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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Eingangsanordnung für einen
Ultraschallechographen.
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Die
Eingangsanordnungen ("Front
End Conditioning" im
Englischen), auf die sich die Erfindung bezieht, sind diejenigen,
die die Ultraschallsonde, den Impulssender und den Vorverstärker miteinander
verbinden. Solche Anordnungen sind zum Beispiel in den Patenten
US 6 306 091 , 6 290 648,
5 911 692 oder 5 628 322 beschrieben. Diese Anordnungen enthalten
einen Diplexer und ggf. einen Multiplexer. Es gibt spezielle integrierte
Schaltungen, wie die Schaltungen SUPERTERX HV 232 und HV 20 822,
..., um die Multiplexer-Funktion
zu erfüllen.
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In 1 ist
das vereinfachte Block-Diagramm einer Eingangsanordnung mit Multiplexer
dargestellt. Diese Anordnung enthält eine Ultraschallsonde 1,
die bidirektional mit einem Multiplexer 2 verbunden ist.
Dieser Multiplexer ist unidirektional mit dem Ausgang eines Impulsgenerators 3 und
bidirektional mit einem Diplexer 4 verbunden. Der Diplexer
ist andererseits unidirektional mit einem Vorverstärker 5 verbunden.
In typischer Weise weist die Verbindung zwischen der Sonde 1 und
dem Multiplexer 2 128, 192 oder 256 Kanäle auf, während alle anderen Verbindungen 64 Kanäle aufweisen.
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Die
in 2 gezeigte klassische Anordnung enthält keinen
Multiplexer. Die Sonde 6 ist mit dem Ausgang eines Impulsgenerators 7 und
mit dem Eingang eines Diplexers 8 verbunden, dessen Ausgang
mit dem Eingang eines Vorverstärkers 9 verbunden
ist.
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Alle
Verbindungen zwischen diesen verschiedenen Elementen enthalten 128,
192 oder 256 Kanäle.
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Die
Anordnung mit Multiplexer hat den Vorteil einer geringeren Anzahl
von Verbindungskanälen
zwischen Elementen und eines geringeren Selbstkostenpreises. Tatsächlich ist
der Selbstkostenpreis einer analogen Anordnung im Wesentlichen proportional
zur Anzahl der Kanäle
dieser Verbindungen. Natürlich
muss zu diesem Preis der Preis des Multiplexers hinzugefügt werden,
aber letzterer ist niedriger als der der Kanäle.
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Außerdem hat
die Anordnung mit Multiplexer die folgenden Nachteile:
- – die
globale Empfindlichkeit ist reduziert. Der Multiplexer hat im leitenden
Zustand einen Widerstand von etwa 30 Ω, und dieser Widerstand erhöht das Rauschen,
das die von der Sonde empfangenen und an den Vorverstärker übertragenen
Signale beeinträchtigt,
um mindestens 1 dB;
- – bei
den höchsten
Frequenzen des Bereichs von übertragenen
Frequenzen hat der Multiplexer einen hohen Übersprechungspegel in der Größenordnung
von 40 dB. Dieses Übersprechen
wirkt auf die räumliche Verteilung
des Ultraschallstrahls und verringert die Auflösung der Maschine;
- – der
Multiplexer erfordert eine spezielle Energieversorgung mit einer
höheren
Spannung als derjenigen, die vom Impulsgenerator verwendet wird,
was die Komplexität
der Energieversorgung der Maschine vergrößert;
- – die
für den
Multiplexer erträglichen
Grenzspannungen liegen im Allgemeinen unter denjenigen, die der Impulsgenerator
aushalten kann, was den Spitzenwert der Leistung begrenzt, die vom
Impulsgenerator ausgegeben werden kann.
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Obwohl
die Anordnung ohne Multiplexer aufwändiger ist als diejenige mit
einem Multiplexer, ermöglicht
sie es, alle diese mit dem Multiplexer verbundenen Probleme zu vermeiden.
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Die
vorliegende Erfindung hat eine Eingangsanordnung für einen
Ultraschallechographen zum Gegenstand, die weniger aufwändig ist
als die bekannte Anordnung ohne Multiplexer, und die nicht die erwähnten Nachteile
der bekannten Anordnung mit Multiplexer hat, wenn sie einen Multiplexer
enthält.
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Die
erfindungsgemäße Eingangsanordnung
weist einen Diplexer auf, der zwischen einerseits die Sonde und
den Impulsgenerator und andererseits den Vorverstärker geschaltet
ist, wobei der Diplexer von dem Typ ist, der eine Diodenbrücke enthält, von
der ein Knoten über
einen ersten Widerstand mit einer positiven Spannungsquelle verbunden
ist, und deren gegenüberliegender
Knoten über
einen zweiten Widerstand mit einer negativen Spannungsquelle verbunden
ist, wobei ein dritter Knoten dieser Brücke über einen Kondensator und einen
Widerstand die Eingangssignale empfängt, die je nachdem, woher
sie kommen, zu übertragen
oder zu dämpfen
sind, wobei der vierte Knoten dieser Brücke über einen Kondensator an Masse
gelegt ist, der in Reihe mit einer parallelen Schaltung geschaltet
ist, die einen Widerstand und zwei antiparallel geschaltete Dioden
aufweist, wobei der andere Pol der Spannungsquellen, des Impulsgenerators
und der Sonde an Masse gelegt ist, und erfindungsgemäß wird im
Diplexer zwischen die beiden ersten Knoten der Brücke ein
Widerstand geschaltet, und eine Diode wird mit jedem Widerstand
parallelgeschaltet, der einen der zwei ersten Knoten der Brücke mit
einer Spannungsquelle verbindet, wobei diese zwei Dioden in der
von der negativen Spannungsquelle zur positiven Spannungsquelle
leitenden Richtung montiert werden.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Multiplexer zwischen einerseits
den Impulsgenerator und andererseits die Sonde und den Diplexer
geschaltet.
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Die
vorliegende Erfindung wird besser verstanden werden anhand der ausführlichen
Beschreibung mehrerer Ausführungsformen,
die als nicht einschränkende
Beispiele zu verstehen und in der beiliegenden Zeichnung dargestellt
sind. Es zeigen:
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die
bereits oben beschriebene 1 ein Block-Diagramm einer bekannten
Eingangsanordnung für
einen Ultraschallechographen mit Multiplexer;
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die
bereits oben beschriebene 2 das Block-Diagramm einer bekannten
Eingangsanordnung für einen
Ultraschallechographen ohne Multiplexer;
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3 ein
Schema eines Diplexers des Stands der Technik, der in der Anordnung
der 1 und der 2 verwendet
werden kann;
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4 eines
Schema eines erfindungsgemäßen Diplexers;
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5 ein
Diagramm der Dämpfungscharakteristik
in Abhängigkeit
von der Frequenz des Diplexers der 4;
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6 das
Schema eines erfindungsgemäßen Multiplexers;
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7 das
Block-Diagramm einer erfindungsgemäßen Eingangsanordnung ohne
Multiplexer; und
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8 das
Block-Diagramm einer erfindungsgemäßen Eingangsanordnung mit Multiplexer.
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Zur
besseren Erläuterung
der Vorteile der erfindungsgemäßen Eingangsanordnung,
und insbesondere ihres Diplexers, wird zunächst unter Bezugnahme auf 3 ein
Diplexer des Stands der Technik beschrieben und sein Betrieb kurz
in Erinnerung gerufen.
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Dieser
bekannte Diplexer wird von einer Anschlussklemme 10, die
mit einem positiven Potential verbunden ist, und von einer Anschlussklemme 11,
die mit einem negativen Potential verbunden ist, mit Spannung gespeist.
Zwischen die Klemme 10 und die Klemme 11 sind
nacheinander ein Widerstand 12, eine Diodenbrücke 13 und
ein Widerstand 14 geschaltet. Die Dioden 13A bis 13D der
Brücke 13 sind
bezüglich
des Stroms, der von der Klemme 10 zur Klemme 11 fließen kann,
in leitender Richtung geschaltet. Der Generator 15 von Eingangssignalen
des Diplexers, hier der Impulsgenerator des diesen Diplexer enthaltenden
Echographen, ist über
einen Widerstand 16 in Reihe mit einem Kondensator 17 mit
dem gemeinsamen Punkt der Dioden 13A und 13C verbunden,
der einen der Knoten der Brücke 13 darstellt.
Der gegenüberliegende
Knoten der Brücke, der
der gemeinsame Punkt der Dioden 13B und 13D ist,
ist über
einen Kondensator 18 mit einer Ausgangsklemme 19 verbunden.
Zwischen die Klemme 19 und Masse sind parallelgeschaltet:
ein Widerstand 20 und zwei Dioden 21, 22,
wobei letztere zueinander antiparallel geschaltet sind.
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Der
soeben beschriebene, bekannte Diplexer arbeitet folgendermaßen. In
der Phase des Sendens von Impulsen durch den Generator 15 müssen die
Dioden der Brücke 13 eine
Durchbruch-Sperrspannung aufweisen, die höher ist als die maximale Spitzenspannung
der von diesem Generator 15 erzeugten Impulse. Die an die
Klemmen 10 und 11 angelegten Spannungen erzwingen
in den beiden Zweigen der Brücke 13 ausgehend
von dem Knoten, der mit dem Widerstand 12 verbunden ist,
Ströme
I1 bzw. I2. Diese beiden Ströme
sind gleich, wenn die Dioden 13A-13B und 13C-13D gepaart
sind. Wenn zum Beispiel die in 10 angelegte Spannung gleich +5V
und die in 11 angelegte Spannung gleich –5V ist und der Wert der Widerstände 12 und 14 4000 Ω beträgt, betragen
die Ströme
I1 und I2 etwa 1 mA, was den maximalen Wert des Augenblicksstroms darstellt,
der zwischen den Kondensatoren 17 und 18 fließen kann.
Ein Augenblicksstrom, der höher
ist als dieser Wert, würde
die Dioden 13A und 13D oder 13B und 13C in
Abhängigkeit
von seiner Richtung sperren. Global arbeitet die Brücke 13 als
Strombegrenzer. Es ist einfach, den maximalen Wert des Stroms festzulegen, was
es ermöglicht,
den Impulsgenerator vom Eingangsvorverstärker zu isolieren. Die zwei
Dioden 21, 22 begrenzen die Spannung an der Klemme 19 (Eingangsspannung
des Vorverstärkers)
auf 0,6 V.
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In
der Empfangsphase der von der Sonde des Echographen aufgefangenen
Echos ist die Eingangsspannung des Vorverstärkers sehr gering. Man kann
dann annehmen, dass der durch die Kondensatoren 17 und 18 und
durch die Brücke 13 fließende Impulsstrom
immer unter 1 mA liegt. Daraus folgt, dass die Dioden der Brücke leitend
sind und sich wie niederohmige Widerstände verhalten. Wenn man die
an die Klemmen 10 und 11 angelegten Spannungen
umkehrt, bietet die Schaltung der 3 eine geringe
Eingangs/Ausgangs-Isolierung, die aber nicht ausreicht, damit sie
sich wie ein Multiplexer verhalten kann.
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Erfindungsgemäß, und wie
dies in 4 gezeigt ist, wird die Dämpfung der
vom Impulsgenerator während
der Empfangsphase der Echos gesendeten Impulse verstärkt, indem
dem bekannten Diplexer drei sehr kostengünstige Komponenten hinzugefügt werden.
Diese Komponenten sind zwei Dioden und ein Widerstand. Man fügt parallel
auf jeden der Widerstände 12 und 14 eine
Diode 23 bzw. 24 hinzu und schaltet zwischen die Widerstände 12 und 14 einen
Widerstand 25. Die Kathoden der Dioden 23 und 24 sind
zur Klemme 10 gerichtet, d.h., das sie für den Gleichstrom,
der von der Klemme 10 zur Klemme 11 fließt, nicht
leitend sind. Da die anderen Komponenten der Schaltung der 4 gleich
denjenigen der 3 sind, tragen sie die gleichen
Bezugszeichen.
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In
der Sendephase der Abtastimpulse zur Sonde des Echographen verändern die
drei hinzugefügten Komponenten 23 bis 25 den
Betrieb des Diplexers praktisch nicht. Wenn diese Impulse positiv
sind, gehen sie durch die Diode 13C, den Widerstand 25,
und kommen über
die Diode 23 und die Dioden 13B und 22 an
Masse. Die vom Widerstand 25 gebildete zusätzliche
Last, die hoch genug gewählt
wird, ist vernachlässigbar
im Vergleich mit derjenigen, die von der Sonde dargestellt wird,
was die von der Sonde empfangenen Impulse praktisch nicht dämpft. Das
Signal (von vernachlässigbarer
Größe), das
durch den Widerstand 25 geht, wird von den Dioden 23 und 22 an
Masse abgeleitet. Wenn die Abtastimpulse negativ sind, ist das Verhalten
des Diplexers symmetrisch zu dem oben erläuterten (über die Diode 13A,
den Widerstand 25, die Diode 24 und die Dioden 13D und 21 gehende
Impulse).
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In
der Empfangsphase der Ultraschallechos ist das Verhalten des erfindungsgemäßen Diplexers ähnlich dem
des bekannten Diplexers, da die Dioden 23 und 24 gesperrt
sind.
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Wenn
man die die Klemmen 10 und 11 speisenden Spannungen
vertauscht, werden die Dioden 13A bis 13D gesperrt,
während
die Dioden 23 und 24 leitend werden, und der Speisestrom
kann durch den Widerstand 25 fließen. Die beiden Dioden 23, 24,
die leitend sind, verleihen dem Diplexer eine sehr nützliche
Dämpfung
für dessen
Blockierzustand. Daraus folgt, dass gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Diplexer eine vom Generator 15 stammende Dämpfung der
Impulse aufweist, die bei 10 MHz höher ist als 60 dB, wie man
in der unteren Kurve des Diagramms der 5 sieht.
Der Wert dieser Dämpfung
kann mit Hilfe des Widerstands 25 geregelt werden. Je geringer
der Wert dieses Widerstands ist, desto höher ist die Dämpfung.
Wie man in 5 sieht, weist außerdem die
Schaltung der 4 ebenfalls die Übersprechdämpfung auf,
die von einem guten Multiplexer verlangt wird.
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In
dieser 5 entspricht die obere Kurve C1 der Dämpfung der
empfangenen Echos im "leitenden" Zustand des Diplexers
(Dämpfung
unter 1 dB im ganzen Frequenzband von 1 bis 100 MHz), während die
untere Kurve C2 der Dämpfung
des Diplexers im "blockierten" Zustand entspricht.
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In 6 ist
das Schema eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Multiplexers
dargestellt, der keine spezifische Spannungsversorgung erfordert
(d.h. mit einer höheren
Spannung als der Spitzenwert der Abtastimpulse). Dieser Multiplexer
kann bipolare Impulse empfangen.
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Der
Multiplexer 26 der 6 ist direkt
mit dem Impulsgenerator 27 über seinen Eingang 28 verbunden. Sein
Ausgang 29 ist einerseits mit der Sonde, die einfach durch
ihren äquivalenten
Eingangswiderstand 30 dargestellt ist, und andererseits
mit dem Eingang des Diplexers D verbunden, der vorteilhafterweise
derjenige der 4 ist.
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Im
Multiplexer 26 ist der Eingang 28 mit der Kathode
einer Diode 31 und mit der Anode einer Diode 32 verbunden.
Die Anode der Diode 31 ist mit dem Drain eines VMOS-Transistors 33 verbunden,
dessen Source mit der Kathode einer Diode 34 verbunden
ist. Das Gate des Transistors 33 ist über einen Widerstand 35 mit einer
Klemme 36 verbunden, an die eine positive Steuerspannung
des Transistors 33 angelegt wird. Ein Kondensator 37 ist
mit dem Gate und der Source des Transistors 33 verbunden.
Die Anode der Diode 34 ist mit einer Klemme 38 verbunden.
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Die
Kathode der Diode 32 ist mit dem Drain eines VMOS-Transistors 39 verbunden,
dessen Source mit der Anode einer Diode 40 und dessen Gate über einen
Widerstand 41 mit einer Klemme 42 verbunden ist, an
die eine negative Steuerspannung des Transistors 39 angelegt
wird. Ein Kondensator 43 verbindet die Source des Transistors 39 mit
seinem Gate. Die Kathode der Diode 40 ist mit der Klemme 38 und über einen Kondensator 44 mit
Masse verbunden. In dieser Schaltung der 6, und wie
dies für
die Schaltungen der 3 und 4 der Fall
ist, ist ein Pol der Spannungsquellen mit Masse verbunden (während der
andere Pol mit einer der Klemmen 10, 11, 36 bzw. 42 verbunden
ist).
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Die
Klemme 38 ist mit der Klemme 29 über zwei
antiparallel geschaltete Dioden 45, 46 verbunden.
Ein Kondensator 47 ist zwischen die Klemme 29 und
Masse geschaltet.
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Der
Betrieb des Multiplexers 26 ist wie folgt. Im "leitenden" Zustand des Multiplexers
gehen die vom Generator 27 gesendeten positiven Impulse über die
Diode 32, den Transistor 39 und die Dioden 40 und 46. Die
negativen Impulse gehen über
die Diode 31, den Transistor 33 und die Dioden 34 und 45.
Natürlich
müssen die
Transistoren 33 und 39 durch Steuerspannungen
leitend gemacht werden, die an die Klemmen 36 bzw. 42 angelegt
werden.
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Im "blockierten" Zustand des Multiplexers 26 werden
die beiden Transistoren durch die an die Klemmen 36 bzw. 42 angelegten
Steuerspannungen "geöffnet". Es dürfte also
kein Impuls am Ausgang 29 ankommen, aber aufgrund der Source-Drain-Störkapazität dieser
Transistoren gelangt ein geringer Teil dieser Impulse an die Klemme 38,
aber sie wird von den Kondensatoren 44 und 47 kurzgeschlossen.
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In 7 ist
das Block-Diagramm einer erfindungsgemäßen Eingangsanordnung ohne
Multiplexer dargestellt. Die Sonde 48 ist über ein
Mehrleiterkabel 49 mit dem Eingang des Diplexers 50 verbunden.
In gleicher Weise ist der Impulsgenerator 51 über ein
Mehrleiterkabel 52 mit dem Diplexer 50 verbunden.
Der Diplexer ist über
eine Mehrleiterverbindung 53 mit dem Vorverstärker 54 verbunden.
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Die
Anzahl von Kanälen
des Impulsgenerators 51 (d.h. die Anzahl von unterschiedlichen
Impulsen, die er gleichzeitig erzeugen muss) hängt von der maximalen Anzahl
von Kanälen
der Sonde 48 ab, da man im Allgemeinen mit einem Echographen
verschiedene Sonden verbinden kann. Diese Anzahl von Kanälen beträgt allgemein
128, 192 oder 256. Natürlich
hängt die
Anzahl von elementaren Diplexern, die den Diplexer 50 bilden,
von dieser maximalen Anzahl von Kanälen ab. Folglich ist die Anzahl
von Leitern der Kabel 49 und 52 128, 192 oder
256, je nach der maximalen Anzahl von Kanälen. Dagegen ist die Anzahl
von Leitern der Verbindung 53 64.
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Aufgrund
der Verwendung des erfindungsgemäßen Diplexers
in der oben beschriebenen Eingangsanordnung werden die folgenden,
durch die Verwendung der Multiplexer des Stands der Technik verursachten Nachteile
vermieden:
- – man vermeidet den hohen Widerstand
im leitenden Zustand des Multiplexers und man verbessert die Leseempfindlichkeit
der Echos;
- – das Übersprechen
liegt unter demjenigen der besten bekannten Multiplexer;
- – man
vermeidet die Verwendung einer speziellen Stromversorgung des Multiplexers;
und
- – es
ist möglich,
die durch die bekannten Multiplexer bedingten Spannungsbegrenzungen
zu vermeiden.
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In 8 ist
das Block-Diagramm einer erfindungsgemäßen Eingangsanordnung eines
Echographen dargestellt, die einen Multiplexer zusätzlich zum
Diplexer aufweist. In dieser Anordnung ist die Sonde 55 über ein
Mehrkanalkabel 56 mit dem Eingang des Diplexers 57 verbunden.
Der Impulsgenerator 58 ist über eine Mehrkanalverbindung 59 mit
dem Eingang eines Multiplexers 60 verbunden, dessen Ausgang über eine
Mehrkanalverbindung 61 mit dem Eingang des Diplexers 57 verbunden
ist. Der Diplexer 57 ist über eine Mehrkanalverbindung 62 mit
dem Vorverstärker 63 verbunden.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
hat der Generator 58 64 Kanäle. Die Anzahl von den Diplexer 57 bildenden
elementaren Diplexern, sowie die Anzahl von Kanälen der Verbindung 61,
hängt von
der maximalen Anzahl von Kanälen
der Sonde 55 ab und kann 128, 192 oder 256 betragen, je
nach den verwendeten Sonden. Die Anzahl von Kanälen der Verbindung 62 ist
hier 64.
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Man
kann die Kosten der Eingangsanordnung folgendermaßen grob
berechnen. Man nimmt als Basiskosten gleich der Einheit 1 die
Kosten des Generators 58. Die Kosten eines elementaren
Vorverstärkers
(der zur Zusammensetzung der Einheit 63 gehört) beträgt 6 Einheiten,
während
die Kosten eines elementaren Multiplexers des Stands der Technik
guter Qualität
1 Einheit beträgt,
die Kosten des elementaren Diplexers (der Erfindung oder des Stands
der Technik) betragen 0,1 Einheit und diejenigen des elementaren
Multiplexers der Erfindung 0,4 Einheit. Die nachfolgende Tabelle
zeigt die globalen Vergleichskosten einer Eingangsanordnung des
Stands der Technik (S1), einer erfindungsgemäßen Eingangsanordnung ohne
Multiplexer gemäß 7 (S2)
und einer erfindungsgemäßen Eingangsanordnung
mit Multiplexer gemäß 8 (S3),
und dies nacheinander für
128, 192 und 256 Kanäle,
die von der Sonde geliefert werden. In dieser Tabelle ist der elementare Impulsgenerator
mit GI, der elementare Multiplexer des Stands der Technik mit M1,
derjenige der Erfindung mit M2, der elementare Diplexer des Stands
der Technik mit D1, derjenige der Erfindung mit D2 und ein elementarer
Vorverstärker
mit PA bezeichnet.
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Es
ist anzumerken, dass die Lösungen
S2 und S3 keine spezielle Leistungsversorgung für den Multiplexer erfordern
(was zu einer zusätzlichen
Kostenreduzierung führt)
und bessere Leistungsmerkmale aufweisen. Schließlich erhält man eine Verbesserung von
1 bis 2 dB des Signal/Rausch-Verhältnisses des Echographen (in
Abhängigkeit
von den Eigenschaften seiner Sonde).
