DE2945825C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Strahlablenkung für Ultraschall-Abbildungssysteme mit Sektorabtastung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Strahlablenkung für Ultraschall-Abbildungssysteme mit SektorabtastungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Ultraschall-Abbildungssysteme der mit Sektorabtastung arbeitenden Art,
bei denen eine lineare Anordnung aus piezoelektrischen Wandlern Verwendung findet und betrifft insbesondere
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abtastführung bzw. Ablenkung des Haupt-Ultraschallstrahls der
abgegebenen akustischen Energie auf der Basis von gespeicherten Digital-Inform-Jonen, die die Verzögerungszeit zwischen benachbarten Wandlern repräsentieren.
Bekanntermaßen bildet bei einer gleichzeitigen Erregung solcher piezoelektrischer Wandlerelemente
die von diesen abgegebene akustische Energie einen Haupt-Ultraschallstrahl, dessen Achse senkrecht zu der
linearen Wandleranordnung verläuft während bei einer aufeinanderfolgenden Erregung der Wandlerelemente
m:t unterschiedlicher zeitlicher Steuerung die Achse des Haupt-Ultraschallstrahls unter einem Winkel zur
Senkrechten abgelenkt wird, der von dem Betrag des Zeitdifferentials zwischen benachbarten Wandlern
abhängt
In der japanischen Offenlegungsschrift 52-59 974 wird zur Lösung dieses Problems eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der L ■ N Bits als Zeitverzögerungsdaten
in einem Festspeicher abgespeichert und jeweils eine Gruppe von N Bits in Form einer Parallelübertragung in
ein eine Kapazität von N Bits aufweisendes Schieberegister singegeben werden. Das Schieberegister wird
zum aufeinanderfolgenden Weiterschieben der erhaltenen Daten von Taktimpulsen gesteuert Auf diese Weise
werden die parallelen Ausgangssignale der. Schieberegisters jeweils in diskreten Schritten um maximal den
Betrag eines Bits »1« geändert und über parallele Verknüpfungsglieder jeweiligen Zweirichtungszählero
zugeführt die entsprechenden piezoelektrischen Wandlern zugeordnet sind. Die Länge der Zeitdauer, während
der ein jedes Verknüpfungsglied durchgeschaltet ist, hängt von der Gesamtzahl der aufeinanderfolgend in
jeder Bitstelle des Schieberegisters abgespeicherten Bits des Wertes »1« ab, so daß jeder Zweirichtungszahler über das zugehörige Verknüpfungsglied auf einen
anderen Zählwert voreingestellt wird, der die Zeit repräsentiert, zu der der zugehörige piezoelektrische
Wandler in bezug auf eine Referenzzeit erregt wird Die
Zweirichtungszähler werden sodann mit hochfrequenten Eingangsimpulsen angesteuert und geben aufeinanderfolgend Übertragimpulse an die Wandler ab, wenn
die jeweils voreingestellten Zählwerte erreicht sind.
Bei dieser bekannten Vorrichtung ist jedoch der binäre Differentialwert bzw. die Zeitdifferenz zwischen
benachbarten Wandlern auf ein einziges Bit beschränkt, was keine optimalen Ergebnisse ermöglicht, da zur
Erzielung eines größeren Ablenkwinkels zweckmä-Bigerweise ein mehr als ein Bit betragender binärer in
Differentialwert anzustreben ist.
Darüber hinaus beträgt die für die bekannte Vorrichtung erforderliche Speicherkapazität L ■ Λ/ Bits,
was zu einer Anzahl von 3200 Bits oder 400 Bytes führen würde, wenn L und N die für eine praktische π
Ausführungsform typischen Werte L = 100 und N = 32 aufweisen. Dies stellt eine erhebliche Speicherkapazität
dar, deren Reduktion ein Gebot der Wirtschaftlichkeit ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strahlablenkung
für Ultraschall-Abbildungssysteme mit Sektorabtastung derart auszugestalten, daß die vorstehend beschriebenen Nachteile bezüglich der Beschränkung des binären
Differentialwertes und des Erfordernisses einer erheblichen Speicherkapazität behoben sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß ein abgespeicherter Verzögerungszeit-Datenwert zur Bildung eines als Funktion der
Zeit ansteigenden Ausgangsdatenwertes wiederholt akkumuliert bzw. aufaddiert wird und programmierbare
Treiberzähler in Abhängigkeit von diesen Ausgangsdaten gleichzeitig mit jeder Datenakkumulation aufeinanderfolgend voreingestellt werden.
Dies ermöglicht eine Verringerung der Speicherkapazität auf L ■ M Datenbits, wobei der typische Wert 800
Bits oder 100 Bytes beträgt. Hierbei bezeichnet M die Anzahl von Bits, die eine einer Gesimtverzögerungszeit
für jeden Ablenkwinkel entsprechende Binärzahl repräsentieren. Die M Datenbits werden aufeinanderfolgend aus einem Speicher abgerufen und in einer
digitalen Addierschaltung wiederholt aufaddiert, was über eine Zwischenspeicherschaltung erfolgt, die in
einen Rückkopplungskreis zwischen den Ausgang und einen Eingang des Addierers geschaltet ist.
Da die in dem Speicher abgespeicherten M Datenbits einen erheblichen Binärzahlenbereich umfassen können,
ohne daß sich hierdurch die Gesamtzahl der Speicherstellen erhöht nehmen de akkumulierten bzw. aufaddierten Datenbits einen binaren Differentialwert von 2
oder mehr Bits an. wenn der Strahl um einen beträchtlichen Winkel in bezug auf einen Referenzwen
abgelenkt wird.
Vorzugsweise umfaßt die Addierschaltung M + K Datenbits, wobei K der Binärwert einer Zahl N— 1 ist,
bei der yvdie Anzahl der Wandlerelemente darstellt, und
die aus dem Speicher abgerufenen M Datenbits den unteren M Bitstellen der Addierschaltung zugeführt
werden. Die Zwischenspeicherschaltung umfaßt ebenfalls M + K Datenbits zur Zwischenspeicherung der
addierten Datenbits und führt die zwischengespeicherten Daten der Addierschaltung zu. Die höherwertigen
M Datenbits der Zwischenspeicherschaltung dienen zur Voreinstellung programmierbarer Zähler, die mit
jeweiligen Wandlerelementen verbunden sind.
in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein
zweiter Speicher vorgesehen, der eine Gruppe von N Datenbits für jeden der Ablenkwinkel abspeichert
Jeder Datenwert repräsentiert einen zusätzlichen Verzögerungszeitbetrag, der der Strahlablenk-Verzögerungszeit zur Konvergierung des Ultreschallstrahls
hinzuaddiert wird, wodurch sich ein scharf umrissenes Bild erhalten läßt. Jede Bitstelle bzw. jedes Bit des
/weiten Speichers entspricht einem jeweiligen Wandlerelement und wird synchron mit den Strahlablenk-Verzögerungszeitdaten abgerufen und in einem zweiten
Digitaladdierer aufeinanderfolgend addiert oder subtrahiert, was über eine zweite Zwischenspeicherschaltung
in der gleichen Weise, in der die Strahlablenkdaten erhalten werden, erfolgt. Die erste Hälfte der N
Datenbits wird aufeinanderfolgend aufaddiert, während die zweite Hälfte von der aufaddierten ersten Hälfte
subtrahiert wird, so daß der Betrag des binären Differentialwertes als Funktion der Position der
Wandlerelemente bis zum Erreichen des Mittelpunktes ansteigt und sodann abfällt, bis die letzte Position
prreirhl ist. Hierdurch wirri pin Irpuplfftrmitr cirh
verjüngender Verlauf der binären Differentialwerte über den Wandlerelementen erhalten.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines ersten AusfUlrrungsbeispiels der Erfindung,
Fig.? Einzelheiten der Addier- und Zwischenspeicherschaltungen gemäß Fig. 1,
F i g. 3 Signalverläufe zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Ausführungsbrispiels gemäß F i g. 1,
F i g. 4 eine Darstellung von Zwischenverbindungen der Schltungsanordnung gemäß F i g. 2,
F i g. 5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
F i g. 6 Einzelheiten der Addierschaltung gemäß F i g. 5 in Relation zu den zugehörigen Schaltungsanordnungen und
F i g. 7 eine weitere Ausgestaltung des Ausführungsbcispiels gemäß F i g. 5.
Bevor im einzelnen auf Ausführungsbeispiele eingegangen wird, soll zunächst das der Erfindung zugrunde
liegende Prinzip näher erläutert werden. Bei einem Ultraschall-Diagnosesystem der mit Sektorabtastung
arbeitenden Art, bei dem eine Vielzahl piezoelektrischer Wandlerelemente in einer linearen Reihenkonfiguralion
angeordnet sind und aufeinanderfolgend erregt werden, ist die Einheitsverzögerungszeit T zwischen zwei
beliebigen benachbarten Wandlerelementen für einen gegebenen Ablenkwinkel θ des Hauptstrahls von der
Reihenkonfiguration durch die Glei.Jiung T = t/sin QlCgegeben, wobei dder von Mitte zu Mitte
gerechnete Abstand zwischen benachbarten Wandlerelementen und Cdie Geschwindigkeit der innerhalb des
Körpers eines Objektes wandernden akustischen Energie sind. Die Erregung des n-ten Wandlerelementes
einer aus N Wandlerelementen bestehenden linearen Anordnung wird daher um eine Zeitdauer verzögert, die
ein ganzzahliges Vielfaches der Einheitsverzögerungszeit in bezug auf den Beginn eines jeden Abtastzyklus ist
und sich durch die Gleichung:
Tn=(dsm B)Qx(n-\)
ausdrücken läßt
Für einen gegebenen Ablenkwinkel lassen sich daher sämtliche Verzögeningszeiien Ti bis Ts für die
Wandlerelemente Nr. 1 bis Nr. N durch aufeinanderfolgende Addition der Einheitsverzögerungszeit des
gegebenen Ablenkwinkels erhalten. Erfindungsgemäß wird die Einheitsverzögerungszeit für jeden Ablenkwinkel in binärer Form dargestellt und in einem
Digitalspeicher in der nachstehend beschriebenen Weise abgespeichert.
Zunächst sei auf F i g. I näher eingegangen, in der ein erstes vorzugsweise verwendetes Ausführungsbeispiel
des Vitastsystems schematisch dargestellt ist. Das System umfaßt einen Digitalspeicher, wie einen
programmierbaren Festspeicüer 1, der eine Gruppe von in
Verzögerungszeitdaten abspeichert. Jed.ftr Verzögerungszeit-Datenwert repräsentiert die Gesamtverzögerungszeiten der Wandlerelemente einer Ultraschallsonde 10 in z. B. 8 Bits. Wenn davon ausgegangen wird, daß
das System 100 Auflösungspunkte oder diskrete π Ablenkwinkelwerte aufweist, wird eine Gruppe von 100
Verzögerungszeitdaten in dem Festspeicher 1 abgespeichert. Die jeweiligen Verzögerungszeitdaten von 8 Bits
werden aufeinanderfolgend ausgelesen und dem Eingang einer Addierschaltung 2 zugeführt, dessen >
<i Ausgang mit einer Zwischenspeicherschaltung 3 gekoppelt ist. Der Ausgang der Zwischenspeicherschaltung 3
ist über eine Rückkopplungsschaltung 4 mit einem weiteren Eingang der Addierschaltung 2 verbunden,
wodurch eine Summierung der beiden Eingangsdaten :j erhalten wird. Zum aufeinanderfolgenden Auslesen der
Verzögerungszeitdaten erhält der Festspeicher 1 ein Adressensignal von dem Binärausgang eines Adressenzählers 5, der wiederum eingangsseitig Signale von
einem durch nn« teilenden Zähler 6 erhält. i"
Ffner ist ein Oszillator 8 vorgesehen, der eine
Impulsfolge mit einer Dauer in der Größenordnung von ns abgibt. Das Oszillator-Ausgangssignal wird einem
durch »m« teilenden Zähler 7 zugeführt, wodurch ein Ausgangssignal mit einer Frequenz erhalten wird, die 3;
ein ganzzahliger Teilwert der Oszillatorfrequenz ist. Das Ausgangssignal des Zählers 7 wird dem durch »n«
teilenden Zähler 6 und außerdem einem UND-Glied 9 zugeführt. Die Ausgangssignalfrequenz des Zählers 6 ist
somit ein ganzzahliger Teilwert der Ausgangssignalfre- -»ο quenz des Zählers 7 und dient als Abtast-Freigabeimpuls (siehe Fig. 3), über den der Zähler 5 den
Festspeicher 1 derart adressiert, daß für jeden der 100 diskreten Ablenkschritte der entsprechende Verzögerungszeit-Datenwert aus dem Festspeicher 1 ausgelesen
wird.
Beim Anliegen eines jeden Abtast-Freigabeimpulses wird das UND-Glied 9 durchgeschaltet und leitet die
Ausgangsimpulse des Zählers 7 zu dem Freigabeanschluß der Zwischenspeicherschaltung 3 sowie zu einem
Verzögerungsglied 11 weiter. Die Divisionsfaktoren »m«und »n«der Zähler 6 und 7 sind derart gewählt, daß
die von dem Zähler 7 während des Abtast-Freigabeimpulses erzeugte Anzahl von Impulsen gleich der in der
Reihenanordnung 10 enthaltenen Anzahl piezoelektrischer Wandlerelemente ist, die z. B. 32 beträgt Die
Zwischenspeicherschaltung 3 wird daher während eines
jeden Abtast-Freigabeimpulses 32fach freigegeben, wobei die Addierschaltung 2 die aus dem Festspeicher 1
abgerufenen Daten aufeinanderfolgend zu den röckgekoppelten Daten hinzuaddiert, wodurch die akkumulierten Einheitsverzögerungszeiten repräsentiert werden.
Das System weist eine Vielzahl programmierbarer oder voreinstellbarer Zähler CTRo bis CTRn auf (wobei
N bei diesem Ausführungsbeispiel den Wert 32 aufweist). EHe Zähler CSKo bis CTRn Hegen mit ihren
Programm- oder Voreinstell-Emgangsanschlüssen Po bis Pn gemeinsam an dem Binärausgang der Zwischenspeicherschaltung 3, während ihre Freigabeanschlüsse
ee bis es jeweils mit Ausgangsanschlüssen eines
Ringzählers 12 verbunden sind, der seine Eingangssignale von dem Verzögerungsglied 11 erhält. Die programmierbaren Zähler CTRo bis CTRn werden somit
aufeinanderfolgend zu Zeiten freigegeben, die in bezug auf die Zeiten der Freigabe der Zwischenspeicherschaltung 3 ein wenig verzögert sind, so daß der Zählwert
eines jeden programmierbaren Zählers entsprechend einem jeweiligen Wert der aufeinanderfolgend akkumulierten Verzögerungszeitdaten voreingestellt wird. Auf
diese Weise sind sämtliche programmierbaren Zähler bereit, die Wandlerelemente der Ultraschallsonde 10
über jeweilige Verstärker-Treiberschaltungen A0 bis As
aufeinanderfolgend zu erregen. Die programmierbaren Zähler erhalten ihre Eingangsimpulse über Taktanschlüsse Cb bis c,v von dem Oszillator 8, wenn ein
UND-Glied 13 in Abhängigkeit von dem mittels eines Inverters 14 invertierten Ausgangssignal des Zählers 6
freigegeben wird. Die programmierbaren Zähler CTR0
bis CTRs erhalten somit in Abhängigkeit von dem Ablauf der Abtast-Freigabedauer höhere Taktimpulsraten und geben aufeinanderfolgend Ausgangsimpulse zu
Zeiten ab, die jeweils um Beträge verzögert sind, welche den jeweiligen voreingestellten Verzögerungszeitdaten
entsprechen. Die Ultraschallsonde 10 wird auf diese Weise zur aufeinanderfolgenden Aussendung von
Ultraschallimpulsen in den Körper eines Objektes erregt, so daß von jeglichen Übergangsstellen oder
Grenzflächen innerhalb des Objektkörpers reflektierte Echosignale während des Empfangsbetriebs aufgenommen werden, der mit dem Ende des Aussendens des
letzten Ultraschallimpulses beginnt und bis zur Anstiegsflanke des nächsten Abtast-Freigabeimpulses
andauert.
Beim nächsten, von dem Zähler 6 abgegebenen Abtast-Freigabeimpuls wird der nächste Verzögerungszeit-Datenwert in dem Festspeicher 1 addressiert und
der Addierschaltung 2 zugeführt. Der vorstehend beschriebene Vorgang wird dann lOOfach wiederholt, so
daß der Hauptstrahl der Ultraschallsonde 10 über einen vorgegebenen Winkel abgelenkt werden kann.
In F i g. 2 sind Einzelheiten der Addierschaltung 2 und der Zwischenspeicherschaltung 3 für eine zweckmäßige
Ausführungsform näher veranschaulicht. Die Addierschaltung 2 besteht aus einer Gruppe von vier
4-Bit-Digitaladdierern 2-1,2-2,2-3 und 2-4 (Bauelemente 74283 der Firma Texas Instruments), die in der
Reihenfolge der Bits niedriger Wertigkeit zu den Bits höherer Wertigkeit angeordnet sind, so daß das
Übertragsbit der jeweiligen Addierer für die Bits niidrigerer Wertigkeit dem jeweiligen Addierer für die
Bits der nächsthöheren Wertigkeit zugeführt wird. Der programmierbare Festspeicher 1 weist ein aus 8 Bits
bestehendes Datenformat auf und führt aus 4 Bits bestehende Verzögerungszeitdaten niedriger Wertigkeit dem den Bits niedrigster Wertigkeit zugeordneten
Addierer 2-1 und aus vier Bits bestehende Daten höherer Wertigkeit dem den Bits nächsthöherer
Wertigkeit zugeordneten Addierer 2-2 zu. Die Ausgänge der Addierer 2-1 und 2-2 sind jeweils mit einem
Zwischenspeicher 3-1 bzw. 3-2 verbunden, deren Ausgänge wiederum über jeweilige Rückkopplungsschaltungen mit dem zugehörigen Addierer verbunden
sind. In gleicher Weise sind die Ausgänge der den Bits höherer Ordnung zugeordneter. Addierer 2-3 und 2-4
jeweils mit einem Zwischenspeicher 3-3 bzw. 3-4 verbunden, deren Ausgänge jeweils auf den zugehöri-
gen Addierer zurückgekoppelt sind. Die Ausgänge der Zwischenspeicherschaltung 3 sind mit den programmierbaren
Zählern CTRo bis CTRv derart verbunden,
daß die höherwertigen drei Bits des Addierers 2-2 über den Zwischenspeicher 3-2, die vollen vier Bits des ϊ
Addierers 2-3 über den Zwischenspeicher 3-3 und das niedrigste Bit des den höchstwertigsten Bits zugeordneten
Addierer:· 2-4 über den Zwischenspeicher 3-4
übertragen werden, wie dies in F i g. 4 näher veranschaulicht ist. Die Addierschaltung 2 stellt somit einen 13 in
Bit-Digitaladdierer dar, bei dem die 8 Bits höherer Wertigkeit verwendet werden.
Die von der Addierschaltung 2 und der Zwischenspeicherschaltung 3 gebildete Daten-Akkumulierschaltung
umfaßt somit M + (N- 1) Datenbits, wobei M bei η
diesem Ausführungsbeispiel von 8 Bits gebildet wird, die den Zählern CTR zugeführt werden, während N die
Anzahl der Wandlerelemente darstellt, die in diesem Falle von 6 Bits gebildet wird.
Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß :»
Fig. 2 läßt sich einfach erläutern, wenn davon ausgegangen wird, daß der von Mitte zu Mitte
gemessene Abstand d 0,45 mm beträgt und der Haupt-Ultraschallstrahl unter einem Winkel von 0,4° in
bezug auf die Senkrechte zu der linearen Wandleran- :ϊ
Ordnung abgelenkt wird. Hierdurch wird eine Verzögerung T32 von annähernd 63 ns erhalten (die gleich der
Gesamtverzögerungszeit ist). Wenn nun angenommen wird, daß eine minimale diskrete Verzögerunszeiteinheit
zwischen aufeinanderfolgend angeordneten Wand- jn lern für eine 30 ns umfassende Dauer als Bit des Wertes
»1« quantisiert wird, weist die Gesamtzahl an diskreten Verzögerungszeiteinheiten für die 0,4° betragende
Ablenkung den Wert »2« auf. Dieser Wert wird durch die Binärzahl 00000010 dargestellt und in dem r,
Festspeicher 1 abgespeichert. Da dieser Verzögerungszeit-Datenwert wiederholt in den Addierer- und
Zwischenspeicherschaltungen aufaddiert wird und lediglich die höherwertigen 8 Bits der 13 Bits der
Zwischenspeicherschaltung Verwendung finden, erhal- m
ten die programmierbaren Zähler CTRo bis CTRg jeweils den Programmdptenwert 00000000, während die
Zähler CTR9 bis CTR31 jeweils den Programmdatenwert OOOOOOOl und der Zähler CTR32 den Programmdatenwert 00000010 erhalten. Zwischen den Wandlerelemen- 4-,
ten Nr. 8 und Nr. 9 sowie zwischen den Wandlerelementen Nr. 31 und Nr. 32 ergibt sich somit eine Minimal-Verzögerungszeiteinheit
von 30 ns, während zwischen den Wandlerelementen Nr. 1 bis Nr. 8 und den Wandlerelementen Nr. 9 bis Nr. 31 keine Verzögerungszeit
auftritt.
Bei dem nächsten Ablenkwinkel von 0,8° beträgt die Verzögerungszeit Tn annähernd 126 ns, so daß sie in
etwa dem 4fachen der Minimal-Verzögerungszeiteinheit entspricht und der für diesen Ablenkwinkel
abgespeicherte Datenwert 00000100 ist Die wiederholte Addition dieser Daten resultiert in einem Ausgangsdatenwert 00000000 für die Zähler CTR0 bis CTR5,
einem Datenwert 00000001 für die Zähler CTR6 bis
CTRi5, einem Datenwert 00000010 für die Zähler CTR16 &o
bis CTR22, einem Datenwert 00000011 für die Zähler
CTR23 bis CTR31 und einem Datenwert 00000100 für den
Zähler CTR32. Die Wandlerelemente Nr. 6 bis Nr. 15
werden daher in bezug auf die Wandlerelemente Nr. 1 bis Nr. 5, zwischen denen keine Verzögerungszeit es
besteht, mit einer Verzögerungszeit von 30 ns erregt, während die Wandlerelemente Nr. 16 bis Nr. 22 in
bezug auf die Wandlerelemente Nr. 1 bis Nr. 5 mit einer Verzögerungszeit von 60 ns, die Wandlerelemente
Nr. 23 bis Nr. 31 in bezug auf die Wandlerelemente Nr. 1
bis Nr. 5 mit einer Verzögerungszeit von 90 ns und schließlich dasi Wandlerelement Nr. 32 mit einer
Verzögerungszeit von 120 ns in bezug auf die Wandlerelemente Nr. 1 bis Nr. 5 erregt werden.
Es ist somit ersichtlich, daß für Ablenkwinkel von 1,2°,
1,6° und 1,8° jeweils der Daten wert 00000110, der Datenwert 00001000 bzw. der Datenwert 00001010 in
dem Festwertspeicher 1 abgespeichert wird.
Bei einem Ablenkwinkel von 12,4° beträgt die Gesamtverzögerungszeit 1932 ns, so daß annähernd 64
Minimal-Verzögerungszeiteinheiten vorliegen, was durch den Datenwert 01000000 repräsentiert wird. Die
wiederholte Akkumulierung dieser Binärzahl führt zu einem binären Differentialwert von 2 Bits, d. h., das
Zeitdifferential zwischen zwei beliebigen Wandlerelementen beträgt 2 Minimal-Verzögerungszeiteinheitei'i.
Bei einem Ablenkwinkel von 40° am Ende der 100 Ablenkschritte beträgt die Gesamtverzögerungszeit
5785 ns, was annähernd 193 Minimal-Verzögerungszeiteinheiten ergibt und der Binärzahl 11000001
entspricht, die wiederum einen binären Differentialwert von 6 Bits ergibt.
Durch die wiederholte Summierung der abgespeicherten Verzögerungszeitdaten läßt sich somit leicht ein
binärer Differentialwert von 2 oder mehr mit einer nicht mehr als 100 Bytes (-LM Datenbits) betragenden
Speicherkapazität erhalten.
Die Anzahl der in dem Festspeicher 1 abgespeicherten Bits und die Anzahl der in den Zählern CTRo bis
CTRn abgespeicherten Programmbits werden natürlich von dem maximalen Ablenkwinkel und der Quantisierungszeit
bestimmt.
Wie vorstehend beschrieben, wird der Hauptstrahl der Wandleranordnung 10 lediglich in einer Richtung
abgelenkt. Wenn die Ablenkbewegung des Strahls auch in der entgegengesetzten Richtung durchgeführt werden
soll, kann dies durch Umkehr der Programmierreihenfolge der programmierbaren Zähler erfolgen, wobei
in diesem Falle anstelle des Zählers 12 e:.n Zweirichtungs-Ringzähler
Verwendung findet. Zu diesem Zweck ist ein Zähler 15 vorgesehen, der die Abtast-Freigabeimpulse
zählt und dem Zweirichtungs-Ringzähler 12 ein Befehlssignal zur Umkehr seiner Zählreihenfolge in
Abhängigkeit von einem Zählwert von 100 Abtast-Freigabeimpulsen zuführt, so daß der Hauptstrahl nach
Durchlaufen eines Ablenkwinkels von 40° in einer bestimmten Richtung nunmehr in der entgegengesetzten
Richtung in gleichem Ausmaß abgelenkt wird, was dazu führt, daß ein Gesamtablenkwinkel von 80°
erhalten wird.
Zur Erzielung scharf umrissener Bilder der zurückgeführten akustischen Signale wird der Haupt-Ultraschallstrahl zweckmäßigerweise zu einer sich eng verjüngenden bzw. scharf gebündelten Form konvergiert Dies
erfolgt durch Änderung der den programmierbaren Zählern CTR zugeführten Programmdaten in Abhän
gigkeit von einer Gruppe Konvergenzdaten, die in einem zweiten Festspeicher abgespeichert sind
Wenn davon ausgegangen wird, daß die zur Erzielung
der Strahlkonvergenz erforderliche Verzögerungszeit im gleichen digitalen Maßstab wie die vorstehend
beschriebene Ablenk-Verzögerungszeit quantisiert werden soll, kann ein Betrag von ± 1 Bit für die zu
diesem Zweck erforderliche Änderung der in den programmierbaren Zählern ClK abgespeicherten Programmdaten ausreichen. Da die Programifcdaten aus
den höherwertigen 8 Bits der 13 Bitstellen umfassenden
Digital-Addierschaltung 2 bestehen, setzen sich die Konvergenz-Verzögerungszeitdaten zweckmäßigerweise
aus vier Bits zusammen, die dem die 4 Bits niedrigerer Wertigkeit umfassenden Ausgg.tgssignal ■-,
des Addierers 2-1 hinzuaddiert werden.
Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 5 umfaßt dieses Strahlkonvergenz-Merkmal, wobei im übrigen die
gleichen Bezugszahlen zur Bezeichnung gleicher Bauteile wie beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 verwendet
sind. Für jeden Ablenkwinkel wird eine Gruppe von 32 Bits in einem zweiten programmierbaren Festspeicher
20 abgespeichert. Außerdem werden in dem Festspeicher 20 Vorzeichendaten abgespeichert, die
eine logische »I«, welche die Addition eines jeden Bits r> der Konvergenzdaten in einem 4-Bit-Digitaladdierer 24
für die erste Hälfte der 32 Bits bezeichnet, und eine logische »0«, die die Subtraktion der Daten für die
zweite Hälfte der 32 Bits bezeichnet, umfassen. Die Konvergenz Datenbits und die Vorzeichen-Datenbits _>o
werden hi< bei entsprechend einem von einem Zähler
21 zugeführten Adressensignal ausgelesen und jeweils über Leitungen 22 und 23 dem 4-Bit-Addierer 24
zugeführt. Der Zähler 21 erhält Signale von dem durch »m« teilenden Zähler 6, so daß jedes Datenbit :>
entsprechend einem jeden Wandlerelement abgerufen wird. Der Ausgang des Addierers 24 ist mit einem
Zwischenspeicher 25 verbunden, dessen Ausgang über einen Rückkopplungskreis 26 mit dem Addierer 24
verbunden ist, wodurch die erhaltenen Daten in w Abhängigkeit von einem Additions- oder Subtraktions-Befehlssignal
akkumuliert werden, das von dem Speicher 20 über die Leitung 23 abgegeben wird. Die
Binärzahl der in dem Zwischenspeicher 25 abgespeicherten Daten steigt daher als Funktion der Zeit an, bis r>
der programmierbare Zähler CTRm programmiert worden ist, und fällt sodann als Funktion der Zeit ab.
Außerdem werden die Ausgangsdaten des Zwischenspeichers 25 einem 13 Bitstellen umfassenden Digitaladdierer
27 zugeführt. Wie im einzelnen in Fig. 6 in dargestellt ist, ist eine erste Gruppe von 13-Bit-Eingangsanschlüssen
mit den jeweiligen Ausgängen der Zwischenspeicher 3-1 bis 3-4 verbunden, während die
Anschlüsse für die vier Bits niedrigerer Wertigkeit einer zweiten Gruppe von 13-Bit-EingangsanschIüssen mit
den Ausgangsanschlüssen des Zwischenspeichers 25 verbunden sind. In dem Addierer 27 werden somit die 4
Bits niedrigerer Wertigkeit der Addierer 2-1 und 25 aufsummiert, um die 8 Bits höherer Wertigkeit in den
entsprechenden Bitstellen des 13-Bit-Addierers 25 zu
ändern, die mit den programmierbaren Zählern CTR0
bis CTR32 verbunden sind.
Der Strahlkonvergenzeffekt ist vorzugsweise nicht nur bei der Sendeeir.heit des Diagnosesystems, sondern
auch bei der Empfangseinheit vorgesehen, indem auch den empfangenen Echosignalen Verzögerungszeiten
zur Erzielung eines tieferen Fokussierungsbereiches erteilt werden. Obwohl die Schaltungsanordnung
gemäß Fig.5 auf einfache Weise derart ausgestaltet werden kann, daß die in dem Festspeicher 20
abgespeicherten Daten .sowohl für die Sendeeinheit als auch für die Empfangseinheit Verwendung finden,
werden zweckmäßigerweise separate Daten für den Sende- und Empfangsbetrieb verwendet. Zu diesem
Zweck wird die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 5 in der in F i g. 7 veranschaulichten Weise ausgestaltet,
wobei in F i g. 7 gleiche Bezugszahien Bauteile bezeichnen, die auch bei der Schaltungsanordnung gemä"
Fi g. 5 verwendet werden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 7 ist eine Gruppe programmierbarer
Festspeicher 30, 31 und 32 vorgesehen, die jeweils eine Anzahl verschiedener Konvergenzdaten abspeichern,
welche über ein Schaltnetzwerk 33 dem 4-Bit-Addierer 24 und/oder einem weiteren 4-Bit-Addierer 34 zugeführt
werden, dessen Ausgangssignale über einen Zwischenspeicher 35 und einen Rückkopplungskreis 36
rückgekoppelt werden. Die Ausgänge des Zwischenspeichers 35 und der Zwischenspeicherschaltune 3 sind
mit einem 13-Bit-Addierer 37 verbunden, der den gleichen Aufbau wie der Addierer 27 aufweist. Das
Schaltnetzwerk 33 ist zur Herstellung der gewünschten Verbindungen zwischen den Festspeichern 30 bis 32 und
den Addierern 24, 34 manuell rückstellbar. Der 13-Bit-Addierer 37 führt seine binären Ausgangsdaten
der Empfangseinheit 38 des Systems zu, die dazu dient, die über die Ultraschallsonde 10 zurückgeworfenen
Echosignale zu einem sichtbaren Bild auf einer Kathodenstrahlröhre zu verarbeiten.
Es werden somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strahlablenkung für Ultraschall-Abbildungssysteme
mit Sektorabtastung vorgeschlagen, bei denen aus L ■ M Datenbits bestehende Strahlablenk-Verzögerungszeitdaten
in einem Festspeicher abgespeichert werden, aus dem ein jeder Datenwert bei Ablenkung
des Ultraschallstrahls um einen vorgegebenen Winkel aufeinanderfolgend abgerufen und wiederholt in einem
Digitaladdiorer über eine zwischen Ausgang und Eingang des Digitaladdierers geschaltete Zwischenspeicherschaltung
akkumuliert wird, wobei L die Anzahl diskreter Stufen des Ablenkwinkels und M eine die
Gesamtverzögerungszeit von piezoelektrischen Wandlern repräsentierende Binärzahl sind. Die aufeinanderfolgend
zwischengespeicherten Daten werden jeweiligen programmierbaren Zählern zur Voreinstellung
ihrer Zählwerte zugeführt, wodurch in den Zählern jeweilige Verzögerungszeitdaten abgespeichert werden.
Nachdem die Zähler zur Abgabe von Übertrag-Ausgangssignalen an die zugehörigen piezoelektrischen
Wandler voreingestellt worden sind, werden ihnen hochfrequente Zählimpulse zugeführt. Außerdem werden
Strahlkonvergenz-Verzögerungszeitdaten in einem zweiten Speicher abgespeichert, aus dem ein jeder
Datenwert für das jeweilige Wandlerelement abgerufen und derart akkumuliert wird, daß eine kegelförmig
verjüngte Konfiguration von binären Differentialzahlen geschaffen wird, die den Strahlablenk-Verzögerungszeitdaten
zur Konvergierung bzw. Bündelung des Ultraschallstrahls hinzuaddiert werden.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen
Claims (16)
1. Verfahren zur aufeinanderfolgenden Ablenkung eines Ultraschallstrahls unter verschiedenen Winkein zur Erzielung einer Sektorabtastung durch
aufeinanderfolgende Erregung piezoelektrischer Wandlerelemente, gekennzeichnet durch
die Verfahrensschntte:
a) Abspeichern einer Anzahl von Verzögerungs- ι ο
zeitdaten in einem Speicher, wobei jeder abgespeicherte Datenwert für einen jeden
Ablenkwinkel des Ultraschallstrahls vorgesehen ist und eine der Verzögerungszeit zwischen
aufeinanderfolgend erregten Wandlerelemen- if ten entsprechende Binärzahl repräsentiert,
b) Auslesen der jeweiligen Verzögerungszeitdaten aus dem Speicher in Abhängigkeit von dem
jeweiligen Ablenkwinkel,
c) wiederholtes Akkumulieren der ausgelesenen Daten mit einer N— Ifachen Häufigkeit zur
aufeinanderfolgenden Erzeugung eines Ausgangsdatenwertes für einen jeden Ablenkwinkel, wobei N die Anzahl der Wandlerelemente
bezeichnet, und
d) aufeinanderfolgendes Erregen der Wandlerelemente entsprechend den aufeinanderfolgend
erzeugten Ausgangsdaten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgespeicherten Verzögerungs-
zeitdaten von M Datenbits und die akkumulierten Daten von M + K Datenbits repräsentiert werden,
wobei K eine N-1 entsprechende Binärzahl ist, und
daß dir Ausgangsdateti von den höherwertigen M
Datenbits der akkumulierten Daten repräsentiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Speicher abgespeicherten
M Datenbits eine Binärdarstellung der gesamten Verzögerungszeiten der Wandlerelemente sind. to
4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte:
a) Abspeichern einer Vielzahl von Datengruppen in einem zweiten Speicher, wobei jeder
Datenwert einem jeden Wandlerelement entspricht sowie eine der ursprünglichen Verzögerungszeit zur Bündelung des Ultraschallstrahls
hinzuzuaddierende zusätzliche Verzögerungszeit repräsentiert und eine jede Datengruppe
einem jeden Ablenkwinkel des Ultraschall- so Strahls zugeordnet ist,
b) aufeinanderfolgendes Auslesen eines jeden dieser Datenwerte aus dem zweiten Speicher,
c) wiederholtes Akkumulieren der ausgelesenen Daten zur aufeinanderfolgenden Erzeugung
eines Ausgangsdatenwertes und
d) Addieren dieser aufeinanderfolgend erzeugten Ausgangsdatenwerte zu den ursprünglichen
aufeinanderfolgend erzeugten Ausgangsdaten.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem zweiten Speicher
abgespeicherten Daten jeweils aus einem eine Verzögerungszeit repräsentierenden ersten Datenwert und einem ein positives oder negatives
Vorzeichen repräsentierenden zweiten Datenwert bestehen, der die Addition oder Subtraktion des
ersten Datenwertes zu bzw. von den akkumulierten ursprünglichen Daten bestimmt.
6. Vorrichtung zur aufeinanderfolgenden Ablenkung eines aus einer Anordnung piezoelektrischer
Wandlerelemente austretenden Ultraschallstrahls unter abgestuften unterschiedlichen Winkeln durch
aufeinanderfolgende Erregung der Wandlerelemente mit verzögerter Zeitsteuerung, gekennzeichnet
durch eine Einrichtung (6 bis 9) zur Erzeugung von Steuerimpulsen niedriger Frequenz, deren zeitliche
Abstufung einem jeden Ablenkwinkel riss Ultraschallstrahls entspricht, und zur Erzeugung von
Steuerimpulsen hoher Frequenz, deren Anzahl den Wandlerelementen (10) entspricht, die in Abhängigkeit von dem unter dem jeweiligen Winkel
abgelenkten Ultraschallstrahl erregt werden, durch einen Speicher (1), in dem eine Vielzahl von
Verzögerungszeitdaten abgespeichert werden, die jeweils eine der Verzögerungszeit zwischen aufeinanderfolgend erregten Wandlerelementen für den
jeweiligen Ablenkwinkel entsprechende Binärzahl repräsentieren, durch eine Einrichtung (5) zum
Auslesen der jeweiligen Datenwerte aus dem Speicher in Abhängigkeit von den Steuerimpulsen
niedriger Frequenz, durch eine Einrichtung (2 bis 4) zur wiederholten Akkumulierung der ausgelesenen
Daten in Abhängigkeit von den Steuerimpulsen hoher Frequenz, durch eine Vielzahl von den
Wandlerelemecien entsprechenden Zählern (CTRo
bis CTRn), deren Zählwerte in Abhängigkeit von einem jeweiligen Ausgangsdatenwert der Akkumuliereinrichtung voreinstellbar sind, durch eine Einrichtung (12) zur aufeinanderfolgenden Freigabe der
Zähler und Ermöglichung der Voreinstellung der Zähler auf die Ausgangsdaten in Abhängigkeit von
den Steuerimpulsen hoher Frequenz und durch eine Einrichtung (8,13,14), die den Zählern Zählimpulse
zuführt, wodurch die Wandlerelemente in Abhängigkeit von dem jeweiligen Erreichen der voreingestellten Zählwerte aufeinanderfolgend erregt werden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein jeder Datenwert eine Binärdarstellung der gesamten Verzögerungszeiten der Wandlerelemente ist
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenwert eine Binärdarstellung von
t/sin θ
N- 1
C
Q '
ist, wobei d der von Mitte zu Mitte gemessene
Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Wandlerelementen, θ der Ablenkwinkel, Cdie Geschwindigkeit der sich in einem untersuchten Körper
ausbreitenden akustischen Energie, N die Anzahl der Wandlerelemente und Qeine Einheitsverzögerungszeit sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheitsverzögerungszeit eine
Minimal-Verzögerungszeit zwischen den aufeinanderfolgend erregten Wandlerelementen ist
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheitsverzögerungszeit
eine zur Erzeugung eines einzelnen Datenbits erforderliche Quantisierungszeiteinheit ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Akkumuliereinrichtung
einen erste und zweite Eingangsanschlüsse aufweisenden Digitaladdierer (2), dessen ersten Eingangsanschlüssen die ausgelesenen Differentialzettdaten
zugeführt werden, und einen Zwischenspeicher (3) umfaßt, der derart geschaltet ist, daß er die
Ausgangsdaten des Addierers zur Zwischenspeicherung erhält und die zwischengespeicherten Daten
den zweiten Eingangsanschlflssen des Addierers in Abhängigkeit von den Steuerimpulsen hoher Frequenz zuführt, während der Datenausgang des
Zwischenspeichers mit den der Voreinstellung dienenden Eingangsanschlüssen eines jedpn Zählers
verbunden ist
12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerunszeitdaten jeweils von M Datenbits repräsentiert werden, daß die
Akkumuliereinrichtuiig M + K Datenbitstellen aufweist, wobei K eine N— 1 entsprechende Binärzahl
ist, und daß die von der Akkumuliereinrichtung den Zählern zugeführten Datenbits die höherwertigen M
Datenbits der Zähler bilden.
13. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 12, gekennzeichnet durch einen zweiten Speicher (20),
in dem mehrere Gruppen von Strahlkonvergenz-Datenbits abgespeichert werden, die jtweils eine
zusätzliche Verzögerungszeit zur Bündelung des Ultraschallstrahls repräsentieren, wobei die Anzahl
der Konvergenz-Datenbits den Wandlerelementen und jede Bitgruppe einem jeden Ablenkwinkel des
Ultraschallstrahls entsprechen, und wobei der zweite Speicher außerdem positive und negative
Vorzeichendatenbits abspeichert, durch eine Einrichtung (6,21), die jedes der Datenbits und eines der
Vorzeichendatenbits in Abhängigkeit von den Steuerimpulsen hoher Frequenz aus dem zweiten
Speicher ausliest, durch eine Einrichtung (24 bis 26), die ein aus dem zweiten Speicher ausgelesenes
Konvergenz-Datenbit in Abhängigkeit von den Steuerimpulsen hoher Frequenz bei Vorliegen eines
ausgelesenen positiven Vorzeichendatenbits wiederholt addiert oder bei Vorliegen eines ausgelesenen
negativen Vorzeichendatenbits wiederholt von den addiertrn Datenbits subtrahiert, und durch eine
Einrichtung (27), die den Ausgangsdatenwert der Addier- und Subtrahiereinrichtung zu den Ausgangsdaten der Akkumuliereinrichtung hinzuaddiert
14. Vorrichtung nach Anspruch 13 für ein Ultrasehall-Sondensystem mit einer Ultraschall-Sendeeinheit und einer Ultraschall-Empfangseinheit,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Speicher eine Anzahl von Speicherabschnitten (30 bis 32)
aufweist, die jeweils mehrere Gruppen von Strahlkonvergenz-Datenbits und positiven und negativen
Vorzebhendatenbits abspeichern, daß eine Einrichtung (33) zur wahlweisen Zuführung der in den
Speicherabschnitten abgespeicherten Daten zu der Addier- und Subtrahiereinrichtung (24 bis 26) und
einer identischen zweiten Addier- und Subtrahiereinrichtung (34 bis 36) vorgesehen ist und daß eine
zweite Addiereinrichtung (37) zum Addieren des Ausgangsdatenwertes der zweiten Addier- und
Subtrahiereinrichtung (34 bis 36) zu den Ausgangsdaten der Akkumuliereinrichtung (2 bis 4) und
Bildung von summierten Ausgangsdaten für die Empfangseinheit (38) des Systems vorgesehen ist
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet daß die Addier- und Subtrahierein- 65'
richtung (24 bis 26) einen Digitaladdierer (24), der eine erste Gruppe v/,.n mit dem Speicher verbundenen Eingangsanschlüssen, eine zweite Gruppe von
Eingangsanschlüssen und einen Vorzeichen-Eingangsanschluß aufweist, über den der Digitaladdierer in Abhängigkeit von den dem Vorzeichen-Eingangsanschluß von dem zweiten Speicher zugeführten Vorzeichendatenbits als Addierer oder Subtrahierer wirkt, und einen Zwischenspeicher (25)
umfaßt, der die Ausgangsdaten des Digitaladdierers erhält und die zwischengespeicherten Daten der
zweiten Gruppe von Eingangsanschlüssen des Digitaladdierers zuführt wobei die von dem
Zwischenspeicher abgegebenen Ausgangsdaten die Ausgangsdaten der Addier- und Subtrahiereinrichtung bilden.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet daß die Addiereinrichtung (27) den
gleichen Aufbau wie die Akkumuliereinrichtung (2) aufweist und daß die Ausgangsdaten der Addier- und
Subtrahiereinrichtung (24 bis 26) den W-1 Datenbits dieser Addiereinrichtung (27) hinzuaddiert
werden.
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