DE2920852A1 - Ultraschall-abbildungsanordnung - Google Patents

Description

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GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y., VStA

Ultraschall-Abbildungsanordnung

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Abbildungsanordnung und bezieht sich insbesondere auf die Signalverarbeitung in einer derartigen Anordnung und die Ausbildung des Gerätes.

Nach einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag der Anmelderin kann ein Ultraschall-Abbildungsgerät, das insbesondere auch zur Abbildung von Körpergeweben verwendbar ist, derart aufgebaut sein, daß eine Anordnung von Wandlern sowohl als Sender als auch als Empfänger dient. Die Resonanzfrequenz 3edes der einzelnen Wandler in der Anordnung ist im wesentlichen die gleiche. Die einzelnen Wandler der Anordnung werden der Reihe nach durch elektrische Impulse erregt, die Ultraschallimpulse erzeugen, die auch als Schallstöße oder Stoßwellen bezeichnet werden können und in der Sprache des Ursprungslandes gewöhnlich als "bursts" bezeichnet werden. Diese Ultraschallimpulse bestehen aus einigen Schwingungen der Resonanzfrequenz des betreffenden Wandlers. Die Ultraschallimpulse werden in den Raum oder den Gegenstandsbereich ausgestrahlt, der die Anordnung umgibt. Die Ultraschallimpulse treffen auf Gegenstandspunkte oder ein Körpergewebe in dem Gegenstandsbereich auf und erzeugen Echos, die reflektiert und von den einzelnen Wandlern der Anordnung empfangen werden. Diese erzeugen in den Wandlern elektrische Signale, die üblicherweise eine Dauer von wenigen Schwingungen haben. Die elektrischen Signale treffen an den Wandlern zu verschiedenen Zeiten ein, da die Laufzeiten des Echos von einem Gegenstandspunkt zu den Wandlern verschieden sind. Jedes Echo von einem Gegenstandspunkt erzeugt in den Wandlern eine Gruppe von elektrischen Echosi-

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gnalen und zwar Je ein elektrisches Echosignal in jedem Wandler. Die Zeit des Auftretens von jedem der Echosignale hängt von dem Abstand zwischen dem betreffenden Wandler und dem Gegenstandspunkt ab. Eine Anzahl oder ein Satz von ersten demodulierenden Signalen, die im wesentlichen die gleiche Frequenz haben wie die oben erwähnte vorbestimmte Frequenz, werden mit verschiedenen relativen Phasenlagen erzeugt, wobei die Phase jedes der ersten demodulierenden Signale im Verhältnis zu der Phase des betreffenden Echosignals im wesentlichen auf die gleiche Größe eingestellt ist. Die von den Wandlern abgegebenen Echosignale werden demoduliert und dabei wird jedes der Echosignale mit einem ersten demodulierenden Signale gemischt, um ein erstes demoduliertes Signal zu erhalten. Dabei sind Einrichtungen vorgesehen, um jedes der ersten demodulierten Signale um eine vorbestimmte Zeit zu verzögern, die dem Abstand zwischen dem betreffenden Wandler und dem Gegenstandspunkt entspricht, so daß die ersten demodulierten Signale im gleichen Zeitpunkt auftreten. Ferner ist ein erster Addierverstärker vorgesehen, der die verzögerten ersten demodulierten Signale addiert und ein erstes Summensignal bildet. Ferner wird eine Gruppe von zweiten demodulierenden Signalen mit im wesentlichen der gleichen Frequenz wie die vorbestimmte Frequenz gebildet. Jedes der zweiten demodulierenden Signale hat eine Phasenverschiebung von 90° gegenüber einem zugehörigen Signal der ersten demodulierenden Signale. Die Echosignale, die von den Wandlern abgegeben werden, werden in einer zweiten Demodulationsanordnung demoduliert, und dabei wird jedes der Echosignale mit einem der zweiten demodulierenden Signale gemischt, um ein zugehöriges zweites demoduliertes Signal zu bilden. In einer zweiten Verzögerungseinrichtung wird jedes der zweiten demodulierten Signale um ein entsprechendes vorbestimmtes Zeitintervall verzögert, das dem Abstand zwischen dem betreffenden Wandler und dem Gegenstandspunkt entspricht, damit jedes zweite demodulierte

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Signal im gleichen Zeitpunkt auftritt wie das entsprechende erste demodulierte Signal. Die verzögerten zweiten demodulierten Signale werden addiert, um ein zweites Summensignal zu erhalten. Die Anordnung enthält Einrichtungen zur Bildung eines resultierenden Signals, das eine monotone Funktion der Summe des Quadrates des ersten Summensignals und des Quadrates der zweiten Summensignals ist.

Bei einer derartigen Anordnung wird jedes der ersten demodulierten Signale und jedes der zweiten demodulierten Signale um eine vorbestimmte Zeit verzögert, die dem Abstand zwischen dem betreffenden Wandler und dem Gegenstandspunkt entspricht, damit die ersten demodulierten Signale und die zweiten demodulierten Signale im gleichen Zeitpunkt auftreten. Jede Zeitverzögerung kann in zwei Komponenten unterteilt werden. Eine kann als Strahlsteuerungszeitverzögerung und die andere als Fokussierzeitverzögerung bezeichnet werden. Die Strahlsteuerungszeitverzögerung kompensiert genau die Laufzeitdifferenzen, die bei ebener Wellenausbreitung auftreten und die Fokussierzeitverzögerungen kompensieren die Laufzeitdifferenzen von dem Gegenstandspunkt zu den verschiedenen Wandlern in der Anordnung. Die Steuerungszeitverzögerung ist für eine gegebene Winkelstellung des Strahls festgelegt, und die Fokussierungszeitverzögerung ist eine Funktion des Abstandes. Diese Verzögerungen werden durch Verzögerungsleitungen, wie z.B. CCD-Verzögerungsleitungen mit entsprechenden Eigenschaften erzeugt. Um den notwendigen Verzögerungsbereich zu bewältigen, sind lange Verzögerungsleitungen in Gebrauch und wenn verhältnismäßig häufige Änderungen in den Verzögerungen erforderlich sind, die durch die Verzögerungsleitungen geliefert werden, werden die Ausgangsgrößen durch Artefakte geändert, die die Güte der Anlage unter Umständen verschlechtern.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeiten zu "beseitigen und die Ultraschall-Abbildungsanordnung der oben angegebenen Art zu verbessern. Dabei wurde festgestellt, daß die Änderungen der Fokussierungsverzögerung, die erforderlich - sind, um eine genaue Zeitverzögerungsfokussierung über einen breiten Bereich zu erhalten, verhältnismäßig klein sind und daß die Anwendung eines Systems mit festem Brennpunkt in der gewünschten Zone gerechtfertigt ist.

Gemäß der Erfindung werden daher Fokussierungsanordnungen benutzt, die einen festen Brennpunkt in dem System erzeugen, so daß die ersten demodulierten Signale, die aus den Echosignalen gebildet werden und durch ein Echo am Brennpunkt erzeugt werden, gleichzeitig auftreten. Der Brennpunkt kann auf einer Linie liegen, die senkrecht zu der Anordnung steht und zwar in einem entsprechenden Abstand davon in der Zone oder in dem Sektor, aus dem oder der die Echos vorzugsweise aufgenommen werden sollen. Außerdem sind Einrichtungen vorgesehen, um jedes der ersten demodulierten Signale um ein entsprechendes vorbestimmtes Zeitintervall zu verzögern, das der Projektion des Abstandes zwischen dem betreffenden Wandler und dem Gegenstandspunkt, auf eine Achse zwischen dem Mittelpunkt der Anordnung und dem Gegenstandspunkt entspricht, so daß jedes der ersten demodulierten Signale im wesentlichen zur gleichen Zeit auftritt. Ferner ist eine zweite Verzögerungseinrichtung vorgesehen, um jedes zweite demodulierte Signal um ein entsprechendes vorbestimmtes Zeitintervall zu verzögern, das der Projektion des Abstandes zwischen dem betreffenden Wandler und dem Gegenstandspunkt auf eine Achse entspricht, die zwischen dem Mittelpunkt der Anordnung und dem Gegenstandspunkt liegt, so daß jedes der zweiten demodulierten Signale im wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt auftritt wie die ersten demodulierten Signale.

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Die Merkmale der Erfindung und ihrer Weiterbildung sind in den Kennzeichen der Ansprüche angegeben. Die Erfindung selbst sowie der Aufbau der Anordnung und die Wirkungsweise derselben gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, in der auch die Vorteile angegeben sind und in der ein Ausführungsbeispiel in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben wird.

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F i g . 1 ist ein Blockschaltbild, welches die Arbeitsweise der Ultraschall-Abbildungsanordnung veranschaulicht;

F i g . 2 ist ein Blockschaltbild, das Einzelheiten der Anordnung wiedergibt und zur Erläuterung der Grundlagen der Erfindung benutzt wird;

Fi g . 3A bis 3L sind Diagramme, welche die Amplitude von Spannungssignalen in Abhängigkeit von der Zeit darstellen, die an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 2 auftreten und zu dem I-Kanal gehören. Die Punkte, an denen die Signale der Fig. 3A bis 3L im Blockschaltbild der Fig. 2 erscheinen, sind in Fig. 2 durch entsprechende Buchstaben bezeichnet.

Fig . 4A bis 4L sind Diagramme von Spannungssignalen, welche die Amplitude in Abhängigkeit von der Zeit an verschiedenen Punkten der Schaltungsanordnung der Fig. 2 darstellen und die zu dem Q-Kanal gehören. Fig. 4M ist ein Diagramm des resultierenden Signals, das aus den Signalen 3L und 4L gebildet wird. Die Punkte, an denen die Signale der Fig. 4A bis 4M dem Blockschaltbild der Fig. auftreten, sind in Fig. 2 durch entsprechende Buchstaben mit Apostroph bezeichnet;

F i g . 5 ist ein ausführliches Blockschaltbild der Ultraschall-Abbildungsanordnung gemäß der Erfindung;

F i g . 6 zeigt eine gekrümmte Wandleranordnung mit festem Brennpunkt R₅. und

F i g . 7 ist eine ähnliche Darstellung wie Fig. 6, jedoch von einer geraden Wandleranordnung mit einer konvergenten akustischen Linsei

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In Pig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Ultraschall-Abbildungsanordnung 10 gemäß der Erfindung dargestellt. Die Ultraschall-Abbildungsanordnung 10 enthält eine Wandleranordnung 11, eine Diplexschaltung 12, einen Sender 13 und einen Empfänger 14. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Wandleranordnung 11 eine geradlinige Anordnung und enthält eine Anzahl von gleich beabstandeten Wandlern 15, deren Abstand von Mitte zu Mitte d beträgt. Die Wandleranordnung dient dabei sowohl als Sendeanordnung als auch als Empfangsanordnung. Der Sender 13 erzeugt eine Folge von elektrischen Impulsen 16, die über die Diplexschaltung 12 den Wandlern 15 zugeführt werden. Die Ultraschallimpulse, die in den Wandlern 15 erzeugt werden, werden in einen Gegenstandsbereich in der Nähe der Anordnung ausgestrahlt. Die Ultraschallimpulse werden bei dieser Anordnung in einen vorbestimmten Azimutbereich Oe nach der linearen Zeitfolge der Impulse 16 ausgestrahlt. Die Intensitätsänderung oder Amplitude der Ultraschallimpulse in Azimutrichtung um den Mittelpunkt der Anordnung wird auch als Strahl der Anordnung oder Strahlungskeule bezeichnet. Der Strahl 17 der Anordnung 11 hat eine Achse 18, die einen Winkel θ mit der Senkrechten 19 auf dem Mittelpunkt der Anordnung 11 einschließt. Die Beziehung zwischen den Zeitverzögerungs schritten T., die der Reihe nach zu jedem i-ten Signal von dem einen Ende (i=1) der Anordnung bis zum anderen Ende (i=n) addiert werden, um exakt die Laufzeitdifferenzen zu kompensieren, die bei ebener Wellenausbreitung auftreten, ist durch die folgende Beziehung gegeben:

_T „ (1-1)d sin θ _{9 (1)}

Wobei c die Geschwindigkeit des Ultraschalls in dem Gegenstandsbereich neben der Anordnung ist.

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Indem die Zeitverzögerung zwischen aufeinanderfolgenden Erregerimpulsen fortschreitend geändert wird, wird der Winkel θ auf der einen Seite der Senkrechten 19 schrittweise verändert, und der ausgesandte Strahl derart gesteuert, daß der Reihe nach Abtastzeilen, die das Bild zusammensetzen, erzeugt werden. Auf der anderen Seite der Senkrechten 19 wird die Zeitfolge der Erregerimpulse 16 umgekehrt, so daß die Wandler in umgekehrter Reihenfolge erregt werden. Die Echos, die durch die Ultraschallimpulse erzeugt werden, welche auf einen Gegenstand im Gegenstandsbereich auftreffen, z.B. auf einen Gegenstandspunkt 20, werden von den Wandlern J5 infolge der Unterschiede der Laufzeit vom Gegenstandspunkt 20 bis zu den Wandlern zu verschiedenen Zeitpunkten wahrgenommen. Die Echosignale, die in den Wandlern 15 durch die Echos erzeugt werden, gelangen über die Diplexschaltung 12 zu dem Empfänger 14, indem sie auf einen etwa konstanten Pegel verstärkt werden. Um die elektrischen Signale, die aus den Echos erzeugt werden, gleichzeitig zu addieren, werden Zeitverzögerungen in die Signalverarbeitungskanäle des Empfängers eingeführt, die mit den Wandlern 15 verbunden sind. Im Falle einer linearen oder geradlinigen Anordnung kann die Verzögerung, die in jedem Kanal, der einem Wandler zugeordnet ist, eingeführt wird, in zwei Komponenten unterteilt werden. Die eine Komponente ist eine Strahlsteuerungszeitverzögerung und die andere Komponente ist eine Fokussierzeitverzögerung. Die Strahlsteuerungsverzögerungen für den Empfang sind die gleichen wie die Strahlsteuerungszeitverzögerungen für die Sendung. Bei dem oben erwähnten vorgeschlagenen Gerät werden Fokussierzeitverzögerungen in Abhängigkeit von dem Abstand in jeden Kanal eingeführt, um die Lauf Zeitdifferenzen von einem Gegenstandspunkt bis zu den verschiedenen Wandlerstellungen der Anordnung auszugleichen. Die Fokussierverzögerungsinkremente oder Schritte für jeden Wandler sind durch die Gleichung

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- Φ" J cos² θ (2)

gegeben, wobei a der halbe Aperturabstand der Anordnung und R der Brennpunktabstand oder die Entfernung des Gegenstandspunktes ist, ferner

c = die Geschwindigkeit des Ultraschalls in dem Gegenstandsbereich,

"³^k. = der Abstand vom Mittelpunkt der Anordnung bis zum k-ten Element und

T_k = die Zeitverzögerung, die dem Signal von dem

k-ten Element zugeordnet ist, um die elektrischen Signale, die von einem Echo an dem Gegenstandspunkt, z.B. dem Gegenstandspunkt 20, erzeugt werden, kohärent zu addieren.

Es sei darauf hingewiesen, daß das Ultraschallecho zuerst an dem mittleren Wandler der Anordnung ankommt und zuletzt an den Endwandlern, so daß die größte Verzögerung für das Echosignal des in der Mitte befindlichen Wandlers vorgesehen wird. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Verzögerung für das Echosignal von einem Wandler mit dem Kosinusquadrat des Strahlwinkels sich ändert, wenn die scheinbare Breite der Apertur sich mit dem Kosinus des Strahlwinkels θ ändert. Bei dem oben erwähnten Gerät wird der Empfangsbrennpunkt dynamisch geändert, um dem Bereich, aus dem Echos während der Echoaufnahmeperiode empfangen werden, zu folgen. Es wurde nun gefunden, daß die Fokussierungsverzögerungen, die erforderlich sind, um eine genaue Zeitverzögerungsfokussierung über einen weiten Bereich zu erzeugen, verhältnismäßig klein sind und daß ein fester Brennpunkt in dem gewünschten Bereich durchaus genügt.

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Gemäß der Erfindung werden daher Einrichtungen vorgesehen, die insbesondere in Verbindung mit Fig. 2 und 5 näher beschrieben werden und die eine feste Fokussierung in dem System vorsehen. Die Impulse 16 werden periodisch mit einer Geschwindigkeit wiederholt, die als Wiederholungsfrequenz der Impulse bezeichnet wird, so daß entsprechende Echoimpulse von einem Gegenstandspunkt auf jeden der Wandler auftreffen, die dann Echosignale in den Kanälen des Empfängers erzeugen. Dadurch daß fortschreitend die Zeitverzögerung zwischen aufeinanderfolgenden Erregerimpulsen geändert wird und daß fortschreitend die Zeitverzögerung in Zuordnung zu den empfangenen Signalen geändert wird, ändert sich der Winkel θ des Strahls 17 schrittweise. Die am Ausgang des Empfängers auftretenden Signale werden auf einem (nicht dargestellten) Oszillographen sichtbar gemacht und liefern eine Darstellung, des Gegenstandsbereichs, der z.B. ein Teil eines menschlichen Körpers sein kann. Es können auch andere Wandleranordnungen benutzt werden, vorausgesetzt, daß die erforderliche Zeitverzögerungskompensation vorgesehen ist, um die Echos, die von einem Gegenstandspunkt herrühren, kohärent zu addieren.

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Pig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Gerätes zur Verarbeitung von Echosignalen in einer Ultraschall-Abbildungsanordnung gemäß der Erfindung. Das Gerät enthält eine Anordnung 11 von Wandlern 15» die im wesentlichen die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen. Zur Vereinfachung der Erläuterung ist die Anordnung 11 als geradlinige Anordnung dargestellt, sie kann aber auch eine andere geeignete Form aufweisen. Der Punkt 20 stellt einen Gegenstandspunkt in einem Gegenstandsbereich dar, der die Anordnung umgibt. Ein Impuls von mehreren Ultraschallschwingungen, der von der Anordnung erzeugt wird, trifft auf den Gegenstandspunkt 20 auf und erzeugt ein Echo. Man kann annehmen, daß der Impuls, der von mehreren Wandlern der Anordnung erzeugt wird, im Mittelpunkt der Anordnung entsteht. Das Echo wird von verschiedenen Wandlern der Anordnung zu verschiedenen Zeiten aufgenommen, je nach dem Abstand zwischen dem Gegenstandspunkt 20 und dem betreffenden Wandler. Ein Echo erzeugt also eine Gruppe von Echosignalen in den Wandlerelementen und zwar je eines in jedem Wandler. Es wird nun die Verarbeitung der Echosignale beschrieben, die in den Wandlern 15-1 und 15-2 erzeugt werden. Die an den anderen Wandlern erzeugten Echosignale werden in ähnlicher Weise verarbeitet. Der Wandler 15-1 liegt im Mittelpunkt der Anordnung und der Wandler 15-2 etwas oberhalb der Mitte der Anordnung. Die Linie 21 stellt die Bahn des Echos dar, das von dem Gegenstandspunkt 20 zum mittleren Wandler 15-1 läuft. Die Linie 22 stellt die Bahn des Echos dar, das von dem Gegenstandspunkt 20 zum Wandler 15-2 läuft.

Das in dem Wandler 15-1 erzeugte Echosignal wird als Echosignal Nr. 1 bezeichnet und das Echosignal des Wandlers 15-2 als Echosignal Nr. 2. Die Echosignale Nr. 1 und 2 sowie die weiteren Echosignale, die in den anderen Wandlern der Anordnung erzeugt werden, werden in einem Signalverarbeitungskanal verarbeitet, der als I-Kanal bezeichnet wird. Jeder der I-Kanäle dient zur Demodulation, Filterung und

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Verzögerung. Jedes der Echosignale Nr. 1 und 2 sowie die anderen Echosignale, die in den anderen Wandlern der Anordnung erzeugt werden, werden auch in einem Q-Signalverarbeitungskanal verarbeitet und zwar ebenfalls demoduliert, gefiltert und verzögert. Das in jedem der Q-Kanäle benutzte demodulierende Signal hat eine 9O°-Phasenbeziehung gegenüber dem demodulierenden Signal, das bei der Demodulation in dem I-Kanal benutzt wird. Die verzögerten Signale in den !-Kanälen werden kohärent addiert, um ein erstes Summensignal zu erhalten und die verzögerten Signale in den Q-Kanälen werden ebenfalls kohärent addiert, um ein zweites Summensignal zu erhalten. Aus dem ersten Summensignal und dem zweiten Summensignal wird ein resultierendes Signal gebildet, welches die Reflektion von dem Gegenstandspunkt 20 darstellt.

Es wird nun auf die Diagramme der Fig. 3A bis 3L Bezug genommen. Die Punkte, an denen die Signale der Fig. 3A bis 3L in dem Blockschaltbild der Fig. 2 auftreten, sind in Fig. 2 durch den Buchstaben des betreffenden Signals bezeichnet. Das Echosignal Nr. 1, das in dem Wandler 15-1 erzeugt wird, ist in Fig. 3A dargestellt. Die Spitze des Echosignals Nr. 1 tritt in einem Zeitpunkt t^ nach dem Zeitpunkt t_Q auf, der die Spitze der von der Anordnung ausgestrahlten Ultraschallschwingung bezeichnet. Die Zeit des Auftretens t^ der Spitze des Echosignals Nr. hängt von dem Abstand 21 zwischen dem Gegenstandspunkt 20 und dem Wandler 15-1 ab. Das Echosignal Nr. 1 wird einem ersten Demodulator 25 zugeführt, dem von einem Generator ein erstes demodulierendes Signal Nr. 1 nach Fig. 3B zugeführt wird. Das erste demodulierende Signal Nr. 1 und die anderen ersten demodulierenden Signale, auf die in der Beschreibung Bezug genommen wird, haben eine Grundfrequenz, die im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz des Wandlers ist. Während der Schwingungsverlauf des ersten demodulierenden Signals als Sinuswelle dargestellt ist, können

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auch andere Schwingungsverläufe, z.B. Rechteckwellen, benutzt werden. Das erste demodulierende Signal Nr. 1 hat eine Phasenverzogerung gegenüber dem Echosignal Nr. 1, die mitου bezeichnet ist. Der erste Demodulator 25 liefert an seinem Ausgang ein erstes demoduliertes Signal Nr. 1 nach Fig. 3E, welches das Produkt des Echosignals Nr. 1 und des ersten demodulierenden Signals Nr. 1 darstellt. Das erste demodulierte Signal Nr. 1 wird einem Tiefpaßfilter 27 zugeführt, das die Hülle der Schwingung nach Fig. 3G bildet. Eine Verzögerungsleitung 38 verzögert das ausgesiebte erste demodulierte Signal Nr. 1 um einen vorbestimmten Betrag, so daß in ähnlicher Weise verarbeitete I-Kanalsignale von anderen Wandlern der Anordnung im gleichen Zeitpunkt auftreten und daher kohärent addiert werden können. Das verzögerte ausgesiebte erste demodulierte Signal Nr. 1 ist in Fig. 3J dargestellt und wird als erstes verzögertes Signal Nr. 1 bezeichnet.

Das Echosignal Nr. 2 des Wandlers 15-2 ist in Fig. 3C dargestellt. Die Spitze des Echosignals Nr. 2 tritt in einem Zeitpunkt t₂ nach dem Zeitpunkt t_Q auf, der die Spitze des von der Anordnung ausgestrahlten Ultraschallimpulses bezeichnet. Die Zeit des Auftretens t₂ der Spitze des Echosignals Nr. 2 hängt von dem Abstand 22 zwischen dem Gegenstandspunkt 20 und dem Wandler 15-2 ab. Das Echosignal Nr. 2 wird einem Demodulator 31 zugeführt, der von einer Signalquelle 32 ein erstes demodulierendes Signal Nr. 2 nach Fig. 3D erhält. Das erste demodulierende Signal Nr. 2 hat eine -Phasennacheilung gegenüber dem Echosignal Nr. 2, die mitcO bezeichnet ist, wobei die gleiche Phasenverzogerung benutzt wird wie beim Echosignal Nr. 1 und dem ersten demodulierenden Signal Nr. 1. Um diese Bedingung zu erfüllen, wird die Phase des ersten demodulierenden Signals Nr. 2 gegenüber der Phase des ersten demodulierenden Signals Nr. 1 um einen Betrag geändert, der von der Laufzeitdifferenz der Bahnen 21 und 22 abhängt. Das erste de-

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modulierte Signal Nr. 2, das in Fig. 3F dargestellt ist, tritt am Ausgang des ersten Demodulators 31 auf und stellt das Produkt des Echosignals Nr. 2 und des ersten demodulierenden Signals Nr. 2 dar. Nach der Aussiebung durch das Tiefpaßfilter 33 erhält man die Hülle des ersten demodulierten Signals Nr. 2 nach Fig. 3H. Das erste demodulierte Signal Nr. 2 wird durch eine Verzögerungsleitung 34 so verzögert, daß es im gleichen Zeitpunkt auftritt wie das verzögerte gefilterte erste demodulierte Signal Nr. 1 und die anderen verzögerten gefilterten ersten demodulierten Signale des I-Kanals. Das verzögerte gefilterte erste demodulierte Signal Nr. 2 ist in Fig. 3K dargestellt und wird als erstes verzögertes Signal Nr. 2 bezeichnet.

Das erste verzögerte Signal Nr. 1 und das erste verzögerte Signal Nr. 2 werden in einem Addierverstärker 35 addiert, um ein erstes Summensignal nach Fig. 3L zu bilden. Die in jedem der anderen Wandler der Anordnung erzeugten Signale werden in ähnlicher Weise verarbeitet und addiert, wie durch den Pfeil 36 angedeutet ist, um am Ausgang des Addierverstärkers 35 ein Signal X I großer Amplitude zu erhalten, das Beiträge oder Anteile von allen Echosignalen enthält, die in den Wandlern der Anordnung für das erste Summensignal gebildet werden.

Es wird nun auf die Fig. 4A bis 4M Bezug genommen. Der Punkt des Auftretens eines Signals der Fig. 4A bis 4M im Blockschaltbild der Fig. 2 ist in Fig. 2 durch einen Buchstaben bezeichnet, der mit einem Apostroph versehen ist.

Das Echosignal Nr. 1, welches in dem Wandler 15-1 erzeugt wird, ist in Fig. 4A dargestellt. Wie in Verbindung mit Fig. 3A erwähnt wurde, tritt die Spitze des Echosignals Nr. 1 in einem Zeitpunkt t^ auf, der nach dem Zeit-

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punkt t₀ liegt, an dem die Spitze des Ultraschallimpulses ausgestrahlt wird· Die Zeit des Auftretens t^ der Spitze des Echosignals Nr· 1 hängt von dem Abstand 21 zwischen dem Gegenstandspunkt 20 und dem Wandler 15-1 ab. Das Echosignal Nr. 1 wird einem zweiten Demodulator 41 zugeführt, dem eine Signalquelle 42 ein zweites demodulierendes Signal Nr. 1 nach Fig. 4B zuführt. Das zweite demodulierte Signal Nr. 1 und die anderen zweiten demodulierten Signale, auf die in dieser Beschreibung Bezug genommen wird, haben eine Grundfrequenz, die im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der Wandler ist. Während die Schwingungsform der zweiten demodujierenden Signale als Sinusform dargestellt ist, können auch andere Schwingungsformen, z.B. Rechteckschwingungen, benutzt werden. Das zweite demodulierende Signal Nr. 1 ist so eingestellt, daß es eine Phasenverschiebung von 90° gegenüber dem ersten demodulierenden Signal Nr. 1 hat, d.h., daß es um c^+ 90° gegenüber der Phase des Echosignals Nr. 1 nacheilt. Der zweite Demodulator 41 erzeugt an seinem Ausgang ein zweites demoduliertes Signal Nr. 1 nach Fig. 4Ξ, das dem Produkt des Echosignals Nr. 1 und des zweiten demodulierenden Signals Nr. 1 entspricht. Das zweite demodulierte Signal Nr. 1 wird dem Tiefpaßfilter 43 zugeführt, das die Hüllenkurve nach Fig. 4G liefert. Die Verzögerungsleitung 44 verzögert das zweite demodulierte Signal Nr. 1 um einen vorbestimmten Betrag, so daß ähnlich verarbeitete Q-Kanalsignale von anderen Wandlern der Anordnung im gleichen Zeitpunkt auftreten und daher kohärent addiert werden können. Das verzögerte gefilterte zweite demodulierte Signal Nr. 1 ist in Fig. 4J dargestellt und als zweites verzögertes Signal Nr. 1 bezeichnet.

Das Echosignal Nr. 2 des Wandlers 15-2 isu in Fig. 4C dargestellt. Wie in Verbindung mit Fig. 3C erwähnt wurde, tritt die Spitze des Echosignals Nr. 2 in einem Zeitpunkt tp nach dem Zeitpunkt t_Q auf, in dem die Spitze der Ultraschallimpulse durch die Anordnung ausgestrahlt wird. Die

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Zeit des Auftretens t₂ der Spitze des Echosignals Nr. 2 hängt von dem Abstand 22 zwischen dem Gegenstandspunkt und dem Wandler 15-2 ab. Das Echosignal Nr. 2 wird einem zweiten Demodulator 45 zugeführt, der von einer Signalquelle 46 ein zweites demodulierendes Signal Nr. 2 nach Fig. 4D erhält. Das zweite demodulierende Signal Nr. 2 ist so eingestellt, daß es um 90° gegenüber der Phase des ersten demodulierenden Signals Nr. 2 nacheilt und eine Phasenverzögerung di + 90° gegenüber dem Echosignal Nr. hat. Das zweite demodulierte Signal Nr. 2 nach Fig. 4F tritt am Ausgang des zweiten Demodulators 45 auf und stellt das Produkt des Echosignals Nr. 2 und des zweiten demodulierenden Signals Nr. 2 dar. Das zweite demodulierte Signal Nr. 2 wird einem Tiefpaßfilter 47 zugeführt, das die Hülle des zweiten demodulierten Signals Nr. 2 nach Fig. 4H liefert. Eine Verzögerungsleitung 48 bewirkt eine vorbestimmte Verzögerung des ausgesiebten zweiten demodulierten Signals Nr. 2, so daß ähnlich verarbeitete Q-Kanalsignale von anderen Wandlern der Anordnung im gleichen Zeitpunkt auftreten und daher kohärent addiert werden können. Das verzögerte ausgesiebte zweite demodulierte Signal Nr. 2 ist in Fig. 4K dargestellt und wird als zweites verzögertes Signal Nr. 2 bezeichnet.

Das zweite verzögerte Signal Nr. 1 und das zweite verzögerte Signal Nr. 2 werden in einem Addierverstärker 49 addiert und liefern ein zweites Summensignal nach Fig. 4L. Die in jedem der anderen Wandler der Anordnung erzeugten Echosignale werden in ähnlicher Weise verarbeitet und addiert, wie dies durch den Pfeil 50 angedeutet ist, um am Ausgang des Addierverstärkers 49 ein Signal Σ Q großer Amplitude zu erzeugen, welches die Beiträge von allen Echosignalen darstellt, die in den Wandlern der Anordnung für das zweite Summensignal erzeugt werden.

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Das erste Sumraensignal am Ausgang des Addierverstärkers 35 und das zweite Summensignal am Ausgang des Verstärkers 49 werden einer Schaltung 51 zugeführt, die ein resultierendes Signal erzeugt, das eine monotone Funktion der Summe des Quadrates des ersten Summensignals und des Quadrates des zweiten Summensignals ist. Die Schaltung liefert ein resultierendes Signal, das proportional der Quadratwurzel der Summe aus dem Quadrat des ersten Summensignals und dem Quadrat des zweiten Summensignals ist. Die Schaltung 51 liefert ein resultierendes Signal, dessen Amplitude unabhängig von der Phaseneinstellung der ersten demodulierenden Signale mit Bezug auf die betreffenden Echosignale sind und ebenfalls unabhängig von der Einstellung der zweiten demodulierenden Signale im Verhältnis zu den betreffenden Echosignalen, da jedes zweite demodulierende Signal eine Phasenverschiebung von 90° gegenüber einem zugehörigen ersten demodulierenden Signal hat. Dieses Ergebnis ist ohne weiteres verständlich, wenn man das folgende Beispiel betrachtet. Da das erste demodulierende Signal Nr. 1 der Fig. 3B eine Phasennacheilung gegenüber dem Echosignal Nr. 1 der Fig. 3A um <^ ° hat, ist die Spitzenamplitude des ersten demodulierten Signals Nr₀ 1 der Fig. 3E gleich dem Cosinus dJ mal dem Maximalwert, den das erste demodulierte Signal Nr. 1 je nach der Situation haben kann, in der das erste demodulierende Signal Nr. 1 der Fig. 3B sich in Phase mit dem Echosignal Nr. 1 der Fig. 3A befindet. Da das zweite demodulierende Signal Nr. der Fig. 4B dem Echosignal Nr. 1 um (ck + 90°) nacheilt, kann die Amplitude des zweiten demodulierten Signals Nr. 1 der Fig. 4E den Wert Cosinus (©C + 90°) mal der maximalen möglichen Amplitude haben, die das zweite demodulierte Signal Nr. 1 je nach der Lage haben kann, in der das zweite demodulierende Signal Nr. 1 sich in Phase mit dem Echosignal Nr. 1 befindet. Um den Maximalwert des ersten demodulierten Signals Nr. 1 zu erhalten, ist es lediglich notwendig, die Quadratwurzel der Summe der Quadrate des

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ersten demodulierten Signals Nr. 1 und des zweiten demodulierten Signals Nr. 1 zu bilden. Da der Wert ν cos Λ + cos (el* + 90°) unabhängig voncfc ist und gleich 1 ist, ist es klar, daß der Maximalwert des ersten demodulierten Signals proportional der Spitze des Echosignals Nr. 1 ist. Da jedes der anderen Echosignale in der gleichen Weise verarbeitet wird, ist es klar, daß das für das obige Beispiel dargestellte Ergebnis auch für das erste Summensignal ΣI und für das zweite Summensignal21Q gilt. In Fig. 3A bis 3D sind die Phasenverschiebungen oder Winkelsummen als 60° dargestellt. In Fig. 4A bis 4D ist der Winkeldu mit 60° angegeben. Indem man zwei I- und Q-Kanäle für die Verarbeitung jedes Echosignals benutzt, erhält man ein resultierendes Signal, das unabhängig von dem Winkel <λ» ist» Um jedoch eine Auslöschung zu verhindern, wenn die Summensignale gebildet werden, muß der WinkeldL/ für jedes erste demodulierende Signal und ein zugehöriges Echosignal im wesentlichen der gleiche sein. Dieses Ergebnis wird dadurch erreicht, daß die Phase jedes ersten demodulierenden Signals mit bezug aufeinander so gewählt ist, daß die Beziehung jedes ersten demodulieren-, den Signals mit bezug auf ein entsprechendes Echosignal im wesentlichen die gleiche ist. Die Phaseneinstellung jedes ersten demodulierenden Signals ist unabhängig von dem Abstand zwischen dem Gegenstandspunkt 20 und dem betreffenden Wandler. Da jedes zweite demodulierende Signal eine 90°-PhasenverSchiebung mit bezug auf das erste demodulierende Signal hat, erhält man automatisch die richtige Phasenbeziehung für jedes der zweiten demodulierenden Signale.

Im folgenden wird nun näher erläutert, wie das Gerät auf Gegenstandspunkte in der Nähe des Gegenstandspunktes 20 anspricht. Wenn man in Fig. 2 einen Nachbarpunkt 35 betrachtet, der den gleichen Abstand von der

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Anordnung wie der Gegenstandspunkt 20 hat, aber seitlich gegenüber dem Gegenstandspunkt 20 auf einem Bogen versetzt ist, dessen Mittelpunkt im Wandler 15-1 liegt, so erhält man eine Bahn zum Wandler 15-1 von gleicher Länge und das Signal, das von dem Nachbarpunkt 53 ankommt, hat den gleichen Phasenwinkel c*» gegenüber der demodulierenden Schwingung, die in dem Demodulator 25 für das Signal vom Punkt 20 benutzt wird. Die Signale der anderen Wandler, z.B. eines Wandlers 15-2, kommen jedoch mit verschiedenen Phasenverschiebungen an, im Vergleich zu dem Signal von Punkt 20, weil die Abstände 161 und 162 nicht die gleiche Länge haben. Der Phasenwinkel zwischen dem Signal, das vom Punkt 55 den Wandler 15-2 erreicht und das demodulierende Signal, welches dem ersten Demodulator 31 zugeführt wird, haben daher nicht den gleichen Winkel cO. Der tatsächliche Phasenverschiebungswinkel ändert sich daher mehr oder weniger gleichförmig mit der Lage des Wandlers. Für jeden einzelnen Wandler ändert sich daher die Ausgangsgröße des betreffenden Demodulators nach Amplitude und Polarität je nach der Lage des Wandlers. Diese Änderungen in Größe und Vorzeichen werden in den Tiefpaßfiltern 27 und 33 und den Verzögerungsleitungen 28 und 34 aufrecht erhalten. In dem Addierverstärker 35 werden die Signale, die von allen Wandlern herkommen, algebraisch addiert und da sie mehr oder weniger gleichförmig nach Größe und Polarität schwanken, ist der Nettoanteil der Echosignale, die von einem Echo des Nachbarpunktes 55 herrühren, sehr klein. Eine ähnliche Betrach- ■ tung führt dazu, daß auch die Echosignale von dem Gegenstandspunkt 55, die in den Q-Kanälen verarbeitet werden, hinsichtlich ihres Beitrags zur Ausgangsgröße des Addierverstärkers sehr klein sind.Wenn man daher eine kohärente Phasendemodulation der Echosignale in Verbindung mit der Verzögerung und Addition der demodulierten Signale benutzt, ergibt sich eine vorzügliche Abweisung von Echosignalen von Punkten in der Nähe des Gegenstandspunktes 20,

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und man erhält eine hohe Auflösungsgenauigkeit. Echosignale, die in der Wandleranordnung durch Gegenstandspunkte erzeugt werden, die sich in der Bereichszone des eingestellten Gegenstandspunktes befinden, jedoch demgegenüber versetzt sind, werden im Mittel am Ausgang des Addierverstärkers ausgeglichen infolge der kohärenten Phasendemodulation und der kohärenten Summenbildung. Die Empfindlichkeitskurve der Anlage gegenüber Echos, die im Azimut von dem Brennpunkt versetzt sind, wird als Empfangsstrahl bezeichnet. Da außerdem die Ultraschallimpulse in Form eines schmalen Strahles ausgestrahlt werden und auch die von den Wandlern der Anordnung aufgenommenen Echos verzögert und addiert werden, so daß sie einem schmalen Strahl entsprechen, liefert eine Winkelabweichung eines Gegenstandspunktes von der Achse des Strahls Echos am Videoausgang, die stark gedämpft sind und zwar sowohl, weil die volle Intensität des Strahles nicht auf einen derartigen Gegenstandspunkt gerichtet ist als auch weil der Empfangsstrahl nicht auf einen derartigen Gegenstandspunkt orientiert ist.

Um eine richtige Arbeitsweise des Geräts zait der in Fig. 2 dargestellten Schaltung zu erreichen, sollte die Phasenlage jedes ersten demodulierenden Signals mit bezug auf die Phasenlage eines zugehörigen Echosignals im wesentlichen die gleiche für alle Signalpaare sein. Die Phasenlage der zweiten demodulierenden Signale ist durch die Phasenlage der ersten demodulierenden Signale bestimmt. Ein Gegenstandspunkt in einer anderen Entfernung würde eine andere relative Phasenlage der ersten demodulierenden Signale erfordern und auch der zweiten demodulierenden Signale, um eine günstigste Ausgangsgröße am Ausgang der Additionsverstärker 35 und 49 zu erreichen. Für kleine Abweichungen der Entfernung von der Entfernung des Gegenstandspunktes 20 ändern sich die Phasenerfordernisse der ersten demodulierenden Signale und der zweiten demodulie-

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renden Signale nicht so weit, daß sich eine bemerkenswerte Abweichung der Arbeitsweise von derjenigen Arbeitsweise ergibt, die man erhält, wenn ideale relative Phasenlagen benutzt werden. An einem Punkt, der jedoch in der Entfernung von dem Gegenstandspunkt 20 hinreichend abweicht, können die sich ändernden Beziehungen der Laufzeiten zu den Wandlern einen Grenzwert erreichen und es ist dann notwendig, eine neue Gruppe von relativen Phasenbeziehungen für die ersten und zweiten demodulierenden Signale vorzusehen, um annähernd ideale Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten. Diese neue Gruppe von relativen Phasenbeziehungen würde für einen Bereich gelten, über den hinaus eine weitere Gruppe von Phasenbeziehungen geschaffen werden müßte. Wenn die ültraschallimpulse tiefer in den Gegenstandsbereich eindringen, muß der anvisierte Gegenstandspunkt den Impulsen nachfolgen, indem die Phasenbeziehungen der demodulierenden Signale in einzelnen Schritten oder kontinuierlich eingestellt werden. Die Art und Weise, in der die Phasenlagen der ersten und zweiten demodulierenden Signale neu eingestellt werden können, um den verschiedenen Ansprüchen für die relative Phasenein^· stellung zu entsprechen, wird in Verbindung mit dem Blockschaltbild der Fig. 5 näher erläutert.

Die Steuerung eines Empfangsstrahls in einer bestimmten Richtung, wie z.B. entlang der Linie 21, erfordert außer der Auswahl der richtigen Phasenbeziehungen der demodulierenden Signale auch, daß die Zeitverzögerungen in jedem der I- und Q-Kanäle entsprechend der Gleichung (1) für eine geradlinige Wandleranordnung gewählt werden. Um einen bestimmten Gegenstandspunkt in der Richtung des gesteuerten Emp— fangsstrahls anzuvisieren, ist jeder I-Kanal und jeder Q-Kanal außerdem mit einer entsprechenden Fokussierungsverzögerung versehen, wie dies in Verbindung mit Gleichung (2) beschrieben wird.

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Aufeinanderfolgende Echos, die von aufeinanderfolgenden Gegenstandspunkten aufgenommen werden, die fortschreitend in größeren Entfernungen von der Anordnung liegen, erzeugen aufeinanderfolgende Gruppen von elektrischen Signalen in den Wandlern der Anordnung 11. Aufeinanderfolgende Gruppen von ersten demodulierenden Signalen und zweiten demodulierenden Signalen werden mit der entsprechenden relativen Phasenlage, wie oben beschrieben, erzeugt. Außerdem werden die Steuerungsverzögerungen in den I-Kanälen und den Q-Kanälen in der oben beschriebenen Weise geändert. Die resultierenden Signale, die an dem Ausgang der Schaltung 51 auftreten, enthalten Elemente, die den Echos von den aufeinanderfolgenden Gegenstandspunkten entsprechen.

Eine Anzahl oder ein Satz von Ultraschallimpulsen kann der Anordnung zugeführt werden, um eine Anzahl oder einen Satz von Echosignalen und eine Anzahl oder einen Satz von resultierenden Signalen am Ausgang der Schaltung 51 zu erhalten. Außerdem können die Winkel des Sendestrahls und des EmpfangsStrahls nach jedem Impuls schrittweise verändert werden, so daß eine Abtastung von dem einen äußersten Winkel auf der einen Seite der Anordnung Ms zum anderen äußersten Winkel auf der anderen Seite erfolgt und entsprechende resultierende Signale erhalten werden» Die resultierenden Signale können dann nach verschiedenen Abtastweisen auf einer Sichtvorrichtung sichtbar gemacht werden, um eine sichtbare Darstellung der Struktur des Körpergewebes innerhalb des Bildfeldes zu geben. Genügend hohe Wiederholungsgeschwindigkeiten können dabei benutzt werden, um auch eine visuelle Darstellung von Gegenstandsbewegungen in dem menschlichen Körper zu liefern.

Die Art und Weise, in der die relativen Phasen der ersten demodulierenden Signale und der zweiten demodulie-

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renden Signale während der Empfangsperiode der Echos aus einem Gegenstandstiereich eingestellt werden und die Art und Weise, in der die relativen Phasenlagen der ersten demodulierenden Signale und der zweiten demodulierenden Signale in Abhängigkeit von der Entfernung geändert werden, um eine kohärente Demodulation aufrechtzuerhalten, werden in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben. Die Art und Weise, in der die Zeitverzögerungen der I- und Q-Kanäle eingestellt werden, um Empfangsstrahlen unter verschiedenen Winkeln zu erhalten, die auf verschiedene Entfernungen fokussiert werden, sollen ebenfalls in Verbindung mit Fig. 5 erläutert werden.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Ultraschall-Abbildungsanordnung 60, die in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben worden ist. Die Schaltelemente der Fig. 5, die mit denen der Fig. 2 übereinstimmen, haben die gleichen Bezugszeichen. Ein Sender 61 liefert Impulse der gewünschten Dauer und Zeitlage an die Wandler der geradlinigen Anordnung 11, um einen Sendestrahl . zu bilden, der nach einer Anzahl von verschiedenen Richtungen ausgestrahlt werden kann. Jeder Richtung des Strahls ist eine Strahlzahl zugeordnet. Strahlzahlen zur Steuerung der Richtung des SendeStrahls werden dem Sender 61 von einer Strahlzahlsteuerungsschaltung 62 zugeführt. Die Frequenzen zur Betätigung des Senders 61 und der Strahlzahlsteuerung 62 werden von Frequenzsyntheseschaltungen 63 und 64 geliefert, die mit einem Hauptoszillator 65 verbunden sind.

Eine Anzahl von Vorverstärkern 66 sind je mit einem Wandler und einem zugehörigen Paar von I- und Q-Signalverarbeitungskanälen verbunden, um Echosignale gewünschter Amplitude zur Verarbeitung zu liefern. Eine Verstärkungssteuerungsschaltung 67 liefert ein Ausgangssignal an jeden der Vorverstärker 66, um die Amplituden der Echosignale von den verschiedenen Wandler der Anordnung 11 als Funktion der Entfernung zu vergleichmäßigen, um die Verarbei-

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tung zu erleichtern. Die Ver stärkungssteuerungsschaltung 67 wird nach jedem ausgestrahlten Ultraschallimpuls durch ein Strahlstartsignal aktiviert, das von einer Strahlstartschaltung 68 geliefert wird und mit den Impulsen des Senders 61 synchronisiert ist. Das Strahl start signal wird auch dazu verwendet, um die Voreinstellung der Phasenlagen der I- und Q-Signalgeneratoren der Anordnung einzuleiten, wie weiter unten noch erläutert wird. Die I- und Q-Signalgeneratoren 65 liefern die Ausgangsgrößen, die von dem ersten demodulierenden Signalgenerator 25 und dem zweiten demodulierenden Signalgenerator 41 der Fig. 2 geliefert werden. Der I- und Q-Signalgenerator 76 liefert die Ausgangsgrößen, die von dem ersten demodulierenden Signalgenerator 26 und dem zweiten demodulierenden Signalgenerator 25 geliefert werden. Eine Empfangsstartschaltung 69, die mit den Impulsen des Senders 61 synchronisiert ist, liefert ein Signal zum Auslösen des Empfanges, das dem Strahlstartsignal nachfolgt und das dazu benutzt wird, eine Phasenschlupffolge für die Signalverarbeitungskanäle zu steuern, die den verschiedenen.Wandlern der Anordnung zugeordnet sind, wie weiter unten noch näher erläutert wird.

Es wurde schon oben darauf hingewiesen, daß die anfängliche Einstellung der relativen Phasenlage der ersten und zweiten demodulierenden Signale für jedes Echosignal der Anordnung 11 eine Punktion der Richtung des Empfangsstrahls ist. Die Art und Weise, in der die Phase der ersten und zweiten demodulierenden Signale einem bestimmten Wandler zugeordnet wird, muß sich mit dem Abstandsbereich ändern, von dem die Echos empfangen werden, um eine kohärente Demodulation zu erhalten und ist auch eine Funktion der Richtung des EmpfangsStrahls. Es wurde oben darauf hingewiesen, daß die Verzögerungen, die in jedem der Signalverarbeitungskanäle notwendig sind, um eine kohärente Addition zu erreichen, auch eine Funktion der

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Richtung des EmpfangsStrahls sind. Es muß also für jede Stellung des Empfangsstrahls ein besonderer Satz von Phasendaten an die demodulierenden Schaltungen aller 'Ka näle geliefert werden sowie ein besonderer Satz von Zeitverzögerungsdaten an die Verzögerungsleitungen von allen Kanälen. Im allgemeinen ist bei einer linearen Anordnung die Phasenbeziehung nach Gleichung (1) unabhängig vom Abstand und hängt nur vom Strahlwinkel ab, jedoch sind die 'Phasenbeziehungen nach Gleichung (2) vom Abstand abhängig und daher auch zeitabhängig, so daß eine Folge von zeitabhängigen Änderungen der Phasenbeziehungen notwendig ist. Dies wird durch den Phasenschlupf plan verwirklicht. Ein besonderer paarweise ausgebildeter Plan von Phasenschlupf daten muß vorgesehen werden, er kann jedoch auch angenähert werden durch einen einzigen Satz von Phasenschlupfdaten, vorausgesetzt, daß diese verschiedene ¥erte für verschiedene Richtungen haben. Auf diese Weise wird die gesamte Phasenbeziehung in einen Teil unterteilt, der nur von dem Strahlwinkel abhängt und einen anderen Teil, der parametrisch vom Strahlwinkel abhängt, aber andererseits nur vom Entfernungsbereich abhängig ist« Der Teil der Phasenbeziehung, der nur vom Winkel abhängt^ wird durch eine Phasenvoreinstellung wirksam gemacht. Die Phasenvoreinstellungsdaten werden für jede Strahlzahl abgeleitet und in einem Phasenvoreinstellungsspeicher ROM gespeichert.(ROM bedeutet? Read Only Memory). Die Kanalverzögerungsdaten werden für jede Strahlzahl abgeleitet und in einem Verzögerungsspeicher 73 RAM (RAM bedeutet: Random Access Memory) gespeichert. Die Phasenschlupfdaten werden für jede Strahlzahl abgeleitet und in einem Phasenschlupfspeicher ROM 72 festgehalten. Wie oben erwähnt, können die Phasenschlupfdaten zu einem einfachen Plan vereinfacht werden, wenn dieser Plan mit verschiedenen Geschwindigkeiten bei verschiedenen Winkeln ausgelesen wird.

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Im folgenden wird beschrieben, wie diese verschiedenenArbeitsweisen verwirklicht werden. Zuerst soll die Art und Weise behandelt werden, in der die relativen Phasen der ersten und zweiten demodulierenden Signale in den verschiedenen Kanälen voreingestellt werden, um eine kohärente Demodulation für einen Empfangsstrahl bestimmter Nummer zu erreichen. Die ersten und zweiten demodulierenden Signale für die Echosignale von dem Wandler 15-1 werden von dem I- und Q-Signalgenerator 75 geliefert. Die ersten und zweiten demodulierenden Signale für die Echosignale von dem Wandler 15-2 werden von dem I- und Q-Signalgenerator 76 geliefert. Jedes der ersten und zweiten demodulierenden Signale in jedem der Kanäle kann auf eine von acht Stellungen voreingestellt werden, die gegeneinander um 45° versetzt sind. Der Generator 75 steht unter der Steuerung eines Binärzählers 77, der eine Teilung durch acht bewirkt. Der Generator 76 steht unter der Steuerung eines Binärzählers 78 mit einem Teilungsverhältnis 1:8. Irgendeine der acht möglichen Phasenlagen von jedem der durch acht teilbaren Zähler wird dadurch erhalten, daß der durch acht teilbare Zähler durch ein entsprechendes Drei-Bit-Wort voreingestellt wird. Die Drei-Bit-Worte werden dem Phasenspeicher ROM 71 entnommen. Für jede Strahlzahl sind mehrere Drei-Bit-Worte in dem Speicher ROM 71 gespeichert, wobei jedes Wort die Phaseneinstellung eines betreffenden I- und Q-Signalgenerators darstellt. Beim Auftreten einer Strahlzahl auf der Leitung 74 des Strahlzahlsteuergerätes 62 wird der Speicher ROM 71 angesteuert, um die richtige Voreinstellung der durch acht teilbaren Zähler für alle Kanäle zu liefern. Beim Auftreten eines StrahlStartsignales an der Strahl startschaltung 68 werden die Binärzähler 77 und 78 betätigt. Impulse, die mit einer achtmal größeren Frequenz als die Frequenz der Echosignale der Wandler auftreten, werden auch den Zählern 77 und 78 über entsprechende Sperrtore 81 und 82 von einer Frequenzsyntheseschaltung 83 zu-

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geführt, deren Eingang an den Hauptoszillator 65 angeschlossen ist. Nachdem ein Ultraschallimpuls in einer Richtung, die durch eine Strahlzahl definiert ist, ausgestrahlt worden ist, wird eine Information von dem Phasenspeicher ROM 71 jedem der 8-Bit-Binärzähler zugeführt, ■ der einem betreffenden Signalverarbeitungskanal zugeordnet ist, um erste und zweite demodulierende Signale der richtigen Phasenlage mit bezug auf die ersten und 2weiten demodulierenden Signale in den anderen Kanälen zu bilden, um eine kohärente Demodulation der Echosignale in dem Anfangsabstandsbereich des Gegenstandsbereiches zu ermöglichen. Da alle Kanäle die gleichen Taktimpulse erhalten, wird eine Differenz der voreingestellten Phasenzählung, die am Beginn einer Abtastung vorhanden ist, während dieser Abtastung aufrecht erhalten.

Es wurde oben darauf hingewiesen, daß, um die richtige relative Phasenlage der ersten und zweiten demodulierenden Signale in den verschiedenen Verarbeitungskanälen mit bezug aufeinander zu liefern, es notwendig ist, die Phasenlage jedes der ersten und zweiten demodulierenden Signale mit dem Abstand zu ändern, um die richtige gegenseitige Phasenlage aufrecht zu erhalten. Die Art und Weise, in der die Phasenlage der ersten und zweiten demodulierenden Signale jedes Kanales sich mit der Entfernung ändert, hängt von der Strahlzahl ab, d.h. von der Winkelorientierung des Strahls und auch von der Position des Wandlers in Beziehung zu der Mitte der Wand!eranordnung» Der Betrag, um den die Phase der ersten und zweiten demodulierenden Signale eines Kanals in Abhängigkeit von der Entfernung geändert werden muß, um die kohärente Demodulation der Echosignale zu erreichen, kann für den Fall einer linearen Anordnung aus der Gleichung (2) abgeleitet werden. Die Zeitverzögerung T_k ist eine Funktion des Abstandes R, des besonderen Wandlerelementes x, und des Winkels Θ, den der Strahl mit der Senkrechten auf der Anordnung einschließt,

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Die Zeitverzögerung T^ kann in eine Phasenabhängigkeit bei der Resonanzfrequenz des Wandlers gebracht werden, indem diese unabhängige Variable durch eine Schwingungsperiode bei der Resonanzfrequenz des Wandlers geteilt wird. Die Phasenänderung, die für ein gegebenes Wandler element x_k erforderlich ist, ändert sich umgekehrt mit dem Bereich R oder der Zeit oder proportional dem Quadrat des Cosinus Θ. Die Art und Weise, in der diese Beziehung benutzt wird, um einen Phasenschlupf in Abhängigkeit von der Entfernung für jeden Signalverarbeitungskanal zu liefern, wird nun erläutert. Der Phasenschlupf der ersten und zweiten demodulierenden Signale eines Signalverarbeitungskanals wird dadurch gebildet, daß ein Impuls aus einer Folge von Impulsen gelöscht oder gesperrt wird, die den Binärzählern, d.h. den Zählern 77 und 78, zugeführt wird und zwar von der Frequenzsyntheseschaltung 83 über Sperrtore, wie die Tore 81 und 82. Jedes der Sperrtore erhält eine Folge von Bits aus dein Phasenschlupf speicher ROM 72. Jedesmal wenn eine Änderung eines Bits zu seinem Komplementwert eintritt oder umgekehrt, wird ein Impuls durch das Sperrtor daran gehindert, zu dem Binär zähler zu gelangen, so daß ein Phasenschlupf von 45° in dem Binärzähler verursacht wird. Der Phasenschlupfspeicher ROM 72 ist mit einer Folge von Worten an aufeinanderfolgenden Adressen versehen. Die Zahl der Bits in jedem Wort ist gleich der Zahl der Kanäle in der Anordnung»

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Gleich numerierte Bits in aufeinanderfolgenden Worten werden der Reihe nach einem entsprechenden Sperrtor in Übereinstimmung mit der Zählung des Adressenzählers zugeführt. Der Adressenzähler 86 ist über ein Tor 87 mit einer Frequenzsyntheseschaltung 88 verbunden, die unter der Steuerung des Hauptoszillators 65 steht. Die Frequenzsyntheseschaltung 88 liefert ein Ausgangssignal einer Frequenz, die eine Funktion der Strahlzahl ist, die von der Strahlzahlsteuerung 62 geliefert wird. Die Frequenz des Ausgangssignals der Frequenzsyntheseschaltung 88 ist proportional dem cos θ Faktor der Gleichung (2). Das Tor 87 sperrt den Durchgang des Ausgangssignals der Frequenz synthese schaltung 88 zu dem Adressenzähler 86, bevor ein Startempfangssignal von der Startempfangsschaltung 69 auftritt. Beim Auftreten des Startempfangssignals am Tor 87 wird die Ausgangsgröße der Frequenzsyntheseschaltung 88 dem Adressenzähler 86 zugeführt. Die Geschwindigkeit, mit der der Adressenzähler 86 die Adressen durchläuft, hängt von der Frequenz ab, die von der Frequenzsyntheseschaltung 88 geliefert wird. Für einen Strahl, der senkrecht auf der Anordnung steht, würde die von der Frequenzsyntheseschaltung 88 gelieferte Frequenz einen Wert haben, der einer bestimmten Zählgeschwindigkeit entspricht. Für einen Strahl, der von der Senkrechten um einen Winkel θ abweicht, würde die Frequenz um den Faktor

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cos θ erhöht. Der Adressenzähler 86 würde dann mit schnellerer Geschwindigkeit arbeiten, und die Übergänge im Bitvorzeichen der Worte des Phasenschlupfspeichers wurden mit einer höheren Geschwindigkeit auftreten, so daß eine Änderung der Phase durch den Binärzähler schneller bewirkt wird.

Die Art und Weise, in der Zeitverzögerungen in jedem der I-Kanäle und jedem der Q-Kanäle vorgesehen sind, um der Anordnung einen festen Brennpunkt zu verleihen und bei der kohärenten Demodulation eine kohärente Addition der

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verarbeiteten Signale zu erreichen, wird im folgenden näher erläutert. Es wurde oben erwähnt, daß die Zeitverzögerungen, die in jedem Signalverarbeitungskanal vorgesehen werden müssen, um eine kohärente Addition der verarbeiteten Signale zu erhalten, eine Funktion der Winkelrichtung θ des Strahls oder der Strahlzahl ist. Um entsprechende "Verzögerungen zu erzielen, sind die Verzögerungsleitungen in den I-Kanälen^z.B. die Verzögerungsleitungen 28 und 34 und die Verzögerungsleitungen in dem Q-Kanal, z.B. die Leitungen 44 und 48, von der zugeführten Frequenz abhängig. Wenn eine bestimmte Strahlzahl auf der Leitung 74 von dem Strahlzahlsteuergerät 62 erscheint, wird eine Gruppe von Frequenzen den I- und Q-Verzögerungsleitungen zugeführt, um die Verzögerungen auf entsprechende Werte einzustellen, damit die kohärente Addition bewirkt werden kann. Jede der I-Kanalverzögerungsleitungen und auch der Q-Kanalverzögerungsleitungen liefert eine Steuerverzögerung und eine Verzögerung für den festen Brennpunkt. Die Steuerverzögerungen sind für eine geradlinige Anordnung durch Gleichung (1) gegeben. Die Verzögerungen für den festen Brennpunkt sind für den speziellen Fall durch Gleichung (2) angegeben. Frequenzabhängige Verzögerungsleitungen, die frequenzabhängige Verzögerungen liefern und die Bedingungen der Gleichungen (1) und (2) erfüllen, können so ausgebildet sein, wie dies in Fig. 9 einer Veröffentlichung "Ultrasonic Imaging Using Two-Dimensional Transducer Arrays" von W.L. Beaver, et al in der Veröffentlichung "Cardio-vascular Imaging and Image Processing" Theorie und Praxis, 1975, Band 72, veröffentlicht von der Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, Palos Verdös Estates, California, beschrieben ist. In Fig. 9 dieser Veröffentlichung ist eine Anzahl von Signalverarbeitungskanälen gezeigt, die Echosignale einer Wandleranordnung verarbeiten. Jeder der Kanäle enthält eine erste und eine zweite CCD-Verzögerungsleitung zur Steuerung und eine dritte CCD-Verzögerungsleitung für

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die Fokussierung. Die Längen der ersten Verzögerungsleitungen ändern sich linear von einer Seite der Anordnung zur anderen, und die zweiten Verzögerungsleitungen haben ebenfalls verschiedene Längen in komplementärer Weise. Ein erster Taktgeber liefert erste Taktfrequenzen an die ersten Verzögerungsleitungen, und ein zweiter Taktgeber liefert zweite Taktfrequenzen an die zweiten Verzögerungsleitungen. Die Gesamtzahl der Stufen in den ersten und zweiten Verzögerungsleitungen jedes Kanals ist die gleiche. Auf diese Weise sind die relativen Verzögerungen der Kanäle und dadurch der Winkel des EmpfangsStrahls abhängig von den relativen Werten der Frequenz des ersten Taktgebers und der Frequenz des zweiten Taktgebers. Wenn diese Frequenzen einander gleich sind, wird der Empfangsstrahl auf der Anordnung senkrecht stehen. Wenn die Frequenz des ersten Taktgebers den einen Extremwert hat und die Frequenz des zweiten Taktgebers den anderen Extremwert hat, ist der Empfangsstrahl nach der einen bzw. der anderen Seite um den extremen Winkel gegenüber der Senkrechten abgelenkt. Die dritten Verzögerungsleitungen in jedem der Kanäle sind mit einer Anzahl von Stufen versehen, die quadratisch von einem Mittelkanal abweichen, der eine maximale Zahl von Stufen an dem einen Ende und eine minimale Zahl von Stufen an dem anderen Ende hat. Die
dritte Verzögerungsleitung wird durch einen dritten Taktgeber gesteuert, dessen Frequenz über die Dauer eines
Impulsechozyklus einen festen Wert hat, wie dies durch Gleichung (2) gefordert wird, um die gewünschte feste
Fokussierung zu liefern. Es kann also eine erste Gruppe von Verzögerungsleitungen, die je einen ersten, zweiten und dritten Abschnitt haben, als Verzögerungsleitung für die I-Kanäle der Anordnung dienen und eine zweite Gruppe von Verzögerungsleitungen, die je einen ersten, zweiten und dritten Abschnitt haben für die Verzögerungsleitung der Q-Kanäle der Anordnung. Für jede Strahlzahl wird eine Gruppe von zwei Frequenzen festgelegt, die den I- und Q-

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Verzögerungsleitungen der Kanäle zugeführt wird und die entsprechenden Verzögerungen liefert. Die Daten für die zwei Frequenzen jeder Strahlzahl sind in dem Verzögerungsspeicher RAM 73 gespeichert. Wenn der Speicher RAM 73 durch eine Strahlzahl angesteuert wird, werden die Daten der Gruppe von zwei Frequenzen an die Frequenzsyntheseschaltung 85 geliefert, die dann eine entsprechende Gruppe von zwei Frequenzen an alle Verzögerungsleitungen der I- und Q-Kanäle abgibt. Nach Wunsch kann auch die dritte Verzögerungsleitung wegfallen, und es kann eine Anordnung mit festem Fokus verwendet werden, so .wie dies in Verbindung mit den Fig. 6 und 7 für die Anordnung 11 beschrieben ist.

Die CCD-Verzögerungsleitungen haben einen Aufbau, der • sowohl bezüglich der Bandbreite als auch der Zeitverzögerungsgenauigkeit begrenzt ist. Bei bekannten Anordnungen beschränken diese Begrenzungen die Resonanzfrequenz und für einen gegebenen Sektorwinkel die Apertur der Wandleranordnung. Diese bekannten Anordnungen haben daher keine ausreichende Auflösung oder keinen genügend weiten Sektorwinkel oder beides. Die gemäß der Erfindung angegebenen synchronen Demodulatoren ermöglichen es, daß die Resonanzfrequenz erhöht werden kann, ohne die Breitbandanforderungen der CCD-Anordnungen zu beeinträchtigen. Man kann daher breitere Wandleranordnungen und größere Sektorwinkel verwenden. Hieraus ergeben sich die Vorteile einer erhöhten Auflösung über ein weites Gesichtsfeld der Körpergewebe, was für medizinische diagnostische und andere Zwecke günstig ist.

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Im folgenden wird die Wirkungsweise einer Anordnung nach Fig. 5 während einer Impulsechoperiode oder Arbeitsperiode beschrieben. Kurz bevor die Erregerimpulse den Wandlern der Anordnung 11 von dem Sender 61 zugeführt werden, erscheint ein Strahlzahlsignal von der Strahlzahlsteuerung 62 auf der Leitung 74. Das Strahlzahlsignal auf der Leitung 74 wird dem Sender 61 zugeführt und stellt die zugehörigen Zeitverzögerungen der Erregerimpulse ein, die von dem Sender 61 den Wandlern der Anordnung 11 zugeführt werden, um einen Ultraschallstrahl zu erzeugen, der in die betreffende Richtung weist, die durch die Strahlzahl gegeben ist. Das Strahlzahlsignal wird auch dem Phasenspeicher ROM 71 zugeführt und steuert die darin enthaltenen Adressen an. Die Daten werden den Zählern 77 und 78 zugeführt, die mit den Verarbeitungskanälen verbunden sind, um die Zähler auf einen Anfangswert zu bringen, der dem winkelabhärigigen Teil der Phasenbeziehung der speziellen Anordnungsgeometrie entspricht. Dies stellt sicher, daß die I- und Q-Signalgeneratoren 75 und 76 die richtige Phasenlage zueinander haben, um eine kohärente Demodulation der Echosignale der Wandler der Anordnung aus einem nahen Sichtbereich zu ermöglichen. Das Strahlzahlsignal wird auch der Frequenzsyntheseschaltung 88 zugeführt, so daß es eine Phasenschlupffrequenz erzeugt, die der Strahlzahl zugeordnet ist. Das Strahlzahlsignal wird auch dem ■Verzögerungsspeicher RAM 73 zugeleitet, um Zugriff zu den Zeitverzögerungsfrequenzdaten zu haben, die der Frequenzsyntheseschaltung 85 zugeführt werden, um eine Gruppe von zwei Frequenzen, und zwar $e eine für die beiden Steuerungsverzögerungsleitungen zu bilden. Die Steuerungsverzögerungen werden in den Leitungen 28, 34, 44 und 48 entsprechend dem Empfang in einer Strahlrichtung gebildet, die die gleiche Richtung wie der Sendestrahl hat. Außerdem werden Verzögerungen für die feste Fokussierung in der Verzögerungsleitung gebildet, so daß eine kohärente Addition der Echosignale in den Sxgnalverarbeitungskanälen ausgeführt werden

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Kurz nachdem die Erregerimpulse des Senders 61 die Ultraschallimpulse hervorrufen, die von der Anordnung 11 ausgehen, wird ein Strahlstartsignal erzeugt und der Verstärkungsregelungsschaltung 61 zugeführt, die den Verstärkungsgrad des Vorverstärkers 66 in Abhängigkeit vom Entfernungsbereich steuert, um die Amplituden der aufgenommenen Echosignale, die in den Wandlern der Anordnung erzeugt werden, zu vergleichmäßigen. Das Strahlstartsignal aktiviert auch die durch acht teilbaren Zähler 77 und 78, um die Zählung einzuleiten und löst die I- und Q-Signalgeneratoren 75 und 76 aus, um I- und Q-Signale für die verschiedenen Kanäle der Anordnung zu liefern, um die verschiedenen Echosignale in diesen Kanälen kohärent zu demodulieren. Die Echosignale werden zuerst von Echos erzeugt, die von Gegenstandspunkten in dem Nahfeld der Anordnung herrühren. Die Steuerungs- und Fokussierungsverzögerungen der Verzögerungsleitungen aller Kanäle sind so eingestellt, daß sie eine Verzögerung der demodulierten Signale hervorrufen, die am Ausgang des ersten und zweiten Demodulators aller Kanäle erscheinen, so daß sie gleichzeitig auftreten und in dem Additionsverstärker kohärent addiert werden können.

Kurz nach dem Strahlstartsignal wird ein Empfangsstartsignal durch die Empfangsstartschaltung 69 gebildet und dem Tor 87 zugeführt, das geöffnet wird und es ermöglicht, daß das Signal am Ausgang der Frequenzsyntheseschaltung 88 dem Adressenzähler 86 zugeführt werden kann, so daß der letztere in einer Geschwindigkeit zählt, die durch die Frequenz des Signales der Frequenzsyntheseschaltung 88 gegeben ist. Der Adressenzähler 86 durchläuft die Adressen des Phasenschlupfspeichers ROM 72 mit einer besonderen Geschwindigkeit, die bewirkt, daß die Sperrtore 81 und 82 Impulse der Frequenzsyntheseschaltung 83 aus-

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fallen lassen und damit die Phase der Binärzähler ändern. Der Phasenschlupf der Binärzähler ermöglicht es, daß die Phasenlagen der I- und Q-Signale aller Signalverarbeitungskanäle auf relativen ¥erten gehalten werden, die eine kohärente Demodulation der Echosignale ermöglichen, welche von Echos herrühren, die an entfernteren Punkten der Anordnung reflektiert werden. Die Datenlieferung des Verzögerungsspeichers RAM 73 steuert die Frequenz der Taktsignale, die dem Fokussierabschnitt der Verzögerungsleitungen zugeführt \*erden, um die gewünschten Gegenstandspunkte, die von der Anordnung weiter entfernt sind, im Gesamtbrennpunkt zu halten. Die Echosignale von entfernteren Gegenstandspunkten werden in den Addierverstärkern 35 und 49 kohärent addiert. Die Signale der Addierverstärker 35 und 49 werden der Schaltung 51 zugeführt, die eine Ausgangsgröße entwickelt, die proportional der Quadratwurzel der Summe der Quadrate der Summensignale 2 I und dem Quadrat der Summensignale 2; Q sind. Die Ausgangsgröße der Schaltung 51 kann als Videosignal bezeichnet werden und hat Amplitudenvariationen, die der Echostärke in verschiedenen Abständen als Funktion der Zeit entsprechen. Dieses Signal kann verschiedenartigen Sichtvorrichtungen, z.B. einem Oszilloskop, zugeführt werden, um die Amplitude der Signale als Funktion der Zeit darzustellen und eine sichtbare Wiedergabe der Gegenstandspunkte als Funktion der Zeit oder des Abstandes zu erhalten. Im Bedarfsfall können auch andere Kombinationen der *j? Q- und Σ-1-Signale für eine Sichtbarmachung hergestellt werden.

Die Impulsechoperiode für einen einzelnen Strahl kann mehrmals wiederholt werden, und dann kann der gleiche Kreislauf für andere Strahlzahlen der Reihe nach durchlaufen werden. Auf diese Weise ist es möglich, durch die Video-, signale eine sichtbare Darstellung von Gegenstandspunkten zu erhalten, die Echos produzieren, welche in dem von dem Strahl abgetasteten Bereich liegen.

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Die Wandler 15 der Anordnung 11 können eine beliebige Resonanzfrequenz haben. Vorzugsweise liegen die Resonanzfrequenzen der Wandler 15 zwischen 2,0 und 5,0 MHz. Die Frequenz der I- und Q-Signalgeneratoren 75 und 76 und auch die der Zähler 77 und 78 sollten vorzugsweise im wesentlichen die gleichen sein wie die Resonanzfrequenz der Wandler 15. Die Frequenz am Ausgang der Frequenzsyntheseschaltung 83 ist achtmal so groß wie die Grundfrequenz der durch acht teilbaren Zähler und beträgt daher für eine Wandlerresonanzfrequenz von 2,25 MHz z.B. 18 MHz. Die von dem Sender erzeugten Impulse können eine Zeitdauer von etwa 2 /us aufweisen, so daß Schwingungen von mehreren vollen Perioden in den Wandlern hervorgerufen werden. Die Wiederholungsfrequenz der Sendeimpulse kann in der Größenordnung von 3 kHz liegen. Diese Frequenz steht in Beziehung zu der Eindringtiefe und Reflexion des Ultraschalls von Gegenstandspunkten im Gegenstandsbereich, auf den der Ultraschall gerichtet ist. Die Frequenzsyntheseschaltung 63 liefert eine entsprechende Frequenzinformation für die Erzeugung von Impulsen dieser Dauer und Wiederholungsgeschwindigkeit durch den Sender 61. Die Abfolge der Strahl zahl steuerung 62 steht mit der Wiederholungsfrequenz der Erreger impulse in Beziehung, und die Frequenzsyntheseschaltung 64 liefert daher Frequenzen, die für diese Taktgabe geeignet sind. Die Frequenz am Ausgang der Frequenzsyntheseschaltung 88, die für die Phasenschlupfverarbeitung benutzt wird, liegt im Bereich der von der Frequenzsyntheseschal tung 83 gelieferten Frequenz. Vorzugsweise sollte dieser Frequenzbereich nicht das Videoband der Frequenzen oder einen Frequenzbereich einschließen, der dicht bei der Resonanzfrequenz der Wandler liegt. Die von der Frequenzsyntheseschaltung 85 gelieferte Frequenz, die zur Steuerung der Verzögerung der Verzögerungsleitungen benutzt wird, liegt im allgemeinen ziemlich weit über dem Frequenzbereich der Wandler, d.h. in der Größenordnung von 4,5 MHz oder darüber. Der Hauptoszillator 65 liefert

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Frequenzen, die um ein Mehrfaches höher sein können als die höchste Frequenz, die in der Anordnung auftritt, damit die von den verschiedenen Frequenzsyntheseschaltungen gelieferten Frequenzen die richtigen Werte haben können.

Die lineare Anordnung 11 kann etwa 50 Wandlerelemente aufweisen, die je 0,25 mm in Längsrichtung breit sind und einen Abstand von etwa 0,3 mm von Mitte zu Mitte in Längsrichtung haben.

Gemäß der Erfindung sind feste Fokusverzögerungen in den I- und Q-Kanälen vorgesehen, durch die die Anordnung auf einen festen Brennpunkt fokussiert wird, der auf einer Senkrechten in der Mitte der Anordnung liegt und einen entsprechenden Abstand von der Anordnung hat. Die Festzeitverzögerung, die für jeden Kanal erforderlich ist, kann aus der Gleichung (2) ohne weiteres bestimmt werden. Der feste Brennpunkt sollte in der Mitte der Zone oder des Sektors liegen, von dem die Echos höchster Auflösung und größter Genauigkeit gewünscht werden. Als Alternativlösung können auch anstelle der Festzeitverzögerungen in den Verzögerungsleitungen der I- und Q-Kanäle Bahnen gleicher Laufzeit von einem festen Brennpunkt zu jedem Wandler der Anordnung vorgesehen sein. Eine derartige fokussierte Anordnung ist in Fig. 6 dargestellt, die eine Wandleranordnung 91 zeigt, welche die Form einer gekrümmten Anordnung hat und aus einer einzelnen Reihe von Wandlern 92 besteht, die in gleichen Abständen entlang der gekrümmten Linie der Anordnung angeordnet sind. Die Orte der Wandler entlang der Kurve sind so gewählt, daß gleiche Zeitverzögerungen bzw. Laufzeiten für den Schall entstehen, der von dem Brennpunkt R_£ die Elemente der Anordnung erreicht. Die Wandlerelemente sind vorzugsweise aus piezoelektrischem Material hergestellt und können auch in Querrichtung senkrecht zu der Papierebene gekrümmt sein.

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Ein alternatives Ausführungsbeispiel für eine Anordnung mit festem Fokus ist in Fig. 7 dargestellt. Die Wandleranordnung 95 enthält eine einzelne Reihe von Wandlern 96 und eine konvergente akustische Linse 97. Die akustische Linse 97 ist vor den Wandlern 96 montiert und besteht aus einem Material, z.B. einem entsprechenden Kunststoff, in dem die Geschwindigkeit des Schalles größer ist als in dem Gegenstandsbereich, für den der Wandler benutzt wird, d.h. z.B. im Körpergewebe. Die Oberfläche der Linse 97, die nach der Strahlungsoberfläche der Wandler 96 zu liegt, ist eben und die gegenüberliegende Oberfläche ist gekrümmt, so daß isochrone Verzögerungsstrecken für den Schall von dem Brennpunkt R_f zu sämtlichen Elementen 96 der Anordnung bestehen.

Die Erfindung ist in Verbindung mit einer geradlinigen Anordnung von Wandlern beschrieben worden. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung auch bei Anordnungen nutzbar gemacht werden kann, die keine lineare Anordnung der Wandler enthalten, bei denen jedoch Zeitverzögerungen erforderlich sind, um eine kohärente Addierung der von den Echos hervorgerufenen Signale zu bewirken.

Die Erfindung ist in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben worden, bei dem es sich um die Abbildung von Körpergeweben in dem menschlichen Körper für diagnostische medizinische Zwecke handelt. Es ist jedoch klar, daß die Anordnung auch für andere Zwecke, z.B. zur Fehlerfeststellung in Gußstücken, benutzt werden kann.

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, -is-

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Claims (10)

j Li 9353 GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N,Y., VStA Patentansprüche

1. Ultraschall-Abbildungsanordnung mit Einrichtungen, die einen Ultraschallimpuls vorbestimmter Frequenz erzeugen und in einen Gegenstandsbereich abstrahlen, sowie mit einer Wandleranordnung zum Empfang eines Ultraschallechos, das durch den auf einen Punkt eines Gegenstandes auftreffenden Ultraschallimpuls hervorgerufen wird und in den Wandlern eine Gruppe von Ultraschallsignalen erzeugt, deren zeitliches Auftreten von dem Abstand zwischen dem betreffenden Wandler und dem Auftreffpunkt abhängt, gekennzeichnet durch

a) Einrichtungen (26, 32), die eine Anzahl von ersten demodulierenden Signalen (3B, 3D) von im wesentlichen der gleichen Frequenz wie die vorbestimmte Frequenz der Ultraschallimpulse, jedoch abweichender Phasenlage liefern, die bei jedem der ersten demodulierenden Signale in bezug auf das zugehörige Echosignal (3A_r 3C) praktisch den gleichen Wert (cC) hat,

b) Demodulationseinrichtungen (25, 31) für die von den Wandlern (15) gelieferten Echosignale (3A, 3B), die Einrichtungen zum Mischen je eines der Echosignale (3A, 3C) mit einem zugehörigen ersten demodulierenden Signal (3B, 3D) enthalten, um ein erstes zugehöriges demoduliertes Signal (3Ξ, 3F) zu bilden,

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c) Fokussiervorrichtungen (91, 95), die der Anordnung einen festen Brennpunkt (Rp) geben, so daß die ersten aus den Echosignalen von dem Brennpunkt abgeleiteten demodulierten Signale zu gleicher Zeit auftreten,

d) Verzögerungseinrichtungen (28, 34), die jedes der ersten demodulierten Signale um ein zugehöriges vorbestimmtes Zeitintervall verzögern, das der Projektion des Abstandes zwischen dem betreffenden Wandler (15) und dem Gegenstandspunkt auf einer Achse zwischen dem Mittelpunkt der Anordnung und dem Gegenstandspunkt entspricht, so daß jedes der ersten demodulierten Signale praktisch zur gleichen Zeit auftritt, und

e) eine Addierschaltung (35), welche die verzögerten ersten demodulierten Signale addiert, um ein erstes Summensignal (i I) zu bilden.

2. Anordnung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch

a) zweite Signalerzeugungseinrichtungen (42, 46), die eine Anzahl von zweiten demodulierenden Signalen (4B, 4D) von im wesentlichen der gleichen Frequenz wie die vorbestimmte Frequenz der Ultraschallimpulse liefern, die jedoch eine um 90° phasenverschobene Lage zu dem zugehörigen ersten demodulierenden Signal (3B, 3D) haben,

b) zweite Demodulationseinrichtungen (41, 45) für die von den Wandlern (15) gelieferten Echosignale (4A, 4C), die Einrichtungen zum Mischen je eines der Echosignale (4a, 4c) mit einem zugehörigen zweiten demodulierenden Signal (4B, 4d) enthalten, um ein zugehöriges zweites demoduliertes Signal (4E, 4f) zu bilden,

c) zweite Verzögerungseinrichtungen (44, 48), die jedes der zweiten demodulierten Signale (4E, 4f) um ein zugehöriges vorbestimmtes Zeitintervall verzögern, das der Projektion des Abstandes zwischen dem betreffenden Wandler (15) und dem Gegenstandspunkt auf einer Achse zwischen dem Mittelpunkt der Anordnung und dem Gegenstandspunkt entspricht, so daß jedes der zweiten demodulierten Signale (4E, 4f) praktisch

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zur gleichen Zeit wie die ersten demodulierten Signale (3E, 3F) auftritt,

d) eine Addierschaltung (49), welche die verzögerten zweiten demodulierten Signale addiert, um ein zweites Summensignal (£ Q) zu erhalten, und

e) Einrichtungen (51) zur Bildung eines resultierenden Signals (4M), das eine monotone Funktion der Summe aus dem Quadrat des ersten Summensignals und dem Quadrat des zweiten Summensignals ist.

3. Anordnung nach Ansprüchen 1 oder 2, bei der aufeinanderfolgende Echos von aufeinanderfolgenden Punkten eines Gegenstandes aufgenommen werden und aufeinanderfolgende Gruppen von Echosignalen in den Wandlern erzeugen, gekennzeichnet durch

a) Einrichtungen (62, 68, 75, 76), die aufeinanderfolgende Anzahlen oder Sätze von ersten demodulierenden Signalen erzeugen, von denen jeder Satz einer zugehörigen Gruppe von aufeinanderfolgenden Echosignalen entspricht und deren Phasenlage in bezug auf die Phasenlage eines zugeordneten Echosignals einer entsprechenden Gruppe praktisch den gleichen Wert hat,

b) Demodulationseinrichtungen (25, 31), die jede Gruppe der von den Wandlern (15) gelieferten Echosignale demoduliert, um einen entsprechenden Satz von ersten demodulierten Signalen zu erhalten, wobei jedes Echosignal einer Gruppe mit einem der ersten demodulierenden Signale eines entsprechenden Satzes gemischt wird, um ein erstes demoduliertes Signal eines entsprechenden Satzes zu bilden,

c) Verzögerungseinrichtungen (28, 34), die aufeinanderfolgende Gruppen von Verzögerungen in aufeinanderfolgenden Sätzen von ersten demodulierten Signalen bilden, so daß jedes der ersten demodulierten Signale eines Satzes praktisch zur gleichen Zeit auftritt,

d) und durch eine Addierschaltung (35), die die verzögerten ersten demodulierten Signale jedes Satzes addiert, um ein erstes Summensignal zu bilden.

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4. Anordnung nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch

a) zweite Signalgeneratoren (75, 76), die aufeinanderfolgende Sätze von zweiten demodulierenden Signalen der gleichen Frequenz wie die vorbestimmte Frequenz bilden, von denen jeder Satz der zweiten demodulierenden Signale einem zugehörigen Satz der ersten demodulierenden Signale entspricht und bei denen jedes zweite demodulierende Signal eines Satzes eine 9O°-Phasenverschiebung gegenüber einem entsprechenden demodulierenden Signal eines zugeordneten Satzes hat,

b) zweite Demodulationseinrichtungen (41, 45)_;zur Demodulation jeder Gruppe der von den Wandlern gelieferten Echosignale, die einen entsprechenden Satz von zweiten demodulierten Signalen bilden und die Einrichtungen zum Mischen jedes Echosignals einer Gruppe mit einem entsprechenden zweiten demodulierenden Signal eines zugehörigen Satzes enthalten, um ein entsprechendes zweites demoduliertes Signal eines zugehörigen Satzes zu bilden,

c) Verzögerungseinrichtungen (44, 48), die aufeinanderfolgende Gruppen von Verzögerungen in aufeinanderfolgenden Sätzen von zweiten demodulierten Signalen bilden, so daß jedes zweite demodulierte Signal eines Satzes praktisch zur gleichen Zeit auftritt, und

d) eine Addierschaltung (49), die die verzögerten zweiten demodulierten Signale jedes Satzes addiert, um ein zweites Summensignal zu erhalten,

e) und durch Einrichtungen (51) zur Bildung eines Satzes von resultierenden Signalen, die eine monotone Funktion der betreffenden Summe aus dem Quadrat eines betreffenden ersten Summensignals und dem Quadrat eines betreffenden zweiten Summensignals ist.

5. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Gegenstandspunkte auf einer geraden Linie liegen.

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6. Anordnung nach Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jederder aufeinanderfolgenden Sätze von ersten demodulierenden Signalen (3B, 3D) eine Zeitdauer hat, die wesentlich größer ist als die der Ultraschallimpulse (3A, 3C).

7. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die korrespondierenden ersten demodulierenden Signale (3B) der aufeinanderfolgenden Sätze von ersten demodulierenden Signalen kontinuierlich in der Phase geändert werden, um die erforderliche Phasenbeziehung gleicher Größe mit bezug auf korrespondierende Echosignale von aufeinanderfolgenden Gruppen von Echosignalen zu erhalten, und daß korrespondierende zweite demodulierende Signale (4B) von aufeinanderfolgenden Sätzen von zweiten demodulierenden Signalen kontinuierlich in der Phasenlage geändert werden, um die erforderliche 9O°-Phasenbeziehung gegenüber korrespondierenden ersten demodulierenden Signalen von aufeinanderfolgenden Sätzen von ersten demodulierenden Signalen zu erhalten.

8. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiervorrichtung Verzögerungseinrichtungen enthält, die jedes der ersten von einem Gegenstandspunkt herrührenden demodulierten Signale in negativer Beziehung zu der Abstandsdifferenz zwischen dem Brennpunkt (R™) und dem betreffenden Wandler verzögert.

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9. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiervorrichtung eine Reihe von Wandlern (96) und benachbart dazu eine konvergente akustische Linse (97) aus einem Material aufweist, in dem die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles schneller als in Wasser ist, so daß sich gleiche Laufzeiten für den Schall von dem Brennpunkt (R₅₁) zu allen Wandlern (96) der Anordnung ergeben.

10. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiervorrichtung in einer symmetrisch zum Mittelpunkt der Anordnung gekrümmten Reihe liegende Wandler (92) aufweist, so daß sich gleiche Laufzeiten für den Schall von dem Brennpunkt (R₅₁) zu allen Wandlern (92) der Reihe ergeben.

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