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Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß ihrer Definition in den
Ansprüchen ein Untersuchungsgerät von Medien mittels Ultraschall-Echographie mit
einem Netz von n Ultraschall-Transducern, kombiniert mit einer Stufe zum Senden der
Medien-Untersuchungssignale und einer Stufe zum Empfang und der Verarbeitung der
von den in dem untersuchten Medium begegneten Hindernissen zu den besagten
Transducern zurückgeworfenen echographischen Signale. Diese Erfindung ist
insbesondere im medizinischen Bereich einsetzbar, z. B. für Herz-Echographien, doch
auch für andere Medienanalysen als für biologische Gewebe verwendbar, z. B. zur
nichtdestruktiven Untersuchung sehr unterschiedlicher Stofftypen.
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Die europäische Patentanmeldung EP-0323668 beschreibt ein Gerät dieses
Typs, in dem ein interessanter Kompromiß zwischen dem Funktions- und dem
Auflösungstakt eingegangen wird. Die beschriebene Lösung besteht darin, nacheinander,
doch so schnell aufeinanderfolgend wie möglich, m Ultraschallstrahlen, fokussiert in m
verschiedene Richtungen, zu senden, während der Empfang und die Verarbeitung der
gebildeten echographischen Signale dann über die bereits bekannten Mittel zur
simultanen Fokussierung der m Ultraschallstrahlen, die aus diesen m Richtungen
zurückkommen, versichert werden (diese bekannten Mittel werden z. B. in dem Artikel
von O. T. von Ramm, S. W. Smith und H. E. Pavy, High-speed ultrasound volumetric
imaging system, Part II: Parallel processing and image display", IEEE Trans. on
UFFC, Band 38, Nr. 2, März 1991, Seiten 109-115, beschrieben). Bei diesem Gerät ist
es jedoch erforderlich, zu warten, bis alle aufeinanderfolgenden Sendungen beendet
sind, bevor man mit dem Empfang der zu den Transducern zurückgesandten
echographischen Signalen beginnen kann (diese Sendesequenz dauert eine Zeit gleich
der Summe maximaler Verzögerungen, die jedem Fokussierungsgesetz der gesandten
Strahlen entsprechen). Tatsächlich kann man mit einem Transducer simultan senden und
empfangen. Diese Zeitzwänge nötigen einerseits dazu, die Anzahl gesandter Strahlen zu
begrenzen, und führen andererseits dazu, aus dem zu untersuchenden Bereich eine
gewisse Medientiefe auszuschließen, eine Art tote Zone entsprechend dem am nächsten
am Transducernetz liegenden Medienbereich.
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Ziel der Erfindung ist es, ein Untersuchungsgerät von Medien mittels
Ultraschall-Echographie vorzuschlagen, das diese Begrenzungen in weitem Maße
überwindet.
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Zu diesem Zweck ist das Gerät nach der Erfindung in einer ersten
Durchführungsform dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Sendestufe Mittel zum
Fokussieren von m simultan gesandten Ultraschallstrahlen enthält, in der Form von n
Sendemodulen, selbst, und z. B. das i-te, jeweils versehen mit m parallelen
Signalgeneratoren entsprechend sphärischen Wellenfronten selber Amplitude, einer Stufe
zum Kombinieren der so erzeugten m Signale zum Übereinanderschichten von m
gesonderten Fokussierungsgesetzen, und einem Verstärker, vorgesehen, um das
verstärkte kombinierte Signal an den dem betrachteten Sendemodul entsprechenden
Transducer zu liefern, oder, in einer zweiten Durchführungsform, dadurch
gekennzeichnet, daß die besagte Sendestufe Mittel zum Fokussieren von m simultan
gesandten Ultraschallstrahlen enthält, in der Form von n Sendemodulen, selbst jeweils
versehen mit einem Signalgenerator, gefolgt, zum Übereinanderschichten von m
gesonderten Fokussierungsgesetzen, ausgehend von einem Signal entsprechend einer
sphärischen Wellenfront bestimmter Amplitude, von m parallelen
Verzögerungsschaltungen, einer Stufe zum Kombinieren der so erzeugten m Signale und
einem Verstärker, vorgesehen, um das verstärkte kombinierte Signal an den dem
betrachteten Sendemodul entsprechenden Transducer zu liefern.
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Um den Wirkungsgrad der so vorgeschlagenen Struktur besser zu
verstehen muß man sich in dem betrachteten Untersuchungsmedium zwei reflektierende
Hindernisse eines jeweiligen Reflexionsvermögens R1 und R2 vorstellen, in gleichem
Abstand zum Sendenetz gelegen. Wenn solche Reflektoren einen Ultraschallimpuls
erhalten, der sich wie eine ebene Welle verbreitet, werden zwei Signale, oder Echos,
einer Amplitude proportional zu R1 und R2 zu dem Sendenetz zurückgesandt. Wenn
man dann, z. B. in einem digitalen Speicher, das für jedes Transducerelement dieses
Netzes empfangene Signalecho abspeichert, und simultan diese jedem Element
entsprechenden Speicher nach Art eines FIFO-Speichers (first in first out) liest (nach
einem Verfahren, das mit zeitlicher Inversion bezeichnet werden kann), können diese
Transducerelemente von denselben Echos neu stimuliert werden, nachdem sie allerdings
einer zeitlichen Inversion unterworfen wurden. Dieser Stimulierungsmodus des Netzes
bringt sichtlich aufgrund der Reversibilität zwei simultane Strahlen mit zu den
vorhergehenden identischen Amplituden hervor, weiterhin proportional zu R1 und R2,
deren Fokussierung über die beiden zu Beginn betrachteten Reflektoren stattfindet.
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Die Analyse der hier oben vorgenommenen Operationen führen zu zwei
Bemerkungen. Einerseits bilden die von den Transducerelementen des Netzes
empfangenen und von den Speichern abgespeicherten Echos, aufgrund der Linearität
aller einbezogenen Ultraschall- oder Elektronikphänomene (Transduktion, Diffusion,
Diffraktion, Analog-Digital-Wandlung...), die Summe zweier auf die beiden Reflektoren
ausgerichteten sphärischen Wellenfronten. Andererseits bringen die
aufeinanderfolgenden Iterationen des hier oben beschriebenen reversiblen Verfahrens
jedesmal zwei Ultraschallstrahlen hervor, und, nach der n-ten Iteration, haben die
beiden Strahlen jeweils zu R&sub1;n und R&sub2;n proportionale Amplituden. Für n ausreichend
groß, wenn z. B. R&sub1; größer als R&sub2; ist (oder reziprok), wird die Amplitude des zweiten
Strahls (oder jeweils des ersten Strahls) vernachlässigbar, und es verbleibt nur ein sich
auf den entsprechenden Reflektor fokussierender Strahl. Wenn dagegen R&sub1; und R&sub2;
gleiche Koeffizienten sind, behalten die beiden Wellenfronten strikt dieselbe Amplitude
bei: daraus kann man folgern, daß die für die Ermöglichung einer simultanen
Übertragung von zwei Strahlen zu erfüllende Bedingung darin besteht, daß die
Stimulationssignale der Summe zweier sphärischer Wellenfronten selber Amplitude
entsprechen.
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Diese Folgerung der beiden vorhergehenden Bemerkungen kann im Falle
einer beliebigen Anzahl Strahlen verallgemeinert werden: die ausreichende Bedingung
zur Realisierung einer simultanen Übertragung von m Strahle ist, daß die
Stimulationssignale der Summe von m sphärischen Wellenfronten selber Amplitude
entsprechen. Im Falle eines einzigen Strahls wird das erforderliche Stimulationssignal -
d. h. eine sphärische Wellenfront, ausgerichtet auf den Reflektor oder einen gewünschten
Brennpunkt - von einer Familie Ultraschallimpulse mit sphärischer Verzögerung
gebildet, wie von den aktuellen Ultraschall-Echographiegeräten mit Öffnung
bereitgestellt (im allgemeinen unter Zuhilfenahme eines Impulsgenerators und eines
Satzes Verzögerungsleitungen gleicher Anzahl wie die der jeweils durch einen
individuellen Impuls zu stimulierenden Transducerelemente). Ebenso wird im Falle von
m Strahlen das globale Stimulationssignal der Transducerstruktur - d. h. m sphärische
Wellenfronten gleicher Amplitude, ausgerichtet auf m Brennpunkte - durch lineare
Summierung von m ähnlichen Familien sphärisch verzögerter Impulse erhalten, zum
entsprechenden Brennpunkt ausgerichtet, d. h. m jeweils mit einem spezifischen
Verzögerungsgesetz kombinierter Familien zur Ermöglichung der Fokussierung des auf
einen der m Brennpunkte ausgerichteten Strahls.
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Dank solch einer Transducerstruktur kann die Sendezeit auf einen Wert
gleich oder größer der mit jedem der m betrachteten Fokussierungs-
Verzögerungsgesetze zurückgebracht werden, was die Erhöhung des Funktionstaktes
und zugleich die Verminderung der Tiefe der von der Untersuchung ausgeschlossenen
toten Zone oder, bei konstanter Tiefe, die Erhöhung der Anzahl m Strahlen ermöglicht,
die gesandt werden können.
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Die europäische Patentanmeldung EP-0335578 beschreibt zwar ein
Ultraschallbildsystem mit Mitteln zur Fokussierung von simultan gesandten
Ultraschallstrahlen. Diese simultanen Sendungen rühren jedoch von zwei (oder
mehreren) simultan aktiven, getrennten akustischen Öffnungen her und bilden tatsächlich
in bezug auf das gesamte Netz elementarer Ultraschalltransducer ebensoviele
unabhängige Unternetze, denen im Gegensatz dazu nicht unbedingt untereinander völlig
unabhängige Richtungen zugeteilt sind. Im vorliegenden Fall geht es nicht darum,
quasiunabhängige Transducergruppen zu verwenden, sondern im Gegenteil um den Einbezug
der Gesamtheit einer selben akustischen Öffnung zur Fokussierung von m simultan in m
verschiedene Richtungen gesandter Strahlen. Dieses Ergebnis wird durch
Übereinanderschichtung über dieselben Transducerelemente von m unterschiedlichen
Fokussierungsgesetzen erhalten, während die Sendestufe, die dieses simultane Senden
genehmigt, die beiden weiter oben aufgeführten und weiter unten mehr im Detail
beschriebenen Durchführungsformen annehmen kann.
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Zur Realisierung dieses simultanen Sendens kann die Kombinationsstufe
der besagten Sendestufe in einer ersten Durchführungsform ein Summierer mit m
Eingängen sein, die n Verstärker sind im gesamten betreffenden Dynamikbereich
kontinuierlicher Verstärkung. In einer anderen Durchführungsform des Gerätes sendet
diese Stufe nicht mehr die exakte Summe der m Signale, sondern eine einfachere
Kombination, die eine Annäherung an diese exakte, gewünschte Summe bildet. Dieses
kombinierte Signal wird z. B. unter Zuhilfenahme einer logischen ODER-Schaltung
erhalten, die n Verstärker können dann auf nur zwei Ebenen des Ausgangs sein.
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Die Kommunikation "Golay codes for simultaneous multi-mode Operation
in phased arrays", 1982 Ultrasonics Symposium, Band 2, 27. 10. 82, San Diego,
Kalifornien, USA, Seiten 821-825, beschreibt ein System zur simultanen
Ultraschallübertragung von Strahlen ohne Nebenkeulen, das mit einer einzigen
Signalquelle arbeitet und auf gepaarte oder zusätzliche Golay-Codes zurückgreift, um
solche Strahlen zu erhalten. Diese Lösung ist jedoch komplexer als die hier
vorgeschlagene und scheint dazu nicht auf eine beliebige Anzahl m Strahlen ausweitbar.
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Es werden jetzt die Besonderheiten der Erfindung präziser verdeutlicht,
anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen, die als nicht
begrenzende Beispiele gegeben sind und folgendes darstellen:
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- Fig. 1 zeigt sehr schematisch die Struktur einer Ultraschall-
Echographie nach der Erfindung;
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- die Fig. 2 und 3 zeigen in einem dem der Fig. 1 entsprechenden
Gerät zwei Durchführungsbeispiele eines der Sendemodule einer Sendestufe nach der
Erfindung;
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- Fig. 4 zeigt eine Durchführungsvariante im Innern jedes der
Sendemodule der Fig. 2 oder der Fig. 3.
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Ein Untersuchungsgerät von Medien mittels Ultraschall-Echographie nach
der Erfindung enthält, wie auf Fig. 1 gezeigt, eine Transducerstruktur, hier
zusammengesetzt aus einem Netz von n Ultraschalltransducern 10a, 10b, 10c, ..., 10i,
..., 10n. Mit diesem Netz sind einerseits eine Stufe 20 zum Senden von
Ultraschallsignalen in das zu untersuchende Medium, und andererseits eine Stufe 30 für
den Empfang und die Verarbeitung der echographischen Signale verbunden, die über
diverse Hindernisse, denen die gesandten Signale in dem besagten Medium begegnen,
zu den Transducern 10a bis 10n zurückgesandt werden.
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Die Sendestufe 20 enthält hier entsprechend der Erfindung n Sendemodule
200a, ..., 200i, ..., 200n (mit z. B. n = 64). Diese n Module enthalten selbst wiederum,
und z. B. das i-te, wie auf Fig. 2 dargestellt, m Signalimpulsgeneratoren 201ai bis
201mi, wobei m die Anzahl Strahlen ist, die man in m verschiedene Richtungen senden
will (es wurden Versuche durchgeführt mit z. B. m = 5). In diesem i-ten Sendemodul
sind die m Generatoren 201ai bis 201mi parallel, und ihre m Ausgänge bilden die
parallelen Eingänge einer Stufe 202i zur Kombination der m so erzeugten Signale.
Schließlich ist ein Verstärker 203i vorgesehen, um das verstärkte kombinierte Signal zu
dem dem betrachteten Sendemodul entsprechenden Transducer zu liefern.
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Da die betrachteten Ultraschallphänomene linear sind, ermöglicht es die
oben aufgeführte Sendestufenstruktur, simultan die Summe der m Signale zu senden,
die, individuell genommen, dem Senden in jede der m betrachteten Richtungen
entsprechen würden. Man nutzt daher den Stimulationsmodus jedes Transducers und
somit den Auslösepunkt jedes der m Generatoren jedes Moduls 200a bis 200n, um ein
komplexes Verzögerungsgesetz zu realisieren, das, nach dem vermerkten
Linearitätsprinzip, die Summe der elementaren Verzögerungsgesetze ist, entsprechend
dem zeitverschiedenen Senden in die besagten m Richtungen. Dasselbe Ergebnis kann,
wie von der in Fig. 3 dargestellten Sendemodulvarianten gezeigt, durch den Austausch
der m Generatoren 201ai bis 201mi in jedem der n Module durch einen einzigen
Generator 300i erhalten werden, gefolgt von m Verzögerungsschaltungen 301aj, 301bj,
301ci, ..., 301m-1i, 301mi.
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In der soeben beschriebenen Durchführungsform sind die n
Kombinationsstufen, von denen nur die i-te dargestellt ist, Summierer mit m Eingängen,
und das an jeden Transducer gelieferte verstärkte kombinierte Ausgangssignal entspricht
exakt dem Signal, das sich theoretisch aus der Kombination der m gewünschten
Sendegesetze ergibt.
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Ein vergleichbares technisches Ergebnis kann im Rahmen der
vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer abgeänderten
Kombinationsstufenstruktur erhalten werden, in der die Elemente 202i und 203i durch
die in Fig. 4 dargestellten Elemente 402i und 403i ersetzt werden. Tatsächlich kann
man sich damit begnügen, jedem Transducer ein verstärktes kombiniertes Signal zu
liefern, das nur eine Annäherung an das vorhergehende ist, indem nicht mehr das Signal
exakter Summe, sondern ein angenähertes Signal gesandt wird, erhalten am Ausgang
einer Kombinationsstufe 402i, die hier eine logische ODER-Schaltung ist. Diese
logische ODER-Schaltung jedes Moduls wird am Ausgang der m Generatoren 201ai bis
201mi vorgesehen (oder, je nach Fall, der m Verzögerungsschaltungen 301ai bis 301mi,
parallel am Ausgang des einzigen Generators 300i) und liefert ein kombiniertes Signal,
das aktiv ist, wenn mindestens eines der Ausgangssignale der m Generatoren 201ai bis
201mi (oder, je nach Fall, der m Verzögerungsschaltungen 301ai bis 301mi) selbst aktiv
ist. Man erhält so eine binäre Summierung, und der Verstärker 403i, der dieser Stufe
402i folgt, ist vereinfacht, da ihm zwei Ausgangsebenen genügen und er folglich keine
kontinuierliche Verstärkung in einem bestimmten Dynamikbereich benötigt.
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Der Empfang und die spätere Verarbeitung der so gesandten Signale (in
der einen oder der anderen Durchführungsform) sind bekannten Typs (siehe
insbesondere das bereits zitierte Dokument "IEEE Trans. on UFFC") und werden
folglich hier nicht beschrieben.