DE3121513A1

DE3121513A1 - Impulsgesteuerte ultraschallabbildungs-einrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE3121513A1
Application number: DE19813121513
Authority: DE
Inventors: Philip Shepard Green; James Fred 94022 Los Altos Calif. Havlice; Dilip Govind 94025 Atherton Calif. Saraf
Original assignee: SRI International Inc; Stanford Research Institute
Current assignee: SRI International Inc
Priority date: 1980-02-08
Filing date: 1981-05-29
Publication date: 1982-12-23
Also published as: FR2507078A1; FR2507078B1; US4305296B1; US4305296A; NL8102707A; US4305296B2; GB2099582A; GB2099582B

Description

DipL-tog. Hans-Jürgen Müller --■ - Dipl.-Chem.Dr.GerhardSchupfner Dipl.-Ing. Hane-Peter Gauger fe Lw^(U-SIr. 38-O 8000 München 80

SRI International "Menlo Park California 94025 V.St.A.

Impulsgesteuerte Ultraschallabbildungs-Einrichtung und -Verfahren

Impulsgesteuerte Ultraschallabbildungs-Einriehtung, und -Verfahren

Die Verwendung einer phasengesteuerten Wandleranordnung mit einer Mehrzahl benachbarter Wandlerelemente für die Strahlfokussierung ist auf dem Gebiet der Ultraschallabbildung bekannt (vgl. z. B. die US-PS 3 936 791). Die sequentielle Operation einzelner Wandlerelemente oder Gruppen von Wandlerelementen für die Strahlabtastung ist ebenfalls bekannt (vgl. z. B. die US-PS f 164 213). Fokussiermittel mit einer gesonderten, Abgriffe aufweisenden Verzögerungsleitung für jedes Element einer Wandleranordnung sind in der US-PS 4- 116 229 angegeben. Die Abgriffe werden für eine dynamische Fokussierung von einem Minimal- zu einem Maximalbereich längs dem Strahl geändert. Das Schalten der Abgriffe erfolgt während der Signalempfangsperiode zur Erzeugung von Schaltstößen, die potentiell schädlich sind. Auch wird eine große Anzahl relativ teurer, Abgriffe aufweisender Verzögerungsleitungen für die Strahlfokussierungs- und Abtastoperationen einer solchen bekannten Anordnung benötigt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten impulsgesteuerten Ultraschallabbildungs-Einrichtung bzw. eines solchen Verfahrens unter Verwendung von elektronischen Strahlfokussierungs-, Abtast- und Empfangssignal-Verarbeitungseinheiten, womit eine Echtzeitabbildung hoher Auflösung eines Ausschnitts des Inneren eines Objekts erhalten wird. Dabei soll für die Strahlfokussierung und Abtastung des abzubildenden Ausschnitts eine relativ geringe Anzahl von unveränderlichen Verzögerungselementen erforderlich sein, und ferner sollen ein impulsgesteuertes Ultraschall-B-Abtastverfahren bzw. eine solche Einrichtung geschaffen werden, mit der unter Einsatz vereinfachter elektronischer Fokussier- und Abtasteinheiten eine gutfokussierte Lchtzeitabbildung des gesamten abzubildenden Ausschnitts erhalten wird.

Die angegebene Aufgabe wird durch wiederholtes Senden von Ultraschallenergieimpulsen in das Objekt gelöst. Eine Ultraschall-Wandleranordnung mit einer Mehrzahl benachbarter Wandlerelemente setzt Echosignale, die von Diskontinuitäten innerhalb des Objekts empfangen werden, in äquivalente elektri- · sehe Signale um. Eine bereichsaufgetastete Signalverarbeitungseinheit spricht auf elektrische Wandlerelement-Ausgangssignale an, die durch reflektierte Ultraschallwellen erzeugt werden, die von innerhalb einer von mehreren aneinandergrenzenden Bereichszonen innerhalb des abzubildenden Ausschnitts des Objekts empfangen werden. Die Empfangssignalver-

arbeitungseinheit umfaßt eine Strahlfokussierungs- und Abtasteinheit für. die Fokussierung von Wandlerelementen der Wandleranordnung an der Bereichszone, bei der die Verarbeitungseinheit bereichsaufgetastet ist, und für die Abtastung der Zonen. Die erhaltenen Abbildungs-Zeilensegmentsignale werden einer Kathodenstrahlröhre für die Sichtanzeige des gesamten abzubildenden Ausschnitts zugeführt; Ein digitaler Abtastumsetzer kann für die vorübergehende Speicherung der Zeilensegmentsignale eingesetzt werden; von diesem Umsetzer können vollständige Bildzeilensignale zur Anzeige auf einem Fernsehmonitor erhalten werden. .

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- XD -

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. .1 ein Blockdiagramm des Ultraschall-Abbildungssystems nach der Erfindung;

Fig. 2 die Strahlfokussierung der Wandleranordnung in unterschiedlichen Bereichszonen sowie jeder Zone zugeordnete Zeitverzögerungsmittel;

Fig. 3 eine Grafik, die die Verteilung von Zeitverzögerungen zeigt, die für die Fokussierung in den verschiedenen Bereichszonen erforderlich sind;

Fig. 4 ein Impulsdiagramm, das die Bereichsauftastung der Empfangssignal-Zentraleinheit für die Operation mit den verschiedenen Bereichszonen zeigt;

Fig. 5A Diagramme, die das Raumformat von drei ver-

bis 5C schiedenen Videorahmen, die unter Anwendung von drei verschiedenen Zonenabtastsequenzen erhalten wurden; und

Fig. 6 ein der Fig. 1 ähnliches Blockdiagramm, das einen Teil einer anderen Ausführungsform der Erfindung unter Anwendung eines digitalen Abtastumsetzers zeigt.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der neuen Ultraschall-Abbildungseinrichtung mit einer linearen Wandleranordnung 10, die z. B. 64. einander benachbarte Wandlerelemente 10-1 bis 10-64 aufweist. Bevorzugt weist die Anordnung eine Zylinderlinse als Fokussiereinheit 11 (vgl. Fig. 2) auf für die Strahlfokussierung in einer Ebene, die zu der Ebene des Ausschnitts 12 innerhalb des abzubildenden Objekts 14 senkrecht verläuft. Bei der angegebenen Einrichtung

liegt der Ausschnitt 12 in der Längsebene der Wandleranordnung 10. Die Verwendung einer Zylinderlinse für die Strahlfokussierung ist bekannt und wird nicht weiter erläutert.

Die Wandleranordnung 10 ist in einem impulsgesteuerten Ultraschall-B-Abtastungs-Abbildungssystem enthalten, das ferner einen Sender mit einem Impulsgeber 16 aufweist, dem wiederkehrende Taktimpulse von einer Takt- und Steuereinheit 18 für die Ein-Aus-Regelung zugeführt werden. Wenn der Impulsgeber eingeschaltet ist, wird ein Hochfrequenz-Energieimpuls erzeugt, der über eine Sende-Empfangs-Schaltereinheit 20 mit einer Koppelmatrix 22 verbunden wird.. Zeitverzögerungsmittel 24, in diesem Fall sieben Festsignal-Verzögerungselemente 24-1 bis 24-7, sind in die Verbindung von sieben der Sende-Empf.angs-Schalter 20-1 bis 20-7 mit der Koppelmatrix 22 eingeschaltet. Ein Sende-Empfangs-Schalter 20-8 ist direkt mit der Koppelmatrix verbunden, wobei in der Verbindung zwischen beiden kein Zeitverzögerungsmittel vorgesehen ist.

Die Wandlerelemente 10-1 bis 10-64 der Wandleranordnung sind mit der Koppelmatrix 22 so verbunden, daß Gruppen jeweils unterschiedlicher Anzahl der Wandlerelemente mit dem Impulsgeber 16 verbindbar sind. Takt- und Steuersignale von der Takt- und Steuereinheit 18 werden der.Koppelmatrix 22 zum Ansteuern eines Wandlerelements oder einer Gruppe von benachbarten Wandlerelementen, die während der Impulssende- und -empfangsoperationen zu aktivieren sind, zugeführt. Die Signalverzögerungseinheit 24 für die Verzögerung von Sendersignalen, die der Wandleranordnung zuzuführen sind, und von von der Wandleranordnung empfangenen Signalen dient der Fokussierung des Strahls bei unterschiedlichen Tiefen innerhalb des Ausschnitts 12 des Objekts 14, wobei die Tiefe, bei der die Anordnung fokussiert wird, von den Verzögerungselementen 24-1 bis 24-7 abhängt,

die in der Verbindung zwischen Wandlerelementen und der impulsgesteuerten B-Abtastungs-Sende-/Empfangseinheit vorgesehen sind. Die Strahlachse wird längs der Wandleranordnung 10 zu einer Position verschoben, die von dem Wandlerelement oder der Gruppe benachbarter Wandle.relemente abhängt, die während der Sende- und Empfangsoperationen eingesetzt werden. Die Funktionsweise der Festverzögerungseinheit 24 für die Strahlfokussierung bei unterschiedlich tiefen Zonen innerhalb des abzubildenden Ausschnitts 12 wird nachstehend im Rahmen der Erläuterung des Empfangsbetriebs näher beschrieben. Wenn der Impulssender 16 eingeschaltet wird, wird entweder ein Wandlerelement oder eine Gruppe benachbarter Wandlerelemente aktiviert zur Impulserzeugung von Ultraschallwellen, die an einer von mehreren aneinandergrenzenden Bereichszonen innerhalb des abzubildenden Ausschnitts 12 fokussiert werden. Das Wandlerelement oder die Gruppe von Wandlerelementen, die aktiviert wird, wird längs der Anordnung in Richtung des doppelköpfigen Pfeils 25 verschoben zur Abtastung jeder der Bereichszonen.

Ultraschallwellen, die von Unstetigkeiten bzw. Diskontinuitäten innerhalb des impulsbeschallten Objekts 14 reflektiert werden, werden von der Wandleranordnung 10 empfangen und durch die einzelnen Wandlerelemente in äquivalente elektrische Signale umgeformt. Der Ausgang eines oder mehrerer Wandlerelemente 10-1 bis 10-64 ist über die Sende-Empfangs-Schaltereinheit 20 mit einem Summierverstärker 26 verbunden. Die Sende-Empfangs-Schalter 20-1 bis 20-8 haben einfach die Funktion, gesendete Signalimpulse von den Eingängen zum Summierverstärker zu isolieren. Selbstverständlich können Vorverstärker (nicht gezeigt) in die Verbindungen zwischen den Sende-Empfangs-Schaltern und dem Summierverstärker 26 eingeschaltet sein für die Vorverstärkung von relativ niedrige Pegel aufweisenden Signalen von den Wandlerelementen.

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Erwünschtenfalls kann das System so arbeiten, dafi zwischen der Aussendung eines Impulses und dem zugehörigen Impulsempfang kein Schalten der Koppelmatrix 22 stattfindet; in diesem Fall ist natürlich die Strahlfokussierung und Positionierung die gleiche während eines einzigen Sende-Empfangs-Zyklus. Selbstverständlich können während der Sende- und zugehörigen Empfangsoperationen, falls erwünscht, unterschiedliche Gruppen von Verzögerungselementen eingesetzt werden. Z. B, kann die Nebenkeulen-Abfrageunterdrückung verbessert werden, indem zum Senden und zum Empfangen etwas unterschiedliche Fokussierungsmuster verwendet werden. Der Einfachheit halber wird jedoch die Operation unter Verwendung desselben Strahlmusters während eines Sende-Empfangs-Zyklus beschrieben.

Bei der vorliegenden Einrichtung wird der Ausgang eines oder mehrerer Wandlerelemente mit dem Eingang des Summierverstärkers 26 während des Empfangsbetriebs verbunden. Das Ausgangssignal des Summierverstärkers, das eine Summe der Eingänge darstellt, wird einem zeitabhängig geregelten Verstärker 28 zugeführt, dessen Verstärkungsverlauf sich als eine Funktion der Zeit ändert zur Kompensation für einen Verlust der Signalamplitude während des Durchlaufens des Gewebes des Objekts 14. Bei der erläuterten Einrichtung ändert sich die Verstärkung des Verstärkers 28 nach Maßgabe des Ausgangs eines Bereichsauftast- und Verstärkungs-Funktionsgebers 30. Dieser kann einfach ein Sägezahngenerator sein mit einem Ausgangssignal, das die •Verstärkung des Verstärkers 28 proportional zum Bereich erhöht, um dadurch den Signalverlust auszugleichen, der durch Schallabsorption in dem Objekt auftritt. Der Ein-Aus-Betrieb des Funktionsgebers 30 wird von einem Ausgangsimpuls der Takt- und Steuereinheit 18 gesteuert.

! Wenn der Bereichsauftast- und -verstärkungs-Funktionsgeber

t 30 ausgeschaltet ist und bevor er eingeschaltet wird,

f sperrt sein Ausgang die Operation des Verstärkers 28

I für die Empfangs-Auftastung. Bei der angegebenen Einrich-

Ϊ tung erfolgt eine Bereichsauftastung des Empfängers bei

»' vier aneinandergrenzenden Bereichszonen innerhalb des Ob-

J jekts, wie nachstehend erläutert wird. Selbstverständlich

j ist eine Bereichsauftastung des Empfangssignals an anderen

I Stellen im System möglich, und die Erfindung ist nicht J · auf irgendwelche bestimmten Auftastmittel einschließlich

* des gezeigten kombinierten Bereichsauftast- und -Ver-

I stärkungs-Funktionsgebers 30 beschränkt.

I Das bereichsaufgetastete Signal des zeitabhängig geregel-

I ten Verstärkers 28 wird von einem Regelverstärker 32 ver-

I stärkt, und das verstärkte Ausgangssignal wird von einem

Hüllkurvenerfasser 34· erfaßt, der z. B. ein Zweiweggleichrichter mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilter aufweist. Das Ausgangssignal des Erfassers 34-, das mit der Hüllkurve des Breitband-Hochfrequenz-Signals vom Verstärker 32 in Bezie-

χ hung steht, wird einer Ultraschallbild-Anzeigeeinheit 36,

ί die eine Kathodenstrahlröhre aufweist, zugeführt* Normaler-

I weise ist in den Verbindungsweg zwischen dem Erfass.er-

I Ausgangssignal und der Kathodenstrahlröhre 36 ein Verstärker

J mit Dynamikregelung (nicht gezeigt) eingeschaltet, um das

I erfaßte Signal an Charakteristiken der Kathodenstrahlröhre

i anzupassen, so daß der gesamte Signalbereich richtig ange-

I zeigt wird. Das Ausgangssignal des Erfassers wird dem

;' Steuergitter der Kathodenstrahlröhre als Eingangssignal

für die Intensitäts- und Z-Ächsen-Steuerung von deren Elektronenstrahl zugeführt.

Bei der hier gezeigten B-Abtastungs-Anzeige ist die Ablenkung des Kathodenstrahls in X- oder Horizontalrichtung der Lage des Ultraschallstrahls über die Wandleranordnungs-Abtastbahn proportional. Ein X-Achse-Generator 38, der durch Synchronisier- und Steuersignale von der Takt- und Steuereinheit 18 angesteuert wird, erzeugt ein Übergangsfunktions-Ausgangssignal, das dem Horizontalabtastsystem der Kathodenstrahlröhre 36 zugeführt wird zum Verschieben der Strahlspur auf der Kathodenstrahlröhre nach Maßgabe der Lage der Ultraschallstrahlachse der Wandleranordnung 10.

Die Vertikal- oder Y-Achsen-Ablenkung des Kathodenstrahls erfolgt durch einen Sägezahngenerator 4-0, der von einem Ausgang der Takt- und Steuereinheit 18 zu einer ausgewählten Zeit nach der Senderoperation angesteuert wird. Der Ausgang des Sägezahngenerators 4-0 wird dem Vertikalablenksystem der Kathodenstrahlröhre 36 zugeführt für die Vertikalabtastung der Strahlspur. Wie bereits erwähnt, wird eine Mehrzahl aneinandergrenzender Bereichszonen angewandt, so daß eine Mehrzahl einzelner Signalspursegmente für die Erzeugung einer vollständigen Video-Abtastzeile erforderlich ist. Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel werden vier solche Bereichszonen angewandt. Wie noch erläutert wird, wird auf der Bildfläche der Kathodenstrahlröhre 36 eine vollständige B-Abtastungs-Ultraschallabbildung mit hoher Auflösung des Körperteils, der innerhalb des Ausschnitts 12 des untersuchten Körpers liegt, erzeugt durch Anzeige der Mehrzahl Videozeilensegmente, die von jeder der Breichszonen innerhalb des Ausschnitts 12 erhalten werden.

Fig. 2 zeigt die Wandleranordnung 10 und die zugehörige Zylinderlinse 11 in Kontakt mit dem Objekt 14, z. B. weichem Körpergewebe. Der abzubildende Ausschnitt 12 ist

in eine Mehrzahl Bereichszonen unterteilt; zur Verdeutlichung sind vier Bereichszonen 1 bis 4· gezeigt. Die Zonen können je nach Wunsch gleiche oder ungleiche Breite (d. h. Ausdehnung) haben, wobei die Anzahl der verwendeten Bereichszonen u. a. von der erwünschten Auflösung über den gesamten Operationsbereich abhängt. Wie bereits erwähnt, umfaßt die Signalverzögerungseinheit 24· eine Gruppe von sieben Verzögerungsgliedern 24-1 bis 24-7, und im Betrieb werden Gruppen einzelner Verzögerungsglieder, im vorliegenden Fall zwischen null und sieben, für die Fokussierung in den verschiedenen Bereichszonen verwendet. Für den Betrieb in der Bereichszone 1 hat die Koppelmatrix 22 nur die Funktion, ein ausgewähltes der 64 Wandlerelemente direkt mit dem Summierverstärker 26 über den Sende-Empfangs-Schalter 20-8 zu verbinden, ohne daß.das Signal irgendeines der Verzögerungsglieder durchläuft. Unter der Bezeichnung "VERWENDETE VERZÖGERUNGEN" zeigt Fig. 2, daß für den Betrieb in Zone 1 keine Verzögerung verwendet wird. In Fig. 2 führt eine Linie von einem einzelnen Wandlerelement 10-18 zur dem Zone-1-Ausschnitt des Diagramms, um zu verdeutlichen, daß für .den Betrieb in Zone 1 die Wandlerelemente einzeln (also in Gruppen von jeweils einem) eingesetzt werden. Ferner ist ersichtlich, daß während des Betriebs in Zone 1 der Empfänger für die Verarbeitung von Signalen, die von dem aktivierten Wandlerelement empfangen werden,, nur während der Zeit bereichsaufgetastet ist, in der reflektierte Signale von dieser Zone empfangen werden.

In der Bereichszone 1 unmittelbar neben der Wandleranordnung wird die beste Auflösung unter Verwendung einzelner Wandlerelemente erhalten. Im Verlauf eines vollständigen Abtastzyklus, in dem der gesamte Ausschnitt 12 abgetastet wird, wird jedes Wandlerelement der Anordnung einzeln aktiviert, um ein Zeilensegment-Informationssignal für jedes Wandlerelement in Zone 1 zu erzeugen. Bei der An-

Ordnung nach Fig. 1 werden die Zeilenseymentsignale der Kathodenstrahlröhre 36 so, wie sie erzeugt werden, zugeführt, um eine Echtzeit-Abbildung an der Röhre 36 zu erhalten. Bei 64· Wandlerelementen in der Anordnung werden insgesamt 64 Zeilensegmente ;}e Zone erhalten, wenn die Einrichtung in der erläuterten Weise eingesetzt wird. In Fig. 2 ist das Strahlrichtungsmuster für den Betrieb in Zone 1, das durch Aktivierung eines einzelnen Wandlerelements erhalten wird, mit 44 bezeichnet, und die Strahlachse während der Aktivierung des Wandlerelements, in diesem Fall des Wandlerelements 10-18, ist mit 46 bezeichnet.

Signalverzögerungsglieder, die in der Signalverzögerungseinheit 24 enthalten sind, werden für die Elektronenstrahl okussierung in den Bereichszonen 2, 3 und 4 verwendet. Z. B. werden für die Operation in Zone 4, die von der Wandleranordnung 10 am weitesten entfernt ist, Gruppen von fünfzehn Wandlerelementen zusammen mit sämtlichen sieben Verzögerungsgliedern 24-1 bis 24-7 verwendet. Die durch die Zeitverzögerungsglieder 24-1 .bis Zk-I erhaltenen Zeitverzögerungen nehmen mit steigender Nummer der Verzögerungsglieder zu; dabei erzeugt das Zeitverzögerungsglied 24-1 eine minimale Zeitverzögerung und das Zeitverzögerungsglied 24-7 eine maximale Zeitverzögerung. In Fig. 3 ist ein Kurvenzug der für die Zeitverzögerungsglieder 24-1 bis 24-7 verwendeten Zeitverzögerungen gezeigt.

Für die Strahlfokussierung in der Bereichszone 4 (vgl. Fig. 2) werden die für die Fokussierung längs der Strahlachse 46 verwendeten äußersten Wandlerelemente, in diesem Fall die Elemente 10-11 und 10-25, direkt durch die Koppelmatrix 22 ohne Verzögerung mit dem Sende-Empfangsschalter 20-8 verbunden. Das Wandlerelement 10-18 an der Strahlachse

-yr-

46 wird durch die Koppelmatrix mit dem Zeitverzögerungsglied 24-7 für eine maximale Verzögerung der Sendeund'Empfangssignale verbunden. In bekannter Weise erfolgt die Strahlfokussierung durch Verwendung zunehmend größerer Zeitverzögerungen von den äußersten Wandlerelementen zum mittleren Wandlerelement der eingesetzten Gruppe. In Fig. 2, in der für die Fokussierung in der Zone 4 längs der Strahlachse 46 die Gruppe Wandlerelemente 10-11 bis 10-25 verwendet wird, werden die Wandlerelemente 10-17 und 10-19 durch das Zeitverzögerungsglied 24-6 mit dem Summierverstärker 26 verbunden. Gleichermaßen werden weitere Paare von Wandlerelementen, nämlich die Wandlerelemente 10-16 und 10-20, 10-15 und 10-21, 10-14 und 10-22, 10-13 und 10-23, 10-12 und 10-24, über Zeitverzögerungsglieder 24-5 bzw. 24-4 bzw. 24-3 bzw. 24-2 bzw. 24-1 an den Eingang des Summierverstärkers 26 angeschlossen. Während des Betriebs werden unterschiedliche Gruppen von fünfzehn Wandlerelementen durch die Koppelmatrix 22 für die Abtastung der Bereichszone 4 während der Fokussierung in dieser angeschlossen. An entgegengesetzten Enden der vVandleranordnung wird der Strahl unter Verwendung von weniger Wandlerelementen gebildet unter entsprechender Verschlechterung der Abbildung an diesen Stellen. Bei der erläuterten Einrichtung werden für jede Bereichszone einschließlich der Zone 4 64 bereichsaufgetastete Zeilensegmentsignale erzeugt, die vom Empfänger zur Anzeige an der Kathodenstrahlröhre 36 verarbeitet werden. Fig. 2 zeigt fokussierte Ultraschallstrahlen 48-2, 48-3 und 48-4 zur Fokussierung an den Punkten 50-2, 50-3 und 50-4 in den-Bereichszonen 2, 3 und 4 längs der Strahlachse 46, zusammen mit zugehörigen Wellenfronten 52-2, 52-3 und 52-4.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß für den Betrieb in der Bereichszone 3 eine Gruppe mit weniger Wandlerelementen und zugehörigen Verzögerungsgliedern als in der Bereichszone 4 verwendet wird. Ebenso umfaßt die Gruppe Wandlereiemente für die Fokussierung in der Bereichszone 2 weniger Wandlerelemente und zugehörige Verzögerungsglieder als die Gruppe für die Bereichszone 3. Bei der erläuterten Einrichtung erfolgt der Betrieb in den Bereichszonen 3 bzs. 2 mit 11 bzw. 7 Wandlerelementen und 5 bzw. 3 Verzögerungsgliedern. Somit ist ersichtlich, daß weni.gst.ens einige der Verzögerungsglieder 24-1 bis 24-7 zur Fokussierung in einer Mehrzahl verschiedenen Bereichs zonen eingesetzt werden. Bei dem Ausführungsbeispiel wird das Verzögerungsglied 24-1 für die Fokussierung in den Zonen 3 und 4, das Verzögerungsglied 24-2 für die Fokussierung in den Zonen 2 und 4, das Verzögerungsglied 24-3 für die Fokussierung in den Zonen 3 und 4, das Verzögerungsglied 24-4 für die Fokussierung in den Zonen 2, 3 und 4, das Verzögerungsglied 24-5 für die Fokussierung in den Zonen 2, 3 und 4 und das Verzögerungsglied 24-6 für die Fokussierung in den Zonen 3 und 4 eingesetzt.

Nachdem die Anzahl Wandlerelemente, die in jeder Gruppe für den Betrieb in verschiedenen Zonen einzusetzen ist, in nachstehend erläuterter Weise bestimmt ist, können die Verzögerungen berechnet werden, die für die Fokussierung an den verschiedenen Brennpunkten 50-2, 50-3, 50-4 innerhalb der jeweiligen Bereichszonen erforderlich sind. Fig. 3 zeigt die errechneten Verzögerungszeiten für die Fokussierung an den Brennpunkten 50-2, 50-3 und 50-4. Daraus ist ersichtlich, daß die Verzögerungszeiten längs der Zeitverzögerungsachse gruppiert sind. Wenn die erwünschte Genauigkeit mit der Frequenz des höchsten erwarteten Rücklaufs bekannt ist, kann die erforderliche Genauigkeit der angewandten Zeitverzögerungen bestimmt

werden. Z. B. werden für eine 0,1-Wellenlängengenauigkeit mit einer Frequenz von ca. 15 MHz Zeitverzögerungen innerhalb einer Genauigkeit von ca. ±6,7 ns benötigt. Infolgedessen kann unter Verwendung eines einzigen Verzögerungselements jede Gruppe von Verzögerungszeiten innerhalb eines Bereichs von 13,4- ns erhalten werden. Selbstverständlich hängt die mögliche Gruppierung von den physischen Abmessungen der Anordnung sowie der Betriebsfrequenz und der erwünschten Genauigkeit ab. In Fig. 3 werden mit sieben Gruppen von Zeitverzögerungen einschließlich einer Gruppe von einer Verzögerung die erforderlichen Verzögerungen für die Fokussierung in sämtlichen vier Bereichszonen erhalten.

Bei der angegebenen Einrichtung wird für jeden Sende-Empfangs-Zyklus aus einer der vier Bereichszonen ein einzelnes Abtastzeilensegment erhalten. Eine Sequenz der Sender- und Empfänger-Auftastoperation, die bei der Abtastung der Abbildung ablaufen kann, ist in dem Impulsdiagramm, nach Fig. 4 gezeigt, auf das nachstehend Bezug genommen wird. Dort folgt auf wiederkehrende Senderimpulse Tl, T2, T3, Τή- und T5 zeitlich nacheinander die Bereichsauftastung des Empfängers für den Betrieb in den Bereichszonen 1, 2, 3, 4 und 1. Wenn das System vier Bereichszonen verwendet und für. jede Zone 64 Abtastzeilensegmente erhalten werden, werden insgesamt 256 Abtastzeilensegmente erhalten und im Verlauf eines vollständigen Abtastzyklus angezeigt.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf irgendeine bestimmte Abtastfolge beschränkt .· Dies ist z.. B. unter Bezugnahme auf die Fig. 5A, 5B und 5C ersichtlich, die drei verschiedene Abtastfolgen aus einer im wesentlichen unendlichen Anzahl möglicher Sequenzen zeigen. Dabei

-U-

sind die vier eine Einzelzeile bildenden Zeilensegmente mit Zwischenräumen zwischen den Zeilensegmenten zur leichteren Identifizierung gezeigt. Tatsächlich gibt es keine solchen Zwischenräume, und die eine Zeile bildenden Segmente grenzen unmittelbar aneinander. Die Reihenfolge, in der die Zeilensegmente erhalten und angezeigt werden, ist durch unterstrichene Zahlen _1 bis 256 identifiziert, von denen nur einige gezeigt sind. Aus Fig. 5A ist ersichtlich, daß sämtliche vier Zeilensegmente einer Einzelzeile konsekutiv erhalten und angezeigt werden, bevor die Strahlachse in eine angrenzende Position übergeht. Bei dieser Operation wird eine Empfänger-Auftastoperation entsprechend Fig. 4 .angewandt.

Bei der Abtastfolge nach Fig. 5B wird eine ganze Bereichszone strahlabgetastet, bevor eine Bereichsauftastung zu einer benachbarten Bereichszone erfolgt. Bei dem gezeigten Verlauf werden die Bereichszonen 1, 2, 3 und k nacheinander abgetastet.

Erwünschtenfalls kann entsprechend Fig. 5C eine im wesentlichen willkürliche Abtastfolge angewandt werden. Nachdem sämtliche 256 Zeilensegmente erhalten und angezeigt wurden, wird die Sequenz wiederholt. Bei jeder Operationsfolge ist es einfach, die Anzeige des Zeilensegments mit der Empfängerauftastung und der Strahlposition zu synchronisieren.

Die Anzahl Wandlerelemente, die in jeder Gruppe solcher Elemente für die Fokussierung in den verschiedenen Bereichszonen vorgesehen wird, kann dadurch bestimmt werden, daß die Auflösung innerhalb jeder ßerei.chszone unter Anwendung unterschiedlicher Anzahlen benachbarter Wandlerelemente in der Gruppe errechnet wird.In diesem Fall wird dann die

~sz-

Gruppe eingesetzt, mit der die beste seitliche Auflösung bei der Zonentiefe erhalten wird. Bei der erläuterten Einrichtung werden nur solche Gruppen verwendet, die eine ungerade Zahl Wandlerelemente umfassen, so daß die Strahlachse von der Mitte eines Wandlerelements ausgeht. Es ist ersichtlich, daß ein System angewandt werden kann, bei dem eine gerade Anzahl Wandlerelemente eingesetzt wird, so daß die Strahlachse von einer Stelle zwischen benachbarten Wandlerelementen ausgeht. Durch Verwendung von sowohl ungerad- als auch geradzahligen Wandlerelementen in den Gruppen von Wandlerelementen kann die Anzahl erhaltener Zeilen im wesentlichen verdoppelt werden, ohne daß die Anzahl Wandlerelemente in der Wandleranordnung erhöht werden muß.

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß bei der angegebenen Einrichtung verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich sind. Z. B. ist ersichtlich, daß die Anzeige auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre 36 mit einem Abtastumsetzer, der auf eine solche Anzeige anspricht, in Signale umsetzbar ist, die von einem herkömmlichen Fernsehmonitor bzw. einer Fernsehanzeige nutzbar sind. Bei einer weiteren Modifizierung der Erfindung entsprechend Fig. 6 werden die elektrischen Zeilensegment-Signale vom Hüllkurven-Erfasser 34 einem digitalen Abtastumsetzer 60 zugeführt, der sie in ein BAS-Signal umsetzt, das ari einem herkömmlichen Fernsehmonitor 62 angezeigt werden kann. Digitale Abtastumsetzer für solche Zwecke sind allgemein bekannt und weisen häufig einen Grauskalabzw. Treppensignal-Erzeuger auf, der Mehrbit-Digitalsignale erzeugt, die vorübergehend in einem Schreib-Lese-Speicher gespeichert werden. Taktsignale von der Takt- und Steuereinheit 18¹ werden dem digitalen Abtastumsetzer ebenfalls zu dessen Steuerung zugeführt. Vollständige Videozeilen werden aus dem digitalen Abtastumsetzer ausgelesen und am Monitor 62 angezeigt. Da 64 Zeilen

Videoinformation bei Verwendung der Anordnung aus 64 Wandlerelementen erzeugt werden, kann jede Zeile erwünschtenfalls achtmal wiederholt werden, so daß eine 512-Zeilen-Anzeige erzeugt wird. Auch können anstatt einer einfachen Wiederholung die Signale für jede synthetisch erzeugte Abtastzeile durch geeignetes Mischen der Signale von zwei benachbarten tatsächlichen Abtastzeilen interpoliert werden. Derartige. Einzelheiten bezüglich der Signalverarbeitung zur Erzielung einer besseren Anzeige sind bekannt und bilden nicht Teil der Erfindung. Es ist jedoch Z₁₁U beachten, daß eine teilweise Speicherung von Zeilensegmentsignalen für die digitale Abtastumsetzung eine Echtzeit-Abbildung durch das System nicht ausschließt.

Eine weitere Änderung liegt in der Verwendung.anderer Verzögerungsmittel für zugeordnete Sende- und Empfangsoperationen . bei unterschiedlicher Strahlfokussierung. Auch ist ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung von vier Bereichszonen beschränkt ist. Ein System mit acht Bereichszonen wurde bereits gebaut und geprüft. Ferner kann das System erwünschtenfalls Bereichszonen unterschiedlicher Größe verwenden, wobei die Größe jeder Zone von der erwünschten Auflösung über die Gesamttiefe des abzubildenden Ausschnitts abhängt.

Claims

Patentansprüche

1. Impulsgesteuerte Ultraschall-Abbildungseinrichtung für die Abbildung eines Ausschnitts innerhalb eines Objekts,

- mit einer linearen Wandleranordnung und

- mit einem Impulssender zum Aktivieren von Wandlerelementen der Wandleranordnung zum Abstrahlen

von Ultraschallenergie-Impulsen in den Ausschnitt, gekennzeichnet durch

- eine Strahlfokussierungseinheit zum Fokussieren der Wandleranordnung (10) in unterschiedlichen Bereichszonen (1-if) innerhalb des abzubildenden Ausschnitts (12),

- eine Strahlabtasteinheit zum Abtasten des abzubildenden Ausschnitts (12), und

-eine Verarbeitungseinheit (32, 3^) für .bereichsaufgetastete Signale, die auf den Ausgang der Wandleranordnung (10) anspricht und Signale verarbeitet, die aus der Bereichszone empfangen werden, in die der Strahl fokussiert ist, und aus jeder der Bereichszonen (1-4) des abzubildenden Ausschnitts (12) Zeilensegmentsignale erzeugt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß für die Operation in den unterschiedlichen Bereichs-■ zonen (1-4) verschiedenzahlige Gruppen von Wandlerelementen (10-1 bis 10-64) einsetzbar sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Anzahl Wandlerelemente (10-1 bis 10-64) in den Gruppen von Wandlerelementen mit zunehmendem Abstand der Bereichszone von der Wandleranordnung (10) zunimmt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Gruppe Wandlerelemente für die Operation in der der Wandleranordnung (10) nächstliegenden Bereichszone ein Wandlerelement aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Strahlfokussierungseinheit eine Mehrzahl Signalverzögerungselemente (24-1 bis 24-7) mit unterschiedlichen Verzögerungsdauern umfaßt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß mindestens einige der Signalverzögerungselemente (24-1 bis 24-7) für die Fokussierung in unterschiedlichen Bereichszonen (1-4) einsetzbar sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Signalverzögerungselemente unveränderliche .Verzögerungselemente (24-1 bis 24-7) sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- eine Sichtanzeigeeinheit (36), die auf Zeilensegmentsignaleder Signalverarbeitungseinheit anspricht und aus den verschiedenen Bereichszonen (1-4) erhaltene Zeilensegmente anzeigt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Sichtanzeigeeinheit eine Kathodenstrahlröhre (36) ist und die dort als Zeilensegmente angezeigten Zeilensegmentsignale von der Signalverarbeitungseinheit (32, 34) erzeugt werden.

10. Einrichtung nach Anspruch 8,
gekennzeichnet durch

- einen Abtastumsetzer.(60) zur vorübergehenden Speicherung von Zeilensegmentsignalen und Übertragung vollständiger Videozeilen an die Sichtanzeige (62).

11. Impulsgesteuertes Ultraschall-Abbildungsverfahren für die Echtzeitabbildung eines Ausschnitts des Inneren eines Objekts aufgrund von Reflexionen von wiederkehrenden Ultraschallenergie-Sendeimpulsen an Diskontinuitäten innerhalb des abzubildenden Ausschnitts, gekennzeichnet durch.

- Empfangen reflektierter Impulse und Umsetzen derselben in entsprechende elektrische Signale mittels einer linearen Wandleranordnung, die eine Mehrzahl benachbarter Wandlerelemente umfaßt,

- Bereichsauftasten elektrischer Signale von der Wandleran· Ordnung zur Erzeugung von Signalen entsprechend einem Zeilensegment aus jeder von mehreren Bereichszonen innerhalb des abzubildenden Ausschnitts,

- Fokussieren der Wandler anordnung auf die Bereichszone, in der die elektrischen Signale bereichsau.fgetastet sind, und

- Abtasten des Ausschnitts durch Abtasten jeder der Bereichszonen zwecks Erzeugung einer Mehrzahl Zeilensegmentsignale aus jeder Bereichszone zum Abbilden des Ausschnitts.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch

- Zuführen der Zeilensegmentsignale an eine Kathodenstrahlröhre zur Strahlstärkemodulation derselben zur Sichtanzeige der Zeilensegmente.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Zeilensegmentsignale vor ihrer Anzeige

auf der Kathodenstrahlröhre vorübergehend in einem Abtastumsetzer gespeichert werden.

I^. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Kathodenstrahlröhre von dem Abtastumsetzer vollständige Zeilensignale, die Zeilensegmentsignale aus jeder Bereichszone umfassen, zur Anzeige der Abbildung zugeführt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Abtastung eine B-Streifenabtastung ist.

16. Verfahren nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, ·

- daß während des Abtastens des Ausschnitts aufeinanderfolgende Zeilensegmentsignale aus unterschiedlichen Bereichszonen erhalten werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,

- daß die aufeinanderfolgenden Zeilensegmentsignale aus verschiedenen Bereichszonen eine vollständige Abtastzeile umfassen, so daß aufeinanderfolgend Signale erzeugt werden, die' vollständige Abtastzeilen bezeichnen.

18. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

- daß während der.Abtastung des Ausschnitts vollständige Bereichszonen nacheinander abgetastet werden.

19. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Abtastung des Ausschnitts nicht-sequentiell durchgeführt wird.