DE3927308C2 - - Google Patents
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- DE3927308C2 DE3927308C2 DE3927308A DE3927308A DE3927308C2 DE 3927308 C2 DE3927308 C2 DE 3927308C2 DE 3927308 A DE3927308 A DE 3927308A DE 3927308 A DE3927308 A DE 3927308A DE 3927308 C2 DE3927308 C2 DE 3927308C2
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschallmikroskop.
Ein Ultraschallmikroskop ist beispielsweise aus der DE 37 43 883 A1
bekannt, welches einen mechanisch bewegbaren Bild-Ultraschallwandler
aufweist, der dreidimensionale tomographische
Daten eines interessierenden Bereiches in der Form von B-Modus
oder C-Modus-Bildern liefert. Die Bilddaten werden in einem
Bildspeicher gespeichert und können durch einen Bildschirm
entweder als B-Modus-Bild oder als C-Modus-Bild angezeigt werden.
Mit dieser Anordnung ist es beispielsweise möglich,
gleichzeitig mehrere Tomogramme verschiedener tomographischer
Ebenen als dreidimensionale Daten anzuzeigen.
Aus der EP 00 84 174 A2 ist ein Ultraschallmikroskop bekannt,
bei dem eine Schaltvorrichtung zum beliebigen Auswählen des C-
Modus oder des B-Modus zur Anzeige des entsprechenden Bildes
auf einem Bildschirm vorgesehen ist.
Aus der DE 36 16 214 C2 ist eine Vorrichtung zum vergleichenden
Darstellen von Ultraschallbildern, welche von einem Ultraschallmikroskop
aufgenommen sind, bekannt.
Aus der Leitz-Mitt. Wiss. und Techn. Band VIII, Nr. 3/4, S.
61-67 (Wetzlar, Mai 1982) ist ein Akustomikroskop bekannt, bei
dem Bandfilter vorgesehen sind.
Bei einigen Ultraschallmikroskopen, bei denen ein Ultraschallstrahl
zu einem dünnen Fleck konvergiert, wird mit
diesem dünnen Fleck eine Probe mit einer relativen Beziehung
zwischen der Probe und dem Fleck abgetastet und ein von der
Probe erhaltenes Echosignal verarbeitet, um die inneren Verhältnisse
der Probe zu beobachten.
Fig. 12 verdeutlicht den Aufbau eines Ultraschallmikroskopes.
Eine von einem Hochfrequenz-Übertragerabschnitt 101 erzeugte
Ultraschalldruckwelle wird über einen Zirkulator 102
an einen piezoelektrischen Umformer (Ultraschallumformer)
103 angelegt. Der Umformer 103 wandelt ein elektrisches
Hochfrequenzsignal in eine Ultraschallwelle um. Diese Ultraschallwelle
wird durch eine akustische Linse 104 in eine
konvergierte sphärische Welle umgewandelt und in einen feinen
Fleck konvergiert. Die konvergierte sphärische Welle
tritt in eine Probe 105 ein, die in der Nähe der Fokussierebene
angeordnet ist.
Zwischen der akustischen Linse 104 und der Probe 105 wird
eine Kopplungsflüssigkeit 106 aufgefüllt, die zur Übertragung
der Ultraschallwelle dient. Der in die Probe 105 einfallende
Ultraschallimpuls verursacht verschiedene Wirkungen, wie
beispielsweise Reflexion, Durchdringung, Streuung oder Absorption.
Die von der Probe 105 reflektierte Ultraschallwelle
läuft wieder durch die Kopplungsflüssigkeit 106, geht
durch die akustische Linse 104 und wird dann durch den pie
zoelektrischen Umformer 103 in ein elektrisches Signal umge
wandelt. Das elektrische Signal wandert durch den Zirkulator
102 zu einem Hochfrequenzverstärker 109 zur Verstärkung. Die
nicht benötigten Signalkomponenten des verstärkten Signales
werden durch ein Gatter 110 eliminiert, das von einer Steue
rung 108 gesteuert wird. Als Ergebnis werden lediglich die
notwendigen Echosignale von der Probe 105 extrahiert und ei
nem Detektor 111 zugeleitet. Der Detektor 111 erfaßt das
Echosignal und ermittelt die Intensität des Echosignales.
Das resultierende Signal wird einer Signalverarbeitung in
einem Videoprozessor 112 unterzogen und dann in einen Bild
speicher 113 geschrieben.
Es wird beschrieben, welche Punktdaten der Probe 105 erhal
ten werden. Es ist ein Scanner 107 vorgesehen, mit dem man
zweidimensionale (2D-) Bilddaten erhalten kann. Der Scanner
107 führt mit einem Ultraschallimpuls auf der Probe 105 ein
2D-Abtasten durch, und Werte von jedem Punkt werden auf die
gleiche Weise in dem Bildspeicher 113 gespeichert. Um das
innere Bild der Probe 105 zu bestätigen oder anzusehen, wer
den die Daten aus dem Bildspeicher 113 ausgelesen und auf
einem Monitor 114 dargestellt.
Das auf diese Weise erhaltene Bild wird C-Modus (bzw. C-
Feld)-Bild genannt. Unter der Annahme, daß die Senderichtung
des Ultraschallimpulses in Richtung der z-Achse genommen
wird, und die beiden senkrecht zur z-Achse angeordneten Ach
sen die x- und y-Achsen sind, heißt das, daß das durch das
x-y-Abtasten von dem Scanner 107 erhaltene Bild ein 2D-Bild
einer Ebene der Probe 105 parallel zur x-y-Ebene ist. Dieser
Modus kann keine Daten von verschiedenen inneren Abschnitten
der Probe bei unterschiedlichen Tiefen liefern. Um innere
Daten einer Probe bei unterschiedlichen Tiefen zu erhalten,
ist es notwendig, ein weiteres C-Modus-Bild, welches zusätz
lich zum x-y-Abtasten einem Abtasten in z-Richtung unterzo
gen worden ist, zu erhalten, um über eine Tiefenbeziehung
zwischen der Probe 105 und der Konvergenzposition des Ultra
schallimpulses eine Aussage zu treffen. Dieses Verfahren
verkompliziert das Abtasten.
Es wird eine Ultraschalltomographievorrichtung erwähnt, die
ein Tomographiebild einer Ebene parallel zum ausgesandten
Ultraschallimpuls liefert, d. h. ein B-Modus- (bzw. B-Feld)
Bild. Dieser Vorrichtungstyp kann jedoch weder ein C-Modus-
Bild, noch ein 3D-Bild liefern.
Die erwähnten Ultraschallmikroskop- und Tomographievorrichtungen
sind beide für 2D-Bilddaten geeignet. Derzeit ist
keine Vorrichtung realisiert worden, die Bilddaten über die
akustischen Eigenschaften einer 3D-Struktur liefert. Um bei
spielsweise die 3D-Verteilung von Defekten innerhalb einer
Probe zu beobachten oder die Gestalt eines heterogenen Mediums
oder dergleichen, ist es wünschenswert, daß nicht nur
eine einzelne tomographische Ebene einer Probe, sondern auch
ein 3D-Projektionsbild der Probe leicht erhalten werden
kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ultraschallmikroskop zu
schaffen, das es auf möglichst effektive Weise erlaubt, aus den von einer
Probe empfangenen Ultraschallechosignalen dreidimensionale Bilddaten von der
Probe zu extrahieren und zu speichern.
Diese Aufgabe wird durch ein Ultraschallmikroskop mit den Merkmalen des Patentanspruches 1
entsprechend dieser Erfindung gelöst, welches eine Schaltung zum
Abtasten bzw. zum Bilden von Momentanwerten des Ausgangssignales
einer Ultraschallimpulsübertragungs-Empfängerschaltung
bei Intervallen zum Extrahieren einer Vielzahl von
Echodaten-Signale aufweist, um Daten bei einer Vielzahl von
Punkten in z-Richtung bei jeder Position (x, y) aus einem
Echosignal von einer Probe, das durch 2D-Abtasten in x- und
y-Richtungen erzeugt wurde, zu erhalten. Jedes durch diese
Extraktionsschaltung erhaltene Echodatensignal wird über
einen A/D-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt. Für
einen vorgegebenen Abtastbereich in x-Richtung wird der Aus
gang des A/D-Wandlers in einem ersten Speicher als B-Modus-
Bildwert gespeichert. Das Ultraschallmikroskop weist ferner
einen zweiten Speicher zum Speichern von mehreren Stücken
von B-Modus-Bilddaten als 3D-Bilddaten auf, die nacheinander
im ersten Speicher abgespeichert wurden und deren Positionen
in y-Richtung sich voneinander unterscheiden. Das Ultra
schallmikroskop weist ferner einen Bildprozessor zum Ausle
sen von Daten aus dem zweiten Speicher und Unterziehen die
ser Daten einer Bildverarbeitung sowie eine Anzeigevorrich
tung zum Anzeigen eines bestimmten Bildes, das der Bildver
arbeitung unterzogen worden ist, auf.
Obwohl entsprechend dieser Erfindung die Probe zweidimensio
nal (in x- und y-Richtung) mit einem Ultraschallimpuls bei
einer relativen Beziehung zwischen der Probe und diesem Im
puls abgetastet wird, können Echodaten der Probe bei vielen
Punkten in z-Richtung durch Kombination der 2D-Abtastung und
einer Signalverarbeitung der Abtastung des Ausgangssignales
der Ultraschallimpulsübertragungs-/Empfängerschaltung bei In
tervallen erhalten werden. Mit anderen Worten, es können 3D-
Bilddaten einer Probe durch eine einzelne 2D-Abtastung er
halten werden. Durch Verarbeiten des Inhalts des zweiten
Speichers, der diese 3D-Bilddaten gespeichert hat, ist es
auf einfache Weise möglich, ein Bild einer vorgegebenen ge
neigten Ebene bzw. Scheibe innerhalb der Probe, ein Projek
tionsbild davon und ein 3D-Bild davon, als auch ein B-Modus-
Bild und ein C-Modus-Bild anzuzeigen.
Diese und weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfin
dung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbei
spielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm zur Veranschaulichung des
Aufbaues eines Ultraschallmikroskopes
entsprechend einem Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung;
Fig. 2 einen Zeitablaufplan zur Erläuterung der
Betriebsweise des Ultraschallmikroskopes
entsprechend dem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung verschiede
ner Bildanzeigemoden des Ultraschallmi
kroskopes entsprechend dem Ausführungs
beispiel;
Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der
Anordnung einer Impulssteuerung entspre
chend einem weiteren Ausführungsbei
spiel;
Fig. 5A bis 5D Zeitablaufpläne der jeweiligen Gatter
steuersignale entsprechend diesem Aus
führungsbeispiel;
Fig. 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines
Ausführungsbeispieles, bei dem ein va
riabler Dämpfer eingeführt ist;
Fig. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines
Ausführungsbeispiels, bei dem ein Band
paßfilter eingesetzt ist;
Fig. 8 ein Diagramm zur Veranschaulichung der
Frequenzcharakteristikeigenschaft des in
Fig. 7 gezeigten Bandpaßfilters;
Fig. 9 ein Diagramm zur Veranschaulichung der
Frequenzcharakteristik eines Hochpaßfil
ters, der anstatt dem in Fig. 7 gezeig
ten Bandpaßfilter eingesetzt ist;
Fig. 10 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer
weiteren Frequenzcharakteristik eines
Hochpaßfilters;
Fig. 11 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines
weiteren Ausführungsbeispieles, das eine
Vielzahl von A/D-Wandlern verwendet; und
Fig. 12 ein Diagramm zur Veranschaulichung des
Aufbaues eines Ultraschallmikroskopes.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dieser
Erfindung beschrieben.
Fig. 1 veranschaulicht den Aufbau eines Ultraschallmikrosko
pes entsprechend einem Ausführungsbeispiel. Eine
Ultraschallimpulsübertragungs-/Empfängerschaltung weist einen
Übertragungsimpulsgenerator 1 zum Erzeugen eines Hochspan
nungsimpulses bei vorgegebenen Intervallen, einen piezoelek
trischen Umformer (Ultraschallumformer) 2 zum Erzeugen eines
Ultraschallimpulses nach Empfang des Hochspannungsimpulses
vom Impulsgenerator 1, und eine akustische Linse 3 zum Kon
vergieren des Ultraschallimpulses von dem Umformer 2 in
einen feinen Fleck auf. Das Ziel der Beobachtung, die Probe
4, ist bei bzw. nahe einer Position, bei der der
Ultraschallimpuls von der akustischen Linse 3 konvergiert,
angeordnet. Zwischen die Probe 4 und die akustische Linse 3
ist eine Kopplungsflüssigkeit 5, wie beispielsweise Wasser,
eingefüllt. Ein x-y-Scanner 8 dient zum zweidimensionalen
Abtasten der Probe in einer Ebene (x-y-Ebene), die durch
zwei Achsen x und y senkrecht zur Aussendungsrichtung (z-
Richtung) eines Ultraschallimpulses aufgespannt ist. Der
Scanner 8 wird beispielsweise durch einen Stufenmotor ange
trieben. Eine x-Synchro-Schaltung 7 holt einen Ausgangstakt
eines Taktgenerators 6 aufgrund eines Synchrosignales (x-Si
gnal) zum Abtasten in x-Richtung, das vom x-y-Scanner 8 aus
gegeben ist, und sendet ein Triggersignal an den Übertra
gungsimpulsgenerator 1. Daraufhin erzeugt der Übertragungs
impulsgenerator 1 einen Hochspannungsimpuls in Synchronisa
tion mit dem Abtasten in x-Richtung.
Ein Echo von der Probe 4 läuft wiederum durch die akustische
Linse 3 und wird vor der Eingabe an einen Vorverstärker in
ein elektrisches Signal umgewandelt. Das Ausgangssignal des
Vorverstärkers 9 wird an eine Schaltung angelegt, die das
Signal zur Extraktion von Echo-(Akustik-) Datensignalen bei
einer Vielzahl von Punkten entlang der z-Richtung der Probe
4 abtastet. Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel sind n
Verstärker 10 (10-1, 10-2, ..., 10-n) parallel mit einem
Ausgangsanschluß des Vorverstärkers 9 verbunden. Jedes der
Gatter 11 (11-1, 11-2, ..., 11-n) und jeder der Verstärker
12 (12-1, 12-2, ..., 12-n) und jeder der Spitzendetektoren
13 (13-1, 13-2, ..., 13-n) sind in Reihe mit dem zugehörigen
der Verstärker 10 verbunden. Die Ausgänge der Verstärker 10
werden über die entsprechenden Gatter 11 an die jeweiligen
Verstärker 12 erneut zur Verstärkung angelegt. Die verstärk
ten Ausgänge werden dann an die entsprechenden Spitzendetek
toren 13 angelegt. Eine Impulssteuerung 14, die aus einem
Zähler ausgebildet sein kann, wird durch ein Übertragungs
triggersignal rückgesetzt und gibt ein Gattersteuersignal
nach einer vorgegebenen Zeit zum aufeinanderfolgenden Frei
geben der Gatter 11 aus. Das Gattersteuersignal wird durch
Steuerimpulse dargestellt, die zwar eine konstante Impuls
weite, jedoch einen wenig verschobenen Zeitablauf aufweisen,
und wird durch die x-Synchro-Schaltung 7 synchron mit dem x-
y-Abtasten erzeugt. Akustische Datensignale bei einer Viel
zahl von Punkten entlang der z-Richtung der Probe 4 können
aus dem Echo von der Probe 4 unter Verwendung dieses Gatter
steuersignales abgetastet werden. Ein Tiefeneinstellab
schnitt 15 stellt extern einen Zeitablauf ein, bei dem die
Erzeugung der Steuerimpulse von der Impulssteuerung 14 be
ginnt, d. h. bei einem Zeitablauf, bei dem die Freigabe der
Gatter 11 beginnt. Dieser Tiefeneinstellabschnitt 15 erlaubt
lediglich den akustischen Daten innerhalb einem bestimmten
Tiefenbereich in der Probe 4, als Daten geholt zu werden.
Jeder Spitzendetektor 13 erfaßt ein abgetastetes Echosignal
bei jeder Tiefe. Die Spitzendetektoren 13 erfassen und hal
ten die Spitzenwerte der erhaltenen akustischen Datensi
gnale. Das Triggersignal von der x-Synchro-Schaltung 7 wird
als Rücksetzsignal an die Spitzendetektoren 13 angelegt. Mit
anderen Worten, ein empfangenes Echosignal wird für jede Ko
ordinatenposition des Abtastens in x-Richtung abgetastet und
gehalten.
Das Ausgangssignal von jedem Spitzendetektor 13 wird aufein
anderfolgend geholt und einem Ausgangsverstärker 17 als
Zeitreihensignal durch einen Analogschalter 16, der durch
die Impulssteuerung 14 gesteuert ist, zugeführt. Der Ausgang
dieses Ausgangsverstärkers 17 wird aufeinanderfolgend durch
einen A/D-Wandler 18, der ebenso von der Impulssteuerung 14
gesteuert ist, in einen Digitalwert umgewandelt. Das A/D-um
gewandelte Echosignal wird aufeinanderfolgend in einen er
sten Speicher (B-Modus-Speicher) 19 geschrieben. Dieser
Speicher 19 speichert B-Modus-Bilder bei i Punkten in x-
Richtung und bei n Punkten in z-Richtung für jeden Schritt
bei der y-Abtastung der x-y-Abtastung unter der Steuerung
des x-y-Scanners 8 und der Impulssteuerung 14. Der im B-Mo
dus-Speicher 19 gespeicherte Wert wird für jeden Schritt bei
der y-Abtastung auf einen zweiten Speicher (3D-Speicher) 20
übertragen und darin gespeichert. Unter der Annahme, daß bei
der y-Abtastung j Punkte vorhanden sind, wird in dem 3D-
Speicher 20 eine Gesamtzahl von n×i×j Teilen von 3D-
Bilddaten der Probe 4 gespeichert.
Ein Bildprozessor 21 holt die Daten auf geeignete Weise von
dem 3D-Speicher 20 aufgrund eines Befehles von einem Rechner
22 und verarbeitet diese für den Aufbau des gewünschten Bil
des. Das so aufgebaute Bild wird auf einem CRT-Monitor 23
zur sichtbaren Bestätigung dargestellt.
Fig. 2 stellt einen Zeitablaufplan zur Erläuterung der Be
triebsweise des Ultraschallmikroskopes mit dem obigen Aufbau
dar. Die Betriebsweise des Ultraschallmikroskopes wird im
folgenden unter Bezugnahme auf diesen Zeitablaufplan be
schrieben. Zu Beginn eines Abtastvorganges werden die ersten
und zweiten Speicher 19 und 20 gelöscht, und der x-y-Scanner
8 wird durch ein Befehlssignal vom Rechner 22 angetrieben.
Dabei gibt der x-y-Scanner 8 ein x-Signal und ein y-Signal
aus mit den in Fig. 2(a), (b) veranschaulichten zeitlichen
Relationen. Die Probe 4 wird in x-Richtung relativ zur Ul
traschallquelle mit dem x-Signal (von 1 bis i) abgetastet.
Nach Vervollständigung der x-Abtastung wird die Probe 4
durch einen Schritt in y-Richtung durch das y-Signal bewegt
und dasselbe x-Abtasten wird hier wiederholt. Die Zeitab
laufpläne von Fig. 2(c) und folgende veranschaulichen die
Signalformen der Signalverarbeitung bei einer einzelnen x-
Abtastung, wobei die Zeitachse des x-Signales vergrößert
ist. Zunächst werden das x-Signal und das Taktsignal (Fig.
2(d)) vom Taktgenerator 6 in die x-Synchro-Schaltung 7 ein
gegeben, wodurch ein mit dem x-Signal synchrones Übertra
gungstriggersignal (Fig. 2(e)) in den Übertragungsimpulsge
nerator 1 eingegeben wird. Dies erlaubt dem Generator 1,
einen Hochspannungsimpuls zu erzeugen, der den piezoelektri
schen Umformer 2 zur Erzeugung eines Ultraschallimpulses an
regt.
Das Echo von der Probe 4 wird durch den Umformer 2 in ein
elektrisches Signal umgewandelt und herausgeholt (siehe Fig.
2(f)). Gemäß Fig. 2(f) stellt der synchron mit dem Übertra
gungstriggersignal erhaltene negative Impuls ein Übertra
gungsleck dar und geht nicht aus dem Echo hervor. Wie darge
stellt, erhält man ein auf das Echo von der Probe 4 zurück
gehendes Echosignal nach Verstreichen einer bestimmten Zeit
aus dem Übertragungsimpuls. Durch den Tiefeneinstellab
schnitt 15 wird eine Zeit t1 eingestellt, wobei die Zeit,
die das Echo für das Erreichen des Umformers 2 benötigt, be
rücksichtigt ist. Die Impulssteuerung 14 gibt aufeinander
folgend die Gattersteuersignale wie in Fig. 2(g1) bis 2(gn)
gezeigt aus, beginnend bei einem Punkt, der um die Zeit t1
von der Empfangszeit des Übertragungstriggersignales verzö
gert ist. Diese Gattersteuersignale bewirken eine aufeinan
derfolgende Freigabe der n Gatter 11, so daß das Echosignal
abgetastet wird. Wie in den Fig. 2(h1) bis 2(hn) gezeigt,
wird die Spitzenintensität vom Echosignal extrahiert und
durch die Spitzendetektoren 13, die durch das Übertragungs
triggersignal von der x-Synchro-Schaltung 7 zurückgesetzt
sind, gehalten. Die Ausgangssignale der Spitzendetektoren 13
werden als Zeitreihesignal, wie in Fig. 2(i) gezeigt, durch
ein Schaltsignal (S) geholt, das den Analogschalter 16 bei
demselben Zeitablauf, wie das Gattersteuersignal erzeugt
wird, verändert. Das Zeitseriensignal wird dann in den A/D-
Wandler 18 eingegeben. Da eine Verzögerung im Spitzendetek
tor 13 vorhanden ist, wird der durch den Impuls "1" des Gat
tersteuersignales g1 gehaltene Abschnitt A des Erfassungssi
gnales h1 an den A/D-Wandler 18 durch den Impuls "2" des
Gattersteuersignales g2 ausgegeben. Der A/D-Wandler 18 führt
die A/D-Umwandlung der empfangenen Signale bei Zeitabläufen
durch, die jeweils um ΔT verzögert sind, wie in Fig. 2(j)
gezeigt ist. Dieser der Tiefenrichtung zugehörige Bildwert
wird bei demselben Zeitablauf wie bei der Durchführung der
A/D-Umwandlung in den B-Modus-Speicher 19 geschrieben. Ein
einzelnes Aussenden eines Ultraschallimpulses kann akusti
sche Daten von n Punkten in z-Richtung bzw. n unterschiedli
chen Tiefen der Probe 4 liefern. Der durch das Abtasten von
x=1 bis i erhaltene B-Modus-Bildwert wird aufeinanderfol
gend in den B-Modus-Speicher 19 geschrieben, wobei die
Adresse des Wertes durch das x-Signal eingestellt ist. Bei
der Übertragung des im Speicher 19 gespeicherten B-Modus-
Bildwertes in den 3D-Speicher 20 wird dieser gelöscht. Das
gleiche Abtasten wird für jeden Punkt von y=1 bis j durch
geführt, und die B-Modus-Bilder bei den jeweiligen y-Koordi
naten werden aufeinanderfolgend in den 3D-Speicher 20 über
tragen und hier als 3D-Bilddaten gespeichert.
Das Schreiben der B-Modus-Bilddaten in den B-Modus-Speicher
19 und das Übertragen dieser Daten von hier in den 3D-Spei
cher 20 kann gleichzeitig durchgeführt werden. Beispiels
weise können in dem B-Modus-Speicher 19 eine Vielzahl von
Speicherflächen gebildet sein, so daß die entsprechend den
vielen Schritten des y-Abtastens zugehörigen B-Modus-Bildda
ten Schritt für Schritt in den entsprechenden Speicherflä
chen gespeichert werden können. Der während des x-Abtastens
erhaltene B-Modus-Bildwert wird in den Speicher 19 geschrie
ben, und dieser Wert wird jedesmal, wenn das y-Signal ausge
geben wird, zurückgesetzt. Ein B-Modus-Bildwert für einige
Schritte wird auf diese Weise geschrieben. Wenn das Schrei
ben des B-Modus-Bildwertes für einige Schritte vervollstän
digt ist, wird der Wert in den 3D-Speicher 30 übertragen,
und ein neuerlich durch das x-Abtasten erhaltener B-Modus-
Bildwert wird in einen weiteren Speicherbereich geschrieben.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird nun beschrieben, wie man
verschiedene Bilder durch Verarbeiten der so geschriebenen
3D-Werte erhält. Fig. 3(a) veranschaulicht, daß der im 3D-
Speicher 20 gespeicherte Wert in einem virtuellen 3D-Raum
angeordnet ist. Falls der 3D-Wert mit Adressen (I, J, N)
entsprechend den Raumkoordinaten (x, y, z) wie dargestellt
angeordnet ist, wird es leicht, die Datenübertragung auf den
Bildprozessor 21 zu steuern. Falls der 3D-Speicher 20 nicht
entsprechend diesen x-y-z-Koordinaten strukturiert ist, kann
eine Adressenliste durch die Hardware vorbereitet werden,
oder eine Umwandlung über ein Programm zwischen dem Rechner
22 und dem Bildprozessor 21 kann durchgeführt werden.
Zur Anzeige eines B-Modus-Bildes müssen die durch das x-y-
Abtasten erhaltenen Daten der A-Ebene aus Fig. 3(b) in den
Bildprozessor 21 geholt, und dessen Ausgangsdaten auf dem
CRT-Monitor 23 angezeigt werden. In diesem Fall wird der
Wert mit der Adresse (I, J, N) durch den Rechner 22 durch
Spezifikation von:
I=1 bis i,
J=irgendeiner von 1 bis j, und
N=1 bis n
J=irgendeiner von 1 bis j, und
N=1 bis n
ausgelesen. Ein 2D-Bildspeicher ist im Bildprozessor 21 als
ein Pufferspeicher vorgesehen, um ein ebenes Bild mit ver
schiedenen Dichten auf dem CRT-Monitor 23 zu erhalten. Ein
ebenes Bild mit einer Variation in der Dichte kann auf dem
CRT-Monitor 23 durch Übertragen von Daten in den 2D-Bild
speicher angezeigt werden.
Dieses B-Modus-Bild kann angezeigt werden, bevor das x-y-Ab
tasten vervollständigt ist. Nach Vervollständigung der x-Ab
tastung bei einem bestimmten y-Punkt wird ein durch dieses
x-Abtasten erhaltener B-Modus-Bildwert in den 3D-Speicher 20
übertragen. Die Adresse dieses B-Modus-Bildes wird durch den
Rechner 22 bestimmt und durch den Bildprozessor 21 verarbei
tet. Der verarbeitete Wert wird dann auf dem CRT-Monitor an
gezeigt. Auf diese Weise kann ein gerade vorher geholtes B-
Modus-Bild angezeigt werden. Für ein B-Modus-Bild wird im
allgemeinen lediglich die A-Ebene aus Fig. 3(b) betrachtet;
jedoch kann ein B-Modus-Bild für die B-Ebene auf ähnliche
Weise angezeigt werden. Die Adresse (I, J, N) für diesen
Fall kann durch folgende Spezifikation vorgegeben sein:
I= irgendeiner von 1 bis i,
J=1 bis j, und
N=1 bis n.
J=1 bis j, und
N=1 bis n.
Zur Bildung eines C-Modus-Bildes wird lediglich ein Wert bei
einer bestimmten Tiefe (Zeit) wie in Fig. 3(c) verwendet.
Der Wert sollte mit einer Adresse (I, J, N) geholt werden,
die durch folgende Spezifikation vorgegeben ist:
I=1 bis i,
J=1 bis j und
N=irgendeiner von 1 bis n.
J=1 bis j und
N=irgendeiner von 1 bis n.
Um ein Bild einer bestimmten geneigten Ebene wie in Fig. 3
(d) gezeigt zu bilden, sollte die Adresse (I, J, N) aufgrund
einer bestimmten Gleichung im Zusammenhang mit dieser ge
neigten Ebene spezifiziert sein. Das Bild kann leicht auf
dem CRT-Monitor 23 durch Holen des spezifizierten Wertes in
den Bildprozessor 21 und dann Senden des verarbeiteten Wer
tes an den Monitor angezeigt werden.
Ein Projektionsbild eines B-Modus-Bildes, wie in Fig. 3(e1)
bzw. 3(e2) gezeigt, wird durch Aufaddieren mehrerer Rahmen
von B-Modus-Bildwerten der A-Ebene oder B-Ebene gebildet.
Das gleiche gilt für ein Projektionsbild eines in Fig. 3(f)
gezeigten C-Modus-Bild.
Um ein Projektionsbild in einer Richtung, die nicht parallel
zu irgendeiner der x-, y- und z-Achsen liegt, wie in Fig.
3(g) gezeigt, zu liefern, ist eine Koordinatenumwandlung
notwendig. Falls z. B. die Projektionsebene parallel zur z-
x-Ebene liegt, wird ein Prozeß zur Drehung der x- und z-Ach
sen der 3D-Speicherkoordinaten um α und β jeweils zur Um
wandlung der Koordinaten in Koordinaten auf die Projektions
ebene zusätzlich durchgeführt. Die anderen Prozesse sind
dieselben wie die beim vorhergehenden Beispiel; mehrere
Bildrahmenwerte werden zur Bildung eines 3D-Projektionsbil
des in Projektionsrichtung mit dem gewünschten Winkel wie
dargestellt aufaddiert.
Das Ultraschallmikroskop dieser Ausführungsform verwendet
3D-Bilddaten durch Ausführen einer 2D-Abtastung und Abta
stung eines Echosignales. Der erhaltene 3D-Bildwert wird im
3D-Speicher 20 gespeichert; über die benötigte Bildverarbei
tung kann ein Bild einer Ebene mit einer beliebigen Neigung
oder ein 3D-Projektionsbild, als auch ein B-Modus-Bild oder
C-Modus-Bild gebildet und auf dem CRT-Monitor angezeigt wer
den. Mit anderen Worten, die Erfindung kann ein Ultraschall
mikroskop liefern, das durch den Stand der Technik nicht er
hältlich war. Das Ultraschallmikroskop kann wirksam zur Be
obachtung der Verteilung von 3D-Defekten innerhalb einer
Probe, Spezifizierung der Form eines heterogenen Mediums
oder dergleichen verwendet werden. Bei bisher bekannten Lö
sungen können 3D-Bilddaten im Prinzip beispielsweise durch
mehrmalige Wiederholung der x-y-Abtastung gesammelt werden.
Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung jedoch
ist lediglich eine einzige x-y-Abtastung beteiligt, so daß
3D-Bilddaten bei einer hohen Geschwindigkeit geliefert wer
den, ohne den Abtastvorgang zu verkomplizieren.
Im folgenden wird ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser
Erfindung beschrieben.
Fig. 4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem die
im ersten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 1 gezeigt, ver
wendete Impulssteuerung 14 modifiziert ist. Diese Steuerung
besteht aus zwei Stufen von Impulssteuerungen. Die erste
Stufenimpulssteuerung 14a besteht aus einem Zähler und ist
mit dem Tiefeneinstellabschnitt 15 verbunden. Durch diesen
Tiefeneinstellabschnitt 15 wird die Zeit eingestellt, bei
der das Holen eines Echosignales beginnt (siehe t1 in Fig.
2). Die Impulssteuerung 14a der ersten Stufe beginnt das
Zählen der Zeit bei derselben Zeit, bei der sie ein Übertra
gungstriggersignal empfängt, und startet nach Verstreichen
der eingestellten Zeit mit dem Liefern eines Taktes an die
zweite Stufenimpulssteuerung 14b. Die Impulssteuerung 14b
besteht aus Multivibratoren, die im Zusammenhang mit jedem
der Gatter 11 vorgesehen sind. Die Multivibratoren sind mit
Gatterpositions-/Weiteneinstellabschnitten 41-1 bis 41-n ver
bunden. Nach Empfangen eines Taktes von der ersten Stufenim
pulssteuerung 14a ermöglicht die Impulssteuerung 14b den
einzelnen Multivibratoren, daß sie nacheinander ein Gatter
steuersignal an die jeweiligen Gatter 11 ausgeben. Die Gat
terposition und die Impulsweite für jeden Multivibrator ist
vorher durch den Gatterpositions-/Weiteneinstellabschnitt 41
eingestellt.
Die Fig. 5A bis 5D veranschaulichen einige Beispiele von be
stimmten Kombinationen der Position und Weite des Gatter
steuersignales, mit anderen Worten, der Dauer und Intervalle
des Abtastens. In Fig. 5A variiert die Weite des Gattersteu
ersignales wie benötigt, während die Bedingung aufrechter
halten wird, daß bei der führenden Flanke eines Gattersteu
ersignales das nächste Gattersteuersignal ansteigt. In Fig.
5B besteht ein geringer Zeitverzug zwischen dem Auslauf des
ersten Gattersteuersignales und dem führenden des zweiten
Signales, wobei das dritte Gattersteuersignal teilweise mit
dem zweiten überlappt. In Fig. 5C wird zwischen den benach
barten Signalen eine konstante Verzögerung Δt vorgegeben,
während die Impulsweite der Signale dieselbe ist. Fig. 5D
veranschaulicht einen Fall, bei dem sich die einzelnen Gat
tersteuersignale, die dieselbe Impulsweite aufweisen, je
weils um Δt gegenseitig überlappen. Die Gatterpositi
ons-/Weitensteuerung, wie in Fig. 5A und 5B veranschaulicht,
ist besonders wirksam, falls Defekte in der Probe existieren
oder die Positionen heterogener Medien nicht mit gleichblei
bendem Abstand angeordnet sind und es notwendig ist, wirksam
Daten zu sammeln. Es kann einen Fall geben, bei dem die
Schallgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Abschnitten in
der Probe variiert und die Ausbreitungszeit der Ultraschall
wellen entsprechend variiert und dadurch eine Inkonsistenz
bezüglich des Abstandes zwischen dem wirklichen Abstand in
der Probe und dem Abstand auf dem Bild verursacht wird. Die
erwähnte Gatterpositions-/Weitensteuerung ist ebenso bei
solch einem Fall durch Vorsehen eines ungestörten Bildes,
das den wirklichen Abstand wiedergibt, wirksam.
Falls die Position/Weite eines Gattersteuersignals geändert
wird, ist es notwendig, den Zeitablauf bzw. die Weite eines
Steuersignales an den Analogschalter und den A/D-Wandler zu
variieren.
Fig. 6 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem va
riable Dämpfungsglieder 51 (51-1, 51-2, ..., 51-n) zwischen
den jeweiligen Gattern 11 und Verstärkern 12 bei dem in Fig.
1 gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen sind. Durch die
Dämpfungsglieder 51 kann der Pegel in jedem Pfad eingestellt
werden. Beispielsweise zeigt ein Echo aus einem tiefen Ab
schnitt der Probe im allgemeinen eine große Dämpfung. Ent
sprechend diesem Ausführungsbeispiel unterscheiden sich die
Pegel der einzelnen Pfade voneinander, so daß ein hoher Kon
trast sowohl bei einem Bild eines tiefen Abschnittes, als
auch bei einem Bild eines flachen Abschnittes erreicht wer
den kann.
Die Positionen der variablen Dämpfungsglieder 51 sind nicht
auf die in Fig. 6 gezeigten Positionen beschränkt. Die Dämp
fungsglieder 51 können irgendwo zwischen den Verstärkern 10
und dem Analogschalter 16 vorgesehen sein. Falls die Ver
stärker selbst von einem Typ mit variablem Pegel sind, ist
deren Pegelsteuerung verwendbar, ohne im einzelnen solche
Dämpfungsglieder vorzusehen.
Fig. 7 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem
Bandpaßfilter 71 (71-1, 71-2, ..., 71-n) zwischen den Ver
stärkern 10 und den Gattern 11 bei dem in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel vorgesehen sind. Die Frequenzcharakteri
stik der Filter 71 ist so eingestellt, daß die Mittenfre
quenzen für die n Gatter, wie in Fig. 8 gezeigt, aufeinan
derfolgend ansteigen. Bei der Extraktion eines Echosignales
aus dem Inneren der Probe weist im allgemeinen eine Hochfre
quenzkomponente des Echosignales aus der tiefsten Position
die größte Amplitudendämpfung auf. Das heißt, das Frequenz
spektrum des bestimmten Echosignales unterscheidet sich in
Abhängigkeit von der Tiefe der Probe. Dementsprechend wird
die tragende Auflösung bei einem tieferen Punkt im allgemei
nen geringer. Durch die obigen Bandpaßfilter 71 kann eine
Änderung im Frequenzspektrum kompensiert werden, womit die
tragende Auflösung bei einem tiefen Punkt im wesentlichen
auf demselben Pegel wie die bei einem flachen Punkt gehalten
wird.
Alternativ können anstatt der Bandpaßfilter Hochpaßfilter
mit der in Fig. 9 oder 10 gezeigten Frequenzeigenschaft ver
wendet werden, mit demselben Effekt wie beim vorhergehenden
Beispiel. Falls der Dämpfungsbereich der in Fig. 10 gezeig
ten Filter in der Nähe der Betriebsfrequenz der Ultraschall
wandler eingestellt wird, kann das Frequenzspektrum wirksam
kompensiert werden.
Die zuvor erwähnten Filter können irgendwo zwischen den Ver
stärkern und den Spitzendetektoren 13 angeordnet sein.
Fig. 11 veranschaulicht eine Modifikaton mit n A/D-Wandlern
18 anstatt dem Analogschalter 16 bei dem in Fig. 1 gezeigten
Auführungsbeispiel. Bei diesem Beispiel werden die Ausgänge
der Spitzendetektoren 13 gleichzeitig und parallel durch die
A/D-Wandler 18 in digitale Signale umgewandelt. Bei dem Auf
bau von diesem Beispiel kann der Betrieb des Erfassens und
Aufnehmens eines akustischen Datensignales bei jeder Tiefe
in einer beträchtlich kurzen Zeit durchgeführt werden. Damit
erhält das Ultraschallmikroskop eine hohe Verarbeitungsge
schwindigkeit.
Die Erfindung kann auf verschiedene Weise modifiziert wer
den, ohne den Umfang und den Gedanken der Erfindung zu ver
lassen. Obwohl bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbei
spiel beispielsweise die Probe 4 mechanisch beim x-y-Abta
sten angetrieben ist, kann stattdessen die Ultraschallquelle
angetrieben sein, da das x-y-Abtasten der Probe relativ zur
Ultraschallquelle durchgeführt wird. Falls keine hohe Auflö
sung benötigt wird, kann eine Vielzahl von piezoelektrischen
Umformern zweidimensional angeordnet sein, um das x-y-Abta
sten der Probe elektrisch durchzuführen. Diese Erfindung ist
natürlich auch bei solch einem Fall wirksam.
Obwohl bei den Ausführungsbeispielen eine Vielzahl von Gat
tern verwendet wird, um Daten bei unterschiedlichen Tiefen
von dem Ausgangssignal von der Ultraschallübertra
gungs-/Empfängerschaltung zu erhalten, kann eine andere
Schaltungskonfiguration verwendet sein, so daß das empfan
gene Echosignal bei Intervallen abgetastet wird und die
Spitzenwerte gehalten und extrahiert werden.
Claims (11)
1. Ultraschallmikroskop, welches aufweist:
- a) eine Ultraschallimpuls-Sende/Empfangsvorrichtung (1, 2, 3), zum Emittieren einer auf eine Probe (4) fokussierten Ultraschallwelle, und zum Empfangen eines Echos von der Probe (4) und Erzeugen eines Ausgangssignales,
- b) eine Abtastvorrichtung (8) zum Abtasten der Probe (4) mit der Ultraschallwelle in einer x-y-Ebene durch eine relative Bewegung der Probe (4) bezüglich der Ultraschallwelle, wobei die Aussendung der Ultraschallwelle auf die Probe (4) in Richtung der z-Achse erfolgt, und zwei Achsen senkrecht zur z-Achse die x- und y-Achsen darstellen,
- c) eine Extraktionsvorrichtung (10 bis 16) zum Abtasten des Ausgangssignales der Ultraschallimpuls- Sende/Empfangsvorrichtung (1, 2, 3) zum Extrahieren von Echodatensignalen,
- d) eine A/D-Wandlervorrichtung (18) zum Umwandeln der Echodatensignale der Extraktionsvorrichtung (10 bis 16) in digitale Signale,
- e) eine Speichervorrichtung zum Speichern der digitalen Signale der A/D-Umwandlervorrichtung (18),
- f) eine Bildverarbeitungsvorrichtung (21, 22) zum Auslesen von Daten von der Speichervorrichtung (19, 20) und zum Verarbeiten der Daten zur Ausgabe von Bilddaten mit vorgegebenen Koordinaten, und
- g) eine Anzeigevorrichtung (23) zum Anzeigen der Bilddaten der Bildverarbeitungsvorrichtung (21, 22) als ein Bild, wobei
- h) die Extraktionsvorrichtung (10 bis 16) aufweist:
- - n parallel geschaltete Gatter (11-1 bis 11-n), von denen jedes das Ausgangssignal der Ultraschallimpuls- Sende/Empfangsvorrichtung (1, 2, 3) für jeden in x-y-Richtung abgetasteten Punkt nach einer jeweils vorgegebenen Holstartzeit und während einer vorgegebenen Abtastdauer zeitlich selektiv abtastet und dabei jeweils ein Echodatensignal extrahiert,
- - eine Impulserzeugervorrichtung (14), die an jedes der Gatter (11-1 bis 11-n) ein durch die Holstartzeit und die Abtastdauer jeweils bestimmtes Gattersteuersignal legt, zum aufeinanderfolgenden Freigeben der Gatter (11-1 bis 11-n), und
- - n Spitzenwertdetektoren (13-1 bis 13-n), von denen jedes den Spitzenwert des vom jeweils zugehörigen Gatter (11-1 bis 11-n) empfangenen Echodatensignals hält und ausgibt,
- so daß für jeden in x-y-Richtung abgetasteten Punkt n Echodatensignale von n unterschiedlichen Punkten in z-Richtung der Probe (4) aus dem Ausgangssignal extrahiert werden, und
- i) die Speichervorrichtung (19, 20) die digitalen Signale der A/D-Wandlervorrichtung (18) innherhalb eines vorgegebenen Abtastbereiches in x-Richtung und für einen jeweils vorgegebenen y-Koordinatenwert als die Daten eines B-Modus-Bildes und somit für j unterschiedliche y-Koordinaten die Daten von j verschiedenen B-Modus-Bildern speichert.
2. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Speichervorrichtung (19, 20)
aufweist:
eine erste Speichervorrichtung (19), die die digitalen Signale der A/D-Wandlervorrichtung (18) jeweils als die Daten eines B-Modus-Bildes speichert, und
eine zweite Speichervorrichtung (20), die die Daten der j verschiedenen B-Modus-Bilder, die aufeinanderfolgend von der ersten Speichervorrichtung (19) ausgelesen sind und unterschiedlichen Positionen entlang der y-Richtung entsprechen, als 3D-Bilddaten speichert, wobei die von der zweiten Speichervorrichtung (20) ausgelesenen Daten als Bilddaten mit vorgegebenen Koordinaten von der Bildverarbeitungsvorrichtung (21, 22) ausgegeben werden.
eine erste Speichervorrichtung (19), die die digitalen Signale der A/D-Wandlervorrichtung (18) jeweils als die Daten eines B-Modus-Bildes speichert, und
eine zweite Speichervorrichtung (20), die die Daten der j verschiedenen B-Modus-Bilder, die aufeinanderfolgend von der ersten Speichervorrichtung (19) ausgelesen sind und unterschiedlichen Positionen entlang der y-Richtung entsprechen, als 3D-Bilddaten speichert, wobei die von der zweiten Speichervorrichtung (20) ausgelesenen Daten als Bilddaten mit vorgegebenen Koordinaten von der Bildverarbeitungsvorrichtung (21, 22) ausgegeben werden.
3. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ultraschallimpuls-
Sende/Empfangsvorrichtung (1, 2, 3) aufweist:
einen Übertragungsimpulsgenerator (1) zum Erzeugen eines Hochspannungsimpulses während vorgegebener Zeitintervalle,
einen Ultraschallumformer (2) zum Erzeugen der Ultraschallwelle nach Empfang des Hochspannungsimpulses von dem Übertragungsimpulsgenerator (1), und
eine akustische Linse (3) zum Fokussieren der von dem Ultraschallumformer (2) ausgesendeten Ultraschallwelle.
einen Übertragungsimpulsgenerator (1) zum Erzeugen eines Hochspannungsimpulses während vorgegebener Zeitintervalle,
einen Ultraschallumformer (2) zum Erzeugen der Ultraschallwelle nach Empfang des Hochspannungsimpulses von dem Übertragungsimpulsgenerator (1), und
eine akustische Linse (3) zum Fokussieren der von dem Ultraschallumformer (2) ausgesendeten Ultraschallwelle.
4. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite Speichervorrichtung
(20) die mehreren und von der ersten Speichervorrichtung
(19) übertragenen B-Modus-Bilder in Zuordnung
mit der jeweils zugehörigen y-Kooodinate der
Probe (4) speichert.
5. Ultraschallmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulserzeugervorrichtung
(14) eine erste Vorrichtung zum Einstellen
der jeweiligen Holstartzeit für die einzelnen
Echodatensignale und eine zweite Vorrichtung zum
Einstellen der jeweiligen Abtastdauer für die einzelnen
Echodatensignale und zum Extrahieren der einzelnen
Echodatensignale aufweist.
6. Ultraschallmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktionsvorrichtung
(10 bis 16) n variable Dämpfungsglieder
(51-1 bis 51-n) aufweist, von denen jedes einen Pegel
des jeweils zugehörigen Echodatensignals, das
vom zugehörigen Gatter (11-1 bis 11-n) abgetastet
ist, steuert.
7. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß jedes der variablen Dämpfungsglieder
(51-1 bis 51-n) zwischen dem jeweils zugehörigen
Gatter (11-1 bis 11-n) und dem jeweils zugehörigen
Spitzenwertdetektor (13-1 bis 13-n) vorgesehen ist.
8. Ultraschallmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktionsvorrichtung
(10 bis 16) Bandpaßfilter (71-1 bis 71-n)
aufweist, die jeweils bei den Eingangsstufen der
Spitzendetektoren (13-1 bis 13-n) vorgesehen
sind.
9. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bandpaßfilter (71-1 bis 71-n)
Mittenfrequenzen aufweisen, die so eingestellt sind,
daß sie sich voneinander unterscheiden.
10. Ultraschallmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktionsvorrichtung
(10 bis 16) Hochpaßfilter aufweist, die jeweils
bei den Eingangsstufen der Spitzendetektoren
(13-1 bis 13-n) vorgesehen sind, wobei jedes
Hochpaßfilter einen vorbestimmten Filterdämpfungsbereich
aufweist.
11. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Filterdämpfungsbereich von jedem
der Hochpaßfilter in der Nähe einer Betriebsfrequenz
des Ultraschallumformers (2) eingestellt ist.
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