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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Vorrichtungen
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und Verfahren zur Ultraschalluntersuchung und Analyse materieller
Gegenstände, einschließlich der Analyse und Untersuchung des menschlichen Körpers
zum Zweck medizinischer Diagnostik.
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Im Verlauf der vergangenen Jahre hat die Ultraschalltechnik eine
stets zunehmende Rolle auf verschiedenen Gebieten gespielt, auf denen Stoffe oder
Objekte mittels wirksamer nichtzerstörender Verfahren untersucht und analysiert
werden.
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Auf dem Gebiet der Medizin werden solche Techniken in der Diagnose
verschiedener Krankheiten angewendet, wenn es nützlich ist, innere Körperorgane
mit dem Ziel zu untersuchen, Merkmale oder Gesichtspunkte an solchen Organen zu
finden, die eine Krankheit, eine Abweichung vom Normalzustand und dgl. anzeigen
könnten.
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In einem typischen, weitentwickelten System, welches vor kurzem eingeführt
wurde, weist der im System vorgesehene Wandler ein Phasen-Array auf, welches aus
einer Vielzahl von in einer kompakten linearen Reihe angeordneten Wandlerelementen
besteht. Der Wandler ist an einen entsprechenden Sender und Empfänger angeschlossen,
und die übertragenen Impulse sind so phasengesteuert, daß der abgegebene Schallstrahl
in die gewünschte Richtung gelenkt wird.
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Jedem der Wandlerelemente ist ein Empfangskanal zugeordnet, und in
jedem Kanal vorgesehene, einstellbare Verzögerungen fördern den Empfang aus der
gleichen Richtung wie der auageßendete Sohallstrahl. Durch zweckmäßiges Steuern
der zeitlichen Abfolge der an die Wandlerelemente angelegten Spannungen und durch
Steuern der einstellbaren Verzögerungen der einzelnen Empfangskanäle kann der Strahl
in jeden beliebigen Winkel eines fächerförmigen Sektors gelenkt werden. Die Arbeitsweise
der gelenkten Reihe ist so, daß eine Vielzahl den fächerförmigen Sektor
bestimmender
radialer Linien nacheinander erzeugt wird, und zwar in verhältnismäßig hoher Anzahl,
typischerweise in einer Größenordnung von 128 Linien, die im Verlauf der Erzeugung
des gesamten Sektors vorgesehen werden. Einzelheiten hinsichtlich bekannter Signalverarbeitungstechniken,
mit denen eine Vorrichtung der genannten Art arbeitet, um das genannte fächerförmige
Sektorbild zu erzeugen sind schon in einer Anzahl von Veröffentlichungen beschrieben
worden.
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Von besonderem Interesse für die vorliegende Erfindung ist US-PS
4 005 382, in der der Stand der Technik unmittelbar gezeigt ist.
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Die in US-PS 4 005 382 offenbarte Erfindung betrifft ein Ultraschallabbildungssystem
mit einer Reihe Wandler, wie schon erwähnt, die bevorzugt in den gewünschten Abtastrichtungen
Ultraschallsignale empfangen oder aussenden können. Ein Abtastsystem gemäß der dort
offenbarten Erfindung hat ein variables Verzögerungselement, welches mit jedem Wandlerelement
der Reihe elektrisch verbunden ist, eine Steuerung zur Wahl der geeigneten Verzögerung
für jedes variable Verzögerungselement sowie eine Schalteinrichtung, mit der wahlweise
verschiedene mögliche elektrische Verbindungswege zwischen einander benachbarten
Verzögerungselementen geschaffen werden, damit die Wandlerreihe bevorzugt solche
Ultraschall Signale empfangen oder senden kann, die sich entweder senkrecht zur
Reihe oder gegenüber der Senkrechten zur Reihe nach links oder rechts geneigt fortpflanzen.
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Das grundlegende System gemäß US-PS 4 005 382 ist in Fig.
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1 der b.igefügten Zeichnungen als Stand der Technik dargestellt.
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In Fig. 1 ist eine Vielzahl von Wandlerelementen 11, 12, 13 20 in
linearer Reihe gezeigt. Jedes dieser Wandlerelemente ist mit einem variablen Verzögerungselement
51, 52, 53 ... 60 gekoppelt, wobei jeder Wandler und jedes Verzögerungselement in
einem Signalverarbeitungskanal vorgesehen ist. Eine identische Schalteranordnun9
ist zwischen jedem benachbarten Paar variabler
Verzögerungselemente
vorgesehen, um die Verzögerungswege der in jedem der Wandlerelemente erzeugten Signale
zu steuern, wenn die Einrichtung in der Sende- oder Empfangsweise arbeitet.
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Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besteht die Schalteranordnung nung
zwischen den variablen-Verzögerungselementen 51 und 52 aus drei einpoligen Ein-
und Ausschaltern 60, 61 und 62. Die Positionen der Schalter können entweder von
Hand oder mittels einer Steuerung 95 gesteuert werden. Diese Schalter weisen normalerweise
Festkörperelemente, wie Feldeffekttransistoren auf, sie können aber auch verschiedene
andere bekannte Festkörpervorrichtungen aufweisen, Das Problem, mit dem sich die
vorliegende Erfindung beschäftigt, besteht hauptsächlich in der Verarbeitung ankommender
Signale, d.h. der elektrischen Signale der Wandler, die durch die zurückgestrahlte
Schallenergie erzeugt werden und sich zu einer SENDE/EMPPANGS-(SE)Einrichtung 31
fortsetzen.
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Die vorliegende Beschreibung bezieht sich also auf die Verarbeitung
dieser ankommenden, zum Empfänger gerichteten Signale, und alle Hinweise auf "Signale"
beziehen sich, falls nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, auf solche
ankommenden Signale und nicht auf die ausgesendeten Signale, die zu anderen Zeiten
von der SE-Einrichtung 31 ausgehen können.
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Gemäß Fig. 1 trifft eine Wellenfront von rechts auf die Wandlerreihe
unter einem Winkel @.
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Diese Wellenfront trifft zunächst auf einen Wandler 20, dann auf
einen Wandler 12 usw.. Um Kohärenz zu erzielen, müssen deshalb die von den einzelnen
Kanälen addierten und an die SE-Einrichtung 31 gelieferten Signale in Phase oder
angenähert in Phase addiert werden.
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Mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 kann das dadurch geschehen, daß
ein Schalter 72 an den Eingang des Verzögerungselements 52 angeschlossen wird, so
daß der Ausgang des Verzögerungselements 52 die Summierung des Ausganges des Verzögerungselements
53
gemeinsam mit dem Eingangssignal des Wandlerelements 12 darstellt. Das Erfordernis,
das die beiden addierten Ausgänge in Phase sein müssen, läßt sich durch die Wahl
eines entsprechenden Verzögerungswertes für das Verzögerungselement 53 erfüllen.
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Wenn sich eine Wellenfront analog von links in der.
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Zeichnung gesehen der Reihe nähert, werden die verschiedenen Schalter
so umgestellt, daß die Addition von Signalen zwischen aufeinanderfolgenden Elementen
in entgegengesetzter Richtung zu der grade erläuterten'erfolgt.
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Um ein ausgewähltes Ansprechen auf eine normal auf die Wandlerreihe
gemäß Fig. 1 auftreffende akustische Wellenfront zu erreichen, werden die zentralen
Schalter 61, 71 usw.
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geschlossen und die Schalter 60, 70, 62, 72 usw. geöffnet. Bei dieser
Anordnung können die Ausgänge aller Verzögerungselemente parallelgeschaltet, summiert
und dann unmittelbar an die SE-Einrichtung 31 angelegt werden. Durch Wahl gleicher
Verzögerungswerte für alle Verzögerungselemente 51, 52 usw. können also die von
dieser normal auftreffenden Wellenfront erzeugten elektrischen Signale in Phase
addiert und an die SE-Einrichtung 31 weitergegeben werden.
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Für tenkungswinkel in der Nähe der Richtung der Senkrechten kann
die oben erwähnte Schaltungsanordnung, bei der alle Schalter 61, 71 ... 81 geschlossen
sind, so abgewandelt werden, daß sich eine Phasenverzögerung entsprechend dem gewählten
kleinen Winkel ergibt. Die Abwandlung besteht im Öffnen eines oder mehrerer der
Schalter 61, 71 ... 81 und im Schließen eines entsprechenden Satzes Schalter 60,
70 ... 80 für die Lenkung links von der Senkrechten oder im Schließen eines oder
mehrerer der Schalter 62, 72 ... 82 für die Lenkung nach rechts. Das bedeutet, daß
Verzögerungselemente so angeschlossen werden, daß in alle je naO demvon links oder
von rechts kommenden Signale eine Verzögerung eingefügt wird, um auf diese Weise
eine Anniherung an die für den gewünschten kleinen Lenkungewinkel nötige Phasen
Verzögerung
zu erreichen.
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Für die meisten Anwendungsfälle hat sich zwar ein System der oben
genannten Art als wirksam erwiesen, Jedoch sind im Betrieb desselben verschiedene
Schwierigkeiten aufgetaucht.
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Eine solche Schwierigkeit ergibt sich, wenn sich die Wandlerreihe
mit Informationen befaßt, die praktisch in Geradeausrichtung empfangen werden, d.h.
wenn die untersuchte Wellenfront normal oder unter einem kleinen Winkel gegen die
Normale auf die Reihe trifft. Unter diesen Umständen werden die Kapazitäten der
verschiedenen Kanäle alle parallelgeschaltet und der Ausgang jedes einzelnen Verzögerungskanals
muß wirkungsmäßig alle anderen Verzögerungskanäle antreiben. Dadurch kann die Empfindlichkeit
des Systems bei kleinen Lenkungswinkeln aufgrund von elektrischen resistiven und
kapazitiven Ladungen der anderen Verzögerungskanäle und des Reihenwiderstandes der
geschlossenen Schalter unerwünscht herabgesetzt werden. Infolgedessen können Störsignale
erzeugt werden, die sich als Bereiche unerwünscht niedriger Intensität in der endgültigen
Abbildung bemerkbar machen.
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Das oben beschriebene bekannte System eignet sich ferner nicht für
eine Feinabstimmung oder Feinverstellung der Verzögerung, die aus verschiedenen
Gründen für wünschenswert gehalten wird. Insbesondere ist es nämlich wünschenswert,
daß die Art des hier in Frage stehenden Empfängerverzögerungssystems Signale von
z.B. 2-10 MHz verarbeiten kann, damit das System für Wandler mit unterschiedlichen
Frequenzen und Abständen zwischen den Elementen geeignet ist. Das 10 MHz-Erfordernis
beinhaltet die Notwendigkeit, feinere Verzögerungsschritte vornehmen zu können,
um eine exakte Phasenfront durch das Empfängerverzdgerungssystem einhalten zu können.
Um z.B. eine 1/8 Wellengenauigkeit bei 10 4Hz zu erzielen, muß der Mindestverzögerungsschritt
12,5 Nanosekunden (ns) oder weniger betragen. Die maximal für jeden Kanal nötige
Verzögerung ist anhand des größten Abstandes zwischen Elementen der Wandlerreihe
und der Spreizung des Fächerwinkele bestimmt.
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In einer für die Erfindung geeigneten typischen Anordnung beträgt
der maximale Abstand zwischen Elementen ca. 0,4 mm und der maximale Fächerwinkel
120°. Das ergibt einen maximal nötigen Verzögerungswert pro Kanal von 230 ns.
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Augabe der Erfindung ist es, ein Empfängerverzögerungssystem zur Verwendung
in einem Ultraschallabbildungssystem mit einer Wandlerreihe zu schaffen, mit dem
unerwünschte elektrische Zwischenwirkungen zwischen Empfängerkanälen, die bei Verwendung
des Systems zur Weiterverarbeitung von normal oder nahezu normal auf die Reihe auftreffenden
Wellenfronten auftreten würden, auf ein Minimum eingeschränkt werden. Ferner soll
ein Empfängerverzögerungssysem für Wandler-Array-Ultraschallabbildungssysteme mit
einer Vielzahl von Kanälen zum Verarbeiten der ankommenden, zum Empfänger gerichteten
Signale verfügbar gemacht werden, bei dem die Verzögerungen in die einzelnen Empfängerkanäle
fein abgestimmt werden können, um eine exakte Phasenfront durch das ganze Empfängerverzögerungssystem
über einen verhältnismäßig großen Bereich möglicher Signalfrequenzen und unterschiedlicher
Abstände zwischen den Wandlerelementen beizubehalten Diese und weitere, sich aus
der folgenden Beschreibung ergebende Aufgaben werden erfindungsgemäß mit einem Ultraschallabbildungssystem
gelöst, welches eine Reihe Wandler aufweist, die zum Aussenden von Ultraschallenergie
in einen mittels Ultraschall zu untersuchenden Körper und zum Empfang von von Punkten
innerhalb des Körpers zurückgestrahlter Schallenergie geeignet sind, einen mit jedem
der Wandler verbundenen Signalkanal zum Aktivieren derselben zwecks Aussendung von
Ultraschallenergielmpulsen und zum Empfang ankommender elektrischer Signale von
den Wandlern in Übereinstimmung mit der zurückgestrahlten Schallenergie, ein in
jedem der Kanäle angeordnetes Hauptverzögerungselement, eine Einrichtung zum Variieren
der Verzögerungswerte der Hauptverzögerungselemente und eine Schalteinrichtung zum
wahlweisen Verbinden des Ausgangs eines der Verzögerungselemente mit dem Eingang
eines Verzögerung sel ements in einem benachbarten Kanal oder zum Parallelschalten
der Ausgänge von Verzögerungsel ement en benachbarter Kanäle,
um
auf diese Weise die phasengerechte Addition der durch die Vielzahl von Kanälen weitergeleiteten
ankommenden Signale entsprechend der Richtung der zurückgestrahlten Energie, die
betrachtet wird, zu ermöglichen.
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Gemäß der Erfindung weist jeder der genannten Signalkanäle ein variables
Vorverzögerungselement in Reihe zwischen dem dem Kanal zugeordneten Wandler und
dem Hauptverzögerungselement auf. Dieses weitere Verzögerungselement ermöglicht
eine Einstellung und Peinabstimmung der Verzögerungen, die in die in dem Kanal weitergeleiteten
Signale eingefügt werden.
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Gemäß der Erfindung sind ferner wahlweise durch Schalteinrichtungen
aktivierbare Einrichtungen vorgesehen, die die Ausgänge der Hauptverzögerungselemente
in den genannten Kanälen über zwischengeschaltete Trennverstärker, welche mindestens
einige der Ausgänge von anderen Ausgängen isolieren, um auf diese Weise unerwünschte
elektrische Zwischenwirkungen zwischen ihnen auszuschalten, summieren. Die Schalteinrichtungen
werden wahlweise aktiviert, wenn die Wandlerreihe Informationen aus einer Richtung
weiterverarbeitet, die normal oder nahezu normal zur Reihe verläuft. In diesem Fall
stehen die einzelnen Ausgänge der verschiedenen Kanäle parallel an einer gemeinsamen
Leitung zur Verfügung, die zum Empfänger des Systems führt.
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Bei einer solchen Anordnung ist eine gemeinsame Signalleitung anschließbar,
um die Ausgänge der Hauptverzögerungselemente zu empfangen. Zwischen die Ausgänge
der Hauptversögerungselemente und die gemeinsame Signalleitung ist eine Vielzahl
von rennverstärkern geschaltet, und zwischen der gemeinsamen Signalleitung und den
Ausgängen der Verzögerungselemente angeordnete Schalteinrichtungen verbinden der
Zahl nach begrenzte Gruppen der Ausgänge jeweils über einen der Trennverstärker
mit der gemeinsamen Leitung.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel des oben beschriebenen Systems
schließt die Schalteinrichtung die Ausgänge der Hauptverzögerungselemente unmittelbar
an im Abstand voneinander liegende Punkte einer gemeinsamen Signalleitung an. Zwischen
den Anschlußpunkten für die Ausgänge der IIauptverzögerungselemente benachbarter
Kanäle ist jeweils einer der Trennverstärker mit der gemeinsamen Signalleitung verbunden.
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Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten
anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen
zeigt: Fig. 1 ein elektrisches Blockschaltbild eines bekannten Systems, welches
in der Beschreibungseinleitung bereits erläutert wurde; Fig. 2 ein Blockschaltbild
eines erfindungsgemäßen Empfängerverzögerungssystems; Fig. 3 ein Blockschaltbild
eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Empfängerverzögerungssystems gemäß der
Erfindung; Pig. 4 ein Blockschaltbild, in welchem weitere Einzelheiten der Vor-
und Hauptverzögerungselemente der Verzögerungssysteme gemäß Fig. 2 und 3 gezeigt
sind.
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Fig. 2 ist ein elektrisches schematisches Blockschaltbild eines Empfängerverzögerungssystems
100 gemäß der Erfindung. Das Empfängerverzögerungssystem 100 sollte mit der bereits
im einzelnen beschriebenen Fig. 1 verglichen werden, da der allgemeine Zweck der
beiden Systeme ähnlich ist, d.h. beide werden im Zusammenhang mit ähnlichen Ultraschallabbildungssystemen
benutzt.
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Das Empfängerverzögerungssystem 100 besteht aus einer Vielzahl nebeneinander
angeordneter Kanäle 102, 104, 106, 108 usw. zur Signalverarbeitung, von denen jeder
Kanal einem Wandler 114, 116, 118 usw. zugeordnet ist und die Wandler insgesamt
ein Phasen-Array der schon genannten Art bilden. Wie ebenfalls schon erwähnt, wird
die Wandlerreihe tatsächlich sowohl
zum Abgeben als auch zum Empfangen
von Schallenergie verwendet, die an den mittels der Reihe zu untersuchenden Körper
ausgesendet und von ihm reflektiert wird. Da im vorliegenden Zusammenhang jedoch
der Empfangsbetrieb von Interesse ist, beziehen sich Hinweise auf die Signale, die
verarbeitet werden und dgl., auf die ankommenden Wandlersignale, die durch die verschiedenen
Kanäle weitergeleitet und schließlich an den Ausgang 120 des Empfängerverzögerungssystems
100 abgegeben werden. Der Ausgang 120 ist mit einer Einrichtung 122 für die Signalverarbeitung
und Abbildung verbunden, zu der ein Detektorschaltkreis, Videosighalverarbeitungsschaltungen
und verschiedene der Abbildung zugeordnete Schaltkreise gehören, beispielsweise
Kippgeneratoren für die im allgemeinen in diesem Zusammenhang zur Abbildung vorgesehene
Kathodenstrahlröhre.
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Die Einrichtung 122 umfaßt also den Empfängerteil der SE-Einrichtung
31 gemäß Pig. 1.
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Unter Hinweis auf einen Kanal, beispielsweise den Kanal 106 ist ersichtlich,
daß ein vom Wandler 118 kommendes Signal zunächst durch einel Vorverstärkereinrichtung
mit zeitabhängiger Verstärkungssteuerung 124 geleitet wird. Danach geht das weitergeführte
Signal durch ein Vorverzögerungselement 126,dessen Ausgang bei 128 an den Eingang
130 eines Hauptverzögerungselements 132 angelegt wird. Der Ausgang 134 des Hauptverzögerungsemas132
kann auf verschiedene Weise über eine Schalteinrichtung 136 weiterverbunden werden,
je nach dem ob die ankommenden Signale aus einer geraden Richtung empfangen werden,
d,h. aus einer Richtung normal zur Reihe oder aus einer verhältnismäßig kleinen
Winkelverschiebug gegenüber der Normalen, oder ob die ankommende Welle aus einer
Richtung empfangen wird, die gegenüber der Normalen auf die Reihe ziemlich stark
versetzt ist.
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Insbesondere ist erkennbar, daß ein Schaltkontakt 138 der Schalteinrichtung
136 in drei verschiedene Positionen gebracht werden kann. Die in der Zeichnung durchgezogen
gezeigte mittlere Stellung, d.h. die Stellung 138a wird für verhältnismäßig
normal
auffallende Wellen benutzt. Natürlich ist die Schalteinrichtung 136 hier nur schematisch
dargestellt. Die Vorrichtung, deren Stellung mittels einer Steuerung 140 über eine
Steuerleitung 142 bestimmbar ist, ist in den meisten Fällen eine Festkörpervorrichtung,
beispielsweise ein FET (Feldeffekttransistor) oder eine sonstige Schaltvorrichtung.
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Die Stellungen 138b und 138c werden benutzt, wenn in Winkeln ziemlich
weit nach links oder rechts von der Normalen auf die Reihe verschoben abgetastet
wird. Bei dieser Art von Betrieb sind Schalteinrichtungen, z.B. die Schalteinrichtung
144 im Kanal 110 mit ihren Kontakten entsprechend angeordnet, d.h. wenn der Verschluß
der Schalteinrichtung 136 sich in der Stellung 138b befindet, nimmt der Kontakt
145 der Schalteinrichtung 144 die Stellung 145b ein. Es sei jedoch erwähnt, daß
die Schalteinrichtung 144 keine mittlere Kontaktstellung entsprechend der Stellung
138a aufweist, wie auch beispielsweise nicht die Schalteinrichtung 149. Der Grund
hierfür wird anhand der folgenden Beschreibung sofort klar.
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Aus Gründen der Erläuterung sei angenommen, daß die Schalterkontakte
die Stellungen 137b, 151b, 138b, 145b usw.
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einnehmen. Dann ist klar, daß der Ausgang 134 des Hauptverzögerungselemente
132 im Kanal 106 mit dem Eingang 150 des Hauptverzögerungselements 152 im Kanal
108 verbunden ist. Entsprechende Verhältnisse bestehen zwischen den Hauptverzögerungselementen
in den verschiedenen benachbarten Kanälen, d.h. in jedem Fall ist der Ausgang des
Hauptverzögerungselements in einem Kanal çn den Eingang des Hauptverzögerungselements
in dem rechts zum ersten Kanal angeordneten Kanal angelegt. Diese Anordnung wird
immer dann benutzt, wenn eine Welle von der linken Seite der Normalen zur Wandlerreihe
ankommt. Das bedeutet, daß man in diesem Fall die Signale verzögern will, die von
den links in der Zeichnung dargestellten Kanälen kommen.
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Die Signale werden entsprechend in der insgesamt im Zusammenhang mit
Fig. 1 beschriebenen Weise kombiniert und schließlich an eine Leitung 160 abgegeben.
Ein Schalter 162, der gleichfalls
von der Steuerung 140 aktivierbar
ist, wird in die Stellung 164 gebracht und dann werden sie Summensignale an die
Einrichtung 122 zur Signalverarbeitung und Abbildung angelegt, Wenn der Einfallswinkel
in die Reihe von der rechten Seite der Senkrechten kommt, werden die verschiedenen
Schalteinrichtungen, beispielsweise 136, 144 usw. mit ihren Kontakten die Stellungen
137c, 151c, 138c, 145c usw. gebracht. Im zuletzt genannten Fall werden die Signale
dadurch an den Ausgang 120 des Systems abgegeben, daß der Schalter 166 in geschlossene
Stellung 168 gebracht wird.
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Gemäß der Erfindung ist die Anwendung und Betriebsweise der Hauptverzögerungselemente
132, 152 usw., die in insgesamt ähnlicher Weise wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben
arbeiten, durch die Verwendung der Vorverzögerungselemente 126 stark ausgeweitet
und verbessert.
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Zunächst sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß die Vorverzögerungselemente
126 in Reihe zwischen den Wandlerausgängen und den Eingängen der Hauptverzögerungselemente
132, 152 usw. liegen. Die Vorverzögerungselemente 126 sind also nicht in der Ausgang-Eingang-Reihenverbindung,
die z.B. dann hergestellt wird, wenn Schalter, wie die Schalteinrichtung 136 usw.
die genannte obere oder untere Stellung Z.B. 198b oder 138c einnehmen, wie schon
erwähnt. Stattdessen werden die durch die Vorverstärkungselemente 126 eingebbaren
Verzögerungen unmittelbar in das Wandlersignal eingefügt (tatsächlich nach der Vorverstärkereinrichtung
mit zeitabhängiger VerstArkungssteuerung-124) und werden dadurch in den Eingang
des Hauptverzögerungselements des jeweiligen Kanals eingegeben. In der Praxis werden
die Vorverzögerungselemente 126 haupt!chlich für die Feinsteuerung benutzt, d.h.
um eine stufenweise Einstellung der Verzögerungsschritte zu ermöglichen, die normßlerweise
an den Hauptverzögerungselementen nicht durchgeführt werden kann.
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Aus dem Detailbild gemäß Fig. 4 geht hervor, daß das Hauptverzögerungselement
132 bei einem repräsentativen Beispiel
(unter Benutzung des Kanals
106 als Beispiel) eine Vielzahl von Verzögerungswegen aufweist, z.B. 170, 172, 174
und 176, die jeweils aus einer Verzögerungsleitung 171, 173 usw.
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und einem Eingangswiderstand 175, 177 usw. bestehen und zu einem Operationsverstärker
i80führen. Die Steuerung 140 wählt unter diesen Wegen entsprechend der einem gegebenen
Abtastwinkel zugehörigen Verzögerung aus. Gemäß Pig. 4 werden typischerweise Werte
für die Verzögerung im Bereich von 50-200 ns. je nach der Schaltposition der Vorrichtung
zur Verfügung gestellt. Natürlich ist klar, daß die Schalteinrichtung 178 meistens
elektronisch ist, z.B. ein FET oder dgl. und die Darstellung hier lediglich schematisch
ist. Der Ausgang des gewählten Verzögerungsweges wird durch den Operationsverstärker
180 weitergegeben, der einem Rückkopplungswiderstand 181 zugeordnet ist. Die Verstärker
131 und 180 erzeugen normalerweise jeweils eine Verzögerung in der Größenordnung
von 20 ns.
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Diese Tatsache allein macht es schwierig, wenn nicht gar unmöglich,
feinere Verzögerungen als die durch einen solchen Verstärker 180 bestimmte Begrenzung
zu erhalten.
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Gemäß der Erfindung zeigt sich jedoch unter weiterem Hinweis auf
Fig. 4, daß das Vorverzögerungselement 126 eine zusätzliche Vielzahl von Verzögerungswegen
182, 184, 186 und 188 beinhaltet, die jeweils aus einer Verzögerungsleitung 183,
185 usw. und einem Eingangswiderstand 189, 191 usw. bestehen und zu einem Operationsverstärker
192 führen. Die Verzögerungswege werden wiederum in Abhängigkeit von Signalen von
der Steuerung 140 über eine Schalteinrichtung 190 geschaltet. In diesem Pall ist
die Verzögerungssteuerung verhältnismäßig fein und bewegt sich typischerweise von
10-40 ns. Im vorliegenden Pall sind die vier Schaltpositionen beispielhaft mit 0,
12,5, 25 und 37,5 ns Verzögerung dargestellt. Der Ausgang der gewählten Route wird
durch einen weiteren Operationsverstirir 192 weitergeleitet, ehe er an das Hauptverzögerungselement
132 gelangt. Obwohl die Verstärker 192 und 193 Verzögerung einführen können, fügen
sie die gleiche Verzögerung den Signalen in jedem Kanal hinzu, beeinträchtigen unabhängig
von der Schaltstellung
keinen anderen Kanal und beeinträchtigen
folglich nicht die Lenkungs- oder Fokussierbedingungen. Andererseits beeinträchtigen
die Verzögerungen der Verstärker 131 und 180 Signale, die vom Wandler im gleichen
Kanal ankommen ebenso wie Signale, die von anderen Kanälen ankommen, d.h. die von
der Schalteinrichtung 136 oder 149 ankommenden Signale, so daß sie zusätzliche minimale
Verzögerungsschritte einfügen, wenn diese zusätzlichen Kanäle eingeschaltet werden.
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Unter Hinweis auf Pig. 2 wird der Fall erläutert, bei dem eine ankommende,
reflektierte Welle im wesentlichen in normaler Richtung auf die Wandlerreihe trifft.
In diesem Fall ist es wünschenswert, einen Null-Phasenunterschied in die Übertragung
durch die verschiedenen Verzögerungselemente hindurch einzufügen, d.h. die Wellenfronten
sind bereits in Phase, wenn sie an den Wandlemempfangen werden. Folglich werden
bei dieser Bedingung die Schalteinrichtungen, z.B. die Schalteinrichtung 136 mit
ihren Kontakten . in die durchgezogen gezeichneten Stellungen gebracht, beispielsweise
in die Stellungen 138a, 137a usw..
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Anders als bei bekannten Anordnungen zeigt sich nun, daß die verschiedenen
Ausgänge der Hauptverzögerungselemente 132 nicht einfach parallel zusammengefaßt
und an den Ausgang 120 des Systems gegeben werden. Stattdessen ist eine Vielzahl
von Trennverstärkern 200, 202, 204, 206 usw. vorgesehen, deren Aufgabe es ist, die
Ausgänge der IIaup-tverzögerungselemente in den verschiedenen Kanälen durch diese
zwischengeschalteten Trennverstärker zu summieren, die dazu dienen, mindestens einige
der Ausgänge gegenüber anderen Ausgängen zu isolieren, um auf diese Weise eine unerwünschte
gegenseitige elektrische Beeinflussung zu begrenzen.
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Gemäß Fig. 2 werden also die weiteren Schalteinrichtungen 208, ?10,
212, 214 usw. in die gezeigte geschlossene Stellung gebracht (diese Schalter können
wiederum unter dem Einfluß der Steuerung 140 stehen). Wie bereits erwähnt, braucht
eine
Anzahl der Schalteinrichtungen, z.3. die Schalteinrichtungen 144 und 145 keine Mittelposition
für Winkel in der Nähe der Senkrechten. Das bedeutet, daß gemäß der Figur in der
Anzahl begrenzte Ausgänge der Hauptverzögerungselemente, z.B. der Ausgang 134 des
Elements 132 und der Ausgang 153 des Elements 152 nach elektrischer Verbindung mittels
der Schalteinrichtung 136 über eine Verbindungsleitung 216 und einen Schalter 210
an den Trennverstärker 202 und den Begrenzungswiderstand 201 und damit an eine gemeinsame
Signalleitung 218 gegeben werden. Die gemeinsame Signalleitung 218 ist ihrerseits
über den nunmehr in Stellung 169 gebrachten Schalter 166 an den Ausgang 120 des
Systems angeschlossen.
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Es zeigt sich, daß bei dieser Anordnung jeweils zwei Kanäle gleichzeitig,
z.B. die Kanäle 106 und 108 durch das erwahnte Schalten in solchen Zustand versetzt
werden, daß ihre Ausgänge über den zwischengeschalteten Trennverstärker 202 an die
gemeinsame Signalleitung 218 gegeben werden. Die diesen Kanälen 106 und 108 zugehörigen
Ausgänge werden z.B. durch den genannten Verstärker von den Ausgängen der Kanäle
110 und 112 getrennt (die stattdessen über den Verstärker 204 an die Leitung 218
gehen). Dies hat die schon erwahnten heilsamen Folgen.
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Natürlich ist klar, daß die erwähnten Gruppenbildungen zu jeweils
zwei Kanälen lediglich ein Beispiel sind. ES können auch drei, vier oder mehr Kanäle
in der beschriebenen Weise über einen Trennverstärker zusammengefaßt werden.
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Die Schalteinrichtung 136 ist hier zwar anhand von einer von drei
möglichen Positionen beschrieben worden; aber es ist klar, daß das System gemäß
Fig. 2 ebenso wie das bekannte System gemäß Fig. 1 auch mit etwas anderer Schaltanordnung
verwendbar ist, wenn kleine, von der Normalen abweichende Winkel betrachtet werden.
In diesem Fall. können einige aber nicht alle Schalter, beispielsweise die Schalteinrichtung
136 die obere oder untere Stellung 138a oder 138b einnehmen, bei der der Ausgang
eines ersten Kanals dem Eingang des Verzögerungselements eines benachbarten Kanals
hinzugefügt wird, ehe er an
den Ausgang des Systems gelangt. Es
kann also bei kleinen Winkelabweichungen von der Normalen erwünscht sein, nur ein
begrenztes Ausmaß an Phasenverschiebung zu erzielen, indem die Signale der verschiedenen
Kanäle kollektiv addiert werden statt eine Phasenverschiebung an jedem nachfolgenden
Kanal zu akkumulieren.
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Wichtig ist jedoch, daß beim vorliegenden System ein solches Verfahren
bei sehr kleinen Winkeln nicht nötig ist.
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Insbesondere können die notwendigen kleinen änderungen in der Phasenabstimmung
gemäß dem vorliegenden System durch die Anordnung der Vorverzögerungselemente 126
und der Hauptverzögerungselemente 132, 152 usw. eingegeben werden.
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Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der anhand von Fig.
2 schon erwähnten Prinzipien. Das System gemäß Fig. 3 ähnelt dem in Fig. 2 gezeigten
zumindest hinsichtlich der Anordnung von Vor- und Hauptverzögerungselementen und
hinsichtlich der Art und Weise, in der die Signale von den Hauptverzögerungselementen
201, 203, 205 usw. in Serie summiert und an den Ausgang 120 gegeben werden können.
Im vorliegenden Fall unterscheidet sich jedoch das Verfahren zur Isolation mit Hilfe
der Trennverstärker 220, 234. Anhand der beiden benachbarten Kanäle 222 und 224
zeigt sich z.B., daß die Schalteinrichtung 226 in vier verschiedene Stellungen zu
bringen ist. Bei der untersten und obersten Stellung 226a bzw. 226b erfolgt eine
Phasenaddition in Reihe zwischen den Hauptverzögerungselementen aufeinanderfolgender
Kanäle, wie schon beschrieben. Je nach dem ob der mittels der Wandlerreihe abgetastete
Winkel rechts oder links von der Senkrechten liegt, wird der Schalter 228 in die
durchgezogen gezeichnete Stellung oder die Stellung 228a gebracht. Dann gelangen
die Signale über einen Verstärker 233 oder 235 an den Ausgang 120 und die Einrichtung
122 zur Signalverarbeitung und Abbildung.
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Wenn die in Betracht gezogene Welle im wesentlichen normal einfällt,
kann der Schalter 226 (und die entsprechenden
restlichen Schalter,
z.B. 227) in die Stellung 226c, 227c usw. oder 226d, 227d usw. gebracht werden.
In jedem Fall zeigt sich, daß auf diese Weise wirkungsmäßig eine gemeinsame Signalleitung
230 (oder 231) geschaffen wird, und daß in jedem Fall der Ausgang des llauptverzögerungselements,
z.B. der Ausgang 232 im Kanal 224, wenn er an ie Leitung 230 gegeben wird, vom entsprechenden
Ausgang des benachbarten Kanals durch einen zwischengeschalteten Operationsverstiker,
z.B.
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den Operationsverstärker 234 getrennt wird.
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In Fällen, in denen ein Signal weiterverareeitet werden soll, welches
von einer Welle erzeugt ist, die unter geringer Abweichung nach der einen oder anderen
Seite der @ormalen auffällt, wird wahlweise die Leitung 230 oder 231 benutzt. Eine
in der Zeichnung gesehen von rechts in geringer Abweichung von der Normalen einfallende
Welle wird also über die Leitung 230 weiterverarbeitet, wobei der Operationsverstärker
234 benutzt wird, um in das Signal kleine errungen einzufügen.
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Wenn das System gemäß Fig. 3 zum Rleiterverar2;Deiten normal einfallender
Wellen benutzt wird, können die zeitlichen Verzögerungen in den hinzugefügten Verstärkern
durch entsprechende Einstellung der Verzögerungswerte an den Vorverzögerungselementen
126 und den Hauptverzögerungselementen 201 03, 205 usw. ausgeglichen werden.
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Zusammenfassung Es wird ein Empfängerverzögerungssystem zur Verwendung
in einem ultraschallabbildungssystem geschaffen, welches eine Reihe von Wandlern
aufweist,: die zum Aussenden von Ultraschall in einen mittels Ultraschall zu untersuchenden
Körper und zum Empfang der von punkten innerhalb des Körpers zurückgestrahlten Schallenergie
geeignet sind, einen mit jedem der Wandler verbundenen Signalkanal zum Aktivieren
derselben zwecks Abgabe von Ultraschallenergieimpulsen und zum Empfang elektrischer
ankommender Signale von den Wandlern in Übereinstimmung mit der zurückgestrahlten
Schallenergie, ein variables Hauptverzögerungselement in jedem der Kanäle, eine
Einrichtung zum Variieren der Verzögerungswerte der genannten Elemente und eine
Schalteinrichtung zum wahlweisen Verbinden eines Ausgangs eines der Verzögerungselemente
mit dem Eingang des Verzögerungselements in einem benachbarten Kanal oder zum Verbinden
des Ausganges des Verzögerungselements parallel mit den Ausgängen der Verzögerungselemente
in einem oder mehreren benachbarten Kanälen, um auf diese Weise eine Phasenaddition
der durch die Vielzahl von Kanälen weitergeleiteten, ankommenden Signale in Übereinstimmung
mit der Richtung der zurückgestrahlten Energie zu ermöglichen, die betrachtet wird
Dabei sieht die Erfindung vor, daß jeder der Signalkanäle ein variables Vorverzögerungselement
in Reihe zwischen dem Wandier und dem Hauptverzögerungselement aufweist. Hierdurch
ist eine weitere Verstellung und Feinabstimmung der in die in den Kanälen weitergeleiteten,
ankommenden Signale eingefügten Verzögerungen möglich. Außerdem können mittels Schalteinrichtungen
wahlweise aktivierbare Einrichtungen zum Summieren der Ausgänge der Hauptverzögerungselemente
in den verschiedenen Kanälen über zwischengeschaltete Trennverstärker, die zum Isolieren
mindestens einiger der Ausgänge von anderen Ausgängen dienen, vorgesehen sein, um
unerwünschte elektrische Auswirkungen der Kanalausgänge aufeinander zu begrenzen.
Dies zuletzt genannte Merkmal wird dann in Betrieb gesetzt, wenn der Wandler reflektierte
Strahlung untersucht, die rechtwinklig oder unter einem der Senkrechten angenäherten
Winkel auf den Wandler fällt.
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L e e r s e i t e