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Verfahren zur Darstellung von Ultraschall-Echosignalen
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und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zur Darstellung von Ultraschall-Echosignalen, die mittels
eines Sektor-Scan-Verfahrens gewonnen wurden, wobei die Signale als Zeilen von einer
Sektorspitze in Richtung auf einen Sektorbogen auf dem Bildschirm eines Ultraschallgerätes
geschrieben werden, sowie auf eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens.
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In der medizinischen Ultraschall-Schnittbilddiagnostik haben sich
für kardiologische Untersuchungen Sektor-Scan-Verfahren als geeignet erwiesen, bei
deren Anwendung ein sogenanntes akustisches Fenster im Rippenbereich des Patientenkörpers
ausgenutzt werden kann.
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Es sind mechanische und elektronische Sektor-Scanner bekannt. Für
die Abbildung des Ultraschall-Echobildes ergeben sich dabei keine Unterschiede:
Ziel ist es immer, einen möglichst guten Kompromiß zwischen dargestelltem Sektorbereich,
Zeilendichte und Bildfrequenz zu erreichen. Aufgrund der gegenseitigen Abhängigkeit
der Systemparameter kren- eine feste Sendeimpulsfrequenz vorausgesetzt - beispielsweise
bei Verkleinerung des Sektorwinkels die Zeilendichte erhöht und damit der physiologische
Bildeindruck verbessert werden.
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Die nach jedem Ultraschallsendeimpuls aus der j eweiligen Einschallrichtung
gewonnenen Echo signale
werden bei der sogenannten B-Bilddarstellung
als helligkeitsmodulierte Zeilen ortsrichtig dargestellt.
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Dabei wird dem Modulationssignal üblicherweise ein veränderbarer Gleichspannungsanteil
hinzuaddiert, mit dessen Hilfe eine bestimmte "Grundhelligkeit" des Bildes einstellbar
ist.
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Dib mittlere Flächen-Leuchtdichte, welche sich bei einer bestimmten
eingestellten Grundhelligkeit ergibt, ist bei einer Bilddarstellung mit parallelen
Zeilen, wie z.B. in der normalen Fernsehtechnik, der Zeilendichte proportional,
und damit im gesamten Bildbereich gleich. Bei einem Sektorbild mit strahlenförmig
von der Sektorspitze ausgehenden Zeilen ist die Flächen-Leuchtdichte dagegen nur
jeweils auf theoretisch infinitesimal schmalen Kreisringausschnitten mit festem
Sektorradius konstant, während sie in radialer Richtung entsprechend der Zeilendichte,
d.h. umgekehrt proportional zum Radius R, abnimmt, wenn man von einer konstanten
Zeilendichte in Scanrichtung, d.h.
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entlang des Sektorbogens, ausgeht.
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Wegen ihrer endlichen Strichbreite beginnen sich die Bildzeilen in
Richtung auf die Sektorspitze ab einem bestimmten Punkt zu überlappen, bis sie schließlich
in der Sektorspitze alle ineinanderfließen, d.h. übereinander geschrieben werden
Aus dieser in Richtung auf de Sitze zunehmenden Überlappung der Zeilen resultiert
eine entsprechende Überlagerung der einzelnen Zeilen-Leuchtdichten, so daß die Leuchtschicht
des Bildschirms zunehmend in die Sättigung gerät. Damit wird der nutzbare Aussteuerbereich
der Zeilenhelligkeit, d.h. der Helligkeitsdynamik, in Richtung auf die Sektorspitze
zunehmend geringer. Dies ist unerwünscht und einerseits bei der Bildbetrachtung,
andererseits insbesondere bei der Fotodokumentation störend.
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Zur Überwindung obiger Nachteile wird häufig versucht, eine Zunahme
von Leuchtdichte in Richtung auf die Sektorspitze durch entsprechende Einstellung
der Tiefenausgleichsregler auszugleichen. Dadurch wird jedoch die Bildinformation
verfälscht. Tatsächlich kann in weiten Bereichen des Sektorbildes die in den Ultraschall-Echo
signalen an sich vorhandene Bildinformation nicht optimal dargestellt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem mittlere
Flächen-Leuchtdichte und aussteuerbare Helligkeitsdynamik besser über den Darstellungsbereich
des Sektorbildes hinweg kontrolliert werden können. Diskontinuitäten, wie Moiré-Muster
oder kreisförmige Strukturen, sollen dabei vermieden werden.
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Weiterhin soll eine Vorrichtung für dieses Verfahren geschaffen werden,
welche mit gegenüber herkömmlichen Ultraschall-Geräten für Sektorabtasig geringen
zusätzlichem Aufwand auskommt.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die auf dem Bildschirm
darzustellenden Zeilen von der Sektorspitze (SP) ausgehend systematisch in Abhängigkeit
vom Sektorradius (R) derart eingeblendet werden, daß die mittlere Flächen-Leuchtdichte
(LF) auch in radialer Richtung (R) weitgehend konstant bleibt, wobei die Einblendung
der ausgewählten Zeile vom Dunkelwert zum Hellwert jeweils kontinuierlich erfolgt.
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Voraussetzung für die sinnvolle Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist eine Sektorbilddarstellung mit ausreichend hoher Zeilendichte. Im erfindungsgemäßen
Sinne ist diese so hoch zu wählen, daß bereits bei Einblendung der Zeilen das Bild
als zeilendicht empfunden wird. In diesem Fall kann dann die über mehrere neben-
einander
liegende Zeilen gemittelte Helligkeitsdynamik in etwa über den Darstellungsbereich
des Sektorbildes als konstant angesehen werden.
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Bei der Erfindung ist das gesamte Sektor-Bild in Scan-Richtung aus
Teilsektoren aufgebaut, welche jeweils einen Programmzyklus beinhalten. Von der
Sektorspitze ausgehend wird in Richtung auf den Sektorbogen die Anzahl der Zeilen
in -n Schritten erhöht, wobei die kontinuierliche Einblendung jeweils in entsprechenden
radialen Abschnitten erfolgt. Vorzugsweise wird in jedem einzelnen Abschnitt die
Anzahl der sichtbaren Zeilen gegenüber der im vorhergehenden Abschnitt erreichten
Zeilenzahl verdoppelt, so daß sich bei Einblendung in n Schritten im jeweiligen
Teilsektor ein Programmzyklus mit 2n Zeilen ergibt. Es ist jedoch nicht notwendig,
daß die Gesamtzeilenzahl am Sektorbogen ein ganzzahliges Vielfaches von 2n ist.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei der zugehörigen
Vorrichtung zwischen Ultraschall-Bildsignalverarbeitungsgerät und Bildröhre ein
Modulator eingeschaltet, der von einer Programmsteuereinheit angesteuert ist. Vorzugsweise
ist die Programmsteuereinheit durch aBn von einer Zeitsteuereinheit angesteuerten
Funktionsgenerator gebildet.
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Es sind also bekannte Ultraschallgeräte im erfindungsgemäßen Sinne
komplettierbar. Vorteilhafterweise werden für die Programmsteuereinheit digitale
Halbleiterspeicher verwendet und die Programmfunktionen für die Einblendung der
Sektorzeilen software-mäßig erzeugt.
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Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung
mit den weiteren Unteransprüchen. Es zeigen: Fig. 1 eine erläuternde Darstellung
zum erfindungsgemäßen Verfahren, Fig. 2 eine spezielle Programmsequenz als ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, Fig. 3 ein zu Figur 2 zugehöriges Diagramm der Dunkel-Hell-Steuerung
für die einzelnen Zeilen und Fig. 4 den schaltungsgemäßen Aufbau einer zugehörigen
Vorrichtung.
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In den Figuren haben die in den unterschiedlichen Darstellungen sich
entsprechenden Einzelheiten die gleichen Symbole. Vorab wird der Begriff der mittleren
Flächen-Leuchtdichte definiert, auf den in der Beschreibung Bezug genommen wird:
Leuchtdichte läßt sich allgemein definieren als Lichtstärke dI pro Flächenelement
dF einer Lichtquelle, d.h.
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L = dI. Der speziell verwendete Begriff mittlere dF Flächen-Leuchtdichte"
LF bezieht sich auf das Sektorbild und wird hier definiert als die über eine, mehrere
Zeilen enthaltende Teilfläche des Sektorbildes gemittelte Leucltlichte, welche fotometrisch
gemessen werden kann. Diese Mittelung erfolgt durch das Auge automatisch, da die
Zeilen bei genügend hoher Zeilendichte sehphysin mh X einer gleichmäßig leuchtenden
Fläche verschmelzen.
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In Figur 1 ist schematisch ein abzubildender Sektorbereich dargestellt.
Beim Stand der Technik werden die Zeilen von der Sektorspitze SP als Ursprungspunkt
gleichmäßig radial bis zum Sektorbogen SB ausgeschrieben.
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Nachfolgend wird ein Verfahren erläutert, bei dem einzelne Zeilen
systematisch ausgewählt werden und vom Dunkelwert zum Hellwert derart eingeblendet
werden, daß die mittlere Flächen-Leuchtdichte LF radial mindestens annähernd konstant
bleibt.
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Die Einblendung der Zeilen erfolgt in n Abschnitten.
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Den n Abschnitten sind Radien Rn +1 zugeordnet, wobei nach Überschreitung
des Radius Fy jeweils ein Einblendabschnitt der Länge 6;F beginnt. Dabei gilt für-die
Abschnittej : (1 ) aus = Rr + 1 - Rt mit t = 1 bis n Beispielsweise kann n = 4 gewählt
werden, so daß die Einblendung in vier Abschnitten mit den Längen 6 R1 bis a R4
erfolgt. In jedem Abschnitt wird eine zeitproportional ansteigende Modulationsfunktion
H (t) mit dem Anfangswert Null und dem normierten Endwert 1 verwendet, wodurch Helligkeitssprünge
und damit Kreisringstrukturen vermieden werden. Die Anzahl der sichtbaren Zeilen
im Verlauf jedes Einblendabschnittes verdoppelt beim beschriebenen Ausführungsbeispiel
sich in Bezug auf den vorhergehenden Abschnitt, so daß sich bei insgesamt n Schritten
ein wiederholbarer Programmzyklus als Teilsektor des gesamten Sektor-Bereiches ergibt,
welcher am Sektorbogen 2n Zeilen umfaßt.
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Beim vorgeschlagenen Verfahren ist nicht von Bedeutung, ob die Sektor-Scanlinien
von einem rotierenden oder einem pendelnden Sektor-Scanner erzeugt werden. Auch
wenn die
Gesamtzeilenzahl N am Sektorbogen kein ganzzahliges Vielfaches
von 2n ist, sondern beispielsweise (2) N = K . 2n + m, wobei K die Zahl der vollen
Programmzyklen und m die Anzahl der Restzeilen bedeuten, läßt sich das angegebene
Verfahren verwenden. Die Srogrammfunktion S (t) hört in diesem Fall mitten in einem
Programmzyklus auf und beginnt bei Beginn des nächsten Bildes mit einer neuen Sequenz,
wenn es sich um einen rotierenden oder funktionell entsprechenden elektronischen
Sektorscanner handelt. Falls es sich um einen pendelnden Scanner handelt, kann die
Programmfunktion bei Rücklauf des Scanners auch mit der Zeile (3) 2n - (m + 1) eines
Programmzyklus' beginnen, falls eine deckungsgleiche Zeilenstruktur bei Hin- und
Rücklauf des Scanners gewünscht wird. Dies ist jedoch nur sinnvoll, wenn die Sektor-Scan-Einrichtung
eine ausreichend genaue Winkelpositionierung-besitzt, so daß das Zeilenraster bei
Hin- und Rücklauf auch wirklich deckungsgleich wird.
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Beim Verfahren gemäß Figur 2 wird die Länge jeder Einblendstrecke
d RV beispielsweise so gewählt, daß gilt:
= 1 - const.
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Obige Gesetzmäßigkeit ermöglicht in Kombination mit einer zeitproportional
ansteigenden Modulationsfunktion H (t), daß die mittlere Flächen-Leuchtdichte +
, die in Richtung auf den Sektorbogen aufgrund der radialen
Zeilenanordnung
entsprechend der abnehmenden Zeilendichte normalerweise abnehmen würde, durch die
kontinuierliche Einblendung immer weiterer Zeilen exakt konstant gehalten wird.
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Mit Ausnahme des Bereiches nahe der Sektorspitze, wo wegen der zunehmenden
Überlappung der Zeilen der Leuchtschicht der Bildröhre zunehmend in die Sättigung
gerät, sind die Voraussetzungen für das erfindungsgemäße Verfahren erfüllt. Der
innerste Radiusbereich R1 wird daher definitionsgemäß von der Einblendung ausgenommen.
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Die Wahl des Radius R1 kann zweckmäßigerweise davon abhängig gemacht
werden, welcher Bereich der Sektorspitze tatsächlich für die Bilddarstellung genutzt
wird. Dies ist von der physikalischen Bauart des Scanners und seines Drehpunktes
abhängig.
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Mit einem vorgegebenen Sektor-Gesamt-Radius R einerseits und einem
Wert R1 andererseits kann die Anzahl n der Einblendschritte festgelegt werden. Geht
man von folgenden realistischen Werten bei der Realisierung eines Sektor-Scanners
aus (3) RBogen + 1 - 10 cm (- Eindringtiefe) mit
so zeigt sich, daß n = 4 ein sinnvoller Wert ist. Die jeweilige Verdopplung der
Zeilenzahl pro Einblendabschnitt hat überdies den Vorteil, daß sie einer Realisierbarkeit
durch die Digitaltechnik entgegenkommt.
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In Figur 2 ist eine spezielle Strategie ausgeführt: Die Bezugszeichen
0 bis 15 kennzeichnen die Zeilen
eines 16-Schritt-Programms. Bei
Wahl von ca. 200 Zeilen über einen Sektorumfang von 60 - 800 werden mehrere Sequenzen
hintereinander ablaufen. Die erste Zeile einer Programmsequenz, d.h. die Zeile 0
bzw. Zeile 16 usw. werden jeweils voll ausgeschrieben. Zwischen den ausgeschriebenen
Zeilen erfolgt dann die systematische Erhöhung der Zeilenzahl von der Sektorspitze
SP zum Sektorbogen SB: Im einzelnen wird Zeile 8 zwischen 0 und R1 dunkel getastet.
Im Bereich a R1, d.h. zwischen R1 und R2 wird die Zeile 8 eingeblendet. Von R2 ab
ist die Zeile 8 hellgetastet. In entsprechender Symmetrie werden die anderen Zeilen
eingeblendet. Beispielsweise sind die Zeilen 4 und 12 bis zum Radius R2 dunkelgetastet
und werden im Abschnitt d R2 eingeblendet. Die Zeilen 2, 2 6, 10, 14 werden im Abschnitt
und R3, während die übrigen Zeilen 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 und 15 im Abschnitt R4
eingeblendet werden. In der Figur 2 kennzeichnet d den Abstand der Sektorzeilen
am Ende eines Einblendabschnittes. Es ist ersichtlich, daß durch die Einblendung
der Zeilen diese Abstände jeweils bei den Radien R1, R2, R3, R4 und R5 den gleichen
Wert haben.
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In den Diagrammen 3a bis 3e ist der Helligkeitsverlauf der jeweils
betroffenen Sektorzeilen entsprechend dem vorher beschriebenen 1 6-Schritt-Programmzyklus
dargestellt; das Diagramm 3f stellt eine Gesamtdarstellung der Einblendabschnitte
6 Rp dar.
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Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Zeilen
1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 entsprechend folgender Vorschrift gesteuert:
(4)
Za (t) = Zi (t) H (t) Zi (t) bedeutet die Bildinformation (Echosignal), die nach
Wechselwirkung des Ultraschallsendesignals mit der Gewebestruktur erhalten wird
und die üblicherweise auf die Bildröhre gegeben wird; Hi (t) stellt ein für die
angegebenen Zeilengruppen spezielles Modulationssignal dar. Für die Realisierung
der Helltastung ist Hi (t) beispielsweise durch ein Rampensignal im Bereich zwischen
zwei Radien R. definiert und im übrigen Bereich bzw. 1.
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Bezeichnet man die gesamte Schreibzeit einer Zeile mit T, so ergeben
sich für die einzelnen radialen Abschnitte Schreibphasen Li Bei jeweils vorausgesetzter
Halbierung des Radius R ergibt sich dabei für die einzelnen Phasen t4 = 1/2 T, r
= 1/4 T, #2 = 1/8 T und 3 #1 = 1/16 T. Betrachtet man bei Sektor-Scannern übliche
Meßbereiche von z.B.: 10 bzw. 20 cm, so ergeben sich bei einer Gesamtzeilenzeit
von 133 bzw.
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266 /us für T/16 = 8,3 bzw. 16,6 /us. Daraus lassen sich die Phasen
ti bestimmen.
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Das Modulationssignal H (t) für die Zeilen 1, 3, 5, 7, 9, 11,13, 15
ergibt sich also als H (t) # Rampe für #4 und H (t) # Null für #3, #2, #1 Ganz entsprechend
ergibt sich das Modulationssignal H (t) für die Zeilen 2, 6, 10, 14 als H (t) r
Hmax für H (t) # Rampe für #3 und H (t) # Null für # 2, # 1
Für
die weiteren Zeilen gilt sinngemäß entsprechendes.
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Mit dieser Vorschrift ist also ein spezifischer Programmzyklus zur
Einblendung von 16 Zeilen beschrieben.
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Die Vorrichtung nach Figur 4 enthält die üblicherweise vorhandenen
Verarbeitungseinheiten zur Ultraschallbilderzeugung. Es bedeuten 40 ein Applikator
und 41 ein Ultraschallgerät das einerseits die Steuersignale für den Applikator
40 erzeugt und andererseits eir.eEinheit zur Bildsignalverarbeitung beinhaltet.
Letztere kann weitgehend digital aufgebaut sein. Von der Einheit zur Bildsignalverarbeitung
41 gelangen die Signale üblicherweise über eine Endstufe 45 auf den Bildschirm einer
Bildröhre 46. Es sind weitere Einheiten für Ablenk- sowie Steuersignale zur Zeilen-
und Bildaustastung vorhanden, was nicht im einzelnen ausgeführt ist.
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In einer Schaltung zur Realisierung des oben beschriebenen Verfahrens
sind nun zwischen Ultraschallgerät 41 und Bildröhre ein Modulator 42 zur Erzeugung
der Signale H (t) für die entsprechend dem vorgegebenen Programm ausgewählten Zeilen
vorgesehen. Das Zeilensignal Zi (t) gelangt vom Ultraschallgerät 41 zum Modulator
42, wo es entsprechend oben angegebener Vorschrift mit dem Signal H (t) gewichtet
wird. Dafür ist dem Modulator 42 als Programm-Steuereinheit ein umschaltbarer Funktionsgenerator
44 mit zugehöriger Zeitsteuereinheit 43 zugeordnet. Die gesamte Programm-Steuereinheit
43, 44 wird vom Ultraschallgerät 41 über Signalleitungen zur Erzeugung von Bildaustast-
und Zeienaustastimpulsen angesteuert. Die Zeitsteuereinheit 44 erzeugt in zeitlicher
Koinzidenz mit dem Zeilenaustastimpuls einerseits und dem Bildaustastimpuls andererseits
die Zeiten i für i = 1 bis n sowie Signale RESET, START und STOP, die dem Funktionsgenerator
44 zugeführt werden. Der Funktionsgenerator 44
liefert also die
Programmfunktion, die den Modulator 42 entsprechend den oben angegebenen Vorschriften
aktiviert.
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Der Funktionsgenerator 44 kann analog oder digital aufgebaut sein.
Insbesondere in digitaler Realisierung weist ein solcher Funktionsgenerator programmierbare
Halbleiterspeicher (sog. PROMS) zur software-mäßigen Realisierung der Programmfunktionen
auf. Damit können praktisch beliebig vorgebbare Programmfunktionen fest gespeichert
werden.
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Als Modulator 42 wird im einfachsten Fall ein Abschwächer (sog. Attenuator),
der aus einem steuerbaren Spannungsteiler bestehen kann, verwendet. Hierfür eignen
sich die heute erhältlichen integrierten Bausteine, aber auch Schaltungen mit diskreten
Bauelementen, z.B. MOS-FET's.
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Das Eingangssignal des Modulators 42 für die Funktion Zi (t) enthält
das gleichgerichtete Bildsignal (Echosignal) und das addierte veränderbare Gleichspannungssignal.
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Wenn die Programmfunktion digital erzeugt wird, wird das verwendete
PROM vorteilhafterweise so programmiert, daß die spezielle Kennlinie der Bildröhre
mit berücksichtigt wird, so daß die Helligkeit der Zeilen linear zunimmt. Das Ausgangssignal
Za (t) = H (t) Zi (t) des Modulators 42 steuert dann die Bildröhre 45 in der vorher
erläuterten Weise.
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Neben der oben beschriebenen 1 6-Zeilen-Programmsequenz mit radialer
Längen- und Zeilenverdopplung sind im Rahmen der Erfindung auch andere Strategien
möglich.
Insbesondere können beispielsweise auch 8-Zeilen-Sequenzen
mit anderer radialer Längenabstufung realisiert werden. Für die erfindungsgemäßen
Vorrichtung ergeben sich damit keine Änderungen.
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12 Patentansprüche 4 Figuren