DE2920852C2 - Ultraschall-Abbildungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Abbildungsanordnung na· h dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und bezieht sich insbesondere auf die Signalverarbeitung in einer derartigen Anordnung und die Ausbildung des Geräts.

Ein uiträschaii-Abbildungsgerät, das insbesondere auch zur Abbildung von Körpergeweben verwendbar ist. kann derart aufgebaut sein, daß eine Anordnung von Wandlern sowohl als Sender als auch als Empfänger dient (US-PS 40 58 003). Die einzelnen Wandler mit im wesentlichen gleicher Resonanzfrequenz werden durch elektrische Impulse erzeigt, die Ultraschallimpulse erzeugen, die als Bursts bezeichnet werden. Diese Ultraschallimpii'se bestehen aus einigen Schwingungen der Resonanzfrequenz des betreffenden Wandlers. Sie werden in den Raum oder Gegenstandsbereich, der die Anordnung umgibt, ausgestrahlt und erzeugen in Gegenstandspunkten des Gegenstandsbereichs Echos, die reflektiert werden und von den einzelnen Wandlern der Anordnung empfangen werden. Diese Echos erzeugen in den Wandlern elektrische Signale, die üblicherweise eine Dauer von wenigen Schwingungen haben und in den Wandlern zu verschiedenen Zeiten auftreffen, da die Laufzeiten des Echos von einem Gegenstandspunkt zu den Wandlern verschieden sind. |edes Echo von einem Gegenstandspunkt erzeugt in den Wandlern eine Gruppe von elektrischen Echosignalen und zwar je ein elektrisches Echosignal in jedem Wandler, wobei die Zeit des Aufiretens ve * jedem der Echosignale vom Abstand zwischen dem beireffenden Wandler und dem Gegenstandspunkt abhängt. Daher sind Einrichtungen vorgesehen, um jedes der elektrischen Echosignale um eine vorbe^timmte Zeit zu verzögern, die dem Abstand zwischen dem betreffenden Wandler und dem Gegen-Standspunkt entspricht, so daß die so verzögerten Signale kohärent addiert werden können. Um eine Fokussierung auf Gegenstandspunkte in verschiedenen Tiefen zu ermöglichen, können diese Zeitverzögerungen variiert werden. Um den dazu notwendigen Verzögerungsbereich für die üblicherweise verwendeten CCD-Verzögerungsleitungen auf ein realisierbares Maß zu beschränken, werden zwei Anordnungen mit Verzögerungsleitungen benutzt, wobei sich die Verzögerungszeiten der Verzögerungsleitungen der beiden Anord- nungen bezüglich der Wandleranordnung in komplementärer Weise ändern.

Eine ähnliche Verarbeitung in mehreren Verzögerungskanälen mit verschiedenen CCD-Verzögerungsleitungen ist z. B. auch aus der Veröffentlichung »Ultra- sonic Imaging Using Two-Dimensional Transducer Arrays« (W. L Beaver, veröffentlicht ! y75, Theorie und Praxis, Band 72, Society of Photo-Optica¹ Instrumentation Engineers, Palos Verdös Estates, California) bekannt. Diese bekannten Ultraschall-Abbildungsanordnungen haben jedoch sämtlich den Nachteil, daß die CCD-V rzögerungsleitungen, deren Bandbreite und Zeitverzögerungsgenauigkeit begrenzt ist, die Resonanzfrequenz und die Apertur der Wandleranordnung einschränken, so daß das Auflösungsvermögen dieser Abbildungsanordnungen begrenzt ist.

Daher ist von der Anmelderin ein Ultraschall-Abbildungsgerät vorgeschlagen worden (DE-OS 29 20 828), welches eine Demodulation der elektrischen Echosignale mit nachfolgender Verzögerung vorsieht. Dabei wird eine Anzahl oder ein Satz von ersten demodulierenden Signalen, die im wesentlichen die gleiche Frequenz haben wie Resonanzfrequenzen der Wandler, mit verschiedenen relativen Phasenlagen erzeugt, wobei die Phasenlage 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 Signale werden demoduliert und dabei wird jedes der Echosignale mit einem ersten demodulierenden Signal gemischt, um ein erstes demoduliertes Signal zu erhalten. Ferner sind Verzögerungseinrichtungen vorgesehen, die die demodulierten Signale verzögern, und ein Addierverstärker, der die verzögerten ersten demodulierten Signale addiert und ein erstes Summensignal bildet. Weiterhin wird eine Gruppe von zweiten demodulierenden Signalen mit im wesentlichen der gleichen Frequenz wie die Resonanzfreuqenz der Wandler gebildet, wobei jedes der zweiten demodulieronden Signale eine Phasenverschiebung von 90" gegenüber einem zugehörigen Signal der ersten demodulierenden Signale aufweist. Die Echosignale, die von den Wandlern abgegeben we.'den. werden in einer zweiten Demodulationsanordnung demoduliert, und dabei wird jedes der Echosignale mit einem der zweiten demolierenden Signale gemischt, um ein

W) zugehöriges zweites demoduliertes Signal zu bilden. In einer zweiten Verzögerungsleitung werden die demodulierten Signale entsprechend verzögert und die verzögerten demodulierten Signale werden anschließend addiert, um ein zweites Summensignal zu erhalten. Die Anordnung enthält "inrichtungen zur Bildung eines resultierenden Signals, das eine monotone Funktion der Summe des Quadrates des ersten Summensignals und des Quadrates des 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. Um den notwendigen Verzögerungsbercich 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Abbildungssystem mit einem guten Auflösungsvermögen über einen breiten Bereich mit geringen Änderungen der Fokussierungsverzögerungen anzugeben.

Diese Aufgabe wwd durch die im Kennzeichen des Anspruchs I angegebenen Merkmale gelöst. 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 vorbestimmlcs 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.

Nachstehend wird die l'.iiinihmg nnhmiil tier Zeichnungen niiher erläutert.

F i e. 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 Grundtagender Erfindung benutzt wird;

F i g. 3A bis 3L sind Diagramme, welche die Amplutide von Spannungssignalen in Abhängigkeit von der Zeit darstellen, die an verschiedenen Punkten der Schaltung nach F i g. 2 auftreten und zu dem /-Kanal gehören. Die

ίο Punkte, an denen die Signale der Fig.3A bis 3L im Blockschaltbild der Fig. 2 erscheinen, sind in Fig. 2 durch entsprechende Buchstaben bezeichnet;

F i g. 4A bis 4L sind Diagramme von Spannungssignalen, welche die Amplitude in Abhängigkeil von der Zeil an verschiedenen Punkten der Schaltungsanordnung der F i g. 2 darstellen und die zu dem <?-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 F i g. 4A bis ihn dem Biockschaltbild der F i g. 2 auftreten, sind in F i g. 2 durch entsprechende Buchstaben mil Apostroph bezeichnet;

F i g. 5 ist ein ausführliches Blockschaltbild der Ullraschall-Abbildungsanordnung gemäß der Erfindung;
F i g. 6 zeigt eine gekrümmte Wandleranordnung mit festem Brennpunkt /?/und

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

In Fig. I 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 Anzah von gleich beabstandeten Wandlern 15, deren Abstanc von Mitte zu mitte d beträgt. Die Wandlerancrdnurij dient dabei sowohl als Sendeanordnung als auch ah Empfangsanordnung. Der Sender 13 erzeugt eine Folge von elektrischen Impulsen 16, die über die Diplexschal tung 12 den Wandlern 15 zugeführt werden. Die Ultra schallimpulse. die in den Wandlern 15 erzeugt werden werden in einen Gegenstandsbereich in der Nähe dei Anordnung ausgestrahlt. Die Ultraschallimpulsc werden bei dieser Anordnung in einen vorbestimmten Azimutbereich je nach der linearen Zeitfolge der Impulse 16 ausgestrahlt. Die Iniensitälsänderung oder Amplitude der Ultraschallimpulse in Azimutrichtung um der Mittelpunkt der Anordnung wird auch als Strahl dei Anordnung oder Strahlungskeule bezeichnet. Oei Strahl 17 der Anordnung 11 hat eine Achse 18, die einer Winkel θ mit der Senkrechten 19 auf dem Mittelpunkt der Anordnung 11 einschließt. Die Beziehung zwischer den Zeitverzögerungsschritten T» die der Reihe nach zi jedem /-ten Signal von dem einen Ende f/=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:

(i-\)dsme c

T,

wobei c die Geschwindigkeit des Ultraschalls in den Gegenstandsbereich neben der Anordnung ist.

Indem die Zeitverzögerung zwischen uufcinanderfol gendcn Erregerimpulsen fortschreitend geändert wird wird der Winkel θ auf der einen Seite der Senkrechter

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 Eirregerimpulse 16 umgekehrt, so daß die Wandler in ■*> umgekehrter Reihenfolge erregt werden. Die Echos, die durch die Ullraschallimpulse erzeugt werden, welche auf ci/.jn Gegensand im Gegenstandsbereich auftreffen, z. B. aul einen Gegenstandspunkt 20, werden von den Wandlern 15 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 Singalverarbciiungskanäle des Empfangers eingeführt, die mit den wandlern i5 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 Strühlsteuerungszeitvcrzögerung und die andere Komponente ist eine Fokussier/.eitverzögerung. Die Strahlsteuerungsverzögerungen für den Empfang sind die gleichen wie die Strahlsteucrungszeitverzögerungen für die Sendung. Bei dem obenerwähnten vorgeschlagenen Gerät werden Fokussierzeilverzögerungen in Abhängigkeit von dem Abstand in jeden Kanal eingeführt, um die Laufzeitdifferenzen von einem Gegenstandspunkt bis zu den verschiedenen Wandlerstellungen der Anordnung auszugleichen. Die Fokussierverzögerungsinkrementc oder Schritte für jeden Wandler sind durch die Gleichung

α² Γ / χ, Vl , _
/* ⁼ TF- π- !-»-ι ι cos- σ _W

2Rc L \ ο / J

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

c = die Geschwindigkeit des Ultraschalls in dem Gegenstandsbereich,

.Yi = der Abstand vom Mittelpunkt der Anordnung bis zum k-len Element und

Tk = die Zeitverzögerung, die dem Signal von dem £-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 w> Strahlwinkels sich ändert, wenn die scheinbare Breite der Aperiur sich mit dem Kosinus des Strahlwinkels θ ändert. Bei dem obenerwähnten Gerät wird der Empfangsbrennpunkt dynamsich geändert, um dem Bereich, aus dem Echos während der Echoauinahrnepcriodc 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.

Gemäß der Erfindung werden daher Einrichtungen vorgesehen, die insbesondere in Verbindung mit F i g. 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 ödes Strahls 17 schrittweise. Die am Ausgang des Empfängers auftretenden Signale werden auf einem (nicht dargesieiien) 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.

F i g. 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 Gegensiandspunkt in einem Gegenstandsbereich dar, der die Anordnung umgibt. Ein Impuls von mehreren Ultraschaüschwingunger., 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 Wandlerclementen 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 we-den 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 /-Kanal bezeichnet wird. Jeder der /-Kanäle dient zur Demodulation, Filterung und 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 (^-Signal-

Verarbeitungskanal verarbeitet und zwar ebenfalls dcmoduliert, gefiltert und verzögert. Das in jedem der (^-Kanäle benutzte demodulierende Signal hat eine 90°-Phasenbeziehung gegenüber dem demodulierenden Signal, das bei der Demodulation in dem /-Kanal benutzt wird. Die verzögerten Signale in den /-Kanälen werden kohärent addiert, um ein erstes Summensignal zu erhalten und üis verzögerten Signale in den <?-Kanälcn 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 F i g. 3A bis 3L in dem Blockschaltbild der F i g. 2 auftreten, sind in F i g. 2 durch den Buchstaben des betreffenden Signals bezeichnet. Das Echosignal Nr. 1, das in dem VVändici* ij-! ciZcugi wird, ist im F ι g. 3Ä dargestellt. Die Spitze des Echosignals Nr. 1 tritt in einem Zeitpunkt /ι nach dem Zeitpunkt t₀ auf, der die Spitze der von der Anordnung ausgestrahlten Ultraschallschwingung bezeichnet. Die Zeit des Auftretens fi 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 ersten Demodulator 25 zugeführt, dem von einem Generator 26 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 Schwingungsvcrlauf des ersten demodulierenden Signals als Sinuswelle dargestellt ist, können auch andere Schwingungsverläufc, z. B. Rechteckwellen, benutzt werden. Das erste deerfüllen, wird die Phase des ersten demodulicrenden Signals Nr. 2 gegcnüDer der Phase des ersten demodulierenden Signals Nr. I um einen Betrag geändert, der von der Laufzeitdifferenz der Bahnen 21 und 22 abhängt.

Das erste demodulierte Signal Nr. 2,das in Fig.3t"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

ίο 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. I und die anderen verzögerten gefilterten ersten demodulierten Signale des /-Kanals. Das verzögerte gefilterte erste deinodulicrte Signal Nr. 2 ist in F i g. 3K dargestellt und wird als erstes verzögertes Signal Nr. 2 bezeichnet.

Das eiste veiiüjjjünc Signal Ni. i und das cFSiC- vt-rzögerte Signal Nr. 2 werden in einem Addierverstärker 35 addiert, um ein erstes Summensignal nach F i g. 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 £/ 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 F i g. 4A bis 4M Bezug genommen. Der Punkt des Auftretens eines Signals der F i g. 4A bis 4M im Blockschaltbild der Fig. 2 ist in Fig. 2 durch einen Buchstaben bezeichnet, der mit einem Apostroph versehen ist.

Das Echosigna! Nr. 1, welches in dem Wandler 15-1 erzeugt wird, ist in Fig.4A dargestellt. Wie in Verbin-

Hiinn r»\it CT ι ,

tritt HiA

gegenüber dem Echosignal Nr. I₁ die mit λ bezeichnet ist. Der erste Demodulator 25 liefert an seinem Ausgang ein erstes demoduliertes Signal Nr. 1 nach F i g. 3E, welches das Produkt des Echosignals Nr. 1 und des ersten demodulierenden Signals ivr. 1 darstellt. Das erste demodulierte Signal Nr. 1 wird einem Tiefpaßfilter 27 zugeführt, das die Hülle der Schwingung nach Fig.3G bildet. Eine Verzögerungsleitung 28 verzögert das ausgesiebte erste demodulierte Signal Nr. 1 um einen vorbestimmten Betrag, so daß in ähnlicher Weise verarbeitete /-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 Echosigna! Nr. 2 des Wandlers 15-2 ist in F i g. 3C dargestellt. Die Spitze des Echosignals Nr. 2 tritt in einem Zeitpunkt f₂ nach dem Zeitpunkt fo auf, der die Spitze des von der Anordnung ausgestrahlten Ultraschallimpulses bezeichnet. Die Zeit des Auftretens h 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 Signalquclle 32 ein erstes deniodulierendes Signal Nr. 2 nach F i g. 3D erhält. Das erste demodulierende Signal Nr. 2 hat eine PhasennacheiSung gegenüber dem Echosignal Nr. 2, die mit λ bezeichnet ist, wobei die gleiche Phasenverz&gerung benutzt wird wie beim Echosignal Nr. 1 und dem ersten demodulierenden Signa! Nr. 1. Um diese Bedingung zu Echosignals Nr. 1 in einem Zeiptunkt ?i auf, der nach dem Zeitpunkt fo liegt, an dem die Spitze des Ultraschallimpulses ausgestrahlt wird. Die Zeit des Auftretens fi der Spitze des Echosignals Nr. 1 hängt /on dem Abstand 21 zwischen dem Gegenstandspunkt 20 und dem Wandler 15-1 ab. Das Echosignal Nr. I wird einem zweiten Demodulator 41 zugeführt, dem eine Signal-

v> quelle 42 ein zweites demodulierendes Signal Nr. I 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 demodulierenden Signale als Sinusform dargestellt ist, können auch andere Schwingungsfornien, z. B. Rechteckschwingungen, benutzt werden. Das zweite demodulierende Signal Nr.! ist so eingestellt, daß es eine Phasenverschiebung von 90° gegenüber dem ersten demodulierenden Signal Nr. 1 hat, d. h., daß eis um a+90° gegenüber der Phase des Echosignals Nr. 1 nacheilt. Der zweite Demodulator 41 erzeugt an seinem Ausgang ein zweites demoduliertes Signal Nr. I nach Fig.4E, das dem Produkt des Echosignals Nr. I und des zweiten demodulicrenden Signals Nr. 1 entspricht. Das zweite dcmodulicrtc Signal Nr. I wird dem Tiefpaßfilter 43 zugeführt, das die Hüllenkurve nach Fig.4G liefert. Die Verzögerungsleitung 44

b5 verzögert das zweite derr.oduüerte Signa! Nr.! um einen vorbestimmten Betrag, so daß ähnlich verarbeitete <?-Kanalsignale von anderen Wandlern der Anordnung im gleichen Zeitpunkt auftreten und daher kohärent ad-

dicri werden können. Das verzögerte gefilterte /weile domodulicric Signal Nr. 1 ist in Fig. 4J dargestellt und als zweites »erzogenes Signal Nr. I bezeichnet.

Das F.chosignal Nr. 2 des Wandlers 15-2 ist in !·' i g. 4C dargestellt. Wie in Verbindung mit F i g. 3C Ci'wähni wurde, tritt die Spitze des Echosignals Nr. 2 in einem Zeitpunkt h nach dem Zeitpunkt f₀ auf, in dem die Spritze der Ultraschallimpul.se durch die Anordnung ausgestrahlt wird. Die Zeit des Auftretens ti der Spitze des F.chosignals Nr. 2 hängt von dem Abstand 22 zwischen dem Gegenstandspunkt 20 und dem Wandler 15-2 ab. Das Echosignal Nr. 2 wird einem zweiten Demodulator 45 zugeführt, der von einer Signalquellc 46 ein zweites demodulierendes Signal Nr. 2 nach F i g. 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 Λ + 90° gegenüber dem Echosignal Nr. 2 hat.

u/35 /WcttC uciTiOuüiiCrtc oigFtai t*T. c HuCn ι t g. τι ΐΠΐΐ 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 4θ 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 F i g. 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 F i^σ. 4L— Die in 'edern der änderen Wsndler 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 2 C? großer Amplitude zu erzeugen, welches die Beiträge von allen Echosignalen darstellt, die in den Wandlern der Anordnung für das zweite Summensignal erzeugt werden.

Das erste Summensignal 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 Suinmensignals 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 liefen 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 Signa! Nr. 1 der F i g. 3B eine Phasennacheilung gegenüber dem Echosignal Nr. 1 der F i g. 3A um λ" hat, ist die Spitzenamplitude des ersten demodulierten Signals Nr. 1 der Fig.3E gleich dom Cosinus λ mal dem Maximalwert, den il;is erste dcmodulierte Signal Nr. I je nach der Situation haben kann, in der das erste demodulierende Signal Nr. I der F i g. 3B sich in Phase mit dem Echosignal Nr. 1 der Fig. 3Λ befindet. Da das zweite demodulierende Signal Nr. I der Fig.4B dem Echosignal Nr. 1 um (λ+ 90") nacheilt, kann die Amplitude des zweiten demodulicrten Signals Nr. 1 der F i g. 4E den Wert Cosinus (ii + 90") mal der maximalen möglichen Amplitude

lü 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 demodulierien Signals Nr. 1 zu erhalten, ist es lediglich notwendig, die Quadratwurzel der Summe der Quadrate des ersten demodulierten Signals Nr. 1 und des zweiten demodulie,-ten Signals Nr. 1 zu bilden. Da der Wert

yCOS it -r COS

unabhängig von ex 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

2j wird, ist es klar, daß das für das obige Beispiel dargestellte Ergebnis auch für das erste Summensignal £/ und für das zweite Summensignal £Q gilt. In Fig.3A bis 3D sind die Phasenverschiebungen oder Winkelsummen als 60° dargestellt. In F i g. 4A bis 4D ist der Winkel λ mit 60° angegeben. Indem man zwei /- und (^-Kanäle für die Verarbeitung jedes Echosignals benutzt, erhall man ein resultierendes Signal, das unabhängig von dem Winkel α ist. Um jedoch eine Auslöschung zu verhindern, wenn die Summensignale gebildet werden, muß der Winkel tx für jedes erste demodulierende Signal und ein zugehöriges Echosignal im wesentlichen der gleiche CAm oi<»ct"»c PrCTnKnic imrrt dsd"rch £^rreicht d»ß di^A Phase jedes ersten demodulierenden Signals mit Bezug aufeinander so gewählt ist, laß die Beziehung jedes ersten demodulierenden Signals mit Bezug auf ein entsprechendes Echjosignal im wesentlichen die gleiche ist. Die Phascneinstellung 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.

so Im folenden wird nun näher erläutert, wie das Gerät auf Gegenstandspunkte in der Nähe des Gegenstandspunktes 20 anspricht. Wenn man in F i g. 2 einen Nachbarpunkt 55 betrachtet, der den gleichen Abstand von der 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 55 ankommt, hat den gleichen Phasenwinkel λ 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 Signa! vom

&5 Punkt 20, weil die Abstände 16! 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 Demo-

dulator 31 zugeführt wird, haben daher nicht den gleichen Winkel x. 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 aufrechterhalten. 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 Betrachtung führt dazu, daß auch die Echosignale von dem Gegenstandspunkt 55, die in den {^-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, 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 mit der in Fig.2 dargestellten Schaltung zu erreichen, sollte die Phasenlage jedes ersten demoduiierenden Signals mit Bezug auf die Phasenlage eines zugehörigen Echosignals im wesentlichen die gleiche für alle Signalpaare sein. Die Phasenlage der zweiten demodulierenden Signale isi durch die Phasenlage der ersten demodulierenden Signale ist durch die Phasenlage der ersten demodulierenden Signale bestimmt. Ein Gegenstandspunkt in einer anderen Entfernung würde eine andere relative Phasenlage der ersten demoduiierenden Signale erfordern und auch der zweiten demodulierenden Signale erfordern und auch der zweiten demodulierenden Signale, um eine günstigste Ausgangsgröße am Ausgang der Additionsverstärker 35 und 49 zu erreichen, Für ω kleine Abweichungen der Entfernung von der Entfernung des Gegenstandspunktes 20 ändern sich die Phasenerfordernissc der ersten demodulierenden Signale und der zweiten demodulierenden Signale nicht so weit, daß sich eine bemerkenswerte Abweichung der Arbcits- μ weise von derjenigen Arbeitsweise ergibt, die man erhält, wenn ideale relntivc Phascnlagcn benutzt werden. An einem Punkt, der jedoch in der Entfernung vim 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 Phasenbe-Ziehungen 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 Ultraschallimpulse 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 Phasenlage der ersten und zweiten demodulierenden Signale neu eingestellt werden können, um den verschiedenen Ansprüchen für die relative Phaseneinstellung zu entsprechen, wird in Verbindung mit dem Blockschaltbild der F i g. 5 näher erläutert.

Die Steuerung eines Empfangsstrahis 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 /- und <?-Kanäle entsprechend der Gleichung (1) für eine geradlinige Wandleranordnung gewählt werden. Um einen bestimmten Gegenstandspunkt ir· der Richtung des gesteuerten Empfangsstrahls anzuvisieren, ist jeder /-Kanal und jeder <?-Kanal außerdem mit einer entsprechenden Fokussierungsverzögerung versehen, wie dies in Verbindung mit Gleichung (2) beschrieben wird.

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 demoduiierenden Signalen und zweiten de mod ulierenden Signalen werden mit der entsprechenden relativen Phasenlage, wie oben beschrieben, erzeugt. Außerdem werden die Stcuerungsverzögerungcn in den /-Kanälen und den (^-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 Sat/ 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 cine Abtastung von dem einen äußersten Winkel auf der einen Seite der Anordnung bis zum anderen äußersten Winkel auf der anderen Seite erfolgt und entsprechende resultierende Signale erhalten werden. Die resultierenden Signale können dann nach verschiedenen Abiastweisen auf einer Sichtvorrichtung sichtbar gemacht werden, um eine sichtbare Darstellung der Struktur des Körpergewebes innerhalb des Bildfeldes zu geben. Genügend hohe Wicdcrholungsgeschwiridigkcitcn können dabei benutzt wcrdein, um auch eine visuelle Darstellung von Gegenstandsbewegungen in dem menschlichen Körper zu liefern.

Die Art und Weise, in der die relativen Phasen der ersten cleiiiodulicrcndcn Signale und der zweiten demo-

dulierenden Signale während der Empfangsperiode der Echos aus einem Gegenstandsbereich 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 F i g. 5 beschrieben. Die Art und Weise, in der die Zeitverzögerungen der /- und (^-Kanäle eingestellt werden, um Empfangsstrahlen unter verschiedenen Winkeln zu erhalten, die auf verschiedene Entfernungen fokussiert werden, sollen ebenfalls in Verbindung mit F i g. 5 erläutert werden.

F i g. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Ultraschali-Abbildungsanordnung 60, die in Verbindung mit F i g. 2 beschrieben worden ist. Die Schaltelemente der F i g. 5, die mit denen der F i g. 2 übereinstimmen, haben die gleichen Bezugszeichen. Ein Sender 61 liefert Impulse der gewünschten Dauer und Zeitlage an die Wandler der geradlinigen Anordnung U. um einen Sendestrahl zu bilden, der nach einer Anzahl von verschiedenen Richtungen ausgestrahlt werden kann. Jeder Richtung des Strahls ist eine Strahlzahl zugeordnet. Strahlzeiten 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 /- und Q-Signalverarbeitskanälen verbunden, um Echosignale gewijG'.chter Aplitude 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 Verarbeitung zu erleichtern. Die Verstärkungssteuerungsschaltung 67 wird nach jedem ausgestrahlten Ultraschallimpuls durch ein Strahlstansignal aktiviert, das von einer Strahlstartschaltung 68 geliefert wird und mit den Impulsen des Senders 61 synchronisiert ist. Das Strahlstartsignal wird auch dazu verwendet, um die Voreinstellung der Phasenlagen der /- und CJ-Singalgeneratorcn der Anordnung einzuleiten, wie weiter unten noch erläutert wird. Die /- und Q-Signalgencratoren 65 liefern die Ausgangsgrößen, die von dem ersten demodulierenden Signalgenerator 25 und dem zweiten demodulierenden Signalgenerator 41 der Fig. 2 geliefert werden. Der /- und (?-Signalgenerator 76 liefert die Ausgangsgrößen, die von dem ersten demodulierenden Signalgcncrator 26 und dem zweiten demodüli'renden Signalgenerator25geliefert werden. Eine Empfangsstartschaltung 69, die mit den impulsen des Senders 61 synchronisiert ist, liefert ein Signal zum Auslösen des Empfanges, das dem Sirahlstartsignal nachfolgt und das dazu benutzt wird, eine Phasenschlupffolge für die Signalverarbcitungskanäle 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 Funktion der Richlung 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 !'mpfangsstrahls. Ils wurde üben darauf hinge wiesen, daß die Verzögerungen, die in jedem der Signul- Verarbeitungskanäle notwendig sind, um eine kohärente Addition zu erreichen, auch eine Funktion der Richtung des Empfangsstrahls sind. Es muß also für jede Stellung des Empfangsstrahls ein besonderer Satz von Phasendaten an die demodulierenden Schaltungen aller Kanäle

ίο geliefert werden sowie ein besonderer Satz von Zeitverzögerungsdaten an die Verzögerungsleitungen von allen Kanälen. Im allgemeinen ist bei einer linearen Anordnung die Phasenbezeichnung nach Gleichung (1) unabhängig vom Abstand und hängt nur vom Sirahlwinkel ab, jedoch sind die Phasenbeziehungen nach Gleichung (2) vom Abstand abhängig und daher auch zeitabhängig, so daß eine Folge von zeitabhängigen Änden!?gen der Phasenbeziehungen notwendig ist. Dies wird ourch den Phasenschlupfplan verwirklicht. Ein besonderer paar weise ausgebildeter Plan von Phasenschlupfdaten muß vorgesehen werden, er kann jedoch auch angenähert werden durch einen einzigen Satz von Phasenschlupfdaten, vorausgesetzt, daß diese verschiedene Werte 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 Win- kel abhängt, wird durch eine Phasenvoreinstellung wirksam gemacht. Die Phasenvoreinstellungsdaten werden für jede Strahlzahl abgeleitet und in einem Phasenvoreinstellungsspeicher ROM 71 gespeichert. (ROM bedeutet: Read Only Memory.) Die Kanalverzögerungs- daten werden für jede Strahlzahl abgeleitet und in einem Verzögerungsspeicher 73 RAM (RAM bedeutet: Random Access Memory) gespeichert. Die Phasenschupfdaten 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.

Im folgenden wird beschrieben, wie diese verschiede-

nen Arbeitsweisen 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 rinen Empfangsso strahl bestimmter Nummer zu erreichen. Die ersten und zweien demodulierenden Signale für die Echosignale von dem Wandirr 15-1 werden von dem /- uknd Q-Signalgenerator 75 geliefert. Die ersten und zweiten demodulierenden Signale für die Echosignale von dem Wandler 15-2 werden von dem /- und (?-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 I : 8. Irgendeine der acht möglichen Phasenlagen von jedem der durch acht teilbaren Zähler wird dadurch

b5 erhallen, 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 /- und (P-Signaigenerators darstellt Beim Auftreten einer Strahlzah! 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 Strahlstartsignals an der Strahlstartschaltung 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 zugeführt, 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 Phasenpeiler ROM 71 jedem der 8-Bit-BinärzähIer zugeführt der einem betreffenden Signalverarbeitungskanal zugeordnet ist, um erste uad zweite demodulierende Signale der richtigen Phasenlage fiiii Bezug auf die ersten und zweiten 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 aufrechterhalten.

Es wurden 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 de ' ersten und zweiten demodulierenden Signale mit dem Abstand zu ändern, um die richtige gegenseitige Phasenlage aufrechtzuerhalten. Die Art und Weise, in der die Phasenlage der ersten und zweiten demodulierenden Signale jedes Kanals 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 Wandleranordnung. Der Brtrag. 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 Ti ist eine Funktion des Abstandes R, des besonderen Wandlerclementes λ> und des Winkels Θ, den der Strahl mit der Senkrechten auf der Anordnung einschließt.

Die Zeitverzögerung 7i 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 Wandlerelemenl Xk 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 Signalverareitungskanal zu liefern, wird nun erläutert. Der Phasenschlupf der ersten und /weilen dcmoduliercnclcn Signale eines Signulverarbuitungskainils wird dadurch gebildet, daß ein Impuls aus einer !■dI^i· v.in Impulsen jzelösihl oder gesperrt wird, die den lliiiiiiYithliTM. ι!, li. ilen /lihlern 77 und 78, /iijteFilhrl wird und /war ve»! der l-'rcqucn/synlhescschiiltung 8J über Sperrtore, wie die Tore 81 und 82. Jedes der Sperrtore erhält eine Folge von Bits aus dem Phasenschiupfspeicher ROM 7Z Jedesmal wenn eine Änderung eines Bits zu seinem Komplementwert eintritt oder umgekehrt, wird ein Impuls durch das Sperrtor daran gehindert, zu dem Binärzähler zu gelangen, so dali 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.

Gleich numerierte Bits in aufeinanderfolgenden Worten werden der Reihe nach einem entsprechenden Sperrtor in Übereinstimmung mit der Zählung des Adressenzählers 86 zugeführt. Der Adressenzähler 86 ist über ein Tor 87 mit einer Frcquenzsyntheseschaltung 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 Frequcnzsynthcseschaltung 88 ist proportional dem cos² θ Faktor der Gleichung (2). Das Tor 87 sperrt den Durchgang des Ausgangssignals der Frequenzsyntheseschaltung 88 zu dem Adressenzähler 86, bevor ein Startempfangssignal von der Siartempfangsschaltung 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 cos- θ erhöht. Der Adrcsscnzähler 86 würde dann mit schneÜcer Geschwindig-

keil arbeiten, und die Übergänge im Bitvorzeichen der Worte des Phasenschlupfspeichers 72 würden 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 /-Kanäle und jedem der (p-Kanälc vorgesehen sind, um der Anordnung einen festen Brennpunkt zu verleihen und bei der kohärenten Demodulation eine kohärente Addition der verarbeiteten Signale zu errcichen, wird im folgenden näher erläutert. Es wurde oben erwähnt, daß die Zeilverzögerungen, die in jedem Sig.ialverarbeitungskanal vorgesehen werden müssen, um eine kohärente Addition der verarbeiteten Signale zu erhalten, eine Funktion der Winkelrichtung θ des

■55 Strahls oder der Sirahlzahl ist. Um entsprechende Verzögerungen zu erzielen, sind die Verzögerungsleitungen 28 und 34 und die Verzögerungsleitungen in dem (?-Kumil, ζ. B. die Leitungen 44 und 48, von der zugeführten Frequenz abhängig. Wenn eine bestimmte Strahlzahl

ho auf der Leitung 74 von dem Strahlzahlsteuergcrät 62 erscheint, wird eine Gruppe von Frequenzen den /- und (^-Verzögerungsleitungen zugeführt, um die Verzögerungen auf entsprechende Werte einzustellen, damit die kohärente Addition bewirkt werden kann. |edc der /-

hl KiWiilvcr/ögcrungslciiunpcn und auch der /?-Kanalvcr-/ögcrungslciuingcn liefen eine Slcucrvcrzögcrung und eine Verzögerung für den festen Brennpunkt. Die Steuervcrzögerungcn sind für eine geradlinige Anordnung

durch Gleichung (1) gegeben. Die Verzögerungen für den festen Brennpunkt sind für den speziellen Fall durch Gleichung (2) angegeben. Frequcnzabhüngige Verzögerungsleitungen, die frequenzabhängige Verzögerungen liefern und die Bedingungen der Gleichungen (1) und (2) erfüllen, können so ausgebildet sein, wie dies in F i g. 9 einer Veröffentlichung »Ultrasonic Imaging Using Two-Dimensional Transducer Arrays« von W. L Beaver, et al. in der Veröffentlichung »Carcio-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 F i g. 9 dieser Veröffentlichung ist eine Anzahl von Signalverarbeitungskanälen gezeigt, die Echosignale einer Wandleranordnung verarbeiten. Jeder der Kanäle enthält eine, feste und eine zweite CCD-Verzögerungsleitung zur Steuerung und eine dritte CCD-Verzögerungsleitung für 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 W-ise. 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 ha·., 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 /-Kanäle der Anordnung dienen und eine zweite Gruppe von Verzögerungsleitungen, die je einen ersten, zweiten und dritten Abschnitt haben für die Verzögerungsleitung der Q-Kariä-Ie der Anordnung. Für jede Strahlzahl wird eine Gruppe von zwei Frequenzen festgelegt, die den /- und <?-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 Frequcnzsyntheseschaltung 85 geliefert, die dann eine entsprechende Gruppe von zwei Frequenzen an alle Verzögerungsleitungen der /- und ζ)-Kanäle ab· gibt. 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

Im folgenden wird die Wirkungi-veise einer Anordnung nach Fig.5 während einer iHinulsechoperiodc oder Arbeitsperiode beschrieben. Kurz bevor die Erregerimpulse den Wandlern der Anordnung U von dem Sender 61 zugeführt werden, erscheint ein Strahizahlsignal 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 winkelabhängigen Teil der Phasenbeziehung der speziellen Anordnungsgeomet.ie entspricht. Dies stellt sicher, daß die A und (p-Signalgeneratoren 75

-to und 76 die richtige Phasenlage zueinander haben, um ei.ie kohärente Demodulation der Echosignale der Wandler der Anordnung aus einem nahen Sichtbereich zu ermöglichen. Das Strahlzahlsigna! wird auch der Frequenzsyntheseschaltung 88 zugeführt, so daß es eine Phasenschlupffrequenz erzeugt, die der Strahizahl 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 je eine für die bei den Steucrungsverzögerungsleitungen zu bilden. Die Steuerungsverzögerungen werden in den Leitunger. 28, 34, 44 und 48, entsprechend dem Empfang in einer Strahlrichtung gebildet, die die gleiche Richtung wie der Sendest; uhl hat. Außerdem werden Verzögerungen für die feste Fokussierung in der Verzögerungsleitung gebildet, so daß eine kohärente Addition der Echosignale in den Signalverarbeitungskanälen ausgeführt werden kann.

6Q Kurz nachdem die Erregerimpulse des Senders 61 die Ultraschallimpulse hervorrufen, die von der Anordnung 11 ausgehen, wird ein Strahlstartsignal erzeugt und der Vcrstärkungsregelungsschaltung 61 zugeführt, die den Verstärkungsgrad des Vorverstärkers 66 in Abhängigkeil vom Entfernungssbereich 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 /- und (?-Signalgeneralorcn 75 und 76 aus, um /- und (^-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 Fokussicrungsverzögerungen der Verzögerungsleitungen aller Kanüle sind so eingestellt, daß sie eine Verzögerung der demodulierten Signale hervorrufen, die am Ausgang des ersten und /weiten 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 Frequcnzsyniheseschaiiurig SS dem AdressciUänitr So lugüiuhri werden kann, so daß der letztere in einer Geschwindigkeit zählt, die durch die Frequenz des Signals der Frequenzsyntheseschaltung 88 gegeben ist. Der Adrcsscnzähler 86 durchläuft die Adressen des Phascnschlupfspeichers ROM 72 mit einer besonderen Geschwindigkeit, die bewirkt, daß die Sperrtore 81 und 82 Impulse der Frequenzsyntheseschaltung 83 ausfallen lassen und damit die Phase der Binärzähler ändern. Der Phasenschlupf der Sinärzähler ermöglicht es, daß die Phasenlagen der /- und (^-Signale aller Signalverarbcitungskanä-Ie auf relativen Venen 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 werden, um die ge-..<.".nr*>U***n /~larw &no * η nAe *%t , r»L § A s4iA Kj>n Aar ^nnrrjniin« Π UII)VIIIVIl \J\.gkll3tUIIW^UI>nlV, UIV VVIIlIWI fillVIUlltIMQ 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 Summcnsignalc 2' und dem Quadrat der Summensignale 2<? ^sint1· 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 2 Q- ^und 2 /-Signale für eine Sichtbarmachung hergestellt werden.

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

Die Wandler 15 der Anordnung !1 können eine beliebige Resonanzfrequenz haben. Vorzugsweise liegen die Resonanzfrequenzen der Wandler 15 zwischen 2,0 und 5,0 MHz. Die Frequenz der /- und Q-Signalgcneratoren 75 und 76 und auch die der Ziihler 77 und 78 sollter vorzugsweise im wesentlichen die gleichen sein wie die Resonanzfrequenz der Wandler 15. Die Frequenz arr Ausgang der Frcquenzsynthcscschaltung 83 ist achtma so groß wie die Gmndfrcqucnz der durch acht teilbarer Zähler und beträgt daher für eine Wandlcrrcsonanzfrequcnz von 2,25 MHz z. B. 18 MHz. Die von dem Sendet erzeugten Impulse können eine Zeitdauer von etwa 2 μ< aufweisen, so daß Schwingungen von mehreren voller Perioden in den Wandlern hervorgerufen werden. Die Wiederholungsfrequenz der Sendeimpulse kann in dei Größenordnung von 3 kHz liegen. Diese Frequenz stchi in Beziehung zu der Eindringtiefe und Reflexion de; Ultraschalls von Gegenstandspunkten im Gegenstands bereich, auf den der Ultraschall gerichtet ist. Die Fre quenzsynthescschaltung 63 liefert eine entsprechende Frequenzinformation für die Erzeugung von Impulser dieser Dauer und Wiederholungsgeschwindigkeit durcl

I Γ -I— C* Tl A L»f I Λ Ct- LI«mUUi ·- ■*** C

UCIl OClIUCI Ol. UlV nuiwtgt; UVl *J\* αιιι*.αιιι^*νο*-ι uiiij w steht mit der Wiederholiingsfrcquenz der Errcgerimpul se in Beziehung, und die Frequcnzsyntheseschaltung 64 liefert daher Frequenzen, die für diese Taktgabc geeig net sind. Die Frequenz am Ausgang der Frcqucnzsyn thescschaltung 88, die für die Phascnschlupfvcrarbci tung benutzt wird, liegt im Bereich der von der Fre quenzsyntheseschaltung 83 gelieferten Frequenz. Vor zugsweisc sollte dieser Frequenzbereich nicht das Vi deobs.-J der Frequenzen oder einen Frequenzbereich einschließen, der dicht bei der Resonanzfrequenz dei

jo Wandler liegt. Die von der Frcquenzsyntheseschaltunj 85 gelieferte Frequenz, die zur Neuerung der Verzöge rung der Verzögerungsleitungen benutzt wird, liegt irr allgemeinen ziemlich weit über dem Frequenzbcrcict der Wandler, d. h. in der Größenordnung von 4,5 MH; oder darüber. Der Hauptoszillator 65 liefert Frequen zen, die um ein Mehrfaches höher sein können als di< höchste Frequenz, die in der Anordnung auftritt, dami die von den verschiedenen Frcquenzsyntheseschaltun gen gelieferten Frequenzen die richtigen Werte haber können.

Die lineare Anordnung 11 kann etwa 50 Wandlcrele mente aufweisen, die je 0,25 mm in Längsrichtung brei sind und einen Abstand von etwa 0,3 mm von Mitte zi Mitte in Längsrichtung haben.

Gemäß der Erfindung sind feste Fokusvcrzögerungcr in den /- und (^-Kanälen vorgesehen, durch die die An Ordnung auf einen festen Brennpunkt fokussiert wird der auf einer Senkrechten in der Mitte der Anordnunj liegt und einen entsprechenden Abstand von der Anord nung hat. Die Festzeitverzögerung, die für jeden Kana erforderlich ist, kann aus der Gleichung (2) ohne weite res bestimmt werden. Der feste Brennpunkt sollte in dei Mitte der Zone oder des Sektors liegen, von dem di( Echos höchster Auflösung und größter Genauigkeit ge wünscht werden. Als Altcrnalivlösung können auch an stelle der Festzeitverzögerungen in den Verzögerung.* leitungen der /- und (^-Kanäle Bahnen gleicher Laufzei von einem festen Brennpunkt zu jedem Wandler dei Anordnung vorgesehen sein. Eine derartige fokussiert!

bo Anordnung ist in F i g. 6 dargestellt, die eine Wandleran Ordnung 91 zeigt, welche die Form einer gekrümmter Anordnung hat und aus einer einzelnen Reihe vor Wandlern 92 besteht, die in gleichen Abständen entlanj der gekrümmten Linie der Anordnung angeordnet sind

b5 Die Orte der Wandler entlang der Kurve sind so ge wählt, daß gleiche Zeitverzögerungen bzw. Laufzeitet für den Schall entstehen, der von dem Brennpunkt Rrdi< Elemente der Anordnung erreicht. Die Wandlcrelemen

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te sind vorzugsweise aus piezoelektrischem Material hergestellt und können auch im Querrichtung senkrecht zu der Papierebene gekrümmt sein.

P.in alternatives Ausführungsbeispiel für eine Anordnung mit festem Fokus ist in Fig. 7 dargestellt. Die ^r> Wandlerunordnung 95 enthüll eine einzelne Reihe von Wandlern 96 und eine konvergente akustische Linse 97. Die „kustisehe Linse 97 ist vor den Wandlern 96 montier! und besteht aus einem Material, z. B. einem enisprechcnden Kunststoff, in dem die Geschwindigkeit des Schalles größer ist als in dem Gegcnstandsbereieh, für den der Wandler benutzt wird, d. h. z. B. im Körpergewebe. Die Oberfläche der Linse 97, die nach der Strahlungsoberfläche der Wandler % zu liegt, ist eben und die gegenüberliegende Oberfläche ist gekrümmt, so daß isochrone Verzögeriingsstreckcn für den Schall von dem Brennpunkt Rr zu sämtlichen Elementen 96 der Anordnung bestehen.

Hip FrfinHiinu io in Vprhinrftino mil pini-r cnraHlini-

gen 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 Zeilverzögerungen erforderlich sind, um eine kohärente Addicrung 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 jo har IeIt. Es ist jedoch klar, daß die Anordnung auch für andere Zwecke, z. B. zur Fchlerfeststellung in Gußstükken, benutzt werden kann.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

40

45

50

55

bO

65

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Ultraschall-Abbildungsanordnung mit Einrichtungen, die einen Ultraschallimpuls vorbestimmter s Frequenz erzeugen und in einen Gegenstandsbereich abstrahlen, sowie mit einer Wandleranordnung zum Empfang eines Ultraschaliechos, 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, und die Verzögerungsvorrichtungen aufweist, die eine Fokussierung liefern und is die elektrischen Echosignale verzögern, so daß die von einem bestimmten Auftreffpunkt ausgehenden Echosignale kohärent in einer Addiervorrichtung addiert werden können, dadurch gekennzeichnet.

   a) daß Einrichtungen (26, 32) eine Anzahl von ersten demodulierenden Signalen (3B. 3O) 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 3Cj praktisch den gleichen Wert (λ) hat,

   b) daß Demodulationseinrichtungen (25, 31) für die von den Wandlern (15) gelieferten Echosignale (3/4, 3C) Eini )chtun£--n zum Mischen je eines der Echosignale (34,3C) mit einem zugehörigen ersten demoduliererK cn Signal (35,3D) enthalten, um ein erstes zugehöriges demoduliertesSignal(3£,3F;zu bilden,

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

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

   e) daß die Addiervorrichtung eine Addierschaltung (35) enthält, welche die verzögerten ersten demodulierten Signale addiert, um ein erstes Summensignal (2 0^zu bilden,

   f) daß zweite Signalerzeugungseinrichtungen (42, 46) eine Anzahl von zweiten demodulierenden Signalen (45,4D) von im wesentlichen der gleichen Frequenz wie die vorbestimmte Frequenz m> der Ultraschallimpulse liefern, die jedoch eine um 90° phasenverschobene Lage zu dem zugehörigen ersten demodulierenden Signal (3B.3D) haben,

   g) daß zweite Demosulationseinrichtungen (4), 1,5 45) für die von den Wandlern (15) gelieferten Echosignale (44. 4C) Einrichtungen zum Mischen je eines der Echosignale (44, 4C) mit einem zugehörigen zweiten demodulierenden Signal (AB, AD) enthalten, um ein zugehöriges zweites demoduliertes Signal (4E,4F)7.\i bilden.

   h) daß die Verzögerungsvorrichtung zweite Verzögerungseinrichlungen (44,48) enthält, die jedes der zweiten demodulierten Signale (AE. AF) um ein zugehöriges vorbestimmtes Zeitintervall verzögern, das der Projektion des Absfndes 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, AF) praktisch zur gleichen Zeit wie die ersten demodulierten Signale (3 £, 3 F) auftritt,

   i) daß die Addiervorrichtung eine Addierschaltung (49) enthält, welche die verzögerten zweiten demodulierten Signale addiert um ein zweites Summensignal (2 Q) zu erhalten, und

   j) daß Einrichtungen (51) zur Bildung eines resultierenden Signals (AM) vorgesehen sind, daß eine monotone Funktion der Summe aus dem Quadrat des ersten Summensignals und dem Quadrat des zweiten Summensignals ist

   2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (27, 33, 43, 47) zur Filterung jedes ersten und zweiten demodulierten Signals vorgesehen sind, die die Summenkomponente des Signals herausfiltem, wobei die Einrichtungen zur Verzögerung (28, 34, 44, 48) jedes ersten und zweiten demodulierten Signals die ausgesiebte DC-Einhüllende des ersten und zweiten demodulierten Signals verzögern.

   3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2. bei der aufeinanderfolgende Echos von aufeinanderfolgenden Punkten eines Gegenstandes aufgenommen werden und aufeinanderfolgende Gruppen von Echosignalen in den Wandlern erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (62, 68, 75, 76) 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.

   4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Signalgeneratoren (75, 76) 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 dcmodulicrende Signal eines Satzes eine 90"-Phasenverschiebung gegenüber einem entsprechenden demodulicrenden Signal eines zugeordneten Satzes hat.

   5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der aufeinanderfolgenden Sätze von ersten demodulicrenden Signalen (3Ä 3D) eine Zeitdauer hat, die wesentlich größer ist als die der Ultraschallimpulse (34,3C).

   b. Anordnung nach Ansprüchen I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die korrespondierenden ersten demodulierenden Signale (3B) der aufeinanderfolgenden Sätze von ersten denioduliercndcn 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 90°-Phasenbeziehung gegenüber korrespondierenden ersten demodulierenden Signalen von aufeinanderfolgenden Sätzen von ersten demodulierenden Signalen zu erhalten.

   7. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 6, 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 (Rf-) und dem iretreffenden Wandler verzögert.

   8. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 7, 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 isi, so daß sich gleiche Laufzeiten für den Schall von dem Brennpunkt (Rf) zu allen Wandlern (96) der Anordnung ergeben.

   9. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 7, 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 (Rr) zu allen Wandlern (92) der Reihe ergeben.