DE2413465A1

DE2413465A1 - Verfahren und kamerasystem zur ultraschallabbildung

Info

Publication number: DE2413465A1
Application number: DE2413465A
Authority: DE
Inventors: Hugh Finch Frohbach; Philip Shepard Green; Louis Frank Schaefer; Joe Ramon Suarez
Original assignee: Stanford Research Institute
Current assignee: SRI International Inc
Priority date: 1973-11-01
Filing date: 1974-03-20
Publication date: 1975-05-15
Also published as: SE394943B; DE2413465C3; SE7402759L; FR2250115A1; CA999962A; DE2413465B2; FR2250115B1; JPS5073474A; JPS6127052B2; US3937066A; GB1442717A

Description

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.STA]OOHD RESEARCH INS TITUTE, 333 Ravenswood Avenue, Menlo Park, CaI.94025 (V.St.A.)

Verfahren und Kamerasystem zur Ultraschallabbildung

Die Erfindung bezieht sich auf die optisch wahrnehmbare Darstellung von Gegenständen in optisch undurchsichtigen Medien, insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschallen eines Gegenstandes und zum Umwandeln reflektierter durchgelassener Ultraschallwellen auf direktem ¥ege in eine zur Betrachtung und zur Reproduktion mit fotografischen Mitteln geeignete, optisch wahrnehmbare bildliche Darstellung.

Der Gegenstand der Anmeldung ist verwandt mit den Gegenständen der US-Patentanmeldungen Serial No. 270 27^ vom 10. Juli 1972, 291 002 vom 21. September 1972, 35^ 236 vom 25. April 1973, 35^ 237 vom 25. April 1973 und 363 876 vom 25« Mai 1973 entsprechend den folgenden deutschen Patentanmeldungen bzw. auf diese eeteilten Patente, auf die ausdrücklich bezug genommen wirdj

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Obwohl Ultrascliallsysterae für die optisch wahrnehmbare Darstellung oder Untersuchung bzw. Erforschung auf weiten Gebieten Anwendung finden können und das im folgenden beschriebene Verfahren bzw. System auf allen diesen Gebieten nützlich ist, ist dasjenige Anwendungsgebiet, auf dem die höchsten Anforderungen gestellt werden und für das das System besonders geeignet ist, das der Abbildung lebender Organismen, beispielsweise von Organen, wie des Herzens in einem lebenden menschlichen Körper. Im Hinblick auf die spezielle Anwendbarkeit zu medizinischen Zwecken ist die Beschreibung speziell auf diese heikelste Anwendung abgestellt, jedoch sind Anwendung und Gebrauch des Verfahrens bzw. der Vorrichtung keineswegs auf diese Anwendung beschränkt.

Der Hinweis auf dieses angestrebte wichtigste Anwendungsgebiet gibt Anlaß zu einer vergleichenden Betrachtung des Standes der Technik auf dem Gebiet der Abbildung innerer Organe in lebenden Organismen. Verfahrensweisen, die keine optisch wahrnehmbare Darstellung liefern, kommen als "Wettbewerber" nicht in Frage und gehören nicht zum einschlägigen Stand der Technik. Die Röntgentechnik liefert in manchen Fällen eine Abbildung und hat den Beweis geliefert, daß die Darbietung von Informationen in Form einer Abbildung mit eindeutiger Zuordnung zu der zu betrachtenden Anatomie für diagnostische Zwecke die Gewinnung von Erkenntnissen in erheblichem Maß unterstützt.

Obwohl die Röntgentechnik im Grunde genommen keinen Eingriff erfordert, ist doch für eine wirksame optische Darstellung das Einführen von Kathetern oder das Injizieren von Konstrastmedien in vielen Fällen unvermeidlich. Außer-

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dem besteht immer die Gefahr der Einwirkung ionisierender Strahlungen sowohl auf den Patienten als auch auf den Röntgenologen. Außerdem treten häufig Bedingungen auf, unter denen eine befriedigende wahrnehmbare Darstellung von Geweben und Organen durch Röntgenstrahlen nicht möglich ist. In solchen Fällen muß der Diagnostiker in höherem Maß auf andere anerkannte Maßnahmen - die·Untersuchung des menschlichen Körpers, chemische Untersuchungen, Messungen elektrischer Potentiale usw. - zurückgreifen. Beispielsweise ist die normale Schilddrüse im Röntgenbild nicht darstellbar; die anomale Drüse ist nur anhand darin enthaltener verkalkter Bereiche oder anhand ihrer Wirkung auf benachbarte Strukturen darstellbar. Die gegenwärtigen Verfahren der Diagnose vermögen nicht mit hinreichender Sicherheit zwischen gutartigem und bösartigem Schilddrüsenwachstum zu unterscheiden.

Die Röntgentechnik hat sich für die optisch wahrnehmbare Darstellung des Gehirnes und mancher Knochenstrukturen sowie zur Entdeckung von Tumoren in Bereichen wie der Brust, als mangelhaft erwiesen. Speziell wird die Röntgendarstellung des Gehirnes durchgeführt, indem seine Hohlräume und Basiszisternen (basal cisterns) durch Injektion undurchsichtiger Medien oder eines Gases sichtbar gemacht werden, wobei die Risiken, die ein solches Vorgehen begleiten, in Kauf genommen werden. Arterielle FärbstoffInjektionen sind erforderlich, um das Herz- und Kreislaufsystem sichtbar zu machen, die sonst nur darstellbar sind, wenn eine Verkalkung vorliegt. Zahlreiche Einzelheiten der inneren Strukturen der Unterleibsorgane treten bei der einfachen Röntgenuntersuchung nicht zutage; beispielsweise kann die Bauchspeicheldrüse von den sie umgebenden weichen Geweben nicht unterschieden werden. Um ein Organ von seiner Umgebung abzuheben sind wiederum Kontrastmedien erforderlich, die entweder von dem Gewebe des Organs absorbiert oder durch sein Kreislaufsystem hindurchgeleitet werden sollen.

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Die röntgenografische Sichtbarmachung von Knochen in den Extremitäten ist für die meisten Zwecke zwar befriedigen; die bildliche Darstellung des weichen Gewebes, der Knorpel und der Gelenkhohlräume der Extremitäten ist jedoch mit keiner Röntgentechnik befriedigend zu erreichen.

Die Mammografie - eine Röntgentechnik zur Feststellung von Brusttumoren - setzt sich in zunehmendem Maß durch. Zur Feststellung der in bösartigen Tumoren auftretenden, äußerst kleinen Verkalkungen wird jedoch ein Film mit sehr hohem Auflösungsvermögen ohne Verstärkungsschirme verwendet. Dieser Film ist verhältnismäßig unempfindlich und erfordert lange Belichtungszeit. Auf diese Weise wird eine erhebliche Dosis der leicht absorbierbaren weichen Röntgenstrahlen vom Patienten aufgenommen. Die ungenügende Wechselwir-kung zwischen Röntgenstrahlen und weichem Gewebe und die mit der Verwendung von Kontrastmedien verbundenen Komplikationen führen zu einer bedeutsamen Einschränkung der Anwendung der Röntgentechnik. Ein weiterer Nachteil der Röntgenstrahlen besteht darin, daß sie nur mit dem Volumen des Gewebes in Wechselwirkung treten, gegenüber Trennflächen zwischen Geweben jedoch unempfindlich sind. Es besteht also ein ausgesprochenes Bedürfnis für neue Maßnahmen, die es gestatten, innere Organe ohne Verwendung ionisierender Strahlungen und und ohne Einführung von Fremdmaterial in den Körper sichtbar zu machen.

Die Fähigkeit von Ultra-schallwellen, Gewebe aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften zu unterscheiden, das Fehlen toxischer Wirkungen bei den für diagnostische Zwecke erforderlichen Energiepegeln und der Umstand, daß keine Maßnahmen erforderlich sind, die Eingriffe voraussetzen und bei denen die diese begleitenden Nachteile und Gefahren in Kauf genommen werden müssen, machen die Ultraschallabbildung zu einem besonders attraktiven und wirksamen Werkzeug der Diagnose.

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Es sind bereits mannigfaltige Ultraschallverfahren vorgestellt worden. Eine Besprechung der mannigfaltigen Verfahren und ihrer Vorteile findet sich in dem Artikel "Method of Acoustic Visualization" vom Miterfinder Philip S. Green in International Journal of Nondestructive Testing, Bd. 1, 1969» S. 1 bis 27. Obwohl der genannte Artikel'eine ziemlich vollständige Besprechung enthält, auf die hier zu Zwecken der Bezugnahme ausdrücklich hingewiesen wird, folgt nun eine Besprechung der Verfahrensweisen zur Festlegung des Standes der Technik, von dem die Erfindung ausgeht. Das als erstes eingeführte und derzeit in der diagnosbLsehen Medizin meist benutzte Ultraschallverfahren ist das schallartige Verfahren, bei dem ein Ultraschallwandler, der sich mit der Haut des Patienten in Berührung befindet, Ultraschallimpulse in das Gewebe schickt und anschließend ihre Reflexion von den Gewebetrennflächen feststellt; das Verfahren wird als "A-Abtastverfahren" bezeichnet. Da die für den Hin- und Rücklauf eines reflektierten Impulses erforderliche Zeit zum Abstand zwischen dem Impulssender und der reflektierenden Schicht proportional ist, gestattet die Darbietung dieser Wellenzüge auf einem Oszillograf en dem Benutzer die direkte Messung dieses Abstandes. Dieses Verfahren hat sich als ein Mittel .zur Anzeige der von Gehirntumoren erzeugten Mittellinienverschiebung weitgehend durchgesetzt.

Abgesehen vom-Doppler-Verfahren, bei denen Gewebe oder die Bewegung eines Mediums aufgrund der den reflektierten Ultraschallwellen mitgeteilten Frequenzverschiebung sichtbar gemacht werden, ist das einzige Verfahren der Ultraschalldiagnose, dessen Verwendung einen bedeutenden Umfang gewonnen hat, das sogenannte "B-Abtastverfahren". Wie beim A-Abtastverfahren wird, auch beim B-Abtastverfahren der Ultraschalldiagnose ein Wandler mit schmalem Strahl dazu verwendet, einen kurzen Ultraschallimpuls in das Gewebe zu schicken und die reflektierten Impulse festzustellen.

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Beim B-Abtastverfahren wird jedoch ein zweidimensionales Bild erzeugt, indem der ¥andler langsam an dem zu beobachtenden Bereich vorbeigeführt wird und die reflektierten Impulszüge in eng aufeinanderfolgenden Intervallen aufgezeichnet werden. Dabei wird zur Darstellung eine Kathodenstrahlröhre verwendet, wobei eine der orthogonalen Ablenkspannungen zur Stellung des ¥andlers und die andere zu der seit dem Aussenden des letzten Impulses verstrichenen Zeitspanne proportional ist. Die Darstellung wird von den reflektierten Ultraschallimpulsen intensitätsmoduliert. Das erhaltene Bild ist das eines Schnittes durch den Körper oder das Organ, das in der Ebene der sich fortpflanzenden Strahlen liegt.

Der Erfolg der Bilderzeugung im B-Abtastverfahren bei der Schwangerschaftsbeobachtung und Geburtshilfe ist äußerst überraschend. SchnittdarsteTlungen des Kopfes, des Rump fes und der Glieder des Fötus können mit hinreichender Deutlichkeit zur Darstellung gebracht werden, um eine Bestimmung der Größe und Lage des Fötus zu ermöglichen. Das B-Abtastverfahren ist ebenfalls nützlich bei der Unterscheidung zwischen der Neigung zu Mißbildungen und der normalen Schwangerschaft sowie zur Lokalisierung der Placenta.

Bescheidener sind die.Erfolge bei der Anwendung des B-Abtast verfahr ens bei Unterleibsorganen. Es ist häufig möglich, das Vorhandensein eines anomalen Zustandes an der Leber festzustellen. Außer der Unterscheidung zwischen zystösen und festen Massen ist es jedoch selten möglich, die Anomalität zu identifizieren. Es ist allgemein anerkannt, daß die praktische Anwendung des Ultraschalles bei der Diagnostizierung von Lebererkrankungen durch Mängel sowohl der Ausrüstung als auch der Untersuchungsvefahren behindert wird. Das B-Abtaatverfahren ist mit Erfolg zur Volumenmessung an Leber und Milz verwendet worden.

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Das B-Abtastverfahren ist auch zur Messung der Querschnittsfläche bei zahlreichen Organen, einschließlich der Niere und der Blase verwendet worden. Obwohl Echos aus dem Inneren erkrankter Nieren häufig zu beobachten sind, ist es wiederum selten möglich, diesen Echoformen spezielle pathologische Veränderungen eindeutig zuzuordnen.

Bei der Schilddrüsenuntersuchung im B-Abtastverfahren werden vier Grundtypen von Echoformen unterschieden und in gewissen Fällen speziellen pathologischen Zuständen zugeordnet. Es hat sich gezeigt, daß zystöse Knötchen selten ein Ultraschallecho erzeugen. Die Ergebnisse mit festen Adenomen sind weit weniger stichhaltig; im Falle colloider Adenome sind "Ultraschalltomogramme" im Schilddrüsenbereich häufig echofrei. Nahezu alle untersuchten Carcinome waren papillar, und ihre Tomogramme enthielten typischerweise zahlreiche Echos, obwohl diese auf zwei der bezeichneten Echoformen entfielen. Nicht-neoplastische krankhafte Veränderungen - meistenteils diffuse

und
Thyroiditis Graves'sehe Krankheit - werden durch dxe Tomo-

gramme nicht deutlich kenntlich gemacht.

Über die Feststellung von Neoplasmen mit Hilfe des B-Abtastverfahrens liegen Berichte vor. Wie bei den meisten anderen Organen kann zwischen zystösen und festen Massen unterschieden werden. Obwohl diese frühe Arbeit zu der Hoffnung Anlaß gab, daß bösartigen und gutartigen festen Massen unterscheidbare Echoformen zuzuordnen seien, geht die Meinung vieler Forscher dahin, daß eine solche Unterscheidung aufgrund von im B-Abtastverfahren hergestellten Abbildungen nicht möglich ist. Die optisch wahrnehmbare Darstellung der Brust in dieser Weise wird weiter durch das Ausmaß und die Veränderlichkeit der Schallstreuung durch die innere Struktur der normalen Brust kompliziert.

Die Anwendung des B-Abtastverfahrens zur Sichtbarmachung des Gehirns wird durch die am Schädel auftretende, erhebliche

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Schallreflexion und -brechung gestört. Auf diesem Gebiet wurde verhältnismäßig wenig Arbeit geleistet, bis vor kurzem in mehreren Untersuchungen nachgewiesen wurde, daß einige Strukturen innerhalb des Gehirns abgegrenzt werden können, wenn sekundäre Reflexionen vom Schädel mit Sorgfalt unterschieden bzw. ausgeschieden werden.

Die bildartige Darstellung des Herzens wird dadurch erreicht, daß der Wandler stillgehalten wird, während die Ausgangssignale in einem Diagrammschreiber mit angetriebenen Diagrammstreifen aufgezeichnet werden. Auf diese Feise winidie Bewegung der Herzwand und der zweizipfeligen Herzklappe (Mitralis) in dem Diagramm durch Wellenlinien wiedergegeben. Die Amplitude dieser Schwingungen ist ein direktes Maß der Herzklappen- und -wandverSchiebungen, während von der Dicke der Linien auf die Dicke der Herzklappe und -wand geschlossen werden kann. Die Herzstrukturen werden bei dieser Verfahrensweise nicht tatsächlichaufgelöst .

Obwohl zahlreiche andere Organe unter Verwendung des B-Abtastverfahrens sichtbar gemacht worden sind, ist das einzige das einer gründlichen Forschung unterzogen worden ist, das Auge. Augentumoren und Netzhautablösungen können, ebenso wie manche normale Strukturen des Auges, ohne weiteres zur Darstellung gebracht werden.

Das B-Abtastverfahren hat die potentielle Wirksamkeit der Ultraschallabbildung in der medizinischen Diagnose erwiesen und ist insbesondere zur Bestimmmung von Querschnittsformen und Flächen innerer Organe wirkungsvoll. Dennoch hat dieses B-Abtastverfahren mehrere bedeutsame, inherente Nachteile, von denen die folgenden erwähnenswert sind:

Schlechte seitliche Auflösung: Um ein gutes Kollimieren des Ultraschallstrahles zu gewährleisten, muß ein Wandler

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verwendet werden, dessen Durchmesser ein Vielfaches der Wellenlänge beträgt. Die seitliche Auflösung ist auf den Wandlerdurchmesser - typischerweise von 0,5 bis 2 cm beschränkt. Wenn ein hochfokussierter Wandler verwendet wird, wird ein scharfer Brennpunkt nur an der Brennweite vorhanden sein, während in anderen Tiefen das Bild sich bei weitem außer Schärfe befindet.

Schwierigkeiten durch spiegelnde Reflexion: Häufig weisen Gewebezwischenflächen verhältnismäßig geringe Unregelmäßigkeiten im Maßstab der Ultraschallwellenlänge (von gewöhnlich 0,3 bis 1,0 mm) auf und reflektieren daher die Wellen spiegelartig. Es ist allgemein üblich geworden, den Wandler schnell sektorenweise abzutasten, während er den interessierenden Bereich bestreicht, so daß Reflexionen von spiegelnden Flächen mit geringerer Wahrscheinlichkeit unentdeckt bleiben. Diese Maßnahme bewirkt jedoch nur eine teilweise Lösung des Spiegelproblems und bringt eine erhebliche Steigerung der Kompliziertheit mit sich.

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Unempfindlichkeit gegenüber örtlichen Änderungen der Schallabsorption« Die Unterschiede zwischen normalen und ano-malen Geweben hinsichtlich der Schallabsorption können in manchen Fällen eine empfindlichere Anzeige liefern als Unterschiede in der Schallimpedanz. Die Impulsechoverfahren sind gegenüber örtlichen Unterschieden in der Absorptionsfähigkeit im wesentlichen unempfindlich.

Lange "Bildaufbauzeit": Wegen der "endlichen" Zeit, die . ein ausgesendeter Impuls benötigt, um von dem fernsten Teil des Organs zurückzukehren, und wegen der mechanischen Kompliziertheit kann die für den Aufbau einer einzigen Querschnittsabbildung erforderliche Zeit mehrere Minuten betragen. Es muß nicht nur der Patient während dieser Zeitspanne unbeweglich gehalten werden, um eine Bildunschärfe zu vermeiden, sondern der Diagnostiker

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muß außerdem auf den beträchtlichen Vorteil verzichten, ein Bild "zeitgerecht" betrachten zu können. Außerdem sind gewöhnlich fünf bis zehn Abtastungen erfordenich, um ein Organ vollständig zu charakterisieren.

Niedriger Intensitätsbereich (dynamischer Bereich): Obwohl der Gewebenachhall sich über einen weiten Amplitudenbereich erstreckt, bietet die typischerweise bei der Bilderzeugung im B-Abtastverfahren verwendete Bildspeicherröhrendarsteilung normalerweise nur eine Annäherung des Bildes in zwei Pegeln (schwarz-weiß).

Bei den Bemühungen, die bei der Bilddarstellung im A- und B-Abtas.tverfahren für diagnostische Zwecke auftretenden Schwierigkeiten zu überwinden, sind zwei andere Verfahrensweisen der Ultraschallabbildung untersucht worden, nämlich das Linsen-Bildwandlerverfahren und die akustische Holografie. Eine wichtige Unterscheidung zwischen den mit dem B-Abtastverfahren einerseits und den mit dem Linsen-Bildwandler-Verfahren und dem akustischen Holografieverfahren andererseits erzielten Ergebnissen tritt im Typ der erzeugten Bilder zutage.

Während bei der B-Abtastung das Bild das eines Schnittes durch das Objekt in der Ebene der sich fortpflanzenden Strahlen ist, ist das mit Linsen-Bildwandler- und akustischen Holografiesystemen erzeugte Bild die Darstellung einer Ebene (oder mehrerer Ebenen) unter rechtem Winkel zur Ausbreitungsrichtun'g. Da das letztere Bild unseren alltäglichen Seherfahren entspricht, ist es auch leichter zu deuten. Während ferner durch die B-Abtastung erhaltene. Bilder ausschließlich mit reflektierter Energie gebildet sind, können unter Verwendung des Linsen-Bildwandler-Verfahrens oder der akustischen Holografie, analog wie bei den zweiten gewöhnlich/ . Arten der optischen Mikroskopie, Bilder wahlweise ntrt durchgelassener oder rsflektierter Energie erzeugt werden. Theoretische Grundlagen für das Linsen-Bildwaridlerverfahren der Schallbilder-

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zeugung finden sich in dem Artikel "Acoustic Imaging in a Turbid Underwater Environment" von P.S. Green J.L.S. Bellin und G.C. Knollman in J. Acoust. Soc. AM. Bd. kh (1968) S. 1719 bis 1730.

Beim Linsen-Bildwandlerverfahren ist die Verwendung von Linsen oder Brennspiegeln zur Konzentrierung von Ultraschallenergie bekannt. Es besteht eine enge Analogie zwischen der Reflexion und Brechung akustischer und optischer Wellenfronten an'den Grenzflächen zwischen Bereichen unterschiedlicher Brechungskoeffizienten, und Schall-linsen und -spiegel werden nach· -den gleichen Gesichtspunkten bzw. Verfahren konstruiert, wie sie auch in der Optik angewendet werden. In der Tat erstreckt sich die Analogie zwischen Akustik und Optik auf alle Erscheinungen der maßstäblichen Fortpflanzung. Wie zu erwarten, besteht auch bei Schall-Linsen und Schallspiegeln eine Beziehung zwischen Bildebene und Dingebene, wie sie in der Optik zu finden ist. Spezifischerweise wird von einer räumlichen Schalldruckanordnung oder einem Schalldruckmuster, das sich in einer Ebene vor der Schall—Linse befindet (und sich auf diese zu bewegt) in der konjugierten Ebene der Linse ein. durch Diffraktion und Aberration begrenztes Abbild erzeugt. Wie in der Optik kann dieses Abbild bei gewissen Parameterwerten ein virtuelles Bild sein. Wenn das beschallte Objekt jenseits der Brennebene einer Sammellinse angeordnet ist, ist das von dem Objekt erzeugte Bild reell. Ein in der entsprechenden Bildebene (gemäß dem Linsengesetz) angeordneter Schallbildwandler stellt ein fokussiertes Schallbild . des Objektes fest. Das Verfahren und die Vorrichtung für die Ultraschallabbildung, die den Gegenstand der Erfindung bilden, beziehen sich auf ein Linsen-Bildwandlersystem.

Wie oben angedeutet, können nach dem akustischen Holografieverfahren der Abbildung Bilder von der gleichen Form wie mit dem Linsen-Bildwandlersystem erzeugt werden. Im Falle der Holografie kann die Akustiklinse entfallen, und das von dem Objekt gestreute Wellenfeld wird direkt mit dem Bildwandler

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abgetastet« Dann wird nach einem von mehreren Umwandlungsverfahren ein optisches Diapositiv hergestellt, das dieses Wellenfeld darstellt. Eine Beleuchtung dieses Diapositivs mittels eines Lasers erzeugt sowohl ein reelles als auch ein virtuelles Bild des beschallten Gegenstandes.

In den letzten Jahren hat das Holografieverfahren der Schallabbildung erhebliche Beachtung gefunden. Mannigfaltige Zusatzverfahren sind beschrieben worden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die versuchte Lösung mit Hilfe der Holografie mit mannigfaltigen Mangeln behaftet ist. Die Bildung einer holografischen Rekonstruktion erfordert zunächst die Aufzeichnung des Ultraschallwellenfeldes auf einem Film und das Entwickeln des Filmes; dies ist ein zeitraubender Arbeitsgang zur Bildung eines einzigen Bildes und ist mit der Forderung nach zeitgetreuer Betrachtungsmöglichkeit unvereinbar. Eine "Echtzeit^Holografie ist jedoch mit Hilfe des Verfahrens der Flüssigkeitsspiegelreliefumwandlung (liquid surface relief conversion method) möglich, jedoch gilt dieses Verfahren als für diagnostische Zwecke zu unempfindlich; diese Beurteilung beruht auf Laboratoriumserfahrung mit dem Verfahren der Flüssigkeitsspiegelreliefumwandlung und deren Verwendung bei der Herstellung nichtholografischer, zeitgetreuer In-vitro-Abbildungen mannigfaltiger Organe. Obwohl zur Zeit an der Entwicklung zeitgetiBier, elektronisch adressierbarer Diapositive für die akustische Holografie gearbeitet wird, sind die Ergebnisse bisher entmutigend. Ein weiterer Nachteil der Ultraschallholografie, besteht darin, daß zum Beschallen des Objektes kohärente Ultraschallwellen verwendet werden müssen. Die Erfinder haben die Erfahrung gemacht und durch theoretische Studien untermauert, daß Breifibandschall getreuere Abbilder liefert. Obwohl bei der optischen Holografie das rekonstruierte Bild dreidimensional erscheint, ist dieser Vorteil in der Akustik wegen der durch den erheblichen Unterschied zwischen den Wellenlängen von Ultraschall und Licht verur-

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sachten inhärenten V_erzerrung nicht erzielbar.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer sichtbaren, zeit- und perspektivegetreuern Darstellung von Inhomogenitäten in einem undurchsichtigen Objekt oder Exemplar mit besonderer Eignung zum Abbilden von Organen in lebenden Organismen. Das Kamerasystem weist ein Linsen-Bildwandlersystem und eine Einrichtung zum Beschallen des Gegenstandes auf. Das Linsen-Wandlersystem enthält eine Linse, die von dem Objekt durchgelassene oder reflektierte Schallwellen empfängt und sie auf einen in der Bildebene angeordneten Bildwandler fokussiert. Der Bildwandler wiederum wandlet die Schallwellen in elektrische Signale um, die elektronisch verarbeitet und in ein zeitgetreues optisches Abbild des zu beobachtenden Bereiches umgewandelt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zweidimensionale perspektivische Abbildungen weicher Gewebestrukturen zu erzeugen, die durch kein Röntgenverfahren in befriedigender Weise sichtbar gemacht werden können.

Dabei soll die Bilderzeugung zeitgetreu mit hohem Auflösungsvermögen erfolgen.

'Die Erfindung schafft ein Verfahren und ein System zur Erzeugung einer optisch wahrnehmbaren, zeitgetreuen und perspektivegetreuen Darstellung der Inhomogenitäten in einem undurchsichtigen Objekt oder Exemplar unter Verwendung einer Ultraschall-Kamera mit Linse und Bildwandler mit besonderer Eignung zur Abbildung von Organen in lebenden Organismen. Zum Beschallen des Objektes ist mit diesem eine Ultraschallwellen erzeugende Wandlereinrichtung gekoppelt, und unter Verwendung der durchgelassenen und reflektierten Ultraschallwellen werden fokussierte perspektivische Abbildungen erzeugt und auf eine Reihe'von Wandlerelementen zur Umwandlung von Schallwellen in elektrische Signale gerichtet. Zur Erzeugung von für das Schallbild repräsentativen elektrischen.Signalen werden die Wandlerelemente unter Verwendung von Abtasteinrichtungen dem gesamten Schallbild ausgesetzt. Die für mindesten einen

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Teil des Schallbildes (beispielsweise für eine Linie desselben) repräsentativen elektrischen Signale werden verstärkt und in elektrischen Einzelspsicherelementen gespeichert, die anschließend, beispielsweise mittels Kommutatoreinrichtungen, mit einer Nutzungsschaltung, wie mit dem Steuergitter einer Kathodenstrahlröhre, zur Helligkeitssteuerung des Anzeigefleckes am Schirm der Röhre verbunden werden. Dann werden die Speicherelemente entladen und für einen arideren Teil des Schallbildes repräsentative Signale eingespeichert, und das Arbeitsspiel wird wiederholt. Die Schallbildabtastung und das wiederkehrende Erzeugen und Empfangen von Wellen kann mit periodisch zunehmender und abnehmender Frequenz erfolgen.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Er-findung beispielsweise dargestellt.

Fig. 1A, 1B und 1C zeigen im Zusammenhang in der in Fig. 1D gezeigten Anordnung ein kombiniertes Blockschema

des Ultraschallkamerasystems und Verfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1A zur Veranschaulichung der linearen Reihe von Empfangswandler e 1 em ent en;

Fig. 3 ist ein Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1A zur Veranschaulichung von Mitteln zur Erzeugung wiederkehrender Taktsignale; und

Fig. 4 und 5 sind Wellenformendiagramme elektrischer Signale, die an verschiedenen Orten innerhalb des Systems entwickelt werden und deren zeitliche Abstimmung aufeinander, wobei der fü"" die Wellenformen der Fig. 5 gewählte Zeicmaßstab erheblich kürzer als der gemäß .Fig. 4 ist.

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Fig. 1A zeigt eine Schallsendeeinheit 6 zur Verwendung zum Beschallen eines Gegenstandes 8 und eine Akustikkamera oder Empfangseinheit 10, die das von dem beschallten Gegenstand ankommende Druckwellenfeld empfängt und fokussiert und es in elektrische Signale übersetzt, die in eine zeitgerecht sichtbare Darstellung des beschallten Gegenstandes am Schirm einer Kathodenstrahlröhre 78 (Fig. 1B) umgewandelt werden.

Sowohl die Sendeeinheit .6 als auch die Empfangseinheit 10 sind mit einem geeigneten schallwellenleitenden Medium 11 bzw. 12 (beispielsweise Wasser) als Träger der von einem am einen Ende der Sendeeinheit 6 angeordneten, Ultraschallwellen erzeugenden Wandler 1^ erzeugten Schallwellen gefüllt. Das andere Ende der Sendeeinheit ist mittels eines flüssigkeitsdichten, schalldurchlässigen Fensters 15 geschlossen. Die von dem Wandler 1^ erzeugten Ultraschalldruckwellen werden durch das Medium 11 hindruchgeleitet und über das schalldurchlässige Fenster 15 zur Beschallung des Gegenstandes 8 gekoppelt.

Das von dem Gegenstand 8 ankommende UltraschalldruckwelleniöLd wird durch ein flüssigkeitsdichtes, akustisch durchlässiges Fenster 18 am einen Ende der Empfangseinheit 10 zu dem flüssigen Medium 12 innerhalb des Kamerakörpers eingelassen; in dem flüssigen Medium 12 ist zwischen dem Fenster 18 und einem Schallaufnahmewandler 16 ein akustischer Linsensatz 20 angeordnet. Der Wandler 16 (Fig. z) kann aus einer linearen Reihe piezoelektrischer Elemente 17 bestehen, die einzeln auf den momentanen Felddruck ansprechen. Bei einem ausgeführten und geprüften Anordnungsbeispiel war die Reihe " aus einhundertzweiundneunzig (192) solcher piezoelektrischer Elemente aufgebaut, jedoch ist die Erfindung nicht auf eine solche Anordnung beschränkt. Obwohl dies aus der Zeichnung nicht hervorgeht, kann die Rei-he, von oben gesehen, bogenförmig ausgebildet sein, so daß sie einer einzigen Linie quer zum Schalldruckbildfeld besser angepaßt ist. Es ist

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zu erwähnen, daß die Anlage auch im Reflexionsbetrieb betrieben werden kann, indem ein ultraschallwellenerzeugender Wandler 14¹ verwendet wird, der zum Beschallen des Gegenstandes 8 beispielsweise in der Flüssigkeit 12 der Aufnahmeeinheit angeordnet sein kann. Bei Verwendung einer solchen Wandlereinrichtung 1 ^-* werden anstatt der von dem beschallten Gegenstand durchgelassenen die von diesem reflektierten Ultraschallwellen verarbeitet.

Der Akustiklinsensatz 20 dient der zweifachen Funktion, die von dem beschallten Gegenstand ankommenden Schallwellen zu fokussieren und diese Wellen periodisch nach oben und unten abzulenken, um das Schalldruckbildfeld an der Empfangsreihe oder dem Wandler 16 vorbeizuführen. Der Linsensatz weist also zwei in einem Axialabstand voneinander angeordnete Linsenelemente 23 und 24 auf, zwischen denen eine Füllung eines flüssigen Mediums 26 ange-ordnet ist. In diesem Füllmedium befinden sich, mit den L^nsenelementen axial ausgerxchtet, zwei umlaufende JLkustikprismen oder -keile 28. Diese Prismen sind mittels eines mit diesen über einen geeigneten mechanischen Trieb 31 gekoppelten Motors 29 mit gleicher Winkelgeschwindigkeit gegenläufig drehend angetrieben. Wenn die Prismen von dem Motor in der beschriebenen Weise angetrieben werden, wird das Druckbildfeld in einer Sinusschwingung an der von der Reihe 16 von Schallempfangselementen 17 gebildeten Linie vorbeigeführt. Bei der dargestellten Anordnung bestreicht das Feld die Reihe 16 bei jeder vollen Umdrehung der Akustikprismen 28 einmal in beiden vertikalen Richtungen ohne seitliche Verschiebung des KLdes. Bei dem Verfahren und dem Akustikkamerasystem der Erfindung können zum Fokussieren ein Akustiklinsensatz gemäß Patent (Patentanmeldung entsprechend der US-Patentanmeldung

Serial No. 270 274 vom 10. Juli 1972), ein Schallabbildungsund Bxldablenkungssystem gemäß Patent (Patentanmeldung entsprechend der US-Patentanmeldung Serial No. 354 236 vom 25. April 1973) und eine

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linienförmige Reihe von Wandlern gemäß Patent (Patentanmeldung entsprechend der US-Patentanmeldung Serial No. 291 002 vom 21. September 1972) verwendet werden. Die in diesen Anmeldungen gegebene Lehre dient ent*sprechenden Zwecken, und der Gegenstand der genannten Anmeldungen wird zu Zwecken der Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen.

Der Wandler 16 und der Linsensatz 20 sind an einer innerhalb des Kamerakörpers in Längsrichtung beweglichen Grundplatte 22 in einem festen Abstand voneinander befestigt. Die Schärfeeinstellung auf eine beliebige Tiefe oder einen beliebigen Schnitt innerhalb des Objects oder Körpers 8 erfolgt durch Bewegung des Linsensatzes und des Wandlers entlang der Akustikachse 13 derart, daß der zu beobachtende Teil des Objekts oder Körpers in der Dingebene des Linsensatzes zu liegen kommt. Bei ■ dem Ausführungsbeispiel ist die Sendeeineinheit 6 außerdem entlang der Achse 13 beweglich, so daß Objektteile bzw.Teile eines Körpers von unterschiedlicher Dicke beobachtet werden können. Bei eins r (nicht dargestellten) * abgewandelten Ausführungsform kann die Empfangswandlereinrichtung 16 unabhängig vom L^nsensatz 20 derart montiert sein, daß der Linsensatz zur Schärfeeinstellung auf eine beliebige Tiefe innerhalb des Körpers 8 ohne die Wandlereinrichtung 16 innerhalb der Kamera längsbeweglich ist. Bei einer solchen Anordnung ist die Größe des an den Wandlerelementen 17 vorbeigeführten Schallbildfeldes in Abhängigkeit vom Abstand zwischen den Wandlerelementen 17 und dem Linsensatz 20 veränderlich.

Die von den piezoelektrischen Elementen 17 der linienförmigen Reihe 16 erzeugten elektrischen Signale werden Vor-Verstärkern 30 zugeführt, die vorzugsweise in räumlicher Nähe der Reihe von Elementen angeordnet sind, damit die Länge der erforderlichen Verbindungsleitungen möglichst klein - gehalten werden kann. Bei einer Reihe von 192 piezoelektrischen Elementen werden

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192 Vorverstärker 30, je einer für jedes Signal eines Wandlerelementes, benötigt. Der dargestellte Block 30 deutet diese 192 Vorverstärker an, und die zu diesem Block führenden und von ihm ausgehenden voll ausgezogenen Verbindungslinien veranschaulichen die Leitungen für alle 192 Vorverstärker.

Die von den 192 Vorverstärkern gelieferten Ausgangssignale werden ebensovielen (192) Hochverstärkungsempfängern 32 von gleicher Ausbildung einzeln zugeführt. Jeder Empfänger enthält eine Verstärkerstufe J>h von veränderbarer Verstärkung, deren Ausgangssignal einem Filter 36 zugeführt wird, der auf die Frequenz der von dem Sendewandler 14 erzeugten Ultraschallwelle abgestimmt ist. Es können Signale einer einzigen Frequenz wie auch Breitbandsignale verwendet werden. Anstatt dessen können Impulse unterschiedlicher Frequenz verwendet werden. Ohne Rücksicht auf die verwendete Frequenz oder verwendeten Frequenzen sind Ultraschallwellen im Bereich von etwa 1 bis 10 Mhz*typisch. Das verstärkte und gefilterte Signal wird von einem Detektor 38, beispielsweise einem Ganzwellendetektor, festgestellt, und die Hochfrequenzkomponente des festgestellten Signals wird dann von dem demodulierten Signal durch einen Tiefpaßfilter kO entnommen. Die Empfänger 32 hoher Verstärkung können entweder linear oder nicht-linear betrieben werden. Beispielsweise kann der dargestellte Empfänger, der linear arbeitet, im wesentlichen logarithmisch betrieben werden, indem einfach zwischen den Ausgang des Filters kO und den Verstärker 3k mit veränderlicher Verstärkung eine Rückkoppelungsschleife geschaltet wird. Der Übergang zwischen solchen Betriebsweisen kann unter der Steuerung durch ein Schaltelement in der Rückkoppelungsschleife erfolgen. Die logarithmische Betriebsweise führt zu einem größeren Aussteurungsbereich der darzustellenden Eingangssignale im Interesse einer besseren optisch wahrnehmbaren Wiedergabe des Wellenfeldes. Ein nicht dargestellter Betriebsartwähler für die Umsteuerung zwischen logardthmischea und linearem Betrieb für die Steuerung der

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Betriebsweise der Verstärker und eine Verstärkungshauptsteuerung hh zum Einstellen der Verstärkung aller Verstärker 3^ können am Schaltpult oder an der Schalttafel des Kamerasystems vorgesehen sein. Beim impulsweisen Betrieb des Kamerasystems, das beispielsweise in den Zeichnungen zugrundegelegt wurde, werden die Empfänger 32 von einer über ein mit den Empfängern verbundenes Netzanschlußgerät 48 mit Torschaltung (gated receiver power supply 48) nur während eines Teiles jedes Betriebszyklus mit Energie versorgt. Die Taktgabe für den Betrieb des. torgesteuerten Netzanschlusses des Empfangsteils wird im folgenden im Zusammenhang mit der Beschreibung des neuen Verfahrens gemäß der Erfindung noch erläutert.

Die Ausgangssignale von den Hochverstärkungsempfängern 32 werden durch Empfängertorschaltungen 50 und von dort über Leitungen 5OA zu Signalspeichereinheiten 52 (Fig. 1B) geführt. In der Darstellung des Systems mit 192 Kanälen sind durch die Blöcke 50 und 52 192 Empfängertorschaltungen bzw. ebensoviele Speichereinheiten angedeutet. Jedes der Empfängergatter 50 kann eine Gleichstrom-Analog-Torschaltung sein oder enthalten, die unter der Steuerung eines über eine Leitung zugeführten Empfängergattersignals öffnet bzw. schließt. Die Empfängergatter dienen zum Anschalten des Empfängerausgangs an die Speichereinheiten, wenn die Gatter während des Em fanges eines Gattersteuerimpulses über die Leitung 51 durchlassen, und zum Umleiten der Empfängerausgangssignale zu einer gemeinsamen Erdung 53» wenn das Gatter sperrt. Die Signalspeichereinheiten 52 können je aus einem Kondensator bestehen, der zwischen das Empfängergatter und die gemeinsame Erdleitung geschaltet ist und auf einen von dem Empfängerausgangssignal bestimmten Wert aufgeladen wird, wenn die Empfängergatter durchlassen. Die Kondensatoren behalten die Ladung ohne merklichen Leckverlust bei, bis das Abfragen oder Abtasten der gespeicherten Signale durch einen Kommutator 60 beendet ist.

-20- + über eine Leitung 49

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Nachdem die Signalspeichereinheiten 52 mit den gattergesteuerten Signalen von den Empfängern 32 gleichzeitig aufgeladen . wurden, wird die Energiezufuhr von dem Netzanschlußgerät 48 zu den Empfängern abgeschaltet, und die Speichereinheiten werden mittels des Kommutators 60 für die Zulieferung eines zusammengesetzten Bildsignals am Eingang eines Videoverstärkers 58 der Reihe nach abgefragt. Zur Verminderung der schädlichen Kapazitätserscheinungen, die sonst normalerweise im Anschluß von 192 Nachrichtenkanälen an eine einzige Leitung am Eingang des Videoverstärkers auftreten, wird ein Kommutator 60 von neuer Ausbildung verwendet. Der dargestellte Kommutator weist Gleichstrom-Analog-Torschaltungen (a) und (b) in Kaskadenschaltung auf, die durch Blöcke 62 bzw. 64 angedeutet sind. Der Block 62 deutet 192 Analogtorschaltungen an, deren Öffnen und Schließen reihenfolgemäßig durch Kommutator-Torsehaltsignale gesteuert ist, die von dem "A"-Teil eines Decodierers 66 über UND- bzw. ODER-Gatter 59 und 61 sowie über Leitungen 65 zugeliefert werden. Jeder Block 59 bzw. 6i bezeichnet 192 UND- bzw. ODER-Gatter, und die Leitung 65 deutet 192 Leitungen von den einzelnen ODER-Gattern zu den 192 einzelnen Torschaltungen 62 an. Die Torschaltungen 62 haben vier .Ausgangsschienen 67» die mit BUS-1 bis BUS-4 bezeichnet sind und die die Signalkanäle 1-48, 49-96, 97-144 bzw. 145-192 versorgen.

Die Signale der vier Kanäle aus den Torschaltungen 62 werden über Analog-Entladegatter 68 und Verstärker 69 dem Eingang der zweiten Kommutator-Torschaltungen 64 zugeführt. Die Blöcke 68, 69 und 64 deuten vier Entladungstorschaltungen, Verstärker bzw. Analog-Torschaltungen an. Die Entladegatter 68 sind normalerweise .für den Durchtritt von Signalen aus den ersten Analog-Torschaltungen 62 zu den Verstärkern 69 und von dort zu den zweiten Analog-Torschaltungen 64 geöffnet. Das Offen und Schließen der Analog-Torschalttungen 64 wird mittels Kommutator-Gattersteuersignalen reihenfolgemäßig gesteuert, die

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über Leitungsdrähte 70 vom Teil "B" des Decodierers 66 zugeführt werden« Die vier Torschaltungen 6k werden in der gleichen Häufigkeit geschaltete, in der die Vierfachleitungen 67 der Reihe nach mit Signalen von den ersten Analog-Tors chaltungen 62 beliefert werden. Die vier Signalkanäle werden am Ausgang der Analogtorschaltungen 6k zusammengefaßt und einem Filter 72 zugeführt, der durch das Kommutieren erzeugte Geräusche ausfiltert. Das so erhaltene Signalgemisch aus dem Filter 72 wird dem Eingang des Videoverstärkers 58und von dort einer Kathodenstrahlröhre 78 zugeführt.

Wenn die an allen 192 Sxgnalspeicherelementen 52 enthaltenen Informationen dem Videoverstärker 58 der Reihe nach über den Kommutator zugeführt worden sind, werden die Speicherelemente 52 für den nächsten SignalSpeichervorgang bereitgemacht, indem sie über die Erdleitung entladen werden. Das Entladen der Speicherelemente kann im wesentlichen auf einmal erfolgen, indem sämtliche 192 Analogtorschaltungen 62 geöffnet und die vier Entladegatter 68 geschlossen werden. Ein Entladegattersteuersignal von einem EiüLadegatterimpulsgenerator "Jk wird über die Leitung 73 sowohl (über die 192 ODER-Gatter 16i) den Analogtorschaltungen 62 zum Öffnen derselben als auch den vier Entladegattern zum Schließen derselben zugeführt. Die in den Signalspeichereinheiten 52 vorhandenen Ladungen werden auf diese Weise über die Kommutator-Torschaltungen 62 und von dort über die Entladegatter 68 zur Erdleitung 53 abgeleitet.

Die AusgangssignaIe aus dem Videoverstärker 58 werden einer Nutzungssohaltung, beispielsweise einer Kathodenstrahlröhre 78jzugeführt. Bei der dargestellten Anordnung werden die Ausgangssignale aus dem Verstärker zur Steuerung der Elektronendichte des auf die Bildfläche oder den Schirm der Elektronenstrahlröhre gerichteten Elektronenstrahls dem Steuergitter 80 der Röhre zugeführt. Für die wahlweise Erzeugung eines "positiven" oder "negativen" Bildes des Schallfeldes

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am Schirm der Röhre kann in der Zuleitung des Videosignals zur Kathodenstrahlröhre eine (nicht dargestellte) Negatorschaltung an- und abschaltbar eingebaut sein.

Ein Haupttaktsignal zum Synchronisieren der mannigfaltigen Funktionen des Kamerasystems kann mittels einer Taktgeber-Scheibe 82 erzeugt werden, die synchron mit den gegenläufig umlaufenden Prismen oder Keilen 28 antreibbar an der Welle des Motors 29 angebracht ist. Bei der dargestellten' Anordnung (Fig. 3) ist die eine Hälfte der Scheibe anders gefärbt als die andere Hälfte. Eine in der Nähe der Scheibe angeordnete Fotozelle 83 erzeugt unter dem Einfluß der einen dieser Farben ein Ausgangssignal zur Erzeugung einer Reihe von Impulsen, deren Dauer gleich der der impulslosen Intervalle ist. ¥ie oben erwähnt, wird bei jeder Umdrehung der gegenläufig umlaufenden Prismen 28 das Schallbildfeld einmal in jeder Richtung über die Linie der ¥andlerelemente 17 geführt, und während dieser Zeit wird am Ausgang der Fotozelle 83 ein Rechtecksignal erzeugt. Lediglich als Beispiel sei erwähnt, daß die Scheibe 82 und die gegenläufig umlaufenden Prismen 28 vom Motor 29 mit 450 U/min angetrieben sein können und das Schallbildfeld bei dieser Drehzahl je Sekunde 7,5-mal vollständig (d.h. auf und ab) an den Wandlern vorbeigeführt wird und die Taktsignale mit einer Impulsfrequenz von 7»5 Impulsen je Sekunde erzeugt werden.

Bei der Wellenform gemäß Fig. 4 ist die sinusförmige Ablenkbewegung des Schallbildfeldes unter der Wirkung der gegenläufig umlaufenden Prismen durch die Wellenform 200 angedeutet , und die Enden des Ausschlages dieser Ablenkbewegung erfolgea an den Scheiteln und Talsohlen der Sinuswelle 200. Das Ausgangssignal der Fotozelle 83, das durch die Wellenform 202 angedeutet ist, besteht aus einem symmetrischen Rechteckwellensignal mit einer Vorder- und einer Hinterkante, je im Mittelpunkt der Ablenkbewegung des Schallbildes, entsprechend der Auslenkung Null. Die Erzeugung des Rechteckwellensignals 202 im. richtigen Zeitpunkt wird dadurch erreicht,

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daß die Fotozelle in bestimmter räumlicher Beziehung zur umlaufenden Scheibe 82 angeordnet und die Scheibe entsprechend auf der Welle des Motors 29 angebracht wird.

Das von der Fotozelle gelieferte Rechtecksignal wird im Verstärker 84 (Fig. 1A) verstärkt und u.a. zum Herstellen einer Ablenkspannung für die Kathodenstrahlröhre 78 verwendet. Dies wird dadurch erreicht-, daß das Rechteckwellensignal in eine Sinuswelle umgewandelt wird, indem sie über eine Leitung 86 durch einen Tiefpaßfilter 85 (Fig. 1B) geführt wird. Das sinusförmige Signal aus dem Tiefpaßfilter wird zum Bestreichen der Bildfläche oder des Schirmes der Kathodenstrahlröhre 78 in der einen von zwei rechtwinke*· ligen Richtungen über eine einstellbare Phasensteuerschaltung 87 der einen der Ablenkschaltungen der Kathodenstrahlröhre 78 zugeführt. Bei der .dargestellten Anordnung wird diese sinusförmig veränderliche Spannung dan Vertikal Ablenkplatten der Röhre zugeführt. Die Phasensteuerschaltung 87 wird für die einwandfreie Synchronisierung der Vertikalablenkung mit dem der Helligkeitssteuerelektrode der Röhre während des Kommutationsvorganges zugeführten Videosignalgemisch eingestellt. .Die sinuswellenförmige Vertikalablenkspannung ist in den Wellenförmdiagrammen der Fig. 4 mit 204 bezeichnet.

Das Sende- und Empfangssystem laut obiger Beschreib-ung kann periodisch mit einer konstanten Folgefrequenz betrieben werden, so daß also die Sägezahnspannungen für die horizontale Ablenkungden Horizontalablenkplatten der Kathodenstrahlröhre 78 periodisch zugeführt werden. Die Verwendung einer sinusförmigen Vertikalablenkspannung im Verein mit einer periodischen sägezahnförmigen Horizontalablenkspannung würde zu einem Raster führen, dessen horizontale Abtastlinien über die Bildfläche der Röhre in unregelmäßigen Abständen liegen, und dies hätte eine ungleichmäßige Helligkeit an der Bildschirmfläche zur Folge. Derartige Helligkeitsänderungen könnten

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dadurch, ausgeglichen werden, daß die Intensität des Elektronenstrahls zur Verminderung der Helligkeit an den Stellen äußerster Ausladung der Vertikalablenkung 204 periodisch verändert wird.

Bei dem dargestellten Anordnungsbeispiel werden zur Wahrung gleicher Abstände der horizontalen Abtastlinien an der Schirmfläche der Kathodenstrahlröhre die Sende- und Empfangseinheit mit synchron zur sinusförmigen Abtastung des Schallbildfeldes durch die gegenläufig rotierenden Prismen sinusförmig variierender Frequenz betrieben. Außer zur Erzeugung d es sinuswellenförmigen Vertikalablenksignals in der beschriebenen Weise wird das verstärkte rechteckwellenförmige Haupttaktsignal von der Fotozelle 83 auch zur Erzeugung von Haupttaktimpulsen für die Steuerung der Tätigkeiten des Sende- und Empfangsteils mit einer Frequenz verwendet, die im gleichen Maß sinusartig veränderlich ist wie die sinusaEtige Frequenz, mit der das Schallbildfeld durch die gegenläufig umlaufenden Prismen 28 abgelenkt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß das verstärkte Rechteckwellensignal aus dem Verstärker 84 (Fig. ΙΑ) über die Leitung 88 einer spannungsgesteuerten Zeitverzögerungseinheit 9k (Fig. 1C) zugeführt wird, die beispielsweise aus einem Univibrator besteht, dessen Impulsdauer von der Größe der von einem Phasendetektor 90 über eine Leitung 92 zugeführten Steuerspannung abhängig ist. Der Phasendetektor und die spannungsgesteuerte Zeitverzögerungseinheit ⁺in einer Analyseschaltung (phase lock loop) enthalten, die auch ein Schieberegister 93 enthält, das von einem Oszillator 142 veränderlicher Frequenz (Fig. 1A) über eine Leitung Taktimpulse erhält.

Das Schieberegister 93» das durch die Hinterkante der von der spannungsgesteuerten Zeitverzögerungseinheit Jk ausgehenden Impulse angesteuert wird, wirkt als veränderliche Zeitverzögerungseinheit und liefert Ausgangsimpulse, die in einem Maß zeitverzögert sind, das der Taktfrequenz umgekehrt propor-

+•ind -25-

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tional ist. Der Ausgang des Schieberegisters und die verstärkte Rechteckwelle am Eingang der spannungsgesteuerten. Zeitverzögerungseinheit 9h werden dem Phasendetektor 90 zugeführt. Infolgedessen ist die von der spannungsgesteuerten Zeitverzögerungseinheit 9h erzeugte Impulsverzögerung gleich, jedoch entgegengesetzt jener, die von dem Schieberegister 93 im ausgeglichenen Zustand der Schleife (balanced loop condition) erzeugt wird. Wie aus dem folgenden noch hervorgeht, wird das Rechteckwellensignal aus der Fotozelle 83 durch die Z eitverzögerungs einheit 9h um ein solch.es Maß verzögert, daß die Vorderkante und Hinterkante des Rechteckwellensignals der Schallfeldauslenkung in dem Augenblick, In dem diese ihr. oberes und unteres Ende erreicht, um einen Betrag voreilt, der im wesentlichen gleich ist der Laufzeit der Ultraschallimpulse auf dem Weg von dem Sendewandler (oder TV) über den Gegenstand 8 zu den gegenläfig rotierenden Prismen 28. Wie oben bei der Besprechung der Fig. 1A erwähnt, ist dieser Abstand zur Ermöglichung des Fokussierens auf unterschiedliche Tiefen innerhalb des Körpers 8 und zur Anpassung an Objekte unterschiedlicher Dicke veränderbar. Die von der Zeitverzögerungs einheit. 9^· erzeugte Verzögerung wird durch Steuerung der Frequenz, mit der das Schieberegister 93 getaktet ist, entsprechend variiert. Die von der spannungsgesteuerten Zeitverzögerungseinheit 9h ausgehende Rechteckwelle 206 (Fig. h) eilt dem Ausgangssignal 202 der Fotozelle und der Schallfeldablenkung um eine Zeitspanne x, gleich der Laufzeit der Schallwelle von dem Sendewandler 14 (oder 1V) zu den Schallfeldablenkungsprismen 23.vor. Bei den Wellenformen gemäß Fig. 4 ist die Zeitspanne χ im Interesse der Anschaulichkeit stark übertrieben dargestellt. In der Praxis liegt diese Laufzeit χ üblicherweise in der Größenordnung von etwa 0,50 bis 1,50 ms.

Das Rechteckwellensignal aus der Zeitverzögerungseinheit 9h wird in eine Sinuswelle umgewandelt, indem es durch einen Tiefpaßfilter 96 geführt wird. Dieses sinuswellenförmige

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Ausgangssignal 208 (Fig. k) wird als Eingangssignal einem Gleichlauf—Analog-Digital-Umsetzer (tracking A/D converter)

98 zugeliefert. Gleichlauf-A-D-Umsetzer weisen ein auf- und abzählendes Zählwerk auf, das dem Analog-Eingangssignal im Gleichlauf folgt und als Ausgangssignal des Umsetzers entnommen wird. ¥ie aus der folgenden Beschreibung hervorgeht, werden bei der vorliegenden Anordnung die Impulse, die das auf- und abzählende Zählwerk antreiben, als Haupttaktimpulse verwendet. Bei einem sinuswellenförmigen Eingangssignal weist also das Ausganssignal des Umsetzers, wie es bei der vorliegenden Er-findung verwendet wird, Impulse auf, die mit einer Frequenz auftre.ten.,. die im Maß des sinusförmigen Eingangssignals sinusförmig veränderlich -ist. Die Anzahl der je Periode der Sinuswelle erzeugten Impulse hängt von der Amplitude des eingehenden Sinuswellensignals ab. Lediglich zu Zwecken der Beschreibung sei erwähnt,daß bei der dargestellten Anordnung die Amplitude der Sinuswelle und die Betriebseigenschaften des Gleichlauf-A-D-Umsetzers derart sind, daß während einer vollen Periode der eingehenden Sinuswelle am Ausgang des Umsetzers 400 Impulse erzeugt werden.

Gleichlauf-A-D-Umsetzer sind in der Technik bekannt und erfordern keine eingehende Beschreibung. Ein befriedigender Umsetzer 98 kann aus einem Differentialsfunktionsverstärker

99 bestehen, dessen eines Einganssignal das Sinuswellensignal aus dem Tiefpaßfilter 96 und dessen zweites Eingangssignal das Ausgangssignal aus de.m Digital-Analog-Umsetzer 100 ist, der durch ein auf- und abzählendes Binärzählwerk 102 betätigt ist. Im Betrieb zählt das Zählwerk unter der Steuerung eines über die Leitung 1Ok zugelieferten Auf- und Abzählsignals die über eine Leitung I06 zugeführten Zählimpulse abwechselnd auf und ab. Das eingehende Analogsignal wird .in dem Differentialverstärker mit dem Ausgangssignal aus dem D-A-Umsetzer

100 verglichen, und das Ausganssignal des Differentialverstärkers wird zwei Differentialvergleichern 108 und 110 zugeliefert, an deren^jeden außerdem zwei Schwellenpotentiale

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+V und -V gleicher Größe und entgegengesetzter Polarität angelegt werden. Die Vergleichsschaltungen liefern kein Ausgangssignal, solange das dort eingehende Signal (der einen Polarität) das Schwellenpotential entgegengesetzter Polarität nicht überschreitet. Wenn beispielsweise das Sinaswellensignal am Eingang des Umsetzers steigt, wird die "Aufwarts-"Vergleichschaltung 108 ausgelöst, wenn die Ausgangsgröße des Differentialverstärkers die Größe der Schwellenspannung überschreitet. Die Aus gangs größ-en der Vergleichsschaltung- werden Flip-Flop-Schaltungen 112 und 114 vom D-Typ zugeführt, an deren "1"—Klemme ein Ausgangssignal auftritt, wenn ari den Eingangskiemmenglei'chzeitig Signale eingehen. Ein Taktgeber 116 liefert den C-Klemmen der Flip-Flop-Schaltungen Taktimpulse zu.

Die "1"-Ausgänge der Flip-Flop-Schaltungen 112 und 114 sind über UND-Gatter 118 und 120 mit einem ODER-Gatter 122 verbunden. Ausgangsimpulse aus den Gleichiauf-A-D-Umsetzern 98 werden von dem ODER-Gatter 122 erhalten. Das Ausgangssignal des ODER-Gatters 122 wird ferner zum Antrieb des Zählers,102 zu diesem über eine Leitung 106 zurückgeführt. Die Auf— und Abzählsteuerung des Zählwerkes besorgt das Ausgangssignal aus der Flip-Flop-Schaltung über die Leitung 104. Die Flip-Flop-Schaltung 124 wird durch Signale aus den "1 "-Klemmen der Flip-Flop-Schallungen 112 bzw. 114 leitend gemacht bzw. gesperrt.

Lediglich zu Zwecken der Beschreibung der Wirkungsweise des Gleichlauf-A-D-Umsetzers sei angenommen, daß das diesem zugeführte sinuswellenförmige Signal zunimmt. Die "Aufwärts"-Vergleichschaltung 108 erzeugt dann ein Ausgangssignal, wenn das Ausgangssignal aus dem Differentialverstärker die Schwellenspannung überschreitet. Dadurch wird die Flip-Flopschaltung 112 beim nächsten Auftreten eines Taktimpulses getriggert, so daß sie ein Ausgangssignal an der "1"-Klemme erzeugt, die dem UND-Gatter 118 zugeführt wird. Das gleich-

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zeitige Eintreffen eines Taktimpulses und des Ausgangssignals aus der Flip-Flop-Schaltung 112 am Eingang des UND-Gatters hat zur Folge, daß das Ausgangssignal aus diesem einen hohen Wert annimmt. Normalerweise sind beide Eingangssignale des ODER-Gatters 122 niedrig, so daß auch dessen Ausgangssignal niedrig ist. Wenn aber nun das eine Eingangssignal hoch wird, wird auch das Ausgangssignal hoch, und es wird ein Ausgangsimpuls geliefert. Dieser Ausgangsimpuls veranlaßt das Zählwerk 102 zu einem Zählschritt, wodurch das Ausgangssignal aus dem D-A-Umsetzer 100 erhöht wird. Das Eingangssignal zur Differentialvergleichschaltung 108 aus dem Differentialvertärker 99 wird dadurch auf einen Gleichgewichtspegel vermindert.

Der Zähler 102 zählt nun weiter auf, .bis die von dem Tiefpaßfilter 96eingehende Sinuswelle eine Richtungsumkehr erfährt. Wenn das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 99 die Schwellenspannung -V überschreitet, wird die "Ab-

Ver-

wärts"-Gleichschaltung 110 ausgelöst und betätigt die Flip-Flop-Schaltung 11k, die ihrerseits die Flip-Flop-Schaltung 124 umsteuert und das UND-Gatter 120 und das ODER-Gatter 122 betätigt. Die Gleichlauf-A-D-Umsetζerschaltung zählt daher nun und auch weiterhin ab, bis die eingehende Sinuswelle die nächste Richtungsumkehr erfährt. Da das Eingangssignal des Gleichlauf-A-D-Umsetζers sich sinusförmig ändert, werden die ausgehenden Haupttaktimpulse mit in gleicher Weise sinusförmig variirender Impulsfrequenz erzeugt, und diese Impulse werden unter anderem dazu verwendet, die Tätigkeit des Sendewandlers zu triggern, die Empfangsgatter und den Empfangskommutator nach einer geeigneten Zeitverzögerung zu betätigen und die Erzeugung von Horizontalablenkspannungen für die Kathodenstrahlröhre 78 einzuleiten.

Es ist an dieser Stelle zu bemerken, daß das Auf- und Abzählsignal, das dem Zählwerk 102 über die Leitung 104 zugeführt wird, auch als kleinstes bedeutsames Bit dem D-A-

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Umsetzer 100 zugeführt wird. ¥ie aus dem folgenden hervorgeht, hat dies eine Verflechtung der der Kathodenstrahl- · röhre 78 zugeliefertei Horizontalablenkspannungen zur Folge; d.h.,. diejenigen Horizontalablenkspannungen, die erzeugt werden, während das Zählwerk 102 aufzählt, werden mit den Horizontalablenkspannungen, die beim Abzählendes Zählwerks auftreten, verflochten· oder zwischen diese eingelegt.

Die Haupttaktimpulse aus dem A-D-Umsetzer 98 (Fig. 1C) werden über eine Leitung 125 dem einen Eingang eines UND-Gatters 126 (Fig. 1A) zugeführt. Das UND-Gatter 126 ist mit zwei weiteren Eingängen versehen, deren einer mit einer Flip-Flop-Schaltung 133 und deren anderer über eine Leitung 128 mit einem Negator-Verstärker 152 verbündet» ist. Zu Zwecken der Beschreibung sei angenommen, daß das eine Eingangssignal des Gatters 126 aus der Flip-Flop-Schaltung 133 hoch ist, so daß auch dessen Aus gangs signal hoch wird, wenn die bei-den anderen Eingangssignale hoch sind. Das UND-Gatter erhält über eine Leitung 128 Senderverzögerungsimpulse, deren Dauer erheblich kürzer ist als die der . über eine Leitung 125 herangeführten Haupttaktimpulse. Wenn auf der Leitung 128 kein Senderverzögerungsimpuls vorhanden ist, gehen die Haupttaktimpulse aus dem A-D-Umsetzer 98 direkt durch das UND-Gatter 126 hindurch. Wenn andererseits auf der Leitung 128 zum einen-Eingang des UND-Gatters ein Senderverzögerungsimpuls vorhanden ist, während über die Leitung 125 an einem anderen Eingang des Gatters ein Haupttaktimpuls ankommt, wird die Vorderkant e'des Ausgangssignals aus dem UND-Gatter bis zum Ende des Senderverzögerungsimpulses verzögert. Das UND-Gatter 126 dient auf diese Weise als schaltbare Verzögerungsschaltung, die bei Bedarf eine Verzögerung der Vorderkante der Haupttaktimpulse bewirkt, so daß eine Tätigkeit des Sendewandlera1k verhindert wird, während die Empfänger 32 arbeiten. Während des größten Teiles des Betriebszyklus sind die Empfänger 32 durch die Gatterschaltung abgeschaltet, wenn ein Haupttaktimpuls an dem UND-Gatter 126 ankommt, und dann ist leine Verzögerung der Vorderkante des Impulses

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erforderlich oder vorgesehen.

Die kurze Verzögerung der Vorderkante ausgewählter Haupttaktimpulse ist wegen der veränderlichen Frequenz erforderlich, mit der von dem Sendewandler Ultraschallimpulse erzeugt werden. Bei der dargestellten Anordnung, bei der während jedes vollständigen Schallfeldabtastzyklus beispielsweise 400 liltraschallimpulse mit sinusförmig wechselnder Impulsfrequenz erzeugt werden, kann die Zeit zwischen den Impulsen sich von einem Minimum von etwa 220 /us bis zu einem Maximum von 3000 /us verändern. Wenn der Abstand zwischen Sende- und Empfangswandlern derart ist, daß die Impulse zum Durchlau-fen der Strecke ca. 1000/us benötigen, so ist ersichtlich, daß sich in jedem beliebigen Zeitpunkt zwischen 0 und h Ultraschallimpulse auf dem Weg zwischen den Wandlern befinden können. Zu bestimmten Zeiten während eines volJs tändigen Betriebszyklus kann ein Haupttaktimpuls aus dem GM-chlauf-A-D-Umsetzer 98 während der Empfangsgatter— tätigkeit erzeugt werden. Die angestrebten Signale, die an dem Empfangswandler ankommen, sind im Vergleich zu den von dem Sendewandler erzeugten Signalen äußerst schwach, und wenn zugelassen wird, daß der Sendewandler während der Empfangstätigkeit arbeitet, würde das schwache Schallbildfeld am Empfan^wandler won dem gesendeten Signal vollständig überdeckt werden. Um eine Sendetätigkeit zu solchen Zeiten zu verhindern, wird auf die Leitung 128 zum UND-Gatter 126 ein Impuls aufgegeben, während die Empfängergatter leitend sind, um den Durchgang der Vorderkante der Haupttaktimpulse solange zu verzögern, bis die Empfängergatter 50 wieder sperren.

Der aus dem UHD-Gatter 126 ausgehende Haupttaktimpuls wird über eine Leitung 130 einem Sendegattergenerator 132 zugeliefert. Der Generator 132, der ein von den Haupttaktimpulsen ansteuerbarer Univibrator sein kann, liefert ein Ausgangssignal,

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das einem Leistungsoszillator 134 als Ein-Aus-Steuersignal zugüefert wird. Wenn der Oszillator durch das Ausgangssignal aus dem Univibrator 132 eingeschaltet wird, wird ein Energieimpuls hoher Frequenz erzeugt, der je nach Stellung eines Schalters 134A dem einen oder anderen von zwei Sendewandlern 14, 14' für die pulsweise Erzeugung von Ultraschallwellen innerhalb des Mediums 11 bzw. des Mediums 12 zugliefert wird. Da die Haupttaktimpulse mit sinusartig wechselnder Frequenz auftreten, werden natürlich auch die Ultraschallwellen mit der gleichen sinusartigen Frequenz wiederkehrend .erzeugt» Typischerweise werden Sendeimpulse von ca. 6 bis 15 /us dauerverwendet. In dem ¥ellenformendiagramm der Fig. 4 ist der von dem A-D-Umsetzer 98 ausgehende Haupttaktimpuls mit 210 bezeichnet, und das Ausgangssignal des UND-Gatters 126, das die Sendertätigkeit steuert,.ist als Wellenform 212 dargestellt. In der Praxis können, wie oben beschrieben, von dem A-D-Umsetzer 98 ca. 400 Haupttaktimpulse für jede Periode der eingehenden Sinuswelle erzeugt werden, jedoch ist im Interesse der Übersichtlichkeit der Darstellung nur der zwanzigste Teil der gesamten Haupttaktimpulse gezeigt.

Mit Ausnahme derjenigen Ausgangsimpulse des UND-Gatters 126, die verzögert werden, um eine gleichzeitige Sende- und Empfangstätigkeit zu vermeiden, treten die Impulse 212 zugleich mit den Impulsen 210 und mit der gleichen sinusartig wechselnden Frequenz auf. Außerdem ist hier zu bemerken, daß, obwohl die verschiedenen Impulse 210, 212, 214 und 216 (Fig. 4) von unterschiedlicher Breite sein können, sie gleichgroß dargestellt sind, da der in Fig. 4 verwendete Zeitmaßstab eine Differenzierung auf dieser Basis nicht zuläßt. Aus ähnlichen Gründen ist die Verschiebung der Impulse 210 aus dem Gleichlauf-A-D-Umsetzer während jeder zweiten Hatbperiode der eingehenden Sinuswelle 208 infolge der Aufgabe des Auf-Ab-Zählsignals als kleinstes bedeutsames Bit auf die Leitung 104 zum D-AUmsetzers aus den Wellenformen 210, 212, 214 und 216'der Fig. 4 nicht ersichtlich. In der vorliegenden Beschreibung sowie

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in den Ansprüchen soll natürlich der Ausdruck "sinusartig wechselnde Frequenz" dieser Impulse den vorliegenden Fall einschließen, in dem .zur Vermeidung der gleichzeitigen Sende- und Empfangstätigkeit gewisse Impulse verzögert werden und jeder zweite Halbperiodenimpuls für die Verflechtung der Abtastung vorgezogen (oder verzögert) wird.

Das Sendegatterausgangssignal aus dem Sendegattergenerator

132 wird auch als Rückstellsignal einer Flip-Flop-Schaltung

133 vom Ein- und Rückstelltyp zugeführt. Die Einstellklemme der Flip-Flop-Schaltung erhält von dem A-D-Umsetzer 98 über den Negatorverstärker 135 Haupttaktimpulse, und das Ausgangssignal der Flip-Flop-Schaltung wird als drittes Eingangssignal dem UND-Gatter 126 zugeführt. Wenn die Flip-Flop-Schaltung durch Beendigung eines über den Negatorverstärker 135 zugeführten Haupttaktimpulses eingestellt wird, ist das Ausgangs—signal hoch und ermöglicht den Durchgang des nächsten Haupttaktimpulses durch das UND-Gatter 126. Der Sendegattergenerator 132 wird durch das Ausgangssignal aus dem UND-Gatter 126 getriggert, und das Ausgangssignal von diesem stellt die Flip-Flop-Schaltung 133 zurück, so daß das Gatter 126 außer Tätigkeit gesetzt wird. Bei dieser Anordnung wird verhindert, daß ein Senderverzögerungsimpuls über die Leitung 128 zum^Gatter 126, der bei Vorhandensein eines Haupttaktimpulses aus dem A-D-Umsetzer 98, jedoch erst nach Eintreffen der Vorderkante desselben am UND-Gatter 126 auftritt, das Ausgangssignal des UND-Gatters verändert, denn das eine Eingangssignal des UND-Gatters aus der Flip-Flop-Schaltung 133 ist niedrig und bleibt niedrig, bis der nächste Haupttaktimpuls die Flip-Flop-Schaltung 133 wieder einstellt.

Die Haupttaktimpulse aus dem UND-Gatter 126, die die Tätigkeit des Sendergattergenerators 132 auslösen, werden außerdem über eine Leitung 138 einer Impulsverzögerungseinheit 136 zugeliefert, so daß sie um eine gesteuerte Zeitspanne ver-

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zögert werden. Im Iiiteresse der Übersichtlichkeit ist die Verzögerungseinheit mit einem Schieberegister 1 40 dargestellt, das von einem Oszillator 142 von variabler Frequenz getaktet ist. Die Frequenz des Oszillators kann mittels einer Bereichssteuerung 144 beispielsweise zwischen 96 und 320 kHz veränderbar sein. Wie aus dem folgenden hervorgeht, wird durch Einstellung der Bereichssteuerung 144 das "Empfängerfenster" verstellt, und während dieser Zeit werden die Empfangswändlerelemente durch Öffnen der Empfängergatter 50 abgefragt. Bei der dargestellten Anordnung, bei der der Abstand zwischen dem Sendewandler(i4 oder 14·) und der Empfangswandlerreihe 16 veränderbar ist, ist eine Einstellung der Verzögerungseinheit 136 erforderlich, um die Unterschiede in der Durchlaufzeit der Impulse zwischen den beiden auszugleichen. Die Zeit, die ein Eingangsimpuls benötigt, um das Schieberegister zu durchwandern und an dessen Ausgang aufzutreten, hängt von der Anzahl der Registerstufen und der Taktfrequenz ab. Bei 128 Stufen gestattet eine Änderung der Frequenz von $6 bis 320 kHz Änderungen der gesamten Zeitverzögerung zwischen einem Maximum von 1333 /us bis zu einem Minimum von¹ 400 /us.

Wie oben erwähnt, taktet der Oszillator 142 veränderlicher Frequenz auch.das Schieberegister 93» das mit der spannungsgesteuerten Verzögerungseinheit 94 in der Phasenverriegelungsschleife (phase lock loop), eingeschaltet ist, für die Einstellung der Zeitspanne x, um die die Rechteckwelle 206 der Schallfeldablenkung 200 (Fig. 4) voreilt. Die von der

208 Rechteckwelle 206 abgeleitete Sinuswelle eilt der Schall-

die
feld auslenkung um gleiche Zeitspanne χ vor, und das gleiche gilt für die sinusartig veränderlichen Haupttaktimpulse 210 aus dem A-D-Umsetzer 98. Es ist an dieser Stelle zu erwähnen, daß das Schieberegister 93 in der Phasenverriegelungsschleife und das Schieberegister 140 in der Verzögerungseinheit 136 von gleicher Ausbildung sind und die gleiche Verzögerung erzeugen, wenn sie von der gleichen Ausgangsgröße aus dem

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Oszillator 142 variabler Frequenz getaktet sind. Folglich werden die zeitverzögerten Haupttaktsignalirapulse 214 (Fig. 4) aus dem Schieberegister 136 um die gleiche Zeitspanne χ verzögert, um die das Eingangssignal 208 des Gleichlauf -A-D-Ümsetzers der Ablenkung 200 des Schallfeldes voreilt, und diese Zeitspanne χ ist, wie oben bereits bemerkt, gleich der Durchlaufzeit der Schallfeldwelle aus dem Sendewandler 14 zu den Schallfeldablenkungsprismen 28.

Die verzögerten Haupttaktimpulse 214 aus der Zeitverzögerungseinheit 36 werden über eine Leitung 148 verschiedenen Einheiten, darunter einem Senderverzögerungsgenerator 146, zugeliefert. Der Generator 146 kann einfach aus einem Univibrator bestehen, der durch einen verzöger.ten Haupttakt» impuls angesteuert wird und durch die Hinterkante des über die Leitung 150 herangeführten Generatorimpulses für das Gatter der Energiezufuhr zum Empfänger abgeschaltet wird. Das Ausgangssignal des Generators 146 wird durch den Negatorverstärker 152 umgekehrt und über die Leitung 128 dem Eingang des UND-Gatters 126 zugeführt, so daß diejenigen Haupttaktimpulse, die in der beschriebenen Weise während des Vorhandenseins eines Senderverzögerungsgeneratorimpulses auftreten, verzögert werden.

Die 'verzögerten Haupttaktimpulse aus der Zeitverzögerungseinheit 136 werden außerdem einem Torimpulsgenerator 154 für das Netzanschlußgerät des Empfängers zur Erzeugung eines Torimpulses zugeliefert, der dem gattergesteuerten Netzanschlußgerät 48 des Empfängers zum Ein- und Ausschalten desselben zugeliefert wird. Der Generator 154, der einfach ein Univibrator sein kann, ist mit einer einstellbaren Steuerung 155 zum Steuern der Breite der ausgehenden Impulse ausgestattet. Im Betrieb werden die gattergesteuerten Empfänger eingeschaltet, bevor die Empfängergatter leitend werden, und ausgeschaltet, nachdem die Empfängergatter geschlossen sind.

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Durch Abschalten der Energiezufuhr zu den 192 Empfängern 32 hoher Verstärkung zu einer Zeit, in der die Empfänger keine Signale von den Wandlerelementen 17 zu verarbeiten haben, wird die Entwicklung überschüssiger Wärme vermieden, ohne daß es dazu der Verwendung umfangreicher äußerer Kühleinrichtungen bedarf.

Die zeitverzögerten Haupttaktimpulse aus der Verzögerungseinheit 136 werden schließlich auch einer weiteren Zeitverzögerungsschaltung 158 zugeliefert, in der sie weiter verzögert werden. Diese Zeitverzögerungseinheit I58, die in die Empfängergattersteuerschaltung einbezogen ist, kann aus einem Univibrator mit einer Gatterverzögerungssieuerung 16O zur Steuerung des Verzögerungsintervalles bestehen. Das zeitverzögerte Signal aus der Einheit I58 triggert einen Empfängertorimpulsgenerator 162, der ein Univibrator mit Breitensteuerung 164 für die Steuerung der Breite des Empfängertorimpulses am Ausgang sein kann. Der Empfängertorimpuls wird mittels eines Verstärkers 166 verstärkt und verschiedenen Schaltungen, unter anderem über Leitungen 51 den Empfängergattern 50, zugeführt. Wie oben bereits bemerkt, werden bei .Fehlen eines Empfängergattersignals die Ausgangssignale des Empfängers 32 (bei eingeschalteten Empfängern) über die Gatter 50 zur Erde abgeleitet. Bei Empfang eines Empfängergattersignals werden alle 192 Empfängergatter 50 gleichzeitig leitend, wodurch die Empfängerausgänge mit den Speichereinheiten 52 in Verbindung gesetzt werden. Derjenige Teil des Schallbildes, der von den Empfangswandlerelementen bei geöffneten Empfängergattern 50 aufgenommen wird, wird auf diese Weise gespeichert. Die von der Verzögerungseinheit 158 geschaffene Zeitverzögerung ist gleich der Durchlaufzeit der Schallfeldwelle über die Strecke von den Schallfeldablenkprismen 28 zu der Empfängerreihe 16. Bei der dargestellten Anordnung ist diese Zeit unveränderlich, so daß die Steuerung 160 auf die erforderliche feststehende Zeitverzögerung eingestellt ist. Die zeitverzögerten Empfänger-

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gattersteuerimpulse 216 (vgl. das Wellenformendiagramm in Fig. 4) sind gegenüber den Impulsen 214 um ein Zeitintervall y zeitverzögert. Wie ersichtlich, ist die Summe der Zeitintervalle χ und y im wesentlichen gleich der Durchlaufzeit der Impulse auf der Strecke von dem Sendewandler 14 bis zu der Empfängerreihe 16. In dem Wellenformendiagramm ist das. Verzögerungsintervall y im Interesse der Anschaulichkeit stark übertrieben dargestellt. Bei einem praktischen Akustiksystem könnte eine Zeitverzögerung y ca. 200 /us betragen.

Das Takten oder Synchronisieren der der Kathodenstrahlröhre 78 zugelieferteuHorizontalablenkspannung erfolgt unter der Steuerung des Ausgangssignals aus dem Torimpulsgenerator 154 des Netzanschlußgerätes. Der Schaltungsteil der Kathodenstrahlröhre für die Horizontalablenkung enthält einen Sägezahngenerator 168 (Fig. IB), der in Abhängigkeit von der Hinterkante der Impulse des Generators 154 ausgelöst wird, die ihm über die Leitung 167 (von Fig. 1A bis Fig. 1B) zugeliefert werden. Die erzeugte Sägezahnspannung wird der Horizontalablenkschaltung der Kathodenstrahlröhre zum Lenken des Strahles in horizontaler Richtung über den Schirm 79 der Röhre über eine Leitung 170 zugeführt. Wie ersichtlich, werden die Sägezahnsignale für die Horizontalablenkung in gleicher An*-zahl und in der gleichen sinusartig wechselnden Frequenz wie die zeitverzögerten Torimpulssignale des Netzanschlußgerätes erzeugt. Die Sägezahnsignale variabler Frequenz für die Horizontalablenkung .erzeugen im Verein mit den allgemein sinusförmigen Vertikalablenksignalen einen Raster von Abtastlinien in im wesentlichen gleichmäßigen Abstanden. Eine eingehende Beschreibung eines elektromechanischen Kippgeneratorsystems, das bei dem vorliegenden System anstelle der dargestellten Anordnung verwendbar ist, ist dem Patent

(Patentanmeldung entsprechend der US-Patentanmeldung Serial No. 354 237 vom 25. April 1973) zu entnehmen, dessen Inhalt zur Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung einbezogen wird.

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Die Impulse des Torimpulsgenerators 15^ des Netzanschlußgerätes des Empfangsteils, die das Netzanschlußgerät an- und abschalten (Fig. ΙΑ), werden außerdem über eine Leitung 167 einem Kommutator-Zeitverzögerungsgenerator 172 (Fig. 1B) in der Kommutationsschaltung zugeführt. Die Hinterkanter der Todrimpulse des Netzanschlußgerätes triggert den Generator 172. Der Generator 172, der ein Univibrator sein kann, schafft eine Zeitverzögerung zwischen dem Ende der Anschaltung der Energieversorgung der Empfänger und dem Beginn des Kommutationsvorgangs.

Die Hinterkante des Ausgangssignals des Generators 172 wird als Startsignal einem Kommutator zugeführt, um sein Anschalten für die Einleitung des Kommutationsintervalles durch eine Flip-Flop-Schaltung 171 zu ermöglichen. Das Ausgangssignal der Flip-Flop-Schaltung I7I wird allen 192 UND-Gattern 59 zum Ansteuern derselben sowie einem Kommutator-Taktgeber 17^ zugeführt, um diesen in Betrieb zu setzen. Der Taktgeber 17^- treibt ein Zählwerk 176 an, dessen Aufnahmefähigkeit entsprechend den .192 Empfangskanälen 192 beträgt. Das Ausgangssignal des Zählers wird dem Decodierer 66 zugeführt, der im Interesse der Einfachheit der Beschreibung mit zwei Decodiererteilen A und B dargestellt ist. Der A-Teil kann beispielsweise eine Anordnung von 12 χ 16 Gatterelementen sein, die von dem Ausgangssignal des Binärzählers in solcher Weise erregt werden, daß auf die 192 Ausgangsleitungen 177 aufeinanderfolgende Kommutator-Torimpulse aufgegeben werden. Wie bereits erwähnt, stellt der Block 59,192 UND-Gatter dar, mit denen 192 Leitungen 177 einzeln verbunden sind. Die Ausgangssignale der 192 UND-Gatter werden über die 192 ODER-Gatter 61 einzeln zu den 192 Analoggattern 62 geführt. Wenn die G_atter 62 durch die Signale aus dem Decodierer 66 der Reihe nach geöffnet werden, wird die in den Signalspeichereinheiten 52 gespeicherte Video-Information der Reihe nach über vier Nachrichtenkanäle 67 durch die Entladegatter 68 und Verstärker 69 zu den vier Gleichstrom-Analoggattern 64

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geführt. Die vier Gatter 64 im B-Teil der Kommutatorgatter werden der Reihe nach von den Kommutatorgattersignalen geschaltet, die vom B-Teil des Decodierers 66 über Leitungen 70 herangeführt werden.

Bei Beendigung des Konunutationsvorganges,' wenn der Kommutator die in den 192 Signalspeichereinheiten 52 enthaltenen Nachrichten an den "Videoverstärker 58 weitergegeben hat, liefert das Zählwerk 176 ein Signal über die Leitung'178, das den Entladegattergenerator 74 ansteuert. Der Generator 74 kann einfach ein Univibrator mit einer Impulsbreitensteuerung 180 zum Einstellen der Breite des Entladeimpulses sein. Das Entladegattersignal aus dem Generator 74 wird im wesentlichen gleichzeitig durch das ODER-Gatter 61 zu den 192 Gleichstrom-Analoggattern 62 zum Öffnen derselben und zu den vier Entladungsgattern 68 zum Schließen derselben geführt. Bei diesem Zustand sind die 192 Signalspeichereinheiten 52 über die Analoggatter 62 und .über die Entladungsgatter 68 mit der gemeinsamen Erdleitung 53 verbunden. Die Speicherelemente (Beispielsweise Kondensatoren), die die Speichereinhalten enthalten, sind auf diese Feise zum Entladen derselben geerdet. Wie eine Betrachtung des Wellenformendiagramms in Fig. 5 (siehe unten) lehrt, sind die Empfängergatter 50 während des Entladevorgangs geschlossen, so daß das Einführen von Empfängersignalen zu den Speichereinheiten 52 während dieser Zeit verhindert wird.

Die Vorderkante des Entladegattersignals aus dem Generator 74 -ward auch über ein ODER-Gatter 182 der Stop-Klemme des Kommutators zugeführt, um das Rückstellen derselben durch die Flip-Flop-Schaltung 171 zu ermöglichen. Das Ausgangssignal der Flip-Flop-Schaltung zum Kommutator-Taktgeber 174 setzt den Taktgeber am Ende des Kommutationszyklus außer Betrieb. Außerdem verhindert das Ausgangssignal der Flip-Flop-Schaltung, das dem Gatter 59 zugeführt wird, den Durchtritt von Kommutator—Schaltsignalen aus dem Decodierer 66 zu den

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Analoggatterschaltung 62 bei stillstehendem Taktgeber; der Taktgeber verbleibt im Stillstand, bis er bei Eingang des nächsten Startsignals an der den Kommutator schaltenden Flip-Flop-Schaltung 171 von der Verzögerungseinheit 172 wieder in Tätigkeit gesetzt wird. ¥enn der Taktgeber stillgesetzt ist, steht auch der Zähler 176 in seinem Ruhezustand beim Zählwert 192 still. Wenn der Taktgeber wieder in Tätigkeit gesetzt wird, wird' das Zählwerk z.tm Durchlaufen der Zustände 1 bis 192 angetrieben, bevor der Taktgeber wieder stillgesetzt wird. Bei diesem Betrieb des Taktgebers und des Zählers besteht keine Notwendigkeit, das Zählwerk während des normalen Betriebes zurückzustellen; Wenn jedoch die Anlage erstmalig eingeschaltet ist, oder bei Auftreten von Netzstromstößen, (power line transients) kann ein Rückstellen des Zählwerks erforderlich sein, um das Zählwerk in den richtigen Anfangszustand für den Zählzyklus zu bringen. Das Rückstellen des Zählers erfolgt mittels, eines Rückstellgenerators 184, der mittels des über eine Leitung 186 zugeführten Empfangergattersignals erregt wird. Das Ausgangssignal des Rückstellgenerators wird sowohl dem Zählwerk zum Rückstellendesselben

als auch über das ODER-Gatter 182 der Stop-Klemme der den Kommutator schaltenden Flip-Flop-Schaltung zugeführt, um das Rückstellen desselben drärch die Flip-Flop-Schaltung 171 zu ermöglichen, wenn dieser nicht bereits durch einen zugelieferten Entladegatterimpuls zurückgestellt ist. Es ist also ersichtlich, daß der Rückstellgenerator dazu dient, den Taktgeber stillzusetzen und das Zählwerk in den Rücksteilzustand von 192 zurückzustellen, wenn der T_aktgeber und der Zähler sich vor Beginn eines Kommutationszyklus nicht bereits in diesem Zustand befinden.

Obwohl sich die Wirkungsweise des Ultraschallkamerasystems und des Verfahrens gemäß der Erfindung aus der obigen Beschreibung bereits ergeben dürfte, folgt nun eine kurze Beschreibung derselben anhand der Wellenformen der Fig. 5 und 4. Wenn der Motor 29 die Prismen 28 antreibt, wird das Schallbildfeld, das von den durch das Objekt 8 (beispielsweise einen Patienten) hindurchwandernden Ultraschallwellen erzeugt

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wird, mittels der Linsen 23 und 24 fokussiert und von den gegenläufig umlaufenden Prismen 28 in vertikaler Richtung abgelenkt, so daß das Feld die Reihe der Empfangswandlerelemente 17 bestreicht (Fig. 4, Wellenform 200). Während dieses Bestreichens wird am Ausgang der Fotozelle 83 ein symmetrisches rechteckwellenförmiges Haupttaktsignal (Fig. 4, Wellenform 202) als Ausgangssignal erzeugt, dieses wird verzögert, gefiltert und dann mittels des Gleichlauf-A-D-Umsetzers 98 in Haupttaktimpulse (Fig. 4 und 5» Wellenform 21 θ) umgewandelt, die mit der sinusförmig veränderlichen Frequenz der Wellenform 208 aus dem Filter 96 auftreten. Die Haupttaktimpulse aus dem UND-Gatter 126 (Fig. 4, 5, Wellenform 212) lösen Sendegatterimpulse 218 (Fig. 5) aus, die den Oszillator 134 in Tätigkeit setzen, wodurch die Sendewandler 14 (oder 14') für die Dauer von jeweils etwa 6 bis 15 /us erregt werden.

Es ist hier zu erwähnen, daß, wenn ein Haupttaktimpuls, beispielsweise ein Impuls 210A (Fig. 5)» aus dem A-D-Umsetzer 98 während des Vorhandenseins eines Sendeverzögerungsimpulses, wie eines Impulses 220 (Fig. 5)» eingeleitet wird, die Vorderkante des Haupttaktimpulses 212A aus dem UND-Gatter 126 zeitverzögert wird, bis der Sendeverzögerungsimpuls 220 beendet ist. Der Sendeimpuls 218A wird, wie übrigens alle entsprechenden anschließenden Empfangsfunktionen für das Empfangen und Verarbeiten des verzögerten XTItraschallimpulses in ähnlicher Weise verzögert. Die Sendeverzögerungsimpulse 220 werden von dem Sendeverzögerungsgenerator 146 erzeugt, der durch verzögerte Haupttaktimpulse 214 aus der Verzögerungseinheit 136 getriggert wird. Wie aus dem Wellenformenschema der Fig. 5 ersichtlich, bewirkt der verstärkte

22· und negierte Sendeverzögerungsimpuls, daß eine Sendetätigkeit im Zeitintervall von T2 bis T7, in dem die Empfänger 32 erregt sind, verhindert wird.

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Das Ultraschallwellenfeld, das während der Dauer des im Zeitpunkt T1 beginnenden Impulses 218 (Fig. 5) von dem Sendewandler 14 erzeugt wird, wandert durch das Objekt 8,und der Linsensatz wird auf die Fläche der Empfangswandlerreihe 16 fokussiert, und die Reihe von Wandlerelementen 17 liefert elektrische Signale in Abhängigkeit von der Amplitude des einfallenden Schallwellenbildes. Der verzögerte Haupttaktimpuls 214 aus der Zeitverzögerungseinheit 136 steuert nicht nur in dar beschriebenen Weise den Sendeverzögerungsgenerator 146 für die Erzeugung eines Sendeverzö gerungs impuls es 220 an, sondern leitet auch die Tätigkeit des gattergesteuerfcen Emyfängernetzanschlußgerätes ein, die den Empfängern 32 die Energie für deren Erregung liefert, wie durch die Wellenform 222 angedeutet. Der verzögerte Haupttaktimpuls 214 wird durch die Empfangergatterver zögerungsschaltung I58 weiter verzögert und triggert den Empfängergattergenerator 162, wö.-durch ein Empfangergattersteuersignal 224 in dem Zeitpunkt T4 erzeugt wird. Die Zeitverzögerung vom Zeitpunkt T2 an, in dem die Empfänger 32 angeschaltet werden, bis zum Zeitpunkt T4, in dem die Empfängergatter 50 geöffnet werden, reicht aus, um eine Stabilisierung des Empfängerbetriebs zu gestatten (bei der dargestellten Anordnung .stellt dies auch die Durchlaufzeit des Ultraschallwellenfeldes auf der Strecke von den gegenläufig umlaufenden Prismen 28 zu der Empfangswandlerreihe 16 dar). Wenn die Empfangergatter 50 geöffnet werden, werden die Speichereinheiten 52 aufgeladen, wodurch in wirkungsvoller Weise die zu dieser Zeit an der Reihe von Wandlerelementen 17 vorhandene Amplitude des Schallbildfeldes festgehalten wird. Diese Informationsreihe wird anschließend während des Kommutationszeitraumes auf die Kathodenstrahlröhre übertragen. Die Steuerung 55 an dem Torimpulsgenerator des Empfänger-Netzanschlußgerätes ist so eingestellt," daß die Energiezufuhr 222 zu den Empfängern im Zeitpunkt T7, eine kurze Zeitspanne nach Beendigung des Empfängergattersignals 224 im Zeitpunkt T6, beendet wird.

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Vor Beginn des Konmutationszeitraumes wird der Kommutatortaktgeber 174 stillgesetzt und das Zählwerk 176 (wenn erforderlich) durch das Signal 226 aus dem Rückstellgenerator 184 zurückgestellt, der seinerseits von der Vorderkante des Empfängergatterimpulses 224 im Zeitpunkt Tk getriggert wird. Die Hinterkante des Gatterimpulses 222 des Empfängernetzanschlussgerätes triggert den Sägezahngenerator 168 für die Einleitung eines Sägezahnsignales 228 im Zeitpunkt T7 für die Horizontalablenkung des Kathodenstrahlröhrenstrahles. Die Sinuswelle 204 von verhältnismäßig niedriger Frequenz von etwa 7_f5 Perioden je Sekunde (Fig. 4) für die Vertikalablenkung ändert sich während dieser Horizontalablenkung nur minimal.

Die Hinterkante des Impulses 222 des Torimpulsgenerators der Energiezufuhr .zu den Empfängern triggert auch den Kommutatorverzögerungsgenerator 172 für die Erzeugung des Kommutatorverzögerungsimpulses 230. Die Hinterkante des Impulses 230 wird als Startsignal der den Kommutator steuernden Flip-Flop-Schaltung 171 zugeführt, wodurch der Kommutationsvorgang im Zeitpunkt T8 eingeleitet wird. Während dieses Kommutationszeitraumes treibt der Taktgeber 174 das Zählwerk I76, dessen Ausgangssignal von dem. Decodierer 66 decodiert wird. Das Ausgangssignal des Decodierers treibt seinerseits den Kommutator 60 an, worauf die in den Speichereinheiten 52 gespeicherte Information an den Videoverstärker 58 ausgegeben wird. Das Kommutationssignal 232, (Fig. 5) soll lediglich zur Veranschaulichung der Zeitspanne von T8 bis T9 dienen, während welcher der Kommutationsvorgang andauert, veranschaulicht aber nicht die während dieser Zeitspanne erzeugten einzelnen Kommutatortakt-Zähl- oder Gattersignale.

Am Ende des Kommutationszeitraumes, wenn das Zählwerk 176 einen Zählwerk von 192 erreicht, wird der Entladetorimpulsgenerator 74 getriggert und erzeugt einen Entladeimpuls 234.

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Die Vorderflanke deses Impulses wird an die Stopklemme der den Kommutator steurnden Flip-Flop-Schaltung 171 über das ODER-Gatter 182 angelegt, um diese zurückzustellen, wodurch der Taktgeber stillgesetzt wird, während das Zählwerk 176 sich im Ruhezustand auf dem Zählwert 1 92 befindet und das UND-Gatter 59 abschaltet. Der Entladeimpuls 23^ wird auch (über die ODER-Gatter 61) allen 192 Torschältungen 62 und allen vier Torschaltungen 68 für die Entladung der Speichereinheiten 52 zugeführt. Der Sägezahnimpuls 214 endet einige Zeit später als die Kommutationszeitspanne, etwa im Zeitpunkt T10, der Entladegatterimpuls 234 endet im Zeitpunkt T11, und das System befindet sich in Bereitschaft für die Erzeugung der nächsten horizontalen Informationszeile am Schirm der Kathodenstrahlröhre.

Mannigfaltige Änderungen und Abwandlungen bieten sich dem Fachmann bei Kenntnis der vermittelten Lehre an. Beispielsweise kann der Patient oder das Objekt in ein flüssiges Medium gelegt werden, mit dem die Sende- und Empfangswandler gekoppelt sind, anstatt daß die Koppelung, wie dargestellt, durch schall-durchlässige Membranen erfolgt. Obwohl ferner die Erfindung anhand eines Systems und Verfahrens vom Transmissionstyp (eines Durchschallungssystems bzw. -Verfahrens) der Schallabbildung beschrieben wurde, ist es offensichtlich, daß die Erfindung auch in einem Reflexionssystem verwendet werden kann, wenn der Empfangswandler auf vorwärts oder rückwärts gestreute Schallwellen aus einem Generator 14' anstatt auf die durchgelassenen Wellen aus einem Generator 14 anspricht. Bei einer solchen Anordnung würde die Entfernungssteuerung so eingestellt werden, daß ein Empfängerfenster in Abhängigkeit von der Gesamtstrecke geschaffen wird, die von der reflektierten Schallwelle vom Sendewandler zum Empfangswandler zurückzulegen ist. Wie oben angedeutet, wäre es einfach, Haupttaktimpulse mit konstanter Häufigkeit anstatt, wie dargestellt, mit sinusartig wechselnder Häufigkeit

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zu erzeugen. Anstatt des dargestellten Gleichlauf-A-D-Umsetzers 98 und der zugehörigen Schaltungseinrichtung könnte zur Erzeugung der Haupttaktimpulse ein Impulsgenerator verwendet werden, der mit einer konstanten Impulsfrequenz arbeitet. Bei konstanter Frequenz der Taktimpulse würden in der Gegend der Oberkante und Unterkante des Bildschirmes, wo also die Ablenkung in vertikaler Richtung sich am langsamsten ändert, mehr horizontale Abtastlinien erzeugt werden.

Es leuchtet ein, daß die Bilddarbietung an der Fläche 79 der Kathodenstrahlröhre 78 mittels eines Bildabtastumsetzers 240 ( Fig. Iß) in Signale umgewandelt werden kann, die zur Darbietung auf einem herkömmlichen Fernsehschirm oder Monitor verwendet¹ werden können. Bei einer anderen abgewandelten Ausführungsform könnten die gattergesteuerten Empfängerausgangssignale einer optischen Darbietungseinrichtung, beispielsweise einer Anordnung von 192 χ 4θΟ Lichtquellen mit geeigneter Kommutatorschalteinrichtung^zugeführt werden, durch die die jeweils an der Anordnung eintreffenden 192 Eingangssignale jeweils eine der aufeinanderfolgenden Reihen derselben erregen. Bei einer solchen Anordn-ung würden alle 192 Eingangssignale nicht nacheinander sondern gleichzeitig an die Darbietungseinrichtung angelegt werden. Obwohl nach der gegebenen Darstellung alle Empfängergatter 50 gleichzeitig betätigt werden, ist eine Betätigung derselben nacheinander natürlich ebenfalls möglich, wenn geringfügige Unterschiede in den Eintreffzeiten des akustischen Feldes an den Wandlerelementen 17 der Reihe ausgeglichen werden sollen, vorausgesetzt, daß die Wellen tatsächlich zu geringfügig verschiedenen Zeiten eintreffen. Auf jeden Fall werden die Empfangsgatter, wenn nicht genau gleichzeitig, so dafür doch im wesentlichen gleichzeitig betätigt werden.

Außerdem sind mannigfaltige Merkmale der Erfindung bei kontinuierlichen Wellensystemen_r bei denen das Objekt

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anstatt, wie dargestellt, wiederholt intermittierend, kontinuierlich beschallt wird, sowie auch bei kontinuierlichen sowie bei Puls-Doppler-Systemen anwendbar. Beispielsweise kann das im wesentlichen gleichzeitige Speiehern der Signale, die für mindestens einen Teil eines Schallbildfeldes repräsentativ sind, und das ungleichzeitige, reihenfolgemäßige Abrufen solcher gespeicherter Signale auch bei anderen solchen Ultraschallbild-Kamerasystemen angewendet werden. Diese und andere Abwandlungen im Rahmen des Erfindungsgedankens sollen durch die folgenden Ansprüche gedeckt sein.

+ verstärkten

Patentansprüche

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Claims

2413A65

Pat entansprüehe

System zur Erzeugung eines Signals, das für ein sich in einem flüssigen oder gasförmigen Medium fortpflanzendes Schallbildfeld repräsentativ ist, gekennzeichnet durch

a) eine ultraschallwellenerzeugende Wandlereinrichtung zum Erzeugen von Ultraschallwellen zum Beschallen eines zu betrachtenden oder zu beobachtenden Objekts, das mit dem Medium gekoppelt ist;

b) eine Ultraschallwellen empfangende Wandlereinrichtung mit mehreren Wandlerelementen zum Umwandeln mindestens eines Teiles eines von dem Objekt kommenden, empfangenen Schallbildfeldes in elektrische Signale;

c) eine Mehrzahl von Signalspeichereinrichtungen zum Speichern elektrischer Signale aus den einzelnen Empfangswandlerelementen;

d) erste Einrichtungen zum Verbinden der einzelnen Empfangswandlerelemente mit den einzelnen Speichereinrichtungen zum Speichern von den Wandlerelement en erzeugter elektrischer Signale; und

e) zweite Einrichtungen für den Anschluß an die einzelnen Speichereinrichtungen zur Schaffung eines Signalgemisches, das für den Teil des auf den Empfangswandler einfallenden Schallbildfeldes repräsentativ ist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Anschlußeinrichtungen eine erste Gruppe von Analoggattern, deren Zahl der der Eil richtungen zum -eichern elektrischer Signale gleich ist, sowie eine

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zweite Gruppe von Analoggattern in geringerer Anzahl enthalten, die mit den Ausgängen der ersten Gruppe von Analoggattern verbunden sind.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Anschlußeinrichtungen zum im wesentlichen gleichzeitigen Verbinden bzw. Trennen der einzelnen Empfangswandlerelemente mit bzw. von den einzelnen Speicher einrichtungen im wesentlichen gleichzeitig abwechselnd geöfÄet bzw. geschlossen werden.
h. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Anschlußeinrichtungen zum Anschalten der einzelnen Speichereinrichtungen nacheinander der Reihe nach betätigbar sind.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis h_t gekennzeichnet durch ein schalldurchlässiges Fenster zum Koppeln der Ultraschallwellen erzeugenden Einrichtung und der Empfangswandlereinrichtungen mit dem zu beobachtenden Gegenstand.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5t dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Anschlußeinrichtungen mehrere Verstärker enthalten.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker vom logarithmischen Typ sind.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7» gekennzeichnet durch

a) die Anordnung der Empfangswandlerelemente in einer linearen Reihe;

b) eine Einrichtung zum Herbeiführen einer relativen Abtastbewegung zwischen den Wandlerelementen und

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dem Schallbildfeld in einer zur Längsabmessung der Wandlerreihe im wesentlichen rechtwinkeligen Richtung;

c) eine Einrichtung zum Erzeugen von Taktimpulsen mit einer Frequenz, die von der Frequenz der Abtastbewegung der Wandlerelemente in bezug auf das Schallbildfeld abhängt J und

d) eine Einrichtung, die unter Mitwirkung der Taktimpulse die Ultraschallwellen erzeugende Wandlereinrichtung derart steuert, daß diese Ultraschallwellenimpulse mit einer Impulsfrequenz erzeugt, die von der Impulsfrequenz der Taktimpulse abhängt.

9. System nach Anspruch 8, gekennzeichnet, durch

a) eine Kathodenstrahlröhre mit einem Schirm, auf dem ein auftreffender Elektronenstrom einen Fleck erzeugt;

b) eine Ablenkeinrichtung zum Herbeiführen einer Abtastbewegung des Fleckes in der einen Richtung, synchron mit den Taktimpulsen; und

c) eine Einrichtung zum Zuführen des Gemisches elektrischer Signale von den zweiten Anschlußeinrichtungen zu der Kathodenstrahlröhre für die Steuerung der Stromdichte des Elektronenstroms.

10. System nach Anspruch 9» gekennzeichent durch einen mit der Kathodenstrahlröhre verbundenen Abtastumsetzer für die Abtastumsetzung.

11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Anschlußeinrichtungen aufeinanderfolgend betrieben werden.

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12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten aufeinanderfolgend betriebenen Anschlußeinrichtungen zyklisch mit einer allgemein sinusartig veränderlichen Frequenz betrieben werden.

13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen erzeugenden Wandlereinrichtungen mit einer allgemein sinusartig wechselnden Frequenz zyklisch betrieben werden und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die die Tätigkeit der Ultraschallwellen erzeugenden Wandlereinrichtungen während der Tätigkeit der ersten .Anschlußeinrichtungen verhindert.

14. System nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verhindern der gleichzeitigen Tätigkeit der genannten beiden Einrichtungen eine Einrichtung zum Verzögern der Tätigkeit der Schallwellen erzeugenden Wandlereinrichtungen während der Tätigkeit der ersten Anschlußeinrichtungen aufweist.

15· System nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Entladen sämtlicher Signalspeichereinrichtungen anschließend an die aufeinanderfolgende Tätigkeit der ersten und zweiten Anschlußeinrichtungen zur Vorbereitung der nächsten Tätigkeit der letzteren beiden Einrichtungen.

T 6. System nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Anschlußeinrichtungen mehrere Analogtorschaltungen aufweisen, die bei der Schaffung eines Signalgemisches aufeinanderfolgend in Tätigkeit gesetzt werden und die auch im wesentlichen gleichzeitig betätigbar sind, und daß die Signalspeichereinrichtungen über die im wesentlichen gleichzeitig tätigen Analogt or schaltungen entladen werden.

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17. System nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß

a) die zweiten Anschlußeinrichtungen mehrere Analog-Tors chaltungen aufweisen, die anschließend an die Tätigkeit der ersten Anschlußeinrichtungen aufeinanderfolgend in Tätigkeit gesetzt werden; und daß

b) Einrichtungen zum im wesentlichen gleichzeitigen Betätigen der Anal-og-Torschaltungen anschließend an deren aufeinanderfolgende (ungleichzeitige) Tat i gke i t; und

c) Einrichtungen zum Umleiten der Ausgangssignale der im wesentlichen gleichzeitig tätigen Analogtorschaltungen zur Erde für das Entladen der Signalspeichereinrichtungen über die im wesentlichen gleichzeitig tätigen Analogtorschaltugen vorgesehen sind.

18. System nach einem der Ansprüche 1 bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Anschlußeinrichtungen mehrere zwischen einem geöffneten Zustand (Durchlaßzustand) und einem geschlossenen Zustand (Sperrzustand) umschaltbare Tors chaltungen aufweisen.

19· System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Anschlußeinrichtungen außerdem mehrere Verstärker in Rei-henschaltung mit den Torschalungen aufweisen.

20. System nach Anspruch 19» gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Entregen der Verstärker während mindestens eines Teiles der Zeitspanne, während welcher die Torschaltungen geschlossen sind.

21. System nach Anspruch 19» gekennzeichnet durch eine

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Einrichtung zum Erregen der Verstärker bei offenen Torschaltungen während der Dauer von Intervallen, die dem offenen Zustand der Torschaltungen vorangehen und folgen»

22. System zur Schaffung eines elektrischen Signals, das für ein sich in einem flüssigen oder gasförmigen Medium fortpflanzendes Schallbildfeld repräsentativ ist, gekennzeichnet durch

a) eine Ultraschallwellen erzeugende Wandlereinrichtung zur Schaffung wiederkehrender Ultraschallwellenimpulse zur Beschallung eines mit dem Medium gekoppelten, zu beobachtenden Objekts;

b) einen Ultraschall empfangenden Wandler mit mehreren Wandlerelementen zum Umwandeln mindestens eines Teiles eines von dem Objekt empfangenen Schallbildfeldes in elektrische Signale; und

c) eine Einrichtung zum Erzeugen einer relativen Ablenk— oder Abtastbewegung zwischen der Empfangswandlereinrichtung und dem Schallbildfeld in solcher Weise, daß die Empfangswandlerelemente mit eiie r Häufigkeit synchron mit der Tätigkeit der den wiederkehrenden Impuls liefernden, Ultraschallwellen erzeugenden Wandlereinrichtung einem vollständigen Schallbild ausgesetzt werden. -

23. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Herbeiführen der relativen Abtastbewegung zwischen dem Empfangswandler und dem Schallbildfeld zwei in der Bahn des Schallbildfeldes gegenläufig umlaufende Schallprismen oder Akustikkeile aufweist .

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24. System nach. Anspruch 22 oder 23» gekennzeichnet durch

a) eine Kathodenstrahlröhre mit einem Schirm, auf dem ein auftreffender Elektronenstrom einen in rechtwinkelig zu-einander liegenden Richtungen über den Schirm ablenkbaren Fleck oder Lichtpunkt erzeugt;

b) eine Einrichtung zum Erzeugen von Taktimpulsen mit einer Impulsfrequenz in Abhängigkeit von der Frequenz der relativen Abtastbewegung zwischen dem Empfangswandler und dem Schallbildfeld;

c) eine von den Taktimpulsen gesteuerte Einrichtung

zum Takten der Erzeugung wiederkehrender Ultraschallwellenimpulse durch die Ultraschallwellen erzeugende Wandlereinrichtung;

d) eine erste Ablenkeinrichtung zum Herbeiführen einer Abtastbewegung des Fleckes in der einen Richtung über den Schirm, synchron mit der Einrichtung zum Herbeiführen der relativen Abtastbewegung zwischen der Empfangswandlereinrichtung und dem Schallbildfeld; und

e) eine zweite Ablenkeinrichtung einschließlich eines Sägezahngenerators zum Erzeugen der Abtastbewegung des Fleckes in einer zur ersteren rechtwinkeligen Richtung über den Schirm, synchron mit den Taktimpulsen.

25. System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen der Taktimpulse eine Einrichtung zum Vorziehen der Taktimpulse während jeder zweiten Halbperiode der sinusartig betriebenen ersten Ablenkeinrichtung für die Verflechtung (interlacing) des Fleckes aufweist.

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26. Vorrichtung zur zeitgetreuen optisch wahrnehmbaren Abbildung physischer Eigenschaften im Inneren eines Körpers, gekennzeichne t durch

a) eine Einrichtung einschließlich einer Sendewandlereinrichtung zum wiederkehrenden (intermittierenden) Beschallen des Körpers mit wiederkehrenden Ultraschallimpulsen zur Erzeugen eines Schallbildfeldes;

b) eine Empfangswandlereinrichtung;

c) eine Einrichtung, die die Empfangswandlereinrichtung zur Entwicklung von Empfangswandlersignalen ensprechend dem Schallbildfeld mit dem Körper akustisch koppelt}

d) eine Einrichtung einschließlich der akustischen Koppelungseinrichtung zur Erzeugung einer wiederkehrenden Abtast- oder Ablenkbewegung des Schallbildfeldes' in bezug auf die Empfangswandlereinrichtung bei relativem Stillstand der Sende- und Empfangswandler und des Körpers;

e) eine Einrichtung zur optisch wahrnehmbaren Anzeige, einschließlich eines Bildschirmes und einer Einrichtung zur Erzeugung eines Anzeigefleckes auf dem Bildschirm;

f) eine erste Ablenkeinrichtung zum Herbeiführen einer Abtastbewegung des Anzeigefleckes in der einen Richtung über den Schirm, synchron mit der das Schallbildfeld ablenkenden Einrichtung;

g) eine zweite Ablenkeinrichtung zum Herbeiführen einer Abtastbewegung des Anzeigefleckes in zur ersteren rechtwinkeligen Richtung über den Schirm, synchron mit

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den übermittelten Impulsen; und

h) eine Einrichtung zum Zuführen der Signale der Empfangswandlereinrichtung zu der Anzeigevorrichtung
zum Steuern der Helligkeit des Anzeigefleckes.

27· Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die wiederkehrenden Ultraschallimpulse mit s'inusartig wechselnder Impulsfrequenz von der Beschallungseinrichtung erzeugt werden.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27» dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Schallbildfeld von der Schallkoppelungseinrichtung mit sinusartig wechselnder. Frequenz über die
Empfangswandlereinrichtung geführt wird; und

b) eine Einrichtung zum Synchronisieren der Tätigkeit der Beschallungseinrichtung mit der Schallbild-

feldablenkeinrichtung und mit der Einrichtung ^um
Ablenken .des Anzeigefleckes über den Schirm in der einen Richtung vorgesehen ist.

29· Verfahren zum Erzeugen eines Signales, das für ein

in einem flüssigen oder gasförmigen Medium sich fortpflanzendes Schallbildfeld repräsentativ ist, dadurch
gekennz e i ohnet, daß

a) zum Beschallen eines zu beobachtenden Gegenstandes wiederkehrende Ultraschallwellenimpulse erzeugt werden;

b) mindestens ein Teil eines Schallbildfeldes von dem Gegenstand an einer Empfangswandlereinrichtung emp>fangen wird;

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c) daß der Empfangswandler einem vollständigen Schallbildfeld ausgesetzt wird, in-dem die Empfangswandlereinrichtung und das Schallbildfeld in einer Abtastbewegung relativ zu-einander bewegt werden} und

d) die Impulsfrequenz der erzeugten Impulse der wiederkehrenden Ultraschallwellen- mit der Frequenz der Abtastbewegung zwischen der Empfangswandlereinrichtung und dem Schallbildfeld synchronisiert wird.

30. Verfahren nach Anspruch 29» dadurch gekennzeichnet, daß die UltrasclaLlwellenimpulse mit einer im allgemeinen sinusförmig wechselnden Impulsfrequenz erzeugt werden und die Abtastbewegung zwischen dem Empfangswandler und dem Schallbildfeld mit hierzu synchroner Frequenz erfolgt.

31. Verfahren nach Anspruch 29» dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangswandlereinrichtung über das Schallbildfeld geführt wird, indem das Schallbildfeld über den Empfangswandler periodisch hin und her abgelenkt wird.

32. Verfahren nach Anspruch 29» dadurch gekennzeichnet, daß

a) bei Verwendung einer Empfangswandlereinrichtung, bestehend aus einer Reihe von ¥andlerelementen

b) die Wandlerelemente zum Speichern der von diesen ausgehenden Signale mit zur Erzeugung der Ultraschallimpulse synchroner Häufigkeit im wesentlichen gleichzeitig mit einzelnen Speicherelementen verbunden werden und anschließend

c) die gespeicherten Signale zur Erzeugung eines Videosignalgemisches nacheinander aus den Speicherelementen abgerufen werden.

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33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Ultraschallwellenimpulse und die Abtastbewegung der Empfangswandlereinrichtung und des Schallbildfeldes mit im allgemeinen sinusförmig wechselnder Frequenz bzw. Häufigkeit synchronisiert werden.

3k. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem aufeinanderfolgenden Abrufen der einzelnen gespeicherten Signale die Speicherelemente entladen werden.

35· Verfahren zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das für ein in einem flüssigen oder gasförmigen Medium sich ausbreitendes Schallbildfeld repräsentativ ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zum Beschallen eines zu beobachtenden Objektes Ultraschallwellen erzeugt werden;

b) an mehreren Schallwandlerelementen mindestens ein Teil eines Schallbildfeldes von dem Gegenstand empfangen wird;

c) dass die von den Wandlerelementen erzeugten Signale im wesentlichen gleichzeitig unter Gattersteuerung einzelnen Speicherelementen zugeführt und dort gespeichert werden; und

d) die gespeicherten Signale zur Bildung eines für mindestens einen Teil des Schallbildfeldes repräsentativen Signalgemisches nacheinander abgerufen werden.

36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale aus den Wandlerelementen vor der Speicherung im wesentlichen gleichzeitig verstärkt werden.

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37« Verfahren nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Ultraschallwellen, der Empfang mindestens eines Teiles des Schallbildfeldes von dem Gegenstand, das Einspeicherung unter Gattersteuerung und das Abrufen wiederkehrend wiederholt werden.

38. Verfahren nach Anspruch 37» dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Arbeitsschritte mit im wesentlichen sinusförmig wechselnder Wiederholungsfrequenz durchgeführt werden.

39· Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 38» dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherten Signale nacheinander mit einer feststehenden Abruffrequenz abgerufen werden.

hO. Verfahren zur zeitgetreuen optisch wahrnehmbaren Darstellung physischer Eigenschaften des Inneren eines Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Körper zur Erzeugung eines Schallbidlfeldes in diesem mit wiederkehrenden Ultraschallimpulsen aus einer Quelle, beschallt wirdj

b) an einer mit dem Körper akustisch gekoppelten Empfangswandlereinrichtung dem Schallbildfeld entsprechende Signale entwickelt werden;

c) das Schallbildfeld aus dem Körper zur Abtastung wiederkehrend über die Empfangswandlereinrichtung bewegt wird, während die Beschallungsquelle, die Empfangswandlereinrichtung und der Körper relativ in Ruhe gehalten werdenj

d) ein Leuchtfleck synchron zur wiederkehrenden Abtastung des Schallbildfeldes in der einen Richtung und synchron zur Tätigkeit der Ultraschallimpulsquelle

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in einer hierzu senkrechten Richtung über eine Betrachtungseinrichtung abgelenkt wird; und ±

. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallimpulse mit sinusförmig wechselnder Impulsfrequenz erzeugt werden.

42. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet,daß

a) das Schalldruckbildfeld zur Abtastung mit sinusartig wechselnder Geschwindigkeit relativ zur Empfangswandlereinrichtung bewegt wird; und

b) die Erzeugung der Ultraschallimpulse mit der Relativbewegung zur Schallbildabtastung und der Ablenkung des Leuchtflecks in der einen Richtung über die Fläche der Betrachtungseinrichtung synchronisiert wird.

43· Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß das Schallbildfeld aus dem Körper auf die Empfangswandler einrichtung fokussiert wird.

β) die Helligkeit des Leuchtfleckes entsprechend der Intensität des Schallbildfeldes am Empfangswandler gesteuert wird*