DE2920826A1

DE2920826A1 - Ultraschall-abbildungssystem

Info

Publication number: DE2920826A1
Application number: DE19792920826
Authority: DE
Inventors: William Ernest Engeler
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-05-24
Filing date: 1979-05-23
Publication date: 1979-11-29
Also published as: JPS6218168B2; DE2920826C2; FR2426912B1; GB2030297A; JPS555688A; GB2030297B; NL7904072A; US4155259A; FR2426912A1

Description

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GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y. VStA Ultraschall-Abbildungssystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Abbildungssystem, das eine Anordnung ringförmiger (elektroakustischer) Wandler (auch "Umformer" genannt) aufweist, die eine B-Abtastungs-Ultra'-schallsonde bilden.

Bekannte Ultraschall-Abbildungssysteme (auch Ultraschall-Bildwandler oder Ultraschall-Impuls-Reflektionsgeräte genannt) mit B-Abtastungs-Ultraschallsonden zur Abbildung von Gegenstandspunkten, wie weichen Gewebeteilen des menschlichen Körpers, enthalten in der Regel einen einzigen kreisscheibenförmigen Wandler (Umformer), der nicht nur als Sende-, sondern auch als Empfangsumformer dient. Die Strahlungsfläche des Kreisscheiben-Wandlers ist häufig eben, kann jedoch auch die Innenseite eines Teils einer Kugelfläche sein, deren Mittelpunkt den Brennpunkt des Wandlers bildet. Der Wandler wird durch einen elektrischen Impuls mit Strom versorgt, wobei er eine entsprechend kurzzeitige Ultraschall-Impulsfolge aus mehreren Schwingungen mit der Resonanzfrequenz des Wandlers erzeugt, die als Strahl bzw. Strahlenbündel in den Raum oder Gegenstandsbereich abgestrahlt wird, der den Wandler umgibt. Die kurzzeitige Ultraschall-Impulsfolge erzeugt beim Auftreffen auf Gewebe- oder Gegenstandspunkte Echos, die vom Wandler empfangen und darin in ein Echosignal umgeformt werden, das ebenfalls aus einer kurzzeitigen Folge mehrerer Schwingungen bzw. Impulse besteht. Das Echosignal wird zeitabhängig wiedergegeben, so daß man eine Darstellung der Gegenstands- bzw. Objektpunkte, von denen die Sendeimpulse als Echo reflektiert wurden, als Funktion der Entfernung erhält. Der Umformer kann an der Körperoberfläche längs einer Linie verschoben werden, so daß verschiedene Körperteile abgetastet werden, die im wesentlichen in der Ebene des Strahlenbündels und der Linie liegen. Durch Synchronisation der Wiedergabevorrichtung mit der Verschiebung ies Umformers längs

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des Körpers läßt sich eine B-Abtastungswiedergabe erzielen.

Die Auflösung in z-Richtung, d.h. senkrecht zur Strahlungsfläche des Kreisscheiben-Umformers ist eine Funktion der Dauer der dem Umformer zugeführten Einschalt- bzw. Stromversorgungsimpulse, oder mit anderen Worten der Anzahl der Impulse bzw.. Schwingungen einer ausgesendeten Impulsfolge. Das Auflösungsvermögen des Wandlers senkrecht zu seiner Strahlungsrichtung hängt von der Breite des Strahlenbündels in der Entfernung ab, aus der Echos empfangen werden. Ein Strahlenbündel mit kleinerem Durchmesser in der betreffenden Entfernung ergibt ein größeres Auflösungsvermögen quer zur Strahlungsrichtung als ein Strahlungsbündel mit größerem Durchmesser in der betreffenden Entfernung. Das seitliche oder Querauflösungsvermögen bezieht sich auf den kleinsten Abstand in einer Ebene senkrecht zur Mittel- oder z-Achse, der eine Unterscheidung dieser Gegenstandspunkte ermöglicht. Es ist nicht nur ein gutes Auflösungsvermögen in einer bestimmten Entfernung erwünscht, sondern ein gleichbleibend gutes Auflösungsvermögen über einen großen Entfernungsbereich, der in der Nähe des Wandlers beginnt und sich sehr weit von diesem wegerstreckt, d.h. sowohl im Nahfeld als auch im Fernfeld. Bei B-Abtastungen des menschlichen Körpers liegt dieser Entfernungsbereich im allgemeinen zwischen 5 und 20 cm. Wenn die Strahlungsfläche des Wandlers leicht gekrümmt ist, ergibt sich ein Strahlungsbündel mit im wesentlichen gleichförmigem Querschnitt senkrecht zur z-Achse im Nahfeld. Obwohl ein derartiger Wandler im Nahfeld ein im wesentlichen gleichförmiges seitliches Auflösungsvermögen hat, ist das seitliche Auflösungsvermögen dennoch verhältnismäßig gering, weil der Querschnitt des Strahlungsbündels verhältnismäßig groß ist. Durch Verwendung eines Wandlers mit höherer'Frequenz läßt sich zwar der Querschnitt des Strahlungsbündels, verringern und damit das seitliche Auflösungsvermögen verbessern, jedoch auf Kosten der Eindringtiefe in das Körpergewebe. Das seitliche Auflösungsvermögen läßt sich in einer bestimmten Entfernung auch dadurch verbessern, daß der Durchmes<ser des Kreisscheiben-Wandlers vergrößert und die Abstrahlungs-

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fläche mit einem Radius versehen wird, so daß sich ein Brennpunkt in einer vorbestimmten Entfernung ergibt. Der Querschnitt des Strahlungsbündels ist in dieser Entfernung zwar gering, nimmt jedoch mit zunehmendem Abstand vom Brennpunkt, vor und hinter diesem, wieder zu. Auf diese Weise ergibt sich mithin zwar in der gewünschten Entfernung ein besseres seitliches Auflösungsvermögen, doch ist der Entfernungsbereich, in dem sich diese Verbesserung ergibt, begrenzt.

Um das seitliche Auflösungsvermögen noch weiter zu verbessern, ist bereits eine Sonde aus einer Anordnung ringförmiger Wandler mit von Wandler zu Wandler zunehmendem Radius vorgeschlagen worden, die konzentrisch um eine Mittelachse der Anordnung herum angeordnet sind. Die Strahlungsfläche der Anordnung ringförmiger Wandler kann durch die Innenseite eines Kugelsegments gebildet sein, dessen Mittelpunkt den Brennpunkt der Anordnung bildet. Die Wandler der Anordnung werden gleichzeitig durch elektrische Impulse eingeschaltet (erregt), so daß sie eine kurzzeitige Folge mehrerer Ultraschallwellen mit der Resonanzfrequenz der Wandler erzeugen. Längs der Mittelachse in geringerer Entfernung als der Brennpunkt der Anordnung auseinanderliegende Gegenstandspunkte erzeugen Echos, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Laufzeiten von diesen Gegenstandspunkten zu den ringförmigen Wandlern bei den verschiedenen ringförmigen Wandlern zu verschiedenen Zeiten eintreffen. Das Auflösungsvermögen läßt sich in der Entfernung eines solchen Gegenstandspunktes durch entsprechende Verzögerung der Echosignale verbessern, die durch Echos von diesem Punkt erzeugt werden, so daß sie gleichzeitig auftreten und kohärent summiert werden können. Wenn die Verzögerungszeiten veränderbar gemacht werden, läßt sich eine kohärente Summierung der Echosignale von Gegenstandspunkten, die sich nahe der Mitte der Anordnung befinden, mit Echosignalen von Gegenstandspunkten durchführen, die sich in größerer Entfernung von der Anordnung befinden, indem einfach die Verzögerungszeiten für die in den Wandlern erzeugten Signale entsprechend in Abhängigkeit von der Zeit oder Entfernung geändert

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werden. In diesem Zusammenhang sind ladungsgekoppelt Verzögerungsleitungen vorgeschlagen worden, die es ermöglichen, die Verzögerungszeit in Abhängigkeit von der Frequenz zu ändern. Die Verwendung derartiger Verzögerungsleitungen ergibt jedoch Schwierigkeiten, insbesondere in bezug auf die Herstellung von künstlichen Bauteilen, die jedes kohärent summierte Signal erheblich verzerren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Beschränkungen und Schwierigkeiten, wie sie oben beschrieben wurden, bei bekannten B-Abtastsonden-Abbildungsvorrichtungen zu überwinden.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

Weiterbildungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet .

Hierbei ist eine Einrichtung zur Erzeugung und Abstrahlung einer kurzzeitigen Ultraschall-Impulsfolge mit vorbestimmter Frequenz in einen Objektbereich vorgesehen. Eine Anordnung aus mehreren ringförmigen Wandlern, die konzentrisch um eine Mittelachse der Anordnung herum angeordnet sind und deren Radius von Wandler zu Wandler zunimmt, ist für den Empfang von Ultraschall-Echos vorgesehen, die von der Ultraschall-Impulsfolge erzeugt werden, die auf die auf der Mittelachse der Anordnung liegenden Gegenstandspunkte trifft. Jedes Echo, das von einem Gegenstandspunkt kommt, erzeugt in den Wandlern eine zugehörige Gruppe von Echosignalen, und zwar in jedem Wandler ein Echosignal. Der Auftrittszeitpunkt jedes der Echosignale hängt von der Entfernung des betreffenden Gegenstandspunktes vom jeweiligen Wandler ab. Es sind mehrere erste Demodulationssignale mit im wesentlichen derselben Frequenz wie die erwähnte vorbestimmte Frequenz und mit verschiedenen relativen Phasenlagen vorgesehen, wobei die Phasenlage jedes der ersten Demodulations-

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signale in bezug auf die Phasenlage eines zugehörigen Echosignals im wesentlichen auf denselben Wert eingestellt ist. Zum Demodulieren der von den Wandlern erzeugten Echosignale ist eine Einrichtung vorgesehen, die jedes der Echosignale mit einem zügehörigen ersten Demodulationssignal mischt, so daß sich ein zugehöriges erstes demoduliertes Signal ergibt. Sodann ist eine Einrichtung zum Bewerten und Summieren der ersten demodulierten Signale vorgesehen, um ein erstes Summensignal zu bilden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A ein Blockschaltbild, das die Wirkungsweise eines Ultraschall-Abbildungssystems darstellt,

Fig. 1B eine Draufsicht auf eine Anordnung aus ringförmigen Wandlern des Systems nach Fig. 1A,

Fig. 2 ein Funktionsblockschaltbild eines Teils des Ultraschall-Abbildungssystems zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung,

Fig. 3A bis 3G Diagramme des zeitlichen Verlaufs von Spannungssignalen, die an verschiedenen Stellen in dem Blockschaltbild nach Fig. 2 auftreten und zu I-Kanälen gehören. Die Stellen, an denen die in den Fig. 3A bis 3 G dargestellten Signale in dem Blockschaltbild nach Fig. 2 auftreten, sind in Fig. 2 mit dem Buchstaben bezeichnet, der an die Figurenzahl der Darstellung des betreffenden Signals angehängt ist,

Fig. 4A bis 4H den zeitlichen Verlauf der Amplitude von Spannungssignalen, die an verschiedenen Stellen in dem Blockschaltbild nach Fig. 2 auftreten und zu Q-Kanälen gehören, wobei Fig. 4H ein aus den Signalen nach den

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Fig. 3G und 4G gebildetes resultierendes Signal darstellt und die Stelle, an der ein Signal der Fig. 4A bis 4H in dem Blockschaltbild nach Fig. 2 auftritt, in Fig. 2 mit dem Buchstaben bezeichnet ist, der an die Figurenzahl der Darstellung des zeitlichen Verlaufs dieses Signals angehängt ist,

Fig. 5 ein Funktions-Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Ultraschall-Abbildungs system s _f

Fig. 6A den Schnitt 6A-6A einer in Fig. 6B in Vorderansicht dargestellten Anordnung ringförmiger Wandler mit festem Brennpunkt und

Fig. 7A den Schnitt 7A-7A der in Fig. 7B in Vorderansicht dargestellten Anordnung ringförmiger Wandler mit festem Brennpunkt.

Das in Fig. 1A dargestellte Ultraschall-Abbildungssystem 10 enthält eine Wandleranordnung 11, eine Diplexschaltung 12, einen Sender 13 und einen Empfänger 14. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Wandleranordnung 11, wie ausführlicher in Fig.iB dargestellt ist, eine Anordnung aus ringförmigen Wandlern 15, die konzentrisch um eine Mittelachse 16 der Anordnung herum angeordnet sind und deren Radius von Wandler zu Wandler zunimmt. Die Resonanzfrequenzen aller Wandler der Anordnung sind im wesentlichen gleich. Die Abstrahlungsfläche der Wandler wird durch die Innenseite eines Segments einer Kugelfläche gebildet, deren Mittelpunkt den Brennpunkt 17 bildet. Die Wandleranordnung wirkt als Sende- und Empfangsanordnung. Der Sender 13 erzeugt elektrische Impulse 18, die den Wandlern 15 gleichzeitig über die Diplexschaltung 12 zugeführt werden, um eine kurzzeitige Ultraschall-Impulsfolge zu erzeugen. Die Ultraschall-Impulsfolge besteht aus mehreren Schwingungen mit der Resonanzfrequenz der. Wandler und wird in den Gegenstands- bzw. Objektbereich in der Nähe der Anordnung abgestrahlt. Die Änderung der Intensität oder

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Amplitude der Ultraschall-Impulsfolge um den Mittelpunkt der Anordnung herum wird als Strahl oder Strahlungsbündel der Anordnung bezeichnet. Das Strahlungsbündel 19 der Anordnung 11 hat eine Achse, die mit der Mittelachse 16 der Anordnung 11 zusammenfällt. Von der auf den Brennpunkt 17 auftreffenden Ultraschall-Impulsfolge erzeugte Echos werden gleichzeitig von den Wandlern 15 aufgenommen. Die Echosignale, die in den Wandlern 15 aus den vom Brennpunkt 17 kommenden Echosignalen erzeugt werden, gelangen über die Diplexschaltung 12 in den Empfänger 14, in dem sie zu einem scharf fokussierten Summensignal summiert werden. Die Ausgangssignale des Empfängers werden als Abbildung des Gegenstandsbereichs, bei dem es sich um einen Teil eines menschlichen Körpers handeln kann, wieder-■ gegeben. An vom Brennpunkt entfernt auf der Mittelachse 16 liegenden Zielen, z.B. am Gegenstandspunkt 20 erzeugte Echos der kurzzeitigen Ultraschall-Impulsfolge werden von den Wandlern wegen der unterschiedlichen Laufzeiten bzw. Wegstrecken vom Gegenstandspunkt 20 zu den Wandlern zu verschiedenen Zeiten empfangen. Je größer der Abstand des Gegenstandspunktes 20 vom Brennpunkt 17 ist, umso größer sind die Wegunterschiede und mithin die Verzögerungszeiten bzw. Laufzeiten. Eine Summierung dieser Echosignale ergibt ein weniger scharf fokussiertes Summensignal. Wenn der Laufstreckenunterschied zwischen dem mittleren Wandler und dem äußeren Wandler beispielsweise der halben Wellenlänge der Ultraschall-Impulsfolge entspricht, löschen sich die von den Wandlern erzeugten Echosignale aus. Auch die Echosignale der anderen Wandler löschen sich teilweise gegenseitig aus, so daß sich ein wesentlich kleineres Summensignal ergibt. Für Gegenstandspunkte, bei denen die Laufstreckenunterschiede vom mittleren Wandler zum äußeren Wandler größer als die halbe Ultraschall-Wellenlänge ist, ergibt sich daher ein wesentlich geringeres Ausgangssignal, das die Brauchbarkeit des Geräts auf Bereiche in der Nähe des Brennpunkts beschränkt. Die relative Verzögerungszeit für jeden Wandler ergibt sich durch folgende Gleichung:

l·

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wobei T-. die Verzögerungszeit eines vom k-ten Wandler aus einem am Gegenstandspunkt 20 reflektierten Echo erzeugten Echosignals gegenüber einem Echosignal, das aus einem am Brennpunkt 17 hervorgerufenen Echo erzeugt wurde,

a die halbe Öffnungsweite der Anordnung,

R die Entfernung des Gegenstandspunktes 20,

R~die Entfernung des Brennpunktes 17_S

c die Ultraschallgeschwindigkeit im Gegenstandsbereich und

x_k der Abstand des k-ten Wandlers vom Mittelpunkt der Anordnung ist.

Fig. 2 stellt ein Funktionsblockschaltbild einer Vorrichtung in dem Ultraschall-Abbildungssystem zum Verarbeiten von Echosignalen gemäß der Erfindung dar. Die Vorrichtung enthält eine Anordnung 11 aus ringförmigen Wandlern 15, die konzentrisch um eine Mittelachse 16 der Anordnung herum angeordnet sind und deren Radius sukzessiv größer wird. Die Resonanzfrequenzen aller Wandler sind im wesentlichen gleich. Die Strahlungsfläche der Wandler wird durch die Innenseite einer Kugelsegmentfläche gebildet, deren Mittelpunkt den Brennpunkt 17 bildet. Der Punkt 20 stellt einen Gegenstandspunkt auf der Mittelachse 16 der Anordnung dar. Eine kurzzeitige Ultraschall-Impulsfolge, die von der Anordnung erzeugt wird, trifft auf den Gegenstandspunkt 20 und erzeugt ein Echo. Die von einer Vielzahl von Wandlern der Anordnung erzeugte Impulsfolge kann als von der Mitte der Anordnung abgestrahlt angesehen werden. Das Echo wird von verschiedenen Wandlern der Anordnung zu verschiedenen Zeiten empfangen, die von den Abständen dieser Wandler vom Gegenstandspunkt 20 abhängen. Ein derartiges Echo erzeugt eine Gruppe von Echosignalen in den Wandlerelementen, und zwar in jedem Wandler ein Echosignal. Die Verarbeitung der von den Wandlern 15-1 und 15-2 erzeugten Echosignale wird nachstehend ausführlicher be- = schrieben. Die von den anderen Wandlern erzeugten Echosignale werden in ähnlicher Weise verarbeitet. Der Wandler 15-1 ist in

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der Mitte der Anordnung angeordnet, während der Wandler 15-2 um die Mitte der Anordnung herum angeordnet ist. Die Linie 21 stellt den Weg des vom Gegenstandspunkt 20 zur Mitte des Wandlers 15-1 reflektierten Echos dar. Die Linie 22 stellt den Weg des vom Gegenstandspunkt 20 zum Wandler 15-2 reflektierten Echos dar.

Das im Wandler 15-1 erzeugte Echosignal wird als Echosignal Nr. 1 und das vom Wandler 15-2 erzeugte Echosignal wird als eines der Echosignale bezeichnet, die in den anderen Wandlern der Anordnung erzeugt werden. Diese Echosignale werden in einem zugehörigen Signalverarbeitungskanal verarbeitet, der als I-Kanal bezeichnet wird. In jedem der I-Kanäle erfolgt eine Demodulation und Bewertung. Alle Echosignale Nr. 1 und Nr. 2 sowie die anderen Echosignale, die in den anderen Wandlern der Anordnung erzeugt werden, werden ebenfalls in einem zugehörigen Q-Signalverarbeitungskanal verarbeitet, d.h. demoduliert und bewertet. Das demodulierende Signal, weiterhin "Demodulationssignal" genannt, das in jedem der Q-Kanäle benutzt wird, wird so eingestellt, daß es gegenüber dem Demodulationssignal, das bei der Demodulation in einem zugehörigen I-Kanal verwendet wird, um 90° phasenverschoben ist. Die Signale in den I-Kanälen werden zu einem ersten Summensignal und die Signale in den Q-Kanälen zu einem zweiten Summensignal summiert. Das erste Summensignal und das zweite Summensignal werden gefiltert. Aus den gefilterten Summensignalen wird ein resultierendes Signal gebildet, das die Reflektion vom Gegenstandspunkt 20 darstellt.

Nachstehend wird zusätzlich auf die Fig. 3A bis J5G Bezug genommen. Die Stelle, an der ein in den Fig. JA bis 3G dargestelltes Signal im Blockschaltbild der Fig. 2 auftritt,, ist in Fig. 2 mit einem Buchstaben bezeichnet, der an die Figurenzahl des betreffenden Diagramms angehängt ist. Das vom Wandler 15-1 erzeugte Echosignal Nr. 1 ist in Fig. 3A dargestellt. Der Spitzenwert des Echosignals Nr. 1 tritt im Zeitpunkt t^ nach dem Zeitpunkt t auf, in dem der Spitzenwert der kurzzeitigen Ultraschall-

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Impulsfolge von der Anordnung ausgesendet wird. Der Auftrittszeitpunkt t. des Spitzenwertes des Echosignals Nr. 1 hängt von der Länge des Weges 21 zwischen Gegenstandspunkt 20 und Wandler 15-1 ab. Das Echosignal Nr. 1 wird einem erste Demodulator 25 zugeführt, dem ein Generator 26 auch das erste Demodulationssignal Nr. 1 zuführt, das in Fig. 3B dargestellt ist. Das erste Demodulationssignal Nr. 1 und die anderen ersten Demodulationssignale haben eine Grundschwingungsfrequenz, die im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz, der Wandler ist. Obwohl der Verlauf des ersten Demodulationssignals "sinusförmig dargestellt ist, können auch andere Wellenformen, z.B. rechteckige, verwendet werden. Das erste Demodulationssignal Nr. 1 ist gegenüber dem Echosignal Nr. 1 um den Winkel (* nacheilend dargestellt. Der erste Demodulator 25 gibt ausgangsseitig ein erstes demoduliertes Signal Nr. 1 ab, das in Fig. 3E dargestellt ist, und das Produkt des Echosignals Nr. 1 und des ersten Demodulationssignals Nr. 1 darstellt. Das. erste demodulierte Signal Nr. 1 wird einer Bewertungsschaltung 27 zugeführt, das eine vorbestimmte Verstärkung oder Dämpfung des ersten demodulierten Signals Nr. bewirkt, so daß es passend mit ähnlich verarbeiteten I-Kanalsignalen anderer Wandler der Anordnung in einem Summierverstärker 35 überlagert werden kann.

Das vom Wandler .15-2 erzeugte Echosignal Nr. 2 ist in Fig. 3C dargestellt. Der Spitzenwert des Echosignals Nr. 2 tritt in einem Zeitpunkt t₂ nach dem Zeitpunkt t_Q auf, in dem der Spitzenwert der Ultraschall-Impulsfolge von der Anordnung gesendet wird. Der Auftrittszeitpunkt t₂ des Spitzenwertes des Echosignals Nr. hängt von der Länge des Weges 22 zwischen dem Gegenstandspunkt 20 und dem Wandler 15-2 ab. Das Echosignal Nr. 2 wird einem Demodulator 31 zugeführt, der von einem Generator 32 das erste Demodulationssignal Nr. 2 erhält, das in Fig. 3D dargestellt ist. Das erste Demodulationssignal Nr. 2 ist so eingestellt, daß es dem Echosignal Nr. 2 in der Phase um den Winkele* nacheilt, d.h. um denselben Betrag phasenverschoben ist, wie das erste Demodulationssignal Nr. 1 gegenüber dem Echosignal Nr.

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Zu diesem Zweck ist das erste Demodulationssignal Nr. 2 gegenüber dem ersten Demodulationssignal Nr. 1 um einen Betrag phasenverschoben, der von der Differenz der Weglängen 21 und 22 abhängt. Das erste demodulierte Signal Nr. 2, das in Fig. J5F dargestellt ist, erscheint am Ausgang des ersten Demodulators 31 und ist das Produkt des Echosignals Nr. 2 und des ersten Demodulations signals Nr. 2. Nach der Bewertung durch die Bewertungsschaltung 33 wird das erste demodulierte Signal Nr. 2 dem Summierverstärker 35 zugeführt.

Das erste demodulierte Signal Nr. 1 und das erste demodulierte Signal Nr. 2 werden im Summierverstärker 35 summiert und in einem Tiefpaßfilter 37 gefiltert, so daß sich ein erstes Summensignal ergibt, das in Fig. 3G dargestellt ist. Die in den anderen Wandlern der Anordnung erzeugten Echosignale werden in ähnlicher Weise verarbeitet und summiert, wie es durch den Pfeil . 36 kollektiv angedeutet ist, um am Ausgang des Summierverstärkers 35 und nach Filterung durch das Tiefpaßfilter 37 ein Signal SI mit hoher Amplitude zu erzeugen, das die Beiträge aller Echosignale, die in den Wandlern der Anordnung erzeugt wurden, zu dem ersten Summensignal darstellt.

Nachstehend wird zusätzlich auf die Fig. 4A bis 4H Bezug genommen. Die Stelle, an der das in den Fig. 4A bis 4H jeweils dargestellte Signal im Blockschaltbild der Fig. 2 auftritt, ist in Fig. 2 mit dem mit einem Beistrich versehenen Buchstaben bezeichnet, der an die Figurenzahl des betreffenden Diagramms angehängt ist. Das Echosignal Nr. 1, das vom Wandler 15-1 erzeugt wird, ist in Fig. 4A dargestellt. Wie in Verbindung mit Fig. 3A erwähnt wurde, tritt der Spitzenwert des Echosignals Nr. 1 in einem Zeitpunkt t^ nach dem Zeitpunkt t auf, in dem der Spitzenwert der Ultraschall-Impulsfolge von der Anordnung ausgesendet wurde. Der Auftrittszeitpunkt t^ des Spitzenwertes des Echosignals Nr. 1 hängt von der Länge des Weges 21 zwischen dem Gegenstandspunkt 20 und dem Wandler 15-1 ab. Das Echosignal Nr. wird einem zweiten Demodulator 41 zugeführt, dem ein Generator

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42 auch ein zweites Demodulationssignal Nr. 1 zuführt, das in Fig. 4B dargestellt ist. Das zweite demodulierte Signal Nr. 1 und die anderen zweiten demodulierten Signale haben eine Grundschwingungsfrequenz, die im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der Wandler ist. Obwohl der Verlauf der zweiten Demodulations signale sinusförmig dargestellt ist, können auch andere Wellenformen, z.B. rechteckige, verwendet werden. Das zweite Demodulationssignal Nr. 1 ist in der Phase gegenüber dem ersten Demodulationssignal Nr. 1 um 90° nacheilend eingestellt, d.h. um oC + 90° gegenüber dem Echosignal Nr. 1 nacheilend. Der zweite Demodulator 41 erzeugt das zweite demodulierte Signal Nr. 1, das in Fig. 4E dargestellt ist und das Produkt des Echosignals Nr. 1 und des zweiten Demodulationssignals Nr. 1 darstellt. Das zweite demodulierte Signal Nr. 1 wird der Bewertungsschaltung 43 zugeführt, das eine vorbestimmte Verstärkung oder Dämpfung des zweiten demodulierten Signals Nr. 1 bewirkt, so daß es in geeigneter Weise zu ähnlich verarbeiteten Q-Kanalsignalen der anderen Wandler der Anordnung im Summierverstärker 49 summiert werden kann.

Das im Wandler 15-2 erzeugte Echosignal Nr. 2 ist in Fig. 4C dargestellt. Wie in Verbindung mit Fig. 3C erwähnt wurde, tritt der Spitzenwert des Echosignals Nr. 2 in einem Zeitpunkt to nach dem Zeitpunkt t auf, in dem der Spitzenwert der Ultraschall-Impulsfolge von der Anordnung ausgesendet wird. Der Auftrittszeitpunkt tp des Spitzenwertes des Echosignals Nr. 2 hängt von der Länge des Weges 22 zwischen Gegenstandspunkt 20 und Wandler 15-2 ab. Das Echosignal Nr. 2 wird dem zweiten Demodulator 45 zugeführt, dem ein Generator 46 außerdem das zweite Demodulationssignal Nr. 2 zuführt, das in Fig. 4D dargestellt ist. Das zweite Demodulationssignal Nr. 2 ist so eingestellt, daß es dem ersten Demodulationssignal Nr. 2 in der Phase um 90° nacheilt, d.h. umΛ + 90° gegenüber dem Echosignal Nr. 2 nacheilt. Das zweite demodulierte Signal Nr. 2, das in Fig. 4F dargestellt ist, erscheint am Ausgang des zweiten Demodulators 45 und stellt das Produkt des Echosignals Nr. 2 und des zweiten Demodulationssignals Nr. 2 dar. Das zweite demodulierte Signal Nr. 2 wird

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der Bewertungsschaltung 47 zugeführt, die eine vorbestimmte Verstärkung oder Dämpfung des zweiten demodulierten Signals Nr. 2 bewirkt, so daß es passend zu ähnlich verarbeiteten Q-Kanal signal en anderer Wandler der Anordnung im Summierverstärker 49 summiert werden kann.

Die zweiten demodulierten Signale Nr. 1 und Nr. 2 werden im Summierverstärker 49 summiert und im Tiefpaßfilter 52 gefiltert, so daß sich ein zweites Summensignal ergibt, das in Fig. 4G dargestellt ist. Die in den anderen Wandlern der Anordnung erzeugten Echosignale werden in ähnlicher Weise verarbeitet und summiert, wie es durch den Pfeil 50 kollektiv dargestellt ist, so daß sich am Ausgang des Verstärkers 49 und nach Filterung durch das Tiefpaßfilter 52 ein Signal 2 Q mit hoher Amplitude ergibt, das die Beiträge aller Echosignale, die von den Wandlern der Anordnung erzeugt wurden, zum zweiten Summensignal darstellt.

Das am Ausgang des Tiefpaßfilters 37 auftretende erste Summensignal und das am Ausgang des Tiefpaßfilters 52 auftretende zweite Summensignal werden einer Schaltung 51 zur Bildung eines resultierenden Signals zugeführt, das eine monotone Funktion der Summe der Quadrate des ersten und zweiten Summensignals ist. Diese Schaltung erzeugt insbesondere ein resultierendes Signal, das der Quadratwurzel der Summe der Quadrate des ersten und zweiten Summensignals proportional ist. Die Amplitude des von der Schaltung 51 erzeugten resultierenden Signals ist unabhängig von der Einstellung der Phasenlage jedes der ersten Demodulationssignale in bezug auf ein zugehöriges Echosignal und unabhängig von der Einstellung jedes der zweiten Demodulationssignale in bezug auf ein zugehöriges Echosignal, da jedes zweite Demodulationssignal gegenüber einem der ersten Demodulationssignale um 90° phasenverschoben ist. Dies wird nachstehend anhand eines Beispiels näher erläutert. Da das erste Demodulationssignal Nr. 1 nach Fig. 3B dem Echosignal Nr. 1 nach Fig. 3A um den Winkel ot nacheilt, ist der Spitzenwert des ersten demodu-

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lierten Signals Nr. 1 nach Fig. 3E gleich cosinus«* mal dem Maximalwert, den das erste demodulierte Signal Nr. 1 haben kann, was dem Fall entspricht, daß das erste Demodulationssignal Nr. 1 nach Fig. 3B mit dem Echosignal Nr. 1 nach Fig. 3A in Phase ist. Da das zweite Demodulationssignal Nr.. 1 nach Fig. 4B dem Echosignal Nr. 1 um Λ + 90° nacheilt, läßt sich die Amplitude des zweiten demodulierten Signals Nr. 1 nach Fig. 4E als co sinus (<* + 90) mal der maximal möglichen Amplitude, die das zweite demodulierte Signal Nr. 1 haben kann, darstellen, entsprechend dem Fall, daß das zweite Demodulationssignal Nr. 1 mit dem Echosignal Nr. 1 in Phase ist. Um den Maximalwert des ersten demodulierten Signals Nr. 1 zu ermitteln, braucht lediglich die Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate des ersten demodulierten Signals Nr. 1 und des zweiten demodulierten Signals Nr. 1 gezogen zu werden. Berücksichtigt man, daß "\/cos²+ cos² («. + 90) unabhängig von oC gleich eins ist, dann folgt daraus, daß der Maximalwert des ersten demodulierten Signals proportional zum Spitzenwert des Echosignals Nr. 1 ist. Da alle anderen Echosignale in der gleichen Weise verarbeitet werden, gilt das an obigem Beispiel erläuterte Ergebnis sowohl für das erste Summensignal ΣΙ als auch für das zweite Summensignal SQ. In den Fig. 3A bis 3D ist ein Phasenverschiebungswinkel öC von 60° dargestellt. Auch in den Fig. 4A bis 4D ist ein Phasenverschiebungswinkel <K von 60° dargestellt. Durch die Verwendung zweier I- und Q-Kanäle (eines I-Q-Kanalpaares) für die Verarbeitung jedes Echosignals erhält man daher ein resultierendes Signal, das unabhängig vom Winkel oC ist. Um eine Auslöschung zu verhindern, wenn die Summensignale gebildet werden, muß der Winkel oC für jedes erste Demodulationssignal und ein zugehöriges Echosignal jedoch im wesentlichen gleich sein. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß die gegenseitige Phasenlage aller ersten Demodulationssignale so eingestellt wird, daß die Phasenlage aller ersten Demodulationssignale in bezug auf die eines zugehörigen Echosignals im wesentlichen gleich ist. Die Phaseneinstellung jedes ersten Demodulationssignals hängt von der Länge des Übertragungsweges vom Gegenstandspunkt 20 zu einem zugehöri-

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gen Wandler ab. Da jedes zweite Demodulationssignal gegenüber einem zugehörigen ersten Demodulationssignal um 90° in der Phase nacheilt, ergibt sich automatisch die richtige Phasenbeziehung bei jedem der zweiten Demodulationssignale.

Damit das Untersystem nach Fig. 2 richtig arbeitet, sollte die Phasenverschiebung jedes ersten Demodulationssignals gegenüber einem zugehörigen Echosignal bei allen Signalpaaren im wesentlichen gleich sein. Die Phasenlage der zweiten Demodulationssignale ist jedoch durch die Phasenlage der ersten Demodulationssignale festgelegt. Ein Gegenstandspunkt in einer anderen Entfernung erfordert dagegen eine andere relative Phasenlage der ersten Demodulationssignale und auch der zweiten Demodulationssignale, um die ideale Antwort am Ausgang der Summierverstärker 35 und 49 zu erhalten. Bei kleinen Abweichungen von der Entfernung des Gegenstandspunkts 20 ändern sich die erforderlichen relativen Phasenlagen der ersten Demodulationssignale und der zweiten Demodulationssignale nicht so stark, daß sich eine wesentliche Abweichung der Abbilungsgüte von der ergibt, die man erhält, wenn die idealen relativen Phasenlagen vorliegen. An einer bestimmten Stelle, deren Entfernung eine andere als die des Gegenstandspunkts 20 ist, bewirken die sich ändernden Laufzeiten zu den Wandlern jedoch ein Randverhalten, so daß die relativen Phasenlagen der ersten und zweiten Demodulationssignale neu eingestellt werden müssen, um annähernd ideale Verhältnisse zu erzielen. Diese neuen relativen Phasenlagen gelten dann für einen bestimmten Entfernungsbereich, jenseits von dem die Phasenlagen wieder neu eingestellt werden müssen. Im allgemeinen muß mit tiefer in den Gegenstandsbereich eindringender Ultraschall-Impulsfolge der Gegenstandspunkt, auf den gezielt wird, die Impulsfolge durch schrittweises oder kontinuierliches Nachstellen der Phasenlagen der Demodulationssignale mitziehen. Wie die Phasenlagen der ersten und zweiten Demodulationssignale jedesmal wieder so nachgestellt werden können, daß die verschiedenen Bedingungen für die Einstellung der relativen Phasenlagen in Abhängigkeit von der Entfernung erfüllt werden, wird nachstehend anhand des in Fig. 5 dargestellten Blockschaltbildes beschrieben. 909848/0816

Nacheinander von aufeinanderfolgenden Gegenstandspunkten, deren Entfernung von der Wandleranordnung von Punkt zu Punkt größer wird, in der Wandler anordnung eintreffende Echos erzeugen nacheinander Gruppen elektrischer Signale in den Wandlern der Anordnung 11. Dabei werden aufeinanderfolgende Gruppen erster Demodulationssignale und zweiter Demodulationssignale mit der richtigen relativen Phasenlage versehen, wie es vorstehend erläutert wurde. Das am Ausgang der Schaltung 51 erscheinende resultierende Signal enthält dann Elemente, die den von den aufeinanderfolgenden Gegenstandspunkten reflektierten Echos entsprechen. Der Anordnung kann eine Vielzahl von Ultraschall-Impulsfolgen zugeführt werden, um eine Vielzahl von Echosignalen und eine Vielzahl resultierender Signale am Ausgang der Schaltung 50 zu erzeugen. Die resultierenden Signale können dann nach verschiedenen Abtastverfahren durch eine Wiedergabevorrichtung wiedergegeben werden^ um die Gewebestruktur des untersuchten Körperbereichs sichtbar zu machen. Wie die relativen Phasenlagen der ersten Demodulationssignale und der zweiten Demodulationssignale während der Dauer des Empfangs von Echos aus einem Gegenstandsbereich voreingestellt und die relativen Phasenlagen der ersten Demodulationssignale und der zweiten Demodulationssignale mit der Entfernung geändert werden, um eine kohärente Demodulation beizubehalten, wird nachstehend anhand von Fig. 5 beschrieben.

Fig. 5 zeigt ein Funktionsblockschaltbild eines Ultraschall-Abbildung s sy st ems βθ, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,, wie sie snhand von Fig. 2 beschrieben wurde, enthält. In den Fig. 2 und 5 sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Der Sender 61 erzeugt gleichzeitig Impulse geeigneter Dauer für alle Wandler der linearen Anordnung 11 zur Bildung eines Sendestrahlungsbündels, das längs der Mittelachse der Anordnung ausgerichtet ist. Die Frequenzen für den Betrieb des Senders 61 liefert ein Frequenzsynthesizer 63 (das ist ein Normalfrequenzgenerator mit Frequenzsynthese), der an einen Hauptoszillator 65 angeschlossen ist.

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Von mehreren Vorverstärkern 66 liegt je einer zwischen einem zugehörigen Wandler und einem zugehörigen I- und Q-Signalverarbeitungskanalpaar zur Erzeugung von Echosignalen mit für die Verarbeitung geeigneter Amplitude. Eine Zeitverstärkungssteuerschaltung 67 führt allen Verstärkern 66 ein Ausgangssignal zu, um die Amplituden der in den verschiedenen Wandlern der Anordnung 11 erzeugten Echosignale als Funktion der Entfernung auszugleichen und ihre Verarbeitung zu erleichtern. Die Zeitverstärkungssteuerschaltung 67 wird nach jeder ausgesendeten Ultraschall-Impulsfolge durch ein Anfangsstrahlsignal, das sie von einer Anfangsstrahl schaltung 68 erhält und mit den Impulsen des Senders 61 synchronisiert ist, ausgelöst. Das Anfangsstrahlsignal dient auch zur Auslösung von (die Frequenz durch 8 dividierenden) Zählern 77 und 78. Eine Anfangsvoreinstellungsschaltung, die mit Impulsen des Senders 61 synchronisiert ist, liefert ein Anfangsvoreinstellungssignal an einen Phasenvoreinstellungs-Festwertspeicher 72, in dem Phasenvoreinstellungsdaten zum Auslösen der Voreinstellung der Phasen der I- und Q-Wellenformgeneratoren des Systems gespeichert sind, wie nachstehend noch erläutert wird. Der I- und Q-Wellenformgenerator 75 liefert die Ausgangs signale, die von dem ersten Demodulations signalgenerator 26 und dem zweiten Demodulationssignalgenerator 42 nach Fig. 2 erzeugt werden. Der I- und Q-Wellenformgenerator 76 liefert die Ausgangssignale, die vom ersten Demodulationssignalgenerator 32 und zweiten Demodulationssignalgenerator 46 erzeugt werden. Eine Anfangsempfangsschaltung 69, die mit den Impulsen des Senders 61 synchronisiert ist, erzeugt ein Anfangsempfangssignal nach dem Auftreten eines Anfangsstrahlsignals, das zur Steuerung einer Phasenverschiebungssequenz für die Signalverarbeitungskanäle, die zu den verschiedenen Wandlern der Anordnung gehören, verwendet wird, wie nachstehend noch näher erläutert wird.

Im folgenden wird beschrieben, wie die oben erwähnten Funktionen verwirklicht werden. Zunächst wird betrachtet, wie die relativen Phasenlagen der ersten und zv/eiten Demodulationssignale in den verschiedenen Kanälen so voreingestellt werden, daß eine kohärente

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Demodulation für ein empfangenes Strahlenbündel mit einer bestimmten Nummer bewirkt wird. Die ersten und zweiten Demodulationssignale für das Echosignal vom Wandler 15-1 werden durch den I- und Q-Wellenformgenerator 75 erzeugt. Die ersten und zweiten Demodulationssignale für das Echosignal des Wandlers 15-2 werden vom I- und Q-Wellenformgenerator 76 erzeugt. Jedes der ersten und zweiten Demodulationssignale in jedem der Kanäle kann auf irgendeine von acht Phasenlagen voreingestellt werden, die relativ zueinander um 45° verschoben sind. Der Generator 75 wird durch den 1:8-Binärzähler 77 gesteuert. Der Generator 76 wird durch den 1:8-Binärzähler 78 gesteuert. Durch Voreinstellung des Zählers mittels eines zugehörigen 3-Bit-Wortes wird irgendeine von acht möglichen Phasenlagen ausgewählt. Die 3-Bit-Wörter werden aus dem Phasenvoreinstellungs-Festwertspeicher 71 ausgelesen. Im Festwertspeicher 71 sind mehrere 3-Bit-Wörter gespeichert, die jeweils die Phaseneinstellung eines zugehörigen I- und Q-Wellenformgerierators darstellen. Beim Auftreten eines Anfangsvorwählsignals am Ausgang der Anfangsvorwählschaltung 70, die vom Sender 61 nach jeder gesendeten Ultraschall-Impulsfolge ausgelöst wird, wird der Festwertspeicher 71 ausgelesen, um die entsprechende Voreinstellung der 1$8-Binärzähler aller Kanäle zu bewirken. Beim Auftreten des Anfangsstrahlsignals am Ausgang der Anfangsstrahlschaltung 68 werden die 1:8-Binärzähler 77 und 78 freigegeben. Dabei werden Impulse mit einer achtmal höheren Frequenz als die Frequenz der Echosignale, die in den Wandlern erzeugt werden, jedem der 1:8-Binärzähler 77 und 78 über zugehörige Inhibit-Tore 81 und 82 von einem Frequenzsynthesizer 83 zugeführt, der sein Eingangssignal vom Hauptoszillator 65 erhält. Nachdem eine Ultraschall-Impulsfolge gesendet worden ist, wird daher aus dem Phasenvoreinstellungs-Festwertspeicher 71 eine Information in jeden der 1:8-Binärzähler übertragen, die zu einem Signalverarbeitungskanal gehören, um erste und zweite Demodulationssignale mit der richtigen Phasenlage in be-

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zug auf die ersten und zweiten Demodulationssignale in den anderen Kanälen zu erzeugen und eine kohärente Demodulation der Echosignale in einer Anfangsentfernungszone des Gegenstandsbereichs zu ermöglichen. Da alle Kanäle die gleichen Taktsignale erhalten, "bleibt jede Differenz in den Phasenvoreinstellungszählwerten, die zu Beginn einer Abtastung vorliegen, während der gesamten Abtastung erhalten.

Wie bereits erwähnt wurde, muß zur Bildung der entsprechenden relativen Phasenlage der ersten und zweiten Demodulationssignale in den verschiedenen Signalverarbeitungskanälen in bezug zueinander die Phasenlage jedes der ersten und zweiten Demodulationssignale mit der Entfernung geändert werden, um diese relative Phasenlage beizubehalten. Wie sich die Phasenlage der ersten und zweiten Demodulationssignale jedes Kanals mit der Entfernung ändert, hängt von der Lage des Wandlers relativ zur Mitte der Wandleranordnung ab. Der Betrag, um den die Phasenlage der ersten und zweiten Demodulationssignale eines Kanals mit der Entfernung verschoben werden muß, um eine kohärente Demodulation des Echosignals zu erzielen, läßt sich leicht anhand der Gleichung (1) bestimmen. Die Verzögerungszeit T, ist eine Funktion der Entfernung R des betreffenden Wandlerelements x. . Die relative Verzögerungszeit T, läßt sich in eine Phasenvariable mit der Resonanzfrequenz der Wandler umformen, indem diese abhängige Variable durch die Periodendauer der Resonanzfrequenz der Wandler dividiert wird. Die Phasenverschiebung, die für ein bestimmtes Wandler element x. erforderlich ist, ändert sich daher umgekehrt mit der Entfernung R oder Zeit. Nachstehend wird erläutert, wie diese Beziehung zur Bildung der Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Entfernung für jeden der Signalverarbeitungskanäle herangezogen wird. Die Phasenverschiebung der ersten und zweiten Demodulationssignale eines Signalverarbeitungskanals wird durch Ausblenden oder Sperren eines Impulses einer Folge von Impulsen bewirkt, die den 1:8-Binärzählern, z.B. den Zählern 77 und 78, vom Frequenz synthe si ζ er 83 über Inhibit-Tore, z.B. die Inhibit-

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Tore 81 und 82, zugeführt werden. Jedem der InhiMt-Tore wird eine Folge von Bits aus dem Phasenverschiebungs-Festwertspeicher 72 zugeführt. Jedesmal, wenn sich ein Bit in sein Komplement, oder umgekehrt, ändert, wird ein Impuls am Durchgang durch das Inhibit-Tor zum 1:8-Binärzähler gehindert, so daß eine Phasenverschiebung des Binärzählers von 45° bewirkt wird. Der Phasenverschiebungs-Festwertspeicher 72 wird mit einer Folge von Wörtern in aufeinanderfolgenden Adressen versehen. Die Anzahl der Bits jedes Wortes ist gleich der Anzahl der Kanäle in dem System. Gleichnumerierte Bits in aufeinanderfolgenden Wörtern werden nacheinander einem entsprechenden Inhibit-Tor in Übereinstimmung mit der fortlaufenden Zählung des Adressenzählers 86 zugeführt. Der Adressenzähler 86 ist über ein Tor 87 mit einem Frequenzsynthesizer 88 verbunden, der vom Hauptoszillator 65 gesteuert wird. Der Frequenzsynthesizer 88 erzeugt ein Ausgangssignal mit einer bestimmten Frequenz, die der Geschwindigkeit entspricht, mit der das Strahlungsbündel (bzw. der Strahl) in den Objektbereich eindringt. Das Tor 87 sperrt den Durchgang des Ausgangssignals des Frequenzsynthesizers 88 zum Adressenzähler 86 vor dem Auftreten eines Anfangsempfangssignals am Ausgang der Anfangsempfangsschaltung 69. Beim Auftreten des Anfangsempfangssignals am Eingang des Tors 87 wird das Ausgangssignal des Frequenzsynthesizers 88 dem Adressenzähler 86 zugeführt. Die Geschwindigkeit, mit der der Adressenzähler 86 die Adressen durchläuft, hängt von der Frequenz des Ausgangssignals des Frequenzsynthesizers 88 ab.

Nachstehend wird die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 5 während eine,·} Impuls-Echo-Zyklus oder eine Betriebsperiode beschrieben. Unmittelbar bevor den Wandlern der Anordnung 11 vom Sender 61 gleichzeitig Einschalt- oder Erregungsimpulse zugeführt werden, wird der Phasenvoreinstellungs-Festwertspeicher 71 durch ein Anfangsvoreinstellungssignal der Anfangsvoreinst ellungsschaltung 70 adressiert und ausgelesen. Durch die ausgelesenen Daten werden die 1:8-Binärzähler 77 und 78, die jedem der Signalverarbeitungskanäle zugeordnet sind, auf einen Anfangs-

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zählwert eingestellt, der der für die Wandleranordnungsgeometrie geeigneten Phasenbeziehung entspricht. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die I- und Q-Wellenformgeneratoren 75 und 76 auf die richtige Phasenlage relativ zueinander eingestellt werden, um eine kohärente Demodulation von Echosignalen zu ermöglichen, die die Wandler der Anordnung aus dem untersuchten Nahfeld der Anordnung 11 empfangen.

Kurz nachdem die Einschaltimpulse des Senders 61 die Ultraschall-Impulsfolge der Anordnung 11 auslösen, wird ein Anfangsstrahlsignal von der Anfangsstrahlschaltung 68 erzeugt und der Zeitverstärkungssteuerschaltung 67 zugeführt, die die Verstärkung des Vorverstärkers 66 in Abhängigkeit von der Entfernung so regelt, daß die Amplituden der empfangenen Echosignale, die von den Wandlern der Anordnung erzeugt werden, ausgeglichen werden. Das Anfangsstrahlsignal gibt auch die 1:8-Binärzähler, z.B. die Zähler 77 und 78, frei, so daß ihr Zählbetrieb ausgelöst wird und die I- und Q-Wellenformgeneratoren, z.B. die Generatoren 75 und 76, freigegeben werden und die I- und Q-Wellenformen für die verschiedenen Kanäle der Vorrichtung erzeugen, um die verschiedenen Echosignale, die in den Kanälen erscheinen, kohärent zu demodulieren. Die Echosignale werden zuerst von Echos an den Gegenstandspunkten im Nahfeld der Anordnung erzeugt.

Kurz nach dem Anfangsstrahlsignal wird von der Anfangsempfangsschaltung 69 ein Anfangsempfangssignal erzeugt und dem Tor 87 zugeführt, das aufgetastet wird und die Übertragung des Ausgangssignals des Frequenzsynthesizers 88 zum Adressenzähler 86 freigibt, so daß letzterer mit einer Geschwindigkeit zu zählen beginnt, die durch die Frequenz des Ausgangssignals des Frequenzsynthesizers 88 bestimmt wird. Der Adressenzähler 86 zählt die Adressen des Phasenverschiebungs-Festwertspeichers 72 mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch, die bewirkt, daß die Inhibit-Tore, z.B. die Tore 81 und 82, Ausgangsimpulse des Fre-

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quenzsynthesizers 83 Tanterdrücken und dadurch die Phasenlage der 1:8-Binärzähler ändern. Das Verschieben der Phasenlagen der 1:8-Binärzähler ermöglicht es, die Phasenlagen der I- und Q-WeIlenformen aller Signalverarbeitungskanälen bei solchen Relativwerten zu halten, bei denen eine kohärente Demodulation der Echosignale beibehalten wird, die von Echos erzeugt werden, die an weiter von der Anordnung entfernten Gegenstandspunkten reflektiert werden. Die verarbeiteten Echosignale werden nach der Bewertung in den Summierverstärkern 35 und 49 summiert. Die Ausgangssignale der Summierverstärker 35 und 49 werden, nachdem sie jeweils in den Tiefpaßfiltern 37 und 52 gefiltert wurden, der Schaltung 51 zugeführt, die ein Ausgangssignal erzeugt, das proportional zur Quadratwurzel der Summe der Quadrate des Summensignals Σ I und des Summensignals SQ ist. Das Ausgangssignal der Schaltung 51 wird als Videosignal benutzt und weist Amplitudenänderungen auf, die der Echointensität in verschiedenen Entfernungen in Abhängigkeit von der Zeit entsprechen. Dieses Signal kann verschiedenen Wiedergabevorrichtungen, z.B. einem Oszilloskop, zugeführt werden, um die Amplitude des Signals in Abhängigkeit von der Zeit wiederzugeben und eine Sichtanzeige der Gegenstandspunkte, z.B. eines Körpergewebes, in Abhängigkeit von der Zeit und der Entfernung zu bewirken. Die Wandleranordnung kann an der Oberfläche des Körpers längs einer Linie verschoben werden, um verschiedene Teile der Körperlinie abzutasten, die im wesentlichen in der Ebene des Strahlungsbündels und der Linie liegen. Bei geeigneter Synchronisierung der Wiedergabevorrichtung mit der Verschiebung des Wandlers längs des Körpers läßt sich eine Zeit-Verschiebungs-Wiedergabe bewirken. Bei dieser Betriebsart ergibt allein die Verwendung der I-Kanal- oder Q-Kanal-Signalverarbeitungsschaltungen ein brauchbares Bild.

Die Wandler 15 der Anordnung 11 können irgendeine Resonanzfrequenz aufweisen. Vorzugsweise liegt die Resonanzfrequenz der Wandler 15 zwischen 2,0 und 5,0 Megahertz. Die Frequenz der I- und Q-Wellenformgeneratoren 75 und 76 und mithin die Frequenz

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der 1:8-Binärzähler 77 und 78 ist im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der Wandler 15. Die Frequenz des Ausgangssignals des Frequenzsynthesizers 83 beträgt das Achtfache der Grundfrequenz der 1:8-Binärzähler, also 18 Megahertz bei Wandlern mit einer Resonanzfrequenz, von 2,25 Megahertz. Vorzugsweise haben die vom Sender erzeugten Impulse eine Dauer von etwa zwei MikrοSekunden, innerhalb der mehrere Schwingungen im Wandler erzeugt werden, wenn sie durch diese eingeschaltet werden. Die Folgefrequenz der Senderimpulse liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 3 Kilohertz. Die Frequenz hängt von der Eindringtiefe und der Reflektion der Ultraschallschwingungen von Gegenstandspunkten im Gegenstandsbereich ab, in die die Ultraschallschwingungen durch die Wandleranordnung abgestrahlt werden. Der Frequenzsynthesizer 63 liefert die passende Frequenzinformation, die zur Erzeugung der Impulse mit dieser Dauer und Folgefrequenz durch den Sender 61 erforderlich ist. Die Frequenz des Ausgangssignals des Frequenzsynthesizers 88, der zur Phasenverschiebung verwendet wird, liegt im Bereich der Frequenz des Frequenzsynthesizers 83. Dieser Frequenzbereich sollte außerhalb des Videofrequenzbereiches oder eines dicht bei der Resonanzfrequenz der Wandler liegenden Frequenzbereiches liegen. Der Hauptoszillator 65 liefert Frequenzen, die um ein Vielfaches höher als die höchste Frequenz sind, die in dem System verwendet werden, um zu ermöglichen, daß die von den verschiedenen Frequenzsynthesizern erzeugten Frequenzen die gewünschten Werte aufweisen können.

Vorzugsweise hat die Anordnung 11 etwa 10 Wandlerelemente mit einer Breite von jeweils 0,95 Millimeter und mit mittleren Radien, die um ein Millimeter auseinanderliegen.

Die Fig. 6A und 6B zeigen eine andere Ringwandleranordnung 91 mit festem Brennpunkt, die anstelle der Wandleranordnung 11 in der Vorrichtung nach den Fig. 1A, 2 und 5 verwendet werden kann. Die Ringwandler anordnung 91 enthält ringförmige Wandler 92, die konzentrisch um eine Mittelachse 93 herum angeordnet sind und deren Radien von Wandler zu Wandler größer werden. Die

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Strahlungsflächen der Wandler 92 liegen in einer Ebene, die senkrecht zur Mittelachse 93 steht. Vor den Wandlern 92 ist eine akustische Linse 94 angeordnet, die aus einem Material, z.B. einem plastischen Kunststoff, besteht, in dem die Schallgeschwindigkeit größer als im Gegenstandsbereich ist, für den der Wandler benutzt werden soll, z.B. für Körpergewebe. Die Oberfläche der Linse 9k in der Nähe der AbStrahlungsfläche der Wandler 92 ist eben und die gegenüberliegende Fläche gekrümmt, so daß isochrone Bahnverzögerungen des Schalls von einem auf der Mittelachse 93 liegenden Brennpunkt bis zu allen Elementen 92 der Anordnung bewirkt werden.

Die Fig. 7A und 7B stellen noch eine andere Wandleranordnung 101 dar, die in der Vorrichtung nach den Fig. IA, 2 und 5 anstelle der Wandleranordnung 11 benutzt werden kann. Die Wandleranordnung 101 enthält ringförmige Wandler 102, die um eine Mittelachse 103 der Anordnung herum angeordnet sind und abgestufte Radien aufweisen. Die Strahlungsflächen der Wandler 102 liegen in einer Ebene, die senkrecht zur Mittelachse 103 steht. Die Wandler 102 haben eine solche Geometrie und einen solchen Abstand, daß die Strahlungsflächen aller Wandler im wesentlichen den gleichen Flächeninhalt aufweisen. Dieser Aufbau ergibt eine gute Ausnutzung der Signalverarbeitungskanäle, die für die Wandler benutzt werden sollen. Ein fester Brennpunkt, der auf der Mittelachse 103 liegt, wird dadurch bewirkt, daß Verzögerungsschaltungen 105 an alle Wandler angeschlossen sind. Die von jeder Verzögerungsschaltung 105 bewirkte Zeitverzögerung ist so gewählt, daß die aufgrund eines Echos vom Brennpunkt am Ausgang der Verzögerungsschaltungen erscheinenden Signale gleichzeitig auftreten.

Die Anwendung des beschriebenen Ultraschall-Abbildungssystems ist nicht auf die Abbildung des Aufbaus von menschlichem Körpergewebe für medizinische Diagnosezwecke beschränkt, sondern kann auch für andere Zwecke benutzt werden, z.B. zur Fehlerfeststellung in Gußstücken.

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Claims

Patentanwälte

Dr.-fog, Wilhslm Eeiehel

WpHng. Wmmj SsIcM

9354

GENERALELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y. VStA

Patentansprüche

Ultraschall-Abbildungssystem mit einer Einrichtung zum Erzeugen und Abstrahlen einer kurzzeitigen Ultraschall-Impulsfolge vorbestimmter Frequenz in einen Gegenstandsbereich und mit einer Anordnung aus mehreren ringförmigen, konzentrisch zueinander und einer Mittelachse der Anordnung angeordneten Wandlern, wobei die Anordnung ein Ultraschallecho der auf einen Gegenstandspunkt auf der Mittelachse im Gegenstandsbereich auftreffenden Ultraschallimpulsfolge empfängt, das vom Gegenstandspunkt erzeugte Echo in den Wandlern eine Gruppe aus Echosignalen erzeugt und der Auftrittszeitpunkt jedes der Echosignale eine Funktion des Abstands eines betreffenden Wandlers von dem Gegenstandspunkt ist, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Erzeugen mehrerer erster Demodulationssignale mit im wesentlichen derselben Frequenz wie die vorbestimmte Frequenz und verschiedenen relativen Phasenlagen, wobei die Phasenlage jedes ersten Demodulationssignals relativ zur Phasenlage eines zugehörigen Echosignals im wesentlichen auf den gleichen Wert eingestellt ist,

Einrichtungen zum Demodulieren der von den Wandlern gelieferten Echosignale mit Einrichtungen zum Mischen jedes Echosignals mit einem zugehörigen ersten Demodulationssignal zur Bildung eines zugehörigen ersten demodulierten Signals und

Einrichtungen zum Bewerten und Summieren der ersten Demodulatiönssignale zur Bildung eines ersten Summensignals.

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2. System nach Anspruch 1, · ν ·»»»■»»

gekennzeichnet durch

eine Einrichtung zur Bildung mehrerer zweiter Demodulationssignale mit im wesentlichen derselben Frequenz wie die vörbestimmte Frequenz, wobei jedes zweite Demodulationssignal um 90° gegenüber einem zugehörigen ersten Demodulationssignal phasenverschoben ist,

eine Einrichtung zum Demodulieren der von den Wandlern gelieferten Echosignale mit Einrichtungen zum Mischen jedes Echosignals mit einem zugehörigen zweiten Demodulationssignal zur Bildung eines zugehörigen zweiten demodulierten Signals,

Einrichtungen zum Bewerten und Summieren der zweiten demodulierten Signale zur Bildung eines zweiten Summensignals,

Einrichtungen zur Bildung eines resultierenden Signals, das im wesentlichen eine monotone Funktion der Summe des Quadrats des ersten Summensignals und des Quadrats des zweiten Summensignals ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem aufeinanderfolgende Echos von aufeinanderfolgenden Gegenstandspunkten, die auf der Mittelachse im Gegenstandsbereich liegen, erzeugt werden und aufeinanderfolgende Gruppen von Echosignalen in den Wandlern erzeugen,

gekennzeichnet durch

Einrichtungen zum Erzeugen aufeinanderfolgender Vielzahlen erster Demodulationssignale mit derselben Frequenz wie die vorbestimmte Frequenz und verschiedenen relativen Phasenlagen, wobei jede Vielzahl einer zugehörigen Gruppe aufeinanderfolgender Echosignale entspricht und die Phasenlage jedes ersten Demodulationssignals einer Vielzahl gegenüber der Phasenlage eines zugehörigen Echosignals einer entsprechenden Gruppe i.a wesentlichen auf denselben Wert eingestellt ist,

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Einrichtungen zum Demodulieren jeder Gruppe von Echosignalen, die von den Wandlern geliefert werden, zur Bildung einer zugehörigen Vielzahl erster demodulierter Signale mit Einrichtungen zum Mischen jedes Echosignals einer Gruppe mit einem zugehörigen ersten Demodulationssignal einer entsprechenden Vielzahl zur Bildung eines ersten demodulierten Signals einer entsprechenden Vielzahl und

Einrichtungen zum Bewerten und Summieren der ersten demodulierten Signale jeder Vielzahl zur Bildung eines zugehörigen ersten Summensignals.
4. System nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß entsprechende erste. Demodulationssignale aufeinanderfolgender Vielzahlen erster Demodulationssignale kontinuierlich in ihrer Phasenlage verändert werden, um eine gewünschte Phasenlage von demselben Wert in bezug auf die der entsprechenden Echosignale aufeinanderfolgender Gruppen von Echosignalen zu erzeugen.
5. System nach Anspruch 3 oder 4,
gekennzeichnet durch

zweite Einrichtungen zur Bildung aufeinanderfolgender Vielzahlen zweiter Demodulationssignale mit derselben Frequenz wie die vorbestimmte Frequenz, wobei jede Vielzahl der zweiten Demodulationssignale einer zugehörigen Vielzahl erster Demodulationssignale entspricht und jedes zweite Demodulationssignal einer Vielzahl gegenüber einem zugehörigen ersten Demodulationssignal einer entsprechenden Vielzahl um 90° phasenverschoben ist,

zweite Einrichtungen zum Demodulieren jeder Gruppe von Echosignalen, die von den Wandlern erzeugt werden, um eine zugehörige Vielzahl zweiter demodulierter Signale zu bilden, mit Einrichtungen zum Mischen jedes Echosig-

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nals einer Gruppe mit einem zugehörigen der zweiten Demodulationssignale einer entsprechenden Vielzahl zur Bildung eines zugehörigen zweiten demodulierten Signals einer entsprechenden Vielzahl,

Einrichtungen zum Bewerten und Summieren der zweiten demodulierten Signale jeder Vielzahl zur Bildung eines zugehörigen zweiten Summensignals und

Einrichtungen zur Bildung einer Vielzahl resultierender Signale, die jeweils eine im wesentlichen monotone Funktion einer zugehörigen Summe aus dem Quadrat eines zugehörigen ersten Summensignals und dem Quadrat eines zugehörigen zweiten Summensignals sind.
6. System nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß entsprechende erste Demodulationssignale aufeinanderfolgender Vielzahlen erster Demodulationssignale kontinuierlich in ihrer Phasenlage geändert werden, um die gewünschte Phasenlage von demselben Wert in bezug auf die der entsprechenden Echosignale aufeinanderfolgender Echosignalgruppen zu bilden, und daß entsprechende zweite Demodulationssignale aufeinanderfolgender Vielzahlen zweiter Demodulationssignale kontinuierlich in ihrer Phasenlage geändert werden, um die 90°- PhasenverSchiebung gegenüber entsprechenden ersten Demodulationssignalen aufeinanderfolgender Vielzahlen erster Demodulationssignale zu bewirken.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Pokussiereinrichtung zur Bildung eines festen Brennpunktes auf der Mittelachse der Anordnung aufweist, so daß erste Demodulationssignale, die aus Echosignalen gebildet sind, die durch ein von dem Brennpunkt erzeugtes Echo hervorgerufen wurden, gleichzeitig auftreten.

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8. System nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung eine Einrichtung zum Verzögern jedes der Echosignale aufweist, die durch ein vom Gegenstandspunkt erzeugtes Echo hervorgerufen werden, und zwar in negativer Beziehung zur Differenz im Abstand eines zugehörigen der Wandler vom Brennpunkt.
9. System nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung eine derartige Anordnung der Wandler aufweist, daß sie den gleichen Abstand vom Brennpunkt aufweisen, so daß gleiche Verzögerungszeiten bzw. Laufzeiten für einen Schallimpuls entstehen, der vom Brennpunkt zu allen Umformern der Anordnung übertragen wird.
10. System nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung eine Anordnung der Wandler in einer Ebene und eine daneben angeordnete konvergierende akustische Linse aus einem Material umfaßt, in dem die Schallgeschwindigkeit größer als im Gegenstandsbereich ist, so daß gleiche Verzögerungszeiten für einen Schallimpuls bewirkt werden, der vom Brennpunkt zu allen Wandlern der Anordnung läuft.
11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsflächen der ringförmigen Wandler in einer Ebene liegen und im wesentlichen gleiche Flächeninhalte aufweisen.

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