DE3918815A1

DE3918815A1 - Verfahren und anordnung zur verarbeitung von echosignalen in einem kohaerenten abbildungssystem

Info

Publication number: DE3918815A1
Application number: DE3918815A
Authority: DE
Inventors: Matthew Nmi O'donnell; Ii Kenneth Brakely Welles; Carl Ross Crawford; Norbert Joseph Pelc; Steven George Karr
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1988-06-16
Filing date: 1989-06-09
Publication date: 1989-12-21
Also published as: DE3918815C2; US5005419A; JPH0277670A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf kohärente Abbildungssysteme, die mit Schwingungsenergie wie Ultraschall- oder elektroma gnetischen Wellen arbeiten, und betrifft insbesondere ein neu es Verfahren und eine Anordnung zur digitalen Signalverarbei tung der Schwingungsenergiesignale.

Es sind bereits verschiedene Signale und Anordnungen zum Ab bilden von Objektpunkten mit Schwingungsenergie, zum Beispiel mit mechanischen Ultraschallschwingungen, bekannt, bei denen im allgemeinen wenigstens eine Matrix von Wandlerelementen benutzt wird, um das gewünschte Bild zu erzeugen. In Ultra schallabbildungssystemen werden die Wandlerelemente angeregt, um Ultraschallwellen in das Objektgebiet zu senden, die außer dem Echosignale empfangen, welche durch das Auftreffen der gesendeten Energie auf wenigstens einen Objektpunkt in dem Objektgebiet erzeugt werden. Ein Typ eines solchen Ultra schallabbildungssystems, bei dem eine Basisbandfrequenzsignal verarbeitungstechnik benutzt wird, ist in der US-PS 41 55 260 beschrieben und dient zur Echtzeitabbildung, die für verschie dene analytische Zwecke, beispielsweise in der Medizin und dgl., besonders nützlich ist. Das bekannte System beinhaltet die kohärente Demodulation der Echosignale gefolgt von der Verzögerung und die kohärente Summierung der demodulierten Signale auf eine Weise, durch die die Genauigkeit, welche für die Verzögerungen notwendig ist, beträchtlich reduziert wird. Bei einem anderen Abbildungssystem dieses allgemeinen Typs, welches den Gegenstand von weiteren deutschen Patentanmeldun gen der Anmelderin bildet, für die die Prioritäten der US-Pa tentanmeldungen, Serial No. 9 44 482, DE-A-37 42 550.1 vom 19. Dezember 1986, und Serial No. 0 56 177, EP-A-8 81 08 471.9 vom 1. Juni 1987 in Anspruch genom men worden sind, werden die Wandlerelemente mit einem Hoch frequenz (HF)-Signal angeregt und erzeugen HF-Analogecho signale zur Verarbeitung in der zugeordneten Schal tungsanordnung. Auf die vorerwähnten weiteren Anmeldungen und das US-Patent, die alle auf die Anmelderin zurückgehen, wird bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen, da die hier be schriebenen Verbesserungen der digitalen Signalverarbeitung nicht nur bei beiden Arten von Systemen benutzt werden können, sondern auch diejenigen Ultraschallabbildungssysteme verbes sern, bei denen elektrische Signale auf eine Zwischenfrequenz (ZF) demoduliert und mit einer zugeordneten digitalen Verar beitungsschaltungsanordnung weiter verarbeitet werden.

Gewisse allgemeine Überlegungen gelten, wie oben angegeben, bei dem Bilden eines Echtzeitbildes mit einer linearen Matrix von Wandlerelementen, wie sie nun speziell bei den Ultra schallabbildungssystemen üblicherweise eingesetzt werden, die für medizinische Untersuchungen benutzt werden. Eine Kompensa tion ist darin erforderlich, da das Echo von einem Objekt punkt an den empfangenden Wandlerelementen aufgrund von Un terschieden in der Zeit der Ausbreitung des Echos von dem Ob jektpunkt zu den Wandlerelementen zu verschiedenen Zeiten an kommt. In dem Phased-Array (phasengesteuerte Anordnung)- Sektor-Abtaster (phased array sector scanner oder PASS)-System, das in der oben erwähnten US-PS 41 55 260 beschrieben ist, er folgt diese Kompensation mit Analogsignalverarbeitungstech niken, um eine kohärente Summierung der Echosignale vorzuneh men, welche an den verschiedenen Wandlerelementen empfangen werden, die das Frontende des PASS-Systems bilden. Eine be deutsame Verbesserung, die mit dem beschriebenen Ultraschall abbildungssystem erreicht wird, resultiert aus einer Signal verarbeitung bei niedrigeren Basisbandfrequenzen, wobei die Phasengenauigkeit und die Verzögerungsgenauigkeit voneinander entkoppelt sind, was die Anforderungen an die Schaltungen, die zur Strahlbildung benutzt werden, beträchtlich reduziert. Andererseits bleibt dieses PASS-System relativ unflexibel sowie empfindlich für kleine Veränderungen in den Betriebskennda ten der Analogschaltungen und ist relativ teuer (da 2N einzelne Analogdemodulationsschaltungen und 2N einzelne und vollständige Verzögerungsabschnitte für ein System mit N Ka nälen erforderlich sind). Etwas reduzierte Analogsignalverar beitungsforderungen gelten bei dem bereits bekannten Ultra schallabbildungssystem, bei dem die Echosignale bei Frequen zen verarbeitet werden, die zwischen einer Basisbandfrequenz und HF-Frequenzen liegen. In dieser Art von System wird ein einzelner Kanal für jedes einzelne Wandlerelement benutzt, wobei das Analogechosignal zuerst demoduliert wird, dann band paßgefiltert wird und schließlich digital verarbeitet wird zur Verzögerung bei der Ausführung der erforderlichen kohären ten Summierung. Die beträchtlichen Nachteile, die mit der Ver wendung der Analogsignalverarbeitungstechniken in einem Echt zeitabbildungssystem verbunden sind, können durch digitale Strahlbildung vermieden werden, wie sie in den oben erwähnten weiteren deutschen Patentanmeldungen der Anmelderin offenbart ist. Gemäß der vorliegenden Offenbarung erfolgt eine vollkom men digitale Strahlbildung in einem Phased-Array-Kohärentab bildungssystem, zum Beispiel einem medizinischen Ultraschall abbildungssystem, auf weit genauere, flexiblere und kostenspa rende Weise. Die Echtzeitstrahlbildung wird darin mit einzel nen Kanälen erreicht, die für die Wandlerelemente vorgesehen sind und die Analogechosignale in Digitaldatenwörter nach ei ner Vorverstärkung und ohne Umwandlung der HF-Frequenzsignale in niedrigere Basisbandfrequenzen umwandeln. Weiter kann ge mäß der vorliegenden Offenbarung bei der digitalen Strahlbil dung die erforderliche kohärente Summierung an den einzelnen Kanälen der Matrix anschließend mit digitalen Signalverarbei tungseinrichtungen erfolgen, um eine Digitaldarstellung der Objektpunkte zu schaffen, welche mit den Wandlerelementen erfaßt werden. Die digitale Basisbandverarbeitung kann be nutzt werden, um die Komplexität der begrenzten Analogschal tungsanordnung weiter zu reduzieren, welche in solchen be kannten Systemen benutzt wird, die eine digitale Strahl bildung vornehmen. Verständlicherweise müssen die Analogschal tungsteile von solchen digitalen Abbildungssystemen außer dem eine richtige Signalverarbeitung über einem breiten Be reich von Betriebsbedingungen gewährleisten.

Noch weitere wichtige Überlegungen gelten, wenn irgendeines der Abbildungssysteme des vorerwähnten Typs für medizini sche Untersuchungen benutzt wird. Der Dynamikbereich in Sol chen Systemen sollte eine Erfassung von sämtlichen Objektpunk ten in dem Patienten, der untersucht wird, aufgrund der rück gestreuten Echosignale ermöglichen und unterschiedliche Ver luste aufgrund von ungleichmäßiger Signalfortpflanzung be rücksichtigen. Die größten Signale ergeben sich aus gerich teten oder regelmäßigen Reflexionen, die in bezug auf ein menschliches Herz dargestellt werden können. Daher beträgt der Reflexionskoeffizient für eine Blut-Herz-Grenzfläche etwa -30 dB, wogegen die Blut-Klappe-Grenzfläche beträcht lich höhere Reflexionskoeffizienten haben kann. Außerdem kann der Reflexionskoeffizient an der Oberfläche des Herzens, die mit dem Brustraum in Kontakt ist, nahezu 0 dB betragen. Weichgewebeechos, die aus einer Volumenrückstreuung inner halb des Herzmuskels bei der Wandlersendemittenfrequenz von 2 bis 5 MHz resultieren, welche üblicherweise in Abbildungs systemen dieses Typs benutzt wird, kann in dem Bereich von

-55 dB liegen. Daraus folgt, daß die Dynamikbereichanforde rungen für die oben angegebenen Sendefrequenzen zum Erfas sen der kleinsten gerichteten Echos sowie der kleinsten Ge webeechos dadurch 60 dB übersteigen können. Ein geeignetes medizinisches Abbildungssystem sollte weiter zwischen Objekt punkten unterscheiden, die verschiedene Echointensitäten aufweisen und sich in einer gemeinsamen Entfernung von der Wandlermatrix befinden. Diese Forderung wird üblicherweise als "Augenblicksdynamikbereich" für das besondere Abbildungs system und mit der Forderung bezeichnet, die sich auf Objekt punkte bezieht, welche auf einem Kreisbogen angeordnet sind, dessen Mittelpunkt sich in dem Mittelpunkt der üblicherweise verwendeten linearen Wandlermatrix befindet. Dieser Augen blicksdynamikbereich muß unterschiedliche Verluste aufgrund von inhomogener Signalausbreitung innerhalb des Patienten oder der Probe, die untersucht wird, berücksichtigen. Die ses Problem kann für einen gesendeten Energiestrahl veran schaulicht werden, der weiches Gewebe durchquert, im Ver gleich zu dem Durchqueren eines Blutweges mit niedrigeren Verlusten. Die Größe von solchen unterschiedlichen Verlusten unter Berücksichtigung des benutzten Umlaufausbreitungsweges kann einen Augenblicksdynamikbereich von 60 dB bei einer Sendefrequenz von 3,3 MHz erfordern, wogegen ein Augenblicks dynamikbereich von 65-70 dB bei einem Betrieb mit einer Fre quenz von 5,0 MHz erforderlich sein kann, um zu gewähr leisten, daß alle interessierenden Echosignale erfaßt wer den.

Alle Abbildungssysteme der vorgenannten Art arbeiten üb licherweise mit Analog/Digital-Wandlereinrichtungen zur digitalen Verarbeitung der analogen Echosignale, um das kohärente Bild zu bilden. Beispielsweise finden solche Analog/Digital-Wandlereinrichtungen Verwendung bei der Er zeugung der Phasenbeziehungs- und Verzögerungssignale, die das Abbildungssystem dafür erfordert, das in der oben er wähnten US-PS 41 55 260 beschrieben ist. Ebenso wandeln beide Abbildungssysteme, die in den oben erwähnten weiteren deutschen Patentanmeldungen der Anmelderin beschrieben sind, das analoge Echosignal in Digitaldatenwörter zur Verarbei tung mit Analog/Digital- oder A/D-Wandlereinrichtungen um, wobei weiter zu berücksichtigen ist, daß das benutzte Ab tastverhältnis eine relativ hohe Geschwindigkeit und sehr teuere A/D-Vorrichtungen zusammen mit einer relativ großen Menge an schnellen Speichereinrichtungen erfordern kann. Gemäß den Angaben in den erwähnten beiden weiteren deutschen Patentanmeldungen der Anmelderin wird eine 8-Bit-40 MHz- A/D-Vorrichtung begleitet von wenigstens 400 Wörtern eines sehr schnellen Direktzugriffsspeichers (RAM) für die er forderliche Datenverzögerung in jedem Kanal der Wandler matrix benutzt. Verständlicherweise wäre es erwünscht, diese Forderungen bei der Verwendung von linearen A/D- Standardvorrichtungen zu reduzieren, aber auf derartige Weise, daß der Dynamikbereich des Abbildungssystems nicht verschlechtert wird. Da die Anzahl der Bits in der A/D- Vorrichtung deren Kosten überwiegend bestimmt, zusammen mit den Kosten der dieser zugeordneten Verzögerungslei tungen zum digitalen Verarbeiten der Signale in Abbildungs systemen dieses Typs, wird es dadurch vorteilhaft, die A/D-Wandler-Bit-Forderung zu reduzieren, ohne den Dynamik bereich der modifizierten digitalen Verarbeitungseinrichtung nennenswert zu reduzieren.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, ein neues kohärentes Abbildungssystem zu schaffen, das mit Schwingungsenergie arbeitet und die analogen Echosignale auf verbesserte Weise digital verarbeitet.

Weiter soll durch die Erfindung ein neues, mit Schwingungs energie arbeitendes, kohärentes Abbildungssystem geschaf fen werden, welches eine nichtlineare Verarbeitung der analogen Echosignale beinhaltet, um die Bildung des kohärenten Bildes mit verzögerten digitalen Datensignalen zu ermöglichen.

Ferner sollen durch die Erfindung die Schaltungserforder nisse zur digitalen Verarbeitung von analogen Echosignalen in einem kohärenten Abbildungssystem, das mit Schwingungs energie arbeitet, vereinfacht werden.

Außerdem soll durch die Erfindung ein neues Ultraschall- PASS-System zum schnellen und genauen Ablenken eines ge bildeten Ultraschallstrahls geschaffen werden, welches die nichtlineare Verarbeitung der zurückgekehrten analogen Echosignale beinhaltet, um die Bildung des kohärenten Bildes mit verzögerten digitalen Datensignalen zu ermög lichen.

Weiter soll durch die Erfindung ein völlig digitales PASS- System geschaffen werden, welches die analogen Echosignale auf verbesserte Weise digital verarbeitet.

Schließlich soll durch die Erfindung ein neues Verfahren zum Bilden eines Echtzeitbildes mit Schwingungsenergie ge schaffen werden, das die Rückechosignale auf verbesserte Weise digital verarbeitet.

Diese und weitere Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der folgenden ausführlichen Beschrei bung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Es ist klar, daß die Erfindung zwar in Verbindung mit einer Energie form, z.B. mechanischen Ultraschallschwingungen, beschrie ben wird, daß jedoch andere Formen von Schwingungsenergie benutzt werden können, wie beispielsweise kohärente elektro magnetische Energie in Ladar(Laser-Radar)- und Radar- Abbildungssystemen sowie anderen Arten von Schallenergie systemen wie Sonar und dgl.

Gemäß der Erfindung werden die Analog/Digital-Wandlerein richtungen für ein typisches kohärentes Abbildungssystem auf eine Weise modifiziert, durch die die Ausgangssignale eine nichtlineare Beziehung zu den Eingangssignalen auf weisen. Zu diesem Zweck ist es zuerst erforderlich, daß die analogen Echosignale, die in dem Abbildungssystem ver arbeitet werden, nichtlinear komprimiert werden, um einen zusätzlichen Augenblicksdynamikbereich zu schaffen, wo durch im wesentlichen sämtliche Rückstreuer in dem Objekt gebiet erfaßt werden und jede inhomogene Ausbreitung in dem Objektgebiet berücksichtigt wird, wie es oben angegeben worden ist. Diese Forderung kann auf bekannte Weise er füllt werden, wodurch der gesamte Dynamikbereich in fester Tiefe, der durch den vollen Sende-/Empfangsstrahlbildner in einem typischen Abbildungssystem bestimmt wird, den Dynamikbereich für den Empfangsstrahlbildner um ein vor bestimmtes Ausmaß übersteigt. Beispielsweise sollte ein repräsentatives Abbildungssystem, das einen 40-dB-Empfangs strahlbildner-Dynamikbereich hat, einen Sende-/Empfangs strahlbildner-Dynamikbereich von 70-80 dB haben, um diese Forderung zu erfüllen. Die erforderliche Analogsignal kompresssion kann mit bipolaren Verstärkereinrichtungen erfolgen, die Ausgangssignale erzeugen, welche eine nicht lineare Beziehung zu den Eingangssignalen haben. Durch diese Einrichtungen wird es weiter möglich, Analogsignale, die ursprünglich einen relativ großen Dynamikbereich haben, in expandierte Digitaldatensignale mit herkömmlichen Analog/Digital-Wandlereinrichtungen niedriger Bitdichte umzuwandeln. Analogechosignale mit einem gesamten Dynamik bereich von 17 dB oder mehr können, um es weiter zu veran schaulichen, nun mit einer 7-Bit-A/D-Wandlervorrichtung digital verarbeitet werden. Auf diese Weise wird die Expansion der digitalen Datensignale erreicht, so daß die digitalen Ausgangssignale der gewählten A/D-Wandlervorrich tung auf eine nichtlineare Weise zu den analogen Eingangs signalen in Beziehung stehen, die die Umkehrung der früher benutzten Kompressionsfunktion ist. Eine geeignete Expansion für die oben erwähnten 7-Bit-A/D-Wandlervorrichtungen er gibt ein 11-Bit-Digitalausgangssignal, wodurch die Span nungsquantisierung als eine Funktion des Eingangssignal pegels verändert wird. Alternativ kann die Referenzleiter des A/D-Wandlers selbst verändert werden, um für eine variable Spannungsquantisierung als Funktion des Eingangs signalpegels zu sorgen. Die Signalverarbeitung auf die vorgenannte Weise erzeugt ein Minimum an Defekten und re duziert den Augenblicksdynamikbereich für den digitalen Strahlbildner nicht wesentlich. Ein kohärentes Bild kann deshalb mit den expandierten Digitaldatensignalen auf her kömmliche Weise gebildet werden, wodurch diese Signale um ein vorbestimmtes Zeitintervall verzögert werden, das der Distanz der betreffenden Wandlerelemente von den erfaßten Objektpunkten entspricht, welche bewirkt, daß jedes Daten signal im wesentlichen zur selben Zeit auftritt und mit der Verzögerung die Signale zusammen summiert werden. In einer etwas anderen Struktur wird das komprimierte Signal durch den A/D-Wandler digitalisiert, verzögert und dann expandiert und an der Matrix summiert. Die gesamte Bitdichte der digi talen Verzögerungsstruktur kann auf diese Weise reduziert werden, da nur der Ausgang niedriger Bitdichte des A/D- Wandlers bei der Verzögerung beibehalten wird. Die Signale müssen jedoch vor irgendwelchen Summierungen mit anderen Kanälen in der Matrix expandiert werden, um das endgültige Ausgangssignal des Strahlbildners zu erzeugen.

Schaltungseinrichtungen zum digitalen Verarbeiten der ana logen Echosignale auf die oben beschriebene Weise können auf verschiedenerlei Weise vorgesehen werden. Zum Beispiel kann die Vorverstärkung ebenso wie die Kompression der vor verstärkten Analogechosignale in einer einzelnen, nicht li nearen, bipolaren Verstärkervorrichtung erfolgen, im Unter schied zum sequentiellen Verwenden einer linearen Verstär kereinrichtung für die Vorverstärkung und einer nichtlinea ren Verstärkereinrichtung, die anschließend die Kompression bewirkt. Außerdem kann die nichtlineare Kompression in dem A/D-Wandler selbst ausgeführt werden, indem die Referenz spannungen an der Widerstandsleiter des A/D-Wandlers im Verhältnis zu dem Eingangssignalpegel verändert werden oder indem eine nichtlineare Widerstandsleiter in dem A/D-Wand ler hergestellt und feste Referenzspannungen an dieser Lei ter aufrechterhalten werden. Entsprechend kann eine zufrie denstellende nichtlineare Kompression gemäß verschiedenen mathematischen Funktionen erreicht werden. Eine repräsenta tive Kompression bezieht die Ausgangsanalogsignale auf die Eingangsanalogsignale durch eine Potenzgesetzfunktion mit einem Exponenten, der kleiner als eins ist. Eine andere re präsentative Kompression kann mit einer verbundenen Reihe oder einem stückweisen Aggregat von Geraden erfolgen, wel che die gewünschte Signalbeziehung annähern. Das Expandie ren der Spannungsquantisierung in der gewählten A/D-Wandler einrichtung als Funktion des Eingangssignalpegels kann mit verschiedenen herkömmlichen Schaltungseinrichtungen er reicht werden. Eine ROM-Vorrichtung oder eine SRAM-Vorrich tung kann der gewählten A/D-Wandlervorrichtung als "Such tabelle" betriebsmäßig zugeordnet sein, während die Routi neberechnungen zum Vornehmen einer nichtlinearen Expansion, welche die Umkehrung der Kompressionsfunktion ist, ebenfalls durch einen Computerchip ausgeführt werden kann. Eine re lativ einfache Schaltungsanordnung für die auf hier be schriebene Weise modifizierte gesamte Analog/Digital-Wand lereinrichtung kann mit einer linearen Verstärkung versehen werden, welche einer A/D-Wandlervorrichtung betriebsmäßig zugeordnet ist, die ungleichmäßige Quantisierungswerte auf weist. Weiter wird zwar eine logarithmische Signalverarbei tung in der hier beschriebenen Analog/Digital-Wandlerein richtung für ein Ultraschallabbildungssystem, bei dem mul tiplikatives Rauschen zu erwarten ist, als optimal angese hen, es können jedoch andere nichtlineare Übertragungsfunk tionen benutzt werden, um zusätzliche Rauschfaktoren zu kompensieren.

Aus der gesamten vorstehenden Beschreibung geht deshalb hervor, daß Spannungen, welche die Analogechosignale dar stellen, die durch die einzelnen Wandlerelemente in dem kohärenten Abbildungssystem nach der Erfindung erfaßt wer den, durch verschiedene Einrichtungen verarbeitet werden können. Die Signalverarbeitungseinrichtung weist wenigstens eine A/D-Wandlervorrichtung auf, so daß ein Strom von Digitaldatensignalen zuerst geliefert wird, der eine mathe matische Beziehung zu den Analogechospannungssignalen auf weist, die eine nichtlineare Kompressionsfunktion ist. Diese nichtlineare Signalkompression kann, wie oben dargelegt, mit bipolaren Verstärkereinrichtungen ausgeführt werden, welche Ausgangssignale liefern, die in nichtlinearer Be ziehung zu den Eingangssignalen stehen, sowie mit der zu geordneten A/D-Wandlervorrichtung allein durchgeführt wer den. Die komprimierten Digitaldatensignale werden anschlie ßend gemäß der Umkehrung der zuvor benutzten mathematischen Funktion verarbeitet und ergeben expandierte Digitaldaten signale, die in linearer Beziehung zu den Analogechospan nungssignalen stehen. Diese nichtlineare Signalexpansion kann, wie weiter oben dargelegt, durch verschiedene Ein richtungen erfolgen, welche die Ausgangssignale verarbei ten, die aus der zugeordneten A/D-Wandlervorrichtung er halten worden sind. Die Suchtabelleneinrichtung und die be reits bekannte computergesteuerte Schaltungsanordnung kön nen, um das weiter zu veranschaulichen, alternative Ein richtungen zum Erreichen der Signalexpansion bilden. Eine weitere wesentliche Verzögerungseinrichtung ist erforder lich, um den Strom von Digitaldatensignalen zu verzögern, nachdem die Kompression erfolgt ist und bevor oder nachdem die Signale expandiert worden sind. Es wird anschließend lediglich wichtig, Schaltungseinrichtungen vorzusehen, durch die die verzögerten expandierten Digitaldatensignale auf herkömmliche Weise summiert werden.

Eine Ausführungsform einer repräsentativen Anordnung, wel che eine verbesserte digitale Strahlbildung in einem kohä renten Abbildungssystem nach der Erfindung ergibt, umfaßt (a) eine Matrix von Wandlerelementen, welche einen Schwin gungsenergiestoß mit vorbestimmter Anregungsfrequenz in das Objektgebiet schickt und bipolare Analogechosignale empfängt, die durch das Auftreffen des gesendeten Energiestrahls auf wenigstens einen Objektpunkt in dem Objektgebiet erzeugt werden, (b) bipolare Verstärkereinrichtungen zum Kompri mieren der bipolaren Analogechosignale, so daß die Ausgangs signale in nichtlinearer Beziehung zu den Eingangssignalen stehen, (c) Analog/Digital-Wandlereinrichtungen zum Expan dieren der komprimierten Analogeingangssignale in einen Strom von Digitaldatensignalen, die eine umgekehrte nicht lineare Beziehung zu den komprimierten Analogeingangs signalen haben, (d) eine Einrichtung zum Verzögern der ex pandierten Digitaldatensignale um vorbestimmte Zeitinter valle, welche der Distanz des erfaßten Objektpunktes von den betreffenden Wandlerelementen entsprechen, was bewirkt, daß jedes Datensignal im wesentlichen zur selben Zeit auf tritt, und (e) Einrichtungen zum Summieren der verzögerten, expandierten Digitaldatensignale. Als eine ausführlichere Darstellung einer digitalen Ausführungsform dieser Anord nung in Verbindung mit einem PASS-System, in welchem die Analogechosignale mit einer Frequenz von 20 MHz und unter Verwendung einer 7-Bit-A/D-Wandlervorrichtung verarbeitet wurden, sei angegeben, daß der Digitalwortstrom unter Ver wendung einer SRAM-Tabelle auf 11 Bits expandiert wird. Dabei approximiert der Kompressionsverstärker eine Potenz gesetzfunktion, und das Ausgangssignal des SRAM oder sta tischen RAM (statischen Schreib-Lese-Speichers) bewahrt das Eingangssignalvorzeichen und erhebt die Größe in die Potenz y, wobei gilt y=1/x. Der Übergang von einem 7- auf ein 11-Bit-Wort führt zu x=0,6, so daß die Gesamtauswir kung der Verarbeitung darin besteht, daß die Spannungsquan tisierung als eine Funktion des Eingangssignalpegels ver ändert wird, wobei der maximale Quantisierungspegel unge fähr y-mal der Quantisierungspegel für ein lineares Verar beitungssystem sein wird. Infolgedessen kann der Augen blicksdynamikbereich des 7-Bit-Wandlers über einem viel größeren Bereich von Analogechosignalen ausgenutzt werden. In einer weiteren Schaltungsrealisierung der hier darge stellten Ausführungsform der Anordnung für einen einzelnen Kanal in der Wandlermatrix kann eine herkömmliche Vorver stärkungseinrichtung benutzt werden, die eine Zeitverstär kungs(TGC oder time gain control)-Schaltung umfaßt sowie weiter eine Tiefpaßfiltereinrichtung enthält zum Verarbeiten der empfangenen Analogechosignale vor deren Kompression. Zur weiteren Veranschaulichung in Verbindung mit dieser Ausführungsform sei angegeben, daß ein linearer bipolarer Verstärker benutzt werden kann, der eine Verstär kung hat, die ungefähr 12 dB nicht übersteigt, wogegen die maximale Verstärkung in der TGC- ader Zeitverstärkungs steuerschaltung 40 dB nicht übersteigen sollte. Eine Filter einrichtung mit geeignetem Durchlaßband kann in der hier dargestellten Ausführungsform eine untere Grenzfrequenz von etwa 500 kHz und eine obere Grenzfrequenz von etwa 10-12,5 MHz haben. In dieser Ausführung kann die darge stellte A/D-Wandlereinrichtung eine 2-Volt-Analogechosignal veränderung verarbeiten.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann die erfin dungsgemäß verbesserte Analog/Digital-Wandlereinrichtung die herkömmliche lineare A/D-Wandlereinrichtung ersetzen, die in allen bekannten kohärenten PASS-Abbildungssystemen benutzt wird, welche in der oben angegebenen US-PS 41 55 260 sowie in den ebenfalls oben angegebenen weiteren deutschen Patentanmeldungen der Anmelderin offenbart sind. In diesen bekannten Abbildungssystemen wird zuerst ein Paar Analogsignale (I und Q) in separaten Kanälen, welche den einzelnen Wandlerelementen betriebsmäßig zugeordnet sind, gebildet, die anschließend durch die linearen A/D- Wandlereinrichtungen in Digitaldatensignale umgewandelt werden können zur separaten Verzögerung und Summierung auf bereits bekannte Weise. Die Analogechosignale, die auf die se Weise verarbeitet werden, werden im allgemeinen mit einer vorbestimmten Anregungsfrequenz und Phase demodu liert, welche durch das Produkt aus der Referenzwinkel frequenz (2π f) und dem vorbestimmten Zeitintervall be stimmt wird, welches der Distanz zwischen den betreffenden Wandlerelementen und den erfaßten Objektpunkten entspricht, was bewirkt, daß jedes Datensignal im wesentlichen zur selben Zeit auftritt. Demgemäß kann eine repräsentative Ausführungsform einer Anordnung, welche eine verbesserte Signalverarbeitung auf die vorstehend geschilderte allge meine Weise gemäß der Erfindung bewirkt, umfassen: (a) eine Matrix von Wandlerelementen, welche einen Ultraschallener giestoß mit einer vorbestimmten Anregungsfrequenz in das Objektgebiet sendet und bipolare Analogechosignale emp fängt, die durch den Zusammenprall des gesendeten Ultra schallstrahls mit wenigstens einem Objektpunkt in dem Objektgebiet erzeugt werden, (b) zwei Demodulatoreinrich tungen, welche jedem Wandlerelement betriebsmäßig zuge ordnet sind, um demodulierte bipolare Analogechosignale mit unterschiedlicher Relativphase zu liefern, wobei die Demodulatoreinrichtungen mit einer vorbestimmten Anregungs frequenz arbeiten und wobei die Phase durch das Produkt aus der Referenzwinkelfrequenz und dem vorbestimmten Zeit intervall bestimmte wird, welches der Distanz zwischen den betreffenden Wandlerelementen und erfaßten Objektpunkten entspricht, um zu bewirken, daß diese Datensignale im we sentlichen mit derselben Phase auftreten, (c) zwei bipolare Verstärkereinrichtungen zum Komprimieren der demodulierten Analogechosignale, so daß die Ausgangssignale in nicht linearer Beziehung zu den Eingangssignalen stehen, (d) zwei Analog/Digital-Wandlereinrichtungen zum separaten Expandie ren der komprimierten, demodulierten Analogeingangssignale in einen Strom von Digitaldatensignalen, welche eine umge kehrte nichtlineare Beziehung zu den komprimierten, demodu lierten Analogeingangssignalen haben, (e) eine Einrichtung zum separaten Verzögern jedes Stroms von expandierten Di gitaldatensignalen um ein vorbestimmtes Zeitintervall, welches der Distanz zwischen den betreffenden Wandler elementen und erfaßten Objektpunkten entspricht, was be wirkt, daß jedes Datensignal zur selben Zeit auftritt, (f) eine Einrichtung zum separaten Summieren jedes Stroms von verzögerten, expandierten Digitaldatensignalen, und (g) Einrichtungen zum Erfassen des Signals als die Quadrat wurzel der Summe der Quadrate der beiden summierten phasen gleichen und um 90° phasenverschobenen Signale.Wie oben mit Bezug auf eine geeignete Schaltungsrealisierung der auf hier beschriebene Weise modifizierten nichtlinearen Analog/Digital-Wandlereinrichtungen für die vorliegende Erfindung bereits angegeben, kann eine lineare 7-Bit-A/D- Wandlereinrichtung in jedem der Wandlerkanäle zusammen mit geeigneten Speichereinrichtungen benutzt werden, um die einzelnen Ströme von Digitaldatensignalen separat zu expandieren, so daß die Ausgangssignale eine nichtlineare Expansion darstellen, welche die Umkehrung der Kompressions funktion ist. Eine Potenzgesetzdatenmanipulation kann für diesen Zweck in der hier dargestellten Ausführungsform be nutzt werden, wodurch der nichtlineare Kompressionsverstär ker Ausgangssignale liefert, die zu den Eingangssignalen durch eine Potenzgesetzfunktion in Beziehung stehen, wel che einen Exponenten hat, der kleiner als eins ist, wo gegen die Ausgangssignale der nichtlinearen A/D-Wandler einrichtung durch die umgekehrte Potenzgesetzfunktion in Beziehung zu deren Eingangssignalen stehen. Wiederum kann bei der Realisierung der Schaltung der hier dargestellten Ausführungsform der Anordnung herkömmliches Mischen der Analogechosignale aus jedem Wandlerelement mit einer loka lisierten Oszillatoreinrichtung vor der nichtlinearen Ver stärkung und digitalen Umwandlung benutzt werden. Ebenso kann wahlweise auch eine Tiefpaßfiltereinrichtung in der einzelnen Kanalschaltungsanordnung vor der nichtlinearen Datenmanipulationseinrichtung vorgesehen sein zum herkömm lichen Begrenzen der Signale auf den Nyquist-Bereich des Digitalsystems.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild ei nes repräsentativen PASS-Ultraschall abbildungssystems nach der Erfindung, bei dem eine Digitalbasisbandsignal verarbeitung benutzt wird, und

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild ei nes anderen repräsentativen PASS-Ultra schallabbildungssystems nach der Er findung, bei dem eine Digitalverarbei tung bei der Hochfreqenzerregung der Wandlerelemente benutzt wird.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden in Verbindung mit einem PASS-Ultraschallabbildungssystem dar gestellt, das ausführlicher in der eingangs erwähnten US-PS 41 55 260 beschrieben ist. In Fig. 1 ist ein typi sches Echtzeitultraschallabbildungssystem 10 gezeigt, wel ches die kohärente Demodulation der Analogechosignale, die mit einer phasengesteuerten Wandlermatrix erfaßt werden, gefolgt von einer Verzögerung und einer kohärenten Sum mierung der digital verzögerten Signale beinhaltet. Das System enthält weiter eine Ausführungsform der verbesser ten Digitalsignalverarbeitungseinrichtung nach der Erfin dung, die im folgenden näher beschrieben wird. Gemäß der Darstellung in dem Funktionsblockschaltbild enthält die Anordnung 10 eine lineare, phasengesteuerte Matrix oder ein Phased Array 12 aus einzelnen Wandlerelementen E ₁-E _N, die einen gegenseitigen Mittenabstand "d" längs einer Mittel linie 14 in der herkömmlichen Anordnung haben. Ein Objekt punkt 16 in dem Objektgebiet, das mit der Wandlermatrix abgetastet wird, bildet einen Winkel R mit der Mittellinie 14, und ein Ultraschallenergiestoß, der mit der Matrix er zeugt wird, trifft auf den Objektpunkt auf und erzeugt ein bipolares Analogechosignal, welches durch ein oder mehrere Wandlerelemente in der Matrix erfaßt wird. Bipolare elek trische Analogsignale werden durch die Wandlerelemente ge bildet, welche die empfangenen Echosignale darstellen, und durch die Verarbeitung der elektrischen Signale, die im folgenden für zwei Wandlerelemente E ₃ und E _c beschrieben wird, wobei klar ist, daß eine gleiche Signalverarbeitung der anderen Signale erfolgt, die in den übrigen Wandler elementen gleichzeitig erzeugt werden. Demgemäß werden repräsentative elektrische Analogsignale aus den Wandler elementen E ₃ und E _c in separaten I- und Q-Kanälen des dar gestellten Systems verarbeitet, in denen eine Demodulation benutzt wird, um die übliche 90°-Phasenverschiebung zu er zeugen. Diese Demodulation kann durch Mischen jedes Ein gangsanalogsignals 18-24 an der betriebsmäßig zugeordneten Demodulatoreinrichtung 26-32 mit 90°-phasenverschobenen Signalen, welche durch eine Überlagerungsoszillatoreinrich tung (nicht dargestellt) mit der vorbestimmten Basisband betriebsfrequenz erzeugt werden, erfolgen. Fakultative Tiefpaßfiltereinrichtungen 34-40 sind in dem dargestellten System vorgesehen, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu ver bessern, wobei noch eine weitere Verstärkung der demodulier ten I- und Q-Analogsignale (nicht dargestellt) als eine Maßnahme erfolgen kann, um eine Sättigung der Analog/Digi tal-Wandlervorrichtungen zu vermeiden, die anschließend zur Umwandlung dieser Analogsignale benutzt werden. Die demodu lierten und gefilterten Analogsignale 18-24 werden danach jeweils an Kompressionsfiltereinrichtungen 42-48 angelegt, in welchen die Ausgangssignale in eine nichtlineare Beziehung zu den Eingangssignalen gebracht werden. Eine Potenzgesetz signalkompression kann in den dargestellten nichtlinearen Verstärkereinrichtungen 42-48 erfolgen, beispielsweise mittels logarithmischer Signalverarbeitung, weshalb sich nun herkömmliche lineare A/D-Wandlervorrichtungen relativ geringer Bitdichte zum Ausführen der erforderlichen Digitaltransfor mation als geeignet herausgestellt haben. Jedes komprimierte Analogsignal 18-24 wird danach einzeln abgetastet, und die Amplitude desselben wird in linearen A/D-Wandlervorrich tungen 50-56 in ein Digitaldatenwort umgewandelt, welche mit betriebsmäßig zugeordneten SRAM-Speichervorrichtungen 58-64 zusammenwirken, um die Ausgangsdigitaldatensignale auf nichtlineare Weise zu expandieren. Die nichtlineare Digital datenexpansion erfolgt auf die oben erläuterte Weise und kann die Umkehrung der Potenzgesetzkompressionsfunktion sein, welche oben zum Gewinnen der komprimierten Analog signale benutzt worden ist. Um ein typisches Ergebnis weiter zu veranschaulichen, das mit einer solchen Digitaldaten expansion erzielt wird, sei angegeben, daß die Verwendung von herkömmlichen 7-Bit-A/D-Wandlervorrichtungen in dem dargestellten System eine Expansion auf 11-Bit-Digitalaus gangswörter ergeben kann, wenn die geeignete Tabelle in den zugeordneten SRAM-Speichervorrichtungen vorhanden ist. Die nun expandierten Digitaldatensignale 18-24, welche aufgrund der Analog/Digital-Wandlereinrichtungen gebildet worden sind, werden nun jeweils für ein vorbestimmtes Zeit intervall in einer der betriebsmäßig zugeordneten Digital verzögerungseinrichtungen 66-72 separat verzögert, damit verzögerte Basisband-I- und -Q-Signale gebildet werden. Alle digitalisierten und verzögerten I- und Q-Signale aus sämtlichen Wandlerelementen werden dann in Verstärkerein richtungen 74 bzw. 76 separat summiert, indem das übliche algebraische Additionsverfahren benutzt wird. Ein endgültiges resultierendes Signal 78 wird in einer herkömmlichen Sum mierschaltung 80 gebildet, das eine monotone Funktion der Summe der Quadrate der summierten Signale ist, welche die Verstärkereinrichtungen 74 und 76 liefern. Die Amplitude des resultierenden Signals 78 ist proportional zu der Quadratwurzel der Summe der Quadrate der summierten I- und Q-Digitalverzögerungssignale, wie es in der Zeichnung weiter dargestellt ist. Diese resultierenden Signale können dann geeignet angezeigt werden, um eine optische Anzeige der Objektpunkte zu liefern, welche in einem ausgewählten Objekt gebiet durch bereits bekannte Maßnahme (nicht dargestellt) erfaßt werden, beispielsweise für medizinische Echtzeitunter suchungen des oben erläuterten Typs.

Fig. 2 zeigt ein Funktionsblockschaltbild eines anderen repräsentativen PASS-Ultraschallabbildungssystems nach der Erfindung. In dem dargestellten Echtzeit-Ultraschallab bildungssystem 90 erfolgt eine Digitalverarbeitung bei der HF-Anregungsfrequenz der Wandlerelemente, um wieder die kohärente Abbildung von Objektpunkten, welche in dem Ob jektgebiet erfaßt werden, vorzunehmen. Ein Vergleich zwischen den Funktionsblockschaltbildern nach den Fig. 1 und 2 zeigt, daß in der Anordnung nach Fig. 2 keine Fre quenzumwandlung oder Demodulation erfolgt, sondern ein einzelner Verarbeitungskanal jedem Wandlerelement betriebs mäßig zugeordnet ist. Die geringeren Forderungen an die Schaltungsanordnung, die auf diese Weise erzielt werden, beinhalten weiter die Elimination der Überlagerungsoszilla tor-Signalgenerator- und Mischerschaltungseinrichtungen, welche zuvor benutzt worden sind. Daher können die analogen Ausgangssignale 92 und 94, welche Echosignale darstellen, die durch zwei Wandlerelemente E ₁ und E _N in der darge stellten Wandlermatrix 96 erfaßt worden sind, nach Vorver stärkung in herkömmlichen bipolaren, linearen TGC-Verstärker einrichtungen 98 bzw. 100 direkt an Kompressionsverstärker einrichtungen 102 bzw. 104 angelegt werden. Die Verstärkung in sämtlichen Kanälen, die mit solchen Vorverstärkungs einrichtungen versehen sind, kann mit einem gemeinsamen TGC-Steuersignal (nicht dargestellt) festgelegt werden. Die vorverstärkten bipolaren Analogechosignale 92 und 94 werden danach an die Kompressionsverstärkereinrichtungen 102 bzw. 104 angelegt, in welchen die Ausgangssignale wieder in nichtlineare Beziehung zu den Eingangssignalen gebracht werden. Wie ebenfalls oben bereits dargelegt, wird eine Potenzgesetzsignalkompression in den dargestellten nicht linearen, bipolaren Verstärkereinrichtungen ausgeführt, die herkömmliche lineare A/D-Wandlervorrichtungen 106 und 108 relativ niedriger Bitdichte zum Ausführen der erforderlichen Digitaltransformation ermöglicht. In ähnlicher Weise ermög lichen ROM-Speichervorrichtungen 110 und 112, welche den A/D-Wandlervorrichtungen betriebsmäßig zugeordnet sind, die Expansion der Ausgangsdigitaldatensignale, wenn sie mit einer geeigneten Tabelle versehen sind. Diese Digitaldaten expansion erfolgt auf nichtlineare Weise, welche wiederum die Umkehrung der Potenzgesetzkompressionsfunktion sein kann, welche benutzt wird, um die komprimierten Analog signale zu bilden. Danach wird jedes der expandierten Di gitaldatensignale, welche durch die Analog/Digital-Wandler einrichtungen gebildet worden sind, an betriebsmäßig zugeordnete Verzögerungseinrichtungen 114 bzw. 116 in den Kanälen angelegt. Die digitalisierten und verzögerten Si gnale 92 und 94 aus sämtlichen Kanälen werden daraufhin durch eine Summierverstärkereinrichtung 118, die in dem dargestellten System 90 vorgesehen ist, miteinander ad diert, was ein kombiniertes resultierendes Signal 120 er gibt, welches einen erfaßten Objektpunkt in dem Objekt gebiet darstellt, das abgetastet wird. Die vorstehend be schriebene Signalverarbeitung erzeugt ein Minimum an De fekten und reduziert den Augenblickdynamikbereich für den beschriebenen digitalen Strahlbildner nicht nennenswert. Zusätzliche Signalverarbeitungseinrichtungen können in den einzelnen Kanälen vorgesehen werden, um die gesamte Systemleistung noch weiter zu verbessern. Beispielsweise können Tiefpaßfiltereinrichtungen hinzugefügt werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems zu verbessern, wo bei diese Filtereinrichtungen die vorverstärkten Analogecho signale vor der Kompression verarbeiten. Eine für diesen Zweck geeignete Filtereinrichtung begrenzt die Signale auf den Nyquist-Bereich des Digitalsystems. Andere Digitalsignal verarbeitungsschaltungseinrichtungen können in die hier be schriebene Ausführungsform des Systems eingefügt werden, um die Echtzeitstrahlbildung zu verbessern, wie es in den eingangs erwähnten weiteren Patentanmeldungen der Anmelderin offenbart ist.

Es sind zwar nur manche bevorzugte Merkmale der Erfindung zur Veranschaulichung dargestellt worden, im Rahmen der Erfindung sind jedoch anhand der Beschreibung Modifizierungen und Änderungen möglich. Beispielsweise können die HF-Echo signale, welche in dem oben dargestellten HF-Signalverar beitungssystem benutzt werden, in der Frequenz auf eine Zwischenfrequenz (ZF) umgesetzt werden, bevor die Umwandlung in Digitaldatensignale erfolgt, zur anschließenden Verar beitung auf dieselbe Weise, wie es oben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen HF-Signalverarbeitungssystem be schrieben worden ist.

Claims

1. System zum Erzeugen eines Stroms von digitalen Daten signalen mit einem Schwingungsenergiestrahl, der wenigstens einen Objektpunkt darstellt, welcher in einem Objekt gebiet erfaßt wird, gekennzeichnet durch:

a) eine Matrix von Wandlerelementen (E ₁-E _N), welche einen Schwingungsenergiestoß vorbestimmter Erregungsfrequenz in das Objektgebiet sendet und bipolare Analogechospan nungssignale (18-24) empfängt, welche durch das Auftreffen des gesendeten Energiestrahls auf wenigstens einen Objekt punkt in dem Objektgebiet erzeugt werden,
b) eine Einrichtung zum Verarbeiten der Analogechospannungs signale mit wenigstens einer Analog/Digital-Wandlervor richtung (50-56), so daß ein Strom von Digitaldatensig nalen aus der Analog/Digital-Wandlervorrichtung (50-56) erhalten wird, die in einer mathematischen Beziehung zu den Analogechospannungssignalen (18-24) stehen, welche eine nichtlineare Kompressionsfunktion ist,
c) eine Einrichtung (58-64) zum nichtlinearen Verarbeiten des Stroms von komprimierten Digitaldatensignalen aus der Analog/Digital-Wandlervorrichtung (50-56) gemäß der Umkehrung der zuvor benutzten mathematischen Funktion, um dadurch expandierte Digitaldatensignale zu gewinnen, die in linearer Beziehung zu den Analogechospannungs signalen (18-24) stehen,
d) eine Einrichtung (66-72) zum Verzögern des Stroms von Digitaldatensignalen nach der Kompression und vor oder nach der Expansion um vorbestimmte Zeitintervalie, welche der Distanz des erfaßten Objektpunktes von den zu geordneten Wandlerelementen entsprechen, was bewirkt, daß jedes Datensignal im wesentlichen zur selben Zeit auftritt, und
e) eine Einrichtung (74, 76) zum Bilden der Summe (78) der verzögerten, expandierten Digitaldatensignale.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale (18-24) in bipolaren Verstärker einrichtungen (42-48) komprimiert werden, welche Ausgangs signale liefern, die in nichtlinearer Beziehung zu den Eingangssignalen stehen.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale (18-24) in der Analog/Digital- Wandlervorrichtung (50-56) komprimiert werden.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale (18-24) mit linearen Widerstands leitereinrichtungen komprimiert werden, indem die Referenz spannung an den Widerstandsleitereinrichtungen im Verhält nis zu dem Eingangssignalpegel verändert wird.

5. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale (18-24) mit nichtlinearen Widerstandsleitereinrichtungen komprimiert werden, indem ein fester Referenzspannungspegel an den nichtlinearen Widerstandsleitereinrichtungen aufrechterhalten wird.

6. System zum Erzeugen eines Stroms von Digitaldatensignalen mit einem Schwingungsenergiestrahl, der wenigstens einen Objektpunkt darstellt, welcher in einem Objektgebiet erfaßt worden ist, gekennzeichnet durch:

a) eine Matrix von Wandlerelementen (E ₁-E _N), welche einen Stoß von Schwingungsenergie mit vorbestimmter Anregungs frequenz in das Objektgebiet sendet und bipolare Analog echosignale (92, 94) empfängt, die durch den Aufprall des gesendeten Energiestrahls auf wenigstens einen Objekt punkt in dem Objektgebiet erzeugt worden sind,
b) bipolare Verstärkereinrichtungen (102, 104) zum Komprimie ren der bipolaren Analogechosignale (92, 94), so daß die Ausgangssignale in nichtlinearer Beziehung zu den Eingangs signalen sind,
c) Analog/Digital-Wandlereinrichtungen (106, 108) zum Expan dieren der komprimierten Analogeingangssignale in einen Strom von Digitaldatensignalen, welche eine umgekehrte nichtlineare Beziehung zu den komprimierten Analogeingangs signalen (92, 94) haben,
d) Einrichtungen (114, 116) zum Verzögern des Stroms von Digi taldatensignalen nach der Kompression und vor oder nach der Expansion um vorbestimmte Zeitintervalle, welche der Di stanz des erfaßten Objektpunktes von den zugeordneten Wand lerelementen entsprechen, was bewirkt, daß jedes Datensi gnal im wesentlichen zur selben Zeit auftritt, und
e) eine Einrichtung (118) zum Bilden der Summe (120) der ver zögerten, expandierten Digitalsignale.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den ex pandierten Signalen eine gemeinsame Potenzgesetzfunktion ist.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den ex pandierten Signalen eine gemeinsame logarithmische Funktion ist.

9. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den ex pandierten Signalen durch eine Reihe von miteinander verbundene nen Geraden dargestellt werden kann, welche eine Potenzgesetz funktion approximiert.

10. System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Signalexpansion in Analog/Digital-Wandler einrichtungen (106, 108) mit einer Speichervorrichtung (110, 112) erfolgt.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichervorrichtung (110, 112) eine Tabelleneinrichtung auf weist.

12. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Si gnalexpansion in den Analog/Digital-Wandlereinrichtungen (106, 108) unter Verwendung einer betriebsmäßig zugeordneten Compu tereinrichtung erfolgt.

13. System nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die expandierten Signale eine nichtlineare Ex pansion darstellen, welche die Umkehrung der Kompressionsfunk tion ist, die zum Gewinnen der komprimierten Analogsignale be nutzt wird.

14. System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß wenigstens eine lineare Analog/Digital-Wandlervor richtung (106, 108) mit einer Tabelleneinrichtung zum Erzielen der Signalexpansion benutzt wird.

15. System nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Einrichtungen (98, 100) zur linearen Vorverstärkung der Analogechosignale (92, 94) vor der nichtlinearen Kompression.

16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverstärkungseinrichtungen (98, 100) mit betriebsmäßig zuge ordneten Zeitverstärkungssteuerschaltungseinrichtungen (TGC) versehen sind.

17. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverstärkung und die Kompression in einer einzelnen nichtli nearen, bipolaren Verstärkervorrichtung erfolgen.

18. System nach einem der Ansprüche 6 bis 17, gekennzeichnet durch eine Bandpaßfiltereinrichtung zum Verbessern des Signal- Rausch-Verhältnisses des Systems.

19. System nach einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verzögerung vor der digitalen Expansion er folgt.

20. System zum Erzeugen eines Stroms von Digitaldatensignalen mit einem Ultraschallenergiestrahl, welcher mehrere Objekt punkte darstellt, die in einem Objektgebiet erfaßt werden, ge kennzeichnet durch:

a) eine Matrix von Wandlerelementen (E ₁-E _N), welche einen Ul traschallenergiestrahl, der eine vorbestimmte Anregungs frequenz hat, in das Objektgebiet sendet und bipolare Ana logechosignale empfängt, welche durch das Auftreffen des ge sendeten Ultraschallstrahls auf wenigstens einen Objekt punkt in dem Objektgebiet erzeugt werden,
b) lineare, bipolare Vorverstärkereinrichtungen (98, 100) zum Erhöhen der Amplitude der Analogechospannungssignale (92, 94) auf einen Wert, der das Erfassen von Objektpunkten im wesentlichen in dem gesamten Objektgebiet gestattet,
c) Einrichtungen zum Verarbeiten der Analogechospannungssignale mit wenigstens einer Analog/Digital-Wandlervorrichtung (106, 108), so daß ein Strom von Digitaldatensignalen aus der Analog/Digital-Wandlervorrichtung (106, 108) erhalten wird, die eine mathematische Beziehung zu den Analogecho spannungssignalen (92, 94) aufweisen, welche eine nichtli neare Kompressionspotenzfunktion approximiert,
d) Einrichtungen (110, 112) zum nichtlinearen Verarbeiten des Stroms von komprimierten Digitaldatensignalen aus der Ana log/Digital-Wandlervorrichtung (106, 108) gemäß der Umkeh rung der zuvor benutzten mathematischen Potenzfunktion, um dadurch expandierte Digitaldatensignale zu gewinnen, wel che in linearer Beziehung zu den Analogechospannungssigna len (92, 94) stehen,
e) Einrichtungen (114, 116) zum Verzögern der expandierten Di gitaldatensignale nach der Kompression und vor oder nach der Expansion um ein vorbestimmtes Zeitintervall, welches der Distanz zwischen den betreffenden Wandlerelementen (E ₁-E _N) und den erfaßten Objektpunkten entspricht, was be wirkt, daß jedes Datensignal im wesentlichen zur selben Zeit auftritt, und
f) eine Einrichtung (118) zum Bilden der Summe (120) der verzö gerten, expandierten Digitaldatensignale.

21. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale (92, 94) in einer bipolaren Verstär kereinrichtung (102, 104) komprimiert werden, welche Ausgangs signale liefert, die in nichtlinearer Beziehung zu den Ein gangssignalen (92, 94) stehen.

22. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale (92, 94) in der Analog/Digital- Wandlervorrichtung (106, 108) komprimiert werden.

23. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale (92, 94) mit einer linearen Wider standsleitereinrichtung komprimiert werden durch Verändern der Referenzspannung an der Widerstandsleitereinrichtung im Ver hältnis zu dem Eingangssignalpegel.

24. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale (92, 94) mit einer nichtlinearen Widerstandsleitereinrichtung komprimiert werden durch Aufrecht erhalten einer festen Referenzspannung an der nichtlinearen Widerstandsleitereinrichtung.

25. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine lineare Analog/Digital-Wandlervorrichtung (106, 108) mit ei ner Tabelle zum Erzielen der Signalexpansion benutzt wird.

26. System zum Erzeugen eines Stroms von Digitaldatensignalen mit einem Ultraschallenergiestrahl, der mehrere Objektpunkte darstellt, die in einem Objektgebiet erfaßt werden, gekennzeich net durch:

a) eine Matrix von Wandlerelementen (E ₁-E _N), welche einen Ultraschallenergiestrahl, der eine vorbestimmte Anre gungsfrequenz hat, in das Objektgebiet sendet und bipolare Analogechospannungssignale (18-24) empfängt, die durch das Zusammentreffen des gesendeten Ultraschallstrahls mit we nigstens einem Objektpunkt in dem Objektgebiet erzeugt wer den,
b) ein Paar Demodulatoreinrichtungen (26-32), welche jedem Wandlerelement (E ₁-E _N) betriebsmäßig zugeordnet sind, zum Erzeugen von demodulierten, bipolaren Analogechospannungs signalen mit unterschiedlicher Relativphase, wobei die Demodulatoreinrichtungen (26-32) mit einer vorbestimmten Anregungsfrequenz arbeiten und wobei die Phase durch das Produkt aus der Referenzwinkelfrequenz und dem vorbestimm ten Zeitintervall bestimmt wird, welches der Distanz zwi schen den Wandlerelementen und den erfaßten Objektpunkten entspricht, um zu bewirken, daß jedes Datensignal im we sentlichen mit derselben Phase auftritt,
c) einzelne Einrichtungen, die jeweils wenigstens eine Analog/ Digital-Wandlervorrichtung (50, 56) haben zum separaten Komprimieren der demodulierten Analogechospannungssignale und zum Liefern von separaten Strömen von Digitaldatensi gnalen, die eine mathematische Beziehung zu den Analog echospannungssignalen aufweisen, welche eine nichtlineare Potenzfunktion approximiert,
d) einzelne Einrichtungen (58-64) zum separaten Expandieren je des Stroms von komprimierten Digitaldatensignalen aus den Analog/Digital-Wandlervorrichtungen (50-56) gemäß der Um kehrung der zuvor benutzten mathematischen Potenzfunktion, um dadurch einzelne expandierte Digitaldatensignale zu ge winnen, welche in linearer Beziehung zu den Analogecho spannungssignalen stehen,
e) Einrichtungen (66-72) zum separaten Verzögern jedes Stroms von expandierten Digitaldatensignalen nach der Kompression und vor oder nach der Expansion um ein vorbestimmtes Zeit intervall, das der Distanz zwischen den Wandlerelementen (E ₁-E _N) und den erfaßten Objektpunkten entspricht, was be wirkt, daß jedes Datensignal im wesentlichen zur selben Zeit erscheint, und
f) Einrichtungen (74, 76) zum separaten Summieren jedes Stroms von verzögerten, expandierten Digitaldatensignalen, um ein kombiniertes Signal (78) zu erzeugen, welches eine monotone Funktion des Quadrats der einzelnen summierten Digitalda tenströme ist.

27. System nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die demodulierten Analogechospannungssignale (18-24) in bipolaren Verstärkereinrichtungen (42-48) komprimiert werden, welche Aus gangssignale liefern, die in nichtlinearer Beziehung zu den Eingangssignalen (18-24) stehen.

28. System nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die demodulierten Analogechospannungssignale (18-24) in den Ana log/Digital-Wandlervorrichtungen (50-56) komprimiert werden.

29. System nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die demodulierten Analogechospannungssignale (18-24) mit einer li nearen Widerstandsleitereinrichtung komprimiert werden durch Verändern der Referenzspannung an der Widerstandsleitereinrich tung im Verhältnis zu dem Eingangssignalpegel.

30. System nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die demodulierten Analogechospannungssignale (18-24) mit einer nichtlinearen Widerstandsleitereinrichtung komprimiert werden durch Aufrechterhalten einer festen Referenzspannung an der nichtlinearen Widerstandsleitereinrichtung.

31. System nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß line are Analog/Digital-Wandlervorrichtungen (50-56) mit Tabellen einrichtungen zum Erzielen der Signalexpansion benutzt werden.

32. System nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale (18-24) vor der Kompression mit Empfängeroszillatorsignalen vermischt werden.

33. Verfahren zum Verarbeiten der bipolaren Analogechospan nungssignale in einem kohärenten Schwingungsenergie-Abbil dungssystem, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Erzeugen von Analogechospannungssignalen mit einer phasenge steuerten Matrix von Wandlerelementen,
b) Verarbeiten der Analogechospannungssignale mit Einrichtun gen, in denen wenigstens eine Analog/Digital-Wandlervor richtung benutzt wird, so daß ein Strom von Digitaldaten signalen aus der Analog/Digital-Wandlervorrichtung gewon nen wird, die eine mathematische Beziehung zu den Analog echospannungssignalen aufweisen, welche eine nichtlineare Kompressionsfunktion approximiert,
c) Verarbeiten der komprimierten Analogechospannungssignale aus der Analog/Digital-Wandlervorrichtung gemäß der Umkeh rung der zuvor benutzten mathematischen Funktion, um da durch expandierte Datensignale zu gewinnen, welche in li nearer Beziehung zu den Analogechospannungssignalen ste hen,
d) Verzögern der expandierten Digitaldatensignale nach der Kom pression und vor oder nach der Expansion um vorbestimmte Zeitintervalle, welche der Distanz eines erfaßten Objektpunk tes von dem betreffenden Wandlerelement entsprechen, was be wirkt, daß jedes Datensignal im wesentlichen zur selben Zeit erscheint, und
e) Summieren der verzögerten, expandierten Digitaldatensignale.

34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den expandierten Signalen eine gemeinsame Potenzgesetzfunktion ist.

35. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den expandierten Signalen eine gemeinsame logarithmische Funktion ist.

36. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den expandierten Signalen durch eine Reihe von miteinander verbun denen Geraden, welche eine Potenzgesetzfunktion approximiert, dargestellt werden kann.

37. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 36, dadurch ge kennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale in bipolaren Verstärkereinrichtungen komprimiert werden, welche Ausgangssi gnale abgeben, die in nichtlinearer Beziehung zu den Eingangs signalen stehen.

38. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 36, dadurch ge kennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale in der Ana log/Digital-Wandlervorrichtung komprimiert werden.

39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale mit einer linearen Widerstands leitereinrichtung komprimiert werden, indem die Referenzspan nung an der Widerstandsleitereinrichtung im Verhältnis zu dem Eingangssignalpegel verändert wird.

40. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale mit einer nichtlinearen Wider standsleitereinrichtung komprimiert werden, indem ein fester Referenzspannungswert an der nichtlinearen Widerstandsleiter einrichtung aufrechterhalten wird.

41. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 40, gekennzeich net durch lineare Vorverstärkung der Analogechospannungssigna le vor der nichtlinearen Kompression.

42. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Vorverstärkung und die nichtlineare Kompression mit ei ner einzelnen nichtlinearen, bipolaren Verstärkereinrichtung erreicht werden.

43. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 42, dadurch ge kennzeichnet, daß eine lineare Analog/Digital-Wandlervorrich tung mit einer Tabelleneinrichtung zum Erzielen der Signalex pansion benutzt wird.

44. Verfahren zum Verarbeiten der bipolaren Analogechosignale in einem kohärenten Ultraschall-Abbildungssystem, gekenzeich net durch folgende Schritte:

a) Erzeugen von Analogechospannungssignalen mit einer phasenge steuerten Matrix von Wandlerelementen,
b) Demodulieren der Analogechospannungssignale, um demodulier te, bipolare Analogechospannungssignale unterschiedlicher Phase zu erzeugen, wobei die Demodulation bei einer vorbe stimmten Anregungsfrequenz erfolgt und wobei die Phase durch das Produkt der Referenzwinkelfrequenz und des vorbe stimmten Zeitintervalls, welches der Distanz zwischen den betreffenden Wandlerelementen und den erfaßten Objektpunk ten entspricht, bestimmt wird, um zu bewirken, daß jedes Datensignal im wesentlichen zur selben Zeit erscheint,
c) Verarbeiten jedes demodulierten Analogechospannungssignals mit separaten Einrichtungen, die jeweils wenigstens eine Analog/Digital-Wandlervorrichtung haben, um die demodulier ten Analogechospannungssignale separat zu komprimieren und separate Ströme von Digitaldaten zu erzeugen, welche in ei ner mathematischen Beziehung zu den Analogechospannungs signalen stehen, die eine nichtlineare Potenzfunktion approximiert,
d) separates Expandieren jedes Stroms von komprimierten Digi taldatensignalen aus den Analog/Digital-Wandlervorrich tungen gemäß der Umkehrung der zuvor benutzten mathemati schen Potenzfunktion, um dadurch einzelne expandierte Di gitaldatensignale zu gewinnen, welche in linearer Beziehung zu den Analogechospannungssignalen stehen,
e) Verzögern jedes Stroms der expandierten Digitaldatensignale nach der Kompression und vor oder nach der Expansion um vorbestimmte Zeitintervalle, welche der Distanz eines er faßten Objektpunktes von den betreffenden Wandlerelementen entsprechen, was bewirkt, daß jedes Datensignal im wesent lichen zur selben Zeit auftritt, und
f) separates Summieren jedes Stroms von verzögerten, expan dierten Digitaldatensignalen, um ein kombiniertes Signal zu erzeugen, welches eine monotone Funktion des Quadrats der einzelnen summierten Digitaldatenströme ist.

45. Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den ex pandierten Signalen eine gemeinsame Potenzgesetzfunktion ist.

46. Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den ex pandierten Signalen eine gemeinsame logarithmische Funktion ist.

47. Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den expandierten Signalen durch eine Reihe von miteinander verbun denen Geraden dargestellt werden kann, welche eine Potenzge setzfunktion approximiert.

48. Verfahren nach einem der Ansprüche 44 bis 47, dadurch ge kennzeichnet, daß die demodulierten Analogechospannungssignale durch bipolare Verstärkereinrichtungen komprimiert werden, wel che Ausgangssignale liefern, die in nichtlinearer Beziehung zu den Eingangssignalen stehen.

49. Verfahren nach einem der Ansprüche 44 bis 47, dadurch ge kennzeichnet, daß die demodulierten Analogechospannungssignale in den Analog/Digital-Wandlervorrichtungen komprimiert werden.

50. Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, daß die demodulierten Analogechospannungssignale mit einer linearen Widerstandsleitereinrichtung komprimiert werden, indem die Re ferenzspannung an der Widerstandsleitereinrichtung im Verhält nis zu dem Eingangssignalpegel verändert wird.

51. Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, daß die demodulierten Analogechospannungssignale mit einer nichtli nearen Widerstandsleitereinrichtung komprimiert werden, indem ein fester Referenzspannungswert an der nichtlinearen Wider standsleitereinrichtung aufrechterhalten wird.

52. Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß li neare Analog/Digital-Wandlervorrichtungen mit Tabelleneinrich tungen zum Erzielen der Signalexpansion benutzt werden.

53. Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß eine lineare Vorverstärkung der Analogechospannungssignale vor der nichtlinearen Kompression erfolgt.

54. Verfahren nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Vorverstärkung und die nichtlineare Kompression mit ein zelnen nichtlinearen, bipolaren Verstärkereinrichtungen er reicht werden.

55. Verfahren nach einem der Ansprüche 44 bis 54, dadurch ge kennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale vor der Kom pression mit Empfängeroszillatorsignalen vermischt werden.