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Ultraschall-Transmissions-Computer-Tomograph mit
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Berücksichtigung gebrochener Schallwege Die Erfindung betrifft einen
Ultraschall-Transmissions-Computer-Tomographen (UTCT) mit einem Ultraschall-Sender
und einem Ultraschall-Empfänger, die um ein Untersuchungsobjekt gemeinsam rotierbar
sind, und mit einer Auswerteschaltung, die aus den empfangenen, durch das Untersuchungsobjekt
transmittierten Ultraschallwellen ein Bildsignal bildet.
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Ein solcher Tomograph ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift
32 24 464 bekannt.
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Ultraschall-Transmissions-Computer-Tomographen werden in der medizinischen
Technik eingesetzt, um z. B. die weibliche Brust auf Zysten, Geschwüre u. dgl. zu
untersuchen.
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Dabei liegt einem Sektorscanner ein gekrümmtes, aus einer Vielzahl
von Ultraschall-Elementarwandlern bestehendes, Array gegenüber, in welchem die Ultraschallwellen
nach Durchlauf des Untersuchungsobjektes empfangen werden. Je nach Sendestellung
des Sektorscanners wird auf dem gekrummten Array ein dieser Sendestellung zugeordnetes
Ultraschallelement oder eine Gruppe dieser Ultraschallelemente auf Empfang geschaltet.
Die Anordnung aus Sektorscanner und gekrümmtem Empfangsarray ist als Ganzes um das
Untersuchungsobjekt rotierbar.
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Es wird im Stande der Technik entweder die zwischen Senden und Empfang
verstrichene Laufzeit der transmittierten Ultraschallwelle gemessen oder aber die
Dämpfung dieser Welle auf dem Durchschallungsweg. Im ersten Fall wird von einem
geradlinigen Weg ausgegangen,
wobei die Laufzeit ein Maß für die
Schallgeschwindigkeit der auf dem Durchschallungsweg liegenden Medien ist. Geschwüre,
Zysten etc. haben eine andere spezifische Schallgeschwindigkeit als gesundes Gewebe.
Durch die Rotation der Anordnung wird erreicht, daß Meßdaten für die gesamte durchschallte
Fläche oder sogar das gesamte Untersuchungsvolumen vorliegen. Ein an den Empfänger
angeschlossener Computer berechnet aus diesen Meßdaten die Lage von Medien verschiedener
akustischer Eigenschaften.
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Bei einer solchen Anordnung wird davon ausgegangen, daß der gesendete
Ultraschallimpuls geradlinig durch das Untersuchungsobjekt zum gegenüberliegenden
Empfangselement gelangt. Das Empfangselement hat aber lediglich eine geringe Ausdehnung
von z. B. 1 cm 2 und kann Ultraschallimpulse, die außerhalb dieses Bereiches liegen,
nicht mehr registrieren. Es empfängt lediglich noch Streuwellen, die bildverfälschende
Wirkung haben. Ein weiterer Nachteil ergibt sich, wenn der Ultraschallimpuls im
Untersuchungsobjekt mehrfach gebrochen wird. Dann trifft die Schallwelle zwar auf
den Empfänger auf, allerdings schief.
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Auch durch diesen Effekt wird der gemessene Empfangswert verfälscht.
Dieser Effekt ist immer stärker, je größer der Empfangswinkel ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschall-Transmissions-Computer-Tomographen
der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß bei der Herstellung des Bildsignals
in der Auswerteschaltung der gebrochene Schallweg berücksichtigt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ultraschall-Empfänger
ein Flächen-Array ist, daß dem Flächen-Array eine Schaltungsanordnung zugeordnet
ist,
die zur Ermittelung des Schwerpunkts der Amplituden oder des
Amplitudenmaximums der auf dem Flächen-Array auftreffenden transmittierten Ultraschallwellen
dient, und daß der Auswerteschaltung diese Lage zur Korrektur des Bildsignals zugeführt
ist.
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Durch die flächenhafte Ausgestaltung des Empfangsarrays wird ein großer
Bereich abgedeckt, in welchem mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auch mehrfach
gebrochene Schallwellen empfangen werden. Nach Ermittlung der Lage des Schwerpunkts
oder des Amplitudenmaximums der empfangenen Ultraschallwelle liegen zwei Punkte
des u. U.
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gekrümmten Kurvenverlaufs (Durchschallungswegs) zwischen Sendepunkt
und Empfangspunkt fest. Zusammen mit dem Abstrahlwinkel der Schallwelle, der in
der Regel 90° beträgt, kann ein Polynom zweiter Ordnung, also eine Parabel, bestimmt
werden. Gibt man diesen parabelförmigen Kurvenverlauf anstelle des geradlinigen
Verlaufs in die Auswerte- oder Rechenschaltung des UTCT ein, so erhält man eine
realitätsgetreuere Darstellung des durchschallten Objekts als bei der Fiktion des
geraden Durchschallungsweges.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich
dadurch aus, daß dem Ultraschall-Empfänger eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln
des Auftreffwinkels der auf das Flächen-Array auftreffenden transmittierten Ultraschallwellen
nachgeschaltet ist, und daß der von dieser Schaltungsanordnung ermittelte Auftreffwinkel
der Auswerteschaltung zur weiteren Korrektur des Bildsignals zugeführt ist.
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Durch die Ermittelung des Auftreffwinkels liegt eine weitere Information
über den Kurvenverlauf vor, so daß
dieser Verlauf durch eine Funktion
dritter Ordnung, also z. B. einer gekrümmten Kurve mit Wendepunkt angenähert werden
kann. Die Verarbeitung einer solchen Kurveninformation in der Auswerteschaltung
des UTCT bringt eine weitere Verbesserung zur realitätsnahen Darstellung des durchschallten
Objektes.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den folgenden Figuren in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigen: Fig. 1 einen
geraden Durchschallungsweg zwischen Sender und Empfänger nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 bis 6 eine Serie von fünf Durchschallungswegen, die aufgrund der Kenntnis
des gemessenen Schwerpunktes und des gemessenen Auftreffwinkels ermittelt werden,
Fig. 7 eine prinzipielle Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Schwerpunktes und
des Auftreffwinkels, Fig. 8 den Verlauf des Empfangssignals, wie er in der Verzögerungsleitung
gemäß Figur 3 vorliegt, und Fig. 9 eine prinzipielle Schaltung für die Variation
der aktiven Empfangsfläche eines Sektorscanners.
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In Figur 1 ist mit S der Sendewandler eines Ultraschallsenders gekennzeichnet,
der senkrecht zu seiner Abstrahlfläche einen Ultraschallimpuls oder eine Ultraschallwelle
1
abstrahlt. Es wird im Stand der Technik angenommen, daß die Ultraschallwelle 1 einen
geradlinigen-Verlauf hat, der sie zu einem Empfänger E führt. Es wird die Zeit ermittelt,
die der Ultraschallimpuls 1 benötigt, um vom Ultraschallsender S zum gegenüber liegenden
Ultraschallempfänger E zu gelangen. Diese Laufzeit ist ein Maß für die mittlere
Schallgeschwindigkeit aller Objekte, die die Ultraschallwelle auf ihrem Durchschallungsweg
angetroffen hat. Diese Schallgeschwindigkeit ändert sich je nach Medium, sie ist
also z. B. für ein Krebsgeschwür oder eine Zyste oder einen Einschluß anders als
für normales, gesundes Gewebe. An den Grenzflächen zwischen zwei Medien unterschiedlicher
Schallgeschwindigkeit kommt es zu einer Brechung der Ultraschallwelle 1. Die Charakteristik
der Brechung hängt im wesentlichen von dem Unterschied der Schallgeschwindigkeiten
und von der Lage der Grenzschicht selbst ab. Im Stande der Technik wurde eine solche
Brechung bisher bei der Auswertung nicht berücksichtigt.
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In den Figuren 2 bis 7 ist eine Serie von fünf unterschiedlichen Durchschallungswegen
dargestellt, bei der der Ultraschallimpuls 1 an einer oder an mehreren Grenzschichten
3 gebrochen wurde. Nach der Brechung setzt die Ultraschallwelle 1 ihren Durchschallungsweg
in einer anderen Richtung fort als vor der Brechung. Auf diese Weise ist es recht
wahrscheinlich, daß die Ultraschallwelle 1 nicht mehr an dem genau gegenüberliegenden
Ultraschallempfänger oder Empfangspunkt E einläuft. Sie wird eine Seitenverschiebung
oder einen gewissen Versatz x aufweisen. Je nach Art und Häufigkeit der Brechung
auf dem Durchschallungsweg ist der Versatz x unterschiedlich groß. In der Regel
wird sich der tatsächliche Empfangspunkt M vom geradlinig gegenüberliegenden Empfangspunkt
E
unterscheiden (vgl. Fig. 2, 3, 4 und 6). Unter Umständen ist
es möglich, daß die Ultraschallwelle zwar mehrfach gebrochen wird, aber dennoch
am gegenüberliegenden Empfangspunkt E einläuft, was in Figur 5 dargestellt ist.
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Ein Unterschied zu dem geraden Durchschallungsweg läßt sich dann nur
dadurch ermitteln, daß gleichzeitig mit dem Auftreffpunkt auch noch der Auftreffwinkel
/ bestimmt wird. Dieser ist in Figur 5 / + 900.
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In den Figuren 2 bis 6 ist angenommen, daß die Grenzschichten 3 jeweils
fest vorgegeben sind. Die durchgezogene Linie würde dann die physikalisch korrekte,
d.h.
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tatsächlich durchlaufene abgeknickte Laufstrecke der Ultraschallwelle
1 darstellen.
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Da die Grenzschichten 3 immer im Untersuchungsobjekt selbst liegen
und ihre Lage von außen nicht vor der Messung festgestellt werden kann, sondern
aufgrund der Messung im Auswertegerät des Ultraschall-Transmissions-Computer-Tomographen
ermittelt werden soll, können nur Daten zu ihrer Bestimmung herangezogen werden,
die sich außerhalb des Untersuchungsobjekts messen lassen.
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Eine solche Größe ist der Versatz x der emittierten Ultraschallwelle
zum geradlinig gegenüberliegenden Empfangspunkt E. Mit Hilfe dieses Meßwertes x
läßt sich eine Laufweg-Approximation durchführen, die in den Figuren 2 bis 6 jeweils
gestrichelt dargestellt ist. Dabei wird davon ausgegangen, daß der Abstrahlwinkel
Z der Ultraschallwelle 1 t = 90° beträgt.
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Mißt man zusätzlich den Auftreffwinkel mit der die Ultraschallwelle
1 auf dem tatsächlichen Empfangspunkt M eintrifft, so läßt sich eine genauere Approximation
durchführen, die in den Figuren 2 bis 6 durch den gepunkteten
Kurvenverlauf
charakterisiert ist. Die gestrichelten Kurven entsprechen dabei einem Polynom 2.
Ordnung, und die gepunkteten Kurven entsprechen einem Polynom 3. Ordnung.
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Die Figur 7 zeigt schematisch eine Schaltung, die zur Ermittlung des
Schwerpunktes M des tatsächlichen Auftreffpunktes und des Auftreffwinkels # geeignet
ist.
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Es wird ein flächenhaftes, quadratisches Ultraschallempfangsarray
5 verwendet, das aus p = 15 Zeilen 7 und n = 15 Spalten 9 mit insgesamt 225 aktiven
Elementarwandlern 13 besteht. Die Größe der Elementarwandler 13 beträgt z. Bo jeweils
1 mm x 1 mm wobei dann das Flächenarray 5 etwa die Abmessungen 15 mm x 15 mm hat.
Das Flächenarray 5 wird, wie später noch bei Figur 9 erläutert, so geschaltet, daß
einer der mittleren Elementarwandler 13, der an der Kreuzung der 7. oder 8.
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Spalte 9 mit der 7. oder 8. Zeile 7 liegt, dem Ultraschallsender S
genau gegenüberliegt. Es ist somit zu erwarten, daß die Ultraschallwelle 1 auch
bei stärkeren Brechungen auf ihrer Durchlaufstrecke durch das Untersuchungsobjekt
innerhalb des Flächenarrays 5 auftrifft.
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Die Ultraschallwelle 1 trifft auf mehreren Elementarwandlern 13 des
Flächenarrays 5 nahezu zeitgleich auf.
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Die Anzahl der betroffenen Elementarwandler 13 wird im wesentlichen
durch die Streuung und Brechung der Ultraschallwelle 1 auf ihrem Durchschallungsweg
bestimmt.
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Jeder Elementarwandler 13 ist an den Eingang eines Verstärkers 15
angeschlossen. Die Ausgänge aller Verstärker 15 einer Zeile 7 werden einer Verzögerungsleitung
17 zugeführt. In Figur 7 ist aus Gründen der Übersicht lediglich die Verzögerungsleitung
17 für die erste Zeile 7 gezeigt. Die Verzögerungsleitung 17 ist in n Teilverzögerungsleitungen
19 eingeteilt, wobei n der Anzahl der
Spalten 9 entspricht. Die
Zuordnung der Ausgänge der einzelnen Verstärker 15 einer jeden Zeile 7 ist so vorgenommen,
daß jeder Ausgang - in serieller Reihenfolge -an den Eingang einer Teilverzögerungsleitung
19 gelegt ist. Die minimale Verzögerungszeit der Teilverzögerungsleitungen 19 ist
so bemessen, daß sie mindestens der Impulslänge der Ultraschallwelle 1 plus der
maximal zu erwartenden Differenz zwischen längstmöglicher Durchlaufzeit oder Flugzeit
der Ultraschallwelle 1 durch das Untersuchungsobjekt abzüglich der minimal möglichen
Flugzeit entspricht. Diese minimale Flugzeit ergibt sich, wenn die Ultraschallwelle
1 durch ein Wasserbad läuft.
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Die Verzögerungsleitung 17 hat dann insgesamt eine Verzögerungszeit
von z. B. 15 x 7,5 ps, also ca. 110 ps.
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In der Verzögerungsleitung 17 befindet sich nach Empfang der Ultraschallwelle
1 eine Signalfolge 21, die später anhand der Figur 8 erläutert wird. Vorab sei bemerkt,
daß die Signalfolge 21 sowohl die Information über den zeitlichen Einlauf als auch
über die Amplitude der Ultraschallwelle 1 enthält. Die Signalfolge 21, die parallel
in die Verzögerungsleitung 17 eingeschrieben wird, wird an dem Ausgang 23 der Verzögerungsleitung
17 seriell ausgelesen. Der Ausgang 23 führt in den Eingang eines AGC-Verstärkers
25. Entsprechend sind den anderen Zeilen 7 weitere AGC-Verstärker 26 zugeordnet.
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Da jeder Zeile 7 eine Verzögerungsleitung 17 und dieser jeweils ein
AGC-Verstärker 25 zugeordnet ist, umfaßt die Anordnung insgesamt entsprechend der
Zeilenanzahl p Verzögerungsleitungen 17 und p AGC-Verstärker 25. Die Verstärkung
aller AGC-Verstärker wird von einer gemeinsamen Ansteuereinheit 27 bestimmt. In
allen Verzögerungslei tungen 17, d.h. vorliegend in allen 225 teilverzögerungs-
leitungen
19, sind zeitgleich Informationen über einen einzigen Ultraschallimpuls oder eine
Ultraschallwelle 1 eingelaufen, die bei ihrer nun folgenden seriellen Verarbeitung
identisch verstärkt werden. Dazu werden die AGC-Verstärker 25 über die Ansteuereinheit
27 so beaufschlagt, daß sich jeweils eine identische Verstärkung der Signalfolge
21, die am Eingang der AGC-Verstärker 25 anliegt, ergibt. Der Wert dieser Verstärkung
wird beispielsweise aus dem Integral der zeitlich vorhergehenden Signalfolge 21,
die vom zuvor abgegebenen Ultraschall-Impuls herrührt, gebildet. Die Ansteuereinheit
27 enthält dazu eine Sample-and-Hold-Schaltung, die für die Dauer der Signalfolge
21, also für ca. 110 us, ein Ausgangssignal abgibt, so daß die AGC-Verstärker 25
während dieser Zeit mit einem konstanten Wert verstärken, und anschließend keine
Verstärkung mehr bewirken. Die Rückführungsleitung ist gestrichelt eingezeichnet
und mit 26 bezeichnet. Alternativ hierzu kann die Ansteuereinheit 27 auch so aufgebaut
sein, daß die Verstärkung über einen Tiefpaß in der Rückführung eingestellt wird,
wobei die Zeitkonstante des Tiefpasses so gewählt sein muß, daß sie größer als die
Verzögerungszeit der Verzögerungsleitung 17 und kleiner als die Sendefolge der Ultraschallwellen
1 sein muß. Die Ausgänge aller AGC-Verstärker 25 sind jeweils an einen von einer
entsprechenden Anzahl von Eingängen eines Maximumsuchgerätes 29 gelegt. Für Dämpfung
messungen wird die Steuerspannung von der Ansteuereinheit 27 als Maß für die Verstärkung
miterfaßt und in der Auswerteschaltung gespeichert.
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Das Maximumsuchgerät 29 weist einen Ausgang 31 auf, an welchem der
Inhalt derjenigen Teilverzögerungsleitung 19 ansteht, welche den maximalen Empfangpegel
oder die maximale Amplitude A oder den Wert am Ort des Schwerpunkts aufweist. Der
Inhalt besteht wie aus Figur 8
später hervorgeht, aus Zeitspanne
ß t und Amplitude A.
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Alternativ hierzu ist es möglich, dem Maximumsuchgerät 29 eine Zahl
Z, z. B. Z = 5 vorzugeben, entsprechend welcher er die Z = 5 höchsten Maxima (Amplitudenwerte
A) sucht und an seinem Ausgang 31 z. B. seriell darstellt. Aus diesen Z = 5 ersten
Maximalwerten läßt sich dann der Schwerpunkt M bestimmen. Es gibt auch noch andere
Verfahren, die beispielsweise aus der Technik der Szintillationskameras bekannt
sind.
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Vergleicht man die Flugzeiten oder Durchschallungszeiten aus den Daten
derjenigen Teilverzögerungsleitungen 19, die örtlich denjenigen Elementarwandlern
benachbart sind, welche in der Nähe des ermittelten Schwerpunkts oder Maximalwertes
liegen, so kann man jeweils aus der Differenz der Flugzeiten den Auftreffwinkel
ß bestimmen. Je flacher die Ultraschallwelle 1 auf das Flächenarray 5 auftrifft,
d.h. je größer der Winkel X ist desto größer ist der gemessene Zeitversatz bei benachbarten
Elementarwandlern 13. Vom Ausgang 31 führt eine Leitung weiter zur Auswerteschaltung
(nicht gezeigt) des UTCT-Gerätes. Hier wird mit Hilfe der Schwerpunktslage M und
des Auftreffwinkels ( der Durchschallungsweg approximiert und sodann eine Rückprojektion
entsprechend dem gekrümmten Schallaufweg in ansonsten bekannter Weise in Bildsignale
umgesetzt.
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Figur 8 zeigt die Darstellung einer Signalfolge 21, die entlang einer
einzigen Array-Zeile 7 anfällt. Die Signalfolge 21 setzt sich entsprechend der Anzahl
n = 15 der Spalten 9 aus 15 Einzelsignalen 21a zusammen. Jedes dieser Einzelsignale
21a enthält als Information eine auf den Sendezeitpunkt der Ultraschallwelle 1 normierte
Zeitspanne b tl, ist2, bt3 ... P tl5 und eine maximale Amplitude A1, A2, A3, ...
A15, welche ein Maß für die Stärke des
auf dem zugeordneten Elementarwandler
13 aufgetroffenen Ultraschallimpulses 1 ist. Im Ausführungsbeispiel fallen p = 15
dieser Signalfolgen 21 an. Multipliziert mit der Spaltenanzahl n = 15 ergibt dies
225 Einzelsignalfolgen 2la. Aus den 225 Amplituden A sucht das Maximumsuchgerät
29 die höchste oder die z höchsten Amplituden A heraus.
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Diese werden dann zusammen mit den zugehörigen Zeitspannen ß t am
Ausgang 31 dargestellt.
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Figur 9 zeigt ein langgestrecktes flächenhaftes Array 33, welches
aus p = 15 Zeilen 7 und einer Vielzahl 7 von Spalten 9 besteht. Um beim Beispiel
der Figur 3 zu bleiben, sollte die Anzahl X der Spalten 9 durch p = 15 teilbar sein,
also z. B. Es #= 90 betragen.
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Die Ausgänge der Elementarwandler 13 sind jeweils über einen Schalter
35 mit einer ihnen zugeordneten Teilverzögerungsleitung 19 verbunden. Die insgesamt
vorhandenen p x i Schalter werden von einem Schieberegister 37 angesteuert. Die
Ansteuerung erfolgt derart, daß in einem jeden Abtastzeitpunkt n = 15 benachbarte
Spalten an die Verzögerungsleitung 17 angeschlossen sind, so daß wieder das flächenhafte
Array 5 von Fig. 7 mit 15 aktiven Zeilen und 15 aktiven Spalten entsteht. Die Verarbeitung
der anfallenden Signale wurde bereits bei Figur 7 geschildert.
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Ist der Ultraschallsender S ein Sektorscanner, so wird er vor jedem
neuen Sendeimpuls seine Winkeleinstellung geringfügig ändern. Beim Ultraschallempfänger
33 wird dem dadurch Rechnung getragen, daß durch Verschiebung der Ansteuerung der
Schalter 35 um z. B. eine Spalte 9 ein neues Flächenarray 5 aktiviert wird, welches
gegenüber dem vorhergehenden Flächenarray 5 um eine Spalte 9 verschoben ist. Dies
wird mit jedem Abtasttakt fortgeführt.
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Mit anderen Worten, das aktive Feld von p x n Elementarwandlern 13
wird über das Flächen-Array 33 hinwegge-
schoben. Es sind also
zu jedem Abtastzeitpunkt n = 15 Spalten an die Verzögerungsleitung 17 angeschlossen,
wobei sich die Aktivierung der n = 15 Spalten jeweils nach jedem Abtasttakt verschiebt.
Sind z. B. beim ersten Ultraschallimpuls 1 die Spalten 1 bis 15 wirksam, so sind
es beim folgenden Ultraschallimpuls 1 die Spalten 2 bis 16, dann die Spalten 3 bis
17, dann die Spalten 4 bis 18, usw. Auf diese Weise wird erreicht, daß der dem Sender
S geradlinig gegenüberliegende Auftreffpunkt der Ultraschallwelle 1 bei jeder Sendestellung
immer in der Mitte des Flächenarrays 5 liegt, also zwischen der 7. und 8.
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Spalte bzw. der 7. und 8. Zeile. Dadurch können Streuungen und Brechungen,
die zu Schwerpunktsverschiebungen führen gut erfaßt und bei der Bilddarstellung
berücksichtigt werden.
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18 Patentansprüche 9 Figuren
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