DE2447247A1

DE2447247A1 - Akustische abbildungsvorrichtung mit einem schall-bild-wandler

Info

Publication number: DE2447247A1
Application number: DE19742447247
Authority: DE
Inventors: Charles William Eichelberger; Philip Melvin Garatt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-10-03
Filing date: 1974-10-03
Publication date: 1975-04-10
Also published as: US3895525A; JPS5078379A; FR2246881B1; FR2246881A1; GB1437295A; IT1022567B; JPS5818624B2

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, New York, V.St.A.

Akustische Abbildungsvorrichtung mit einem Schall-Bild-Wandler

Die Erfindung bezieht sich auf eine akustische Abbildungsvorrichtung mit einem Schall-Bild-Wandler. Sie befaßt sich insbesondere mit einer akustischen Abbildungsvorrichtung zur Sichtbarmachung innerer und äußerer Merkmale eines eine Tiefe aufweisenden Objekts, wobei sich insbesondere die Abbildungen mehrerer planarer Bereiche des Objekts in verschiedenen Tiefen überdeckend darstellen lassen sollen. Typische Anwendungen sind die ständige Sichtbarmachung der biologischen inneren Organe, beispielsweise des schlagenden Herzens, und die Ultraschallüberprüfung von Teilen und anderen Objekten auf Flinsen oder Risse.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung und eine Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Beobachtung eines einzigen ebenen Objektbereichs, die in der US-Patentschrift 3 780 572, die im folgenden auch durch den Namen des Erfinders, Rocha, gekennzeichnet wird, beschrieben ist. Die Rocha-Vorrichtung verwendet einen Sender, mit dem periodische Schallimpulse auf das Objekt gerichtet werden und einen planaren Schall-Bild-Wandler, bei dem Abtaster in Reihen und Spalten angeordnet sind, um die fokussierten Ultraschallecho-

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impulse in elektrische Signale umzuwandeln. Die Ausgangssignale der Abtaster werden verstärkt und während eines ausgewählten Zeitabschnitts nach der Erzeugung der Schallimpulse entsprechend der Tiefe des betreffenden ebenen Bereichs in dem Objekt angesteisert, so daß sie auf einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden oder auf einem anderen Sichtgerät dargestellt werden können. Für jeden auftreffenden Schallenergieimpuls ergibt sich im wesentlichen nur ein zweidimensionales Bild. Es läßt sich zwar die Tiefe des betrachteten ebenen Bereichs verändern und das Objekt kann von der Vorderseite zur Rückseite durch eine Abtastgeschwindigkeitssteuerung abgetastet werden, so daß eine "zusammengesetzte Ansicht¹¹ oder eine "pseudo-dreidimensionale Ansicht¹· des Zwischenaufbaus entsteht, jedoch ergibt sich damit nicht eine wahre Darstellung der Tiefe.

Nach der US-Patentschrift 3 778 756, die im folgenden durch die Namen der Erfinder, Houston und Kingsley bezeichnet wird, ist eine andere Entwicklung auf dem Gebiet der Umsetzung von Ultraschallechosignalen in sichtbare Darstellungen bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird eine einzige Reine akustischer Detektoren verwendet, die einen ebenen Bereich beobachten, der in Tiefenrichtung durch das Objekt hindurchgeht . Das heißt wenn sich beide Anordnungen der Detektoren direkt vor dem Objekt, das überprüft werden soll, befindet, dann ist die Abbildungsvorrichtung von Rocha eine ebene Scheibe, die parallel zu der Vorderseite des Körpers verläuft, während die Abbildungsvorrichtung von Houston und Kingsley eine ebene Scheibe ist, die senkrecht auf der Vorderfläche de· Körpers steht. Die auf diese Weise erhaltenen Signale können auf einer Kathodenstrahlröhre derart dargestellt werden, daß 4ie Tiefe ständig sichtbar gemacht wird. Die beschriebene Vorrichtung verwendet einen einzigen Sender, während in der US-Patentschrift 3 778 757, die im folgenden durch den Namen des Erfinders, Houston, bezeichnet ist, mehrere Sender verwendet werden, die unter verschiedenen Winkeln um das Objekt herum angeordnet sind.

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Gemäß de&slS^jyjn-dung ist ein verbesserter Schall-Bild-Wandler mit ' eine®£'i#^epen_Bj^nordnung von Abtastern vorgesehen, der für jeden einzelnen|isÄ.bt]a§jbier für die auftreffende Schallenergie einen Signal

aufweist, der einen Abtastverstärker und , und ferner ein individuelles mehrstufiges SchJ^b^r,egJ.ster|.,für. die nacheinander folgende Speicherung von Binärdatenr, die,, das Vorhandensein und das Nichtvorhandensein von en;! S^ehpillechos in einer Folge voneinander getrennter llen. Die einzelnen Schieberegister sind für alle oder #jlnj&5;apsgewählte Gruppe von Signalverarbeitungssystemen in Reiii^^pliaiLtbfar, so daß die gespeicherten Binärdaten ausgelesen?Μ&τφβΖίξ,.können. Während eines Eingangs- oder Einlesezyklus wird eine Folge von Steuerimpulsen in einer Reihe voneinander getrennter Zeitintervalle parallel zu jedem Abtastverstärker und -*d?e$e&torA zugeführt, so daß ein Eingangssignal entsteht und diese Reihe der Steuerimpulse wird auch den Stufen der einzelnen Schieife^register ^zugeführt, so daß die binären Daten hindurchge- schoj3^n?!Mj5r^enj..(Es können Schaltungsanordnungen mit getrennten Leitern tim^S^e., Ansteuer- und Ausleseimpulse vorgesehen sein, oderf^s^ikiannrHeine Schaltungsanordnung mit einem gemeinsamen Leiter vorgesehen-sein, wenn in jedem Signalverarbeitungskanal ein^^^al^eri^vorge.s.ehen wird. In jedem Fall ist die Zahl der Eingig^gs-./U^d:Ausgangsleitungen klein, wie es für die Herstellung von Integrierten; Schaltungen und die Anwendung einer piezoelektrisG,heii_K.El%^te als Abtaster für die Anordnung erforderlich ist.

Bei einemf^grartigen Schall-Bild-Wandler ist eine ebene Anordnung vonai_t|ezpglektr,i§chen Abtastern vorgesehen, von denen jeder einen zugehfjp|gen jAb^astverstärker und ein mehrstufiges Register für die derjReihepmach^erfolgende Feststellung und Aufnahme von binären Daten,aufweist, die das Vorhandensein und das Nichtvorhandensein

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von Schallechos zu bestimmten Zwischenzeiten darstellen. Die verschiedenen Echos werden durch Reflexion eines einzigen auftreffenden Schallimpulses an Ungleichmäßigkeiten von ausgewählten parallelen ebenen Bereichen innerhalb des Objekts in verschiedenen Tiefen gebildet. Die einzelnen Schieberegister sind zu einem einzigen langen Schieberegister zum Auslesen in Reihe miteinander geschaltet. Die verschiedenen Bilder, die sich aus jedem periodischen Schallimpuls ergeben, können gleichzeitig bei normalem Zeitablauf dargestellt werden, beispielsweise als eine Stereodarstellung, um eine Tiefenwirkung zu erreichen.

Bei der akustischen Abbildungsvorrichtung, die zum Betrachten der Tiefe eines Objektes mit inneren akustischen Ungleichmäßigkeiten dient, sind geeignete Vorrichtungen vorgesehen, um eine Folge von Schallimpulsen zu erzeugen, die insbesondere eine Periodendauer von etwa 10 Millisekunden aufweisen und die auf das Objekt, das untersucht werden soll, gerichtet werden. Es werden verschiedene Echos durch die Reflexion eines einzigen auffallenden Schallimpulses an Ungleichmäßigkeiten in ausgewählten parallelen ebenen Bereichen innerhalb des Objektes in verschiedenen Tiefen gebildet. Nachdem die aufeinanderfolgenden Echosignale fokussiert worden sind, werden sie von einem Schall-Bild- Wandler zu bestimmten Zeitabschnitten abgetastet und in binärer Form in den einzelnen mehrstufigen Schieberegistern, die jedem Abtaster oder jeder Bildfläche zugeordnet sind, gespeichert. Vor Abgabe des nächstfolgenden Schallimpulses werden die gespeicherten Binärdaten, die Bilddaten für einen einzigen ebenen Objektbereich in entsprechenden Stufen des Schieberegisters enthalten, ausgelesen. Gewöhnlich ist ein Speicher für die Speicherung der in Reihe auftretenden ausgelesenen Binärdaten vorhanden. Die bevorzugte StereoSichtanordnung anhält zwei Kathodenstrahlröhren, die mit dem linken bzw. mit dem rechten Auge betrachtet werden. Durch eine seitliche Verschiebung der Bilder in bekannter Weise mit Hilfe einer geeigneten Signalverarbeitungseinheit können viele

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Bilder, die sich aus jedem periodischen Schallimpuls ergeben, überdeckt im normalen zeitlichen Ablauf dargestellt werden, damit man eine Tiefenwirkung erhält. Die Bewegung eines sich in Bewegung befindenden Objektes, beispielsweise eines schlagenden Herzens, kann dadurch sichtbar gemacht werden. Ein anderer weiterer Anwendungsbereich ist die Ultraschallprüfung.

Ausführung'sformen der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer akustischen Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung zum Sichtbarmachen des menschlichen Herzens, wobei die Aufbereitung der Ausgangsdaten für eine Stereodarstellung mit Tiefenwirkung in einem Blockschaltbild dargestellt ist,

Fig. 2 eine Seitenansicht des :Schall-Bild-Wandlers zur Umsetzung der Schallechoimpulse in äquivalente binäre elektrische Ausgangssignale und zur Speicherung dieser Signale,

Fig. 3 eine Ansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 2, in der die ebenen Anordnungen der Abtaster dargestellt sind,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer einkanaligen Signalverarbeitungsvorrichtung, die mit einem Abtaster oder einer Bildfläche verbunden ist, so daß aufeinanderfolgende Abtastsignale gespeichert und ausgelesen werden können, sowie der Schaltung zur Erzeugung von Schallimpulsen,

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Fig. 5 ein Blockschaltbild verschiedener Signalverarbeitungskanäle für eine entsprechende Zahl von Abtastern, wobei die Reihenverbindung der einzelnen Schieberegister ziAm Auslesen der Daten dargestellt ist,

Fig. 6a bis 6d Diagramme, die die relative Taktierung bzw. die auftreffenden Schallimpulse, die Abtastsignale, die Steuerimpulse für die Signalverarbeitungskanäle und die Abtastverstärker- und -detektorausgangssignale darstellen,

Fig. 7 eine schematische Darstellung in Blockschaltbildform der Verarbeitungsvorrichtung für die Ausgangsdaten für eine Stereodarstellung auf zwei gleichzeitig zu betrachtenden Kathodenstrahlröhren und

Fig. 8 und 9 zwei Arten der relativen Verschiebung von Bildern, für mehrere Ebenen innerhalb eines Objektes, so daß der Betrachter den Eindruck der Tiefe des Objektes erhält.

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Die akustischei.Abbildungsvorrichtung, die in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, kann sichtbare Bilder erzeugen, so daß es möglich ist, die Tiefe eines dreidimensionalen Objekts, das akustische Ungleichmäßigkeiten aufweist, zu sehen. Anhand eines Anwendungsbeispiels, das den Aufbau und den vollständigen Einsatzbereich der akustischen Abbildungsvorrichtung in Einzelheiten erläutert, wird eine bevorzugte Ausführungsform mit normalem zeitlichem Ablauf und ständiger Sichtbarmachung eines schlagenden menschlichen Herzens dargestellt. Diese Abbildungsvorrichtung verwendet ein Stereo-Sichtgerät, welches zwei Kathodenstrahlröhren aufweist, von denen die eine durch das linke Auge und die andere durch das rechte Auge betrachtet wird. Es wird zwar gewöhnlich ein normaler zeitlicher Ablauf und eine ständige Darstellung ähnlich wie bei einem Fernsehbild oder einem Filmbild als zweckmäßig angesehen, jedoch können die elektrischen Ausgangsdaten, aus denen die Bilder gebildet werden, auch gespeichert werden, so daß sie verzögert dargestellt werden können oder mit Hilfe eines Rechners ausgelesen werden können. Eine andere weite Gruppe von Anwendungen ergibt sich bei der Ultraschalluntersuchung von metallischen Werkstücken und anderen Teilen auf Flinsen oder Risse und obwohl dabei die ruhenden Objekte keine innere Eigenbewegung aufweisen, ist doch die Betrachtung mit Hilfe eines "dreidimensionalen" Bildes vorzuziehen, damit das Bild besser interpretiert werden kann und damit Flinsen oder Risse leichter geordnet und erkannt werden können.

Gemäß Fig. 1 sind sowohl das Objekt als auch die vollständige akustische Abbildungsvorrichtung mit Ausnahme der Schaltung zur Verarbeitung der elektrischen Ausgangsdaten und mit Ausnahme der Sichtgeräte in einen Behälter mit Wasser oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit eingetaucht. Es wurde bereits erwähnt, daß das betrachtete Objekt das menschliche Herz ist und möglicherweise ein oder mehrere andere Teile eines Körpers 11« sind, vas davon abhängt, wie die Vorrichtung eingestellt und betätigt wird

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und was man zu sehen wünscht. Man kann die äußere Form des Herzens 11 sehen, ebenso wie andere akustische Ungleichmäßigkeiten innerhalb des Herzens selbst, wie beispielsweise die Klappen, Kammerwände, usw., was wiederum davon abhängt, was man zu sehen wünscht, ferner von dem Auflösungsvermögen der Vorrichtung usw. Mit dem Ausdruck akustische Ungleichmäßigkeiten oder Diskontinuität wird eine Trennfläche zwischen zwei Medien bezeichnet, die verschiedene akustische Impedanzen haben. Bei Betrieb der Vorrichtung werden Schallenergieimpulse periodisch von einem Sender 12 gebildet und auf die Objekte 11 und 11' gerichtet. Die akustischen Reflektionen von der Vorderseite und der Rückseite des Körpers 11·, der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche des Herzens 11 und anderer akustischer Ungleichmäßigkeiten innerhalb des Herzens selbst und innerhalb des Körpers werden zu verschiedenen Zeiten nach der Abgabe der Schallimpulse gebildet, was von dem Abstand oder der Entfernung von dem Sender abhängt. Die Folge von reflektierten Schallechoimpulsen wird mit Hilfe eines Schallreflektors 13 fokussiert?, der sich am Ende des Wasserbehälters befindet. Der Schallreflektor 13 ist vorzugsweise konkav ausgebildet, so daß Bilder der zeitlich' getrennten Schallreflektions- oder -echosignale in seiner Brennebene der Reihe nach gebildet werden. Ein planarer Schall-Bild-Wandler 14, der aus einer Anordnung von η Schallumformern zusammengesetzt ist, wandelt die räumliche Verteilung der Schalldruckwellen, die auf seiner einen Oberfläche auftreffen,in eine entsprechende Anordnung von elektrischen Signalen um, von denen jedes abgetastet und dann in binärer Form in ein mehrstufiges Schieberegister eingespeichert wird.

Im Unterschied zur der akustischen Abbildungsvorrichtung von Rocha, die in der oben genannten US-Patentschrift 3 178 757 beschrieben ist und auf die hier wegen der weiteren Einzelheiten Bezug genommen wird, werden die elektrischen Ausgangsdaten, die bei jedem auftreffenden Schallimpuls festgestellt und gespeichert werden, dazu verwendet^ mehrere Bilder ebener Bereiche oder ebener Schnitte in verschiedenen Tief &l desgOAdekts zu bilden. Die

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von dem Sender 12 gebildeten Schallimpulse haben üblicherweise eine Periodendauer von 10 ms, damit zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen genügend Zeit vorhanden ist, damit der Schallnachhall innerhalb des Behälters, der das Wasser und verschiedene Bauteile der Vorrichtung enthält, zusammenbrechen kann. Es sind beispielsweise fünf ebene Bereiche P1 bis P5 in verschiedenen Tiefen in dem Körper 11' und dem Herz 11 dargestellt. Durch periodische Ansteuerung oder Betätigung des Verstärker-Detektors, der mit der Anordnung von Abtastern des Schall-Bild-Wandlers 14 verbunden ist, kann man innerhalb von 10 ms, bevor der nächste Schallimpuls abgegeben wird, alle elektrischen Ausgangsdaten erhalten, um die Bilder der fünf ausgewählten ebenen Bereiche P1 bis P5 zu bilden. Diese werden in dem mehrstufigen Schieberegister gespeichert, das dann mindestens fünf Stufen aufweist, und sie werden mit einer schnellen Taktimpulsfrequenz ausgelesen, um die Daten zu liefern, die die fünf zweidimensionalen Bilder bilden. Die in den Daten enthaltene Information wird dann dekodiert,getrennt und so dargestellt, daß die fünf Ebenen, die fünf verschiedenen Objekttiefen entsprechen, gespeichert, abgetastet und innerhalb des gleichen Zeitfeldes ,d.h. innerhalb der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden akustischen Impulsen dargestellt, werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden die Daten in einen Speicher

15 eingegeben, von einer geeigneten Datenverarbeitungsvorrichtung

16 verarbeitet, damit eine seitliche Verschiebung der fünf Bildfelder relativ zueinander, sowie eine wahlweise Verkleinerung erreicht wird, und sie werden einem Stereosichtgerät 17, das zwei Kathodenstrahlröhren aufweist, zugeführt. Es wird im folgenden noch in Einzelheiten erläutert, daß die Daten für die fünf Bilder der Reihe nach jeder Kathodenstrahlröhre in rascher Folge zugeführt werden, so daß die Bilder entweder auf den Schirmen oder durch das Auge integriert werden, so daß sie sich mit plastischer Bildwirkung zu überdecken scheinen. Bei Bildung und Abstrahlung des nächsten Schallimpulses wiederholt sich der gesamte Vorgang und es ergibt sich ein rasches Auslesen von Daten für eine Stereo Sichtdarstellung,. Wenn dieser Vorgang für mehrere Aus-

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dehnungen und Zusammenziehungen des Herzens 11 wiederholt wird, und wenn man davon ausgeht, daß genügend dicht beieinanderliegende Ebenen vorhanden sind, dann kann man das Schlagen des Herzens beobachten.

Die Fig. 2 und 3 zeigen einige Einzelheiten des Aufbaus des Schall-Bild-Wandlers 14. Dieses Bauteil weist eine piezoelektrische Wandlerplatte 20 auf, die die Schalldruckwellen in elektrische Potentialunterschiede umwandelt, die zwischen einander gegenüberliegenden Flächen 21 und 22 gebildet werden. Es ist auch ein Halbleitersubstratteil 23 vorgesehen, das zwei gegenüberliegende Flächen 24 und 25 aufweist, von denen die erste neben der Fläche

22 der Wandlerplatte angeordnet ist, um eine punktweise Verstärkung, Abtastung und binäre Speicherung der elektrischen Signale vorzusehen, die auf der piezoelektrischen Wandlerplatte 20 erscheinen. Diese Wandlerplatte wird aus Bleizirkonattitanat oder einem anderen geeigneten Werkstoff hergestellt und sie hat an ihrer Außenfläche einen metallischen Überzug 26. Die Innenfläche 22 weist mehrere im allgemeinen quadratische metallische Kontakte 27 auf, die in geeigneter Weise daran befestigt sind. Die einzelnen Kontakte 27 sind in mehreren Spalten und Reihen angeordnet. Schallbeanspruchungen, die der äußeren Oberfläche der Platte 20 in räumlichen Verteilungen von reflektierten Schallechos zugeführt werden, bilden Spannungen zwischen den Kontakten 27 und dem leitenden Überzug 26, die sich mit der zugeführten Schallbeanspruchung ändern. D.h. die Spannungsverteilung gibt die Verteilung der Schalldruckwellen auf der Oberfläche der piezoelektrischen Platte 20 wieder. Das Halbleitersubstratteil

23 weist eine Fläche 24 auf, die in geeigneter Weise mit der danebenliegenden Fläche 22 der piezoelektrischen Platte 20 verbunden ist und es enthält in einem Bereich an oder in der gegenüberliegenden Seite mehrere gleichartige Signalverarbeitungskanäle, von denen einer anhand von Fig. 4 beschrieben wird,

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wobei diese Kanäle in gut bekannter integrierter Schaltungstechnik ausgeführt sind. Die Signalverarbeitungskanäle sind schematisch durch die gestrichelten Bereiche 28 dargestellt. Jeder metallische Kontakt 27 ist mit seinem zugehörigen Signalverarbeitungskanal 28 durch einen Leiter 29 verbunden, der durch eine Bohrung in dem plattenförmigen Halbleitersubstratkörper 23 ragt. Es sind geeignete Verbindungen vorgesehen, wie sie beispielsweise in der oben erwähnten US-Patentschrift 3 780 572 beschrieben sind, damit die Schaltungsverbindungen, wie sie in den Fig. 4 und 5 dargestellt sind, entstehen. Bei einer geeigneten Anordnung besteht eine Teilanordnung aus einer 10 χ 10-Matrix aus piezoelektrischen Abtastern oder Sichtfeldern und den zugehörigen einzelnen Signalverarbeitungskanälen und eine vollständige Anordnung enthält eine 10 χ 10-Matrix aus Teilanordnungen, so daß eine Gesamtzahl von 10 000 Abtastern oder Abbildungsflächen und die zugehörige Verschaltung vorhanden sind.

Die elektrische Schaltung, die eine Folge voneinander getrennter elektrischer Erregungssignale für den Sender 12 bildet, ist in Fig. 4 zusammen mit einem der Signalverarbeitungskanäle 28 zur Verarbeitung, Speicherung und zum Auslesen der Daten für einen einzigen piezoelektrischen Abtaster oder eine Abbildungsfläche dargestellt. Ein Impuls- oder Hochfrequenzoszillator 30 erzeugt kurze elektrische Impulse in einem Frequenzbereich von normalerweise von 500 kHz bis 20 MHz. Der Impulsgenerator 30 bildet, wenn ihm Betätigungsimpulse eines Synchronisierungsgenerators 31 zugeführt werden, kurze Impulse elektrischer Energie, die dem Sender 12 zugeführt werden, der wiederum die elektrische Energie in Schalldruckwellen umsetzt, die sich durch die Flüssigkeit fortpflanzen und auf dem Objekt auftreffen. Der Sender 12 weist eine piezoelektrische Platte auf, die aus einem Werkstoff wie Bleizirkonattitanat besteht, deren eine Oberfläche einen leitenden Überzug aufweist, der mit Masse verbunden ist, während die andere Oberfläche einen Kontakt aufweist, dem die elektrische Energie des Impulsgenerators 30 zugeführt wird.

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In dem Schall-Bild-Wandler 14 sind in Form eines Blockschaltbilds die wesentlichen Bauteile eines einzigen Signalverarbeitungskanals 28 dargestellt, die mit einem der Abtaster verbunden sind, der die piezoelektrische Platte 20 aufweist, die auf der einen Oberfläche den geerdeten metallischen Überzug 26 und die auf der anderen Oberfläche den quadratischen metallischen Kontakt 27 aufweist. Die Ausgangssignale des Abtasters werden einem Abtastverstärker und -detektor 35 zugeführt, der nur dann leitend wird oder nur dann ein Ausgangssignal erzeugt, wenn ein Steuer- oder Abtastimpuls seinem Steuereingangsanschluß 35a zugeführt wird. Die Ausgangsdaten, die der abgetasteten Schallenergie während ausgewählter Zeitabschnitte entsprechen, werden über einen zweipoligen Schalter 36, dessen Zweck weiter unten erläutert wird, der ersten Stufe eines mehrstufigen Schieberegisters 37 zugeführt. Die Anzahl der Stufen in dem Schieberegister 37 ist mindestens ebenso groß wie die Anzahl der Ebenen, die in einem einzigen Zeitfeld abgebildet werden sollen, so daß entsprechend bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel mindestens 5 Stufen vorhanden sind. Jede der gleichartigen, in Reihe miteinander verbundenen Stufen, die mit Stufe 1 bis Stufe 5 bezeichnet sind, ist im wesentlichen ein binäres Speicherelement. Es können zwar die verschiedensten Schaltungen und Schaltvorrichtungen dazu verwendet werden, das Schieberegister herzustellen, jedoch ist die Verwendung von bipolaren Transistoren bei einer stromführenden logischen Anordnung vorteilhaft, wenn man hohe Geschwindigkeiten bei geringem Leistungsbedarf erreichen will. Andererseits können auch komplementäre Metalloxid-Silicium (CMOS)-Schaltungen verwendet werden. Bei Betrieb werden die dem Eingang jeder einzelnen Stufe zugeführten Datenngespeichert, bis ein Taktimpuls an dem Taktimpulseingang auftritt, der dazu dient, die gespeicherten Daten von einer Stufe zur nächstfolgenden Stufe zu schieben. Wenn sich der Schalter 36 in der Speicherstellung befindet, dann wird das Vorhandensein oder die Abwesenheit eines Schallechosignals zu einer bestimmten Zeit, wie es durch den Takt der Steuerimpulse, die dem Abtastverstärker und -detektor 35 zugeführt werden,

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bestimmt ist, in die erste Stufe des Schieberegisters eingesteuert, so daß sich eine EINS oder eine NULL bildet. Wenn die zuletztgenannten Steuerimpulse auftreten, dann wird die vorhergehende Information zu den späteren Stufen des Schieberegisters verschoben. Die Steuerimpulse für den Abtastverstärker und -detektor 35 und die Taktimpulse für das Schieberegister 37 werden als ein einziger Puls über die gemeinsame Leitung 38 zugeführt, so daß das Verschieben der Information und das Einlesen in die erste Stufe gleichzeitig erfolgen. Die Leitung 38 ist mit dem Ausgang eines geeigneten Steuerimpulsgenerators 39 verbunden, der ein einstellbares Steuerelement 40 zur Einstellung der Breite der Steuerimpulse aufweist. Die Erzeugung der Steuerimpulse ist mit der Erzeugung der Schallimpulse dadurch synchronisiert, daß entweder eine direkte Verbindung zu dem Synchronisiergenerator 31 vorhanden ist oder daß eine Verbindung über einen Generator 41 mit veränderlicher Verzögerung vorgesehen ist.

Bei dem verbesserten Schall-Bild-Wandler 14 haben die einzelnen mehrstufigen Schieberegister 37, die mit jedem Abtastelement verbunden sind, eine zweifache Funktion, daß sie zum einen eine binäre Speicherung der der Reihe nach empfangenen Echosignaldaten ermöglichen und daß sie zum andern eine Vorrichtung zum Auslesen der gespeicherten Daten in einer geeigneten Reihenfolge ermöglichen. Um die zweite Funktion zu erreichen, weisen die einzelnen mehrstufigen Schieberegister 37 eine Verbindung zwischen der letzten Stufe des ersten Schieberegisters und der ersten Stufe des nächsten Schieberegisters auf, so daß ein langes Schieberegister für den Ausgang der gespeicherten Information in geeigneter Weise gebildet wird. Diese Anordnung macht eine kleine, oder minimale Anzkhl von Innenverbindungen erforderlich, und sie paßt sich an die Herstellung der Signalverarbeitungskanäle 28 als monolithisch oder Hybrid integrierte Schaltungselemente an, beispielsweise in Teilanordnungen von 100 Abtastern und zugehörigen Datenverarbeitungskanälen. Die Teilanordnungen können wiederum in Reihe miteinander verbunden sein oder die Information kann von den verschiedenen Teilanordnungen parallel

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an den Ausgang abgegeben werden. In Fig. 4 wird der Schalter in Stellung "Datenausgang" bewegt, um den Ausgangszyklus einzuleiten und um eine Reihenverbindung zwischen den einzelnen Schieberegistern herzustellen. Wenn man der gemeinsamen Leitung 38 eine Folge von Taktimpulsen zuführt, dann werden die gespeicherten Binärdaten von einer Stufe zur nächsten weitergeschoben, in das nächste in Reihe geschaltete Schieberegister eingegeben usw. Da Taktpulsfrequenzen von 10 MHz möglich sind, kann der Auslesezyklus sehr kurz sein. Zur Bildung der Taktimpulse läßt sich der Steuerimpulsgenerator 39 verwenden und es kann andererseits ein davon getrennter Taktirapulsgenerator 42 für die Ausleseimpulse vorgesehen sein, der durch den Generator 41 mit veränderlicher Verzögerung getätigt wird. Bei der Anordnung nach Fig. 4, bei der der Steuerschalter 36 verwendet wird, der ein Festkörperschalter sein kann, können die mehrstufigen Schieberegister 37 für einen vollständigen Modul einer Teilanordnung ohne weiteres durch nicht mehr als 2 Verbindungen pro Modul zugänglich sein. Es sind dies die kombinierte Taktimpulsleitung und eine Datenausgangsleitung von der Endstufe des letzten Schieberegisters.

Die in Fig. 5 dargestellte abgewandelte Ausführungsform, die eine, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist, verwendet eine Taktimpulsleiteranordnung für den Eingangstakt, eine davon getrennte Taktimpulsleiteranordnung für den Ausgangstakt sowie eine Datenausgangsleitung, so daö insgesamt 3 Verbindungen pro Modul oder Teilanordnung vorgesehen sind. Um das Prinzip darzustellen, sind insgesamt drei Echosignalabtaster 20· und zugehörige Signalverarbeitungskanäle dargestellt. Jedes der drei einzelnen mehrstufigen Schieberegister hat insgesamt fünf Stufen, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Die Steuerimpulsleitung 38* ist mit einem Abtastverstärker und -detektor 35A und mit jeder der Stufen des zugehörigen Schieberegisters 37A verbunden und parallel zu den gleichen Bauteilen des Signalverarbeitungskanals B und des Signalverarbeitungskanals C .geschaltet. Um die einzelnen Schieberegister

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in Reihe zu schalten, verbindet die Leitung 43 den Ausgang der letzten Stufe des Schieberegisters 37A mit dem Eingang der ersten Stufe des nächsten Schieberegisters 37B und die Leitung 44 verbindet in ähnlicher Weise dieses Schieberegister mit dem nächsten Schieberegister 37C. Von der letzten Stufe des' Schieberegisters 37C, die mit SR-5 bezeichnet ist, geht eine Datenausgangsleitung 45 ab. Die getrennte Taktimpulsleitung 46 ist mit jeder der einzelnen Stufen des Schieberegisters 37A und parallel dazu mit jeder der Stufen der anderen Schieberegister 37B und 37C verbunden. Damit b.etätigt ein einziger Steuerimpuls während des Eingangszyklus jedes der Schieberegister, so daß binäre Daten eingelesen und verschoben werden und ein einziger Taktimpuls während des Ausgangszyklus verschiebt gleichzeitig die gespeicherten Daten von jeder der Schieberegisterstufen zu der nächstfolgenden Stufe.

Da nun die Beschreibung eigentlich schon recht vollständig ist, wird im folgenden nur noch ein kurzer Abriß der Arbeitsweise anhand der Zeitdiagramme der Fig. 6a bis 6d gegeben. Gemäß Fig. erzeugt der Synchronisiergenerator 31 Triggerimpulse, die insbesondere eine Periode von 10 Millisekunden aufweisen. Die Folge der Triggerimpulse, die dem Impulsgenerator 30 zugeführt wird, ruft ultraschallfrequente Erregerimpulse zur Erregung des piezoelektrischen Senders 12 hervor. Die sich ergebende Folge von Schallimpulsen im Ultraschallbereich, die in Fig. 6A dargestellt ist, weist eine Periode T1 auf, und sie wird auf das Herz 11 und den Körper 11', die dargestellt werden sollen, gerichtet. Der auftreffende Schallimpuls wird an jedem akustischen Ungleichmäßigkeit auf seinem Weg reflektiert und bildet damit eine Folge von reflektierten Schallechosignalen, die durch den Schallreflektor 13 fokussiert werden und auf den Schall-Bild-Wandler 14 auftreffen. In dem piezoelektrischen Abtastteil des Schall-Bild-Wandlers setzt die Matrix der Abtaster die räumliche Verteilung der Schallechodruckwellen in eine entsprechende Verteilung von elektrischen Potentialen um, deren Amplitude sich mit der Amplitude der auftreffenden Schallwelle verändert. Die Signale des piezo-

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elektrischen Abtasters, die beispielsweise in Fig. 6b dargestellt sind, entsprechen der vorderen Oberfläche des Brustkorbes, der Vorderseite und der Rückseite des Herzens und der hinteren Oberfläche des Brustkorbes. Dies sind die Reflexionen und den Objektebenen P1, P3, P4 und P5, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind. Es sei darauf hingewiesen, daß von der Ebene P2 kein Echosignal ausgeht. Die Ankunftszeit der reflektierten Echosignale am Schall-Bild-Wandler 14, gemessen von der Abgabe des Schallimpulses aus, ist natürlich eine bekannte Größe, die von der Entfernung des Senders 12 abhängt,und sie hat einen Wert T2 für das Echosignal, das durch Reflexion an der vorderen Fläche des Herzens gebildet wird.

Die Triggerimpulse, die von dem Synchronisiergenerator 31 gebildet werden, v/erden auch dem Generator 41 mit veränderlicher Verzögerung zugeführt, der nach einer ausgewählten Zeit nach der Abgabe des Schallimpulses den Steuerimpulsgenerator 39 ansteuert oder auslöst. Wie man anhand von Fig. 6c erkennt, wird eine Folge von Steuerimpulsen gebildet, die eine veränderbare Breite oder Zeitdauer T3 aufweisen und die über die Leitung 38' (Fig. 5) jedem Abtastverstärker und -detektor 35 und jeder Stufe des zugehörigen Schieberegisters 37 zugeführt werden. Am Ausgang jedes Abtastverstärkers und -detektors erscheint eine EINS oder eine IiULL und bei dem besonderen Beispiel ist das Ausgangssignal einer EINS mit Ausnahme, daß eine NULL zu der Zeit auftritt, bei der die Information der Bildebene P2 abgetastet wird. Bei jedem Steuerimpulssignal werden unter der Annahme, daß sie richtig taktiert sind, von einer Objektebene Daten abgetastet, die in die erste oder -1-Stufe jedes einzelnen Schieberegisters eingegeben werdaa und sie werden dann in die nächste Stufe verschoben, wenn die Daten der nächsten Objektebene abgetastet und eingegeben werden, usw. Am Ende eines Eingabezyklus enthält die letzte Stufe jedes Schieberegisters die Daten der Objektebene P1 und die anderen Stufen enthalten die Daten der Objektebenen P2 bis P5. Der Ausgangszyklus, mit dem

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die Daten aus*den Schieberegistern ausgelesen werden, die wirksam miteinander in Reihe geschaltet sind, um ein langes Schieberegister zu bilden, wird durch Zuführung eines Auslesetaktimpulses zur Leitung 46 eingeleitet. Dies läßt sich mit einer sehr hohen Auslesegeschwindigkeit von beispielsweise 1 HHz durchführen. Damit v/erden die Daten von allen Schieberegistern der Reihe nach durch die miteinander verbundenen einzelnen Schieberegistern bis zu der Datenausgangsleitung 45 geschoben, die mit der. letzten Stufe des Schieberegisters verbunden ist. Der vollständige Vorgang wird dann der Reihe nach bei Absendung jedes Schallimpulses wiederholt.

Um eine ständige Stereodarstellung mit Tiefenwirkung und normalem zeitlichen Ablauf zu erhalten, werden die von verschiedenen Ebenen herrührenden Ausgangsdaten, die bei jedem Schallimpuls aufgezeichnet worden sind, in geeigneter Weise verarbeitet und dem Betrachter gleichzeitig auf zwei Kathodenstrahlröhren dargestellt, von denen die eine mit dem linken Auge und die andere mit dem rechten Auge betrachtet wird. Um das Dekodieren und die Trennung der binären Ausgangsdaten von mehreren Ebenen zu erleichtern, werden die in Reihe anfallenden Daten auf der Ausgangsdatenleitung 45 in einen Speicher 50 (Fig. 7) eingelesen. Anstelle des einen Reihenausgangs kann jede Teilanordnung oder jeder Modul eine getrennte Ausgangsleitung 45a, 45b, usw. aufweisen, so daß die Ausgangsdaten der verschiedenen Teilanordnungen in den Speicher 50 parallel und nicht der Reihe nach eingelesen werden. Auf jeden Fall werden die Ausgangsdaten der entsprechenden Objektebenen P1 bis P5 gleichzeitig einer Verarbeitungseinheit 51a für die linken Signale und eine Verarbeitungseinheit 51b für die rechten Signale zugeführt, bevor sie der linken bzw. der rechten Kathodenstrahlröhre 52a bzw. 52b zugeführt werden. In der Verarbeitungseinheit 51a werden die Reihenausgangssignale verarbeitet, damit man eine seitliche Verschiebung der nacheinander gebildeten Bilder nach rechts erhält, die der verschiedenen Tiefe des Objekts entspricht.

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Wahlweise kann eine Verarbeitung vorgenommen werden, um in einur Folge die Größe der Bilder, die den verschiedenen Tiefen des Objektes entsprechen, zu vermindern. In der Verarbeitungseinhe.it 51b für das rechte Signal werden die Daten verarbeitet, so daß man eine seitliche Verschiebung der aufeinanderfolgenden Bildebene nach links erhält, wobei die aufeinanderfolgenden Bilder wiederum in der Größe wahlweise vermindert werden können. Dies wird noch in weiteren Einzelheiten anhand der Fig. 8 und 9 erläutert.

In Fig. 8 sind die Bildschirme von zwei Kathodenstrahlröhren 52a und 52b dargestellt und es ist zwischen ihnen ein Septum 53 vorgesehen, damit die linke Röhre 52a durch das linke Auge 54a und getrennt davon die rechte Röhre 52b durch das rechte Auge 54b betrachtet werden können. Auf dem Bildschirm der linken Röhre 52a werden die entsprechenden Bilder PV bis P5¹ der R.eihe nach gebildet und sie scheinen sich in den Augen des Betrachters zu überdecken. Wenn sich die Tiefe des Objektes vergrößert, dann werden die Bildebenen P2' bis P5¹ nacheinander seitlich nach rechts verschoben und allmählich in der Größe entsprechend den bekannten Prinzipien der Perspektive vermindert. Auf dem Schirm der rechten Kathodenstrahlröhre 52b werden die aufeinanderfolgenden Bilder P2^f bis P5¹ seitlich nach links um die gleichen Beträge wie auf dem linken Schirm seitlich verschoben und sie werden nacheinander um die gleichen Beträge in der Größe vermindert. Es ist dem mit der dreidimensionalen Darstellung vertrauten Fachmann gut bekannt, daß das Stereobild, das mit dem Auge erkennbar ist, so aussieht, daß es möglich ist, Tiefe zu sehen, ebenso wie Breite und Höhe. Gemäß Fig. 9 werden die Bildebenen in der gleichen Weise dargestellt, mit Ausnahme, daß nur eine seitliche Verschiebung der Bildebenen nach rechts bzw. nach links vorgenommen ist, so daß jedoch die Größe des Bildes nicht vermindert ist. Die Stereosichtdarstellung nach Fig. 9 eignet sich für viele Anwendungen. Bei jeder Art der Stereosichtdarstellung sind jedoch„die Ausgangsdaten Binärdaten, was dazu führt,

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daß in jeder Bildebene jeder besondere Punkt auf dem Schirm entweder beleuchtet ist oder nicht beleuchtet ist, d.h. daß dann entweder ein schwarzer Punkt vorhanden ist oder überhaupt kein Punkt. Es sei jedoch daran erinnert, daß 10 000 Bildflächen vorhanden sind, um . die Daten für jede Bildebene zu erhalten. Ferner erhält man durch die zusammenfallende Darstellung der nacheinanderfolgenden Ebenen in verschiedenen Tiefen des Objekts veränderliche Grauschattierungen, ebenso wie weiß und schwarz.

Eine andere Möglichkeit bei der Darstellung auf einer Kathodenstrahlröhre, die Wirkung von Tiefe zu erreichen, besteht darin, eine Farb-Kathodenstrahlröhre zu verwenden, bei der die Strahlen für die verschiedenen Daten seitlich gegeneinander verschoben sind und bei denen jeder Strahl zur Darstellung einer Bildebene verwendet wird. Diese Darstellungen mit Hilfe von Farb-Kathodenstrahlröhren können paarweise, so wie es weiter oben beschrieben ist, verwendet werden. Für den Fall, daß das zu betrachtende Objekt ein sich bewegendes Objekt ist, beispielsweise ein schlagendes Herz, stellen die aufeinanderfolgenden betrachteten Sätze der zusammenfallenden Bilder, die sich bei dem angegebenen Beispiel in Zeitabständen von 10 Millisekunden ändern, die veränderliche Größe des schlagenden Herzens dar, wenn es nacheinander einen Ausdehnungs- und Zusammenziehungszyklus durchläuft. Es wurde bereits weiter oben erwähnt, daß die stetige Darstellung mit normalem zeitlichen Ablauf nicht wesentlich ist. Die Information kann aus dem Speicher 50 zu irgend einer Zeit für eine verzögerte Darstellung ausgelesen werden. Andererseits kann die Information durch einen Rechner ausgedruckt werden und die einzelnen Bildfelder können getrennt voneinander oder auch zusammengesetzt bei einer Stereodarstellung mit Tiefenwirkung betrachtet werden. Diese und andere Arten der Sichtdarstellung können bei dem verbesserten Schall-Bild-Wandler 14 verwendet werden.

Zusammenfassend sei noch darauf hingewiesen, daß ein verbesserter Schall-Bild-Wandler mit einer planaren Anordnung piezoelektrischer Abtaster vorgesehen ist, bei dem für jeden Abtaster ein Signal-

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Verarbeitungskanal vorgesehen ist, der einen Abtastverstärker und ein mehrstufiges Schieberegister für die nacheinanderfolgende Feststellung und Speicherung von Binärdaten aufweist, die das Vorhandensein und das Nichtvorhandensein von auftreffenden Schallechos zu ausgewählten Zeitabschnitten darstellen. Die einzelnen Schieberegister sind für das nachfolgende Auslesen der gespeicherten Binärdaten in Reihe miteinander verbunden, wobei diese Daten der räumlichen und zeitigen Verteilung der verschiedenen Echos entsprechen, die durch Reflexionen eines einzigen Schallimpulses an Ungleichmäßigkeiten ausgewählter paralleler planarer Bereiche in verschiedenen Tiefen des Objekts gebildet werden. Mehrere Bilder, die von jedem periodisch auftretenden Schallimpuls herrühren,können im normalen Zeitablauf sich überdeckend dargestellt werden, um die Tiefe des Objekts und die Bewegung des sich bewegenden Objekts wiederzugeben. Typische Anwendungen sind die Überprüfung von biologischen inneren Organen und die Ultraschallüberprüfung von Werkstücken.

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Claims

_ 21 - Patentansprüche

1.j Akustische Abbildungsvorrichtung mit einem Schall-Bild-Wandler,

gekennzeichnet durch eine planare Anordnung von Abtastern (20¹; 20 bis 27), von denen jeder die auftreffenden Schalldruckwellen in veränderliche elektrische Signale umwandelt, mehrere Signalverarbeitungskanäle (35A, 37A; 35B, 37B; 35C, 37C), von denen jeder mit einem der Abtaster (20^r) verbunden ist und von denen jeder einen Abtastverstärker und -detektor (35A, 35B, 35C) für das elektrische Signal, das von dem zugehörigen Abtaster gebildet wird, aufweist und von denen jeder ein eigenes mehrstufiges Schieberegister (37A, 37B, 37C) mit mehreren binären Speicherstufen (1, 2, ..5)· aufweist, um die elektrischen Signale oberhalb und unterhalb eines bestimmten Pegels, die durch Abtastung der auftreffenden Schalldruckwellen in einer Folge voneinander getrennter Zeitabschnitte gebildet werden als Binärdaten der Reihe nach zu speichern, Vorrichtungen (43, 44) um die einzelnen Schieberegister in Reihe miteinander zu verbinden, um die gespeicherten Binärdaten auszulesen und eine Vorrichtung (38') zur Zuführung einer Folge von Steuerimpulsen während der Folge voneinander getrennter Zeitabschnitte zu jedem Abtastverstärker und -detektor (35A, 35B, 35C),um daraus Ausgangssignale zu bilden, und zu jedem einzelnen Schieberegister (35A, 35B, 35C) um die binären Daten durchzuschieben und um anschließend eine Folge von Auslesetaktimpulsen jedem einzelnen Schieberegister zuzuführen.

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2. Akustische Abbildimgsvorrichtung mit einem Schall-Bild-Wandler nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die planare Anordnung der Abtaster durch eine piezoelektrische Platte (20) gebildet wird, die einen leitenden Überzug (26) auf der einen Oberfläche und mehrere voneinander getrennte Kontakte (27) auf der anderen Oberfläche aufweist, von denen jeder mit einem der Signalverarbeitungskanäle (A, B, C) verbunden ist, wobei die einzelnen Kontakte (27) in Reihen und Spalten angeordnet sind.

3. Akustische Abbildungsvorrichtung mit einem Schall-Bild-Wandler nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß jeder Signalverarbeitungskanal (A, B, C) ferner einen Schalter (36) enthält., um das betreffende einzelne Schieberegister (37) mit dem Abtastverstärker und -detektor (35) zum Einlesen der Binärdaten zu verbinden und um andererseits ein vorhergehendes einzelnes Schieberegister zum Auslesen der Binärdaten zu verbinden und daß die Vorrichtung (38·, 46) zur Zuführung einer Folge von Taktimpulsen und zum Zuführen der Auslesetaktimpulse eine Schaltung mit gemeinsamen Leiter für beide Folgen von Impulsen verwendet,

4. Akustische Abbildungsvorrichtung mit einem Schall-Bild-Wandler nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungskanäle (A, B, C) eine einzige Datenausgangsleitung (45) an der letzten Stufe (C5) der in Reihe miteinander verbundenen einzelnen Schieberegister aufweisen.

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Rei/Pi.

Akustische Abbildungsvorrichtung mit einem Schall-Bild-Wandler nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorrichtung (38¹) zur Zuführung einer Folge von Taktimpulsen und zur Zuführung von Auslesetaktimpulsen für jede Impulsfolge eine Schaltung mit getrenntem Leiter enthält.

Akustische Abbildungsvorrichtung mit einem Schall-Bild-Wandler nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet,

daß die verschiedenen Signalverarbeitungskanäle in der letzten Stufe (C5) der in Reihe miteinander verbundenen Schieberegister eine einzige Datehausgangsleitung (45) aufweisen.

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