DE2655274A1

DE2655274A1 - Anordnung fuer echographie mit fokussierten ultraschallstrahlen

Info

Publication number: DE2655274A1
Application number: DE19762655274
Authority: DE
Inventors: Pierre Alais; Michel Joseph Auphan
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1975-12-11
Filing date: 1976-12-07
Publication date: 1977-06-16
Also published as: JPS5271887A; FR2334953A1; ES454095A1; DE2655274C3; BE849240A; FR2334953B1; US4112411A; DE2655274B2; IT1073984B; GB1562418A; SE7613770L; AU2045976A; NL7613564A; CA1073092A; AU505143B2; JPS5742331B2; SE409159B

Description

"Anordnung für Ech.ograph.ie mit fokussierten Ultraschallstrahlen",

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für Echographie mit einem Mosaik von in N Zeilen und M Spalten geordneten Ultraschallwandlern zum Aussenden· und Empfangen von Ultraschallschwingungen und zum Umsetzen dieser °Schwingungen ±1 elektrische Signale, nachdem sie an einer zu untersuchenden Fläche reflektiert worden sind, wobei die Ultraschal !schwingungen dadurch als fokussierte Strahlenbündel ausgesandt und empfangen werden, dass ausgewählte Wandler gemäss vorausbestimmten Regeln

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in Phase oder in Gegenphase betrieben werden.

Derartige Anordnungen sind bekannt und weisen alle ein Netzwerk von Elementärwandlern in einer Ebene auf, in der ein von oder zu den Wandlern ausgestrahlter Ultraschallstrahl durch die geeignete ¥ahl der Phase der in den verschiedenen Wandlern auftretenden Signale fokussiert wird. Diese Wahl ergibt ein Fokussierungsdiagramm und wird annäherungsweise mit folgender Formel dargestellt ρ (xt) = Po cos / ( Tf x.²/f Jl ) - t/t/ t (1)

Hierin haben die Symbole folgende Bedeutung:

- ρ der Druck im flüssigen Medium, in dem sich die Ultraschallwellen fortpflanzen,

- & die Winkelfrequenz,

die Wellenlänge,

- χ die Koordinate des Wandlers gemäss der X-Achse, und

- f der Abstand zwischen der Ebene der Wandler und dem Brennpunkt. Gemäss der Formel (i) schwankt ununterbrochen die Phase der ausgesandten Schwingungen als Funktion von x. Eine gute Annäherung dieser Situation wird erhalten, wenn die Phase als Funktion von χ sprunghaft zwischen zwei möglichen Zuständen (θ und TC) schwankt. Dies wird mit nachstehender Formel wiedergegeben

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p(x, t) = Po S(V) cos Ct/1 (2)

dt y =

mit V = cos

worin S(V ) = +1 für

= -1 für y -^ ο

oder gegebenenfalls S( V ) = +1 für

= G für V=O = -1 für y-<0

(Der auf diese Weise im Ultra'schallbereich erhaltene Fokussxerungseffekt kann dem bereits lange bekannten Richtungseffekt gleichgesetzt werden, der im elektromagnetischen Bereich entsteht, wenn durch ausgerichtete Elemente gebildeten Antennennetzwerken phasenverschobene Signale zugeführt werden),

Die oben erwähnten Anordnungen ermöglichen die Untersuchung eines Gegenstandes oder eines Organs in einer Ebene, die in einem Abstand f_ von den Wandlern liegt: durch Verschieben des Netzwerkes von Wandlern wird mit der Zeit der ganze Gegenstand abgetastet.

Eine der Lösungen zur Verwirklichung einer derartigen Abtastung besteht darin, dass wenigstens zum Senden bandförmige Wandler benutzt werden, deren Längsachsen parallel verlaufen und in einer Ebene liegen, die mit der zu untersuchenden

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Ebene parallel verläuft und in einem Abstand df von dieser Ebene liegt. Dadurch bildet sich ein linienförmiger Brennpunkt, der mit den bandförmigen Wandlern parallel verläuft. Wenn das Wandlernetzwerk senkrecht auf den Längsachsen der Wandler verschoben wird, wird der Linienfokus parallel zu sichselbst verschoben, wodurch die zu untersuchende Fläche abgetastet wird.

Oben erwähnte Anordnung ist in einem Artikel von Fräser e.a. beschrieben, der unter dem Tital "a two dimensional.electronically focused imaging system" in der Zeitschrift "IEEE 1974 Symposium Proceedings" (Seite 19) veröffentlicht wurde .

In der offengelegten französischen Patentanmeldung Nr. 2 2^3 435 ist ebenfalls eine Anordnung der eingangs erwähnten Art beschrieben.

Sie enthält ein Netzwerk von N Elementarwandlern, wobei N grosser ist als n, die dem für fokussierten Strahl ausgewählten Öffnungswinkel entsprechende Zahl. Die Anordnung enthält weiter ein digitales Schieberegister mit N Positionen, von denen jede Position einem bestimmten Wandler zugeordnet ist', wobei die Information, die sich in η Positionen dieses Registers befindet, eine Wiedergabe des Fokussierungsdiagramms bildet und die

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übertragung ,in Phase oder in Gegenphase der in den Wandlern auftretenden Signale bestimmt.

Wie mit der im erwähnten Artikel beschriebenen Anordnung erfolgt die Fokussierung beim Senden nacheinander auf einer Anzahl von Linien, die mit den Linien des Mosaiks parallel verlaufen. Beim Anfang vrird auf mit den Spalten parallel verlaufenden Linien fokussiert.

Sowohl beim Senden als auch beim Empfangen wird also wegen der durch die Art der Wandler bestimmten benutzten Fokussierungsmittel nur eine einfache Fokussierung angewandt, nämlich in Yr Richtung beim Senden und in X-Richtung beim Empfang.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeit einer Doppelfokussierung in den X- und Y-Richtungen zu bieten. Dazu schafft die Er- " ·■ findung eine Anordnung, die den Vorteil eines bedeutend besseren Auflösungsvermögens im Vergleich zu dem der bestehenden Anordnungen hat. Ausserdem ermöglicht es die Erfindung, auf eine verhältnismässig einfache Weise die Beschränkungen herabzusetzen, die die Folge eines Linienfokus in einer Ebene sind, die mit der Mosaikebene parallel verläuft .

Die erfindungsgemässe Anordnung ist da-

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durch gekennzeichnet, dass die Wandler aus einem Material bestehen, das durch eine Vorpolarisxerung in einen von zwei charakteristischen Zuständen gebracht werden kann, wobei die Phase eines einer Ultrasßhallwelle entsprechenden elektrischen Signals vom Zustand abhängig ist, den der Wandler durch Vorpolarisxerung erhalten hat, wobei jeweils von einer Gruppe von η Zeilen bzw. Spalten (n < N und M) von Wandlern manche Zeilen bzw. Spalten im einen Zustand und andere im anderen Zustand derart vorpolarisiert sind, dass die von diesen Zeilen bzw. Spalten ausgestrahlten oder empfangenen Ultraschallwellen einen Strahl mit einem an einer voraus bestimmten Stelle liegenden linienjförmigen Brennpunkt bilden.

Bei der Verwendung eines Wandlermosaiks, dessen Signale zeilen- oder spaltenweise verarbeitet werden, also wenn die Vorfokussierung im voraus einen Linienbrennpunkt bestimmt, ist es klar, dass es möglich ist, an diesem Linienbrennpunkt, der beispielsweise mit den Zeilen des Mosaiks parallel verläuft, einen bestimmten Punktfokus zu bestimmen, indem die auf η Spalten übertragenen elektrischen Signale entsprechend der Formel (2) gleichphasig oder gegenphasig verarbeitet werden. Dadurch wird eine Näherung des räumlichen Fresnel-Transformier-

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ten durch die Verbindung zweier linearer Transformierten nach der X-Achse und der YAchse erhalten. Der Doppelfokussierungspunkt befindet sich am Kreuzpunkt der Mitten des Vorfokussierungsdiagramms (durch die Vorpolarisierung bestimmt) und des Fokussierungsdiagramms (durch die Signalverarbeitung bestimmt). Es zeigt sich daraus, dass durch Abtastung ein vollständiges Bild erhalten werden kann, weil eine Verschiebung der erwähnten Diagramme um eine Zeile oder eine Spalte die Verschiebung des Doppelfokussierungspunktes um einen Elementarschritt in X- oder Y-Richtung veranlasst.

Das ausgewählte Material muss somit vorpolarisierbar und zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen geeignet sein.

Ein Merkmal einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung ist, dass die Wandler aus einem ferro-elektrischen und piezoelektrischen Material gebildet sind.

Wenn ausser den beiden oben erwähnten Vorpolarisierungszuständen (+ und -) ein dritter Vorpolarisierungszustand (θ) erwünscht ist, ist es vorteilhaft, ein Material mit elektrostriktiven Eigenschaften zu verwenden. Der Vorteil eines Materials mit drei Vorpolarisierungszuständen besteht darin, dass der Öffnungswinkel des fokus-

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sierten Strahles kleiner sein kann, wodurch das System weniger Störanfällig ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1A und 1B schematisch die Wirkungsweise bzw. den Aufbau einer bekannten Anordnung,

Fig. 2 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemässen Anordnung,

Fig. 3A bis 3E ein Prinzipschaltbild der Steuerung und Signalverarbeitung in einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung.

In Fig. 1A stellt die gestrichelte Linie den bereits erwähnten Ausdruck (i) und die gezogene Linie den Ausdruck (2) dar, in der Annahme, dass sich die Wandler auf der Linie XX befinden. Der Fokussxerungspunkt wird mit F bezeichnet.

Fig. 1B gibt schematisich den wesentlichen Teil einer bekannten Anordnung an. Die Bezeichnung MT gibt ein (teilweise dargestelltes) Mosaik von Wandlern an, beispielsweise von dem bereits in der erwähnten Patentanmeldung angegebenen Typ.

Beim Senden treten in η Zeilen von Wandlern Signale auf, die gleichphasig oder gegenphasig in Abhängigkeit vom Fokussierungsdiagraimn DFE sind, wobei das Eingangssignal _s_e auf diese Wand-

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ler entweder direkt oder über eine Phasenumkehrstufe IP übertragen wird. In der zu untersuchenden Fläche PA (in einem Abstand f_ des Mosaiks liegend) wird der ausgesandte Ultraschallstrahl auf die Linie SFE fokussiert (die Figur stellt nur die sieben Wandlerzeilen dar, die das Zentrum der η Zeilen bilden).

Beim Empfang werden die empfangenen Signale über η Spalten von Wandlern kanalisiert und gleichphasig oder gegenphasig je nach dem Fokussierungsdiagramm DFR verarbeitet (also direkt oder beispielsweise über eine Phasenumkehrstufe IP" übertragen), um auf diese Weise das Ausgangssignal ss zu bilden. Die Fokussierung erfolgt auf die Linie SFR. Da der ausgesandte Ultraschallstrahl auf die Linie SFE fokussiert war, ist der untersuchte Punkt der Punkt pf, an dem sich die beiden Linien kreuzen. Es wird also eine Fokussierung in Y-Richtung beim Senden und in X-Richtung beim Empfang erhalten (in der Figur sind nur die sieben zentralen Spalten der η Spalten von Wandlern dargestellt) .

Eine der Aufgaben der erfindungsgemässen Anordnung ist es, eine Doppelfokussierung in X-Richtung und Y-Richtung zu schaffen, wobei von einem Matrix von N.M Wandlern ausgegangen wird, um auf diese Weise das Auflösungsvermögen bedeutend

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zu verbessern und gegebenenfalls auf* verhältnismässig einfache Weise die Beschränkungen zu beseitigen, die die Folge einer einfachen Fokussierung auf einer Linie sind, von der alle Punkte notwendigerweise in der gleichen Ebene liegen. Ausserdem musste diese Aufgabe mit Hilfe ziemlich einfacher elektronischer Schaltungen verwirklicht werden. Dies ist durch die Verwendung vorpolarisierbarer Wandler erreicht worden, d.h. von Wandlern, die unter dem Einfluss eines Feldes den einen oder den anderen zweier bestimmter charakteristischer Zustände annehmen, gegebenenfalls drei unter Hinzurechnung des Zustandes "Null", wobei die Phase der Ausgangssignale der Wandler vom erhaltenen Zustand abhängig ist, wenn sie vom gleichen Eingangssignal direkt gespeist werden. In gewissem Sinne wird so eine Vorfokussierung des auszusendenden und des zu empfangenden Ultraschallstrahles erhalten. Da, wie in obiger Beschreibung erläutert wurde, das Produkt zweier Linienfokussierungen einen Punktfokus am Kreuzpunkt ergibt, genügt es, die ausgesandten oder empfangenen Signale spaltweise gleichphasig oder gegenphasig zu behandeln, wenn die Vorfokussierung zeilenweise durchgeführt worden ist (oder umgekehrt).

Fig. 2 veranschaulicht schematisch die-

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sen Grundsatz und zeigt deutlich die Eigenschaften des erfindungsgemäss ausgewählten Materials. Dieses Material ist entweder gleichzeitig piezo-elektrisch und ferro-elektrisch (zum Vorpolarisieren unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes geeignet, dessen Intensität grosser ist als die des Koerzitivfeldes) oder elektrostriktiv. ¥ie in Fig. 1B ist das Wandlermosaik nur teilweise dargestellt, aber die Wandler bestehen jetzt aus einem Material mit den oben erwähnten Eigenschaften. Diese Wandler sind in Gruppen von η Zeilen (die Figur zeigt nur die sieben zentralen der η Zeilen) durch Zuführen eines positiven oder negativen Impulses P je nach dem Vorfokussierungsdiagramm DPF vorpolarisiert, wodurch die Position einer Vorfokussierungslinie SPF bestimmt ist, in der ein zu untersuchender Punkt, zum Beispiel der Punkt p_f, liegt. Wenn elektrostriktives Material verwendet ist, wird statt der Impulse P eine konstante Vorpolarisierungsspannung während des Betriebs benötigt.

Die Eingangssignale ^e, die einen Beitrag zur Bildung eines Ultraschallstrahles liefern, werden η Spalten (die Figur zeigt nur die sieben zentralen Spalten) gleichphasig oder gegenphasig (Phasenumkehrstufe IP) über das Fokussierungsnetzwerk RF zugeführt, mit dessen Hilfe das Diagramm

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für die Fokussierung des Strahles auf die Linie SER gebildet wird. Durch die Vorfokussierung, die durch die Polarisationen der Wandler erhalten ist, erfolgt die Fokussierung des Sendestrahles faktisch im Punkt pf auf der Kreuzung der Linien SPF und SER. Dies ist ebenfalls der Fall beim Empfang eines möglichen Echosignals aus dem Punkt p_f, wobei die aus den Wandlern herrührenden Signäfeetiber das Fokussierungsnetzwerk RF übertragen werden, um auf diese Weise das Ausgangssignal ^s zu bilden.

In der erfindungsgemässen Anordnung besteht somit eine Doppelfokussierung in den x- und y-Richtungen, wodurch sich das Auflösungsvermögen bedeutend verbessert und Ultraschallenergie erspart wird, wodurch es möglich ist, die Steuerschaltungen zu vereinfachen und zumal die Strahlungsintensität, der der Patient ausgesetzt ist, herabzusetzen. (Obgleich es nicht nachgewiesen worden ist, dass die normalerweise benutzten Ultraschallstrahlungsintensitäten für den Patienten gefährlich sind, wird stets die Durchführung der Untersuchung bei möglichst niedrigen Intensitäten bevorzugt).

Da die Vorfokussierung des Strahles durch die Vorpolarisierung bestimmt wird, die nur statisch in den Sende- und Empfangsprozess eingreift, ist es ausserdem klar, dass eine Änderung des Vor-

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fokussierungsdiagramms verhältnismässig einfach durchführbar ist, um auf diese ¥eise die Linien SPF, auf der die Fokussierungspunkte liegen, in verschiedenen Abständen von dem durch die Wandler gebildeten Mosaik anzuordnen.

In obiger Beschreibung ist gesagt, dass die Wandler des Mosaiks polarisierbar sind. Es wurde ebenfalls erwähnt, dass erfindungsgemäss diese Wandler piezo-elektrische und ferro-elektrische Eigenschaften aufweisen oder aus elektrostriktiven Material hergestellt sind. In den meisten Fällen sind Materialien, die unter dem Curie-Punkt ferro-elektrisch sind über diesem Punkt elek trostriktiv. In der Praxis zeigen sich die meisten Materialien -nur schwach elektrostriktiv mit Ausnah me der ferro-elektrischen Materialien, die dicht über dem Curie-Punkt betrieben werden. Wird der Curie-Punkt überschritten, verschwinden zwar die piezo-elektrische Eigenschaften, aber bis zu einige Grad über diesem Punkt bleiben sie dank einer kräftigen Elektrostriktion weiter bestehen.

Das für die Wandler ausgewählte Material ist ein ferro-elektrischer und piezo-elektrischer oder ein elektrostriktiver Einkristall, der somit zum Empfangen und Aussenden von Ultraschallwellen und zum Beeinflussen der Phase des empfangenen

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,.,r-n, PHF 756O7

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oder ausgesandten Signals je nach dem Zustand geeignet ist, in den es durch die ¥ahl seiner Polarisierungsrichtung gebracht ist. Das ausgewählte Material muss, wenn er zur ersten Gattung (piezo-elektrisch und ferro-elektrisch) gehört, selbstverständlich piezo-elektrische Eigenschaften bei der Arbeitstemperatur, vorzugsweise bei der Raumtemperatur, aufweisen. Ausserdem muss es folgende Bedingungen erfüllen:

- es muss ein schwaches koerzitives Feld aufweisen, um in einem oder dem anderen der zwei Zustände ohne Verwendung zu aufwendiger Schaltungen polarisiert werden zu können,

- die piezo-elektrische Achse des Materials muss möglichst mit der entsprechenden Richtung des elektrisch Feldes zusammenfallen, um eine einfache Wirkung und den optimalen Effekt zu gewährleisten,

—" der piezo-elektrische Kopplungsfaktor des Materials muss ungefähr mit dem der üblichen piezo-elektrischen keramischen Materialien übereinstimmen,

- der RelaxationsZeitraum muss kurz sein, damit der übergang des Materials vom einen in den anderen Zustand und umgekehrt keine Nebeneffekte veranlasst,

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- das Material muss in Form einer Platte mit verhältnismässig grosser Oberfläche erhältlich sein,

Ein obige Bedingungen erfüllendes Material ist das Triglyzinsulfat (TGS), das:

- ferro-elektrisch ist und eine Curie-Temperatür von 49^OC aufweist,

- ein koerzitives Feld aufweist, dessen Stärke., etwa 300 Volt/cm bei Raumtemperatur beträgt,

- nach der OY-Achse piezo-elektrisch un pyroelektrisch ist, wobei die Verschiebungen ebenfalls gemäss dieser Achse stattfinden,

- einen piezo—elektrischen Kopplungsfaktor von etwa 0,25 hat, d.h. etwas niedriger als der der Titanaten-Zirkonate, die ungefähr zwischen 0,35 und 0,40 liegt, jedoch eine geringere akustische Impedanz (5 in bezug auf Wasser) aufweist, was also eine bessere Anpassung an die biologischen Gewebe erlaubt,

- einen RelaxationsZeitraum im Gigaherzbereich aufweist,

- und schliesslich in Form von Monokristallen erhalten werden kann, deren Abmessungen 50 χ 50 χ 0,1 mm betragen, mit denen eine Platte von 200 mm χ 200 mm angefertigt werden kann, die bei einer Frequenz von 2 MHz schwingt.

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Das Triglyzinsulfat ist somit ein Material, das sich für die Verwirklichung des Wandlermosaiks der erfindungsgemässen Anordnung eignet.

Wird Material der zweiten Kategorie gewählt (elektrostriktives Material), muss die Arbeitstemperatur die Temperatur sein, bei der der Elektrostriktiohseffekt auftritt. Ausserdem:

- muss die Achse, längs der die Elektrostriktion auftritt, möglichst mit der entsprechenden Richtung des elektrischen Feldes zusammenfallen.

- muss der Umsetzungsfaktor zum Umsetzen von elektrischer in akustische. Energie hoch genug sein (von der Grössenordnung, bei der die üblichen piezo-elektrischen keramischen Materialien vorkommen) ,

- muss das Material in der Form einer Platte mit verhältnismässig grosser Oberfläche erhältlich sein.

Die Relaxationszeit eines derartigen Materials ist im allgemeinen nahezu gleich Null.

Materialien die den oben erwähnten Bedingungen entsprechen (wobei nicht ausgeschlossen ist, dass sie auch den früher genannten Bedingungen für piezo- und ferro-elektrische Materialien entsprechen! ) sind beispielsweise Triglyzinsulfat

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(TOS) und Triglyzinselßnät (TGSe) und im allgemeinen

jede als Monokristall erhältliche Mischung von TGS und TGSe.

piese Materialien

- sind mit einer Curie-Temperatur zwischen 49 und 53°C elektrostriktiv,

- sind nach der Achse OY elektrostriktiv, wobei die Verschiebungen längs der gleichen Achse erfolgen,

- haben einen Energieumsetzungsfaktor, der in der Nähe der Curie-Temperatur und für elektrische Felder in der Grössenordnung von 500 bis 1000 V/cm in der gleichen Grössenordnung ist wie die für den ferro-elektrischen Effekt unter der Curie-Temperatur,

Alle diese Materialien entsprechen dabei den gestellten Bedingungen und eignen sich für die erfindungsgemässe Anordnung.

Die Fig. 3A-und 3E veranschaulichen eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung. Bestimmte Teile dieser Anordnung sind in mehr als einer dieser Figuren dargestellt, wie beispielsweise das Wandlermosaik MT und die Programmeinheit P.

Fig. 3A stellt schematisch die Schaltungen dar, die sich auf die Vorpolarisierung der Wandler

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des Mosaiks MR beziehen. Die Wandler werden zeilenweise vorpolarisiert und das Mosaik enthält N-Zeilen, von denen nur die äussersten Zeilen 1 und N dargestellt sind. Die Vorpolarisierungsschaltungen enthalten im wesentlichen:

- einen Speicher MP, in dem das ausgewählte Polarisierungsdiagramm in binärer Form gespeichert ist,

- zwei Schieberegister RPP und RPN, die je N Stellungen aufweisen, wobei in jedem Augenblick jedes Schieberegister den Zustand der den Wandlerzeilen 1 bis N aufgezwängten Polarisatxonszustände darstellt.

Das erste Schieberegister RPP liefert ein positives Bild des Polarisationsdxagramnis in dem Sinne, dass jede der Positionen des Registers im Zustand "1" einer positiv polarisierten Zeile von Wandlern an der entsprechenden Stelle im Mosaik entspricht.

Das zweite Schieberegister RPN liefert ein negatives Bild des Polarisatxonsdiagramms in dem Sinne, dass jede der Positionen des Schieberegisters im Zustand "1" einer negativ polarisierten Wandlerzeile an der entsprechenden Stelle im Mosaik entspricht. Xm allgemeinen brauchen diese beiden Bilder nicht komplementär zu sein. Diese

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Anordnung ermöglicht es, bei einer beliebigen Vorpolarisierung, die unwichtigen Wandlerzeilen bei der Bildung des Vorfokussierungsstrahls durch Vorpolarisierung auszuschlxessen. Vorangehende Beschreibung ist in nachstehender Tabelle wiedergegeben:

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(Mosaikzeilen und Schiebe- registerstellungen	1- 3	1- 2	1- 1	1	1 + 1	1 + 2	1 + 3	1 +	1 + 5	1 + 6	1 + 7	1 + 8	1 + 9	1 + 10	1 + 11	1 + 12	1 + 13	1 + lh	1 + 15	1 + 16	1 + 17	1 + 18	1 + 19	1 + 20	1 + 2.1	1 + 22	1 + 23
Diagramme				-	+	-	-	-	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	-	-	-	+	-
Zustand der Positionen des Registers RPP	0	0	0	0	1	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	0	0	0	1	0	0	. 0	0
Zustand der Positionen des Registers RPN)	0	0	0	1	0	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	0	1	0	0	0

ON CK O

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In dieser Tabelle wird beispielsweise angenommen, dass einundzwanzig Wandlerzeilen einen Beitrag zur Vorpolarisierung liefern; es handelt sich um die 'Zeilen J^ bis £+20. Für jede dieser Zeilen weisen in diesem Beispiel eine oder die andere der beiden entsprechenden Positionen der Register RPP und RPN den Zustand "1" als Funktion des Fokussierungsdxagramms auf, das auf der zweiten Zeile der Tabelle dargestellt ist und der vorangehenden Beschreibung entspricht. Für alle anderen Zeilen des Mosaiks, von denen nur die Zeilen (^-£ -3) bis {Se- 1) und (£+ 21) bis (M + 23) in der Tabelle auftreten, weisen die entsprechenden Positionen der beiden Register den Zustand "0" auf.

Der Übertrag der im Speicher MP gespeicherten Information zu den Schieberegistern RPP und RPN wird von einem Signal tmp gijsteuert, das die Programmeinheit P vor jeder Messung liefert. Diese Information durchläuft die beiden Schieberegister unter der Steuerung eines ebenfalls von der Programmeinheit P gelieferten Signals p_.

Die Vorpolarisxerungsschaltungen enthalten ebenfalls ein Netzwerk RP aus logischen und analogen Gattern, das N Signalwege enthält, an seinem Eingang mit den Schieberegistern RPP und RPN gekoppelt und an seinem Ausgang mit den N Zeilen des

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Mosaiks über die Verstärker ALI bis ALN gekoppelt ist.

Unter "analogem Gatter" sei in diesem Zusammenhang ein elektronisches Element verstanden, das unter der Kontrolle eines seinem Regeleingang zugeführten logischen Signals ein analoges Signal durchlässt oder nicht. Beispiele derartiger Elemente sind Relais und Schalttransistoren. In Fig. 3 sind beispielsweise die Elemente 1a-, 1a+- Na-, Na+ analoge Gatter.

Das Netzwerk der Gatter RP arbeitet, wie übrigens alle derartigen Netzwerke, die in den folgenden Figuren dargestellt sind, gebau so gut, wenn für die Wandler ein Material mit zwei oder drei Vorpalisierungszuständen verwendet wird.

Die Wirkung des Netzwerkes RP ist wie folgt:

Die Polarisationsspannung einer Zeile wird vom Ausgang der entsprechenden Position des Registers RPP (wenn es sich um eine positive Polarisation handelt) oder des Registers RPN (bei negativer Polarisation) oder beider Register (wenn es sich um eine Polarisation gleich 0 handelt) geliefert. Diese Spannung wird von einem oder dem anderen

(oder beiden) der UND-Gatter "1+" und ¹¹I-"

+N, und -N, danach auf eines von beiden (oder auf

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beide) analogen Gatter ("1a-, "1a+, ) und weiter auf den Eingang des entsprechenden Verstärkers (ALI ALN) übertragen.

Die UND-Gatter "1+", "1-", müssen

vermeiden, dass irrtümlicherweise gleichzeitig die Polarisationen + und - auf der gleichen Zeile von Wandlern verwendet werden, was die Zerstörung der betreffenden Schaltungen durch Kurzschluss zur Folge haben würde.

Mit Hilfe des Netzwerkes RP können den Eingängen der Verstärker AL1 ... ALN drei mögliche Vorpolarisierungszustände angeboten werden. Dadurch lässt sich die Signalbearbeitung besser der Kurve (2) in Fig. 1A anpassen. Um die Stellen zu berücksichtigen, an denen diese Kurve die Achse XX schneidet, braucht man faktisch nur in das Fokussierungsdiagramm an den diesen Schnittpunkten entsprechenden Stellen die Information einzuführen, die dem Zustand 0 der entsprechenden Positionen der beiden Schieberegister RPP und RPN entspricht.

Der Vorteil eines derartigen dritten Polarisationszustandes (Zustand θ) ist, dass der Öffnungswinkel des fokussierten Strahls kleiner wird, so dass sich eine geringere Zeilenanzahl von Wandlern an der Fokussierung beteiligt. Hierdurch werden Störsignale (Rauschen u.dgl.) aus den anderen

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Zeilen beseitigt.

Ausserdem ist das Erhalten des Polarisationszustandes 0 besonders leicht, wenn das Wandlermosaik aus elektrostriktivem Material besteht. Man braucht dabei nur das angelegte elektrische Feld auszuschalten.

- Fig. 3B stellt den Teil der Anordnung dar, der sich auf die Sendeschaltungen bezieht. Auch hier ist wiederum das Mosaik MT sowie die Programmeinheit P mit den zwei bereits erwähnten Steuersignalen tmp und p_ dargestellt. Die Struktur der Sendeschaltungen entspricht der der Vorpolarisätiansschaltu—ngen in dem Sinne, dass auch die Sendeschaltungen einen Speicher MF sowie zwei Schieberegister RFP und RFN und ein Netzwerk von Gattern RF enthalten. Dieses Netzwerk verbindet jedoch die Alisgänge der Register mit dem M Spalten des Mosaiks; es hat also M Signalwege und ist zum gleichphasigen oder gegenphasigen Übertragen des impulsförmigen Sendesignals je nach den Zuständen der Positionen der Schieberegister eingerichtet. Das Sendesignal wird im Generator G erzeugt und unter der Steuerung des Signals c_e_ ausgesendet, das die Programmeinheit P liefert. Der Generator arbeitet mit einer Phasenumkehrstufe I zusammen und die Sendesignale werden auf die Spalten über die Verstärker AC1 .... ACM

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und über Zweiwegelemente BP1 ... BPM übertragen, die zum Trennen eingehender und ausgehender Signale eingerichtet sind.

Der Speicher MF enthält u.a. die Information entsprechend dem Fokussierungsdiagramm zum Senden, das es auf die Weise das Diagramms der Vorpolarisationen der Wandlerzeiten ermöglicht, einen Punkt auf dem Linienfokus zu wählen, der von der Vorpolarisation bestimmt ist.

Der Benutzer hat mehrere Möglichkeiten zum Arbeiten mit der erfindungsgemässen Anordnung. Durch Einführen eines bestimmten Diagramms in die Schieberegister und durch schrittweises Weiterschieben der Information in diesen Registern kann der Benutzer beispielsweise den ausgesandten Strahl nacheinander an den aufeinanderfolgenden Punkten des Linienfokus fokussieren, der durch die Vorfokussierung erhalten worden ist. In diesem Falle ist die im Speicher MF vorhandene Information in jeder Hinsicht der Information vergleichbar, die sich im Speicher MP nach Fig. 3A befindet, d.h. die Information ist zweifach vorhanden, um zu einem "positiven Bild" im Register RFP und zu einem "negativen Bild" im Register RFN zu führen, wobei die beiden Bilder nicht notwendigerweise komplementär: sind. Das Einlesen der Schieberegister er-

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folgt unter der Steuerung eines Signals tmf, das die Programmeinheit P liefert, -während das aufeinanderfolgende Wählen der entsprechenden Punkte auf dem durch Vorpolarisation bestimmten Linienfokus durch gleichzeitiges Weiterschieben der Information in den beiden Registern unter der Steuerung eines Impulses ih erfolgt, den die Programmeinheit P am Ende jeder Sende-Empfangreihe liefert.

Weiter ist es möglich, den ausgesandten Strahl gleichzeitig auf eine Anzahl über den Linienfokus verteilter Punkte zu fokussieren, was bedeutet, dass die Schieberegister eine Anzahl von Bildern (positive oder negative) des Fokussierungsdiagramms enthalten, welche .Anzahl der Anzahl gleichzeitig fokussierter Punkte entspricht, beispielsweise dadurch, dass die entsprechende Doppelinformation im ganzen im Speicher MF gespeichert ist. In jedem Fall, wenn der "Öffnungswinkel" des fokussierten Strahls die Anregung von m Wandlerspalten erfordert, ist es möglich, den ausgesandten Strahl gleichzeitig auf M/m Punkte zu fokussieren.

Im Netzwerk von Gattern RF enthält jeder Signalweg vier Gatter: zwei analoge Gatter (beispielsweise lad und 1ap für den der Spalte 1 zugeordneten Signalweg), die das vom Generator G gelieferte Signal· direkt gleichphasig oder über die

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Phasenumkehrstufe I der entsprechenden Spalte zuführen, und zwei UND-Gatter zum Vorbereiten dieser Übertragungen (ip und 1d im gleichen Beispiel), deren Funktion gleich der der UND-Gatter des Netzwerkes RP nach Fig. 3A ist.

Schliesslich lässt sich noch bemerken, dass der Benutzer über eine zweite Wählmöglichkeit in bezug auf das weitere Programm nach einer Sende-Empfangreihe verfügt:

- er kann Fokussxerungspunkte wählen, die sich unmittelbar neben den gerade abgetasteten Punkten befinden, in welchem Fall die Programmeinheit P einen einzigen Impuls ih liefern muss,

- oder sr kann Punkte wählen, die sich in gleichen Abständen von den gerade abgetatsten Punkten befinden, in welchen Fall die Programmeinheit eine Anzahl von Impulsen ih liefern muss, welche Anzahl durch diesen Abstand bestimmt wird.

Die Funktion der Verstärker AB1 ... ABM wird nachher beschrieben.

Fig. 3C, 3D und 3E zeigen die Empfangschaltungen dieser Anordnung, die im grossen ganzen in Fokussxerungsemofangsschaltungen (Fig. 3C), in Signalverarbextungsschaltungen (Fig. 3D) und Steuerschaltungen (Fig. 3E) verteilt sind: Fig. 3C zeigt erneut das durch die Wandler gebildete

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Mosaik MT, die Verstärker AB1, ABM und die Zweiwegelemente —BP1, BPM, während die Fig. 3E erneut die Programmeinheit P zeigt.

Auch hier ist die Struktur der Fokussierungsschaltungen (Fig. 3C) der der Schaltungen nach Fig. 3A und 3B in dem Sinne vergleichbar, dass ebenfalls ein Speicher MF¹ (Fig. 3E) und Schieberegister angewandt sind, die den Übertrag der Empfangssignale über Netzwerke von Gattern konditionieren, aber diese Schaltungen sind dadurch komplizierter, dass sie an die Möglichkeit zum gleichzeitigen Abtasten verschiedener Punkte des Linienfokus angepasst sind. In den Schemen ist die Anzahl von Punkten auf J gesetzt. Im Prinzip handelt es sich also darum, I entsprechenden Empfangsstufen die möglichen Echosignalen zuzuführen, die in jedem bestimmten Punkt gebildet werden und für jeden Punkt an m Spalten empfangen werden, wobei die durch das für den Empfang gewählte Fokussierungsdiagramm bestimmte Polarisationen berücksichtigt werden.

In der Praxis sind J Differenzverstärker verfügbar, beispielsweise die Verstärker D1 und DJ, wobei die - und + Eingänge jedes Verstärkers über . die M Signalwege eines Netzwerkes von Gattern (RT1 für D1, RTJ für DJ) mit dem Ausgang der

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M Verstärker, ABt ... ABM, gekoppelt sind, deren Eingänge über die M Zweiwegelemente BP1 ... BPM mit den Ausgängen der M Spalten verbunden sind. Die Ubertragungsbedxngungen für die Gatter eines Netzwerkes werden durch einen Satz von zwei Schieberegistern geliefert, der diesem Netzwerk (RN! und RP1 für RT1 ; RNJ und RPJ für RTJ) zugeordnet ist, was bedeutet, dass die Schaltungen 2.J Schieberegister enthalten.

Bei der Betrachtung eines einzigen Satzes zweier Schieberegister, beispielsweise der Register RN1 und RP1, kann wie schon eher gesagt werden, dass diese Register positive Bilder (Register RPi) und negative Bilder (Register RN1) des Fokussierungsdiagramms für den Empfang geben, aber selbstverständlich nur an einem der abgetasteten Punkte, in diesem Fall an dem Punkt, an dem mögliche Echosignale gebildet werden, die dem Differenzverstärker D1 zugeführt werden. Während des Abtastprogramms nimmt dieser Punkt nacheinander verschiedene Positionen auf dem Linienfokus ein und es ist somit erwünscht, alle Ubertragungsmöglichkeiten ab den M Spalten des Mosaiks zum erwähnten Verstärker D1 offen zu lassen. Die Anzahl von Positionen jedes Registers RN1, RP1 ist gleich M und jeder der M Signalwege des Netzwerkes RT1 hat zwei analoge

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Gatter, nämlich, eines zum Zuführen an den (-)Eingang und das andere zum Zuführen an den (+) Eingang des Differenzverstärkers D1. Die entsprechenden Positionen beider Register liefern übertragungsbedingungen für die zwei Gatter, die den Signalweg bilden, der der Spalte gleicher Rangordnung wie die dieser Positionen zugeordnet ist, und dieser Übertrag erfolgt zum(-) Eingang oder zum(+) Eingang des Differenzverstärkers in Abhängigkeit von der Frage, ob die beschriebene Speicherstellung des Registers RN1 oder die des Registers RPI den Zustand "1" hat, oder nach beiden Eingängen, wenn die beschriebene Position sowohl in RN1 als auch in RP1 den Zustand 0 hat. Gleich.es gilt für den Satz von Registern RMJ und RPJ, das Gatternetzwerk RTJ und den Differenzverstärker DJ.

Aus obiger Beschreibung kann hergeleitet werden, dass sich die Gruppen von Positionen, die in beiden Registersätzen das Fokussierungsdiagramm auf J- gleichzeitig abgetasteten Punkten bestimmen, voneinander unterscheiden, aber dass selbstverständlich die Register RP1 ... RPJ und RN1 ... RNJ zusammen die gleichen Bilder (positive und negative) des Fokussierungsdxagramms liefern wie die Register RFP und RFN der Fig. 3B. Das Einlesen der 2.J Schieberegister kann

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also aus dem gleichen Speicher erfolgen, der mit den Schieberegistern RFP und RFN zusammenarbeitet. Der Speicher MF' nach Fig. 3E kann daher der gleiche sein wie der Speicher MF nach Fig. 3B. Der Speicher MF arbeitet dabei mit dem Gatternetzwerk RTM zusammen, das J Signalwege enthält, die je zwei UND-Gatter haben, die durch die Vorbereitungssignale sa1 . . . sa.j geöffnet werden, die die Programmeinheit P derart liefert, dass die gespeicherte Doppelinformation (p_, n) nacheinander den Sätzen von Schieberegistern RN1...RP1 (n1-pi) bis RNJ...RPj (nj-pj) zugeführt wird. Das Weiterschieben der Information in den Schieberegistern nach Fig. 3C erfolgt synchron mit dem Weiterschieben der Information in den Schieberegistern nach Fig. 3B (impulse jLh).

Die Ausgangs signale dl . . . d.j der Differenzverstärker D1...DJ werden gleichgerichtet, in den Schaltungen RF1...RFJ (Fig. 3D) filtriert und auf den Eingang eines Netzwerkes RV übertragen, das J analoge Gatter enthält. Diese Gatter werden zum Zeitpunt to + jfcr geöffnet (wobei jbo, der Zeitpunkt ist, an dem die Aussendung zum Abtasten van J punkten des Linienfokus erfolgt, der durch die Vorpolarisierung der Wandler bestimmt ist, während tr die Anspreichzeit ist

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vom Fokusabstand und von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in der benutzten Umgebung bestimmt wird). Das Signal sv zum Offnen der Gatter liefert die Programmeinheit P.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Anordnung werden die Empfangssignale in einem Speicher gespeichert, um Zeile für Zeile am Schirm einer Wiedergaberöhre TA dargestellt zu werden, deren Ablenkschaltung CD von einem von der Programmeinheit P gelieferten Signal sd synchronisiert wird. Die ¥iedergabe einer Zeile fällt mit dem Abtasten der nächsten Zeile zusammen. Es ist somit notwendig, über zwei Videospeicher MA und MB und über zwei Führungsnetzwerke RSM und RVM mit analogen Gattern zu verfügen, die von einem bistabilen Flipflops BS gesteuert werden, dessen Zustand sich unter dem Einfluss des von der Programmeinheit gelieferten Signals bs ändert:

- das erste Netzwerk RSM führt die Empfangssignale zum Speicher MA bzw. zum Speicher MB, wenn sich der Flip-flop BS in dem Zustand befindet, den die Erfüllung der Bedingung a. bzw. a bestimmt,

- das zweite Netzwerk RVM ermöglicht die übertragung der im Speicher MA bzw. der im Speicher

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MB vorhandenen Information, wenn sich der FlipflopBS in dem Zustand befindet, den die Erfüllung der Bedienung a bzw. a. bestimmt.

Auf herkömmliche Weise wird das Auslesen der Speicher vom Selektor S unter dem Einfluss des von der Programmeinheit gelieferten Signals svm seriell gesteuert, um die Information in der entsprechenden Reihenfolge am Schirm der Röhre TA darzustellem.

Das Einlesen der Speicher MA und MB erfolgt in Abhängigkeit von einer "Adressierung" (Signale sap) aus der Programmeinheit P, die ja auch die aufeinanderfolgenden Positionen der Abtastpunkte an Hand eines vorausbestimmten Programms, u.a. mittels der Impulse ih, bestimmt. Die Signale sap öffnen die analogen Gatter eines Adressierungsnetzwerkes RAP für die .Übertragung der Empfangssignale (die bereits dem Speicher MA oder dem Speicher MB zugeführt sind) auf die den Positionen der abgetasteten Punkte entsprechenden Speicherpositionen des ausgewählten Speichers.

Die beschriebene Anordnung eignet sich insbesondere für medizinische Zwecke, wenn das Mosaik auf bekannte Weise über einen Ifassersack mit dem Patienten gekuppelt wird.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1 . Anordnung für Echographie mit einem Mosaik von in N Zeilen und M Spalten geordneten Ultraschallwandlern zum Aussenden und Empfangen von Ultraschall·« schwingungen und zum Umsetzen dieser Schwingungen in elektrische Signale, nachdem sie an einer zu untersuchenden Fläche reflektiert worden sind, wobei die Ultraschallschwingungen dadurch als fokussierte Strahlenbündel ausgesandt und empfangen werden, dass ausgewählte Wandler gemäss vorausbestimmten Regeln in Phase oder in Gegenphase betrieben werden dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler aus einem Material bestehen, das durch eine Vorpolarisierung in einen von zwei charakteristischen Zuständen gebracht werden kann, wobei die Phase eines einer Ultraschallwelle entsprechenden elektrischen Signals vom Zustand abhängig ist, den der Wandler durch Vorpolarisierung erhalten hat, wobei jeweils von einer Gruppe von η Zeilen bzw» Spalten (n <T N und Μ) von Wandlern manche Zeilen bzw. Spalten im einen Zustand und andere im anderen Zustand derart vorpolarisiert sind, dass die von diesen Zel len bzw. Spalten ausgestrahlten oder empfangenen Ultraschallwellen einen Strahl mit einem an einer vorausbestimmten Stelle liegenden linienförmigen Brennpunkt bilden.

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26bb274 ²·¹²·⁷⁶
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Wandler aus ferro-elektrisehern und piezo-elektrischem monokristallinem Material hergestellt sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Wandler aus einem Material mit mindestens drei möglichen Polarisationszuständen bestehen.
4. Anordnung nach Anspruch 3j dadurch gekenn zeichnet, dass das erwähnte Material monokristallin und elektrostriktiv ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Wandler monokristallines Triglyzinsulfat (IGF) oder Triglyzinselenat (TGSe) oder eine monokristalline Mischung von TGS und TGSe ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für jeden zu untersuchenden Punkt die elektrischen Signale, die zum Aussenden oder zum Empfang der vorfokussierten Ultraschallstrahlen beitragen, in einem Fokussierungsnetzwerk verarbeitet werden, das für die gleichphasige, bzw. gegenphasige Signale zwei Eingangs-Ausgangssignalwege enthält, die mit η aufeinanderfolgenden Spalten oder Zeilen des Mosaiks gekoppelt sind, wobei ein Signalweg mit ρ Spalten und

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der andere mit q = (n - p) Spalten nach einem vorausbestimmten Muster derart gekoppelt ist, dass der ausgesandte oder empfangene Ultraschallstrahl auf eine mit den erwähnten Spalten oder Zeilen parallel verlaufende Linie fokussiert ist, die den durch Vorpolarisation bestimmten Linienfokus in Höhe des zu untersuchenden Punktes schneidet.
7· Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, in der eine ¥ahl von Zeilen und/oder Spalten des ¥andlermosaiks durch ein digitales Schieberegister erfolgt,.dessen verschiebbare Information dem Fokussierungsdiagramm entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass für die erwähnte Wahl zwei Schieberegister vorgesehen sind, von denen die η entsprechenden Speicherherstellungen, die die Information für die Vorfokussierung und/oder die Fokussierung des Ultraschallstrahls enthalten, im ersten Register das positive Bild und im zweiten Register das negative Bild des Fokussierungsdiagramms darstellen, wobei die ersten und zweiten Schieberegister mit den erwähnten Zeilen und/oder Spalten über ein Gatternetzwerk gekoppelt sind, das die Rolle des Vorfokussierungsnetzwerkes und/oder Fokussierungsnetzwerkes erfüllt, über welches Netzwerk die Vorpolarisations-

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signale und/oder die Sende- oder Empfangssignale auf eine Zeile und/oder auf eine Spalte mit der Rangordnung a? gleichphasig, wenn die Speicherstellungen mit der Rangordnung r der ersten und zweiten Register die entsprechenden binären Datenelemente "1" und "0", oder gegenphasig übertragen werden, wenn die erwähnten Speicherstellungen die entsprechenden binären Datenelemente "0" und "1" enthalten.

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