedergabeeinrichtung 56 für die Darstellung des Bildes vom Patientenkörper 24 und einem Signal­ generator 58 ausgestattet, welcher auf der Leitung 60 das Trä­ gersignal für das von der Anordnung 22 ausgesendete Signal sowie ein Paar von Bezugssignalen auf den Leitungen 62 und 64 er­ zeugt, die, wie noch später im Zusammenhang mit Fig. 8 beschrie­ ben wird, bei der Behandlung der von der Anordnung 22 empfange­ nen Signale verwendet werden, um das Bild von dem Patientenkör­ per 24 zu erzeugen. Das Verstärkersystem 26 enthält eine Gruppe von Verstärkern 66, deren Eingänge mit dem Signalaufteiler 54 verbunden sind, während eine Gruppe von Sende-Empfangs-Schalt­ kreisen 70 zwischen die jeweiligen Ausgangsklemmen der Verstär­ ker 66 und die Wandler 40 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 Wandlern 40 an den Schal­ tungen 70 ankommen, zu verstärken. Die Ausgänge der einzelnen Vorverstärker 72 sind über Leitungen 74, die durch das Kabel 34 hindurchgeführt sind, an den Empfänger 32 geleitet.

Die Betriebsweise des Senders 30 und des Empfängers 32 sind durch die Taktsignale vom Taktgeber 50 synchronisiert. Auf die Takt­ signale des Taktgebers 50 hin liefert der Generator 58 das ge­ nannte 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 be­ trägt 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 54 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 66 geben den gepulsten Trägersignalen hinreichend Energie, um die Wandler 40 so stark zu erregen, daß der Patientenkörper 24 mit Schallenergie durchsetzt wird. Die Schaltung 70 überträgt das Sendesignal von den jeweiligen Verstärkern 60 auf die Wandler 40, während sie das Signal nicht zu den Vorverstärkern 72 durchläßt. Die von den Wandlern 40 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-Block­ schaltbild des Empfängers 32 darstellt. Die Leitung 74 des Ka­ bels 34 führt in den Verstärker 32 hinein, der außerdem Takt­ signale an seinem Eingang C vom Taktgeber 50 zugeführt erhält. Der Empfänger 32 enthält eine erste Gruppe von Multiplizierschal­ tungen 76, eine zweite Gruppe von Multiplizierschaltungen 77, Summierschaltungen 80 und 81, Dämpfungsglieder 88 und 89, die mechanisch mit einem Stellknopf 94 über die angedeutete Verbin­ dung 92 verbunden sind, eine Summierschaltung 96, ein Bandpaß­ filter 98, eine Steuerung 100 und die Anzeige 56, sowie den Si­ gnalgenerator 58, die bereits in der Fig. 6 dargestellt waren. Die einzelnen Leitungen 102 A bis C, die aus der vom Kabel kom­ menden Leitung 74 herausgezweigt sind, führen jeweils das Si­ gnal eines der Wandler 40 aus Fig. 6 und sind zu jeweils einem Paar von Multiplizierschaltungen 76 und 77 geleitet. So führt die Leitung 102 A beispielsweise zu den Multiplizierschaltungen # 1 und # 2. Die Leitung 102 B führt zu den Multiplizierschaltungen # 3 und # 4. Die Gesamtzahl der Multiplizierschaltungen 76-77 ist M, wobei M doppelt so groß wie die Anzahl der Wandler 40 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-Fres­ nel-Muster entspricht und wird deshalb nachfolgend gelegentlich als Sinuszweig bezeichnet. Das Signal von jedem einzelnen Wand­ ler wird folglich einer Multiplizierschaltung in jeder Grupe zugeführt. Damit liefert jeder Wandler 40 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 80-81 sind ebenfalls mit dem Kennzeichen B bezeichnet und haben darüber hinaus Zif­ fern, die den einzelnen Multiplizierschaltungen 76-77 entspre­ chen. Mit der Ausgangsklemme B der Multiplizierschaltung # 1 ist somit die Eingangsklemme B 1 der Summierschaltung 80 verbunden, während als weiteres Beispiel die Ausgangsklemme B der Multipli­ zierschaltung # 4 mit der Eingangsklemme B 4 der Summierschaltung 81 in Verbindung steht. Auf diese Weise sind die Produkte sämt­ licher ungeradzahliger Multiplizierschaltungen 76 auf den Sum­ mierer 80 geführt und werden dort in einer Summe zusammengefaßt; gleiches geschieht mit den Produkten der geradzahligen Multi­ plizierschaltungen 77, die in der Summierschaltung 81 summiert werden.

Die Multiplizierschaltungen 76-77 führen Multiplikationen mit den Faktoren +1, -1 oder 0 aus, wie dies im Block # 1 der Multi­ plizierschaltung angedeutet ist. Jede Multiplizierschaltung be­ steht aus einem Verstärker 104 und einem Schalter 106, wie dies andeutungsweise im Block der Multiplizierschaltung # 2 darge­ stellt ist. Der Verstärker 104 erzeugt aus dem Signal an seinem Eingang ein positives und ein negatives Signals, und diese beiden Signale werden dann den Eingängen des Schalters 106 zugeführt. Ein dritter Eingang zum Schalter 106 liegt an Masse. Die Aus­ gangsklemme B der Multiplizierschaltungen 76-77 wird nun wahl­ weise durch den Schalter 106 mit einer seiner Eingangsklemmen verbunden, wodurch das am Ausgang B erscheinende Produkt eines der genannten Multiplikationsfaktoren enthält. Der Schalter 106 wird in den Multiplizierschaltungen 76-77 durch ein Signal, etwa ein 2-bit-Digitalsignal, an dem Schaltereingang A gesteuert.

Die Signale, die auf den Eingang A kommen, werden von der Steuer­ schaltung 100 erzeugt, die eine Gruppe von Ausgangsklemmen auf­ weist, 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 Schaltsteuer­ signal zugeführt wird. Die Steuerschaltung 100 ist kurz in der Fig. 7 und genauer in der Fig. 8 dargestellt. In der Fig. 7 ist ein Speicher 108, ein Adressengenerator 110 und ein Bereichs­ zähler 112 gezeigt. Entsprechend der Erfindung oder Tiefe der Stelle innerhalb des Patientenkörpers 24 zählt der Zähler 112 nach Maßgabe dieser Tiefe der Stelle und adressiert der Genera­ tor 110 den Speicher 108, um eine Gruppe von Multiplikations­ faktoren für ein Fresnel'sches Muster hervorzubringen, das auf diese Stelle fokussiert ist.

Die Summe, die die Summierschaltung 80 hervorbringt, wird in dem Mischer 84 durch den kosinusförmigen Bezug des Generators 58 multipliziert, und der Mischer erzeugt die Differenz zwischen der Bezugsfrequenz und der ausgesendeten Frequenz im Ausgangs­ produkt. Der Mischer 85 arbeitet in derselben Weise wie der Mi­ scher 84 und bringt das Produkt aus der Summe der Summierschal­ tung 81 und dem Sinus-Bezugssignal hervor. Wie bereits an frühe­ rer Stelle in Verbindung mit Fig. 6 erwähnt, haben das kosinus­ förmige 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 Dämpfungs­ glieder 88 und 89 gleich gemacht. Die Dämpfungsglieder lassen sich durch den Stellknopf 94 einstellen, so daß die Dämpfung des Produktes vom Mischer 84 gegenüber dem aus dem Mischer 85 verändert werden kann, womit die gewünschte Übereinstimmung er­ zielt wird. Danach werden die gedämpften Signale von den Dämp­ fungsgliedern 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 entstehen, abgedämpft werden. Eine Darstellung innerhalb des das Filter 98 andeutenden Blocks zeigt beispielsweise, daß die Fil­ tersperrfrequenzen 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 divergie­ rende Strahlung in der Summierschaltung 96 weggeschoben 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 Entfer­ nung oder Tiefe zu erhalten.

In der Fig. 8 ist die Steuereinrichtung 100 gezeigt, die den Speicher 108, den Adressengenerator 110 und den Entfernungs­ zähler 112 enthält, wie dies aus Fig. 7 bereits ersichtlich ist. Dar­ über hinaus weist die Steuereinheit 100 eine Schaltmatrix 114, einen Zähler 116, Pufferspeicherregister 118-119, einen Schalter 122 und einen Digitalumsetzer 124 auf. Die Schaltmatrix 114 ent­ hält eine Gruppe von Schaltern 126 und eine weitere Gruppe von Schaltern 128. Wie bereits in Verbindung mit Fig. 7 gesagt, spei­ chert der Speicher 108 eine Gruppe von Faktoren, welche graphisch in einer diagrammartigen Darstellung des Speichers in Fig. 8 dar­ gestellt 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 = 160 mm. Jede der Reihen speichert die Faktoren sowohl für das Kosinus-Fresnel-Muster als auch das Sinus-Fresnel-Muster, wie dies der ungeradzahligen Multiplizier­ schaltung 76 und der geradzahligen Multiplizierschaltung 77 der Fig. 7 entspricht. Eine Adresse zum Adressieren der einzelnen Zellen des Speichers 108 wird vom Generator 110 über die Leitung 130 zugeführt. Die gespeicherten Daten im Speicher 108 werden auf der Leitung 132 je nach Adresse der Leitung 130 ausge­ lesen und dann über den Schalter 122 dem Register 118 und dem Register 119 zugeführt. Fig. 2 zeigt, daß die Zahl der aktiven Elemente im Bereich der Anordnung 22, welche zur Bildung der Fresnel'schen Fokussierung benutzt werden, durch die Zahl K be­ stimmt ist. Bei dem in Verbindung mit den Fig. 2 und 4 beschrie­ benen Beispiel ist K zu 60 angenommen. Somit sind im Speicher 108 nicht Faktorenpaare für alle 260 Elemente der Anordnung 22 der Fig. 2 gespeichert, sondern nur Faktorenpaare für jeweils 60 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 60 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 Multi­ plizierschaltungen 76-77 der Fig. 7 jedoch gleichzeitig benutzt. Die Register 118-119 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 A 1 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 118-119 gespeicherten Daten aus. Die Schalter 128 sind jeweils mit demselben Register 118-119 verbunden. Somit ist ein Schalter 128 gemäß Darstellung der Fig. 8 zunächst mit dem Register 118 in Verbindung, während der Schalter 122 in dieser Zeit Signale in das Register 119 ein­ leitet. Auf diese Weise werden Signale aus dem Register 118 pa­ rallel über die K-Ausgangsleitungen zu den zugehörigen Schaltern 128 ausgelesen, während das Register 119 mit neuen Datenwerten aus den im Speicher 108 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 ent­ sprechen. Dadurch gibt auf ein Digitalsignal vom Zähler 116 hin jeder Schalter 126 das Signal von seinen Eingangsklemmen zu einer der Ausgänge A 1 bis AM.

Die Funktionsweise der Schalter 126 kann an einem Beispiel noch weiter erklärt werden. Auf die Taktimpulse hin, die die Zeit­ steuerschaltung 50 an der Klemme C bereitstellt, zählt der Zäh­ ler 116 der Reihe nach Entfernungs- oder Tiefenabtastungen von einer Gruppe von Stellen oder Plätzen innerhalb des Patienten­ körpers 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 116 zugeführt, woraufhin der Zählwert des Zählers um eins zunimmt, was der nächsten Stellung auf der X-Achse in Fig. 1 für die nächste Tie­ fenabtastung entlang der Y-Achse in Fig. 1 entspricht. Das Ver­ binden der Schalter 126 mit den Anschlüssen A 1-A-M wird in einer Art vorgenommen, bei der in Abhängigkeit von einem Digitalsignal, das einem Zählwert von eins des Zählers 116 entspricht, der erste der Schalter 126 das Signal von der Leitung # 1 zur Anschlußklemme A 1 durchverbindet, der zweite Schalter 126 das Signal von der Leitung # 2 zur Klemme A 2 verbindet usw. bis zum K-ten Schalter 126. Auf diese Weise wird vom Zähler 116 in Verbindung mit den Schaltern 126 die schrittweise Seitwärtsverschiebung der Bereichs­ abtastung in Y-Richtung durchgeführt, womit ein Abbild des Pa­ tientenkörpers 24 in Form einer in der Ebene der Y-Achse stehen­ den Scheibe erzeugt werden kann.

Der Entfernungszähler 112, der auf die Taktimpulse vom Zeitgeber 50 an seiner Eingangsklemme C anspricht, zählt einzelne Schrit­ te 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 um­ schalten. Der logische Zustand des Bits der kleinsten Stelle ändert sich in seinem Zustand bei jeder Tiefenstufe, und diese Zustandsänderungen 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 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 Zeitsteue­ rung 50 her bewirkt, die von der Klemme C zugeleitet werden.

Die nächste Betrachtung gilt der Fig. 9, welche den Signalauf­ teiler 54 der Fig. 6 zum Inhalt hat, der eine Gruppe von Schal­ tern 136 enthält, die mit den jeweiligen Wandlern 40 verbunden sind, während ein Adressengenerator 138 über Leitungen 140 mit den einzelnen Schaltern 136 in Verbindung steht. Der Generator 138 adressiert auf die Taktimpulssignale von der Zeitsteuerung 50 hin die einzelnen Schalter über die Leitungen 140 und gibt so das Signal vom Verstärker 52 auf die einzelnen Wandler 40. Eine Gruppe von vier Schaltern wird adressiert, um bei dem Beispiel der Fig. 9 eine Gruppe von vier Wandlern 40 (wie auch in Fig. 3 dargestellt) zu erregen und damit einen Schallenergiestrahl auszusenden. Gruppen von Schaltern 136 werden der Reihe nach entsprechend der seitlichen stufenweisen Verschiebung der Erre­ gung der Wandlergruppen 40 nacheinander adressiert, womit eine Abtastung durch den Strahl entlang der X-Koordinate des Koordi­ natensystems 36 der Fig. 1 erfolgt.

Mathematische Beschreibung

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

s(t,x) = A(x) cos( ω t + Φ _x ) (1)

darin bedeuten
x die Strecke entlang der Anordnung,
t die Zeit,
Φ _x einen Phasenwinkel abhängig von der X-Koordinate,
ω die Winkelfrequenz,
A(x) die Amplitude abhängig von der X-Koordinate.

Der Ausdruck des Signal s _c (t,x), das den Kosinuszweig der Fig. 7 durchläuft und am Ausgang des Mischers 84 auftritt, lautet unter der Annahme, daß das reine Fresnel-Muster gemäß der ersten gra­ phischen Darstellung der Fig. 4 und nicht die Rechteckwellenan­ näherung in der zweiten Graphik der Fig. 4 auftritt:

s _c (t,x) = K _c A(x) cos( ω t + Φ _x ) cos( β x²) cos(2ω t) (2)

Nach dem Ausscheiden des höherfrequenten Terms mit der Kreis­ frequenz (3ω), da diese Komponente durch die elektrische Schal­ tungsanordnung ausgefiltert wird, verbleibt als Grundfrequenz­ komponente s _cb (t,x) der folgende Ausdruck

s _cb (t,x) = (K _c/2)A(x) cos( ω t-Φ _x ) cos( β x²)

= (K _c/4)A(x) cos( ω t-Φ _x + β x²) + (K _c/4)A(x) cos( ω t-Φ _x -β x²) (3)

worin K _c ein Amplitudenmaßstabsfaktor und β eine Konstante im Fresnel'schen Ausdruck ist. Die entsprechenden Signale im Sinus­ zweig s _s (t,x) und s _sb (t,x), die am Ausgang des Mischers 85 auf­ treten, sind durch folgende Gleichungen gegeben

s _s (t,x) = K _s A(x) cos ( ω t + Φ _x ) sin(β x²) sin(2ω t) (4)

s _sb (t,x) = (K _s/2)A(x) sin(ω t-Φ _x ) sin(β x²)

= K _s/4)A(x) cos(ω t-Φ _x -β x²) - (K _s/4)A(x) cos(ω t-Φ _x + β x²) (5)

worin K _s ein Amplitudenmaßstabsfaktor ist.

Nach Abstimmung der Dämpfungsglieder 88 und 89 für ein Gleich­ machen der Amplituden K _c A(x) und K _s A(x) der Signale des Kosinus- und des Sinuszweiges, ist die Summe der Signale des Kosinus- und des Sinuszweiges v _out (t,x), die am Ausgang der Summier­ schaltung 96 auftritt, gegeben durch die Summe der Gleichungen (3) und (5), nämlich

v _out (t,x) = KA(x) cos( l t-Φ _x -β x²) (6).

Die Gleichung (6) enthält nur einen Ausdruck mit β x², während gesonderte Ausdrücke in β x² 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 Φ _x= -β x² ist, dann sind die Wandler auf eine Welle fokussiert, deren Kur­ venverlauf 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 be­ trieben 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 aufge­ fangen werden. Dies läßt sich durch Verändern der Schalter 106 in Fig. 7 zeitabhängig erreichen, so daß der quadratische Aus­ druck β x² 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 Strahler­ elementen 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 0 bewerten oder gewichten. Darstellungen der Be­ wertungsfaktoren 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 er­ geben 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.

Claims (3)

1. Abbildungssystem mit einer Anordnung (22) von Wandlern (40), die eine von einem abzubildenden Objekt ausgehende bzw. reflektierte Strahlung in elektrische Signale umwandeln, mit einer Modulationseinrichtung (76, 77) zur Modulation der einzelnen elektrischen Wandlerausgangssignale entsprechend einer Fresnelverteilung über die Wandleranordnung hin ent­ sprechend einem vor der Wandleranordnung liegenden Objekt­ punkt als Focus und mit einer Summationseinrichtung (80, 81), zur Überlagerung der modulierten Wandlerausgangssignale der­ art, daß ein Bildpunkt-Ausgangssignal erhalten wird, welches die von dem betreffenden Objektpunkt ausgehende Strahlung re­ präsentiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsein­ richtung (76, 77) eine erste Modulationsschaltung (76) zur Modulation der einzelnen elektrischen Wandlerausgangssignale entsprechend einer Fresnelverteilung über die Wandleranord­ nung hin mit cos-Termen und eine zweite Modulationsschaltung (77) zur Modulation der einzelnen elektrischen Wandleraus­ gangssignale entsprechend einer Fresnelverteilung über die Wandleranordnung hin mit sin-Termen enthält, daß die Summa­ tionseinrichtung 80, 81) eine erste Summationsschaltung (80) zur Überlagerung der Ausgangssignale der ersten Modulations­ schaltung (76) und eine zweite Summationsschaltung (81) zur Überlagerung der Ausgangssignale der zweiten Modulations­ schaltung (77) enthält, daß den Summationsschaltungen (80, 81) jeweils Multiplikationsschaltungen (84, 85) zur Multiplikation der Summationsschaltungsausgänge mit einer cos-Bezugsschwin­ gung bzw. einer sin-Bezugsschwingung nachgeschaltet sind und daß die Ausgangssignale der Multiplikationsschaltungen zur Er­ zeugung des Bildpunktausgangssignales einer weiteren Summa­ tionseinrichtung zuführbar sind.

2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Modulationsschaltung (76) und die zweite Modu­ lationsschaltung (77) jeweils Polaritätsauswahlmittel und zugehörige Steuermittel zur Auswahl der Polaritäten der Wand­ lerausgangssignale zur Erzeugung der Fresnelverteilungen mit cos- bzw. sin-Termen enthalten.

3. Abbildungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wandler (40) auf akustische Strahlungsener­ gie ansprechen.