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Verfahren zur Erstellung von Ultraschall-Reflexions-
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tomogrammen sowie zugehörige Vorrichtung Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zur Erstellung von Ultraschall-Reflexionstomogrammen, bei dem
die Reflexionssignale additiv zu einem zweidimensionalen Bild zusammengesetzt werden
unter Verwendung von Korrektur- und Filterverfahren sowie auf eine Vorrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens.
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Bei den bekannten Ultraschall-B-Bildverfahren wird üblicherweise ein
Schallstrahl in Form einer Scanbewegung in der zu untersuchenden Schnittebene derart
bewegt, daß die Strahlachse jeden Punkt des Objektbereiches mindestens einmal überstreicht.
Dabei kann die tatsächliche Bewegung des Schallstrahles entweder durch mechanische
Bewegung des Schallwandlers oder durch elektronische Maßnahmen bei einer Wandleranordnung
aus Einzelwandlern erreicht werden. In jedem Fall sendet der Schallwandler zeitlich
kurze, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung scharf gebündelte Schallpulse aus. Die
empfangenen Echos werden üblicherweise hüllkurvendetektiert, wobei aus der Amplitude
und der Verzögerungszeit des Hüllkurvensignals in bekannter Weise ein Ultraschallbild
der Schnittebene erstellt werden kann.
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Im einzelnen lassen sich die oben angeführten B-Bildverfahren in solche
Verfahren unterscheiden, bei denen jeder Punkt des Objektes genau einmal vom Schallstrahl
überstrichen wird (Parallelscan, Sektorscan) oder bei
denen einzelne
oder alle Punkte des Objektbereiches mehrfach überstrichen werden (Compound-Scan).
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Darzustellende Objekte lassen sich hinsichtlich ihrer akustischen
Eigenschaften in soweit unterscheiden, daß Objektpunkte auftreffende Schallwellen
isotrop streuen, während Objektgrenzflächen auftreffende Schallwellen gerichtet
reflektieren.
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Die einfachen Puls-Echo-Verfahren wie Parallelscan und Sektorscan
bilden punktförmige Objekte verzerrt ab, da die erzielbare Auflösung in Strahlrichtung
im allgemeinen wesentlich besser als in der dazu senkrechten Richtung ist. Insbesondere
muß dabei die Form der Schallkeule berücksichtigt werden. Von reflektierenden Grenzflächen
des Objektbereiches werden nur diejenigen Teile abgebildet, die näherungsweise senkrecht
zur Strahlausbreitungsrichtung orientiert sind.
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Die weiterhin genannten Verfahren wie Compound-Scan zielen dagegen
darauf ab, durch geeignete Bewegung des Schallwandlers jeden Punkt einer reflektierenden
Grenzfläche mindestens einmal senkrecht zu beschallen und dadurch eine geschlossene
Abbildung von Konturen zu erreichen. Allerdings bewirken solche Compound-Verfahren
im allgemeinen eine Verschlechterung der Auflösung bei der Abbildung punktförmiger
Objekte.
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Speziell letztere Abbildungsfehler lassen sich allerdings bei der
Ultraschall-Reflexions-Computertomographie durch Verwendung geeigneter Abbildungs-Algorithmen
korrigieren.
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In der deutschen Patentanmeldung P 31 24 655.9 (Trautenberg et al.)
wird ein Verfahren letzterer Art beschrieben,
das bei guter Konturdarstellung
durch spezielle zweidimensionale Bildverarbeitungsmaßnahmen gleichzeitig eine gute
Punktauflösung erzielen soll. Bei diesem Verfahren ist es vorgesehen, eine Vielzahl
verschiedener Vorabbilder derselben Schnittebene zu erstellen, die zwischengespeichert
und unter Berücksichtigung der Ultraschallkeule zu Zwischenbildern gefiltert und
zu einem Kombinationsbild überlagert werden. Eine praktische Realisierung ist jedoch
durch folgende notwendige Maßnahmen vergleichsweise aufwendig: Die einzelnen Vorabbilder
bzw. die Zwischenbilder müssen jeweils separat abgespeichert werden, was bei einer
großen Anzahl von Vorabbildern einen beträchtlichen Speicheraufwand bedingen kann.
Daneben erfordert eine zweidimensionale Filterung der Vorabbilder zu Zwischenbildern
aufgrund der großen Zahl der durchzuführenden Rechenoperationen einen vergleichsweise
teueren und leistungsfähigen Digitalrechner.
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Vorliegender Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein weiteres
Verfahren zur Erstellung von Ultraschall-Reflexionstomogrammen eines Objektes anzugeben,
das insbesondere auf dem Gebiet der medizinischen Diagnostik oder auch der Werkstoffprüfung
verwendbar ist. Dieses Verfahren soll durch eine geeignete Vorrichtung ohne Verwendung
eines teueren Rechners realisiert werden können.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß lediglich eine eindimensionale Filterung in Form einer Filterung
nacheinander anfallender Echo signale im Zeitbereich durchgeführt wird und daß die
im Zeitbereich gefilterten Echo signale anschließend aufsummiert werden.
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Eine zugehörige Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß speziell
ein eindimensionales Filter zur Filterung der Echosignale im Zeitbereich vorhanden
ist, dessen Filterfunktion vorgebbar ist, insbesondere in Abhängigkeit von der Scan-Bewegung,
der Ultraschallpulsform und der Amplitudenverteilung der Schallkeule.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind jeweils in den zu den
Verfahrens- bzw. Vorrichtungsansprüchen zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
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Bei der Erfindung wird die Signalverarbeitung vorteilhaft unmittelbar
im Zeitbereich durchgeführt. Dafür können übliche Filter verwendet werden, wobei
ein digitales Filter besonders geeignet ist. Die Auf summation der im Zeitbereich
gefilterten Echo signale erfolgt vorzugsweise in Echtzeit und unmittelbar in einem
Bildspeicher, der beispielsweise als Read/Modify/Write-Speicher ausgebildet ist.
Für letzteren ist ein sogenannter Dual-Port-Speicher verwendbar, der simultan oder
nach dem Zeitmultiplex mit Daten beschrieben und gelesen werden kann. Auf dessen
Ausgang läßt sich dann unmittelbar ein Sichtgerät anschließen, auf dem die Bildentstehung
verfolgt werden kann.
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Die Filterfunktion des digitalen Filters ist in vorteilhafter Weise
vorgebbar und gegebenenfalls auch veränderbar. Das Filter soll für eine optimale
Bildrekonstruktion in erster Näherung differenzierend wirken.
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Dabei wird die Filterimpulsantwort vorzugswese zeitlich begrenzt,
wofür sich ein nichtrekursives Filter anbietet.
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Es hat sich gezeigt, daß beispielsweise ein Filter mit drei von Null
verschiedenen Koeffizienten bei geeigneter Wahl der Abtastrate gute Ergebnisse liefert.
Die Filterantwort ist dabei von einer Verzögerung abgesehen zeit-
symmetrisch,
wodurch die Realisierung des Filters weiter vereinfacht wird. Die Impulsantwort
könnte auch zeitunsymmetrisch gewählt werden, womit sich eventuelle Unsymmetrien
der verwendeten Schallwandler ausgleichen lassen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
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Es zeigen: Fig. 1 schematisch ein bestrahltes Punktöbjekt in.
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der Darstellungsebene, Fig. 2 eine entsprechende Darstellung in der
Ortsfrequenzebene, d.h. die zugehörige Modulationsübertragungsfunktion, Fig. 3 und
4 entsprechende Darstellungen für ein aus unterschiedlichen Richtungen bestrahltes
Objekt, Fig. 5 blockschaltbildmäßig ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, die
im erfindungsgemäßen Sinne arbeitet, und Fig. 6 eine beispielhafte Realisierung
eines Filters.
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Die Figuren 1 bis L dienen im wesentlichen zur Beschreibung der beim
Stand der Technik vorliegenden Verhältnisse und werden nachfolgend zusammen erläutert.
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Bei einer theoretischen Betrachtung der Abbildung punktförmiger Objekte
läßt sich die Auflösung durch die soge-
nannte Punktbildfunktion
(PBF) charakterisieren, aus der durch zweidimensionale Fourier-Transformation und
Betragsbildung die sogenannte Modulationsübertragungsfunktion (MÜF) hervorgeht.
Für ein ideales Ultraschall-Schnittbildverfahren wäre allgemein eine möglichst hohe
und in allen Richtungen der Ebene gleich gute Auflösung anzustreben; d.h. es müßte
eine rotationssymmetrische Punktbildfunktion bzw. Modulationsübertragungsfunktion
angesetzt werden. Die ideale Modulationsübertragungsfunktion im Sinne höchstmöglicher
Auflösung bei rotationssymmetrischer Bandbegrenzung beisitzt damit den Wert 1 innerhalb
eines Kreises der Ortsfreuenzebene und den Wert 0 außerhalb; sie läßt sich aber
technisch nicht realisieren.
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In den Figuren 1 und 3 sind x- und y-Koordinaten eines Displays dargestellt,
wie sie beispielsweise auf einem Schirmbild realisierbar sind. Vom Stand der Technik
ist bekannt, daß bei einem Parallel-Scan das Auflösungsvermögen in Strahlrichtung
vergleichsweise gut ist, während das laterale Auflösungsvermögen wesentlich schlechter
ist. Demzufolge würde sich ein Punkt bei einer Ultraschallabbildung mit Parallel-Scan
in etwa bogenförmig darstellen, was in Figur 1 übertrieben angedeutet ist. Durch
additive Überlagerungen der Bilder verschiedener Scanrichtungen würde sich in etwa
das in Figur 3 angedeutete Bild ergeben. Dabei bedeuten 1 bis 9 3 beispielsweise
drei unterschiedliche Scanrichtungen.
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In den Figuren 2 und 4 bedeuten kx und ky die entsprechenden Koordinaten
in der Ortsfrequenzebene. Bei einer vorgegebenen Einstrahlrichtung ergeben sich
entsprechend Figur 2 in Richtung der Achse ky eine geringe Bandbreite und in Richtung
der Achse kx eine hohe Band-
breite. Der Amplitudenverlauf ist
mit 2 angedeutet.
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In der Figur 4 ergibt sich dagegen ein Überlappen des Amplitudenverlaufes
entsprechend den Überlagerungsbereichen 7 bis 9. Aus der Darstellung der Figur 4
wird bereits sinnfällig, daß bei mehrfacher additiver Überlagerung die niederfrequenten
Komponenten überbetont werden. Dieser BereichlOist in der Figur 4 strichliert dargestellt.
Der rasche Abfall der Amplituden in Richtung hoher Ortsfrequenzen bewirkt eine wesentliche
Verschlechterung der Auflösung gegenüber dem idealen Fall.
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Für die Ausführung der Erfindung ist demgemäß zunächst von einem idealen
Fall auszugehen, bei dem durch eine geeignete Scanbewegung jeder Punkt des Objektbereiches
von der Schallwandler-Achse unter N äquidistant auf einem Vollkreis verteilten Winkeln
übertrichen wird. Dadurch wird die näherungsweise Rotationssymmetrie der PBF sichergestellt.
Eine geeignete Scanbewegung besteht beispielsweise darin, daß der Schallstrahl in
der Art eines bekannten Parallel-Scans den Objektbereich einmal überstreicht, anschließend
die Orientierung der Schallwandler-Achse gegenüber dem Objekt um den Winkel 2tr
/N gedreht wird und der Schallstrahl den Objektbereich erneut in Form eines Parallel-Scans
überstreicht.
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Dieser Vorgang wird insgesamt N mal wiederholt. In jeder Position
des Schallwandlers werden die Echo signale hüllkurvendetektiert, in Real-Time gefiltert
und dann unmittelbar auf die entsprechende Stelle einer Bildmatrix aufaddiert. Es
ist demnach außer in der Bildmatrix keine Speicherung von Daten erforderlich.
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Durch die Filterung der Echo signale vor der Addition in die Bildmatrix
werden die Signale derart vorverzerrt, daß der Abfall der Modulationsübertragungsfunktlon
zu höheren Ortsfrequenzen kompensiert wird
Durch geeignete Auslegung
eines Filters läßt sich erreichen, daß die Modulationsübertragungsfunktion innerhalb
eines Kreises näherungsweise konstant und außerhalb Null ist. Der maximale Radius
dieses Kreises ist Kmax = 2/c x # marx, wobei zumax die höchste im hüllkurvendetektierten
Signal enthaltene Kreisfrequenz ist. In diesem Fall hat das entstehende Bild die
technisch bestmögliche Auflösung. Es ist jedoch bekannt, daß eine derartige Modulationsübertragungsfunktion
Bilder bewirkt, die in der Nähe starker Kontrastunterschiede Oszillationen aufweisen.
Für einen optimalen Bildeindruck ist zwar generell ein weicher Abfall der M0F zu
hohen Ortsfrequenzen günstiger, aber nicht in dem Maße, wie er bei einer ungefilterten
Verarbeitung durch rein additive Überlagerung erreicht würde. Es sind Funktionen
bekannt, die z.B. entweder optimal hinsichtlich der erwähnten Oszillationen sind
oder zumindest gute Kompromisse zwischen Auflösung und Oszillationen darstellen.
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Ein Filter ist bekanntlich durch seine Filterübertragungsfunktion
definiert (F(u)), die in folgender Integralgleichung für die Radialkomponente der
rotationssymmetrischen Modulationsübertragungsfunktion (MÜF) enthalten ist:
Dabei bedeuten P(2) die Funktion für die axiale Pulsform (Hüllkurve) und K(k ) die
laterale Keulenfunktion; d 9 () gibt den Integrationsweg an, > ist die zugehörige
Kreisfrequenz.
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Eine geschlossene Lösung für die Filterübertragungs funktion kann
aus der. Integralgleichung im allgemeinen nicht abgeleitet werden; Gleichung (1)
kann aber beispielsweise numerisch gelöst werden, wobei entsprechende Werte für
die Pulsform und die Keulenfunktion anzusetzen sind.
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Bei der zugehörigen Vorrichtung gemäß Figur 5 bedeutet O das zu untersuchende
Objekt. Ein Ultraschall-Sende/ Empfangs-System 11 kann durch einen mechanisch bewegbaren
Schallwandler oder durch eine elektronisch steuerbare Anordnung einzelner Schallwandler
(Array) gebildet sein. Das Sende/Empfangssystem 11 wird von einem Sender 12 zur
Aussendung von Schallpulsen angeregt, und die vom Objekt 0 zurückkehrenden Echos
werden vom Sendej Empfangs-System 11 wieder aufgenommen, in elektrische Signale
umgewandelt und auf die Einheit 13 zur Hüllkurvendetektierung gegeben. Das Sende/Empfangs-System
11 wird um das Objekt in diskreten Scanwinkeln (fi bewegt.
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Im Empfangsfall erfolgt zunächst eine Digitalwandlung der Signale
in einer ADC-Einheit 14. Eine Scaneinrichtung-16 sorgt über ein Stellglied 15 für
die geeignete Bewegung des Schallwandlers 11 und Synchronisierung mit den Empfangssignalen.
Die von der Scaneinrichtung 16 gelieferten Positions- und Richtungssignale q yi
und werden an eine digitale Einheit 17 mit Bildspeicher geleitet, auf welche die
digitalisierten Echo signale gelangen, so daß sie unmittelbar ortsrichtig aufaddiert
werden können. Über einer DAC-Einheizt 18 werden anschließend die Bildsignale auf
den Bildschirm eines Monitors 19 gegeben.
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Im Ausführungsbeispiel nach Figur 5 gelangen die Echosignale auf die
Einheit mit Bildspeicher 17 über eine digitale Filtereinheit 20, in der jede Ultraschallzeile
im Zeitbereich einer eindimensionalen Filterung unterzogen wird. Da die zeitliche
Echofolge einer räumlichen Ultraschall-Bildzeile entspricht, kann die bisherige
räumliche Filterung des Ultraschallbildes durch die eindimensionale zeitliche Filterung
der Echo signale ersetzt werden.
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Die Bildeinheit 17 wird nach gängigem Stand der Technik als digitaler
Speicher ausgeführt, dem die elektrischen Signale unmittelbar als Digitalsignale
zuführbar sind.
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Das digitale Filter 20 kann in rekursiver oder nichtrekursiver Struktur
ausgeführt sein. Ein solches Filter läßt sich in seiner Filterfunktion programmierbar
gestalten und damit sehr schnell und reproduzierbar in seiner Filtercharakteristik
verändern. Dies ist insbesondere wichtig bei einem Ausführungsbeispiel mit nicht
äquidistanter Verteilung der Scanwinkel, wobei in einem solchen Fall die Filterübertragungsfunktion
abhängig vom Scanwinkel gewählt werden muß. Darüber hinaus lassen sich bei Verwendung
von Schallwandler-Arrays die unterschiedlichen Pulsformen der individuellen Wandler
ausgleichen. Schließlich ist es auch möglich, die Filterübertragungsfunktion innerhalb
einer Echozeile definiert zu verändern, da bekanntermaßen bei biologischen Gewebe
das empfangene Echosignal in seiner Form stark von der Eindringtiefe abhängt.
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Werden in Figur 5 die Einheiten 14 und 20 vertauscht, kommen als Filter
20 statt des Digitalfilters grundsätzich auch analoge Filtertechnologien in Frage,
soweit sie zur Verarbeitung der vorkommenden Frequenzen in Echtzeit geeignet sind.
In der Bildeinheit 17 sind in jedem
Fall nur noch Additionen durchzuführen.
Ein beim Stand der Technik notwendiger Rechner ist an dieser Stelle nicht mehr erforderlich.
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Für eine optimale Bildrekonstruktion wirkt das sich nach Gleichung
(1) ergebene Filter in erster Näherung differenzierend. Die Filterimpulsantwort
kann dabei erfahrungsgemäß zeitlich begrenzt werden, so daß sich eine transversale,
d.h. nicht rekursive Filterstruktur (beispielsweise FIR-Filter -^ Finite Impulse
Response) anbietet.
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Die Erfahrung zeigt, daß solche Filter bei passender Wahl der Abtastrate
schon mit drei von Null verschiedenen Koeffizienten gute Ergebnisse liefert.
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Wenn die Filterantwort bei idealen Schallwandlern von einer Verzögerung
abgesehen zeitsymmetrisch vorausgesetzt werden kann, kann die Realisierung eines
Filters weiter vereinfacht werden. Dies ist beispielsweise bei der Figur 6 im einzelnen
ausgeführt.
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In der Figur 6 ist ein für obige Bedingungen geeignetes Filter durch
die Schaltung zweier Verzögerungsglieder 21 und 22 sowie eines Multiplikationsgliedes
23 und eines Addiergliedes 24 ausgeführt. Auf den Anschlußpunkt gelangt das digitalisierte
Echosignal, das in einem ersten Signalverknüpfungspunkt aufgeteilt wird.
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Ein Teilsignal gelangt unmittelbar auf den Addierer 24, während das
andere Teilsignal über den Verzögerer 21 geleitet wird. Dieses verzögerte Signal
gelangt auf einen zweiten Signalverknüpfungspunkt, an dem dieses Signal noch einmal
aufgeteilt wird. Ein erstes Teilsignal wird auf den Multiplizierer 23 gegeben und
mit einem vorgegebenen Faktor A bewichtet. Das bewichtete Signal gelangt ebenfalls
auf den Addierer 24. Das andere Teilsignal wird auf den Verzögerer 22 gegeben und
gelangt anschließend ebenfalls auf den Addierer 24.
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Das beschriebene Filter kann in beliebiger Weise modifiziert werden.
Beispielsweise können weitere Verzögerer gewählt werden und auch weitere Multiplizierer,
insbesondere dann, wenn eine unsymmetrische Impulsantwort erforderlich ist. Trotzdem
ist das hardwaremäßige Filter in seinem Aufbau äußerst einfach, so daß der Gesamtaufwand
gegenüber der softwaremäßigen Realisierung wesentlich geringer ist.
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Besonders vorteilhaft ist bei dem beschriebenen Verfahren und der
zugehörigen Vorrichtung, daß ein einzelnes oder mehrere Teilbilder vor der Summierung
nicht vollständig im Speicher vorliegen müssen. Viel mehr kann jeder Wert der am
Filterausgang in Real-Time entsteht, unmittelbar an der richtigen Stelle im Digitalspeicher
für das endgültige Bild aufsummiert werden.
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Das dargestellte Rekonstruktionsprinzip wurde beim Ausführungsbeispiel
nach Figur 5 auf das durch die Demodulation erhaltene Hüllkurvensignal, das das
sogenannte Videosignal repräsentiert, angewendet. Es kann natürlich sinngemäß auch
unmittelbar auf die empfangenen Echo signale angewandt werden.
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11 Patentansprüche 6 Figuren