DE2950461C2

DE2950461C2 - Schaltungsanordnung zur Fokussierung einer Anordnung von Ultraschallwandlern

Info

Publication number: DE2950461C2
Application number: DE2950461A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kawasaki Fukukita; Ryobun Tachita
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1978-12-19
Filing date: 1979-12-14
Publication date: 1982-05-19
Also published as: FR2445969A1; JPS5584154A; JPS6227824B2; US4330875A; FR2445969B1; DE2950461A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Fokussierung einer Anordnung von Ultraschallwandlern auf einen Punkt in einer vorgegebenen Richtung in bezug auf die Wandleranordnung, mit einer Anzahl Verzögerungsglieder, einer Einrichtung zur Steuerung des durch die Verzögerungsglieder bewirkten Verzögerungsbetrages, einer Anzahl von Summierpunkten und einer Einrichtung zur Verbindung der Ultraschallwandler mit einem der Summierpunkte.

Bei einem Ultraschall-Abbildungssystem wird z. B. eine Anordnung aus piezoelektrischen Ultraschallwandlern mit dem menschlichen Körper in Berührung gebracht und zur Übertragung von Schallwellen mit kurzen elektrischen Impulsen von Ultraschall-Frequenz gespeist. Die relativen Übertragungszeitpunkte der Ultraschall-Impulse werden hierbei derart gewählt, daß die Schallwellen für jeden Impuls zu einem in der gewünschten Richtung verlaufenden Strahl geformt und aufeinanderfolgend derart variiert werden, daß der Strahl zur Abtastung eines Sektors abgelenkt wird. Beim Hindurchtreten der Schallwellen durch das Körpergewebe wird ein Teil der akustischen Energie reflektiert, sobald die Schallwellen auf Gewebeteile mit abweichenden akustischen Eigenschaften auftreffen. Da die Abstände zwischen einem solchen Reflexionspunkt und den verschiedenen Empfangswandlern gewöhnlich verschieden sind, treffen die Reflexionswellen an den Ultraschallwandlern zu unterschiedlichen Zeiten ein, was kompensierende Verzögerungen zwischen den jeweiligen Wandlern erforderlich macht.

Aus der DE-OS 27 36 310 ist eine zu diesem Zweck vorgesehene Verzögerungsanordnung für eine Ultraschall-Abbildungseinrichtung bekannt, bei der die Fokussierung einer Anordnung von Ultraschallwandlern auf einen gegebenen Punkt dadurch erfolgt, daß einige Perioden von Wechselstromsignalen, die über die jeweiligen Ultraschallwandler aus an dem betreffenden Punkt reflektierten Druckwellenimpulsen abgeleitet sind, sodann mit gleicher Phase an einem Summierpunkt einander überlagert werden. Da — wie vorstehend erwähnt — zwischen einem gewünschten Fokussierungspunkt und den verschiedenen Ultraschallwandlern in der Regel unterschiedliche Abstände bestehen, treffen die reflektierten Druckwellenimpulse zu unterschiedlichen Zeiten bei den jeweiligen Ultraschallwandlern ein, so daß zwischen jedem Ultraschallwandler und dem Summierpunkt eine kompensierende Verzögerungszeit erforderlich ist, um die Gleichphasigkeit der

ι ο Wechselstrom signale zu gewährleisten.

Zu diesem Zweck findet bei der bekannten Verzögerungsanordnung eine längere Hauptverzögerungsleitung mit verschiedenen Anzapfungen sowie zusätzlich eine Anzahl von einstellbaren Verzögerungsleitungsabschnitten Verwendung, die über ein Schaltnetzwerk zwischen einem oder mehreren Ultraschallwandlern und einer jeweiligen Anzapfung der Hauptverzögerungsleitung angeordnet sind. Hierdurch lassen sich die Anzapfungen der Hauptverzögerungsleitung über die Verzögerungsleitungsabschnitte mittels des Schaltnetzwerkes derart mit den Ultraschailwandlern verbinden, daß eine Fokussierung der gesamten Anordnung von einem Minimalbereich zu einem Maximalbereich erzielt wird. Das heißl, die fest vorgegebenen Verzögerungswerte zwischen den aufeinanderfolgenden Anzapfungen der Hauptverzögerungsleitung stellen die dem Fokussierungs-Minimalbereich entsprechende kleinste Verzöge^rung dar, während durch entsprechende Zuschaltung der Verzögerungsleitungsabschnitte der Maximalbereich der Verzögerung erhalten wird.

Eine solche Schaltungsanordnung weist einerseits den Nachteil auf, daß sich aufgrund der fest vorgegebenen Abschnitte der Hauptverzögerungsleitung die Verzögerungszeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ultra-

y< schallwandlern nicht exakt quantisieren läßt und andererseits, daß bei einer großen Anzahl von Ultraschallwandlern ein erheblicher Gcsamtverzögerungsbetrag aufzubringen ist, da außer den Anzapfungen der Hauptverzögerungsleitung jedem Ultraschall-

»o wandler zumindest ein Vcrzögerungsleitungsabschnitt zugeordnet werden muß.

Darüber hinaus ist aus der DE-OS 2712341 ein Ultraschallwandler des sogenannten Ring-Typs mit variablem Brennpunkt bekannt, der eine zentrale

4ϊ Elektrode aufweist, die von mehreren ringförmigen Elektroden umgeben ist, mit denen jeweils eine variable elektrische Verzögerungsleitung verbunden ist. Hierdurch läßt sich der Brennpunkt des Ultraschallwandlers e: isprechend verstellen. Die Verzögerungsleitungen sind hierbei allerdings nicht untereinander verbunden. sondern nur jeweils einzeln einer Elektrode zugeordnet, was mit steigender Elektrodenzahl den erforderlichen Verzögerungsleitungsaufwand beträchtlich erhöht. In der Praxis liegt die verwendete Elektrodenzahl daher auch nur in der geringen Größenordnung von etwa 5 bis 7 Elektroden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß in Verbindung mit einer Verringerung der erforderlichen Gesamtverzögerung stets eine exakte Quantisierung der jeweiligen Verzögerungszeit in bezug auf eine Vielzahl von Ultraschallwandlern erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nur variable Verzögerungsglieder vorgesehen sind, die zwischen aufeinanderfolgende Summierpunkte geschaltet und beliebig mit den Ultraschallwandlern verbindbar sind.

Es kann somit eine einzige Verzögerungsleitung Verwendung finden, die eine Anzahl von Summierverstärkern sowie eine Anzahl von variablen Verzögerungsgliedern aufweist, die zwischen aufeinanderfolgende Summierverstärker geschaltet sind. Eine Vielzahl von Ultraschallwandlern ist hierbei über steuerbare Schaltverbindungen mit ausgewählten Summierverstärkern verbindbar, während gleichzeitig die jeweiligen Verzögerungsglieder über einen weiten Verzögerungsbereich exakt zur Bildung des jeweils gewünschten Verzöge"ungswertes einstellbar bzw. steuerbar sind.

Durch die angegebene Schaltungsanordnung läßt sich eine exakte Quantisierung der Verzögerung erzielen, da die z. B. aus digital steuerbaren Verzögerungsschaltungen bestehenden einzelnen Verzögerungsglieder eine genaue Einstellung einer hohen Anzahl an Verzögerungswerten erlauben, wobei gleichzeitig der Gesamtbetrag der erforderlichen Verzögerung klein gehalten werden kann, da die selbst bereits einen breiten Verzögerungsbereich umfassenden einzelnen Verzögerungsglieder jeweils zwischen aufeinanderfolgende Summierverstärker geschaltet sind, während sie beim Stand der Technik zwischen den Ultraschallwandlern und der Verbindungseinrichtung bzw. dem Schaltnetzwerk liegen. Das heißt, da die jeweils durch ein Verzögerungsglied erzielbare Maximaiverzögerung bereits dem zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ultraschallwandlern erforderlichen maximalen Verzögerungswert entspricht, läßt sich auch der erforderliche Gesamt Verzögerungsbetrag verringern.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung i-st die Verbindungseinrichtung mit einer Vielzahl von Steuerschaltern versehen, die jeweils über einen Eingangsanschluß mit einem Ultraschallwandler und über eine Vielzahl von Ausgangsanschlüssen mit den Summierpunkten in Form der Summierverstärker verbunden sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, deren einzige Figur eine schematische Darstellung der Schaltungsanordnung zeigt.

Gemäß der Figur sind eine Vielzahl von UHraschallwandlern Γι, T₂,... Tnjeweils mit Steuerschaltern Si, 52, ... S\ zum jeweiligen Anschluß eines Ultraschaliwandlers an eine variable Verzögerungsleitung 12 vernunden. Die Steuerschalter Si bis Sn weisen jeweils eine Vielzahl von Ausgangsanschlüssen auf, die an Summierpunkie in Form von Summierverstärkern bzw. Addieren ADDs bis ADDn derart angeschlossen sind, daß die Ausgangsanschlüsse des Steuerschalters S\ jeweils mit ersten Eingängen der Addierer ADD₁ bis ADDs, die Ausgangsanschlüsse des Steuerschalters S; jeweils mit

zweiten Eingängen der Addierer ADD] bis ADDk

und die Ausgangsanschlüsse des Steuerschalters Ss jeweils mit Mten Eingängen der Addierer ADD] bis ADDm verbunden sind. Die variable Verzögerungsleitung 12 weist eine Vielzahl von variablen Verzögerungsgliedern VDL] bis VDLn auf, die derart zwischen aufeinanderfolgende Addierer ADD geschaltet sind, daß das Verzögerungsglied VDL] zwischen den Ausgang des Addierers ADD] und einen Eingang des Addierers ADD? geschaltet ist, usw. Die Steuerschalter Si bis Sn weisen jeweils Steuereingänge auf, die an jeweilige Ausgänge einer Schaltersteuereinrichtung 10 in Form eines Festspeichers angeschlossen sind, der in Abhängigkeit von Taktimpulsen adressiert wird. Die Steuerschalter Si bis Sn können jeweils einen Analog-Multiplexer aufweisen, dem zur Herstellung einer Scha'tverbindung zwischen dem zugeordneten Ultraschallwandler T und dem Eingang eines gewählten Addierers ADD von dem Festspeicher entsprechende Binär-Adressendaten zugeführt werden, wodurch während einer Abtastung in einer vorgtgebenen Richtung

ίο jeder Ultraschallwandler mit einem der Addierer verbunden wird.

Die variablen Verzögerungsglieder VDL weisen jeweils eine digital variable Verzögerungsschaltung auf, die in Abhängigkeit von mittels einer Verzögerungssteuereinrichtung 14 zugeführten Binärdaten dem Eingangssignal eine vorgegebene Verzögerung erteilt. Die Verzögerurigssteuereinrichtung 14 kann ebenfalls aus einem Festspeicher bestehen, der in Abhängigkeit von den gleichen Taktimpulsen, die der Schaltersteuereinrichtung 10 zugeführt werden, derart adressiert wird, daß er die variablen Verzögerungsdaten zum Anlegen an ein entsprechendes variables Verzögerungsglied erzeugt. Während einer Abtastung in der vorgegebenen Richtung werden daher die Verzögerungsbeträge in bezug auf diese Richtung festgelegt und die Ultraschallwandler jeweils mit den gewählten Addierern verbunden.

Bei der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung dienen die Ultr.aschallwandler Γ als Emptangs-

JO wandler zur Umsetzung von reflektierten akustischen Wellen in entsprechende Signale und Anlegen dieser Signale an die jeweils zugeordneten Steuerschalter S. Durch geeignete Herstellung von Verbindungen zwischen den Ultraschallwandlern und den Addierern und geeignete Festlegung der jeweiligen Verzögerungsbeträge in der Verzögerungsleitung 12 kann die Wandleranordnung auf einen beliebigen Punkt entlang einer vorgegebenen Richtung fokussiert werden. Damit bewirkt die variable Verzögerungsleitung 12 für eine bestimmte Richtung einen vorgegebenen Verzögerungsbetrag für den jeweiligen Ultraschallwandler.

Hierbei können die Quantisierungs- bzw. Zuwachsbeträge der Verzögerung zwischen aufeinanderfolgenden Ultraschal'wandlern bei einem relativ kleinen Gesamt-

•»5 betrag der Verzögerung genau gesteuert werden, was im wesentlichen darauf beruht, daß im Rahmen der Steuerung durch die Verzögerungssteuereinrichtung 14 ein jedes Verzögerungsglied VDL bereits einen beträchtlichen Verzögerungsbereich umfaßt bzw. zu-

5.) läßt.

Durch das von den Steuerschaltern Si bis Sn gebildete Schaltiietzwerk kann ein beliebiger Ultraschallwandler T mit einem beliebigen Summierpunkt bzw. Addierer ADD verbunden werden, wodurch in manchen Fällen verschiedene Ultraschallwandler an denselben Summierpunkt bzw. Addierer angeschlossen werden können, so daß den Ultraschallwandlern die gewünschten Verzögerungsbeträge erteilt werden können. Die unterschiedlichen Ankunftszeiten der reflektierten Ultraschallwellen von einem beliebigen Brennpunkt lassen sich daher derart kompensieren, daß die diesen Reflexionen entsprechenden elektrischen Signale an einem Ausgang 16 des Addierers ADDn gleichphasig eintreffen, so daß auf einem Bildschirm ein scharf umrissenes Bild erzeugt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Fokussierung einer Anordnung von Ultraschallwandlern auf einen Punkt in einer vorgegebenen Richtung in bezug auf die Wandleranordnung, mit einer Anzahl Verzögerungsglieder, einer Einrichtung zur Steuerung des durch die Verzögerungsglieder bewirkten Verzögerungsbetrages, einer Anzahl von Summierpunkten und einer Einrichtung zur Verbindung der Ultraschallwandler mit einem der Summierpunkte, d a durch gekennzeichnet, daß nur variable Verzögerungsglieder (VDLt bis VDLn - i) vorgesehen sind, die zwischen aufeinanderfolgende Summierpunkte (ADD\ bis ADDn) geschaltet und beliebig mit den Ultraschallwandlern (T, bis Tn) verbindbar sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung (12, Si bis Sn) eine Anzahl von Steuerschaltern (Si bis Sn) aufweist, die jeweils einen Eingangsanschluß, der an einen jeweiligen Ultraschallwandler (Ti bis Tn) angeschlossen ist, und eine Vielzahl von Ausgangsanschlüssen aufweisen, die jeweils an die Summierpunkte (ADDi bis ADDn) angeschlossen sind.