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Schallkopf für Untersuchungen mit Ultraschall nach dem
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Impuls-Echoverfahren und mit diesem Schallkopf ausgestattetes Ultraschallgerät.
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Die Erfindung betrifft einen Schallkopf für Untersuchungen mit Ultraschall
nach dem Impuls-Echoverfahren in wenigstens zwei Frequenzbändern.
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Die Erfindung betrifft auch ein Ultraschallgerät mit einem solchen,
mit Sender und Empfänger verbundenen Schallkopf, wobei der Empfänger Verstärker,
Signalformer u.dgl. enthält und eine Anzeige- oder Verarbeitungseinheit für die
Signale umfaßt, am Empfänger eingang eine Frequenzweiche vorgesehen ist, die die
Signale frequenzabhängig auf verschiedene Leitungszweige aufteilt, in denen wenigstens
je ein einstellbarer Verstärker vorgesehen ist, welche Leitungszweige zu einem gemeinsamen
Endverstärker führen, dem die weiteren Signalformer bzw. die Anzeige- oder Verarbeitungseinheit
nachgeordnet ist.
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Aus den US-PS 3 309 914 und 4 016 750 ist es an und für sich bekannt,
Ultraschalluntersuchungen im Impuls-Echoverfahren, insbesondere Untersuchungen im
A-, B- und C-Bildverfahren mit Impulsen vorzunehmen, die gleichzeitig wenigstens
zwei verschiedene Frequenzbänder enthalten, wobei im Normalfall an Frequenzen zwischen
1 und 10 z gedacht ist.
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Die Grundüberlegung bei diesen Verfahren besteht darin, daß man mit
höhenUntersuchungsfrequenzen ein besseres Aufiösungsvermögen und mit niedrigeren
Untersuchungsfrequenzen ein höheres Eindringvermögen in Objekte
bzw.
bei medizinischen Untersuchungen in das organische Gewebe erzielen kann und daß
mit Geräten der eingangs genannten Art, wie sie beispielsweise aus der DE-PS 23
02 847 bekannt sind, eine Summendarstellung der Resultate aus den Untersuchungen
in beiden Frequenzbereichen möglich it, so daß, zumindest theoretisch, jeder Tiefenbereich
des Objektes mit einem für ihn optimalen Frequenzbereich bzw.
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mit einem optimalen Frequenzgemisch untersucht wird.
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Bei der Verarbeitung kann man mit verschiedenen, vorgegebenen Verstärkungsverläufen
für die verschiedenen Frequenzen arbeiten und erst dann eine Summierung der Signale
vornehmen, so daß man beispielsweise in oberflächennahen Bereichen in den Echosignalen
die niedrigeren Frequenzen unterdrücken und damit bei der Darstellung mit einem
optimalen Auflösungsvermögen durch die höhere Frequenz arbeiten kann.
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Trotz der aufgezeigten, bestechenden Vorteile konnte sich das beschriebene
Verfahren bisher in der Praxis nicht durchsetzen. Der Grund dafür besteht darin,
daß bisher bei der praktischen Anwendung entscheidende Nachteile gegenüber anderen
Verfahren auftreten, bei denen mit einer bestimmten Frequenz gearbeitet und gegebenenfalls
je nach gewünschter Eindringtiefe die Frequenz verändert und der Schallkopf ausgewechselt
wird. Bei diesen letztgenannten Verfahren ist es grundsätzlich möglich, den Schallkopf
bzw. den im Schallkopf vorgesehenen Schwinger im Bereich seiner Eigenresonanz zu
betreiben. Man erhält dadurch einen guten Wirkungsgrad bei der Umsetzung der zugeführten
Sendeleistung in die mechanischen Schwingungen und, umgekehrt, auch eine hohe Empfindlichkeit
des Schallkopfes beim Empfang der einlangenden Echosignale. Bisher wird nun bei
dem Verfahren mit zwei Frequenzbändern grundsätzlich ein Schallkopf mit einem einzigen
Schwinger verwendet. Um wenigstens zwei in der Frequenz hinreichend weit auseinanderliegende
Frequenzbänder zu erzielen, ist es notwendig, den Schallkopf
weit
außerhalb der Eigenfrequenz des Schwingers za betreiben und überdies eine sehr starke
Bedämpfung vorzusehen. Dies bedeutet, daß der größte Teil der zugeführten Energie
durch die Dämpfung vernichtet wird und überdies die Empfindlichkeit des Schallkopfes
für den Empfang von Ecosignalen gegenüber einem im Resonanzbereich arbeitenden Schallkopf
auf einen kleinen Bruchteil absinkt. Abgesehen davon1 ist es sehr schwierig, die
theoretisch bekannten Voraussetzungen für die starke Dämpfung in der Praxis zu realisieren.
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Für andere Aufgaben sind schon Schallköpfe bekannt, die mehr als
einen Schwinger besitzen. Es gibt für Schnittbilduntersuchungen Mehrfachschallköpfe,
bei denen die Schwinger in einer Reihe angeordnet sind und nacheinander mit jeweils
gleicher Frequenz erregt werden, um eine Schnittebene schrittweise mit dem von Schwinger
zu Schwinger springenden Schallbündel abzutasten. Es bt auch Schallköpfe mit einem
kreisrunden Mittelschwinger und einem oder mehreren konzentrischen Ringschwingern.
Bei einem dieser Schallköpfe werden alle Schwinger mit gleicher Frequenz im Resonanzbereich
gleichzeitig, aber phasenverschoben erregt, um eine Fokussierung des vom Schallkopf
abgegebenen Schallbündels zu erzielen. Ein anderer bekannter Schallkopf besitzt
einen inneren Leistungsschwinger und ein en ringförmigen Außenschwinger. Dabei wird
der Außenschwinger im Impuls-Echoverfahren mit seiner Eigenfrequenz betrieben. Mit
Hilfe der über ihn erhaltenen Signale wird der abgetastete Bereich auf einem Bildschirm
angezeigt, und es wird ein bestimmter Bereich oder eine bestimmte Stelle in einem
Objekt angepeilt, wonach der Peilschwinger abgeschaltet und der mittlere Leistungsschwinger
meist mit einer andere Frequenz zur Abgabe von Leistungsschall an die genannte Stille
betrieben wird. Hier arbeitet also nur der eine Schwinger in der einen Frequenz
im Impuls-Echoverfahren.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Schallkopfes der eingangs
genannten Art, der es ermöglicht, das beschriebene Verfahren mit vernünftigem Wirkungsgrad
auszuführen und der ein beiden Frequenzbändern eine hohe Empfindlichkeit besitzt.
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Eine Teilaufgabe der Erfindung besteht in der Anpassung eines Gerätes
der eingangs genannten Art an den erfindungsgemäßen Schallkopf.
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Der erfindungsgemäße Schallkopf ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens
zwei verschiedene Eigenfrequenzen aufweisende Schwinger vorgesehen sind und daß
die beiden Schwinger durch eine Zwischenschicht getrennt hintereinander, insbesondere
koaxial, angeordnet sind.
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Durch die an und für sich bekannte Verwendung von zwei Schwingern,
die aber besondere Bedingungen erfüllen müssen und in einer neuartigen Anordnung
angebracht werden, wird es möglich, bei dem beschriebenen Verfahren beide Schwinger
im Bereich der Eigenresonanz zu betreiben und damit einen guten Wirkungsgrad bzw.eine
hohe Empfindlichkeit7erzielen. Es Es kann somit auf eine starke Dämpfung verzichtet
werden.
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Nach einer Weiterbildung wird die Empfindlichkeit noch dadurch gesteigert,
daß für den vorderen Schwinger eine Schutzschicht od.dgl. vorgesehen ist und die
Dicken bzw. die Schalleiteigenschaften dieser Schutzschicht und der Zwischenschicht
auf die Frequenzen bzw. Schalleiteigenschaften der beiden Schwinger abgestimmt sind,
so daß der aus Schutzschicht, vorderem Schwinger und Zwischenschicht gebildete Schichtverband
eine gute, insbesondere maximale Durchlässigkeit für Schallimpulse mit der Frequenz
des hinteren Schwingers, die Schutzschicht eine gute, insbesondere maximale Durchlässigkeit
für Schallimpulse mit der Frequenz des vorderen Schwingers und der aus Zwischenschicht
und hinterem Schwinger bestehende Schichtverband
eine starke, insbesondere
maximale Sperrwirkung für Schallimpulse mit der Frequenz des vorderen Schwingers
aufweisen.
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Durch die beschriebene Ausführung wird erreicht, daß die Schallenergie
bevorzugt in das Objekt abgestrahlt wird. In gleicher Weise steigt auch die Empfindlichkeit.
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Günstige Bedingungen ergeben sich, wenn für beide Schwinger Schallfelder
erzeugt werden, die an der Austrittsfläche des Schallkopfes beginnend etwa gleiche
Geometrien aufweisen. Diese Forderung läßt sich konstruktiv und praxisgerecht günstig
in der Form verwirklichen, daß die beiden Schwinger gleiche Durchmesser besitzen,
bei dem die höhere Eigenfrequenz aufweisenden Schwinger aber wenigstens eine Elektrode
nur über einen Teil seiner Oberfläche reicht, so daß nur dieser Teil des Schwingers
erregbar ist, wobei dieser Schwinger durch die Größe und gegebenenfalls die Form
der Elektrode im Sinne einer weitgehenden Übereinstimmung der Geometrien der Schallfelder
auf den anderen Schwinger abgestimmt ist.
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Durch die Hintereinanderanordnung der beiden Schwinger ergeben sich
verschiedene Laufzeiten der gleichzeitig von den beiden Schwingern ausgesandten
Impulse.
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Um dies zu kompensieren, kann man bei einem Ultraschallgerät der genannten
Art einen für sich einstellbaren Phasenschieber oder ein Zeitglied vorsehen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes gehen
aus der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung hervor.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht.
Es zeigt Fig. 1 ein Diagramm, in dem ein mögliches Ubertragungsverhalten eines erfindungsgemäßen
Schallkopfes in Abhängigkeit von der Frequenz veranschaulicht wurde, Fig. 2 ein
weiteres Diagramm, in dem die auftretenden Amplituden des Schallimpulses in den
verschiedenen
Frequenzen in Abhängigkeit von der Eindringtiefe in
einem eine stark frequenzabhängige Absorption aufweisenden Medium veranschaulicht
wurden, Fig.3 schematisch einen erfindungsgemäßen Schallkopf im Schnitt und Fig.4
ein Blockschaltschema, aus dem die vorgesehene Änderung in der Schaltung eines Ultraschallgerätes
ersichtlich ist.
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Es wird nach der im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 erläuterten
Möglichkeit gefordert, daß eine aus Sender, Schallkopf und Empfänger bestehende,
einen Teil eines Ultraschallgerätes bildende Kette wenigstens zwei verschiedene
Frequenzbereiche Fn und Fh bevorzugt überträgt.
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Die beiden Frequenzbänder brauchen nicht völlig getrennt zu sein.
Theoretisch ist es gleichgültig, welches Glied der Kette den gezeigten Frequenzgang
bedingt. Es kann also das Frequenzspektrum des Sendeimpulses die in Fig. 1 dargestellte
Form aufweisen, wenn Schallkopf und Empfänger so breitbandig sind, daß die beiden
Frequenzbänder Fn und Fh übertragen werden. Man könnte auch einen breitbandigen
Sendeimpuls und einen entsprechend breitbandigen Schallkopf verwenden und durch
Filter die gewünschten Frequenzbänder aussieben. Derzeit haben diese bekannten Lösungen
aber vorwiegend nur theoretischen Wert. Nach der Erfindung werden die gewünschten
Frequenzbänder durch eine entsprechende Ausgestaltung des Schallkopfes selbst erzeugt.
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Eine mögliche Ausführung wird später im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert
werden. Bemerkt wird, daß die Auswahl von zwei verschiedenen Frequenzbändern nur
eine mögliche Lösung darstellt und daß bei entsprechender Ausgestaltung des Schallkopfes
und Gerätes auch mit drei oder mehreren Frequenzbändern gearbeitet werden kann.
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Wie sich aus Fig. 2 ergibt, wird ein Schallimpuls mit der höheren
Frequenz, der mit groBer Amplitude in das Medium eintritt, bei stark frequenzabhängiger
Absorption, z.B. in einem organischen Gewebe, verhältnismäßig rasch geschwächt.
Der Schallimpuls mit der niederen Frequenz Fn
tritt hingegen mit
einer kleineren Amplitude in das Medium ein wird aber viel weniger geschwächt, so
daß ab einer bestimmten Eindringtiefe, die jeweils vom Medium, den Amplituden der
Sende impulse und deren Frequenz abhängt, der Impuls mit der niedrigeren Frequenz
die größere Amplitude aufweist. Unmittelbar nach dem Eindringen ist der Anteil der
höheren Frequenzen am Gesamtimpuls größer. Mit zunehmender Eindringtiefe verschiebt
sich das Verhältnis der hohen Frequenz Fh zur niellrigeren Frequenz Fn immer mehr
zugunsten der niedrigeren Frequenz und es wird sich deshalb auch die resultierende
Frequenz mit zunehmender Eindringtiefe zu den niedrigeren Frequenzen hin verlagern.
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Wird an einer bestimmten Stelle des Objektes der Impuls mit der höheren
Frequenz weniger geschwächt als in Fig. 2 schematisch angegeben wurde, so bleibt
der höhere Frequenzanteil bis zu einer größeren Tiefe größer als im dargestellten
Ausführungsbeispiel, so daß nun tiefere Zonen mit höherer Frequenz untersucht werden.
Es passen sich die optimalen Bedingungen in gewissem Umfang selbsttätig an die Verhältnisse
an der augenblicklichen Untersuchungsstelle an, soferne man nicht durch besondere
Maßnahmen bei derSignalverarbeitung, die noch beschrieben werden, eine andere Anpassung
bzw. weitere Verbesserungen erzielt.
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Ein erfindungsgemäßer Schallkopf ist in Fig. 3 schematisch veranschaulicht.
Dieser Schallkopf besitzt an seiner Rückseite einen Dämpfungskörper 1, vor dem ein
Schwinger 2 angebracht ist, der an gegenüberliegenden Seiten mit Elektroden 3, 4
ausgestattet ist. Der durch die Elektroden 3, 4 gebildete Kondensator wird mit einer
Spule 5 zu einem Resonanzkreis geschaltet, der auf die mechanische Eigenfrequenz
des Schwingers 2 abgestimmt ist. Vor dem Schwinger 2 ist eine Zwischenschicht 6
angeordnet, die isolierend, aber schalldurchlässig ist. Vor dieser Zwischenschicht
befindet sich ein weiterer Schwinger 7 mit Elektroden 8,9, die mit einer Spule 10
zu einem
weiteren, auf die mechanische Eigenfrequenz des Schwingers
7 abgestimmten Schwingkreis geschaltet sind.
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Dem Schwinger 7 ist eine Schutzschicht 11 vorgeordnet.
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Die beiden Schwingkreise 3, 4, 5 bzw. 8,9,10 sind über Anpassungswiderstände
12, 13 mit einer zum Sender und Empfänger eines Ultraschallgerätes führenden Leitung
14 verbunden. Die der Anpassung bzw. Entkoppelung dienenden Widerstände 12, 13 müssen
nicht unbedingt vorhanden sein.
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Der Schallkopf nach Fig. 3 besitzt zwei Schwingungssysteme mit unterschiedlicher
Frequenz, wobei diese Frequenzen z.B. den Frequenzen Fn und Fh entsprechen. Um einen
guten Wirkungsgrad zu erzielen, sollen einige Nebenbedingungen eingehalten werden.
Die Schalldurchlässigkeit eines Paketes aus mehreren Schichten hängt bekanntlich
vom Schallwiderstand der einzelnen Schichten und ihrer Dicke ab. Es ist möglich,
unter Ausnützung dieser bekannten Zusammenhänge Schichtpakete so aufzubauen, daß
sie für bestimmte Frequenzen optimale Durchlässigkeit und für andere Frequenzen
optimale Sperrwirkung besitzen.
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Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist nun vorgesehen, daß durch Auswahl
der Herstellungsmaterialien der Schichten 6 und 11, ihrer Dicke und gegebenenfalls
auch der Materialien und Abmessungen der Schwinger 2, 7 erreicht wird, daß der aus
der Schutzschicht 11, dem vorderen Schwinger 7 und der Zwischenschicht 6 gebildete
Schichtverband eine gute, insbesondere maximale Durchlässigkeit für Schallimpulse
mit der Frequenz des hinteren Schwingers 2, die Schutzschicht 11 eine gute,insbesondere
maximale Durchlässigkeit für Schallimpulse mit der Frequenz des vorderen Schwingers
7 und der aus Zwischenschicht 6 und hinterem Schwinger 2 bestehende Schichtverband
eine starke, insbesondere maximale Sperrwirkung für Signale mit der Frequenz des
vorderen Schwingers 7 aufweist. Der Schwinger 7 wird also veranlaßt, seine Energie
überwiegend durch die Schutzschicht 11 abzustrahlen.
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Die Schwinger 2, 7 wurden koaxial mit gleichem Durchmesser dargestellt.
Die unterschiedlichen Frequenzen bedingen verschiedene Dicken, was an sich zur Folge
hätte, daß beide Schwinger bei voller Erregung Schallfelder mit verschiedener Nahfeldlänge
und verschiedenem Öffnungswinkel erzeugen würden. Dies ist manchmal nicht erwünscht.
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Man könnte nun Schwinger mit verschiedenen Durchmessern verwenden,
doch würde dabei die Abstrahlung des größeren Schwingers seitlich durch den kleineren
Schwinger begrenzt, so daß wieder eine Änderung des Schallfeldes auftritt.
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Um bei gleichen Durchmessern der Schwinger 2, 7 eine etwa gleiche
Geometrie der Schallfelder zu erzielen, wird, wenn der vordere Schwinger 7 jener
mit der höheren Frequenz ist, wenigstens die eine Elektrode 8 kleiner als die Fläche
des Schwingers ausgebildet, wobei diese Elektrode auch eine von der Umrißform des
Schwingers abweichende Umrißform erhalten kann. Es wird dadurch praktisch nur der
unter der Elektrode 8 liegende Teil des Schwingers 7 erregt.
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Die vom Schwinger 2 ausgehenden Schallwellen haben eine etwas längere
Laufzeit als die vom Schwinger 7 ausgehenden Schallwellen. Die jeweilige Vorlaufstrecke
soll in der Größenordnung von 1 oder 2 Wellenlängen liegen, um Geisterechos zu vermeiden.
Zur Kompensierung der verschiedenen Laufzeiten der gleichzeitig von den beiden Schwingern
2 und 7 ausgesandten Impulse kann man Zeitglieder vorsehen bzw. Maßnahmen setzen,
wie sie im Zu-Zusammenhang mit Fig. 4 näher erläutert werden.
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Nach Fig. 4 ist für die Verarbeitung von in zwei verschiedenen Frequenzbereichen
erzeugten und empfangenen Impulsen ein bestimmter Bereich des Ultraschallgerätes
doppelt ausgeführt. Wären mehrere Frequenzen vorhanden, würde sich auch eine entsprechende
Anzahl von Zweigen ergeben.
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Durch den Sender 15 wird der Schallkopf 1, der ein Schallkopf nach
Fig. 3 sein kann, über die Leitung 14 in der üblichen Impulsfolgefrequenz erregt.
Die Signale
werden an eine Frequenzweiche 16 gelegt, die sie nach
der Frequenz geteilt auf Leitungszweige 17a, 17b legt.
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In diesen Leitungszweigen sind jeweils Verstärkungsregler 18a, 18b,
Steuereinrichtungen für den Tiefenausgleich 19a, 19b und Phasenschieber 20a, 20b
oder Zeitglieder vorhanden. Jedes einzeine Regelorgan 18a bis 20b ist unabhängig
von den anderen einstellbar. Man kann also für die in den Leitungen 17a und 17b
geführten Frequenzbänder verschiedene getrennte Verstärkungsverläufe einstellen
und u.a. den Anteil der niedrigen Frequenz Uber den Tiefenausgleich umso mehr unterdrücken,
je kleiner ihr zeitlicher Abstand vom Sendeimpuls ist, so daß gegebenenfalls der
Einfluß der tiefen Frequenz in oberflächennahen Bereichen völlig unterdrückt wird
und das Zumischen von aus die niedrige Frequenz aufweisenden Echos erzeugten Signalen
in der Gesamtanzeige erst ab einem vorgegebenen Tiefenbereich erfolgt. Die auf den
Leitungen 17a, 17b geführten Signale gelangen schließlich auf einen Summenverstärker
21 und werden über eine Leitung 22 der weiteren Signalverarbeitung (Schwellwert,
Demodulation usw.) zugeführt und schließlich im gewählten Darstellungsverfahren,
das meist abhängig vom Untersuchungsverfahren ist, als A-, B-, C-Bild bzw. im time-motion-Verfahren
dargestellt. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet liegt bei Untersuchungen im Schnittbild-(B-Bild)Verfahren,
wobei auch ohne weiteres Untersuchungen im schnellen Schnittbildverfahren mit bewegter
Darstellung lebender Organismen möglich sind.
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Mit den Phasenschiebern 20a, 20b können die schon im Zusammenhang
mit Fig. 3 erwähnten Laufzeitunterschiede sowie an der Weiche 16 möglicherweise
entstehende Phasenunterschiede ausgeglichen bzw. kompensiert werden.
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L e e r s e i t e