EP0000068A1 - Vorrichtung zur Ultraschalldarstellung mittels dynamischer Fokussierung - Google Patents

Vorrichtung zur Ultraschalldarstellung mittels dynamischer Fokussierung Download PDF

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EP0000068A1
EP0000068A1 EP78100126A EP78100126A EP0000068A1 EP 0000068 A1 EP0000068 A1 EP 0000068A1 EP 78100126 A EP78100126 A EP 78100126A EP 78100126 A EP78100126 A EP 78100126A EP 0000068 A1 EP0000068 A1 EP 0000068A1
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EP
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pulses
memories
signals
memory
reading
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William E. Dr. Glenn
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New York Institute of Technology
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New York Institute of Technology
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    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • G10K11/341—Circuits therefor
    • G10K11/346—Circuits therefor using phase variation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/08—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S15/8906—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques
    • G01S15/8909—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration
    • G01S15/8915—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration using a transducer array
    • G01S15/8922—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration using a transducer array the array being concentric or annular
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    • G01S15/8909—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration
    • G01S15/8931—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration co-operating with moving reflectors

Definitions

  • the invention relates to a device for displaying a body on a television picture and in particular to the use of dynamic focusing that can be applied to ultrasound imaging systems.
  • Ultrasound technology has become increasingly important in clinical diagnostics.
  • Ultrasound technology has already been used in the fields of gynecology, neurology and cardiology, among other things, e.g. was successfully used to visualize subcutaneous blood vessels (including smaller ones).
  • Ultrasound differs from other types of radiation due to its harmless effect on living systems because it is purely mechanical wave nature.
  • the ultrasound technology makes it possible to obtain information that cannot be obtained by other methods, for example by examining with ⁇ and X-rays. Above all, the risk of injury when using ultrasound is much less than e.g. B. when using ionizing rays (y or x-rays).
  • Ultrasound is mainly used as a pulse echo method in diagnostic technology, which involves pulses of ultrasound energy periodically from a piezoelectric transducer; e.g. B. lead-zirconate-titanate ceramic-based.
  • Every small pulse of ultrasonic energy is directed as a sound wave at the patient's body, penetrating through various surface structures, if necessary. If an interface of the body has an irregularity at which the phase of the ultrasonic wave changes, part of the ultrasonic energy becomes thrown back again.
  • the ultrasound device After an ultrasound pulse is delivered, the ultrasound device is usually placed on reception in order to be able to convert reflected (or echo) signals from the body back into electrical signals.
  • the time after which these echo signals return to the receiver is directly dependent on the distance of the reflection source and the speed of sound.
  • the strength of the sound echo is also interesting because it provides information about the type of fault.
  • the echo of sound waves can be represented in different ways.
  • the time generator is due to the horizontal deflection of the cathode ray tube.
  • a constant repetition of the impulse / echo process, synchronized with the time generator, then leads to a still picture, so-called "A-scan", in which the time is proportional to the depth of penetration and vertical deflections signal existing disorder.
  • the intensity of these vertical deflections is a measure of the intensity of the echo.
  • B-scan Another common type of pictorial representation of ultrasound waves is the so-called B-scan, in which the echo information corresponds to the usual television picture. ie the received echo signals are used to modulate the brightness of the screen per sampling point.
  • This type of screen is specifically used for sound wave viewing through the body so that each intensity information occupies multiple scan lines of the screen and the successive positions are used to display successive lines on the screen.
  • An object of the invention was to provide a device in which the ultrasound scanning through the body is carried out with a reflector which is mechanically guided over a certain angle with the same frequency as rotated for the deflection of the electron beam of a screen.
  • the reflector would have to be turned sawtooth like the line drive of the screen to avoid losses.
  • this is practically impossible. Ultrasonic waves are therefore not easily suitable for display on an electrically controlled screen.
  • the sound excitation or sensor plate of the devices described has limited dimensions, on which the limited penetration depth of the measurable ultrasonic waves depends. It is also known that ultrasonic waves can be directed with suitable lenses, as are described in US Pat. No. 3,598,559 and / or by dividing the ultrasound excitation and sensor system into different ones small parts connected by different delay lines. One type of focusing can be achieved, for example, by designing sound-absorbing components with a multiplicity of concentrically interposed disks of transmission elements which are connected via different delay lines. Because of the relatively low speed of sound, the path difference that the sound waves cross from the center of a transmitter to its edge zone on the way there and back via a theoretical focal point and back plays a major role if beam bundling is provided analogously to electromagnetic waves.
  • the path difference between the short path from the focal point to the center of the transmitter to the path from the focal point to the edge of the transmitter must be compensated for with delay means in accordance with a double pass of the ultrasonic waves. Electrical delay lines on the way from the electrical exciter to the sound transducer have proven their worth.
  • Non-changeable delay lines only allow an ultrasound measurement with a fixed predetermined focal point, which can be adapted to different problems for examination when the delay lines are varied.
  • ultrasound waves stay longer in the body for deeper examination. An examination requires observation of the body at different depths. In the case of a more in-depth examination, the path or difference in path between the central receiving point and peripheral zones is somewhat equalized, which must be taken into account by setting the delay lines accordingly. Because of the large number of setting options for the delay lines, the technical scope and use of such devices is very complicated.
  • the object of the invention is to create an ultrasonic echo measuring device which is constructed as economically as possible, works trouble-free and is easy to use. An object of the invention is therefore seen primarily in significantly improving known devices.
  • a device for imaging ultrasound, which is applied to a body for diagnosis and which is partially reflected back as an echo, with an electroacoustic transducer according to the invention consists of a plurality of elements of the transducer, which are arranged in concentric rings one inside the other in one plane. Such an electroacoustic transducer is advantageously used simultaneously for emitting the ultrasonic waves and for receiving the reflected ultrasonic waves.
  • the device also has a large number of register units, preferably analog counters of the so-called “CCD” type (charge transport storage register). Each register is coupled to a converter element.
  • a clock pulse generator is connected to each register and generates signals with a first clock frequency. Furthermore, a large number of further clock pulse generators are provided, which are also connected to the analog memories.
  • the second type of clock generator delivers clocks with different predetermined clock frequency.
  • time-dependent clocks are provided which control the operation of the first and second clocks, so that alternately one memory is loaded with one frequency and the other memory is read out with the other frequency at the same time.
  • an electrical connection is provided for transporting the read signals to an imaging system.
  • the delay line required for each converter element is replaced by a predetermined frequency of the second clock generator. With the respective clock frequency, a line is read into a memory with a corresponding delay. By delaying the clock frequency read frequency can be read from the memory with a common frequency for all segments.
  • Another embodiment of the invention is seen in the fact that, contrary to the reading method described so far, the memories are loaded with a common frequency and the delay required for each segment is only taken into account when reading out with a different frequency. In addition, when reading in and reading out the clock frequency, it can be matched to the respective segment.
  • Control panel 10 includes a screen 11, such as a cathode ray tube, in a suitable front panel.
  • a video tape recorder or other memory can also be used
  • the measuring head 50 (or probe) is connected to the control panel 10 with an electrical line 48.
  • the measuring head 50 of the present exemplary embodiment is essentially cylindrical in shape and has, in the vicinity of one end, a scanning window 51 which, for example, is made of resilient material such as. Silicone rubber.
  • the measuring head 50 is brought into a position to be held by the operator, so that the scanning window 51 is directed towards the object to be scanned.
  • the object shown in FIG. 1 for example, the area around the heart of a People are scanned.
  • the probe can also be used to measure other parts of the body or other objects to which it should be directed with a handle.
  • the probe 50 is shown in cross section, to which associated parts of the evaluation electronics are connected, which can be arranged partly in the probe 50 and partly in the control panel 10.
  • the housing of the measuring head 50 includes a front sound guiding chamber 52, which contains a liquid, and a rear sound measuring chamber 53; which contains part of the electronics. Both chambers 52 and 53 have a cylindrical shape with the same diameter, so that they can be assembled into a cylinder with the aid of a tube 54 which has an annular extension 55 on its outside.
  • the (inner) tube 54 carries a flat-shaped sound generator 80 and a sound collecting lens 90, of which the. the two housing parts are separated from one another (cf. US Pat. No. 3,958,559).
  • the scanning window 51 is located at the end of the chamber 52.
  • an elastically resilient membrane 56 for example silicone rubber membrane
  • the front sound chamber 52 is filled with a liquid 57, for example water.
  • the membrane 56 should be so elastic that it lies smoothly with the measuring head on the surface of the body to be measured in order to keep disturbing reflections of sound waves at a transition between the liquid of the device to the object as low as possible.
  • a flat, e.g. Metallic, sound-reflecting scanning device 70 is arranged in the liquid 57 between the sound lens 90 and the scanning window 51.
  • the scanning device 70 (sound mirror) is fastened to an axis 71 which is perpendicular to the plane of the drawing and which can be passed through the housing wall of the front sound guide chamber 52 in order to be operated from the outside by a small electric motor 72 which generates the reciprocating movement .
  • a torque transmitter 73 which is also fastened on the axis of rotation of the sound mirror and on the housing 52, has been particularly highlighted in FIG. 2.
  • the torque transmitter 73 shown in dashed lines can be accommodated in another housing part (not shown).
  • the sound generator (exciter) 80 is connected directly to an electrically operated sound generator or sound receiver 130, from which sound-stimulating pulses alternate and sound echo pulses coming back are received at the sound sensor 80. It is not shown that various electrical devices known per se for concentrating the ultrasound beam can be provided between the acoustic exciter 80 and the electrical exciter 130.
  • the electroacoustic transducer 80 is divided into a plurality of segments which lie in concentric rings around a central element in one plane. In the illustration, only three segments, designated 81, 82 and 83, are shown instead of a confusing variety. Of course, the electroacoustic transducer has many more segments.
  • the segments of the electroacoustic transducer 81-83 are connected to an electrical pulse generator 120, from which they can be excited in a known manner to emit ultrasound.
  • the transducer elements are also connected to the new circuit for dynamically adjusting the focus according to the invention.
  • the circuit designated 130 works only when sound waves are received and forwards electrical signals in accordance with the reflected echo signals of the ultrasound for the purpose of being displayed on a screen. Pre-amplifications and amplifiers, which are not shown in detail in the figure, may also be present in this circuit.
  • the output of the circuit 130 for the dynamic adjustment of the focal point is connected to a screen 11 and a further receiver which is used for storing the television picture by means of a video device.
  • a particularly advantageous circuit for amplifier control is described in more detail in US Pat. No. 4,043,181 (US Ser. No. 569,185). Such an amplifier control is intended to filter out echo signals which arise outside the measuring range.
  • the timing generator 170 is provided to generate pulses at equal intervals with which the system is synchronized; the pulses of the timing generator 170 become the pulse generator 120 and the dynamic pulse receiver 130 alternately and in addition from the scanning drive and the circuit for deflecting the electron beam 180, so that pulsed ultrasonic pulses are emitted and received alternately and that the movement of the mirror drive and the vertical and horizontal deflection of the electron beam of the cathode ray tube 11 are coordinated.
  • the circuit generally works as follows: A carrier signal from the time-constant clock generator 170, conducted via the connection 178, excites the pulse generator 120 to generate pulses that are transmitted to the segments of the electroacoustic transducer 80. As is known, concentric ring segments of ultrasound transducers are excited to align an ultrasound beam with a focal point via delay lines. A further beam alignment is possible through the lens 90.
  • the ultrasound beam introduced into the body to be examined via the scanning mirror 70, the area of which is shown in the figure by dotted lines, is partially recognized as an echo after the sound has been emitted by the subsequent switchover of the device to reception.
  • the electroacoustic transducer 80 now converts the echo signals reflected back via the scanning mirror into electrical impulses in the opposite direction.
  • the electrical signals are made visible on a screen 11 by the switching module 130.
  • the screen shows a section in the direction of the ultrasonic wave sent through the object, so-called B scanning direction.
  • the second dimension of the image is the swivel range of the ultrasound wave, which is obtained by slowly moving the scanning mirror 70 back in the direction of the double-sided arrow 7.
  • FIG. 3 shows a block diagram of the electrical circuit for dynamic beam alignment for the switching module 130, which is connected to the segments of the ultrasonic transducer 80.
  • a memory 131-133 is connected to each segment 81-83.
  • the memories are preferably components that operate analogously as so-called CCD components.
  • the output of this memory is applied to an adder 147, the output of which is at the input of gate 148.
  • the output of gate 148 is connected to screen 11 via a filter 149, from which impressed clock pulses are probed.
  • Clock generators 141, 142 and 143 are each assigned to a sound converter 81-83, on which they generate clocks with which information is fed into the registers 131-133.
  • the clock generator 141 generates a predetermined frequency F 0
  • the clock generator 142 a predetermined frequency F 0 + A F 1
  • the clock generator 143 a predetermined frequency F 0 + ⁇ F 2 .
  • the outputs of the clock generators 141-143 are connected to the corresponding register inputs via AND gates 151, 152 and 153, through which the counting into the memories is controlled.
  • the second input of each AND gate 151-153 is at the output of switch 154.
  • the output of AND gate 151 is connected, in addition to the input of memory 131, to counter 155, which counts pulses with a frequency F 0 .
  • each register 131-133 has n memory locations, accordingly the counter 155 counts up to the number n at a maximum.
  • the counter 155 When the counter 155 has counted n pulses, it resets its counter to 0 and closes the switch 154, which of the Time generator 170 is controlled.
  • the counting signal described in this way can advantageously be used to switch the device from transmission to reception.
  • the clock frequency of the time-dependent clock generator 170 is also set such that only echo waves in the intended measuring range are received.
  • a pulse generator 135 provides pulses of frequency F C which are connected to each memory 131-133 and after which the information is read from the memories. Of the. Output of generator 135 is connected to the memories via gate 139.
  • the gate 139 which is also connected to a counter 136, which counts a maximum of m digits, sets the counter 136 to 0 when the maximum permissible pulses m are reached, closes the switch 137 and exchanges the mode of operation of the device from reception to storage via the Switch 155, in which the switch 137 sets the AND gate 139 and the AND gate 148 in the shifted switching position.
  • a delay in the ultrasound pulses is therefore only simulated after receipt in that the signals supplied by the ultrasound transducer are read in with a higher clock frequency increasing towards the edge of the transducer. This compensates for the path difference from the edge visible from FIGS. 4 A and B.
  • the difference in the respective clock frequency is doubled by a corresponding readout process.
  • the delay is therefore set directly by the clock generators 141-143.
  • the difference in the delay depends on the penetration depth (cf. FIGS. 4 A and ⁇ , in which measurement at different focal points Z a to Z c'd is shown), the difference in the delay of the adjacent transducer elements must be set inversely to the penetration depth. Part of the delay is taken over by the focusing lens 90 (FIG. 2), which, however, should not be greater than the minimum delay at the maximum penetration depth.
  • the known ultrasound devices were not suitable for penetration depths beyond this. If measuring devices with an arbitrarily large penetration depth are to be developed, then the focusing lens 90 would first have to be dispensed with.
  • FIG. 4 A shows an arrangement approximately in the order of magnitude of a device to be built, from which it can be seen that sound waves from the intended focal point Z a to the first ring take 2.5 msec and to the second receiver ring 5.0 msec longer than to the center . If the depth of penetration is greater, the difference is that the ultrasonic waves from the focal point to the outer receiver zones require correspondingly less.
  • the clock generators 141 - 143 deliver pulses with a frequency of 20 megahertz, 21.5 megahertz and 22.22 megahertz.
  • the device is set as follows:
  • the timing generator 170 is set to a signal which is recorded in the shortest time from point Z a in segment 81.
  • the clock-wise storage of the signals in the memories 131-133 now lasts 50 ⁇ sec., Which corresponds to exactly 1000 clocks at a 20 megahertz frequency.
  • the counter. 155 counts these 1000 clocks exactly until the memory is completely filled, so that echo information from the focal point Z a is available in the last filled-up memory location.
  • the clock periods of the clock generators 142 and 143 last 47.5 and 45 microseconds.
  • the external ultrasound transducers are thus divided into smaller storage locations, so they receive more timing pulses after the same reception time, so that the information from the focal point is also stored in the last storage location.
  • the smaller the storage clock frequency the greater the distance to the corresponding information of the neighboring converters. In this way, the focus is shifted electrically adjustable.
  • FIG. 4B shows the course of the ultrasound waves from focal points Z b and Z c which are further away, with a path length of 40 ⁇ sec. the difference to the outer receivers 82 and 83 on 0.5 and 1 ⁇ sec. has shrunk. This, smaller path difference is compensated for by a correspondingly smaller cycle number difference.
  • a particularly advantageous device of the invention is seen in the fact that components for setting the number of cycles of each register are operably connected by a common drive shaft in such a way that they simultaneously determine the number of cycles in proportion to the distance between the focal point and in relation to the change in the number of cycles of the adjacent memories. Such an adjustment can also be done in stages.
  • FIG. 5 an electrical circuit with corresponding block symbols is shown in FIG. 5, in which the corresponding components are provided with reference numerals that differ from the reference numerals in FIG. 3 by a 2 in the hundreds if they fulfill corresponding tasks.
  • the electrical circuit according to FIG. 5 differs from that described in FIG. 3 by delay elements 201 and 202 on the direct connection of the electroacoustic transducers 81-83 to the pulse generator and to the receivers.
  • These delay elements 201 and 202 (D 1 , D 2 ) the variable focal point is set without much change in the clock numbers of the clock generators 241-243. This is particularly advantageous when an ultrasound device with variable focal point setting, which also has problems with aspherical optics such as electromagnetic waves, is given a further possibility of variation.
  • FIG. 6A shows a cross section of a measurement with a relatively close focal point Zq, while in FIG. 6B one further away lying focus Zr is shown.
  • the delay elements 201 and 202 (or D 1 and D 2 ) electrically compensate the specification with which the ultrasound waves arrive in the central segment 81 rather than in the outer segment 83.
  • FIG. 7 shows how the progressive change in the clock frequency of elements of the sound transducer from the inside out can be used simultaneously for the input and removal of the memories. Since errors in the own system could have a particularly unpleasant effect in this case because they double, the delay elements D and D 2 , with which the variable focus can also be corrected, are particularly important.
  • a counter 336 is used in common, which is always in operation and always counts the number of cycles of the information read.
  • the present circuit differs from that described above by a component 355, a so-called flip-flop, which, depending on the excitation, jumps from one stable position to another stable position.
  • Such and similar simplifications of the electrical circuit are particularly important for a device when the receiver alone consists of many individual parts, so that the evaluation electronics shown, for example, only on three receiving parts does not become complicated and uneconomical to produce.
  • the drive for the scanning mirror 70 is also controlled by such a circuit. This is to ensure that a swept scanning area is sonicated and searched evenly. A compromise must be found between the natural frequency that is naturally permissible in the water for the recording frequency of the memories.

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Abstract

Der Empfänger (80) eines Ultraschallsystems wird in konzentrisch ineinander liegende Teile (81,82,83) aufgeteilt, die je einem Speicher (130,131,132,133) zugeordnet sind. Eine Verzögerung der zwischen dem Zentrum (81) und den äusseren Rinren (82,83) ankommenden Schallwellen wird dadurch erreicht, dass äussere Empfänger und Speicher (132,133) mit einer grösseren Taktfrequenz (141,142,143) unterteilt werden oder dass Verzögerungsleitungen (201, 202) vorgesehen sind. Die Verteilung der Signale wird mit einer geeigneten logischen Schaltung (135, 137, 139, 148, 170) so sortiert, dass den Speichern (130, 131, 132, 133) bildschirmgerechte Signale entnommen werden können.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Darstellung eines Körpers auf einem Fernsehbild und insbesondere dabei die Verwendung dynamischer Fokussierung die auf Ultraschalldarstellungssysteme anwendbar ist.
  • Während der letzten zwei Jahrzehnte ist die Ultraschalltechnik in der klinischen Diagnostik stets bedeutungsvoller geworden. Die Ultraschalltechnik wurde unter anderem bereits im Bereich der Gynäkologie, der Neurologie und der Kardiologie verwendet, wobei sie z.B. bei der Sichtbarmachung subkutaner Blutgefäße (einschließlich kleinerer Gefäße) erfolgreich angewandt wurde.
  • Für die Anwendung der Ultraschalltechnik in der Medizin sprechen bedeutende Gründe: Ultraschall unterscheidet sich von anderer Art von Bestrahlung durch die damit verbundene harmlose Auswirkung auf lebende Systeme, weil sie rein mechanischer Wellennatur ist. Durch die Ultraschalltechnik ist Information erreichbar, die von anderen Methoden, beispielsweise durch Untersuchung mit γ-und Röntgenstrahlen, nicht erreichbar ist. Vor allem ist das Risiko einer Verletzung bei der Verwendung von Ultraschall viel geringer als z. B. bei der Verwendung ionisierender Strahlen (y- oder Röntgenstrahlen). Ultraschall wird in der Hauptsache als Pulsechomethode in der diagnostischen Technik verwendet, wozu Impulse von Ultraschallenergie periodisch von einem piezoelektrischen Geber; z. B. auf Blei-Zirkonat-Titanat Keramik-Basis, erzeugt werden. Jeder kleine Impuls Ultraschallenergie .wird als Schallwelle gebündelt auf den Körper des Patienten gerichtet, wobei er über gegebenenfalls verschiedene Strukturen der Oberfläche eindringt. Hat eine Grenzfläche des Körpers eine Unregelmäßigkeit, an der sich die Phase der Ultraschallwelle ändert, so wird ein Teil der Ultraschallenergie wieder zurückgeworfen. Nach Abgabe eines Ultraschall-Impulses wird das Ultraschallgerät gewöhnlich auf Empfang gestellt, um reflektierte (oder Echo-)Signale vom Körper zurück in elektrische Signale wandeln zu können. Die Zeit, nach der diese Echosignale an den Empfänger zurückkommen, ist direkt vom Abstand der Reflexionsquelle und von der Schallgeschwindigkeit abhängig. Auch die Stärke des Schallechos ist interessant, weil sie Informationen über die Art einer Störstelle liefert.
  • Das Echo von Schallwellen kann auf verschiedene Weise dargestellt werden. Einerseits gibt es Geräte mit Verstärker, mit denen die dem empfangenen Ultraschallecho entsprechenden elektrischen Signale verstärkt an den vertikal ablenkenden Platten einer Kathodenstrahlröhre angelegt werden. Der Ausgang eines.Zeitgenerators liegt dabei an der horizontalen Ablenkung der Kathodenstrahlröhre. Eine stetige Wiederholung des Impuls/Echo-Vorganges, synchronisiert mit dem Zeitgenerator führt dann zu einem stehenden Bild, sogenannte "A-Ab- - tastung", bei der die Zeit der Eindringtiefe proportional ist und vertikale Ablenkungen vorhandene Fehlordnungen signalisieren. Die Intensität dieser vertikalen Ablenkungen ist ein Maß für die Intensität des Echos.
  • Eine andere übliche Art bildlicher Darstellung von Ultraschallwellen ist die sogenannte B-Abtastung, bei der die Echoinformation dem üblichen Fernsehbild entspricht. d. h. die empfangenen Schallechosignale werden zur Modulierung der Helligkeit des Schirmes je Abtaststelle verwendet. Dieser Bildschirmtyp wird speziell für durch den Körper gehende Schallwellenbetrachtung verwendet, so daß jede Intensitätsinformation mehrere Abtastlinien des Bildschirmes beansprucht und die aufeinanderfolgenden Positionen hintereinander werden zur Darstellung von aufeinanderfolgender Linien auf dem Bildschirm verwendet. Mit dieser Technik wird ein Durchlichtbild in einer Ebene abgetastet und das resultierende Bild kann direkt betrachtet werden oder durch eine Photographie oder magnetisches Spcichcrband gelagert werden.
  • Eine Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein Gerät zu schaffen, bei dem die durch den Körper gehende Ultraschallabtastung mit einem Reflektor durchgeführt wird, der mechanisch über einen bestimmten Winkel mit der gleichen Frequenz, wie für die Ablenkung des Elektronenstrahles eines Bildschirmes gedreht, geführt wird. Der Reflektor müßte demnach sägezahnförmig wie der Linienantrieb des Bildschirmes gedreht werden, um Verluste zu vermeiden. Das ist wegen der Trägheit der Spiegelmasse relativ zur Trägheit eines Elektronenstrahles aber praktisch nicht möglich. Ultraschallwellen sind also nicht ohne weiteres zur Darstellung auf einem elektrisch gesteuerten Bildschirm geeignet.
  • Es ist außerdem bekannt, daß Ultraschall am Grenzübergang zwischen einer Flüssigkeits- und einer Gasphase reflektiert. Dies hat zu einer Uitraschalltechnik geführt, bei der der Ultraschall durch eine abgeschlossene Flüssigkeit geleitet wird, in der er als Körperschall weniger Verluste hat. Wenn sich aber der reflektierende Abtastschirm in einer Flüssigkeit, wie Wasser befindet, stellt sich erst recht das Anpassungsproblem sehr schneller (Rück-)Bewegung - wegen großen inneren Widerstandes der Flüssigkeit nach einer langsamen Hinbewegung - für Darstellung auf dem Bildschirm. Dies gilt insbesondere für Abtasteinrichtungen mit großem Abtastbereich, bei denen der innere Widerstand der Flüssigkeit einer Beschleunigung des Reflektionsschirmes entgegensteht.
  • Die.Schallanregungs- oder Fühlerplatte der beschriebenen Geräte hat begrenzte Ausdehnung, wovon die begrenzte Eindringtiefe der meßbaren Ultraschallwellen abhängt Es is.t darüberhinaus bekannt, daß Ultraschallwellen mit geeigneten Linsen gerichtet werden können, wie sie im US-Patent Nr. 3,598,559 beschrieben sind und/oder durch Unterteilung des Ultraschallanregungs- und Fühlersystems in verschiedene kleine Teile, die über.unterschiedliche Verzögerungsleitungen verbunden sind. Eine Art von Fokussierung kann beispielsweise dädurch erreicht werden, daß schallaufnehmende Bauelemente mit einer Vielzahl von konzentrisch ineinanderliegenden Scheiben von übertragungselementen ausgebildet sind, die über verschiedene Verzögerungsleitungen verbunden sind. Wegen der relativ geringen Schallgeschwindigkeit spielt der Wegunterschied, den die Schallwellen von der Mitte eines Senders zu seiner Randzone beim Hin- und Rückweg über einen theoretischen Brennpunkt hin und zurück überschreiten,eine große Rolle, wenn analog zu elektromagnetischen Wellen eine Strahlbündelung vorgesehen ist. Der Wegunterschied zwischen dem kurzen Weg von Brennpunkt zu Sendermitte zum Weg vom Brennpunkt zum Senderrand muß gemäß eines doppelten Durchlaufes der Ultraschallwellen mit Verzögerungsmitteln ausgeglichen werden. Dabei haben sich elektrische Verzögerungsleitungen auf dem Weg vom elektrischen Erreger zum Schallwandler bewährt.
  • Es ist ferner bekannt, die Ultraschallmeßtiefe durch Variation der Verzögerungsleitungen zu verändern. Nicht veränderbare Verzögerungsleitungen gestatten lediglich eine Ultraschallmessung mit einem fest vorgegebenen Brennpunkt, der bei Variation der Verzögerungsleitungen auf unterschiedliche Problemstellungen zur Untersuchung angepaßt werden kann. Schließlich muß noch beachtet werden, daß Ultraschallwellen für tiefergehende Untersuchung länger im Körper verweilen. Bei einer Untersuchung wird die Beobachtung des Körpers in verschiedenen Tiefen verlangt. Bei tiefergehender Untersuchung gleicht sich oder Wegunterschied zwischen zentraler Empfangsstelle und Randzonen etwas aus, der durch entsprechende Einstellung der Verzögerungsleitungen zu berücksichtigen ist. Wegen der großen Zahl an Einstellungsmöglichkeiten der Verzögerungsleitungen ist der technische Umfang und der Gebrauch solcher Geräte sehr kompliziert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallechomeßgerät zu schaffen, das möglichst wirtschaftlich aufgebaut' ist, störungsfrei arbeitet und leicht zu bedienen ist. Eine Aufgabe der Erfindung wird also vor allem darin gesehen, bekannte Geräte erheblich zu verbessern.
  • Ein Gerät zur Abbildung von Ultraschall, mit dem ein Körper zur Diagnose beaufschlagt und der teilweise als Echo wieder zurückgeworfen wird, mit einem elektroakustischem Wandler besteht gemäß der Erfindung aus einer Vielzahl von Elementen des Wandlers, die in konzentrischen Ringen ineinander in einer Ebene angeordnet sind. Vorteilhaft wird ein solcher elektroakustischer Wandler gleichzeitig zur Abgabe der Ultraschallwellen und zum Empfang der reflektierten Ultraschallwellen verwandt. Das Gerät weist ferner eine Vielzahl von Register- .einheiten auf, vorzugsweise analog arbeitetende Zählwerke des sogenannten "CCD"-Types (Ladungstransportspeicherregister). Jedes Register ist ah ein Wandlerelement gekoppelt. An jedes Register ist.ein Taktimpulsgeber angeschlossen, die Signale mit einer ersten,Taktfrequenz erzeugen. Ferner ist eine Vielzahl weiterer Taktimpulsgeber vorgesehen, die ebenfalls mit den Analogspeichern verbunden sind. Die zweite Art von Taktgebern liefert Takte mit unterschiedlicher vorgegebener Taktfrequenz. Außerdem sind zeitabhängige Taktgeber vorgesehen, die die Arbeitsweise der ersten und zweiten Taktgeber steuern, so daß wechselweise ein Speicher mit einer Frequenz beladen und gleichzeitig der andere Speicher mit der anderen Frequenz ausgelesen wird. Schließlich ist eine elektrische Verbindung zum Transport der ausgelesenen Signale zu einem Abbildungssystem vorgesehen.
  • Bei vorliegender Erfindung wird die je Wandlerelement erforderliche Verzögerungsleitung durch eine vorgegebene Frequenz der zweiten Taktgeber ersetzt. Mit der jeweiligen Taktfrequenz wird je eine Zeile entsprechend verzögert in einen Speicher eingelesen. Die durch Verzögerung der Taktfrequenz eingelesene Frequenz kann aus dem Speicher mit einer gemeinsamen Frequenz für alle Segmente ausgelesen werden.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung wird darin gesehen, daß entgegengesetzt zu dem bisher beschriebenen Einleseverfahren die Speicher mit einer gemeinsamen Frequenz beladen und erst beim Herauslesen mit unterschiedlicher Frequenz die für jedes Segment erforderliche Verzögerung berücksichtigt wird. Außerdem kann beim Ein- und beim Auslesen der Taktfrequenz auf das jeweilige Segment abgestimmt sein.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind anhand der schematisch dargestellten Zeichnung im folgenden beschrieben. Es zeigen
    • Figur 1 ein Gerät der Erfindung im Einsatz,
    • Figur 2 im Querschnitt einen Meßkopf des Gerätes mit einem Blockschaltbild der zugehörigen Auswertelektronik,
    • Figur 3 einen Teil der elektrischen Schaltung in Blockform, der zur Anpassung des dynamischen Br.ennpunktes vorgesehen ist,
    • Figuren 4 A und B zur Darstellung hilfreiche Funktionen der Schaltung aus Figur 3,
    • Figur 5 ein Blockschaltbild einer anderen Schaltung für die Erfindung,
    • Figuren 6 A und B die zugehörigen Funktionen zur Erklärung des dynamischen Brennpunktes für Schaltung von Figur 5,
    • Figur 7 eine weitere Ausführung der elektrischen Schaltung in Blockform,
    • Figur 8 eine zum Verständnis geeignete graphische Darstellung.
  • In Figur 1 werden die äußeren Maße eines Abtastgerätes gemäß der Erfindung im Vergleich mit einem Objekt gezeigt. Das Kontrollpult 10 enthält einen Bildschirm 11, beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre, in einer geeigneten Frontplatte. Außcrdem können ein Videobandrecorder oder ein anderer Speicher
  • z. B. auf der Basis photographischer Signale (Bildschirmkopierer), im Kontro11pult 10 enthalten sein, um die Signale zur Anzeige eines Bildes zu liefern.Ferner enthält das Kontrollpult 10 eine Energieversorgung und Teile der Schaltung für die Erzeugung zeitabhängiger Frequenz und zum Antrieb des Abtasters in dem Meßkopf 50. Der Meßkopf 50 (oder Sonde) ist mit dem Kontrollpult 10 mit einer elektrischen Leitung 48 verbunden. Der Meßkopf 50 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist im wesentlichen zylindrisch geformt und hat in der Nähe eines Endes ein Abtastfenster 51, das beispielsweise aus elastisch nachgiebigem Material, wie. Silicongummi,besteht. Zur Handhabe des Gerätes wird der Meßkopf 50 in eine vom Bediendenden in der Hand .zu haltenden Position gebracht,-so daß das Abtastfenster 51 auf das abzutastende Objekt gerichtet ist..Bei dem in Figur 1 dargestellten Objekt soll beispielsweise der Bereich um das Herz eines Menschen abgetastet werden. Selbstverständlich kann die Sonde auch zur Messung anderer Körperstellen oder anderer Objekte verwendet werden, auf die sie mit Handgriff zu richten wäre.
  • Gemäß Figur 2 wird die Sonde 50 im Querschnitt dargestellt, an die zugehörige Teile der Auswerteelektronik angeschlossen sind, die teils in der Sonde 50 und teils im Kontrollpult 10 angeordnet sein können. Das Gehäuse des Meßkopfes 50 schließt eine vordere Schalleitkammer 52, die eine Flüssigkeit enthält, und eine hintere Schallmeßkammer 53; die einen Teil der Elektronik enthält, ein. Beide Kammern 52 und 53 haben Zylinderform mit gleichgroßem Durchmesser, so daß sie mit Hilfe eines Rohres 54, das an seiner Außenseite einen ringförmigen Ansatz 55 besitzt, zu einem Zylinder zusammengesetzt werden können. Das (Innen-)Rohr 54 trägt einen flachenförmigen Schallgeber 80 und eine Schallsammellinse 90, von dem die. beiden Gehäuseteile voneinander getrennt werden (vgl. US-Patent 3,958,559). Das Abtastfenster 51 befindet sich am Ende der Kammer 52. Rings um die Fensteröffnung ist ein Ansatz vorgesehen, auf der eine elastisch nachgiebige Membran 56, beispielsweise Silicongummi-Membran, aufgezogen ist. Die vordere Schallkammer 52 ist mit einer Flüssigkeit.57, beispielsweise Wasser, ausgefüllt. Die Membran 56 soll so elastisch sein, daß sie sich mit dem Meßkopf an die Oberfläche des zu messenden Körpers glatt anlegt, um störende Reflektionen von Schallwellen an einem Übergang zwischen der Flüssigkeit des Gerätes zum Objekt möglichst gering zu halten.
  • Eine flache, z.B. metallische, schallreflektierende Abtasteinrichtung 70 ist in der Flüssigkeit 57 zwischen der Schalllinse 90 und dem Abtastfenster 51 angeordnet. Natürlich kann die Oberfläche der nicht gewölbt gezeichneten Abtasteinrichtung gebogen sein und selbst reflektierte Schallwellen fokussieren oder zerstreuen. Die Abtasteinrichtung 70 (Schallspiegel) ist an einer senkrecht zur Zeichenebene liegenden Achse 71 befestigt, die durch die Gehäusewand der vorderen Schalleitkammer 52 hindurchgeführt sein kann, um von außen mit einem kleinen elektrischen Motor 72, der die Hin- und Herbewegung erzeugt, betrieben zu werden. Ein ebenfalls auf der Drehachse des Schallspiegels und am Gehäuse 52 befestigter Drehmomentgeber 73 ist in Figur 2 noch besonders herausgezeichnet worden.
  • Der gestrichelt dargestellte Drehmomentgeber 73 kann wie die äußeren Teile des Elektromotors in einem nicht-dargestellten übergestülpten weiteren Gehäuseteil untergebracht sein. Der Schallgeber (Anreger) 80 ist direkt mit einem elektrisch betriebenen Schallerzeuger bzw. Schallempfänger 130 verbunden, von dem abwechselnd schallanregende Impulse ausgehen und am Schallfühler 80 zurückkommende Schallechoimpulse empfangen werden. Es ist nicht dargestellt, daß zwischen dem akustischen Anreger 80 und elektrischen Anreger 130 noch verschiedene an sich bekannte elektrische Einrichtungen zur Konzentrierung des Ultraschallstrahles vorgesehen sein können.
  • Zur dynamischen Fokussierung. beispielsweise mit Stufenlinsen wird auf unser US-Patent Ser. No. 665,898 (US-Patent No. ) verwiesen.
  • Der elektroakustische Wandler 80 ist in eine Vielzahl von Segmenten unterteilt, die in konzentrischen Ringen um ein zentrales Element in einer Ebene liegen. In der Darstellung sind nur drei Segmente, bezeichnet mit 81, 82 und 83, anstelle einer unübersichtlichen Vielfalt dargestellt. Selbstverständlich hat der elektroakustische Wandler sehr viel mehr Segmente. Die Segmente des elektroakustischen Wandlers 81 - 83 sind mit einem elektrischen Impulserreger 120 verbunden, von dem sie in bekannter Weise zur Abgabe von Ultraschall angeregt werden können. Die Schallwandlerelemente sind ferner mit den neuen Schaltung zur dynamischen Einstellung des Brennpunktes gemäß der Erfindung verbunden.
  • Die mit 130 bezeichnete Schaltung arbeitet nur beim Empfang von Schallwellen und leitet elektrische Signale entsprechend den reflektierten Echosignalen des Ultraschall zwecks Abbildung auf einem Bildschirm weiter. In diesem Schaltkreis können noch Vorverstärkungen und Verstärker vorhanden sein, die im einzelnen in der Figur nicht dargestellt sind. Der Ausgang des Schaltkreises 130 zur dynamischen Einstellung des Brennpunktes ist mit einem Bildschirm 11 und einem weiteren Empfänger verbunden, der zur Speicherung des Fernsehbildes durch Videoeinrichtung dient. Eine besonders vorteilhafte Schaltung zur Verstärkerregelung ist in der US-Patentschrift 4,043,181 (US-Ser. No. 569,185) näher beschrieben. Mit einer solchen Verstärkerregelung soll en Echosignale, die außerhalb des Meßbereiches entstehen, herausgefiltert werden.
  • Der Zeittaktgenerator 170 ist vorgesehen, um Impulse mit zeitgleichen Abständen zu erzeugen, mit denen das System synchronisiert wird; die Impulse des Zeitgenerators 170 werden dem Impulserzeuger 120 und dem dynamischen Impulsempfänger 130 wechselweise und darüberhinaus dem Abtastantrieb sowie der Schaltung für die Ablenkung des Elektronenstrahles 180 zugeleitet, so daß taktgleich abwechselnd Ultraschallimpulse abgegeben und empfangen werden und daß die Bewegung des Spiegelantriebes sowie die vertikale und horizontale Ablenkung des Elektronenstrahles der Kathodenstrahlröhre 11 aufeinander abgestimmt werden.
  • Im großen und ganzen funktioniert die Schaltung wie folgt: Durch ein Trägersignal des zeitkonstanten Taktgenerators,170, geleitet über die Verbindung 178, wird der Impulsgenerator 120 zur Erzeugung von Impulsen angeregt, die auf die Segmente des elektroakustischen Wandlers 80 übertragen werden. Konzentrische Ringsegmente von-Ultraschallwandiern werden zur Ausrichtung eines Ultraschallstrahles auf einen Brennpunkt wie bekannt über Verzögerungsleitungen angeregt. Eine weitere Strahlausrichtung ist durch die Linse 90 möglich. Der über den Abtastspiegel 70 in den zu untersuchenden Körper eingebrachte Ultraschallstrahl, dessen Bereich in der Figur durch gepunktete Linien dargestellt ist, wird nach Schallabgabe durch darauf folgende Umstellung des Gerätes auf Empfang als Echo teilweise wiedererkannt. Der elektroakustische Wandler 80 formt nun in umgekehrter Richtung die über den Abtastspiegel zurückgeworfenen Echosignale in elektrische Impulse um.
  • Die elektrischen Signale werden durch den Schaltbaustein 130 auf einem Bildschirm 11 sichtbar gemacht. Der Bildschirm zeigt einen Schnitt in Richtung der eingesandten Ultraschallwelle durch das Objekt, sogenannte B Abtastrichtung. Die zweite Dimension des Bildes ist der Schwenkbereich der Ultraschallwelle, die durch langsame Zurückbewegung des Abtastspiegels 70 in Richtung des doppelseitig gerichteten Pfeiles 7 erhalten wird.
  • Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm der elektrischen Schaltung zur dynamischen Strahlausrichtung für den Schaltbaustein 130, der an die Segmente des Ultraschallwandlers 80 angeschlossen ist. Je Segment 81 - 83 ist ein Speicher 131 - 133 angeschlossen. Die Speicher sind vorzugsweise Bauelemente, die analog als sogenannte CCD-Bausteine arbeiten. Der Ausgang dieser Speicher ist an einem Additionsglied 147 angelegt, dessen Ausgang am Eingang des Gatters 148 liegt. Der Ausgang des Gatters 148 ist über ein Filter 149, von dem aufgeprägte Taktimpulse aussondiert werden, mit dem Bildschirm 11 verbunden.
  • Taktgeneratoren 141, 142 und.143 sind je einem Schallwandler 81 - 83 zugeordnet, an dem sie Takte erzeugen, mit denen Information in die Register 131 - 133 eingespeist wird. Der Taktgenerator 141 erzeugt eine vorgegebene Frequenz F0, der Taktgenerator 142 eine vorgegebene Frequenz F0 + A F1 und der Taktgenerator 143 eine vorgegebene Frequenz F0 + Δ F2. Die Ausgänge der Taktgeneratoren 141 - 143 sind mit den entsprechenden Registereingängen über UND-Gatter 151, 152 und 153 verbunden, durch die das Einzählen in die Speicher gesteuert wird. Der zweite Eingang jedes UND-Gatters 151 - 153 liegt am Ausgang des Schalters 154. Der Ausgang des UND-Gatters 151 ist außer mit dem Eingang des Speichers 131 mit dem.Zähler 155 verbunden, der Impulse mit einer Frequenz F0 zählt.
  • Im Beispiel der vorliegenden Erfindung hat jedes Register 131 - 133 n Speicherplätze, demgemäß zählt der Zähler 155 maximal bis zur Zahl n. Wenn der Zähler 155 n Impulse gezählt hat, setzt er sein Zählwerk wieder auf 0 und schließt den Schalter 154, der von dem Zeitgenerator 170 gesteuert wird. Das in dieser Weise beschriebene Zählsignal kann vorteilhaft dazu verwendet werden, das Gerät von Senden auf Empfang umzustellen. Die Taktfrequenz des zeitabhängigen Taktgenerators 170 ist ferner so eingestellt, daß nur Echowellen im vorgesehenen Meßbereich empfangen werden.
  • Ein Impulsgenerator 135 liefert Impulse der Frequenz FC, die mit jedem Speicher 131 - 133 verbunden sind, und nach denen die Information aus den Speichern gelesen wird. Der. Ausgang des Generators 135 ist über das Gatter 139 mit den Speichern verbunden. Das Gatter 139, das auch noch mit einem Zähler 136 verbunden ist, der maximal m Stellen zählt, setzt beim Erreichen der maximal zulässigen Impulse m den Zähler 136 auf 0, schließt den Schalter 137 und vertauscht die Arbeitsweise des Gerätes von Empfang auf Speicher über den Schalter 155, in den der Schalter 137 das UND-Gatter 139 bzw. das UND-Gatter 148 in entgesetzte Schaltstellung versetzt.
  • Die in Figur 3 im einzelnen dargestellte Schaltung 130 arbeitet im großen und ganzen wie folgt:
    • Nach einem Signal des Zeitgenerators 170 öffnet sich der Schalter 154, der seinerseits die Gatter 151 - 153 öffnet. Somit können elektrische Signale von den elektroakustischen Wandlern 81 - 83 in den Speichern 131 - 133 mit der jeweils vorgewählten Taktrate der Taktgeneratoren 141 - 143 eingelesen werden, bis m Takte, die vom Zähler 155 mitgezählt werden, gespeichert sind. Der Speicher 131 wird dabei mit der niedrigen Frequenz FO aufgefüllt, bis der Zähler 155 m Takte gezählt hat, nach denen er sich selbst auf 0 setzt, den Schalter 154 schließt und den Schalter 137 öffnet. Der Schalter 154 schließt auch die Gatter 151 - 153 und beendet somit den Speichervorgang, dem nun durch den Schalter 137 ausgelöst, das Auslesen folgt, indem die Gatter 139 und 138 geöffnet werden. Die Information aus den Speichern 131 - 133 gelangt über Addierer 147 und Gatter 148, sowie Filter 149 - auf den Bildschirm 11. Von dem Filter 149 werden aufgeprägte Taktfrequenzen wieder entfernt. Das Auslesen wird mit einem Zähler 136 kontrolliert, der die beim Auszählen aufgeprägten Impulse vom Impulsgenerator'135 bis zu einer Zahl maximal m zählt, wobei n zeitgleich m gesetzt wird, wonach der Zähler 136 den Schalter 137 wieder schließt und Gatter 139 und 148 wieder öffnet.
  • Eine Verzögerung der Ultraschallimpulse wird also erst nach Empfang dadurch simuliert, daß die vom Ultraschallwandler gelieferten Signale mit zum Rand des Wandlers steigender höherer Taktfrequenz eingelesen werden. Dadurch wird der aus den Figuren 4 A und B sichtbare Wegunterschied zum Rand ausgeglichen. Der Unterschied in der jeweiligen Taktfrequenz wird durch einen entsprechenden Auslesevorgang verdoppelt. Bei der Verwendung der Frequenzen F0, F0 + Δ F1 und F0 + Δ F2 ist der Unterschied zum zentralen Wandlerelement n mal Δ T1 und n mal Δ T2 ( wobei F = 1 : T). Die Verzögerung wird also.direkt von den Taktgeneratoren 141 - 143 eingestellt.
  • Da der Unterschied der Verzögerung von der Eindringtiefe abhängig ist (vgl. Figuren 4 A und β, in denen Messung bei verschiedenen Brennpunkten Z a bis Z c'dargestellt ist) ist der Unterschied der Verzögerung der benachbarten Wandlerelemente umgekehrt zur Eindringtiefe einzustellen. Einen Teil der Verzögerung übernimmt die Fokussierungslinse 90 (Figur 2), die jedoch nicht größer als die Mindestverzögerung bei maximaler Eindringtiefe sein soll. Für darüber hinausgehende Eindringtiefe waren die bekannten Ultraschällgeräte nicht geeignet. Sollten Meßgeräte mit beliebig großer Eindringtiefe entwickelt werden, dann müßte als erstes die Fokussierungslinse 90 entfallen.
  • In Figur 4 A ist eine Anordnung etwa in der Größenordnung eines zu bauenden Gerätes dargestellt, der man entnehmen kann, daß Schallwellen vom vorgesehenen Brennpunkt Z a zum ersten Ring 2,5 msec und zum zweiten Empfängerring 5,0 msec länger als bis zum Zentrum benötigen. Bei größerer Eindringtiefe ist der Unterschied, den Ultraschallwellen von Brennpunkt zu den äußeren Empfängerzonen benötigen entsprechend geringer.
  • Wenn man davon ausgeht, daß die Speicher 131 - 133 mit 1000 Speicherplätzen ausgelegt sind und daß der Zähler 155 bis zur Zahl 1000 zählt, wenn man weiterhin von einer Taktfrequenz F0 = 20 Megahertz mit einer Verschiebung Δ F1 von 1,05 Megahertz und ΔF2 = 2,22 Megahertz ausgeht, dann werden von den Taktgeneratoren 141 - 143 Impulse mit einer Frequenz von 20 Megahertz, 21,5 Megahertz und 22,22 Megahertz geliefert..
  • Bei diesem Beispiel wird das Gerät wie folgt eingestellt: Der Zeittaktgenerator 170 wird auf ein Signal eingestellt, das in der kürzesten Zeit vom Punkt Z a in Segment 81 aufgenommen wird. Die taktweise Speicherung der Signale in den Speichern 131 - 133 dauert nun 50 µsec., das genau 1000 Takten bei einer 20 Megahertz-Frequenz entspricht. Der Zähler.155 zählt diese 1000 Takte genau mit, bis der Speicher vollständig aufgefüllt ist, so daß auf dem zuletzt aufgefüllten Speicherplatz eine Echoinformation vom Brennpunkt Z a vorhanden ist. Die Taktperioden der Taktgeneratoren 142 und 143 dauern 47,5 und 45 µsec. Die äußeren Ultraschallwandler sind somit in kleinere Speicherplätze aufgeteilt, sie empfangen also nach der gleichen Empfangszeit mehr Zeittaktimpulse, so daß ebenfalls auf dem letzten Speicherplatz die Information von Brennpunkt eingelagert wird. Um so kleiner jedoch die Einspeichertaktfrequenz ist, um so größer ist der Abstand zu entsprechenden Information der benachbarten Wandler. Auf diese Weise wird der Brennpunkt elektrisch einstellbar verschoben.
  • Die durch verschiedene Eintaktung vorgegebene elektrische Verschiebung des Brennpunktes wird natürlich erst dann sichtbar, wenn die Speicher mit gleichmäßiger Frequenz wieder ausgelesen werden. Noch deutlicher kann eine Verschiebung elektrisch herausgestellt werden, wenn die gleiche Verzögerung in umgekehrter Reihenfolge elektrisch ausgetaktet wird. Das ist schaltungstechnisch ganz einfach, weil eine dazu erforderliche Steuerung bereits zur Aufnahme und Speicherung der Signale vorgesehen ist.
  • In Figur 4 B ist der Verlauf der Ultraschallwellen von weiter entfernt liegenden Brennpunkten Z b und Z c dargestellt, wobei bei einer Weglänge von 40 µsec. der Unterschied zu den äußeren Empfängern 82 und 83 auf 0,5 und 1µsec. zusammengeschrumpft ist. Dieser,geringere Wegunterschied wird durch einen entsprechend geringeren Taktzahlunterschied ausgeglichen.
  • Eine besonders vorteilhafte Einrichtung der Erfindung wird darin gesehen, daß Bauelemente zur Einstellung der Taktzahl jedes Registers von einer gemeinsamen Antriebswelle betätigbar so verbunden sind, daß sie die Taktzahl proportional zum Abstand des Brennpunktes und in Relation zur Änderung der Taktzahl der benachbarten Speicher gleichzeitig festlegen. Eine solche Einstellung kann auch stufenweise geschehen.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in Figur 5 eine elektrische Schaltung mit entsprechenden Blocksymbolen dargestellt, bei denen die entsprechenden Bauteile mit Bezugszeichen versehen sind, die sich von den Bezugszeichen der Figur 3 durch eine 2 in der Hunderterstelle unterscheiden, wenn sie entsprechende Aufgaben erfüllen.
  • Die in Figur 5 im einzelnen dargestellte Schaltung 130 arbeitet im großen und ganzen wie folgt:
    • Nach einem Signal des Zeitgenerators 170 öffnet.sich der Schalter 254, der seinerseits die Gatter 251 - 253 öffnet. Somit können elektrische Signale von den elektroakustischen Wandlern 81 - 83 in den Speichern 231 - 233 mit der jeweils vorgewählten Taktrate der Taktgeneratoren 241 - 243 eingelesen werden, bis n Takte, die vom Zähler 255 mitgezählt werden, gespeichert sind. Der Speicher 231 wird dabei mit der niedrigen Frequenz F0 aufgefüllt, bis der Zähler 255 n Takte gezählt hat, nach denen er sich selbst auf 0 setzt, den Schalter 254 schließt und den Schalter 237 öffnet. Der Schalter 254 schließt auch die Gatter 251 - 253 und beendet somit den Speichervorgang, dem nun durch den Schalter 237 ausgelöst, das Auslesen folgt, indem die Gatter 239 und 238 geöffnet werden. Die Information aus den Speichern 231 - 233 gelangt über Addierer 247 und Gatter 248, sowie Filter 249 auf den Bildschirm 11. Von dem Filter 249 werden aufgeprägte Taktfrequenzen wieder entfernt. Das Auslesen wird mit einem Zähler 236 kontrolliert, der die beim Auszählen aufgeprägten Impulse vom Impulsgenerator 235 bis zu einer Zahl maximal n zählt, wobei n zeitgleich m gesetzt wird, wonach der Zähler 236 den Schalter 237 und Gatter 239 und 238 wieder schließt.
  • Die elektrische Schaltung gemäß Figur 5 unterscheidet sich von dem in Figur 3 beschriebenen durch Verzögerungsglieder 201 und 202 auf der direkten Verbindung der elektroakustischen Wandler 81 - 83 zum Impulsgeber sowie zu den Empfängern.. Durch diese Verzögerungsglieder 201 und 202 (D1,D2) wird der variable Brennpunkt ohne große Veränderung der Taktzahlen der Taktgeneratoren 241 - 243 eingestellt. Das ist dann besonders günstig, wenn einem Ultraschallgerät mit variabler Einstellung des Brennpunktes, bei dem auch Probleme asphärischer Optik wie bei elektromagnetischen Wellen, auftreten, eine weitere Variationsmöglichkeit gegeben ist. Schließlich muß damit gerechnet werden, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen eines wenn auch noch so schmalen Ultiaschallbandes unterschiedlich, groß ist, das zu Ungenauigkeiten im Meßergebnis führen kann.
  • Die Arbeitsweise einer Schaltung gemäß Figur 5 ist anhand der Figuren 6 A und B näher erläutert. Figur 6 A zeigt einen Querschnitt einer Messung mit einem relativ nah gelegenen Brennpunkt Zq, während in Figur 6 B ein weiter entfernt liegender Brennpunkt Zr dargestellt ist. Durch die Verzögerungsglieder 201 und 202(bzw. D1 und D2) wird die Vorgabe, mit der die Ultraschallwellen eher im zentralen Segment 81 ankommen als im äußeren Segment 83 elektrisch kompensiert.
  • In Figur 7 ist dargestellt, wie die progressive Änderung der Taktfrequenz von Elementen des Schallwandlers von innen nach außen gleichzeitig zur Eingabe und zur Entnahme der Speicher verwendet werden kann. Da sich in diesem Fall Fehler des eigenen Systems besonders unangenehm auswirken könnten, weil sie sich verdoppeln, sind die Verzögerungsglieder D und D2 besonders wichtig, mit denen der veränderbare Fokus ebenfalls nachkorrigiert werden kann. Dabei wird ein Zähler 336 gemeinsam verwendet, der stets in Betrieb ist und stets die Taktzahl der eingelesenen Information mitzählt. Die vorliegende Schaltung unterscheidet sich von dem vorher Beschriebenen noch durch ein Bauelement 355, sogenanntes Flipflop, das je nach Erregung von einer stabilen Position in eine andere stabile Position umspringt. Solche und ähnliche Vereinfachungen der elektrischen Schaltung sind für ein Gerät dann besonders wichtig, wenn schon allein der Empfänger aus vielen Einzelteilen besteht, so daß diebeispielsweise nur an drei Empfangsteilen gezeigte Auswertelektronik nicht unübersichtlich kompliziert und unwirtschaftlich herstellbar wird.
  • Von einer solchen Schaltung wird auch der Antrieb für den Abtastspiegel 70 gesteuert. Dadurch soll erreicht werden, daß ein überstrichener Abtastbereich gleichmäßig beschallt und abgesucht wird. Dabei muß ein Kompromiß zwischen der im Wasser natürlich zulässigen Eigenfrequenz zur Aufnahmefreqüenz der Speicher gefunden werden.
    • Bezugszeichen
  • Figure imgb0001
    Figure imgb0002

Claims (13)

1. Einrichtung zur Abbildung eines Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (120) zur Abgabe von Energie auf einen Körper vorgesehen ist, daß ein Wandler ( 80) zur Umsetzung der von dem Körper reflektierten Energie in elektrische Signale vorgesehen ist, der in mindestens zwei Teile (81,83) unterteilt ist, daß mindestens zwei Speicher (131,132) vorgesehen sind, deren Eingänge je mit einem Ausgang eines Energiewandlers (31,82) verbunden sind, daß mindestens zwei Impulsgeneratoren (141,142) vorgesehen sind, die je einem Speicher zugeordnet sind, und die Impulse mit unterschiedlich großem Abstand erzeugen, daß eine elektrische Schaltung zur Sortierung der Impulse vorgesehen ist, die in die jeweiligen Speicher geleitet werden oder aus den Speichern entnommen werden und daß eine Vorrichtung'(147) zur Kombination der aus den Speichern herausgelesenen Signale zur bildlichen Darstellung vorgesehen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschallenergie verwendet wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiewandler ( 80) aus einem zentralen Teil und mindestens einem konzentrisch dazu in einer Ebene liegenden Teil (32,83) besteht.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Impulsgenerator (141), der dem konzentrisch um das zentrale Teil liegenden Wandler zugeordnet ist, Impulse mit einer höheren Frequenz als die Impulse für das zentrale Element ( 81 )erzeugt.
5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung (155) zum wechselseitigen Betrieb der Taktgeneratoren (141,142) und zugehöriger Speicher (131,...)zum wechselseitigen Ein- und Auslesen vorgesehen ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung (155) zum wechselseitigen Betrieb der Taktgeneratoren (141,142) und zugehöriger Speicher (131,...) zum wechselseitigen Ein- und Auslesen vorgesehen ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher (131,...)analoge Ladungstransportspeicher (CCD) sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Impulsgenerator (135) für alle Speicher vorgesehen ist.
9. Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abbildung eines Körpers durch die von ihm reflektierte Energie, die in ihn eingeleitet wurde, mit einer Wandlereinheit, bestehend aus mindestens zwei Teilen, bei der ein Brennpunkt nach folgenden Schritten eingestellt wird, daß jedem Speicher ein Energiewandlerelement zugeordnet wird, daß die von Wandler empfangenen Signale in unterschiedlich lange Impulse eingeteilt werden, daß die Impulse gespeichert werden und daß die gespeicherten Impulse in Signale zur Bilddarstellung umgewandelt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher mit unterschiedlich großer Frequenz ausgelesen werden.
11.Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die empfangenen Signale mit der sie aufteilenden Impulsfrequenz moduliert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale beim Speichern und beim Auslesen moduliert werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein lebender Körper nach Störstellen abgesucht wird.
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