DE2920826C2

DE2920826C2 - Ultraschall-Abbildungssystem mit einer Anordnung ringförmiger Wandler

Info

Publication number: DE2920826C2
Application number: DE2920826A
Authority: DE
Inventors: William Ernest West Scotia N.Y. Engeler
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-05-24
Filing date: 1979-05-23
Publication date: 1985-03-28
Also published as: NL7904072A; GB2030297B; GB2030297A; JPS6218168B2; DE2920826A1; FR2426912B1; US4155259A; FR2426912A1; JPS555688A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Abbildungssystem, das eine Anordnung ringförmiger (elektroakustischer) Wandler (auch »Umformer« genannt) aufweist, die eine B-Abtastungs-Ultraschallsonde bilden, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bekannte Ultraschall-Abbildungssysteme (auch Ultraschall-Bildwandler oder Ultrcu-hall-lmpuls-Reflektionsgerätc genannt) mit B-Abtastungs-Ultraschallsonden zur Abbildung von Gegens'.andspunkten, wie weichen Gewebeteilcn des menschlichen Körpers, enthalten in der Regel einen einzigen kreisscheibenförmigen Wandler (Umformer), der nicht nur als Sende-, sondern auch als Empfangsumformer dient Die Strahlungsflächc des Kreisscheiben-Wandlers ist häufig eben, kann jedoch auch die Innenseite eines Teils einer Kugelfläche sein, deren Mittelpunkt den Brennpunkt des Wandlers bildet. Der Wandler wird durch einen elektrischen Impuls mit Strom versorgt, wobei er eine entsprechend kurzzeitige Ultraschall-Impulsfolge aus mehreren Schwingungen mit der Resonanzfrequenz des Wandlers erzeugt, die als Strahl bzw. Strahlenbündel in den Raum oder Gegenstandsbereich abgestrahlt wird, der den Wandler umgibt. Die kurzzeitige Ultraschall-Impulsfolge erzeugt beim Auftreffen auf Gewebe- oder Gegenstandspunkte Echos, die vom Wandler empfangen und darin in ein Echosignal umgefo^rmt werden, das ebenfalls aus einer kurzzeitigen Folge mehrerer Schwingungen bzw. Impulse besteht. Das Echosignal wird zeitabhängig wiedergegeben, so daß man eine Darstellung der Gegenstands- bzw. Objektpunkte, von denen die Sendeimpulse als Echo reflektiert wurden, als Funktion der Entfernung erhält. Der Umformer kann an der Körperobcrfläche längs einer Linie verschoben werden, so daß verschiedene Körperteile abgetastet werden, die im wesentlichen in der Ebene des Strahlenbündels und der Linie liegen. Durch Synchronisation der Wiedergabe-

vorrichtung mit der Verschiebung des Umformers längs des Körpers läßt sich eine B-Abtastungswiedergabe erzielen.

Die Auflösung in z-Richtung, d.h. senkrecht zur Strahlungsfläche des Kreisscheiben-Umformers ist eine Funktion der Dauer der dem Umformer zugeführten Einschalt- bzw. Stromversorgungsimpulse, oder mit anderen Worten der Anzahl der Impulse bzw. Schwingungen einer ausgesendeten Impulsfolge. Das Auflösungsvermögen des Wandlers senkrecht zu seiner Strahlungsrichtung hängt von der Breite des Strahlenbündels in der Entfernung ab, aus der Echos empfangen werden. Ein Strahlenbündel mit kleinerem Durchmesser in der betreffenden Entfernung ergibt ein größeres Auflösungsvermögen quer zur Strahlungsrichtung als ein Strahlungsbündel mit größerem Durchmesser in der betreffenden Entfernung. Das seitliche oder Querauflösungsvermögen bezieht sich auf den kleinsten Abstand in einer Ebene senkrecht zur Mittel- oder z-Achse. der eine Unterscheidung dieser Gegenstandspunkte ermöglicht Es ist nicht nur ein gates Auflösungsvermögen ir. einer bestimmten Entfernung erwünscht, sondern ein gleichbleibend gutes Auflösungsvermögen über einen großen Entfernungsbereich, der in der Nähe des Wandlers beginnt und sich sehr weit von diesem weg erstreckt, d. h. sowohl im Nahfeld als auch im Fernfeld. Bei B-Abtastungen des menschlichen Körpers liegt dieser Entfernungsbereich im allgemeinen zwischen 5 und 20 cm. Wenn die Strahlungsfläche des Wandlers leicht gekrümmt ist, ergibt sich ein Strahlungsbündel mit im wesentlichen gleichförmigem Querschnitt senkrecht zur z-Achse im Nahfeld. Obwohl ein derartiger Wandler im Nahfeld ein im wesentlichen gleichförmiges seitliches Auflösungsvermögen hat, ist das seitliche Auflösungsvermögen dennoch verhältnismäßig gering, weil der Querschnitt des Strahlungsbündels verhältnismäßig groß ist. Durch Verwendung eines Wandlers mit höherer Frequenz läßt sich zwar der Querschnitt des Strahlungsbündels verringern und damit das seitliche Auflösungsvermögen verbessern, jedoch auf Kosten der Eindringtiefe in das Körpergewebe. Das seitliche Auflösungsvermögen läßt sich in einer bestimmten Entfernung auch dadurch verbessern, daß der Durchmesser des Kreisscheiben-Wandlers vergrößert und die Abstrahlungsfläche mit einem Radius verschen wird, so daß sich ein Srennpunkt in einer vorbestimmten Entfernung ergibt Der Querschnitt des Strahlungsbündels ist in dieser Entfernung zwar gering, nimmt jedoch mit zunehmendem Abstand vom Brennpunkt, vor und hinter diesem, wieder zu. Auf diese Weise ergibt sich mithin zwar in der gewünschten Entfernung ein besseres seitliches Auflösungsvermögen, doch ist der Entfernungsbereich, in dem sich diese Verbesserung ergibt, begrenzt.

Um das seitliche Auflösungsvermögen noch weiter zu verbessern, ist bereits eine Sonde aus einer Anordnung ringförmiger Wandler (US-PS 40 58 003) mit von Wandler zu Wandler zunehmendem Radius bekannt, die konzentrisch um eine Mittelachse der Anordnung herum angeordnet sind. Die Strahlungsfläche der Anordnung ringförmiger Wandler kann durch die Innenseite eines Kugclsegments gebildet sein, dessen Mittelpunkt den Brennpunkt der Anordnung bildet. Die Wandler der Anordnung werden gleichzeitig durch elektrische Impulse eingeschaltet (erregt), so daß sie eine kurzzeitige Folge mehrerer Ultraschallwellen mit der Resonanzfrequenz der Wandler erzeugen. Längs der Mittelachse in geringerer Entfernung als der Brennpunkt der Anordnung auscinanderlicgende Gegenstandspunkte erzeugen Echos, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Laufzeiten von diesen Gegenstandspunkten zu den ringförmigen Wandlern bei den verschiedenen ringförmigen Wandlern zu verschiedenen Zeiten eintreffen. Das Auflösungsvermögen läßt sich in der Entfernung eines solchen Gegenstandspunktes durch entsprechende Verzögerung der Echosignale verbessern, die durch Echos von diesem Punkt erzeugt werden, so daß sie gleichzeitig auftreten und kohärent summiert werden können. Wenn die Verzögerungszeiten veränderbar gemacht werden, !äßt sich eine kohärente Summierung der Echosignale von Gegenstandspunkten, die sich nahe der Mitte der Anordnung befinden, mit Echosignalen von Gegenstandspunkten durchführen, die sich in größerer Entfernung von der Anordnung befinden, indem einfach die Verzögerungszeiten für die in den Wandlern erzeugten Signale entsprechend in Abhängigkeit von der Zeit oder Entfernung geändert werden. Ih diesem Zusammenhang sind ladungsgekoppelte Verzögerungsleitungen vorgeschlagen worden, die es ermöglichen, die Verzögerungszeit in Abhängigkeit von der Frequenz zu ändern. Die Verwendung derartiger Verzögerungsleitungen ergibt jedoch Schwierigkeiten, insbesondere in bezug auf die Herstellung von künstlichen Bauteile», die jedes kohärent summierte Signal erheblich verzerren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Abbildungssystem mit einer Anordnung ringförmiger Wandler anzugeben, das eine B-Abtastungswiedergabe mit einem guten Auflösungsvermögen in einem weiten Entfernungsbereich liefert

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

Weiterbildungen dieser Lösung sind in deh Unteransprüchen gekennzeichnet.

Hierbei ist eine Einrichtung zur Erzeugung und Abstrahiung einer kurzzeitigen Ultraschall-Impulsfolge mit vorbestimmter Frequenz in einen Objektbereich vorgesehen. Eine Anordnung aus mehreren ringförmigen Wandlern, die konzentrisch um eine Mittelachse der Anordnung herum angeordnet sind und deren Radius von -Wandler zu Wandler zunimmt, ist für den Empfang von Ultraschall-Echos vorgesehen, die von der Ultraschall-Impulsfolge erzeugt werden, die auf die auf der Mittelachse der Anordnung liegenden Gegenstandspunkte trifft. Jedes Echo, das von einem Gegenslandspunkt kommt, erzeugt in den Wandlern eine zugehörige Gruppe von Echosignalen, und zwar in jedem Wandler ein Echosignal. Der Auftrittszeitpunkt jedes der Echosignale hängt von der Entfernung des betreffenden Gegenstandspunktes vom jeweiligen Wandler ab. Es sind mehrere erste Demodulationssignale mit im wesentlichen derselben Frequenz wie die erwähnte vorbestimmte Frer*ienz und mit verschiedenen relativen Phasenlagen vorgesehen, wobei die Phasenlage jedes der ersten Demodulationssigna'c in bezug auf die Phasenlage eines zugehörigen Echosignals im wesentlichen auf denselben Wert eingestellt itt Zum Demodulieren der von den Wandlern erzeugten Echosignale ist eine Einrichtung vorgesehen, die jedes der Echosignale mit einem zugehörigen ersten Demodulationssignal mischt, so daß sich ein zugehöriges erstes demoduliertes Signal ergibt. Sodann ist eine Einrichtung zum Bewerten und Summieren der ersten demodulierten Signale vorgesehen, um ein erste Summensignal zu bilden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. IA ein Blockschaltbild, das die Wirkungsweise eines Ultraschall-Abbildungssystems darstellt,

Fig. IB eine Ansicht von oben auf eine Anordnung aus ringförmigen Wandlern des Systems nach F i g. 1A.

Fig.2 ein Funktionsblockschaltbild eines Teils des Ultraschall-Abbildungssystems zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung,

Fig.3A bis 3G Diagramme des zeitlichen Verlaufs von Spannungssignalen, die an verschiedenen Stellen in dem Blockschaltbild nach F i g. 2 auftreten und zu /-Kanälen gehören. Die Stellen, an denen die in den F i g. 3A bis 3G dargestellten Signale in dem Blockschaltbild nach Fig.2 auftreten, sind in Fig.2 mit dem Buchstaben bezeichnet, der an die Figurenzahl der Darstellung des beireffenden Signals angehängt ist,

F i g. 4A bis 4H den zeitlichen Verlauf der Amplitude von Spannungssignalen, die an verschiedenen Stellen in dem Blockschaltbild nach F i g. 2 auftreten und zu Q-Kanälen gehören, wobei F i g. 4H ein aus den Signalen nach den F i g. 3G und 4G gebildetes resultierendes Signa! dareieüi und die Steile, an der ein Signa! der F i g. 4A bis 4H in dem Blockschaltbild nach F i g. 2 auftritt, in F i g. 2 mit dem Buchstaben bezeichnet ist, der an die Figurenzahl der Darstellung des zeitlichen Verlaufs dieses Signals angehängt ist,

Fig.5 ein Funktions-Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Ultraschall-Abbildungssystems,

Fig.6A den Schnitt 6A-6A einer in Fig.6B in Vorderansicht dargestellten Anordnung ringförmiger Wandler mit festem Brennpunkt und

F i g. 7A den Schnitt 7A-7A der in F i g. 7B in Vorderansicht dargestellten Anordnung ringförmiger Wandler mit festem Brennpunkt.

Das in Fig. IA dargestellte Ultraschall-Abbildungssystem 10 enthält eine Wandleranordnung 11, eine Diplexschaltung 12, einen Sender 13 und einen Empfänger 14. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Wandleranordnung 11, wie ausführlicher in F i g. 1B dargestellt ist, eine Anordnung aus ringförmigen Wandlern !5, die konzentrisch um eine Mittelachse 16 der Anordnung herum angeordnet sind und deren Radius von Wandler zu Wandler zunimmt Die Resonanzfrequenzen aller Wandler der Anordnung sind im wesentlichen gleich. Die Abstrahlungsfläche der Wandler wird durch die Innenseite eines Segments einer Kugelfläche gebildet, deren Mittelpunkt den Brennpunkt 17 bildet. Die Wandleranordnung wirkt als Sende- und Empfangsanordnung. Der Sender 13 erzeugt elektrische Impulse 18, die den Wandlern 15 gleichzeitig über die Diplexschaltung 12 zugeführt werden, um eine kurzzeitige Ultraschall-Impulsfolge zu erzeugen. Die Ultraschall-Impulsfolge besteht aus mehreren Schwingungen mit der Resonanzfrequenz der Wandler und wird in den Gegenstands- bzw. Objektbereich in der Nähe der Anordnung abgestrahlt. Die Änderung der Intensität oder Amplitude der Ultraschall-Impulsfolge um den Mittelpunkt der Anordnung herum wird als Strahl oder Strahlungsbündel der Anordnung bezeichnet Das Strahlungsbündel 19 der Anordnung 11 hat eine Achse, die mit der Mittelachse 16 der Anordnung 11 zusammenfällt Von der auf den Brennpunkt 17 auftreffenden Ultraschall-Impulsfolge erzeugte Echos werden gleichzeitig von den Wandlern 15 aufgenommen. Die Echosignale, die in den Wandlern 15 aus den vom Brennpunkt 17 kommenden Echosignalen erzeugt werden, gelangen über die Diplexschaltung 12 in den Empfänger 14, in dem sie zu einem scharf fokussierten Surnrnensignai summiert werden. Die Ausgangssignale des Empfängers werden als Abbildung des Gegenstandsbereichs, bei dem es sich um einen Teil eines menschlichen Körpers handeln kann.

wiedergegeben. An vom Brennpunkt entfernt auf der Mittelachse 16 liegenden Zielen, z. B. am Gegenstandspunkt 20 erzeugte Echos der kurzzeitigen Ultraschall-Impulsfolge werden von den Wandlers 15 wegen der unterschiedlichen Laufzeiten bzw. Wegstrecken vom Gegenstandspunkt 20 zu den Wandlern zu verschiedenen Zeiten empfangen, je größer der Abstand des Gegenstandspunktes 20 vom Brennpunkt 17 ist, um so größer sind die Wegunterschiede und mithin die Verzögerungszeiten bzw. Laufzeiten. Eine Summierung dieser Echosignale ergibt ein weniger scharf fokussierten Summcnsignal. Wenn der Laufstreckenunterschied zwischen dem mittleren Wandler und dem äußeren Wandler beispielsweise der halben Wellenlänge der Ultraschall-Im-

is pulsfolge entspricht, löschen sich die von den Wandlern erzeugten Echosignale aus. Auch die Echosignale der anderen Wandler löschen sich teilweise gegenseitig aus. so daß sich ein wesentlich kleineres Summensignal ergibt Für Gegensipndspunkic, bei denen die Lauistrckkenunterschiede vom mittleren Wandler zum äußeren Wandler größer als die halbe Ultraschall-Wellenlänge ist. ergibt sich daher ein wesentlich geringeres Ausgangssignal, das die Brauchbarkeit des Geräts auf Bereiche in der Nähe des Brennpunkts beschränkt. Die relative Verzögerungszeit für jeden Wandler ergibt sich durch folgende Gleichung:

wobei Ti die Verzögerungszeit eines vom Ar-ten Wandler aus einem am Gegenstandspunkt 20 reflektierten Echo erzeugten Echosignals gegenüber einem Echosignal, das aus einem am Brennpunkt 17 hervorgerufenen Echo erzeugt wurde,

s die halbe öffnungswcitc der Anordnung,
R die Entfernung des Gegenstandspunktes 20,
Rr die Entfernung des Brennpunktes 17,
c die Ultraschallgeschwindigkeit im Gegenstandsbereich und

x_k der Abstand des Jt-tcn Wandlers vom Mittelpunkt der Anordnung ist

F i g. 2 stellt ein Funktionsblockschaltbild einer Vorrichtung in dem Ultraschall-Abbildungssystem zum Verarbeiten von Echosignalen gemäß der Erfindung dar. Die Vorrichtung enthält eine Anordnung 11 aus ringförmigen Wandlern 15. die konzentrisch um eine

so Mittelachse 16 der Anordnung herum angeordnet sind und deren Radius sukzessiv größer wird. Die Resonanzfrequenzen aller Wandler sind im wesentlichen gleich. Die Strahlungsfläche der Wandler wird durch die Innenseite einer Kugelsegmentfläche gebildet, deren Mittelpunkt den Brennpunkt 17 bildet. Der Punkt 20 stellt einen Gegenstandspunkt auf der Mittelachse 16 der Anordnung dar. Eine kurzzeitige Ultraschall-Impulsfolge, die von der Anordnung erzeugt wird, trifft auf den Gegenstandspunkt 20 und erzeugt ein Echo. Die von einer Vielzahl von Wandlern der Anordnung erzeugte Impulsfolge kann als von der Mitte der Anordnung abgestrahlt angesehen werden. Das Echo wird von verschiedenen Wandlern der Anordnung zu verschiedenen Zeiten empfangen, die von den Abständen dieser Wandler vom Gegenstandspunkt 20 abhängen. Ein derartiges Echo erzeugt eine Gruppe von Echosignalen in den Wandlerelcmenten, und zwar in jedem Wandler ein Echosignal. Die Verarbeitung der von den Wandlern

15-1 und 15-2 erzeugten Echosignale wird nachstehend ausführlicher beschrieben. Die von den anderen Wandlern erzeugten Echosignale werden in ähnlicher Weise verarbeitet. Der Wandler 15-1 ist in der Mitte der Anordnung angeordnet, während der Wandler 15-2 um die Mitte der Anordnung herum angeordnet ist. Die Linie 21 stellt den Weg des vom Gegenstandspunkt 20 zur Mitte £is Wandlers 15-1 reflektierten Echos dar. Die Linie 22 stellt den Weg des vom Gegenstandspunkt 20 zum Wandler 15-2 reflektierten Echos dar.

Das im Wandler 15-1 erzeugte Echosignal wird als Echosignal Nr. 1 und das vom Wandler 15-2 erzeugte Echosignal wird als eines der Echosignale bezeichnet, die in den anderen Wandlern der Anordnung erzeugt werden. Diese Echosignale werden in einem zugehörigen Signalverarbeitungskanal verarbeitet, der als /-Kanal bezeichnet wird. In jedem der /-Kanäle erfolgt eine Demodulation und Bewertung. Alle Echosignale Nr. 1

₁2 sowie die änderen Echosi^nsle, die in den

anderen Wandlern der Anordnung erzeugt werden, werden ebenfalls in einem zugehörigen Q-Signalverarbeitungskanal verarbeitet, d. h. demoduliert und bewertet. Das demodulierende Signal, weiterhin »Demodulationssignal« genannt, das in jedem der (^-Kanäle benutzt wird, wird so eingestellt, daß es gegenüber dem Demodulationssignal, das bei der Demodulation in einem zugehörigen /-Kanal verwendet wird, um 90° phasenverschoben ist Die Signale in den /-Kanälen werden zu einem ersten Summensignal und die Signale in den (P-Kanälen zu einem zweiten Summensignal summiert. Das e.ite Summensignal und das zweite Summensignal werden gefiltert. Aus den gefilterten Summensignalen wird ein resultierendes Signal gebildet, das die Reflektion vom Gegenstandspunkt 20 darstellt.

Nachstehend wird zusätzlich auf die Fig. 3A bis 3G Bezug genommen. Die Stelle, an der ein in den Fi g. 3A bis 3G dargestelltes Signal im Blockschaltbild der F i g. 2 auftritt, ist in F i g. 2 mit einem Buchstaben bezeichnet, der an die Figurenzahl des betreffenden Diagramms angehängt ist. Das vom Wandler 15-1 erzeugte Echosignal Nr. 1 ist in Fig.3A dargestellt. Der Spitzenwert des Echosignals Nr. 1 tritt im Zeitpunkt ti nach dem Zeitpunkt to auf, in dem der Spitzenwert der kurzzeitigen Ultraschall-Impulsfolge von der Anordnung ausgesendet wird. Der Auftrittszeitpunkt I, des Spitzenwertes des Echosignals Nr. 1 hängt von der Länge des Weges 21 zwischen Gegenstandspunkt 20 und Wandler 15-1 ab. Das Echosignal Nr. 1 wird einem ersten Demodulator 25 zugeführt, dem ein Generator 26 auch das erste Demodulationssignal Nr. 1 zuführt, das in Fig.3B dargestellt ist. Das erste Demodulationssignal Nr. 1 und die anderen ersten Demodulationssignale haben eine Grundschwingungsfrequenz, die im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der Wandler ist Obwohl der Verlauf des ersten Demodulationssignals sinusförmig dargestellt ist, können auch andere Wellenformen, z. B. rechteckige, verwendet werden. Das erste Demodulationssignal Nr. 1 ist gegenüber dem Echosignal Nr. 1 um den Winkel α nacheilend dargestellt Der erste Demodulator 25 gibt ausgangsseitig ein erstes demoduliertes Signal Nr. i ab, das in Fi g. 3E dargestellt ist und das Produkt des Echosignals Nr. 1 und des ersten Demodulationssignals Nr. 1 darstellt Das erste demodulierte Signal Nr. 1 wird einer Bewertungsschaltung 27 zugeführt, das eine vorbestimmte Verstärkung oder Dämpfung des ersten demodulierten Signals Nr. 1 bewirkt so daß es passend mit ähnlich verarbeiteten /-Kanalsignalen anderer Wandler der Anordnung in einem Summierverstärker 35 überlagert werden kann.

Das vom Wandler 15-2 erzeugte Echosignal Nr. 2 ist in F i g. 3C dargestellt. Der Spitzenwert des Echosignals Nr. 2 tritt in einem Zeitpunkt h nach dem Zeitpunkt i₀ auf, in dem der Spitzenwert der Ultraschall-Impulsfolge von der Anordnung gesendet wird. Der Auftrittszeitpunkt h des Spitzenwertes des Echosignals Nr. 2 hängt von der Länge des Weges 22 zwischen dem Gegenstandspunkt 20 und dem Wandler 15-2 ab. Das Echosignal Nr. 2 wird einem Demodulator 31 zugeführt, der von einem Generator 32 das erste Demodulationssignal Nr.2 erhält, das in Fig.3D dargestellt ist. Das erste Demodulationssignal Nr. 2 ist so eingestellt, daß es dem Echosignal Nr. 2 in der Phase um den Winkel λ nacheilt,

d. h. um denselben Betrag phasenverschoben ist, wie das erste Demodulationssignal Nr. t gegenüber dem Echosignal Nr. 1.

Zu diesem Zweck ist das erste Demodulationssignal Nr. 2 gegenüber dem ersten Demodulationssigna! Nr.!

um einen Betrag phasenverschoben, der von der Differenz der Weglängen 21 und 22 abhängt. Das erste demodulierte Signal Nr.2, das in Fig.3F dargestellt ist, erscheint am Ausgang des ersten Demodulators 31 und ist das Produkt des Echosignals Nr. 2 und des ersten Demodulationssignals Nr. 2. Nach der Bewertung durch die Bewertungsschaltung 33 wird das erste demodulierte Signal N r. 2 dem Summierverstärker 35 zugeführt.

Das erste demodulierte Signal Nr. 1 und das erste demodulierte Signal Nr. 2 werden im Summierverstärker 35 summiert und in einem Tiefpaßfilter 37 gefiltert, so daß sich ein erstes Summensignal ergibt, das in F i g. 3G dargestellt ist. Die in den anderen Wandlern der Anordnung erzeugten Echosignale werden in ähnlicher Weise verarbeitet und summiert, wie es durch den Pfeil 36 kollektiv angedeutet ist, um am Ausgang des Summierverstärkers 35 und nach Filterung durch das Tiefpaßfilter 37 ein Signal 21 mit hoher Amplitude zu erzeugen, das die Beiträge aller Echosignale, die in den Wandlern der Anordnung erzeugt wurden, zu dem erstcn Summensignal darstellt.

Nachstehend wird zusätzlich auf die Fig.4A bis 4H Bezug genommen. Die Stelle, an der das in den F i g. 4A bis 4H jeweils dargestellte Signal im Blockschaltbild der F i g. 2 auftritt ist in F i g. 2 mit dem mit einem Beistrich versehenen Buchstaben bezeichnet, der an die Figurenzahl des betreffenden Diagramms angehängt ist. Das Echosginal Nr. 1, das vom Wandler 15-1 erzeugt wird, ist in Fig.4A dargestellt. Wie in Verbindung mit Fig.3A erwähnt wurde, tritt der Spitzenwert des Echosignals

so Nr. 1 in einem Zeitpunkt fi nach dem Zeitpunkt to auf, in dem der Spitzenwert der Ultraschall-Impulsfolge von der Anordnung ausgesendet wurde. Der Auftrittszeitpunkt fi des Spitzenwertes des Echosignals Nr. 1 hängt von der Länge des Weges 21 zwischen dem Gegen-Standspunkt 20 und dem Wandler !5-1 ab. Das Echosignal Nr. 1 wird einem zweiten Demodulator 41 zugeführt, dem ein Generator 42 auch ein zweites Demodulationssignai Nr. 1 zuführt, das in F i g. 4B dargestellt ist. Das zweite demodulierte Signal Nr. 1 und die anderen zweiten demodulierten Signale haben eine Grundschwingungsfrequenz, die im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der Wandler ist. Obwohl der Verlauf der zweiten Demodulationssignale sinusförmig dargestellt ist, können auch andere Wellenformen, z. B. rechteckige, verwendet werden. Das zweite Demodulationssignal Nr. 1 ist in der Phase gegenüber dem ersten Demodulationssignal Nr. 1 um 90° nacheilend eingestellt d. h. um u*+90° gegenüber dem Echosignal Nr. 1 nach-

9 10

eilend. Der zweite Demodulator 41 erzeugt das zweite nach F i g. 3A um den Winkel ex nacheilt, ist der Spitzen-

demodulierte Signal Nr. I,das in Fig.4E dargestellt ist wert des ersten demodulierten Signals Nr. 1 nach

und das Produkt des Echosignals Nr. 1 und des zweiten F i g. 3E gleich cos in us α mal dem Maximalwert, den das

Demodulationssignals Nr. 1 darstellt. Das zweite demo- erste demoduüerte Signal Nr. 1 haben kann, was dem

dulierte Signal Nr. 1 wird der Bewertungsschaltung 43 5 Fall entspricht, daß das erste Dcmodulationssignal Nr. 1

zugeführt, da: eine vorbestimmte Verstärkung oder nach Fig. 3B mit dem Echosignal Nr. 11 nach Fig. 3A in

Dämpfung des zweiten demodulierten Signals Nr. 1 be- Phase ist. Da das zweite Demodulationssignal Nr. 1

wirkt, so daG es in geeigneter Weise zu ähnlich verarbei- nach F i g. 4B dem Echosignal Nr. I um «+90° nacheilt,

teten (p-Kanalsignalen der anderen Wandler der Anord- läßt sich die Amplitude des zweiten demodulierten Si-

nung im Summierverstärker 49 summiert werden kann. io gnals Nr. 1 nach Fig. 4E als cosinus («+90) mal der

Das im Wandler 15-2 erzeugte Echosignal Nr. 2 ist in maximal möglichen Amplitude, die das zweite demodu- F i g. 4C dargestellt. Wie in Verbindung mit F i g. 3C er- lierte Signal Nr. 1 haben kann, darstellen, entsprechend

wähnt wurde, tritt der Spitzenwert des Echosignals dem Fall, daß das zweite Dcmodulationssignal Nr. 1 mit

Nr. 2 in einem Zeitpunkt h nach dem Zeitpunkt ίο auf, in dem Echosignal Nr. I in Phase ist. Um den Maximalwert

dem der Spitzenwert der Ultraschall-Impulsfolge von ts des ersten demodulierten Signals Nr. I zu ermitteln,

der Anordnung ausgesendet wird. Der Auftrittszeit- braucht lediglich die Quadratwurzel aus der Summe der

punkt h des Spitzenwertes des Echosignals Nr. 2 hängt Quadrate des ersten demodulierten Signals Nr. I und

von der Länge des Weges 22 zwischen Gegenstands- des zweiten demodulierten Signals Nr. I gezogen zu

pur.kt 20 und Wandler 15-2 ab. Das Echsigna! Nr. 2 wird werden. Berücksichtigt man. daß

dem zweiten Demodulator 45 zugeführt, dem ein Gene- 20

rator 46 außerdem das zweite Demodulationssignal y'cos² + cos^J (« + 90)
Nr. 2 zuführt, das in F i g. 4D dargestellt ist. Das zweite

Demodulationssignal Nr. 2 ist so eingestellt, daß es dem unabhängig von α gleich eins ist. dann folgt daraus, daß ersten Demodulationssignal Nr. 2 in der Phase um 90° der Maximalwert des ersten demodulierten Signals pronacheilt, d.h. um λ+90° gegenüber dem Echosignal 2s portional zum Spitzenwert des Echosignals Nr. 1 ist Da Nr. 2 nacheilt. Das zweite demodulierte Signal Nr. 2, das alle anderen Echosignale in der gleichen Weise verarin Fig.4F dargestellt ist, erscheint am Ausgang des beitet werden, gilt das an obigem Beispiel erläuterte zweiten Demodulators 45 und stellt das Produkt des Ergebnis sowohl für das erste Summensignal ΣΙ als auch Echosignals Nr. 2 und des zweiten Demodulationssi- für das zweite Summensignal-J<?. In den Fig. 3A bis 3D gnals Nr. 2 dar. Das zweite demodulierte Signal Nr. 2 30 ist ein Phasenverschiebungswinkel χ von 60° dargewird der Bewertungsschaltung 47 zugeführt, die eine stellt. Auch in den Fig.4A bis 4D ist ein Phasenvervorbestimmte Verstärkung oder Dämpfung des zweiten Schiebungswinkel λ von 60° dargestellt. Durch die Verdemodulierten Signals Nr. 2 bewirkt, so daß es passend wendung zweier /- und (?-Kanäle (eines /— Q-Kanal· zu ähnlich verarbeiteten Q-Kanalsignalen anderer paares) für die Verarbeitung jedes Echosignals erhält Wandler der Anordnung im Summierverstärker 49 sum- 35 man daher ein resultierendes Signal, das unabhängig miert werden kann. vom Winkel λ ist. Um eine Auslöschung zu verhindern.

Die zweiten demodulierten Signale Nr, 1 und Nr, 2 wenn die Summensignale gebildet werden, muß der

werden im Summierverstärker 49 summiert und im Tief- Winkel λ für jedes erste Dcmodulationssignal und ein

paßfilter 52 gefiltert, so daß sich ein zweites Summensi- zugehöriges Echosignal jedoch im wesentlichen gleich

gnal ergibt, das in Fig. 4G dargestellt ist. Die in den 40 sein. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß die gegensei-

anderen Wandlern der Anordnung erzeugten Echosi- tige Phasenlage aller ersten Demodulatfinssignale so

gnale werden in ähnlicher Weise verarbeitet und sum- eingestellt wird, daß die Phasenlage aller ersten Demo-

miert, wie es durch den Pfeil 50 kollektiv dargestellt ist, dulationssignale in bezug auf die eines zugehörigen

so daß sich am Ausgang des Verstärkrs 49 und nach Echosignals im wesentlichen gleich ist Die Phasenein-

Füterung durch das Tiefpaßfilter 52 ein Signal JQ mit 45 stellung jedes ersten Demodulationssignals hängt von

hoher Amplitude ergibt, das die Beiträge aller Echosi- der Länge des Übertragungsweges vom Gegenstands-

gnale, die von den Wandlern der Anordnung erzeugt punkt 20 zu einem zugehörigen Wandler ab. Da jedes

wurden, zum zweiten Summensignal darstellt zweite Dcmodulationssignal gegenüber einem zugehö-

Das am Ausgang des Tiefpaßfilters 37 auftretende rigen ersten Dcmodulationssignal um 90° in der Phase erste Summensignal und das am Ausgang des Tiefpaßftl- so nacheilt, ergibt sich automatisch die richtige Phasenbeters 52 auftretende zweite Summensignal werden einer ziehung bei jedem der zweiten Demodulationssignale. Schaltung 51 zur Bildung eines resultierenden Signals Damit das Untersystem nach Fig. 2 richtig arbeitet, zugeführt, das eine monotone Funktion der Summe der sollte die Phasenverschiebung jedes ersten Demodula-Quadrate des ersten und zweiten Summensignals ist. tionssignals gegenüber einem zugehörigen Echosignal Diese Schaltung erzeugt insbesondere ein resultieren- 55 bei allen Signalpaaren im wesentlichen gleich sein. Die des Signal, das der Quadratwurzel der Summe der Qua- Phasenlage der zweiten Demodulationssignale ist jedrate des ersten und zweiten Summensignals proportio- doch durch die Phasenlage der ersten Demodulationssi· nal ist Die Amplitude des von der Schaltung 51 erzeug- gnale festgelegt Ein Gegenstandspunkt in einer andeten resultierenden Signals ist unabhängig von der Ein- ren Entfernung erfordert dagegen eine andere relative stellung der Phasenlage jedes der ersten Demodula- μ Phasenlage der ersten Demodulationssignale und auch tionssignale in bezug auf ein zugehöriges Echosignal der zweiten Demodulationssignale, um die ideale Am- und unabhängig von der Einstellung jedes der zweiten wort am Ausgang der Summierverstärker 35 und 49 zu Pcmodulnttoiissigniilc in bc/ug auf ein zugehöriges erhalten. Bei kleinen Abweichungen von der Entfernung Echosignal, da jedes zweite Demodulationssignal ge- des Gegenstandspunkts 20 ändern sich die crforderligenüber einem der ersten Demodultionssignale um 90° as chen relativen Phasenlagen der ersten Demodulationsphasenverschoben ist Dies wird nachstehend anhand signale und der zweiten Demodulationssignale nicht so eines Beispiels näher erläutert Da das erste Demodula- stark, daß sich eine wesentliche Abweichung der Abbiltionssignal Nr. 1 nach Fig.3B dem Echosignal Nr. 1 dungsgüte von der ergibt die man erhält, wenn die idea-

len relativen Phasenlagen vorliegen. An einer bestimmten Stelle, deren Entfernung eine andere als die des Gegenstandspunkts 20 ist, bewirken die sich ändernden Laufzeiten zu den Wandlern jedoch ein Randvcrhalten, so daß die relativen Phaseniagen der ersten und zweiten Demodulationssignale neu eingestellt werden müssen, um annähernd ideale Verhältnisse zu erzielen. Diese neuen relativen Phasenlagen gelten dann für einen bestimmten Entfernungsbereich, jenseits von dem die Phasenlagen wieder neu eingestellt werden müssen. Im allgemeinen muß mit tiefer in den Gegenstandsbereich eindringender Ultraschall-Impulsfolge der Gegenstandspunkt, auf den gezielt wird, die Impulsfolge durch schrittweise oder kontinuierliches Nachstellen der Phasenlagen der Demodulationssignale mitziehen. Wie die Phaseniagen der ersten und zweiten Demodulationssignale jedesmal wieder so nachgestellt werden können, daß die verschiedenen Bedingungen für die Einstellung der relativen Phasenlagen in Abhängigkeit von der Entfernung erfüllt werden, wird nachstehend anhand des in F i g. 5 dargestellten Blockschaltbildes beschrieben.

Nacheinander von aufeinanderfolgenden Gegenstandspunkten, deren Entfernung von der Wandleranordnung von Punkt zu Punkt größer wird, in der Wandleranordnung eintreffende Echos erzeugen nacheinander Gruppen elektrischer Signale in den Wandlern der Anordnung 11. Dabei werden aufeinanderfolgende Gruppen erster Demodulationssignale und zweiter Demodulationssignale mit der richtigen relativen Phasenlage versehen, wie es vorstehend erläutert wurde. Das am Ausgang der Schaltung 51 erscheinende resultierende Signal enthält dann Elemente, die den von den aufeinanderfolgenden Gegenstandspunkten reflektierten Echos entsprechen. Der Anordnung kann eine Vielzahl von Ultraschall-Impulsfolgen zugeführt werden, um eine Vielzahl von Echcsignalen und eine Vielzahl resultierender Signale am Ausgang der Schaltung 50 zu erzeugen. Die resultierenden Signale können dann nach verschiedenen Abtastverfahren durch eine Wiedergabevorrichtung wiedergegeben werden, um die Gewebestruktur des untersuchten Körperbereichs sichtbar zu machen. Wie die relativen Phasenlagen der ersten Demodulationssignale und der zweiten Demodulationssignale während der Dauer des Empfangs von Echos aus einem Gegenstandsbereich voreingestellt und die relativen Phasenlagen der ersten Demodulationssignale und der zweiten Demodulationssignale mit der Entfernung geändert werden, um eine kohärente Demodulation beizubehalten, wird nachstehend anhand von Fig.5 beschrieben.

F i g. 5 zeigt ein Funktionsblockschaltbild eines Ultraschall-Abbildungssystems 60, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie sie anhand von F i g. 2 beschrieben wurde, enthält. Ir. den F i g. 2 und 5 sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Der Sender 61 erzeugt gleichzeitig Impulse geeigneter Dauer für alle Wandler der linearen Anordnung 11 zur Bildung eines Sendestrahlungsbündels, das längs der Mittelachse der Anordnung ausgerichtet ist. Die Frequenzen für den Betrieb des Senders 61 liefert ein Frequenzsynthesizer 63 (das ist ein Normalfrequenzgenerator mit Frequenzsynthese), der an einen Hauptoszillator 65 angeschlossen is L

Von mehreren Vorverstärkern 66 iiegt je einer zwischen einem zugehörigen Wandler und einem zugehörigen /- und Q-Signalverarbeitungskanaipaar zur Erzeugung von Echosignalen mit für die Verarbeitung geeigneter Amplitude. Eine Zeitverstärkungssteuerschaltung 67 führt allen Verstärkern 66 ein Ausgangssignal zu, um die Amplituden der in den verschiedenen Wandlern der Anordnung U erzeugten Echosignale als Funktion der Entfernung auszugleichen und ihre Verarbeitung zu erleichtern. Die Zeitverstärkungssteuerschaltung 67 wird nach jeder ausgesendeten Ultraschall-In;pu-!sfo!ge durch ein Anfangsstrahlsignal, das sie von einer Anfangsstrahlschaltung 68 erhält und mit den Impulsen des Senders 61 synchronisiert ist, ausgelöst. Das Anfangs-Strahlsignal dient auch zur Auslösung von (die Frequenz durch 8 dividierenden) Zählern 77 und 78. Einen Anfangsvoreinstellungsschaltung, die mit Impulsen des Senders 61 synchronisiert ist, liefert ein Anfangsvoreinstellungssignal an einen Phasenvoreinstellungs-Festwürtspeichcr 72, in dem Phasenvoreinstellungsdaten zum Auslösen der Voreinstellung der Phasen der /· und Q-Wellenformgeneratoren des Systems gespeichert sind, wie nachstehend noch erläutert w>rd. Der /- und Q-Wellenformgenerator 75 liefert die Ausgangssignale, die von dem ersten Demodulationssignalgenerator 26 und dem zweiten Demodulationssignalgenerator 42 nach F i g. 2 erzeugt werden. Der /- und Q-We!lenformgenerator 76 liefert die Ausgangssignale, die vom ersten Demodulationssignalgenerator 32 und zweiten Demodulationssignalgenerator 46 erzeugt werden. Eine Anfangsempfangsschaltung 69, die mit den Impulsen des Senders 61 synchronisiert ist, erzeugt ein Anfangsempfangssignal nach dem Auftreten eines Anfangsstrahlsignals, das zur Steuerung einer Phasenverschiebungssequenz für die Signalverarbeitungskanäle, die zu den verschiedenen Wandlern der Anordnung gehören, verwendet wird, wie nachstehend noch näher erläutert wird.

Im folgenden wird beschrieben, wie die oben erwähnten Funktionen verwirklicht werden. Zunächst wird betrachtet, wie die relativen Phasenlagen der ersten und zweiten Demodulationssignale in den verschiedenen Kanälen so voreingestellt werden, daß eine kohärente Demodulation für ein empfangenes Strahlenbündel mit einer bestimmten Nummer bewirkt wird. Die ersten und zweiten Demodulationssignaie für das Echosignal vom Wandler 15-1 werden durch den /- und (?-Wellenformgenerator 75 erzeugt. Die ersten und zweiten Demodulationssignale für das Echosignal des Wandlers 15-2 werden vom /- und (^-Wellenformgenerator 76 ei"7eugt.

jedes der ersten und zweiten Demodulationssignale in jedem der Kanäle kann auf irgendeine von acht Phaseniagen voreingestellt werden, die relativ zueinander um 45° verschoben sind. Der Generator 75 wird durch den I : 8-Binärzähler 77 gesteuert Der Generator 76 wird

so durch den 1 :8-Binärzähler 78 gesteuert Durch Voreinstellung des Zählers mittels eines zugehörigen 3-Bit-Wortes wird irgendeine von acht möglichen Phaseniagen ausgewählt Die 3-Bit-Wörter werden aus dem Phasenvoreinstellungs-Festwertspeicher 71 ausgelesen, im Festwertspeicher 71 sind mehrere 3-Bit-Wörter gespeichert die jeweils die Phaseneinstellung eines zugehörigen /- und Q-Wellenformgenerators darstellen. Beim Auftreten eines Anfangsvorwählsignals am Ausgang der Anfangsvorwählschaltung 70, die vom Sender 61 nach jeder gesendeten Ultraschall-Impulsfolge ausgelöst wird, wird der Festwertspeicher 71 ausgelesen, um die entsprechende Voreinstellung der 1 :S-Binärzähler aller Kanäle zu bewirken. Beim Auftreten des Anfangsstrahlsignals am Ausgang der Anfangsstrahlschaltung 68 werden die 1 :8-Binärzähler 77 und 78 freigegeben. Dabei werden Impulse mit einer achtmal höheren Frequenz als die Frequenz der Echosignale, die in den Wandlern erzeugt werden, jedem der 1 :8-Binärzähler

13 14

77 und 78 über zugehörige Inhibit-Tore 81 und 82 von ten Frequenz, die der Geschwindigkeit entspricht, mit einem Frequenzsynthesizer 83 zugeführt der sein Ein- der das Strahlungsbündel (bzw. der Strahl) in den Obgangssigral vom Hauptoszillator 65 erhält Nachdem jektbereich eindringt Das Tor 87 sperrt den Durchgang eine Ultraschall-Impulsfolge gesendet worden ist, wird des Ausgangssignals des Frequenzsynthesizers 88 zum daher aus dem Phasenvoreinstellungs-Festwertspeicher 5 Adressenzähler 86 vor dem Auftreten eines Anfangs-71 eine Information in jeden der 1:8-Binärzähler über- empfangssignals am Ausgang der Anfangsempfangstragen, die zu einem Signalverarbeitungskanal gehören, schaltung 69. Beim Auftreten des Anfangsempfangssium erste und zweite Demodulationssignale mit der rieh- gnals am Eingang des Tors 87 wird das Ausgangssignal tigen Phasenlage in bezug auf die ersten und zweiten des Frequenzsynthesizers 88 dem Adressenzähler 86 zu-Demodulationssignale in den anderen Kanälen zu er- 10 geführt Die Geschwindigkeit, mit der der Adressenzähzeugen und eine kohärente Demodulation der Echosi- ler 86 die Adressen durchläuft, hängt von der Frequenz gnale in einer Anfangsentfernungszone des Gegen- des Ausgangssignals des Fequenzsynthesizers 88 ab.
Standsbereichs zu ermöglichea Da alle Kanäle die glei- Nachstehend wird die Wirkungsweise der Vorrichchen Takisignale erhalten, bleibt jede Differenz in den tung nach Fig.5 während eines Impuls-Echo-Zyklus Phasenvoreinstellungszählwerten. die zu Beginn einer 15 oder eine Betriebsperiode beschrieben. Unmittelbar beAbtastung vorliegen, während der gesamten Abtastung vor den Wandlern der Anordnung 11 vom Sender 61 erhalten gleichzeitig Einschalt- oder Erregungsimpulse zuge-Wie bereits erwähnt wurde, muß zur Bildung der ent- führt werden, wird der Phasenvoreinsteilungs-Festwertsprechenden relativen Phasenlage der ersten und zwei- speicher 71 durch ein Anfangsvoreinstellungssignal der ten Demodulationssignale in den verschiedenen Signal- 20 Anfangsvoreinstellungsschaltung 70 adressiert und ausverarbeitungskanälen in bezug zueinander die Phasen- gelesen. Durch die ausgelesenen Daten werden die lage jedes der ersten und zweiten Demodulationssignale Ϊ : 8-Binärzähler 77 und 78, dit- jedem der Signalverarmit der Entfernung geändert werden, um diese -relative beitungskanäle zugeordnet sind, auf einen Anfangszähl-Phasenlage beizubehalten. Wie sich die Phasenlage der wert eingestellt, der der für die Wandleranordnungsersten und zweiten Demodulationssignale jedes Kanals 25 geometrie geeigneten Phasenbeziehung entspricht Auf mit der Entfernung ändert hängt von der Lage des diese Weise wird sichergestellt, daß die /- und CMVeI-Wandlers relativ zur Mitte der Wandleranordnung ab. lenformgeneratoren 75 und 76 auf die richtige Phasenla-Der Betrag, um den die Phasenlage der ersten und zwei- ge relativ zueinander eingestellt werden, um eine kohäien Demodulationssignale eines Kanals mit der Entfer- rente Demodulation von Echosignalen zu ermöglichen, nung verschoben werden muß, um eine kohärente De- 30 die die Wandler der Anordnung aus dem untersuchten modulation des Echosignais zu erzielen, läßt sich leicht Nahfeld der Anordnung 11 empfangen,
anhand der Gleichung (1) bestimmen. Die Verzöge- Kurz nachdem die Einschaltimpulse des Senders 61 rungszeit 7* ist eine Funktion der Entfernung R des die Ultraschall-Impulsfolge der Anordnung 11 auslösen, betreffenden Wandlerelements x*. Die relative Verzö- wird ein Anfangsstrahlsignal von der Anfangsstrahlgerungszeit Tt läßt sich in eine Phasenvariable mit der 35 schaltung 68 erzeugt und der Zeitverstärkungssteuer-Resonanzfrequenz der Wandler umformen, indem diese schaltung 67 zugeführt, die die Verstärkung des Vorverabhängige Variable durch die Periodendauer der Reso- stärkers 66 in Abhängigkeit von der Entfernung so renanzfrequenz der Wandler dividiert wird. Die Phasen- gelt, daß die Amplituden der empfangenen Echosignale, verschiebung, die für ein bestimmtes Wandlerelement x* die von den Wandlern der Anordnung erzeugt werden, erforderlich ist ändert sich daher umgekehrt mit der 40 ausgeglichen werden. Das A nfangsstrahisignal gibt auch Entfernung R oder Zeit Nachstehend wird erläutert. die 1 :8-Binärzähler. z. B. die Zähler 77 und 78. frei, so wie diese Beziehung zur Bildung der Phascnverschie- daß ihr Zählbetricb ausgelöst wird und die /- und Q-bung in Abhängigkeit von der Entfernung für jeden der Wcllenformgeneratoren, 7. B. die Generatoren 75 und Signalverarbeitungskanäle herangezogen wird. Die 76. freigegeben werden und die /- und Q-Wellenformen Phasenverschiebung der ersten und zweiten Demodula- 45 für die verschiedenen Kanäle der Vorrichtung erzeugen, tionssignale eines Signalverarbeitungskanals wird durch um die verschiedenen Echosignale, die in den Kanälen Ausblenden oder Sperren eines Impulses einer Folge erscheinen, kohärent zu demodulieren. Die Echosignale von Impulsen bewirkt, die den ' : 8-BinärzähIern, z. B. werden zuerst von Echos an den Gegenstandspunkten den Zählern 77 und 78. vom Frequenzsynthesizer 83 im Nahfeld der Anordnung erzeugt,
über Inhibit-Tore, z. B. die Inhibit-Tore 81 und 82, züge- 50 Kur/, nach dem Anfangsstrahlsignal wird von der Anführt werden. Jedem der Inhibit-Tore wird eine Folge fangsempfangsschaltung69ein Anfangsempfangssignal von Bits aus dem Phasenverschiebungs-Festwertspci- erzeugt und dem Tor 87 zugeführt, das aufgetastet wird eher 72 zugeführt. Jedesmal, wenn sich ein Bit in sein und die Übertragung des Ausgangssignals des Fre-Komplement, oder umgekehrt, ändert, wird ein Impuls quenzsynthesizers 88 zum Adressenzählcr 86 freigibt, so am Durchgang durch das Inhibit-Tor zum 1 :8-Binär- 55 daß letzterer mit einer Geschwindigkeit zu zählen bezähler gehindert so daß eine Phasenverschiebung des ginnt die durch die Frequenz des Ausgangssignals des Binärzählers von 45° bewirkt wird. Der Phasenverschie- Frequenzsynthesizers 88 bestimmt wird. Der Adressenbungs-Festwertspeicher 72 wird mit eienr Folge von zähler 86 zählt die Adressen des Phasenverschiebungs-Wörtern in aufeinanderfolgenden Adressen versehen. Festwertspeichers 72 mit einer bestimmten Geschwin-Die Anzahl der Bits jedes Wortes ist gleich der Anzahl 60 digkeit durch, die bewirkt, daß die Inhibit-Tore, z. B. die der Kanäle in dem System. Gleichnumerierte Bits in Tore 81 und 82, Ausgangsimpulse des Frequcnzsyntheaufeinanderfoigenden Wörtern werden nacheinander si/.crs 83 unterdrücken und dadurch die Phasenlage der einem entsprechenden Inhibit-Tor in Übereinstimmung I : 8-Binär/ilhlcr ändern. Das Verschieben der Phasenniii der fortlaufenden Zählung des Adrcsscn/ahlers 86 lagen der I : 8-Binärzähler ermöglicht es, die Phasenlazugeführt. Der Adressenzähler 86 ist über ein Tor 87 mit 65 gen der /- und <?-Wcllenformen aller Signalverarbeieinem Frequenzsynthesizer 88 verbunden, der vom tungskanälcn bei solchen Relativwerten zu halten, bei Hauptoszillator 65 gesteuert wird. Der Frequenzsynthe- denen eine kohärente Demodulation der Echosignale sizer 88 erzeugt ein Ausgangssignal mit einer bestimm- beibehalten wird, die von Echos erzeugt werden, die an

weiter von der Anordnung entfernten Gegenstandspunkten reflektiert werden. Die verarbeiteten Echosignale werden nach der Bewertung ϊη den Summierverstärkern 35 und 49 summiert Die Ausgangssignale der Summierverstärker 35 und 49 werden, nachdem sie jeweils in den Tiefpaßfiltern 37 und 52 gefiltert wurden, der Schaltung 51 zugeführt, die ein Ausgangssignal erzeugt das proportional zur Quadratwurzel der Summe der Quadrate des Summensignals ΣΙ und des Summensignals IQ ist Das Ausgangssignal der Schaltung 51 wird als Videosignal benutzt und weist Amplitudenänderungen auf, die der Echointensität in verschiedenen Entfernungen in Abhängigkeit von der Zeit entsprechen. Dieses Signal kann verschiedenen Wiedergabevorrichtungen, z. B. einem Oszilloskop, zugeführt werden, um die Amplitude des Signals in Abhängigkeit von der Zeit wiederzugeben und eine Sichtanzeige der Gegenstandspunkte, z. B. eines Körpergewebes, in Abhängigkeit von der Zeit und der Entfernung zu bewirken. Die Wandleranordnung kann an der Oberfläche des Körpers längs einer Linie verschoben werden, um verschiedene Teiie der Körperiinie abzutasten, die im wesentlichen in der Ebene des Strahlungsbündels und der Linie liegen. Bei geeigneter Synchronisierung der Wiedergabevorrichtung mit der Verschiebung des Wandlers längs des Körpers läßt sich eine Zeit-Verschiebungs-Wiedergabe bewirken. Bei dieser Betriebsart ergibt allein die Verwendung der /-Kanal- oder (?-Kanal-Signalverarbeitungsschaltungen ein brauchbares Bild.

Die Wandler 15 der Anordnung 11 können irgendeine Resonanzfrequenz aufweisen. Vorzugsweise liegt die Resonanzfrequenz der Wandler 15 zwischen 2,0 und 5,0 Megahertz. Die Frequenz der /- und Wellenformgeneratoren 75 und 76 und mithin die Frequenz der 1 :8-Binärzähler 77 und 78 ist im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der Wandler 15. Die Frequenz des Ausgangssignals des Frequenzsynthesizers 83 beträgt das Achtfache der Grundfrequenz der 1 :8-Binärzähler. also 18 Megahertz bei Wandlern mit einer Resonanzfrequenz von 2,25 Megahertz. Vorzugsweise haben die vom Sender erzeugten Impulse eine Dauer von etwa zwei Mikrosekunden, innerhalb der mehrere Schwingungen im Wandler erzeugt werden, wenn sie durch diese eingeschaltet werden. Die Folgefrequenz der Senderimpulse liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 3 Kilohertz. Die Frequenz hängt von der Eindringtiefe und der Reflektion der Ultraschallschwingungen von Gegenstandspunkten im Gegenstandsbereich ab, in die die Ultraschallschwingungen durch die Wandleranordnung abgestrahlt werden. Der Frequenzsynthesrzer 63 liefert die passende Frequenzinformation, die zur Erzeugung der Impulse mit dieser' Dauer und Folgefrequenz durch den Sender 61 erforderlich ist. Die Frequenz di-s Ausgangssignals des Frequenzsynthesizers 88, der zur Phasenverschiebung verwendet wird, liegt im Bereich der Frequenz des Frequenzsynthesizers 83. Dieser Frequenzbereich sollte außerhalb des Videofrequenzbereiches oder eines dicht bei der Resonanzfrequenz der Wandler liegenden Frequenzbereiches liegen. Der Hauptoszillator 65 liefert Frequenzen, die um ein Vielfaches höher als die höchste Frequenz sind, die in dem System verwendet werden, um zu ermöglichen, daß die von der. verschiedenen Frequenzsynthesizern erzeugten Frequenzen die gewünschten Werte aufweisen können.

Vorzugsweise hat die Anordnung H etwa 10 Wandlerelcmente mit einer Breite von jeweils 0,95 Millimeter und mit mittleren Radien, die um ein Millimeter auscinanderliegen.

Die F i g. 6A und 6B zeigen eine andere Ringwandleranordnung 91 mit festem Brennpunkt die anstelle der Wandleranordnung 11 in der Vorrichtung nach den Fig. IA, 2 und 5 verwendet werden kann. Die Ringwandleranordnung 91 enthält ringförmige Wandler 92, die konzentrisch um eine Mittelachse 93 herum angeordnet sind und deren Radien von Wandler zu Wandler größer werden. Die Strahlungsflächen der Wandler 92

ίο liegen in einer Ebene, die senkrecht zur Mittelachse 93 steht Vor den Wandlern 92 ist eine akustische Linse 94 angeordnet die aus einem Material, z. B. einem plastischen Kunststoff, besteht in dem die Schallgeschwindigkeit größer als im Gegenstandsbereich ist für den der Wandler benutzt werden soll, z. B. für Körpergewebe. Die Oberfläche der Linse 94 in der Nähe der Abstrahlungsfläche der Wandler 92 ist eben und die gegenüberliegende Fläche gekrümmt so daß isochrone gwinverzögerungcn des Schalis von einem auf der Mittelachse 93 liegenden Brennpunkt bis zu allen Elementen 92 der Anordnung bewirkt werden.

Die Fig.7A und 7B steiien noch eine andere Wandleranordnung 101 dar, die in der Vorrichtung nach den F i g. 1A, 2 und 5 anstelle der Wandleranordnung 11 benutzt werden kann. Die Wandleranordnung 101 enthält ringförmige Wandler 102, die um eine Mittelachse 103 der Anordnung herum angeordnet sind und abgestufte Radien aufweisen. Die Strahlungsflächen der Wandler 102 liegen in einer Ebene, die senkrecht zur Mittelachse 103 steht Die Wandler 102 haben eine solche Geometrie und einen solchen Abstand, daß die Strahlungsflächen aller Wandler im wesentlichen den gleichen Flächeninhalt aufweisen. Dieser Aufbau ergibt eine gute Ausnutzung der Signalverarbeitungskanäle, die für die Wandler benutzt werden sollen. Ein fester Brennpunkt, der auf der Mittelachse 103 liegt, wird dadurch bewirkt, daß Verzögerungsschaltungen 105 an alle Wandler angeschlossen sind. Die von jeder Verzögerungsschaltung 105 bewirkte Zeitverzögerung ist so gewählt, daß die aufgrund eines Echos vom Brennpunkt am Ausgang der Verzögerungsschaltungen erscheinenden Signale gleichzeitig auftreten.

Die Anwendung des beschriebenen Ultraschall-Abbildungssysiems ist nicht auf die Abbildung des Aufbaus von menschlichem Körpergewebe für medizinische Diagnosezwecke beschränkt, sondern kann auch für andere Zwecke benutzt werden, z. B. zur Fehlerfeststellung in Gußstücken.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Abbildungssystem mit einer Einrichtung zum Erzeugen und Abstrahlen einer kurzzeitigen Ultraschall-Impulsfolge vorbestimmter Frequenz in einen Gegenstandsbereich und mit einer Anordnung aus mehreren ringförmigen, konzentrisch zueinander und einer Mittelachse der Anordnung angeordneten Wandlern, wobei die Anordnung ein Ultraschallecho der auf einen Gegenstandspunkt auf der Mittelachse im Gegenstandsbereich auftreffenden Ultraschallimpulsfolge empfängt, das vom Gegenstandspunkt erzeugte Echo in den Wandlern eine Gruppe aus Echosignalen erzeugt und der Auftrittszeitpunkt jedes der Echosignale eine Funktion des Abstands eines betreffenden Wandlers von dem Gegenstandspunkt ist, gekennzeichnet durch

Einrichtungen (26, 32) zum Erzeugen mehrerer erster Dciuödüiaticnssignaie (35,3D) rr.it im wesentlichen derselben Frequenz wie die vorbestimmte Frequenz und verschiedenen relativen Phasenlagen, wobei die Phasenlage jedes ersten Demodulationssignals relativ zur Phasenlage eines zugehörigen Echosignals (3A, 3C) im wesentlichen auf den gleichen Wert (ar) eingestellt ist.

Einrichtungen (25, 31) zum Demodulieren der von den Wandlern (IS) gelieferten Echosignalen (3A 3B) mit Einrichtungen zum Mischen jedes Echosignals (3A, ZB) irrt einem zugehörigen ersten Demodulationssignal (3B, 3D) zur Bildung eines zugehörigen ersten deinodulierten Signals (3E,3F) und
Einrichtungen zum Bewerten (33, 27) und Summieren der ersten demodulierteii Signale (3B\ 3F) zur Bildung eines ersten Summensignals (21),
eine Einrichtung (42,46) zur Bildung mehrerer zweiter Demodulationssignale (4S, 4D) mit im wesentlichen derselben Frequenz wie die vorbestimmte Frequenz, wobei jedes zweite Demodulationssignal um 90° gegenüber einem zugehörigen ersten Demodulationssignal (3B. 3D) phasenverschoben ist,
eine Einrichtung (41,45) zum Demodulieren der von den Wandlern (15) gelieferten Echosignale (4/4,4C) mit Einrichtungen zum Mischen jedes Echosignals (4/4,4C) mit einem zugehörigen zweiten Demodulationssigna! (4B, 4D) zur Bildung eines zugehörigen zweiten demodulierten Signals (4£, 4F).
Einrichtungen zum Bewerten (43, 47) und Summieren (49) der zweiten demodulierten Signale (4£, 4F) zur Bildung eines zweiten Summensignals (2Q),
Einrichtungen (51) zur Bildung eines resultierenden Signals (4W), das im wesentlichen eine monotone Funktion der Summe des Quadrats des ersten Summensignals und des Quadrats des zweiten Summensignals ist.

2. System nach Anspruch 1, bei dem aufeinanderfolgende Echos von aufeinanderfolgenden Gegenstandspunkten, die auf der Mittelachse im Gegenstandsbereich liegen, erzeugt werden und aufeinanderfolgende Gruppen von Echosignalen in den Wandlern erzeugen, gekennzeichnet durch
Einrichtungen (75, 76) zum Erzeugen aufeinanderfolgender Vielzahlen erster Demodulationssignale mit derselben Frequenz wie die vorbestimmte Frequenz und verschiedenen relativen Phasenlagen, wobei jede Vielzahl einer zugehörigen Gruppe aufeinanderfolgender Echosignale entspricht und die Phasenlage jedes ersten Demodulationssignals einer Vielzahl gegenüber der Phasenlage eines zugehörigen Echosignals einer entsprechenden Gruppe im wesentlichen auf denselben Wert eingestellt ist,

zweite Einrichtungen (75, 76) zur Bildung aufeinanderfolgender Vielzahlen zweiter Demodulationssignals mit derselben Frequenz wie die vorbestimmte Frequenz, wobei jede Vielzahl der zweiten Demodulationssignale einer zugehörigen Vielzahl t-rster Demodulationssignale entspricht und jedes zweite Demodulationssignal einer Vielzahl gegenüber einem zugehörigen ersten Demodulationssignal einer entsprechenden Vielzahl um 90° phasenverschoben ist

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-

i£ net, daß entsprechende erste Demodulationssignale (35; aufeinanderfolgender Vielzahlen erster Demodulationssignale kontinuierlich in ihrer Phasenlage verändert werden, um einen gewünschte Phasenlage von demselben Wert in bezug auf die der entsprechenden Echosignale aufeinanderfolgender Gruppen von Echosignalen zu erzeugen, und daß entsprechende zweite Demodulationssignale (4B) aufeinanderfolgender Vielzahlen zweiter Demodulationssignale kontinuierlich in ihrer Phasenlage geändert werden, um die 90° -Phasenverschiebung gegenüber entsprechenden ersten Demodulationssignalen aufeinanderfolgender Vielzahlen erster Demodulationssignale zu bewirken.