Vorrichtung zur Ultraschalldarstellung mittels dynamischer Fokussierung

Abstract

 Der Empfänger (80) eines Ultraschallsystems wird in konzentrisch ineinander liegende Teile (81,82,83) aufgeteilt, die je einem Speicher (130,131,132,133) zugeordnet sind. Eine Verzögerung der zwischen dem Zentrum (81) und den ausseren Rinren (82,83) ankommenden Schallwellen wird dadurch erreicht, dass äussere Empfänger und Speicher (132,133) mit einer grösseren Taktfrequenz (141,142,143) unterteilt werden oder dass Verzögerungsleitungen (201,202) vorgesehen sind. Die Verteilung der Signale wird mit einer geeigneten logischen Schaltung (135,137,139,148, 170) so sortiert, dass den Speichern (130, 131, 132, 133) bildschirmgerechte Signale entnommen werden können.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Darstellung eines Körpers auf einem Fernsehbild und insbesondere dabei die Verwendung dynamischer Fokussierung die auf Ultraschalldarstellungssysteme anwendbar ist.

[0002] Während der letzten zwei Jahrzehnte ist die Ultraschalltechnik in der klinischen Diagnostik stets bedeutungsvoller geworden. Die Ultraschalltechnik wurde unter anderem bereits im Bereich der Gynäkologie, der Neurologie und der Kardiologie verwendet, wobei sie z.B. bei der Sichtbarmachung subkutaner Blutgefäße (einschließlich kleinerer Gefäße) erfolgreich angewandt wurde.

[0003] Für die Anwendung der Ultraschalltechnik in der Medizin sprechen bedeutende Gründe: Ultraschall unterscheidet sich von anderer Art von Bestrahlung durch die damit verbundene harmlose Auswirkung auf lebende Systeme, weil sie rein mechanischer Wellennatur ist. Durch die Ultraschalltechnik ist Information erreichbar, die von anderen Methoden, beispielsweise durch Untersuchung mit γ-und Röntgenstrahlen, nicht erreichbar ist. Vor allem ist das Risiko einer Verletzung bei der Verwendung von Ultraschall viel geringer als z. B. bei der Verwendung ionisierender Strahlen (y- oder Röntgenstrahlen). Ultraschall wird in der Hauptsache als Pulsechomethode in der diagnostischen Technik verwendet, wozu Impulse von Ultraschallenergie periodisch von einem piezoelektrischen Geber; z. B. auf Blei-Zirkonat-Titanat Keramik-Basis, erzeugt werden. Jeder kleine Impuls Ultraschallenergie .wird als Schallwelle gebündelt auf den Körper des Patienten gerichtet, wobei er über gegebenenfalls verschiedene Strukturen der Oberfläche eindringt. Hat eine Grenzfläche des Körpers eine Unregelmäßigkeit, an der sich die Phase der Ultraschallwelle ändert, so wird ein Teil der Ultraschallenergie wieder zurückgeworfen. Nach Abgabe eines Ultraschall-Impulses wird das Ultraschallgerät gewöhnlich auf Empfang gestellt, um reflektierte (oder Echo-)Signale vom Körper zurück in elektrische Signale wandeln zu können. Die Zeit, nach der diese Echosignale an den Empfänger zurückkommen, ist direkt vom Abstand der Reflexionsquelle und von der Schallgeschwindigkeit abhängig. Auch die Stärke des Schallechos ist interessant, weil sie Informationen über die Art einer Störstelle liefert.

[0004] Das Echo von Schallwellen kann auf verschiedene Weise dargestellt werden. Einerseits gibt es Geräte mit Verstärker, mit denen die dem empfangenen Ultraschallecho entsprechenden elektrischen Signale verstärkt an den vertikal ablenkenden Platten einer Kathodenstrahlröhre angelegt werden. Der Ausgang eines_.Zeitgenerators liegt dabei an der horizontalen Ablenkung der Kathodenstrahlröhre. Eine stetige Wiederholung des Impuls/Echo-Vorganges, synchronisiert mit dem Zeitgenerator führt dann zu einem stehenden Bild, sogenannte "A-Ab- - tastung", bei der die Zeit der Eindringtiefe proportional ist und vertikale Ablenkungen vorhandene Fehlordnungen signalisieren. Die Intensität dieser vertikalen Ablenkungen ist ein Maß für die Intensität des Echos.

[0005] Eine andere übliche Art bildlicher Darstellung von Ultraschallwellen ist die sogenannte B-Abtastung, bei der die Echoinformation dem üblichen Fernsehbild entspricht. d. h. die empfangenen Schallechosignale werden zur Modulierung der Helligkeit des Schirmes je Abtaststelle verwendet. Dieser Bildschirmtyp wird speziell für durch den Körper gehende Schallwellenbetrachtung verwendet, so daß jede Intensitätsinformation mehrere Abtastlinien des Bildschirmes beansprucht und die aufeinanderfolgenden Positionen hintereinander werden zur Darstellung von aufeinanderfolgender Linien auf dem Bildschirm verwendet. Mit dieser Technik wird ein Durchlichtbild in einer Ebene abgetastet und das resultierende Bild kann direkt betrachtet werden oder durch eine Photographie oder magnetisches Spcichcrband gelagert werden.

[0006] Eine Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein Gerät zu schaffen, bei dem die durch den Körper gehende Ultraschallabtastung mit einem Reflektor durchgeführt wird, der mechanisch über einen bestimmten Winkel mit der gleichen Frequenz, wie für die Ablenkung des Elektronenstrahles eines Bildschirmes gedreht, geführt wird. Der Reflektor müßte demnach sägezahnförmig wie der Linienantrieb des Bildschirmes gedreht werden, um Verluste zu vermeiden. Das ist wegen der Trägheit der Spiegelmasse relativ zur Trägheit eines Elektronenstrahles aber praktisch nicht möglich. Ultraschallwellen sind also nicht ohne weiteres zur Darstellung auf einem elektrisch gesteuerten Bildschirm geeignet.

[0007] Es ist außerdem bekannt, daß Ultraschall am Grenzübergang zwischen einer Flüssigkeits- und einer Gasphase reflektiert. Dies hat zu einer Uitraschalltechnik geführt, bei der der Ultraschall durch eine abgeschlossene Flüssigkeit geleitet wird, in der er als Körperschall weniger Verluste hat. Wenn sich aber der reflektierende Abtastschirm in einer Flüssigkeit, wie Wasser befindet, stellt sich erst recht das Anpassungsproblem sehr schneller (Rück-)Bewegung - wegen großen inneren Widerstandes der Flüssigkeit nach einer langsamen Hinbewegung - für Darstellung auf dem Bildschirm. Dies gilt insbesondere für Abtasteinrichtungen mit großem Abtastbereich, bei denen der innere Widerstand der Flüssigkeit einer Beschleunigung des Reflektionsschirmes entgegensteht.

[0008] Die.Schallanregungs- oder Fühlerplatte der beschriebenen Geräte hat begrenzte Ausdehnung, wovon die begrenzte Eindringtiefe der meßbaren Ultraschallwellen abhängt Es is.t darüberhinaus bekannt, daß Ultraschallwellen mit geeigneten Linsen gerichtet werden können, wie sie im US-Patent Nr. 3,598,559 beschrieben sind und/oder durch Unterteilung des Ultraschallanregungs- und Fühlersystems in verschiedene kleine Teile, die über.unterschiedliche Verzögerungsleitungen verbunden sind. Eine Art von Fokussierung kann beispielsweise dädurch erreicht werden, daß schallaufnehmende Bauelemente mit einer Vielzahl von konzentrisch ineinanderliegenden Scheiben von übertragungselementen ausgebildet sind, die über verschiedene Verzögerungsleitungen verbunden sind. Wegen der relativ geringen Schallgeschwindigkeit spielt der Wegunterschied, den die Schallwellen von der Mitte eines Senders zu seiner Randzone beim Hin- und Rückweg über einen theoretischen Brennpunkt hin und zurück überschreiten,eine große Rolle, wenn analog zu elektromagnetischen Wellen eine Strahlbündelung vorgesehen ist. Der Wegunterschied zwischen dem kurzen Weg von Brennpunkt zu Sendermitte zum Weg vom Brennpunkt zum Senderrand muß gemäß eines doppelten Durchlaufes der Ultraschallwellen mit Verzögerungsmitteln ausgeglichen werden. Dabei haben sich elektrische Verzögerungsleitungen auf dem Weg vom elektrischen Erreger zum Schallwandler bewährt.

[0009] Es ist ferner bekannt, die Ultraschallmeßtiefe durch Variation der Verzögerungsleitungen zu verändern. Nicht veränderbare Verzögerungsleitungen gestatten lediglich eine Ultraschallmessung mit einem fest vorgegebenen Brennpunkt, der bei Variation der Verzögerungsleitungen auf unterschiedliche Problemstellungen zur Untersuchung angepaßt werden kann. Schließlich muß noch beachtet werden, daß Ultraschallwellen für tiefergehende Untersuchung länger im Körper verweilen. Bei einer Untersuchung wird die Beobachtung des Körpers in verschiedenen Tiefen verlangt. Bei tiefergehender Untersuchung gleicht sich oder Wegunterschied zwischen zentraler Empfangsstelle und Randzonen etwas aus, der durch entsprechende Einstellung der Verzögerungsleitungen zu berücksichtigen ist. Wegen der großen Zahl an Einstellungsmöglichkeiten der Verzögerungsleitungen ist der technische Umfang und der Gebrauch solcher Geräte sehr kompliziert.

[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallechomeßgerät zu schaffen, das möglichst wirtschaftlich aufgebaut' ist, störungsfrei arbeitet und leicht zu bedienen ist. Eine Aufgabe der Erfindung wird also vor allem darin gesehen, bekannte Geräte erheblich zu verbessern.

[0011] Ein Gerät zur Abbildung von Ultraschall, mit dem ein Körper zur Diagnose beaufschlagt und der teilweise als Echo wieder zurückgeworfen wird, mit einem elektroakustischem Wandler besteht gemäß der Erfindung aus einer Vielzahl von Elementen des Wandlers, die in konzentrischen Ringen ineinander in einer Ebene angeordnet sind. Vorteilhaft wird ein solcher elektroakustischer Wandler gleichzeitig zur Abgabe der Ultraschallwellen und zum Empfang der reflektierten Ultraschallwellen verwandt. Das Gerät weist ferner eine Vielzahl von Register- .einheiten auf, vorzugsweise analog arbeitetende Zählwerke des sogenannten "CCD"-Types (Ladungstransportspeicherregister). Jedes Register ist ah ein Wandlerelement gekoppelt. An jedes Register ist.ein Taktimpulsgeber angeschlossen, die Signale mit einer ersten,Taktfrequenz erzeugen. Ferner ist eine Vielzahl weiterer Taktimpulsgeber vorgesehen, die ebenfalls mit den Analogspeichern verbunden sind. Die zweite Art von Taktgebern liefert Takte mit unterschiedlicher vorgegebener Taktfrequenz. Außerdem sind zeitabhängige Taktgeber vorgesehen, die die Arbeitsweise der ersten und zweiten Taktgeber steuern, so daß wechselweise ein Speicher mit einer Frequenz beladen und gleichzeitig der andere Speicher mit der anderen Frequenz ausgelesen wird. Schließlich ist eine elektrische Verbindung zum Transport der ausgelesenen Signale zu einem Abbildungssystem vorgesehen.

[0012] Bei vorliegender Erfindung wird die je Wandlerelement erforderliche Verzögerungsleitung durch eine vorgegebene Frequenz der zweiten Taktgeber ersetzt. Mit der jeweiligen Taktfrequenz wird je eine Zeile entsprechend verzögert in einen Speicher eingelesen. Die durch Verzögerung der Taktfrequenz eingelesene Frequenz kann aus dem Speicher mit einer gemeinsamen Frequenz für alle Segmente ausgelesen werden.

[0013] Eine andere Ausführungsform der Erfindung wird darin gesehen, daß entgegengesetzt zu dem bisher beschriebenen Einleseverfahren die Speicher mit einer gemeinsamen Frequenz beladen und erst beim Herauslesen mit unterschiedlicher Frequenz die für jedes Segment erforderliche Verzögerung berücksichtigt wird. Außerdem kann beim Ein- und beim Auslesen der Taktfrequenz auf das jeweilige Segment abgestimmt sein.

[0014] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind anhand der schematisch dargestellten Zeichnung im folgenden beschrieben. Es zeigen

Figur 1 ein Gerät der Erfindung im Einsatz,

Figur 2 im Querschnitt einen Meßkopf des Gerätes mit einem Blockschaltbild der zugehörigen Auswertelektronik,

Figur 3 einen Teil der elektrischen Schaltung in Blockform, der zur Anpassung des dynamischen Br.ennpunktes vorgesehen ist,

Figuren 4 A und B zur Darstellung hilfreiche Funktionen der Schaltung aus Figur 3,

Figur 5 ein Blockschaltbild einer anderen Schaltung für die Erfindung,

Figuren 6 A und B die zugehörigen Funktionen zur Erklärung des dynamischen Brennpunktes für Schaltung von Figur 5,

Figur 7 eine weitere Ausführung der elektrischen Schaltung in Blockform,

Figur 8 eine zum Verständnis geeignete graphische Darstellung.

[0015] In Figur 1 werden die äußeren Maße eines Abtastgerätes gemäß der Erfindung im Vergleich mit einem Objekt gezeigt. Das Kontrollpult 10 enthält einen Bildschirm 11, beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre, in einer geeigneten Frontplatte. Außcrdem können ein Videobandrecorder oder ein anderer Speicher

[0016] z. B. auf der Basis photographischer Signale (Bildschirmkopierer), im Kontro11pult 10 enthalten sein, um die Signale zur Anzeige eines Bildes zu liefern.Ferner enthält das Kontrollpult 10 eine Energieversorgung und Teile der Schaltung für die Erzeugung zeitabhängiger Frequenz und zum Antrieb des Abtasters in dem Meßkopf 50. Der Meßkopf 50 (oder Sonde) ist mit dem Kontrollpult 10 mit einer elektrischen Leitung 48 verbunden. Der Meßkopf 50 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist im wesentlichen zylindrisch geformt und hat in der Nähe eines Endes ein Abtastfenster 51, das beispielsweise aus elastisch nachgiebigem Material, wie. Silicongummi,besteht. Zur Handhabe des Gerätes wird der Meßkopf 50 in eine vom Bediendenden in der Hand .zu haltenden Position gebracht,-so daß das Abtastfenster 51 auf das abzutastende Objekt gerichtet ist..Bei dem in Figur 1 dargestellten Objekt soll beispielsweise der Bereich um das Herz eines Menschen abgetastet werden. Selbstverständlich kann die Sonde auch zur Messung anderer Körperstellen oder anderer Objekte verwendet werden, auf die sie mit Handgriff zu richten wäre.

[0017] Gemäß Figur 2 wird die Sonde 50 im Querschnitt dargestellt, an die zugehörige Teile der Auswerteelektronik angeschlossen sind, die teils in der Sonde 50 und teils im Kontrollpult 10 angeordnet sein können. Das Gehäuse des Meßkopfes 50 schließt eine vordere Schalleitkammer 52, die eine Flüssigkeit enthält, und eine hintere Schallmeßkammer 53; die einen Teil der Elektronik enthält, ein. Beide Kammern 52 und 53 haben Zylinderform mit gleichgroßem Durchmesser, so daß sie mit Hilfe eines Rohres 54, das an seiner Außenseite einen ringförmigen Ansatz 55 besitzt, zu einem Zylinder zusammengesetzt werden können. Das (Innen-)Rohr 54 trägt einen flachenförmigen Schallgeber 80 und eine Schallsammellinse 90, von dem die. beiden Gehäuseteile voneinander getrennt werden (vgl. US-Patent 3,958,559). Das Abtastfenster 51 befindet sich am Ende der Kammer 52. Rings um die Fensteröffnung ist ein Ansatz vorgesehen, auf der eine elastisch nachgiebige Membran 56, beispielsweise Silicongummi-Membran, aufgezogen ist. Die vordere Schallkammer 52 ist mit einer Flüssigkeit.57, beispielsweise Wasser, ausgefüllt. Die Membran 56 soll so elastisch sein, daß sie sich mit dem Meßkopf an die Oberfläche des zu messenden Körpers glatt anlegt, um störende Reflektionen von Schallwellen an einem Übergang zwischen der Flüssigkeit des Gerätes zum Objekt möglichst gering zu halten.

[0018] Eine flache, z.B. metallische, schallreflektierende Abtasteinrichtung 70 ist in der Flüssigkeit 57 zwischen der Schalllinse 90 und dem Abtastfenster 51 angeordnet. Natürlich kann die Oberfläche der nicht gewölbt gezeichneten Abtasteinrichtung gebogen sein und selbst reflektierte Schallwellen fokussieren oder zerstreuen. Die Abtasteinrichtung 70 (Schallspiegel) ist an einer senkrecht zur Zeichenebene liegenden Achse 71 befestigt, die durch die Gehäusewand der vorderen Schalleitkammer 52 hindurchgeführt sein kann, um von außen mit einem kleinen elektrischen Motor 72, der die Hin- und Herbewegung erzeugt, betrieben zu werden. Ein ebenfalls auf der Drehachse des Schallspiegels und am Gehäuse 52 befestigter Drehmomentgeber 73 ist in Figur 2 noch besonders herausgezeichnet worden.

[0019] Der gestrichelt dargestellte Drehmomentgeber 73 kann wie die äußeren Teile des Elektromotors in einem nicht-dargestellten übergestülpten weiteren Gehäuseteil untergebracht sein. Der Schallgeber (Anreger) 80 ist direkt mit einem elektrisch betriebenen Schallerzeuger bzw. Schallempfänger 130 verbunden, von dem abwechselnd schallanregende Impulse ausgehen und am Schallfühler 80 zurückkommende Schallechoimpulse empfangen werden. Es ist nicht dargestellt, daß zwischen dem akustischen Anreger 80 und elektrischen Anreger 130 noch verschiedene an sich bekannte elektrische Einrichtungen zur Konzentrierung des Ultraschallstrahles vorgesehen sein können.

[0020] Zur dynamischen Fokussierung. beispielsweise mit Stufenlinsen wird auf unser US-Patent Ser. No. 665,898 (US-Patent No. ) verwiesen.

[0021] Der elektroakustische Wandler 80 ist in eine Vielzahl von Segmenten unterteilt, die in konzentrischen Ringen um ein zentrales Element in einer Ebene liegen. In der Darstellung sind nur drei Segmente, bezeichnet mit 81, 82 und 83, anstelle einer unübersichtlichen Vielfalt dargestellt. Selbstverständlich hat der elektroakustische Wandler sehr viel mehr Segmente. Die Segmente des elektroakustischen Wandlers 81 - 83 sind mit einem elektrischen Impulserreger 120 verbunden, von dem sie in bekannter Weise zur Abgabe von Ultraschall angeregt werden können. Die Schallwandlerelemente sind ferner mit den neuen Schaltung zur dynamischen Einstellung des Brennpunktes gemäß der Erfindung verbunden.

[0022] Die mit 130 bezeichnete Schaltung arbeitet nur beim Empfang von Schallwellen und leitet elektrische Signale entsprechend den reflektierten Echosignalen des Ultraschall zwecks Abbildung auf einem Bildschirm weiter. In diesem Schaltkreis können noch Vorverstärkungen und Verstärker vorhanden sein, die im einzelnen in der Figur nicht dargestellt sind. Der Ausgang des Schaltkreises 130 zur dynamischen Einstellung des Brennpunktes ist mit einem Bildschirm 11 und einem weiteren Empfänger verbunden, der zur Speicherung des Fernsehbildes durch Videoeinrichtung dient. Eine besonders vorteilhafte Schaltung zur Verstärkerregelung ist in der US-Patentschrift 4,043,181 (US-Ser. No. 569,185) näher beschrieben. Mit einer solchen Verstärkerregelung soll en Echosignale, die außerhalb des Meßbereiches entstehen, herausgefiltert werden.

[0023] Der Zeittaktgenerator 170 ist vorgesehen, um Impulse mit zeitgleichen Abständen zu erzeugen, mit denen das System synchronisiert wird; die Impulse des Zeitgenerators 170 werden dem Impulserzeuger 120 und dem dynamischen Impulsempfänger 130 wechselweise und darüberhinaus dem Abtastantrieb sowie der Schaltung für die Ablenkung des Elektronenstrahles 180 zugeleitet, so daß taktgleich abwechselnd Ultraschallimpulse abgegeben und empfangen werden und daß die Bewegung des Spiegelantriebes sowie die vertikale und horizontale Ablenkung des Elektronenstrahles der Kathodenstrahlröhre 11 aufeinander abgestimmt werden.

[0024] Im großen und ganzen funktioniert die Schaltung wie folgt: Durch ein Trägersignal des zeitkonstanten Taktgenerators,170, geleitet über die Verbindung 178, wird der Impulsgenerator 120 zur Erzeugung von Impulsen angeregt, die auf die Segmente des elektroakustischen Wandlers 80 übertragen werden. Konzentrische Ringsegmente von-Ultraschallwandiern werden zur Ausrichtung eines Ultraschallstrahles auf einen Brennpunkt wie bekannt über Verzögerungsleitungen angeregt. Eine weitere Strahlausrichtung ist durch die Linse 90 möglich. Der über den Abtastspiegel 70 in den zu untersuchenden Körper eingebrachte Ultraschallstrahl, dessen Bereich in der Figur durch gepunktete Linien dargestellt ist, wird nach Schallabgabe durch darauf folgende Umstellung des Gerätes auf Empfang als Echo teilweise wiedererkannt. Der elektroakustische Wandler 80 formt nun in umgekehrter Richtung die über den Abtastspiegel zurückgeworfenen Echosignale in elektrische Impulse um.

[0025] Die elektrischen Signale werden durch den Schaltbaustein 130 auf einem Bildschirm 11 sichtbar gemacht. Der Bildschirm zeigt einen Schnitt in Richtung der eingesandten Ultraschallwelle durch das Objekt, sogenannte B Abtastrichtung. Die zweite Dimension des Bildes ist der Schwenkbereich der Ultraschallwelle, die durch langsame Zurückbewegung des Abtastspiegels 70 in Richtung des doppelseitig gerichteten Pfeiles 7 erhalten wird.

[0026] Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm der elektrischen Schaltung zur dynamischen Strahlausrichtung für den Schaltbaustein 130, der an die Segmente des Ultraschallwandlers 80 angeschlossen ist. Je Segment 81 - 83 ist ein Speicher 131 - 133 angeschlossen. Die Speicher sind vorzugsweise Bauelemente, die analog als sogenannte CCD-Bausteine arbeiten. Der Ausgang dieser Speicher ist an einem Additionsglied 147 angelegt, dessen Ausgang am Eingang des Gatters 148 liegt. Der Ausgang des Gatters 148 ist über ein Filter 149, von dem aufgeprägte Taktimpulse aussondiert werden, mit dem Bildschirm 11 verbunden.

[0027] Taktgeneratoren 141, 142 und.143 sind je einem Schallwandler 81 - 83 zugeordnet, an dem sie Takte erzeugen, mit denen Information in die Register 131 - 133 eingespeist wird. Der Taktgenerator 141 erzeugt eine vorgegebene Frequenz F₀, der Taktgenerator 142 eine vorgegebene Frequenz F₀ ⁺ _A F₁ und der Taktgenerator 143 eine vorgegebene Frequenz F₀ + Δ F₂. Die Ausgänge der Taktgeneratoren 141 - 143 sind mit den entsprechenden Registereingängen über UND-Gatter 151, 152 und 153 verbunden, durch die das Einzählen in die Speicher gesteuert wird. Der zweite Eingang jedes UND-Gatters 151 - 153 liegt am Ausgang des Schalters 154. Der Ausgang des UND-Gatters 151 ist außer mit dem Eingang des Speichers 131 mit dem.Zähler 155 verbunden, der Impulse mit einer Frequenz F₀ zählt.

[0028] Im Beispiel der vorliegenden Erfindung hat jedes Register 131 - 133 n Speicherplätze, demgemäß zählt der Zähler 155 maximal bis zur Zahl n. Wenn der Zähler 155 n Impulse gezählt hat, setzt er sein Zählwerk wieder auf 0 und schließt den Schalter 154, der von dem Zeitgenerator 170 gesteuert wird. Das in dieser Weise beschriebene Zählsignal kann vorteilhaft dazu verwendet werden, das Gerät von Senden auf Empfang umzustellen. Die Taktfrequenz des zeitabhängigen Taktgenerators 170 ist ferner so eingestellt, daß nur Echowellen im vorgesehenen Meßbereich empfangen werden.

[0029] Ein Impulsgenerator 135 liefert Impulse der Frequenz F_C, die mit jedem Speicher 131 - 133 verbunden sind, und nach denen die Information aus den Speichern gelesen wird. Der. Ausgang des Generators 135 ist über das Gatter 139 mit den Speichern verbunden. Das Gatter 139, das auch noch mit einem Zähler 136 verbunden ist, der maximal m Stellen zählt, setzt beim Erreichen der maximal zulässigen Impulse m den Zähler 136 auf 0, schließt den Schalter 137 und vertauscht die Arbeitsweise des Gerätes von Empfang auf Speicher über den Schalter 155, in den der Schalter 137 das UND-Gatter 139 bzw. das UND-Gatter 148 in entgesetzte Schaltstellung versetzt.

[0030] Die in Figur 3 im einzelnen dargestellte Schaltung 130 arbeitet im großen und ganzen wie folgt:

Nach einem Signal des Zeitgenerators 170 öffnet sich der Schalter 154, der seinerseits die Gatter 151 - 153 öffnet. Somit können elektrische Signale von den elektroakustischen Wandlern 81 - 83 in den Speichern 131 - 133 mit der jeweils vorgewählten Taktrate der Taktgeneratoren 141 - 143 eingelesen werden, bis m Takte, die vom Zähler 155 mitgezählt werden, gespeichert sind. Der Speicher 131 wird dabei mit der niedrigen Frequenz F_O aufgefüllt, bis der Zähler 155 m Takte gezählt hat, nach denen er sich selbst auf 0 setzt, den Schalter 154 schließt und den Schalter 137 öffnet. Der Schalter 154 schließt auch die Gatter 151 - 153 und beendet somit den Speichervorgang, dem nun durch den Schalter 137 ausgelöst, das Auslesen folgt, indem die Gatter 139 und 138 geöffnet werden. Die Information aus den Speichern 131 - 133 gelangt über Addierer 147 und Gatter 148, sowie Filter 149 _- auf den Bildschirm 11. Von dem Filter 149 werden aufgeprägte Taktfrequenzen wieder entfernt. Das Auslesen wird mit einem Zähler 136 kontrolliert, der die beim Auszählen aufgeprägten Impulse vom Impulsgenerator'135 bis zu einer Zahl maximal m zählt, wobei n zeitgleich m gesetzt wird, wonach der Zähler 136 den Schalter 137 wieder schließt und Gatter 139 und 148 wieder öffnet.

[0031] Eine Verzögerung der Ultraschallimpulse wird also erst nach Empfang dadurch simuliert, daß die vom Ultraschallwandler gelieferten Signale mit zum Rand des Wandlers steigender höherer Taktfrequenz eingelesen werden. Dadurch wird der aus den Figuren 4 A und B sichtbare Wegunterschied zum Rand ausgeglichen. Der Unterschied in der jeweiligen Taktfrequenz wird durch einen entsprechenden Auslesevorgang verdoppelt. Bei der Verwendung der Frequenzen F₀, F₀ + Δ F₁ und F₀ + Δ F₂ ist der Unterschied zum zentralen Wandlerelement n mal Δ T₁ und n mal Δ T₂ ( wobei F = 1 : T). Die Verzögerung wird also.direkt von den Taktgeneratoren 141 - 143 eingestellt.

[0032] Da der Unterschied der Verzögerung von der Eindringtiefe abhängig ist (vgl. Figuren 4 A und β, in denen Messung bei verschiedenen Brennpunkten Z a bis Z c'dargestellt ist) ist der Unterschied der Verzögerung der benachbarten Wandlerelemente umgekehrt zur Eindringtiefe einzustellen. Einen Teil der Verzögerung übernimmt die Fokussierungslinse 90 (Figur 2), die jedoch nicht größer als die Mindestverzögerung bei maximaler Eindringtiefe sein soll. Für darüber hinausgehende Eindringtiefe waren die bekannten Ultraschällgeräte nicht geeignet. Sollten Meßgeräte mit beliebig großer Eindringtiefe entwickelt werden, dann müßte als erstes die Fokussierungslinse 90 entfallen.

[0033] In Figur 4 A ist eine Anordnung etwa in der Größenordnung eines zu bauenden Gerätes dargestellt, der man entnehmen kann, daß Schallwellen vom vorgesehenen Brennpunkt Z a zum ersten Ring 2,5 msec und zum zweiten Empfängerring 5,0 msec länger als bis zum Zentrum benötigen. Bei größerer Eindringtiefe ist der Unterschied, den Ultraschallwellen von Brennpunkt zu den äußeren Empfängerzonen benötigen entsprechend geringer.

[0034] Wenn man davon ausgeht, daß die Speicher 131 - 133 mit 1000 Speicherplätzen ausgelegt sind und daß der Zähler 155 bis zur Zahl 1000 zählt, wenn man weiterhin von einer Taktfrequenz F₀ = 20 Megahertz mit einer Verschiebung Δ F₁ von 1,05 Megahertz und ΔF₂ = 2,22 Megahertz ausgeht, dann werden von den Taktgeneratoren 141 - 143 Impulse mit einer Frequenz von 20 Megahertz, 21,5 Megahertz und 22,22 Megahertz geliefert..

[0035] Bei diesem Beispiel wird das Gerät wie folgt eingestellt: Der Zeittaktgenerator 170 wird auf ein Signal eingestellt, das in der kürzesten Zeit vom Punkt Z a in Segment 81 aufgenommen wird. Die taktweise Speicherung der Signale in den Speichern 131 - 133 dauert nun 50 µsec., das genau 1000 Takten bei einer 20 Megahertz-Frequenz entspricht. Der Zähler.155 zählt diese 1000 Takte genau mit, bis der Speicher vollständig aufgefüllt ist, so daß auf dem zuletzt aufgefüllten Speicherplatz eine Echoinformation vom Brennpunkt Z a vorhanden ist. Die Taktperioden der Taktgeneratoren 142 und 143 dauern 47,5 und 45 µsec. Die äußeren Ultraschallwandler sind somit in kleinere Speicherplätze aufgeteilt, sie empfangen also nach der gleichen Empfangszeit mehr Zeittaktimpulse, so daß ebenfalls auf dem letzten Speicherplatz die Information von Brennpunkt eingelagert wird. Um so kleiner jedoch die Einspeichertaktfrequenz ist, um so größer ist der Abstand zu entsprechenden Information der benachbarten Wandler. Auf diese Weise wird der Brennpunkt elektrisch einstellbar verschoben.

[0036] Die durch verschiedene Eintaktung vorgegebene elektrische Verschiebung des Brennpunktes wird natürlich erst dann sichtbar, wenn die Speicher mit gleichmäßiger Frequenz wieder ausgelesen werden. Noch deutlicher kann eine Verschiebung elektrisch herausgestellt werden, wenn die gleiche Verzögerung in umgekehrter Reihenfolge elektrisch ausgetaktet wird. Das ist schaltungstechnisch ganz einfach, weil eine dazu erforderliche Steuerung bereits zur Aufnahme und Speicherung der Signale vorgesehen ist.

[0037] In Figur 4 B ist der Verlauf der Ultraschallwellen von weiter entfernt liegenden Brennpunkten Z b und Z c dargestellt, wobei bei einer Weglänge von 40 µsec. der Unterschied zu den äußeren Empfängern 82 und 83 auf 0,5 und 1µsec. zusammengeschrumpft ist. Dieser,geringere Wegunterschied wird durch einen entsprechend geringeren Taktzahlunterschied ausgeglichen.

[0038] Eine besonders vorteilhafte Einrichtung der Erfindung wird darin gesehen, daß Bauelemente zur Einstellung der Taktzahl jedes Registers von einer gemeinsamen Antriebswelle betätigbar so verbunden sind, daß sie die Taktzahl proportional zum Abstand des Brennpunktes und in Relation zur Änderung der Taktzahl der benachbarten Speicher gleichzeitig festlegen. Eine solche Einstellung kann auch stufenweise geschehen.

[0039] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in Figur 5 eine elektrische Schaltung mit entsprechenden Blocksymbolen dargestellt, bei denen die entsprechenden Bauteile mit Bezugszeichen versehen sind, die sich von den Bezugszeichen der Figur 3 durch eine 2 in der Hunderterstelle unterscheiden, wenn sie entsprechende Aufgaben erfüllen.

[0040] Die in Figur 5 im einzelnen dargestellte Schaltung 130 arbeitet im großen und ganzen wie folgt:

Nach einem Signal des Zeitgenerators 170 öffnet.sich der Schalter 254, der seinerseits die Gatter 251 - 253 öffnet. Somit können elektrische Signale von den elektroakustischen Wandlern 81 - 83 in den Speichern 231 - 233 mit der jeweils vorgewählten Taktrate der Taktgeneratoren 241 - 243 eingelesen werden, bis n Takte, die vom Zähler 255 mitgezählt werden, gespeichert sind. Der Speicher 231 wird dabei mit der niedrigen Frequenz F₀ aufgefüllt, bis der Zähler 255 n Takte gezählt hat, nach denen er sich selbst auf 0 setzt, den Schalter 254 schließt und den Schalter 237 öffnet. Der Schalter 254 schließt auch die Gatter 251 - 253 und beendet somit den Speichervorgang, dem nun durch den Schalter 237 ausgelöst, das Auslesen folgt, indem die Gatter 239 und 238 geöffnet werden. Die Information aus den Speichern 231 - 233 gelangt über Addierer 247 und Gatter 248, sowie Filter 249 auf den Bildschirm 11. Von dem Filter 249 werden aufgeprägte Taktfrequenzen wieder entfernt. Das Auslesen wird mit einem Zähler 236 kontrolliert, der die beim Auszählen aufgeprägten Impulse vom Impulsgenerator 235 bis zu einer Zahl maximal n zählt, wobei n zeitgleich m gesetzt wird, wonach der Zähler 236 den Schalter 237 und Gatter 239 und 238 wieder schließt.

[0041] Die elektrische Schaltung gemäß Figur 5 unterscheidet sich von dem in Figur 3 beschriebenen durch Verzögerungsglieder 201 und 202 auf der direkten Verbindung der elektroakustischen Wandler 81 - 83 zum Impulsgeber sowie zu den Empfängern.. Durch diese Verzögerungsglieder 201 und 202 (D₁,D₂) wird der variable Brennpunkt ohne große Veränderung der Taktzahlen der Taktgeneratoren 241 - 243 eingestellt. Das ist dann besonders günstig, wenn einem Ultraschallgerät mit variabler Einstellung des Brennpunktes, bei dem auch Probleme asphärischer Optik wie bei elektromagnetischen Wellen, auftreten, eine weitere Variationsmöglichkeit gegeben ist. Schließlich muß damit gerechnet werden, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen eines wenn auch noch so schmalen Ultiaschallbandes unterschiedlich, groß ist, das zu Ungenauigkeiten im Meßergebnis führen kann.

[0042] Die Arbeitsweise einer Schaltung gemäß Figur 5 ist anhand der Figuren 6 A und B näher erläutert. Figur 6 A zeigt einen Querschnitt einer Messung mit einem relativ nah gelegenen Brennpunkt Zq, während in Figur 6 B ein weiter entfernt liegender Brennpunkt Zr dargestellt ist. Durch die Verzögerungsglieder 201 und 202(bzw. D₁ und D₂) wird die Vorgabe, mit der die Ultraschallwellen eher im zentralen Segment 81 ankommen als im äußeren Segment 83 elektrisch kompensiert.

[0043] In Figur 7 ist dargestellt, wie die progressive Änderung der Taktfrequenz von Elementen des Schallwandlers von innen nach außen gleichzeitig zur Eingabe und zur Entnahme der Speicher verwendet werden kann. Da sich in diesem Fall Fehler des eigenen Systems besonders unangenehm auswirken könnten, weil sie sich verdoppeln, sind die Verzögerungsglieder D und D₂ besonders wichtig, mit denen der veränderbare Fokus ebenfalls nachkorrigiert werden kann. Dabei wird ein Zähler 336 gemeinsam verwendet, der stets in Betrieb ist und stets die Taktzahl der eingelesenen Information mitzählt. Die vorliegende Schaltung unterscheidet sich von dem vorher Beschriebenen noch durch ein Bauelement 355, sogenanntes Flipflop, das je nach Erregung von einer stabilen Position in eine andere stabile Position umspringt. Solche und ähnliche Vereinfachungen der elektrischen Schaltung sind für ein Gerät dann besonders wichtig, wenn schon allein der Empfänger aus vielen Einzelteilen besteht, so daß diebeispielsweise nur an drei Empfangsteilen gezeigte Auswertelektronik nicht unübersichtlich kompliziert und unwirtschaftlich herstellbar wird.

[0044] Von einer solchen Schaltung wird auch der Antrieb für den Abtastspiegel 70 gesteuert. Dadurch soll erreicht werden, daß ein überstrichener Abtastbereich gleichmäßig beschallt und abgesucht wird. Dabei muß ein Kompromiß zwischen der im Wasser natürlich zulässigen Eigenfrequenz zur Aufnahmefreqüenz der Speicher gefunden werden.

Bezugszeichen

[0045] 

Ansprüche

1. Einrichtung zur Abbildung eines Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (12₀) zur Abgabe von Energie auf einen Körper vorgesehen ist, daß ein Wandler ( 80) zur Umsetzung der von dem Körper reflektierten Energie in elektrische Signale vorgesehen ist, der in mindestens zwei Teile (81,83) unterteilt ist, daß mindestens zwei Speicher (131,132) vorgesehen sind, deren Eingänge je mit einem Ausgang eines Energiewandlers (31,82) verbunden sind, daß mindestens zwei Impulsgeneratoren (141,142) vorgesehen sind, die je einem Speicher zugeordnet sind, und die Impulse mit unterschiedlich großem Abstand erzeugen, daß eine elektrische Schaltung zur Sortierung der Impulse vorgesehen ist, die in die jeweiligen Speicher geleitet werden oder aus den Speichern entnommen werden und daß eine Vorrichtung_'(147) zur Kombination der aus den Speichern herausgelesenen Signale zur bildlichen Darstellung vorgesehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschallenergie verwendet wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiewandler ( 80) aus einem zentralen Teil und mindestens einem konzentrisch dazu in einer Ebene liegenden Teil (32,83) besteht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Impulsgenerator (141), der dem konzentrisch um das zentrale Teil liegenden Wandler zugeordnet ist, Impulse mit einer höheren Frequenz als die Impulse für das zentrale Element ( 81 )erzeugt.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung (155) zum wechselseitigen Betrieb der Taktgeneratoren (141,142) und zugehöriger Speicher (131,...)zum wechselseitigen Ein- und Auslesen vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung (155) zum wechselseitigen Betrieb der Taktgeneratoren (141,142) und zugehöriger Speicher (131,...) zum wechselseitigen Ein- und Auslesen vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher (131,...)analoge Ladungstransportspeicher (CCD) sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Impulsgenerator (135) für alle Speicher vorgesehen ist.

9. Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abbildung eines Körpers durch die von ihm reflektierte Energie, die in ihn eingeleitet wurde, mit einer Wandlereinheit, bestehend aus mindestens zwei Teilen, bei der ein Brennpunkt nach folgenden Schritten eingestellt wird, daß jedem Speicher ein Energiewandlerelement zugeordnet wird, daß die von Wandler empfangenen Signale in unterschiedlich lange Impulse eingeteilt werden, daß die Impulse gespeichert werden und daß die gespeicherten Impulse in Signale zur Bilddarstellung umgewandelt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher mit unterschiedlich großer Frequenz ausgelesen werden.

11.Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die empfangenen Signale mit der sie aufteilenden Impulsfrequenz moduliert werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale beim Speichern und beim Auslesen moduliert werden.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein lebender Körper nach Störstellen abgesucht wird.

Zeichnung