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Gerät zur Ultraschallabtastung mit einem Ultraschall-
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Mehrzeilen-Arrav Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Ultraschallabtastung
entsprechend den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Bei Ultraschall-Mehrzeilen-Arrays soll der Aufwand an elektrischen
Bauelementen so klein wie möglich gehalten werden. Dies kann dadurch erreicht werden,
daß die Datenreduktion nahe den Wandlerelementen des Ultraschallkopfes vorgenommen
wird. Die Schaltglieder für die einzelnen Wandlerelemente sitzen dann im Schallkopfgehäuse
nahe den Wandlerelementen. Eine solche konstruktive Anordnung führt jedoch zu unvermeidlichem
übersprechen von der Ansteuerlogik auf die Nutzsignalleitung. Daraus ergeben sich
Schaltstörungen (Schaltknacks), die einerseits sendeseitig wie schwache Sendesignale
wirken; andererseits werden empfangsseitig derartige Schaltknacks als Störlinien
auf der Bildröhre abgebildet. Vorschläge zur Lösung der beiden Probleme wurden bereits
vorgelegt. So beschreibt die DE-PS 26 58 222 ein Gerät zur Ultraschallabtastung,
bei dem Schaltknacks mit Hilfe von Pufferverstärkern so weit unterdrückt werden,
daß sie nicht mehr als unerwünschte Sendesignale stören können. Die DE-AS 26 43
918 beinhaltet hingegen ein Gerät zur Ultaschallabtastung, bei dem mittels Teilbildschreibung
(Figur 4) Schaltknacks ausgetastet werden. Die Schaltknacks fallen zeitlich jeweils
in.die Lücken zwischen den Teilbildern. Sie können sich somit auf den Empfangsbetrieb
nicht mehr störend auswirken.
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Die Lösung der DE-PS 26 58 222 läßt sich relativ problemlos an bestehende
Systeme anpassen. Die Integration der Lösung der DE-PS 26 43 918 (Teilbildschreibung),
die eigentlich große Vorzüge aufweist, da Schaltknacks ausgetastet werden, die aus
beiden Schaltrichtungen, also sowohl aus x-Richtung bei Fortschaltung von Wandlergruppen
in der Verschieberichtung des Ultraschall-Abtaststrahls als auch bei Hinzu- oder
Wegschalten von Wandlerelementen in y-Richtung aus unterschiedlichen Zeilen herrühren,
bereitet hingegen schon mehr Schwierigkeiten. Bei bereits üblichen Systemen sind
hierzu Anderungen auch im Sichtgeräteteii nötig. Die Teilbildschreibung läßt sich
also an bestehende Systeme weniger gut anpassen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung anstelle der Teilbildschreibung
anzugeben, die leichter in schon bestehende Systeme integrierbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung erfordert im Vergleich mit der Teilbildschreibung einen
etwas höheren technischen Aufwand. Dafür ist sie jedoch auf jeden Fall leichter
in schon bestehende Systeme integrierbar. Bestehende Systeme beinhalten nämlich
im allgemeinen bereits Tiefen- und z.B.
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auch Feldausgleichverstärker. Vom Prinzip her könnte eine Ersatzlösung
für die Teilbildschreibung auch dadurch gefunden werden, daß für sämtliche Zeilen
pro Signalverarbeitungskanal ein entsprechender Tiefenausgleichverstärker und z.B.
auch ein Feldausgleichverstärker vorgesehen werden. Dann würde in sämtlichen Kanälen
aller Zeilen der Einebnungseffekt der Tiefen- und z.B.
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Feldausgleichverstärker für die Signaldynamik ausgenutzt.
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Eine derartige Lösung wäre das ; aber mit einem unver-
tretbar
hohem Aufwand an zusätzlichen Gerätekomponenten verbunden. Die erfindungsgemäße
Lösung beschränkt die Zahl der Tiefenausgleichverstärker und z.B. auch Feldausgleichverstärker
lediglich auf eine erste Zahl von Zeilen. Die für den Rest der Zeilen vorgesehenen
Schaltstörungsunterdrücker sind relativ einfach aufgebaut, so daß der technische
Aufwand noch in Grenzen gehalten wird. Hinsichtlich des technischen Aufwandes stellt
also die erfindungsgemäße Lösung einen Kompromiß zwischen einer solchen Lösung dar,
die für sämtliche Zeilen pro Signalverarbeitungskanal einen Tiefenausgleichverstärker
und z.B. auch einen Feldausgleichverstärker benutzt, und einer solchen Lösung, die
auf reiner Teilbildschreibung beruht. Gegenüber der technisch weniger aufwendigen
Lösung der Teilbildschreibung hat die erfindungsgemäße Lösung aber dennoch den Vorteil,
daß sie bezüglich bestehender Systeme kompatibler ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsb ei spiels anhand der Zeichnung und
in Verbindung mit den Unteransprüchen.
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Es zeigen:.
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Figur 1 das Prinzipschaltbild eines Gerätes mit Ultraschall-Mehrzeilen-Array,
das nach herkömmlicher Art im Signalverarbeitungsteil für wenigstens eine Wandlerelementzeile
mit einem Tiefenausgleichverstärker sowie auch einem Feldausgleichverstärker ausgerüstet
ist, Figur 2 das Blockschaltbild eines Schaltstörungsunterdrückers gemäß der Erfindung,
das zur
Realisierung der Erfindung in Verbindung mit einem Blockschaltbild
der Figur 1 eingesetzt wird, Figur 3 im Prinzipschaltbild die erfindungsgemäße Aufspaltung
der unterschiedlichen Zeilen auf eine Mittenschienenmatrix und eine Randschienenmatrix
zur Signalübertragung zum geräteseitigen Signalverarbeitungsteil.
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In der Figur 1 ist der Geräteteil für die Signalgewinnung mit 1 bezeichnet.
Er umfaßt ein Ultraschall-Mehrzeilen-Array 2, das z.B. entsprechend Figur 1 ,r DE-PS
26 58 222 oder Figur 1 der DE-AS 26 43 918 eine Vielzahl von in Zeilen und Spalten
angeordneten Wandlerelementen enthält. Die Zahl der Wandlerelemente pro Reihe beträgt
z.B. achtzig und die Zahl der Zeilen.z.B. drei.
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Die Schaltmöglichkeiten sind so, daß zu Wandlerelementen der mittleren
Zeile jeweils immer Wandlerelemente der beiden äußeren Zeilen gleichzeitig zuschaltbar
sind. Diesem Ultraschall-Mehrzeilen-Array 2 sind dann auch noch Flächenmusterschalter
3 und Pufferverstärker 4 zugeordnet. Die Flächenmusterschalter 3 dienen zur Einschaltung
unterschiedlicher Sende- und/oder Empfangsflächen während der Sende- und/oder Empfangsphasen.
Die Pufferverstärker 4 unterdrücken Schaltknackse der Flächenmusterschalter, die
sonst als unerwünschte Sendesignale stören würden.
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Die Art der Zusammenschaltung von Ultraschall-Mehrzeilen-Array 2,
Flächenmusterschalter 3 und Pufferverstärker 4 entspricht beispielsteise jener der
Figur 2 in der DE-PS 26 58 222. Entsprechend dieser Figur 2 erfolgt dann die Signalübertragung
vom Ultraschn Applikator 1 zum Signalverarbeitungsteil über rIe Schienenmatrix 5
mit
z.B. zwanzig Einzelschienen. Die Schienenmatrix 5 ist Bestandteil
eines Signalübertragungskabels 6.
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Ein Hochfrequenzimpulsgenerator 7 dient als Sendegenerator. Die Hochfrequenzimpulse
werden über eine Leitung 8 in das Signalübertragungskabel 6 mit der Matrix 5 eingespeist.
Sie gelangen zum Array 2 und werden dort von den Ultraschallwandlerelementen jener
Gruppe, die auf Senden geschaltet ist, in Ultraschall-Sendeimpulse zur Abstrahlung
in ein Untersuchungsobjekt umgewandelt.
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Eine zentrale Steuerung 9 steuert über eine Steuerleitung 10 die Schalter
an, durch die einzelne Wandlerelemente der Spalten und Zeilen des Arrays 2 zu Gruppen
zusammengefaßt werden. Sie steuert darüber hinaus auch die Fortschaltung der Gruppe
zwecks Strahlfortschaltung und sie steuert zusätzlich die Flächenmusterschalter
3 zur Einstellung unterschiedlicher Sende- und/oder Empfangsflächen während der
Sende- und/oder Empfangsphasen.
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Darüber hinaus taktet sie auch über die Taktleitung 11 den Sendegenerator
7. Über die Steuerleitung 12 wird die Empfangsphase gesteuert. Schließlich führt
auch noch eine Steuerleitung 13 zum Gerät 14 für die Bildanzeige.
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Das Bildanzeigegerät 14 umfaßt eine Bildröhre 15 für den Aufbau des
Echobildes. Es beinhaltet ferner einen Umsetzer 16 zur Umsetzung der Ultraschall-Abtastfrequenz
in die erwünschte Bildzeilenfrequenz. Bei-Verwendung z.B. eines Fernsehmonitors
15 zur Bildanzeige ist der Umsetzer 16 z.B. ein Fernsehnormwandler.
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Der Signalverarbeitungsteil des Ultraschall-Gerätes ist mit 17 bezeichnet.
Er umfaßt eingangsseitig eine Dioden-oder Transistormatrix 18 (Revolverschaltung),
in der der durch den Scan-Vorgang verursachte Wechsel der Zuordnung von Array-Spalten
zu Verzögerungskanälen einer nachfolgenden Verzögerungsgruppe 19 rückgängig gemacht
und die Symmetriebedingung in Scan-Richtung für Empfang längs
der
Flächennormalen ausgenutzt wird. Die Zahl- der Eingangsleitungen (im Schaltungsbeispiel
der Figur 1 insgesamt zwanzig Eingangsleitungen S1 = ER1 bis S20 = ER20) reduziert
sich damit auf die Hälfte Ausgangsleitungen (also insgesamt zehn Ausgangsleitungen
AR1 bis AR10). Die Ausgangsleitungen AR1 bis AR10 der Revolverschaltung 18 bilden
gleichzeitig die Eingangsleitungen EV1 und EV10 der Verzögerungsgruppe mit Verzögerungsgliedern
20. Die Verzögerungen, die zur elektronischen Fokussierung dienen, werden im Parallelbetrieb
für alle (z.B. insgesamt fünf) Tiefenbereiche gleichzeitig erzeugt. Dadurch reduzieren
sich die zehn verbliebenen Leitungen EV1 bis EV10 am Eingang auf insgesamt fünf
Leitungen AV1 bis AV5 am Ausgang. Auf die Verzgerungsgruppe 19 folgt eine Schaltung
21 mit fünf Tiefenausgleichverstärkern 22, die die Eingänge ET1 bis ET5 und Ausgänge
AT1 bis AT5 haben. Dieser Verstärkergruppe schließt sich dann eine Gruppe 23 mit
Feldausgleichverstärkern 24 an. Die Feldausgleichverstärker haben die Eingänge EF1
bis EF5 und die Ausgänge AF1 bis AF5.
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Der Block 25 mit den Eingängen ED1 bis ED5 symbolisiert eine Bereichswahlschaltung
mit Demodulator. Der Demodulator ist in Form eines Gleichrichters 26 aufgebaut.
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Der Ausgang der Schaltung ist mit AD bezeichnet. Die Tiefenausgleichverstärker
und die Feldausgleichverstärker sorgen für eine Einebnung der Signaldynamik; bei
Strahlfortschaltung kann also eine gruppenweise Weiterschaltung der Wandlerelemente
in x-Richtung durch die entsprechenden Anwahlschalter vorgenommen werden, ohne daß
Schaltstörungen für diese Schaltrichtung zur Bildröhre 15 weitergegeben werden.
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Im Prinzip lassen sich also durch Tiefenausgleichverstärker und Feldausgleichverstärker
Schaltknackse, die bei Fortschaltung des Strahles in eilenrichtung entstehen, Unterdrücken.
Dies gilt jeder nur für erz Fortschaltung
entlang einer einzelnen
Zeile. Werden weitere Zeilen hinzugeschaltet, so müssen zur Schaltknacksunterdrückung
entsprechend auch für diese Zeilen eine der Zahl der Signalkanäle entsprechende
Zahl von Tiefenausgleichverstärkern bzw. Feldausgleichverstärkern vorgesehen werden.
Diese Art von Parallelschaltung führt jedoch zu einem untragbar hohen zusätzlichen
Aufwand an Tiefenausgleichverstärkern bzw. Feldausgleichverstärkern.
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Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil in der folgenden Weise: Im
Beispiel der Figur 1, in dem also das Ultraschall-Mehrzeilen-Array 2 z.B. ein Dreizeilen-Array
ist, werden die bereits vorhandenen zwanzig Schienen der Schienenmatrix als sogenannte
Mittenschienen nur noch an-die mittlere Zeile des Arrays angekoppelt. Für die beiden
äußeren Zeilen ist eine eigene Schienenmatrix aus z.B.
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wieder zwanzig Randschienen vorgesehen, die parallel zu den bereits
vorhandenen Mittenschienen zum Sichtgerät geführt werden. Während die Mittenschienen
also weiterhin auf eine Schaltung aus Tiefenausgleichverstärkern und Feldausgleichverstärkern
stoßen, so wie sie in der Figur 1. dargestellt ist, ist den beiden Außenzeilen pro
Signalverarbeitungskanal im Signalverarbeitungsteil lediglich ein aus einem Frequenzfilter
und einem Schaltglied bestehender Schaltstörungsunterdrücker zugeordnet, dessen
von Schaltstörungen befreiten Ausgangssignale den Signalverarbeitungskanälen der
Mittenschienen vor Weiterleitung zu den Tiefenausgleich- und z.B. auch Feldausgleichverstärkern
aufaddiert werden. Dieser Sachverhalt ist in den Figuren 2 und 3 näher angedeutet.
Gemäß der Figur 2 werden also pro Schienenpaar bzw. pro Verzögerungskanaf, ein steuerbarer
Verstärker 27, z.B.
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ein Multiplizierer, als Schaltglied mit Schaltsignàlx geber 28, ein
Bandpaßfilter 29 und ein Addierglied 30
benötigt, die in der in
der Figur 2 dargestellten Weise mit den Randschienen RS bzw. Mittenschienen MS verknüpft
sind. Der Schalteingang des Multiplizierers 27 erhält vom Schaltsignalerzeuger 28
ein Schaltsignal mit definierter Anstiegszeit A t. Dieses Signal spricht mit a dB
auf den Nultipliziererausgang über. Ein typischer Wert liegt bei a = 40 dB für #t
= 2/us und voll ausgesteuertem Multiplizierer. Um zu vermeiden, daß das Übersprechsignal
zum Anzeigegerät gelangt, ist eine zusätzliche Bedämpfung von z.B. 30 dB erforderlich.
Dies ergibt sich aus folgender Überlegung: Die Störspannung sollte ca. 40 dB unterhalb
des Höchstwertes der Nutzsignale liegen. Die Nutzsignale aus der Tiefe (von z.B.
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6 cm), in der geschaltet wird, sind (z.B. bei ; MHz um 30 dB, entsprechend
1 dB/MHz cm) durch Absorption geschwächt. Für Vollaussteuerung des Schaltgliedes
bei den größten Nutzsignalen aus Hautnähe ist also der Summenwert von mindestens
70 dB zu fordern. Die noch fehlenden 30 dB erbringt das Bandpaßfilter 29. Dieses
wirkt wie folgt: Das Nutzsignal fn(t) sei ein geschalteter Sinusimpuls der Mittelfrequenz
= 2 6 f0 = 2zr 2,5 106 Hz und der Einschaltzeit 2 Tn = 2/us mit der zugehörigen
Spektraldichte
Bei CZ = + #o ist also Fn ( #o) = Tn.
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Die Schaltstörung habe die Form eines cos2-Impulses mit der Basisweite
2 T5 = 2/us. Die zugehörige Spektraldichte ist
mit der Einhüllenden
so daß bei gleichen Ausgangsamplituden ein Verhältnis von
sicher erreicht wird.
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Dieser Wert liegt höher als gefordert, ist aber sehr stark von der
zeitlichen Form des Störimpulses abhängig, so daß durch Wahl, der.Form der Schaltflanke
andere, auch bessere, Werte einstellbar sind (für höherfrequente Arraysysteme wichtig).
Die beste Störunterdrückung kann bei gausförmiger Störung erwartet werden.
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Dem Beispiel entnimmt man, daß an das Filter relativ hohe Anforderungen
zu stellen sind. Wegen der frequenzabhängigen Gewebsdämpfung sollte die -untere
Eckfrequenz bei einem 2,5 MHz-System nicht höher als z.B. 1,5 MHz liegen. Andererseits
liegt die erste Null stelle des Störspektrums -bei ca. 1 MHz Nimmt man diese als
eine Grenze an,-dann muß zwischen 1 NHz und 1,5 NHz eine Mindestdämpfung von ca.
30 dB erreicht werden. Dies entspricht 60 dB/Oktave und erfordert ein 1Opoliges
Filter.
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Ein derartiges Filter sollte vorzugsweise nicht zehnmal für alle zehn
Randschienen, sondern lediglich einmal in der Leitung für das Summensignal hinter
den Addierern eingeschaltet werden. (Vertauschbarkeit der Reihenfolge von linearen
Ubertragungsgliedern). Soil in einer Schaltung'entsprechend Figur 2'ein weniger
aufwendiges Filter verwendet werden, muß die Anstiegszeit A Qt verlängert werden,
weil Anstiegszeit und Filtersteilheit gegeneinander austauschbar sind.
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Die in der Figur 2 dargestellte Schaltung für den Schaltstörungsunterdrücker
wird vorzugsweise zwischen der Revolverschaltung 18 und der Verzögerungsgruppe 19
im Schaltbild der Figur 1 eingeschaltet. Sie kann selbstverständlich aber auch schon
vor der Revolverschaltung eingeschaltet werden.
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Die Aufteilung der Signalübertragung auf Randschienen und Mittenschienen
zeigt das Prinzipschaltbild der Figur 3. Bis auf diese Aufteilung stimmt jedoch
das Schaltbild der Figur 3 in den wesentlichen Punkten mit jenen der Figuren 2 und
3 der DE-PS 26 58 222 überein. Der Unterschied ist also lediglich der, daß alle
Wandlerelemente der mittleren Zeile (ange dutet durch das Wandlerelement W2) mit
der Mittenschienenmatrix MSM und die beiden äußeren Zeilen (angedeutet durch die
Wandlerelemente W1 und W3) gemeinsam mit den Schienen der Randschienenmatrix RSM
verbunden sind.
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Die Sendeschienenschalter sind entsprechend der Aufteilung mit SSR
und SSM bezeichnet. Das Ansteuerschieberegister ist -das Schieberegister SR2. Die
Empfangsschienenschalter sind in ESR und ESM aufgeteilt. Die Ansteuerung der Flächenmusterschalter
erfolgt über die Schalterlogik L in Verbindung mit dem Schieberegister SR1. Die
Pufferverstärker im Baustein für die Flächenmusterschalter sind jeweils mit PV bezeichnet.
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3 Figuren 7 Patentansprüche
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