DE2727256A1

DE2727256A1 - Vorrichtung zur ultraschallortung

Info

Publication number: DE2727256A1
Application number: DE19772727256
Authority: DE
Inventors: Pierre Prof Francaise
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1974-11-28
Filing date: 1977-06-16
Publication date: 1977-12-29
Also published as: FR2355288A2; NL7706693A; FR2355288B2; US4117446A

Description

DR.-ING. DIPU-ING. M. SC. DIPL-BHVS. DR. OIPL.-PHYS. HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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14. Juni 1977

Agence Nationale de Valorisation de la Recherche (ANVAR)

13, rue Madeleine Michelis

92 522 Neuilly-Sur-Seine/Frankreich

Vorrichtung zur Ultraschallortung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ultraschallortung mit elektronischer Verschiebung und Fokussierung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallortungsvorrichtung, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 25 51 138.0 entsprechend DT-OS 25 51 138 beschrieben ist und stellt einen Zusatz zu dieser dar.

Man kann die Energie eines Ultraschallbündels, welches von η Elementarwandlern ausgestrahlt wird, die einer Linie Ox fol-

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gend verteilt sind, in einem Punkte M fokussieren, der rechts von O und in einem Abstand y von Ox angeordnet ist, indem man den aufeinanderfolgenden Wandlern 1,..., i,... ein Signal mit einer Ultraschallfrequenz und mit einer Phase zuführt, die sich aus folgender Formel ergibt:

V₁ = /Tx₁ ² /Ay (1)

In dieser Formel bedeuten:

x. der Abstand des Wandlers der Ordnung i zum Punkte O, X die Wellenlänge der Ultraschallwelle im Fortpflanzungsmilieu, Y*. der Phasenwinkel des dem Wandler der Ordnung i zugeführten Signals.

Die komplexe Amplitude A * des dem Wandler der Ordnung i zugeführten Signals (oder den Wandlern der Ordnung i zugeführten Signals, wenn die Wandler symmetrisch mit Bezug auf 0 verteilt sind) beträgt:

A₁* = A_o exp (j V₁) (2)

Hiervon beläuft sich der reelle Teil auf:

A_o cos ^₁ (3)

und der imaginäre Teil auf

A₀ sin ^l (4)

Im US-Patent 3 820 387 ist schon vorgeschlagen worden, eine Pseudo-Fokussierung vorzunehmen, indem man gleichzeitig in Phase eine Gruppe von Elementarwandlern erregt, die eine Länge

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b - 2 VyK darstellen, d.h. entsprechend der ersten Fresnel-Zone im Fall der Formel (4). Eine parallele Ablenkung oder Abtastung in der Richtung Ox kann dann durchgeführt werden, indem man zunächst eine erste Gruppe von Wandlern erregt, dann eine zur vorhergehenden im Sinne Ox verschobene Wandlergruppe usw. Man verwendet die gleiche Gruppe zur Aussendung und zum Empfang der Echos, wodurch sich die Fokussierung verbessern läßt.

Diese Lösung ist aber wenig zufriedenstellend. Insbesondere ist eine solche Lösung unzureichend. Der Vorschlag der schon erwähnten deutschen Patentanmeldung P 25 51 138 läßt sich am besten aus dessen Hauptanspruch entnehmen.

Bei einigen Anwendungsfällen besteht die Lösung darin, die gleiche Verteilung bei der Aussendung und beim Empfang zu verwenden; es ergeben sich dann dadurch Schwierigkeiten, daß die Hauptfokussierung von sekundären Feldern oder Kurvenzügen begleitet ist, die dann schädlich sind, wenn das Ziel bzw. der zu untersuchende Gegenstand sehr reflektierend ist. Beispielsweise liefert im Falle der Sichtbarmachung des Herzmuskels durch das Echographieverfahren B die hintere Wand des Herzens praktisch eine Spiegelreflexion und ändert so häufig die sichtbare Darstellung der Ziele, indem in deren Nachbarschaft weniger kraftvolle Echos gebildet werden.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Ultraschallortungsvorrichtung zu schaffen, bei der die elektronische Verschiebung verbessert ist und die gleichzeitig eine Fokussierung und eine Ablenkung ermöglicht, die einer vorgegebenen Richtung folgt, wobei nur einfache Schaltungsmittel erforderlich sind und die parasitären, sekundären Kurvenzüge erheblich reduziert sind. . ■

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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Vorrichtung zur Ultraschallortung mit elektronischer Verschiebung und Fokussierung und ist gekennzeichnet durch N Elementarwandler, die einer Verschiebungslinie folgend gleichmäßig verteilt sind, einen Generator und einen Empfänger für eine Ultraschallfrequenz, die Schaltmitteln zugeordnet sind, die die Realisierung von m unterschiedlichen Phasenverschiebungen 0, 2 77/m,..., 2(m-1) 77m ermöglichen, durch Schaltmittel, die die Verteilung von m Phasen auf η aufeinanderfolgende Elementarwandler speichern, was einer Fokussierung eines vorgegebenen Abstands der Linie entspricht (n ist größer als m und kleiner als N), gekennzeichnet ferner durch Umschaltmittel, die so ausgebildet sind, daß eine Gruppe von η Wandlern, der erwähnten Verteilung folgend, mit Phasenschiebermitteln und mit einem Generator (oder einem Empfänger) verbunden werden und wobei die Gruppe von η Elementarwandlern der Verschiebungslinie folgend in zeitlichen Intervallschritten verschoben wird, mit einer solchen Ausbildung der Umschaltmittel, daß die Gesamtheit der η Elementarwandler mit den Phasenschiebermitteln nur im Verlauf einer Ausstrahlung (oder des Empfangs) und umgekehrt dann im Verlauf des Empfangs (oder der Ausstrahlung) lediglich ein Bruchteil n¹ der Elementarwandler mit den Phasenschiebermitteln verbunden wird, wobei die n¹ Wandler diejenigen aus den η Wandlern sind, die dem Fokussierungspunkt am nächsten sind. Der Wert für M wird dabei häufig zu 2 bestimmt.

Die Zahl η wird in vorteilhafter Weise so gewählt, daß sie der ersten Fresnel'sehen Verteilungszone entspricht und die Fokussierung im vorgegebenen Abstand sicherstellt. Mit anderen Worten die bei der Ausstrahlung oder Sendung erregten n' Wandler sind die Wandler, die in der Mitte der Gruppe von η Wandlern angeordnet und die mit dem Empfänger mit der gleichen Pha-

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se anläßlich des Empfangs verbunden sind. Man unterdrückt so praktisch vollständig bei der Ausstrahlung die parasitären sekundären Lappen oder Kurvenverläufe. Der Empfang bleibt mit voller öffnung erhalten, wobei man das Niveau der seitlichen Lappen oder Kurven auf eine akzeptierbare Schwelle absenkt und wobei man gleichzeitig das empfangene Signal einer Auflösungsverschlechterung unterwirft, die nur äußerst geringfügig ist, indem man den unteren Signalbereich unterdrückt.

Bei dem in Form eines Ausführungsbeispiels in der DT-OS 25 51 138 beschriebenen System entspricht die Fokussierung einer Tiefeneinstellung von nur wenigen Zentimetern, wenn man die öffnung der Vorrichtung verwendet, die man durch die Anzahl der verwendeten Fresnel-Zonen darstellen kann. Die auf diese Weise gewonnene Sichtbarmachung begrenzt sich daher auf diesen Abstand. Diese Eigenschaft ist gelegentlich störend, insbesondere bei der Bildhaftmachung medizinischer Zustände, denn der Arzt muß von Hand den Fokussierungsabstand als Funktion des Ziels wählen können, welches er beobachten möchte. DieserEinschränkung begegnet die vorliegende Erfindung entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch, daß Speichereinrichtungen vorgesehen sind, die zwei Schieberegister mit p.n Positionen umfassen, die so ausgebildet sind, daß

der erste Speicher oder das erste Schieberegister in den Positionen 1, p, 2p,... (n-1)p die Speicherstellen oder Standorte derjenigen von η mit dem Generator mit der ersten Phase zu verbindenden Elernentarwandlern und in den Positionen 2, p+1,..., (n-1)p+1 die Standorte derjenigen der η Elementarwandler speichert, die mit der ersten Phase mit dem Empfänger zu verbinden sind zur Realisierung einer Fokussierung bei einem ersten vorgegebenen Abstand von der Verschiebungslinie, sowie gegebenenfalls in einer Gruppe oder in anderen Gruppen von η Positionen

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den Standort von η Elementarwandlern speichert, die mit der genannten ersten Phase mit dem Empfänger zu verbinden sind, um eine oder mehrere Fokussierungen bei einer anderen oder bei anderen vorgegebenen Abständen zu bewirken, und daß

der zweite Speicher oder das zweite Schieberegister in den Positionen 1, p, 2p,... (n-1)p die Standorte derjenigen von η mit der zweiten Phase mit dem Empfänger zu verbindenden Elementarwandlern und in den Positionen 2, p+1,..., (n-1)p+1 die Standorte derjenigen von mit dem Empfänger mit der zweiten Phase zu verbindender Elementarwandler speichert zur Realisierung einer Fokussierung bei einem zweiten vorgegebenen Abstand zur Verschiebelinie sowie gegebenenfalls in einer Gruppe oder in anderen Gruppen von η Positionen die Standorte von η Elementarwandlern speichert, die mit der erwähnten zweiten Phase mit dem Empfänger zu verbinden sind zur Realisierung einer oder mehrerer Fokussierungen bei einer anderen oder bei anderen vorgegebenen Abständen,

daß ein Taktgenerator vorgesehen ist zur Verschiebung der SpeieherInhalte und ihrer Serieneingabe in zwei Schieberegister mit jeweils ρ N Positionen, wobei jede Position die einem Elementarwandler zugeordneten Umschaltmittel steuert und wobei der Taktgenerator gleichermaßen die Verschiebung der Inhalte der erwähnten ρ Ν Positionen aufweisenden Schieberegister mit einem Zeitmaß bewirkt, daß nach jeder Abstrahlung die Wandler den sukzessiven Empfangsverteilungen folgend geschaltet sind entsprechend den Durchgangszeitdauern für die gewählten Fokussierungsabstände.

Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung vorliegender Erfindung sind die Umschaltmittel so ausgebildet, daß nach jeder Ausstrahlung die Empfangsverbindungen zu einem Zeitmoment.geändert werden, der abwechselnd mit Bezug auf die Ausstrahlung

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eine erste oder eine andere von zwei Verzögerungen aufweist und daß der Empfänger während eines vorgegebenen Zeitraums St nach jeder Umschaltung blockiert ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich.

Aufbau und Wirkungsweise von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Dabei zeigen:

die Figuren 1a und 1b grundsätzliche schematische Kurvenverläufe, denen entsprechend den Formeln (3) und (4) die Amplitudenänderung entnommen werden kann, um eine Fokussierung in einem Punkt M zu erzielen; desgleichen läßt sich diesen Figuren die mit Hilfe einer binären Phasenquantifizierung erzielte Amplitudenänderung entnehmen,

Fig. 2 ein Verteilungsdiagramm· zwischen zwei von ?/unterschiedlichen Phasen, welches mit Wandlern realisiert wird, die einer Richtung Ox folgend verteilt sind, damit durch Anwendung der Formel (3) eine Fokussierung bewirkt werden kann; des weiteren .zeigt diese Figur die Nachbildung dieser Phasenverteilung durch Zuführung von Signalen zu η ■ 64 Elementarwandlern,

Flg. 3 die Variationen von iwei Tarnen der Formel (2) und ein Simulationsverfahren, welches mit Hilfe einer Phasen-

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quantifizierung in vier Niveaus angenähert wird,

Fig. 4 zeigt schematisch eine mögliche Anordnung von N Elementarwandlern ,

Fig. 5 gibt ein prinzipielles Blockschaltbild an, welches dem Wandler der Fig. 4 zugeordnet werden kann zur Durchführung vorliegender Erfindung,

Fig. 6 läßt sich die durch die Erfindung erzielte Signalveränderung (Apodisation) entnehmen, d.h. die gleichzeitige Verdeutlichung des Hauptsignals bei Unterdrückung von Nebensignalen bzw. die Unterdrückung des Fußbereichs der Kurvenverläufe,

Fig. 7 zeigt als schematisches Teilschaltungsbild eine Variante der in Fig. 5 gezeigten Schaltungsform, mit welcher sich das Umschaltrauschen dämpfen läßt und

Fig. 8 zeigt in Form von Kurvenverläufen das Verhalten von Signalen, die beim Betrieb an verschiedenen Schaltpunkten der Schaltung der Fig. 7 auftreten.

Die Figuren 1a und 1b zeigen, daß man die ausgesandte und empfangene Energie durch ein Netz, ein Gitter oder ein System von Elementarwandlern fokussieren kann, indem man die reelle Phasenverteilung durch eine bestimmte) einer (Vielzahl) von binären Phasenquantifizierungen simuliert, die schematisch in den Kurvenverläufen 11 und 12 in dick durchgezogener Linienführung gezeigt sind.

Weiter vorn ist schon erwähnt worden, daß man schon die Durch-

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führung einer Pseudo-Fokussierung vorgeschlagen hat, indem man für die Sendung und den Empfang eine Gruppe von Wandlern verwendet, die die Breite b der ersten Fresnel-Zone entsprechend der Formel (4) besetzen, die eine Energiekonzentration ermöglicht, die derjenigen überlegen ist, die von der ersten Fresnel-Zone entsprechend der Formel (3) geliefert wird, für welche man eine geringere Breite b¹ verwenden würde (siehe Fig. 1a).

Die Erfindung schlägt nun vor, sei es für die Ausstrahlung oder Sendung, sei es für den Empfang, eine Verteilung in mehreren Fresnel-Zonen zu verwenden und in Beziehung hiermit eine entsprechende Verteilung bei einer geringeren Anzahl von Fresnel-Zonen (evtl. auch nur bei einer einzigen Zone) für den Empfang bzw. für die Sendung.

Die erste Verteilung kann, wie in Fig. 2 gezeigt, mit zwei um 'IT verschobene Phasen durchgeführt werden, was der Formel (3) entspricht.

Der Kurvenverlauf 11 der Fig. 2, der dem Kurvenverlauf 11 der Fig. 1a entspricht, gibt die theoretische Phasenverteilung an, die mit den Wandlern 24 bis 64 einer Gruppe von η = 64 Elementarwandlern realisiert wird, um die Sendung (oder den Empfang) am Punkt M zu fokussieren, der rechts am Verbindungspunkt zwischen den Elementarwandlern der Ordnung 32 und 33 angeordnet ist. Diese Verteilung kann jedoch tatsächlich lediglich in angenäherter Form realisiert werden (Linie d).

Man sieht, daß

bestimmte Wandler (Linie b) die Ultraschallsendung mit einer Bezugsphase ^ empfangen müssen: dies ist der Fall bezüglich der Wandler 25 bis 40, 47 bis 50,...;

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bestimmte Wandler die Ultraschallsendung mit einer Phasenverschiebung von '/Trait Bezug auf die Bezugsphase (Linie c) empfangen müssen; es handelt sich um die Wandler 41 Us 46, 51 bis 52,...; und

dafi schließlich bestimmte Wandler gar kein Signal empfangen; es handelt sich hierbei um die Elementarwandler der Größe i « 54, 59 und 65.

Umgekehrt würde man eine Fokussierung sicherstellen ausgehend von einem Punkt, der in einem Abstand y angeordnet ist, indem man die Elementarwandler einem Empfänger mit der in Fig. 2 schematisch angegebenen Phasenverteilung zuordnet oder verbindet.

Eine andere, in Fig. 3 schematisch angegebene Lösung verwendet eine Verteilung in vier Phasen, entsprechend der Formel (2).

Die Verteilung der Linien b und c der Fig. 2 kann mit Hilfe eines Wandlersystems der in Fig. 4 schematisch angegebenen Art realisiert werden, welches einer Schaltung wie in Fig. 5 zugeordnet ist, die eine Abtastung durchzuführen erlaubt, die der Richtung χ· χ folgt.

Das Wandlersystem der Fig. 4 erlaubt die Realisierung einer Fokussierung auf elektronischem Wege in einem Punkt, der in einem vorgegebenen Abstand angeordnet ist, der vom Wandlersystem einstellbar ist. Die Schaltung der Flg. 5 ist so ausgebildet, daß eine nichtfokussierte Aussendung sichergestellt ist, gefolgt von einem Empfang mit Fokussierung in ρ aufeinanderfolgenden Abständen, wobei ρ bei dem im folgenden als Aueführungsbeispiel beschriebenen Realisierungsverfahren gleich 3 ist. Dieser elektronischen Fokussierung fügt sich im Fall der

Ht*S2/1<U1

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Fig. 4 eine geometrische Fokussierung hinzu, die man dadurch erhält, daß man die Elementarwandler auf einer zylindrischen Oberfläche anordnet, deren Zentrum sich in einer Entfernung zum Wandlersystem befindet, die zwischen y. (der kürzesten Fokussierungsdistanz) und y₃ liegt (der längsten Fokussierungsdistanz)

Die Schaltung der Fig. 5 verfügt über jedem Elementarwandler zugeordnete Umschaltmittel, wobei lediglich der Wandler 121 dargestellt ist und wobei die Umschaltmittel von zwei Unterbrechern 13i und 14i gebildet sind, die dazu bestimmt sind, den Wandler 12i mit einem einzigen Generator 15 oder einem Empfangssystem zu verbinden, und zwar entweder mit einer Bezugsphase (Unterbrecher 13i), oder

mit einer Phasenverschiebung^ zur ersteren (Unterbrecher 14i). Diese Unterbrecher 13 und 14 sind von Feldeffekttransistoren gebildet, deren Steuerelektrode mit einem Ausgang eines jeweiligen Schieberegisters so verbunden ist, daß der Transistor entweder gesperrt oder leitend geschaltet ist, je nachdem, ob ihm eine logische 1 oder eine logische 0 zugeführt ist.

Das zur Durchführung der Echographie B bestimmte System ist so ausgebildet, daß die Verbindungen im Verlauf einer Tiefenerforschung modifiziert werden können., damit man mehrere aufeinanderfolgende Fokussierungen erhält, die die Hin- und Rücklaufzeiten berücksichtigen. Bei der in Fig. 5 gezeigten AusfUhrungsform vorliegender Erfindung verfügt jedes der Register 16 und 17 über p.N Positionen, dabei gibt ρ die Anzahl der Wandlerverteilungen an, die für jede Ausstrahlung realisiert werden müssen.-Man wird dann annehmen können, daß man aufeinanderfolgend eine Sendekonfiguration und drei Empfangskonfigurationen zu realisieren versucht, ausgehend von immer weiter entfernten Punkten, was einem Wert von ρ « 4 entspricht. Die im Verlauf

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einer Tiefenerforschung mittels n sukzessiven Elementarwandlern zu realisierenden vier Phasenverteilungen sind zugeordnet bzw. enthalten in zwei toten Speichern 18 und 19 (memoires mortes), die jeweils über p.n Positionen verfügen. Der Serienausgang jedes Speichers 18 oder 19 ist mit dem Serieneingang des entsprechenden Registers 16 oder 17 verbunden. Es versteht sich, daß man neuprogrammierbare tote Speicher oder auch sogenannte PROM*s verwenden kann (programmable read only memory).

Man programmiert in die Speicher 18 und 19 die für ρ = 4 zu realisierende Verteilungen repräsentativen Binärzahlen, derart, daß man ausgehend vom Ausgang des Speichers 18 folgende Werte bzw. Positionen antrifft:

in den Positionen 1, p+1,... (n-1)p+1 ist die Sendeverteilung, die man annehmen wird, beispielsweise so, daß sie, mit der Referenzphase, die Erregung von n* Elementarwandlern der Ordnung 25 bis 40 und nur diese allein (Fig. 2) hervorruft. Die zu erregenden Elementarwandler sind dargestellt durch binäre oder logische Zahlen 1, die in den entsprechenden Positionen angegeben sind; die anderen Wandler, die im Ruhezustand verbleiben sollen, sind durch die Zahl logisch 0 (log O) dargestellt.

In den Positionen 2, p+2,..., (n-1)p+2 entspricht die Verteilung der Empfangsfokussierung auf kürzestem Abstand, dargestellt durch y. in Fig. 4.

In den Positionen 3, p+3,... (n-1)p+3 entspricht die Verteilung einer Fokussierung im Abstand y~.

Und schließlich entspricht in den Positionen 4, p+4,... (n-1)p+4 (d.h. für ρ = 4, die Positionen 4, 8,..., 4n)

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Die Verteilung

der Fokussierung im längsten Abstand y,.

Wenn beispielsweise die dem Abstand y~ entsprechende Verteilung die in der Linie oder im Kurvenverlauf a der Fig. 2 ist, dann ist die dem Abstand y. entsprechende Verteilung von der Art, wie sie durch die Linie oder den Kurvenverlauf d dargestellt ist. Ist einmal das Einspeichern der Werte bzw. das Laden der Speicher erfolgt, dann findet man in den Speichern oder Registern 18 und 19 die vier angegebenen Konfigurationen, wobei sich die Binärziffern oder Binärzahlen, die für die Werte i , I₁, i- und I., repräsentativ sind, in aufeinanderfolgenden Positionen der Speicher oder Register finden, wie dies in Fig. gezeigt ist.

Der Generator 15, der von einem geeigneten Oszillator, Kippglied o. dgl. gebildet sein kann, steuert sämtliche Transistoren 13.,..., 13.,..., 13_M und 14,,..., 14.,... 14„, die die

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Schaltmittel darstellen, über einen elektronischen Umschalter oder Kommutator 28 und über ein Organ an, welches ausgehend und mit Bezug auf das Eingangssignal, zwei um 180 phasenverschobene Signale liefert. Dieses Ansteuerorgan ist in Fig. 5 als mittelangezapfter Transformator 20 dargestellt, dessen Mitte lanzapfung mit Masse verbunden ist und dessen einander gegenüberliegende Anschlüsse der Sekundärseite einmal mit sämtlichen Transistoren 13 und zum anderen mit sämtlichen Transistoren 14 verbunden sind. Der Oszillator 15 verfügt über einen Eingangs-Steueranschluß 21, der mit einer geeigneten Zeitbasisschaltung 22 verbunden ist, die die Aufeinanderfolge bzw. die Sendekadenz der Ultraschall-Wellenzüge und der elektronischen Verschiebungen bestimmt, die nach jeder Sende-Empfangsfolge auftreten. Ein Zeitabfolgesystem 23 (systeme de cadencement) empfängt an seinem Eingangsanschluß 24 Taktimpulse und steuert die Verschiebung der Werte in den Registern wie die Nullrückstellung der

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Register 16 und 17 nach Ablauf einer vollständigen Verschiebesequenz .

Die Empfangskette umfaßt ausgehend vom Transformator 20 und dem Umschalter 28, einen Verstärker 26 und eine Schaltung 27 zur Verarbeitung und Sichtbarmachung, die von bei der Echograph ie B verwendeten klassischen Art sein können. Der elektronische Umschalter 28 schützt die Empfangskette gegen Sendesignale.

Die endgültige Sichtbarmachung kann mittels eines Oszillographen in klassischer Weise erfolgen, wobei die horizontale Ablenkung abstandsmäfiig bestimmt ist, die Echos in analoger Weise dargestellt werden und der Durchlauf von einer Linie zur anderen nach jeder Tiefenerfassung erfolgt.

Die Arbeitsweise des sich aus der vorhergehenden Beschreibung ergebenden Systems sei im folgenden im eingeschwungenen Zustand lediglich kurz erläutert, wenn der ursprüngliche Gesamtinhalt der Speicher 18 und 19 den Registern 16 und 17 übergeben worden ist. Die Positionen oder Sehaltzustände der Register 16 und 17, auf welch« die Transistoren 13 und 14 bezogen sind, enthalten Binärzahlen, die der Sendekonfiguration entsprechen. Eine Tiefenerforschung beginnt mit einem Impuls, der von der Zeitbasisschaltung dem Oszillator 15 und dem Zeitabfolgesystem 23 zugeführt wird. Der Oszillator 15 sendet daraufhin einen kurzen Impuls aus.

Am Ende eines ersten Zeitintervalls f. , welches kürzer als die Dauer einer Hin- und Rückführung für die Distanz y. gewählt ist, sendet das Zeitabfolgesystem 23 an seinem Ausgang 30 einen Vorimpuls aus, der den Registern 18, 19, 16 und 17 zugeführt wird. Die Positionen der Register 16 und 17, denen die Schaltzustände der Transistoren 13 und 14 zugeordnet sind, nehmen dann die Binärzifferzustände an, die für eine Verteilung re-

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präsentativ sind, die zu einer Fokussierung im Abstand y. führt. Zur gleichen Zeit führt der durch nicht dargestellte Mittel angesteuerte elektronische Umschalter oder Kommutator 28 eventuelle Echos zur Empfangskette. Man erhält so eine verstärkte bzw. erhöhte Definition für Echos geringer Tiefe.

Bei Ende eines zweiten Zeitintervalls T*₂ , welches kürzer als die Dauer des Hin- und Rücklaufs für den Abstand y_ gewählt ist, sendet das Zeitabfolgesystem an seinem Ausgang 13 einen neuen Vorimpuls aus, der die Positionen der Register 16 und 17, auf welche die Transistoren 13. und 14. abgestimmt sind, zur entsprechenden Konfiguration einer Fokussierung im Abstand y, durchlaufen läßt.

Schließlich ändert am Ende eines dritten Zeitintervalls T*₃ , welches kürzer als die Dauer einer Hin- und Rückführung für den Abstand y., ist, ein erneuter Impuls nochmals das den Transistoren 13. und 14. zugeführte Verteilungsrauster.

Um den Zyklus neu anlaufen zu lassen, legt dann ein letzter, von dem Zeitabfolgesystem 23 den Registern zugeführter Impuls die Sendekonfiguration wieder an, diesmal jedoch mit einer Versetzung um einen Wandler nach rechts; auch dieses neue Verteilungsmuster gelangt selbstverständlich als Ansteuerung zu den Transistoren 13^ und 14_i. Das Zeitintervall "T₄ zwischen der Ausstrahlung des Ultraschallzuges und der Lieferung dieses letzten Impulses durch das Zeitabfolgesystem 23 ist so bemessen, daß sämtliche Echos, die in der erfaßten Tiefe auftreten, auch empfangen werden können.

Schließlich bewirkt ein neuer, von der· Zeitbasis 22 dem Oszillator 15 und dem Zeitabfolgesystem 23 zugeführter Impuls eine

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neue Tiefenerforschung.

Man sieht, daß man um den Preis einer einfachen Verlängerung der Register eine Empfangsfokussierung mit variabler Tiefe erhält, wodurch sich die von einer solchen Anordnung, insbesondere bezüglich der Echographie B gebotenen Möglichkeiten beträchtlich erhöhen. Im übrigen erlaubt die Zuordnung dieser variablen Tiefenfokussierung zum Empfangsvorgang mit einer Ausstrahlung durch eine in Phase angesteuerte "Elementarwandlerschiene", das empfangene Signal zu apodisieren bzw. sozusagen fußlos zu machen (apodiser), d.h. im unteren Bereich (Signalfuß) Störungen auszublenden, allerdings um den Preis einer Verschlechterung der Definition, die jedoch äußerst annehmbar bleibt. Das Resultat ergibt sich in Fig. 6. Geht man von der Darstellung der Fig. 6 von dem oberen Kurvenzug aus, dann erkennt man im Empfangsdiagramm 32 (Angabe der Intensität als Funktion der; Distanz bzw. Abstandes) , daß im Falle des in Fig.2 gezeigten Konfigurationstyps das dargestellte Diagramm zusätzlich zum zentralen Bogen oder Lappen zwei entfernte Sekundärbögen vorhanden sind, die zu störenden parasitären Reflexionen führen können, wenn diesenSekundärbögen sehr stark reflektierenden Hindernissen entsprechen.

Die schematische Diagrammdarstellung in der Mitte entsprechend dem Sendediagramm 33 gehört zu einem Wandlersystem, bei dem sämtliche Elementarwandler in Phase angesteuert sind (beispielsweise die Wandler der Ordnung 25 bis 40 der Fig. 2). Man sieht, daß die zentrale Ausbuchtung bzw. der zentrale Bogen viel zu groß ist, was einer geringeren Definition entspricht, im Gegensatz weist dieses Diagramm jedoch nicht die sekundären Bögen auf.

Schließlich ist der Kurvenverlauf 34 des dritten, in Fig. 6

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dargestellten Diagraminschemas repräsentativ für ein Sende-Empfangsdiagramm einer Anordnung, die soeben beschrieben worden ist. Jeder Ordinatenpunkt dieses Diagramms entspricht dem Produkt der Ordinatenpunkte der Diagramme 32 und 33 für den gleichen Abstand. Man erkennt, daß man eine hervorragende "Apodisierung erhält, die im Mittel einer ganz geringfügig verschlechterten Auflösung mit Bezug auf diejenige des Diagramms 32 entspricht.

Die Schaltungsanordnung, deren schematische Darstellung in Fig. 5 angegeben ist, verfügt über eine Empfangskette, die sämtliche Signale empfängt, die von dem Umschalter oder Kommutator 28 übertragen werden. In manchen Fällen führen die im Verlauf eines Tiefenabtastzyklus erforderlichen Umschaltungen zu einem Rauschen, welches sich auf dem Sichtschirm in Form einer glänzenden Linie zeigt, die den Beobachter behindert. Man kann diese Linie dadurch zum Verschwinden bringen, daß man in die Empfangskette eine analoge Torschaltung einbaut, die normalerweise geöffnet ist, die jedoch während eines kurzen Zeitintervalls ausgehend von jedem UmschaItvorgang in einem gesperrten Zustand gehalten wird. Allerdings bewirkt ein solches Vorgehen auch das Verschwinden von Echos, die im Verlauf der Sperrung der Torschaltung auftreten können.

Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, schlägt die vorliegende Erfindung in Form einer vorteilhaften Ausgestaltung vor, anstelle eines einzigen Zeitintervalls *C ausgehend von jeder Ausstrahlung zwei Zeitintervalle f und -r*¹ zu verwenden, wobei das eine Zeitintervall für Erfassungen oder Abtastungen ungerader Größenordnung und das andere Zeitintervall für die Erfassungen oder Abtastungen gerader Größenordnung dient. Es gelingt so, jedmögliches Umschaltrauschen völlig zu beseitigen, wobei je-

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doch das Unterdrücken von Echos, die sich während Sperrzeiten ergeben, vollständig beseitigt ist.

Der in Fig. 7 in schematischer Darstellung angegebene Schaltkreis erlaubt die Realisierung einer solchen Ausgestaltung. Es versteht sich aber, daß die in Fig. 7 angegebene Schaltung lediglich aus Gründen einer Erläuterung angegeben ist; sie läßt sich in der Praxis auch erheblich vereinfachen. Der Arbeitsablauf einer solchen Schaltung ist schematisch in Fig. 8 angegeben, wo jede Linie mit einem Bezugszeichen versehen ist und schematisch die Signale zeigt, die an solchen Punkten der Fig.5 auftreten, die die gleichen Bezugszeichen tragen. Die Zeitbasisschaltung 22 steuert parallel vier monostabile Kippschaltungen 35, 36, 37 und 38 an. Die Monoflops 35 und 36 liefern an ihren Ausgängen Vorsignale bzw. Weiterschaltsignale für Register, und zwar jeweils am Ende von festgelegten Zeitintervallen t und t₁, wobei ausgegangen wird von der Aussendung eines Impulses von der Zeitbasisschaltung oder dem Taktgenerator 22. Die Monoflops 37 und 38 liefern nach Ablauf von Zeitintervallen Impulse, die abwechselnd zunächst T^ ^un<* To» dann T¹, und tr¹3 gleich sind. Die sich abwechselnde Veränderung der Zeitintervalle kann in verhältnismäßig einfacher Weise dadurch erhalten werden, daß man Kippschaltungen 39 und 40 verwendet, die abwechselnd einen Feldeffekttransistor sperren und leitend schalten derart, daß von diesem ein zusätzlicher Widerstand dem RC-Glied der Monoflops 37 und 3 8 zugeordnet bzw. kurzgeschlossen wird.

Die Zeitintervalle T^ und T* ~ sind so bemessen, daß sie größer als die Hin- und Rückführzeiten für den Fokussierabstand y. und geringer als der Abstand für die Hin- und Rückführung der Fokussierung y₂ sind. In gleicher Weise sind die Zeitintervalle

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T", und T* 2 so bemessen, daß sie zwischen den Hin- und Rückführzeiten für Y2 und y^ liegen (Fig. 8) .

Jeder Monoflop 35, 36, 37 und 38 steuert einen zugeordneten Monoflop 41 mit festgelegter Verzögerungszeit St, diese Verzögerungszeit entspricht der gewünschten Dauer für die Sperrung oder Blockierung des Fensters. Eine Schaltanordnung von ODER-Gattern 42, 43 und 44 vermittelt einer analogen Torschaltung 45 die Gesamtheit der blockierten oder gesperrten Fenster-(Signale), die von den Monoflops 35, 36, 37 und 38 herrühren. Die analoge Torschaltung ist zwischen dem Steuerorgan 20 und dem Verstärker 26 eingefügt. Der Arbeitsablauf einer solchen Schaltung läßt sich der Darstellung der Fig. 8 entnehmen.

Am Ende eines Zeitintervalls Tj ausgehend von einem vom Taktgenerator 22 erzeugten Impuls bewirkt der Monoflop 35 die Weiterschaltung der Register, die daraufhin von der Sendekonfiguration übergehen auf eine Fokussierungskonfiguration, bezogen auf den Abstand y«. Zur gleichen Zeit erscheint ein Rechteckimpuls der Dauer Jt am Ausgang des ODER-Gatters 43 und sperrt die analoge Torschaltung 45.

Das Zeitintervall TZ kann ausreichend kurz sein, um einem Abstand zu entsprechen, der kleiner ist als die nahe Grenze der zu erfassenden oder auszuwertenden Zone. Unter diesen Bedingungen hat die Unterdrückung eventueller in dieser Zone auftretender Echos keine störenden Folgen.

Am Ende eines Zeitintervalls "Z~~ (oder £"'₂) erzeugt dann der Monoflop 37 seinerseits einen Schiebeimpuls und führt diesen den Registern zu, sowie einen Sperrimpuls für die analoge Torschaltung 45, die dieser über das ODER-Gatter 42 zugeführt

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wird. Man sieht, daß bei einer aufeinanderfolgenden Tiefenauswertung oder Tiefenerfassung verschobene "blinde" Zonen auftreten, jedoch ohne Überlappung zwischen diesen Zonen (hierbei ist in Fig. 8 eine solche Zone in dick durchgezogener Linienführung und die andere im Kurvenverlauf 42 gestrichelt angegeben .

Der Monoflop 38 wirkt sich dann in der gleichen Weise wie der Monoflop 37 aus, mit einer Verzögerung, die alternativ den Zeitraum T^ oder ·£··, umfassen kann.

Schließlich ergibt sich die Rückkehr zur Sendekonfiguration nach Ablauf eines Zeitintervalls tL. Dieses Zeitintervall T kann so ausreichend lang gewählt werden, daß das entsprechende Sperrfenster (Linie 43 in Fig. 8) einem Abstand entspricht, der größer als die Rückgrenze oder Rückfront der in ihrer Tiefe zu erforschenden Zone ist. Dieses Sperrfenster kann unmittelbar angeordnet werden vor der Aussendung eines neuen Ultraschall-Wellenzuges.

Als Beispiel sei darauf hingewiesen, daß man zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen verwenden und für die Sichtbarmachung des Herzmuskels nach dem Echographieverfahren B ausbilden kann.

Eine erste Vorrichtung verfügt über N = 80 Wandler, mit einem Empfang über 32 Elementarwandler und einer Folgefrequenz bzw. Abtastung von 50 Bildwechseln pro Sekunde, so daß sich eine Speicherung bzw. eine Darstellung nach Art eines Fernsehbildes ergibt. Die Fokussierungstiefen y₁, y_ und y₃ entsprechen dann jeweils als Beispiel Tiefen von 2,5 cm, 5 cm und 10 cm.

Bei einer anderen Vorrichtung mit langsamerem Funktionsablauf (25 Bildwechsel pro Sekunde) wurden N = 160 Elementarwandler

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verwendet, mit einer verstärkten Fokussierung mittels η = 64 Wandler.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Vorrichtung, die soeben beschrieben worden ist, nach vier verschiedenen Arbeitsverfahren verwendet werden kann, wodurch sich die vorteilhafteste Auswahl in jedem Fall jeweils wählen läßt, nämlich: Ausstrahlung und Empfang mit sämtlichen in Phase erregten Elementarwandlern (ohne reelle Fokussierung), Ausstrahlung oder Sendung mit in Phase erregten Elementarwandlern und Empfang mit Fokussierung in einer einzigen Tiefe,

Ausstrahlung und Empfang mit Fokussierung in einer einzigen Tiefe, insbesondere für die Echographie C und schließlich die Ausstrahlung mit in Phase liegender Ansteuerung von erregten Elementarwandlern und Verteilung mit Fokussierung auf im Verlauf der Auswertung einstellbare Tiefen, d.h. mit einem Resultat, welches vergleichbar ist mit einer Technik, die als sogenannte "tracking focusing" bezeichnet werden kann, jedoch mit Mitteln, die erheblich einfacher sind.

Bei diesem letzten Arbeitsverfahren unter Einschluß der weiter oben angegebenen numerischen Werte gelingt es, eine Feldtiefe zu erzielen, die sich ausgehend von unmittelbarer Nähe des Wand ler sy stems bis zu einem Abstand von etwa 20 cm erstreckt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einer Vielzahl von Abwandlungen und Varianten zugänglich.

Insbesondere können lediglich Schieberegister 16 und 17 mit N Positionen oder Stellen vorgesehen sein, wobei die Speicher

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18 und 19 mit ρ η Positionen durch ρ parallele Speicher ersetzt werden, die jeder über η Positionen verfügen. Der erste Speicher enthält die Sendekonfiguration. Der zweite Speicher enthält die Empfangskonfiguration, die einer Fokussierung mit kürzestem Abstand entspricht, dies geht dann so weiter. In diesem Fall ist es erforderlich, einen schnellen Taktgenerator zu verwenden sowie ein numerisches System, welches für jede Tiefenerfassung die folgende Sequenz zu realisieren gestattet: Verschiebung des Inhalts des ersten Speichers jedes Speichersatzes, derart, daß ihr Inhalt in η aufeinanderfolgende Positionen übertragen wird, was den Schieberegistern 16 und 17 mit N Positionen entspricht; Ausstrahlung eines Ultraschall-Impulszuges; Verschiebung des Inhalts des zweiten Speichers jedes Satzes, um in den Schieberegistern 16 und 17 den Ersatz der Sendekonfiguration durch die Empfangskonfiguration mit Fokussierung auf kürzestem Abstand zu bewirken; Verschiebung des Inhalts des dritten Speichers jedes Speichersatzes und so fort.

Die Folge nimmt dann wieder, jedoch um eine Position verschoben, in den Schieberegistern 16 und 17 die Gruppe von η Positionen an, die die aufeinanderfolgenden Verteilungen empfängt.

Diese Lösung erfordert offensichtlich die Verwendung eines schnellen Taktgenerators und eines logischen Schaltkreises, der umfangreicher als der bisher beschriebene ist, andererseits ergibt sich der Vorteil, daß man lediglich Schieberegister mit M Positionen anstelle von p.N Positionen benötigt. Darüber hinaus kann man über m = 4 Phasen verfügen (ο, 7Γ/2,7Γ, 3 Tf/2) anstelle von 2 Phasen, man kann unter Umständen sogar noch mehr Phasen erhalten für den Preis der Verwendung einer Verzögerungsleitung .

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Leerseite

Claims

OR.-ING. OlPI INQ. M. SC. DIPL.-PHYS. OR DIPL.-PHYS.

HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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Agence Nationale de Valorisation de la Recherche (ANVAR), 13, rue Madeleine Michelis, 92 522 Neuilly-Sur-Seine/Frankreich

Patentansprüche :

(1.1 Vorrichtung zur Ultraschallortung mit elektronischer Verschiebung und Fokussierung, gekennzeichnet durch N Elementarwandler (12i) , die einer Verschiebungslinie folgend gleichmäßig verteilt sind, einen Generator und einen Empfänger für eine Ultraschallfrequenz, die Schaltmitteln zugeordnet sind, die die Realisierung von m unterschiedlichen Phasenverschiebungen O, 2lT/m,..., 2(m-1) 7//m ermöglichen, durch Schaltmittel, die die Verteilung von m Phasen auf η aufeinanderfolgende Elementarwandler speichern, was einer Fokussierung eines vorgegebenen Abstands der Linie entspricht (n ist größer als m und kleiner als N), gekennzeichnet ferner durch Umschaltmittel, die so ausgebildet sind, daß eine Gruppe von η Wandlern, der erwähnten Verteilung folgend, mit Phasenschiebermitteln und mit einem Generator (oder einem Empfänger) verbunden werden und wobei die Gruppe von η Elementarwandlern der Verschiebungslinie folgend in zeitlichen Intervallschritten verschoben wird, mit einer solchen Ausbildung der Umschaltmittel, daß die Gesamtheit der η Elementarwandler mit den Phasenschiebermitteln nur im Verlauf einer Ausstrahlung (oder des Empfangs)und umgekehrt dann im Verlauf des Empfangs (oder der Ausstrahlung) lediglich ein Bruchteil n¹ der Elementarwandler mit den Phasenschiebermitteln verbunden wird, wobei die n¹ Wandler diejenigen aus den η Wandlern sind, die dem Fokussierungspunkt am nächsten sind.

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ORIGINAL INSPECTED

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß m = 2 und die Phasenschiebermittel von einem Inverter gebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Verteilung vom Typ Ao cos ^fist, wobei Y die Phase ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl n¹ der Wandler so gewählt ist, daß di^s der ersten Fresnel-Zone der Verteilung entspricht, so daß die Fokussierung am vorgegebenen Abstand sichergestellt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermittel zwei tote Speicher mit ρ·η Positionen umfassen, die so ausgebildet sind, daß

der erste Speicher in den Positionen 1, p, 2p,... (n-1)p die Speicherstellen oder Standorte derjenigen von η mit dem Generator mit der ersten Phase zu verbindenden Elementarwandlern und in den Positionen 2, p+1 ,..., (n-1)p+1 die Standorte derjenigen der η Elementarwandler speichert, die mit der ersten Phase mit dem Empfänger zu verbinden sind zur Realisierung einer Fokussierung bei einem ersten vorgegebenen Abstand von der Verschiebungslinie, sowie gegebenenfalls in einer Gruppe oder in anderen Gruppen von η Positionen den Standort von η Elementarwandlern speichert, die mit der genannten ersten Phase mit dem Empfänger zu verbinden sind, um eine oder mehrere Fokussierungen bei einer anderen oder bei anderen vorgegebenen Abständen zu bewirken, und daß

der zweite Speicher (19) in den Positionen 1, p, 2p,... (n-1)p die Standorte derjenigen von η mit der zweiten Phase

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mit dem Empfänger zu verbindenden Elementarwandlern und in den Positionen 2, p+1,..., (n-1)p+1 die Standorte derjenigen von mit dem Empfänger mit der zweiten Phase zu verbindender Elementarwandler speichert zur Realisierung einer Fokussierung bei einem zweiten vorgegebenen Abstand zur Verschiebelinie sowie gegebenenfalls in einer Gruppe oder in anderen Gruppen von η Positionen die Standorte von η Elementarwandlern speichert, die mit der erwähnten zweiten Phase mit dem Empfänger zu verbinden sind zur Realisierung einer oder mehrerer Fokussierungen bei einer anderen oder bei anderen vorgegebenen Abständen,

daß ein Taktgenerator (22) vorgesehen ist zur Verschiebung der Speicherinhalte und ihrer Serieneingabe in zwei Schieberegister (16, 17) mit jeweils ρ Ν Positionen, wobei jede Position die einem Elementarwandler zugeordneten Umschaltmittel steuert und wobei der Taktgenerator gleichermaßen die Verschiebung der Inhalte der erwähnten ρ Ν Positionen aufweisenden Schieberegister mit einem Zeitmaß bewirkt, daß nach jeder Abstrahlung die Wandler (12i) den sukzessiven Empfangverteilungen folgend geschaltet sind entsprechend den Durchgangszeitdauern für die gewählten Fokussierungsabstände.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermittel zwei Schieberegistersätze aufweisen, wobei jeder Satz ein erstes Schieberegister zur Speicherung der Standorte derjenigen von η Elementarwandlern umfaßt, die jeweils mit der ersten oder der zweiten Phase mit dem Generator zu verbinden sind, sowie ein zweites Schieberegister, welches zur Speicherung der Standorte derjenigen von η Elementarwandlern bestimmt ist, die mit der ersten oder der zweiten Phase mit dem Empfänger zu verbinden sind zur

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Realisierung einer Fokussierung bei einem vorgegebenen Abstand zur Verschiebelinie, und daß gegebenenfalls weitere Schieberegister vorgesehen sind, die zur Speicherung der Standorte von η Elementarwandlern bestimmt sind, die mit der ersten oder der zweiten Phase mit dem Empfänger verbunden werden müssen zur Realisierung einer oder mehrerer Fokussierungen bei einer anderen oder mehreren anderen vorgegebenen Abständen und daß schließlich ein Taktgenerator vorgesehen ist, der die Verschiebung des Inhalts des ersten Schieberegisters und seine Serienübergabe in η aufeinanderfolgende Positionen bewirkt, die von einem Schieberegister mit N Positionen bestimmt sind, wobei jede Position die einem Elementarwandler zugeordneten Umschaltmittel steuert und daß der Taktgenerator weiter so ausgebildet ist, daß er die Verschiebung des Inhalts des zweiten Schieberegisters und dessen Serienübergabe in die gleichen Positionen eines Schieberegisters mit ρ N Positionen bewirkt usw., wobei die Verschiebeabfolge vom Taktgenerator wieder aufgenommen wird, indem die Gruppe von η Positionen in dem N Positionen aufweisenden Schieberegister um eine Position weitergeschoben wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 Oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendekonfiguration so ausgewählt ist, daß sie der ersten Fresnel-Zone einer Fokussierung in einem mittleren Abstand zwischen den verschiedenen vorgegebenen Abständen ausgehend von der Verschiebelinie entspricht, deren Anzahl größer als 1 ist.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltmittel so ausgebil det sind, daß nach jeder Ausstrahlung die Empfangsverbindun-

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gen zu einem Zeitmoment geändert werden, der abwechselnd mit Bezug auf die Ausstrahlung eine erste oder eine andere von zwei Verzögerungen aufweist und daß der Empfänger während eines vorgegebenen Zeitraums St nach jeder Umschaltung blockiert ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ümschaltmittel so ausgebildet sind, daß lediglich die Zeitverzögerung modifiziert wird, die Empfangskonfigurationen entspricht, die anders sind als die, die zur Fokussierung auf den kürzesten und aufden entferntesten Abstand bestimmt sind.

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