DE2854749A1 - Anlage und verfahren zur digitalen geradlinigen ultraschall-abbildung - Google Patents

Anlage und verfahren zur digitalen geradlinigen ultraschall-abbildung

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DE2854749A1
DE2854749A1 DE19782854749 DE2854749A DE2854749A1 DE 2854749 A1 DE2854749 A1 DE 2854749A1 DE 19782854749 DE19782854749 DE 19782854749 DE 2854749 A DE2854749 A DE 2854749A DE 2854749 A1 DE2854749 A1 DE 2854749A1
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Frank Louis Lederman
Jerome Johnson Tiemann
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General Electric Co
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Description

GEiIERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N. Y., VStA
Anlage und Verfahren zur digitalen geradlinigen Ultraschall-Abbildung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage und ein Verfahren zur digitalen geradlinigen Ultraschall-Abbildung bzw. Ultraschall-Abtastung. Die Erfindung ist insbesondere auf eine digitale geradlinige Realzeit-Ultraschall-Abbildung gerichtet, bei der eine geradlinige Abtastung erfolgt und die Fokussierung durch Zeitverzögerung vorgenommen wird, ohne daß man dazu eine unpraktisch große Anzahl von Multiplexschaltern benötigt.
Die beiden erfolgreichsten Arten der Realzeit-Ultraschall-Systeme mit dreißig oder noch mehr Bildern pro Sekunde sind das fokussierte System nach Fresnel und das strahlgesteuerte System mit einer in Phase gebrachten Anordnung. Zur Methode nach Fresnel wird auf die US-PS 3 911 730 und die FR-PS 2 292 978 von Pierre Alais verwiesen. Aus diesen Druckschriften geht hervor, daß Multiplexschalter und Schieberegister verwendet werden, um geradlinige Bilder zu erhalten. Die Systeme nach Fresnel weisen jedoch gewisse Unzulänglichkeiten auf, beispielsweise eine relativ geringe Tiefenauflösung und eine schlechte Bildwiedergabe im Grauzonenbereich, beispielsweise bei Ultraschall-Abbildungen vom Herzen. Die phasengesteuerte Anordnung, die bei der Herzabtastung Anwendung findet, ist in einem Aufsatz mit dem Titel "A New Ultrasound Imaging Technique Employing Two-Dimensional Electronic Beam Steering", von Thurstone und Von Ramm, Acoustical Holography, Vol. 5, 1974, Plenum Press, New York, Seiten 249-259, erläutert. Die phasengesteuerte Anordnung verwendet eine Zeitverzögerungsfokussierung und liefert daher eine bessere Auflösung als die
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Fresnel-Fokussierung, erzeugt jedoch lediglich ein Sektorabtastbild, das weniger gefällig und schwieriger zu handhaben ist.
Es besteht ein Bedürfnis nach einem elektronischen Realzeit-Abtaster, der ein geradliniges Bild liefert und der zum Erzielen einer höheren Auflösung eine Zeitverzögerungsfokussierung anwendet. An Versuchen, dieses Ziel zu erreichen, hat es nicht gefehlt. Zur Realisierung aller gemachten Vorschläge ist jedoch eine sehr große Anzahl von Multiplexsehaltern erforderlich. Wenn man beispielsweise jeden Wandler von 160 Wandlern mit 32 verschiedenen Verzögerungszeiten verzögert, werden mehr als 5000 Schalter benötigt. Eine solche Anordnung ist unpraktisch. Die Erfindung vereint in sich die Vorteile des Fresnel-Systems und des phasengesteuerten Systems, und kommt dennoch mit einer vernünftigen Anzahl von Multiplexschaltern aus.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen digitalen geradlinigen Ultraschall-Abbildungsanlage weist eine relativ lange lineare Wandleranordnung oder Wandlerreihe aus gleichmäßig beabstandeten Wandlerelementen auf und macht von einer Multiplexschalteranordnung mit lediglich einem einzigen Schalter pro Wandlerelement Gebrauch. Die Multiplexsehalter wählen ein Element zu einer Zeit ih Aufeinanderfolge aus, um auf diese Weise eine Reihe akustischer Sendeimpulse zu erzeugen. Das von einem ausgexvählten Wandler empfangene Echosignal wird in digitale Echoamplitudendaten umgesetzt und einem in Abschnitte unterteilten Digitalspeicher zugeführt, beispielsweise einer aus Schieberegistern aufgebauten Verzögerungsleitung. Jedes Schieberegister oder jede andere Speichereinheit des Digitalspeichers ist in der Lage, die Echodaten zu speichern, die von einem einzigen Empfangselement stammen. Nachdem eine Anzahl von Sendeimpulsen, die gleich der Anzahl der Elemente in
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einer Empfangsunteranordnung ist, den Speicher angefüllt hat, führt die Eingabe neuer Daten zum Verlust der zuvor aufgenommenen Daten. Parallele Signalverarbeitungskanäle sind mit den Ausgängen der Schieberegister verbunden, und jeder Signalverarbeitungskanal enthält eine Verzögerungseinrichtung und einen nachgeschalteten bzw. vorgeschalteten Digital-Analog-Umsetzer. Die gespeicherten Daten, die aus den Schieberegistern in die nachfolgenden Schieberegister eingelesen v/erden, werden auch den parallelen Verarbeitungskanälen zugeführt. Darin werden die Daten um verschieden große Beträge verzögert, die jeweils den Verzögerungszeitdifferenzen einer fokussierten linearen Anordnung oder Reihe entsprechen. Die verzögerten Analogsignale werden summiert, um zur Steuerung der Intensität des Elektronenstrahls einer Katodenstrahlröhre ein Videoausgabesignal zu gewinnen. Auf der Katodenstrahlröhre erscheint dann ein geradliniges Bild. Ein Abtast- oder Ablenkumsetzer ist nicht erforderliche
Den Rauschabstand kann man dadurch verbessern, indem die einzelnen Wandler mit einer Reihe codierter Impulse angesteuert werden und in den Empfangskanal ein entsprechend angepaßtes Filter eingebaut wird. Andererseits kann man eine Sendeunteranordnung aus einigen Wandlerelementen in einer symmetrisehen zeitlichen Sequenz pulsen, um einen Ultraschall-Impuls mit einer synthetisierten gerundeten akustischen Wellenfront zu gewinnen. Die Verwendung einer gerundeten Wellenfront vermeidet ein rela-tiv schmales Strahlprofil, das in Erscheinung tritt, wenn die Elemente gleichzeitig angeregt werden. Somit wird ein breiterer Strahl erzeugt. Der jeweils mittlere Wandler sequentiell ausgewählter und sich überlappender Sendeunteranordnungen dient als Empfangselement und ist über einen Multiplexer mit dem Empfangskanal verbunden. Der in Abschnitte unterteilte Digitalspeicher kann aus geeignet adressierten Direktzugriffsspeichern aufgebaut
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werden«, Es ist nicht erforderlich, daß die Daten von einer Speichereinheit zu einer nächsten Speichereinheit transferiert werden, wenn die Position in der Empfangsunteranordnung festgehalten wird.
Zur Verbesserung der Bildqualität kann man das Videoausgabesignal einer Nachverarbeitung unterziehen. Diese Nachverarbeitung wird dadurch erleichtert, daß bei dem digitalen geradlinigen Aufbau gemäß der Erfindung der räumliche Abstand benachbarter Strahlen gleichförmig ist. In bezug auf die Mitte jedes Wandlers, mit der möglichen Ausnahme der beiden äußersten Wandler, wird eine Bildlinie oder eine Bildzelle erzeugt, und mit Hilfe dieser tatsächlich erzeugten Bildzeilen kann man in einfacher Weise eine oder mehrere dazxirischenliegende Bildzeilen interpolieren. In diesem Zusammenhang können auch ein Graupegel-Doppelbegrenzer, der den Spannungspegel an beiden Enden des Videosignals abkappt, und eine adaptive Helligkeit-Kontrast-Steuerschaltung vorhanden sein.
Nach der Erfindung wird somit eine B-Abtast-Ultraschall-Abbildungsanlage geschaffen, die ein geradliniges Bild erzeugt und die eine lineare Wandleranordnung mit nur einem einzigen Schalter pro Wandlerelement aufweist. Es werden entweder einzelne Wandlerelemente oder sich überlappende Sendeunteranordnungen sequentiell ausgewählt, um die Ultraschall-Impulse zu erzeugen. Die empfangenen Echosignale werden sequentiell einer langen Schieberegister-Verzögerungsleitung zugeführt und mit der Impulsfolgefrequenz an Anzapfungen der Verzögerungsleitung abgenommen. Die abgenommenen Echosignale werden in parallelen Kanälen um verschiedene Beträge verzögert und anschließend summiert, um eine Zeitverzögerungsfokussierung der Echos zu bewirken. Zur Verbesserung der Bildqualität des Fernsehraonitors wird das durch die Fokussierung gewonnene Videoausgabesignal nachverarbeitet. Der Aufbau und die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anlage gestattet in bequemer Weise die Ableitung von
interpolierten χ-χ-Λ
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Anlage zur digitalen geradlinigen Realzeit-Ultraschall-Abbildung,
Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Zeitverzögerungsfokussierung von Echodaten, die von einer Unteranordnung aus Empfangswandlerelementen stammen,
Fig. 5 eine abgewandelte Ausführungsform des in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels mit zusätzlichen Mitteln im Empfangskanal zur Verbesserung des Rauschabstands und mit zusätzlichen Mitteln im Videosignal-Verarbeitungskanal zur Verbesserung der Bildqualität,
Fig. 4 ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Sendekanalschaltung, bei der die Wandler einer Unteranordnung sequentiell gepulst v/erden, um eine gerundete Wellenfront zu erzeugen, und
Fig. 5 eine Skizze verschachtelter Abtastlinien einer Katodenstrahlröhre, die von dem in der Fig. 3 dargestellten Interpolator erzeugt werden.
In der Fig. 1 ist an Hand eines Blockschaltbilds der grundlegende Aufbau einer Anlage zur digitalen geradlinigen Realzeit-Ultraschall-Abbildung oder -Abtastung dargestellt, allerdings ohne noch später zu beschreibende Mittel zur Verbesserung des Rauschabstands des empfangenen Echosignals und zur Verbesserung der Qualität des Videobildes. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Wandlerelemente einer linearen Wandleranordnung oder Wandlergruppe von einer Anordnung oder Gruppe aus Multiplexschaltern jexveils einzeln zeitlich ausgewählt. Für jeden Wandler ist jeweils nur ein Schalter erforderlich. Das Ausgangssignal des ausgewählten Wandlers wird digitalisiert, und die Digitalwörter, die sequentielle Abtastwerte dar-
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stellen, werden einem langen, segmentförmig unterteilten digitalen Verzögerungsleitungsspeicher zugeführt. Zu Zeiten, die einer Sendeimpuls-Wiederholungsperiode entsprechen, werden die digitalen Ausgangssignale abgenommen und digital gesteuerten Verzögerungsleitungen zugeführt, deren Längen den Verzögerungszeitdifferenzen einer fokussierten Anordnung entsprechen. Die verzögerten Echodaten von den Verzögerungselementen werden in die analoge Form umgesetzt und summiert, um ein gebündeltes oder fokussiertes Ausgangssignal zu liefern. Dabei handelt es sich um das Videosignal, das einem Fernsehmonitor zugeführt wird, um die Elektronenstrahlintensität zu steuern. Durch diesen Grundaufbau wird eine sehr große Anzahl von MuItipiexsehaltern durch eine gleich große Anzahl gespeicherter Abtastwerte aufgewogen oder ersetzt, wobei die mit einer unpraktisch großen Anzahl von Schaltern und Anschlüssen verbundene Problematik vermieden wird und der vorteilhafte Umstand ausgenutzt wird, daß Speicher relativ preiswert sind und daß eine kleine Anzahl von Stiften auf einer integrierten Speicherschaltungsanordnung eine große Anzahl von Speicherzellen bedienen kann.
Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist eine geradlinige oder lineare Wandleranordnung 10 eine große Anzahl gleichmäßig beabstandeter akustischer Wandlerelemente 11 aus piezoelektrischem Material auf. Typischerweise sind 100 bis 200 einzelne Wandler in der Wandleranordnung mit einem Abstand von jeweils 1 mm angeordnet. Eine Multiplexschalteranordnung 12 enthält lediglich einen einzigen Schalter 13 für jedes Wandlerelement. Von den Schaltern 13 wird jeweils ein Schalter zu einer Zeit beginnend an dem einen Ende der Multiplexschalteranordnung geschlossen, um die einzelnen Wandler oder Wandlerelemente 11 in Sequenz für jeden ausgesendeten und empfangenen Impuls auszuwählen.. Bei den Schaltern 13 handelt es sich um elektronisch gesteuerte Festkörperschalter von
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einer Art, die den Rauschabstand nicht herabsetzen. Jeder Schalter ist direkt mit dem zugeordneten einzelnen ¥andler verbunden. Anstelle der direkten Verbindung kann aber auch ein Vorverstärker zwischengeschaltet sein, um den Echosignalpegel zu erhöhen. Ein Impulsgeber 14 erzeugt eine Reihe von Anregungsimpulsen in Koordinierung mit dem aufeinanderfolgenden Schließen der Schalter 13, um die Wandlerelemente 11 sequentiell anzusteuern. Jedes Wandlerelement stellt näherungsweise eine Punktquelle dar und erzeugt einen Ultraschall-Sendeimpuls mit einer konvexen oder sphärischen Wellenfront, die in dem beschallten Objektbereich eine große Apertur beleuchtet. Akustische Energie, die von Zielen in dem beleuchteten Bereich reflektiert wird, wird von denselben Wandlerelementen erfaßt. Das aufgrund des empfangenen Echosignals gewonnene elektrische Signal wird einem Empfangskanal zugeführt.
Ein einzelner Empfangskanal mit wenigstens einem Empfänger 15 und einem Analog-Digital-Umsetzer 16 steht allen Wandlerelementen im Zeitmultiplexbetrieb zur Verfügung. Der Verstärkungsfaktor des Empfängers wird als Funktion der Zeit gemäß einer vorgegebenen Kurve verändert, um die Dämpfung der akustischen Energie mit zunehmendem Abstand im Objekt zu kompensieren. Die dazu benutzte Zeit-Verstärkungsfaktor-Kompensationsschaltung 17 kann von verschiedenartiger, an sich bekannter Bauart sein. Der Analog-Digital-Umsetzer 16 tastet die analogen Eingangssignale mit einer hohen Geschwindigkeit ab und erzeugt eine große Anzahl digitaler Echoamplitudendaten, die dem Speicher zugeführt werden. Es ist theoretisch möglich, ein analoges Signal aus einer Sequenz diskreter Abtastwerte vollständig wiederzugewinnen, wenn die Abtastfrequenz wenigstens zweimal so hoch wie die höchste Frequenz ist, die in den Eingabe- oder Eingangsdaten vorkommen. Aus praktischen Gründen wird ein Wert vom 2,5fachen der Maximalfrequenz bevorzugt. Unter der Annahme, daß die
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höchste Ultraschallfrequenz etwa 2 MHz beträgt, reicht eine Abtastfrequenz von 5 MHz aus. Die digitalen Echodaten haben vorzugsweise eine Auflösung von acht Bits oder acht Bits und ein Vorzeichenbit.
Bei dem Speicher handelt es sich um einen segmentförmig unterteilten oder in Abschnitte unterteilten Digitalspeicher aus mehreren Speichereinheiten, die alle hinreichend groß sind, um die digitalisierten Echodaten von einem einzigen Empfangswandlerelement zu speichern. Der Speicher kann eine segmentierte Verzögerungsleitung sein. Im Falle des erläuterten Ausführungsbeispiels ist ein Digitalspeicher 18 vorhanden, der nach Art einer langen, segmentförmig unterteilten digitalen Verzögerungsleitung ausgebildet ist, die aus zahlreichen in Reihe miteinander verbundenen Speichereinheiten in Form von Schieberegistern 18a bis 18n besteht* Die Gesamtanzahl der Schieberegister ist gleich der Anzahl der Wandlerelemente in einer Empfangsunteranordnung und beträgt beispielsweise 32 gegenüber einer Gesamtanzahl der Wandlerelemente in der linearen Wandleranordnung 10 von 100 oder beispielsweise 64 gegenüber'einer Gesamtanzahl von 200 Wandlerelementen. Die Digitalechodaten, die von dem ersten Wandlerelement in der Anordnung 10 gewonnen werden und am Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers 16 auftreten, werden in das erste Schieberegister 18a getaktet. Die Gesamtanzahl der Abtastpunkte, die den Längen der einzelnen Schieberegister entsprechen, kann zwischen 1024 und 2048 Bits liegen. Gleichzeitig mit der Eingabe der digitalen Echodaten vom zweiten Wandlerelement in das Schieberegister 18a werden die zuvor in dem Schieberegister 18a gespeicherten Echodaten in das Schieberegister 18b getaktet. Dieser Vorgang \ri.ederholt sich in der Art und Weise, wie die einzelnen Wandlerelemente in der Anordnung 10 zeitlich aufeinanderfolgend gepulst werden. Dabei kommen die neuen Daten immer in das erste Schieberegister 10a, und
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die bereits gespeicherten Daten wandern aufeinanderfolgend längs der Verzögerungsleitung in das nächste Schieberegister. Nachdem N Impulse ausgesendet und empfangen worden sind, sind die ersten N Wandlerelemente in der Wandleranordnung ausgewählt worden. Ihre Ausgangssignale liegen gleichzeitig an N aufeinanderfolgenden Stufen der langen, segmentförmig unterteilten Verzögerungsleitung an.
Nach der Auswahl des nächsten Wandlerelements und beim Takten der Echodaten in das Schieberegister 18a werden die gespeicherten Daten, die zur Eingabe in das Schieberegister 18b ausgelesen werden, auch einem. Empfangselement-Signalverarbeitungskanal zugeführt, der eine veränderbare Verzögerungseinrichtung 19a und einen Digital-Analog-Umsetzer 20a enthält. Es sind zahlreiche dieser Signalverarbeitungskanäle vorgesehen, die zueinander parallelgeschaltet sind und jeweils eine veränderbare Verzögerungseinrichtung 19a bis 19n sowie einen Digital-Analog-Umsetzer 20a bis 2On enthalten. Jeder der Signalverarbeitungskanäle ist an eine Ausgangsanzapfung der Verzögerungsleitung bzw. den Ausgang von einem der Schieberegister angeschlossen. Das Ausmaß der Verzögerung in den einzelnen Signalverarbeitungskanälen hängt von der Position des Empfangswandlerelementes in der Empfangsunteranordnung ab und ist so ausgewählt, daß die Echosignale fokussiert oder gebündelt werden. Dieser Sachverhalt ist in der Fig. 2 näher erläutert. Die verzögerten analogen Signale der gesamten Unteranordnung werden einem Summierverstärker 21 zugeführt, um eine kohärente Summierung vorzunehmen. Das fokussierte Ausgangssignal des Summierverstärkers 21 ist das Videosignal, das einer Katodenstrahlröhre 22 zugeführt wird, um eine Z-Steuerung oder Intensitätssteuerung des Elektronenstrahls vorzunehmen. Die Bildabtastlinie oder Bildabtastzeile, die durch die Zeitverzögerungsfokussiertechnik synthetisiert wird, verläuft senkrecht zur Längsachse der linearen Anordnung, so daß ein Abtastumsetzer
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nicht erforderlich ist, der sonst für Sektorabtast- oder Sektorabbildungsgeräte benötigt wird.
In der Fig. 2 ist beispielshalber eine Empfangsunteranordnung 10r aus zwölf einzelnen Empfangswandlern oder Empfangswandlerelementen 11r dargestellt. Das durch die kohärente Summierung der verzögerten Wandlerelement-Echosignale gewonnene Videosignal stellt die Bildinformation längs einer akustischen Abtastzeile oder Abtastlinie 23 dar, die lotrecht zur Unteranordnung bei deren Mittelpunkt verläuft. Unter der Annahme, daß sich der Brennpunkt in einem vorbestimmten Abstand oder einer vorbestimmten Entfernung befindet, wird ein von einem Ziel im Brennpunkt reflektiertes Echosignal von den Wandlerelementen in Abhängigkeit von der Position des Wandlerelements in der Unteranordnung zu unterschiedlichen Zeiten erfaßt, da Unterschiede in der Länge der akustischen Ausbreitungswege bestehen. Diese werden so vorberechnet, daß sie der Geometrie des EmpfangsStrahls in bezug auf die Wandlerelemente in der Anordnung entsprechen. Innerhalb von Grenzen können diese Verzögerungen so gewählt sein, daß sie einem Mittenstrahl, einem versetzten Strahl oder einem leicht winkligen Strahl entsprechen. Nach der Umsetzung in analoge Daten werden die verzögerten Echosignale summiert, um das fokussierte Ausgangssignal zu bilden. Die veränderbaren Verzögerungseinrichtungen 19a bis 19n in der Fig. 1 können eine feste Verzögerung haben, wenn sich der Brennpunkt bei einer festen Entfernung befindet. Eine einstellbare oder veränderbare Verzögerung ist bei einer dynamischen Fokussierung erforderlich, bei der der Brennpunkt fortlaufend unterschiedliche Abstände von der linearen Anordnung einnimmt, um eine bessere Bildqualität zu erreichen. In diesem Falle werden die Zeitverzögerungen, wenn die Schieberegister in die Empfangswandlerelement-Signalverarbeitungskanäle ausgelesen werden, schrittweise oder inkremental geändert.
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Da aufeinanderfolgende Wandlerelemente jeweils bezüglich der Zeit einzeln für einen ausgesendeten und einen empfangenen Ultraschall-Impuls ausgewählt werden, treten die digitalen Echoamplitudendaten jedes Empfangswandlerelements in die segmentförmig unterteilte Verzögerungsleitung bei dem Schieberegister 18a ein, werden mit der Impulsfolgefrequenz von dem einen zum nächsten Schieberegister transferiert und treten am Schieberegister 18n aus. Die am letzten Schieberegister austretenden Daten gehen verloren. Für eine Empfangsanordnung von 32 Elementen befinden sich somit anfangs im Schieberegisterspeicher die Echodaten für die Empfangswandlerelemente 1 bis 32, dann die Echodaten für die Empfangswanderelemente 2 bis 33, anschließend die Echodaten für die Empfangswandlerelemente 3 bis 34 usw. Zu Zeiten, die einer Impulswiederholung entsprechen, werden die digitalen Echodaten abgezapft und den Verzögerungseinrichtungen 19a bis 19n sowie den Digital-Analog-Umsetzern 20a bis 2On zugeführt. Die verzögerten Signale aller Kanäle der Empfangsunteranordnung werden summiert, um die Echosignale zu fokussieren und damit das Videosignal zu gewinnen. Die erläuterte Anlage zur digitalen geradlinigen Ultraschall-Abbildung oder Ultraschall-Abtastung weist ein geradliniges Abtastmuster auf, wobei der Abstand zwischen den akustischen Abtastzeilen oder Abtastlinien 23 gleich dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wandlerelementen ist. Die Abtastung setzt an dem einen Ende der linearen Anordnung 10 ein und schreitet in Richtung auf das andere Ende fort. Auf dem Schirm der Katodenstrahlröhre 22 wird abtastzeilen- oder abtastlinienweise ein Bild 24 gebildet, und für eine Realzeit-Sichtdarstellung wird die gesamte geradlinige Abtastung und Bilderzeugung mit einer Geschwindigkeit von 30 Bildrahmen pro Sekunde oder mehr wiederholt. Die Katodenstrahlröhre ist um 90° gedreht, so daß die Elektronenstrahlablenkung längs vertikaler Abtastlinien anstatt der üblichen horizontalen Abtastlinien oder Abtastzeilen erfolgt.
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Wenn weniger als eine gesamte Empfangsunteranordnung von Elementen angesteuert worden ist oder wenn eine veränderliche Anzahl von Schieberegistern 18a bis 18n leer ist, besteht ein bevorzugtes Betriebsverfahren darin, daß die Daten so lange dargestellt werden, wie Information im digitalen Speicher 18 gespeichert ist. Zu Beginn einer Abtastung, wenn der Schieberegisterspeicher angefüllt wird, werden die Echodaten aus jedem Schieberegister, das Information enthält, in die SignalVerarbeitungskanäle ausgelesen, um die Daten zu verzögern und sie in die analoge Form umzusetzen. Dabei wird eine veränderliche Anzahl der verzögerten Echosignale vom Summierverstärker 21 summiert. Am Ende einer geradlinigen Abtastung, nachdem das letzte Wandlerelement 11 in der linearen Anordnung 10 gepulst worden ist, beginnt der Schieberegisterspeicher leer zu werden, da die Daten von einer Schieberegister-Speichereinheit zur nächsten Schieberegister-Speichereinheit transferiert werden. Die Daten, die vorhanden sind, werden mit derselben Impulsfolgefrequenz in den die Verzögerung und Umsetzung vornehmenden Signalverarbeitungskanälen verarbeitet, um kohärent summiert zu werden und das Videosignal zu bilden. Die Bildlinien oder Bildzeilen zu beiden Seiten des Bildes sind weniger zuverlässig als diejenigen in der Mitte des Bildes, enthalten aber dennoch bedeutsame Information.
Die Komponenten oder Baueinheiten der Anlage zur digitalen geradlinigen Realzeit-Ultraschall-Abbildung können handelsübliche Schaltungen sein oder können aufgrund des üblichen Fachwissens ohne weiteres entwickelt werden. Bei den veränderbaren Verzogerungseinrichtungen 19a bis 19n handelt es sich vorzugsweise um digitale Verzögerungsleitungen in Form von TTL-Schieberegistern in Verbindung mit TTL-Multiplexern, um die Ausgangsanzapfung mit der richtigen Zeitverzögerung auszuwählen (TTL = Transistor-Transistor- Logik) . Die Multiplexer werden von einer übli-
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chen Festwertspeicher-Steuerschaltung 25 angesteuert, um die Brennpunkteigenschaften auszuwählen. Bei der Festwertspeicher-Steuerschaltung 25 kann es sich um elektrisch programmierbare Festwertspeicher vom Typ 1702A, hergestellt von der Intel Corporation, handeln. Ein digitales Anlagensteuergerät 26 steuert die Arbeitssequenz der Multiplexsehalteranordnung 12 und des Impulsgebers 14, liefert Taktimpulse an die Schieberegister 18a bis 18n des digitalen Speichers und bestimmt das Auslesen gespeicherter Daten in der Festwertspeicher-Steuerschaltung 25 für die variablen Verzögerungsleitungen und die Digital-Analog-Umsetzer. Bei dem digitalen Steuergerät 26 kann es sich um eine festverdrahtete Logikschaltung handeln. Vorzugsweise wird jedoch ein in geeigneter Weise programmierter Mikrorechner oder Minirechner verwendet. Die Speichereinheiten in dem digitalen Speicher 18 können übliche Direktzugriffsspeicher sein, in die bei jedem Ultraschall-Impuls eingeschrieben und aus denen bei jedem Ultraschall-Impuls ausgelesen wird. Ein Direktzugriffsspeicher kann auch als veränderbare Verzögerungseinrichtung benutzt werden, wobei eine geeignete Adressierschaltung das Verhalten eines Schieberegisters variabler Länge simulieren kann.
Das in der Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Ultraschall-Abbildungsanlage ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 1 mit zusätzlichen Mitteln im Empfangskanal zur Verbesserung des Rauschabstands und mit zusätzlichen Mitteln im Videosignalverarbeitungskanal zur Verbesserung der Bildqualität. Zwischen jedem einzelnen Wandler oder Wandlerelement 11 und jedem Multiplexsehalter 13 befindet sich ein Vorverstärker 27, der dazu dient, den Spannungspegel des elektrischen Signals zu erhöhen, das aus dem empfangenen Echoimpuls gewonnen wird. Jedem Vorverstärker ist eine Diode umgekehrt parallelgeschaltet, um den Vorverstärker gegenüber der hohen Spannung der Anregungs- oder Ansteuerimpulse zu schützen. An-
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statt dem Wandlerelement einen einzigen Anregungsimpuls zuzuführen, kann man eine Reihe codierter Impulse, beispielsweise entsprechend einem Barker-Code, zum Aussenden anlegen. Ein an den Umkehrcode angepaßtes Filter 28 befindet sich dann im Empfangskanal hinter dem Empfänger 15, um die scharfe Impulsantwort zu gewinnen, die bei dieser Anordnung erforderlich ist. Es wird eine Rauschabstandsverbesserung erzielt, die gleich der Anzahl der Impulse in dem Code ist. Im Falle des Barker-Codes handelt es sich um dreizehn Impulse. Man kann auch 100 Impulse verwenden, beispielsweise bei Benutzung eines Radarcode. Bei dem angepaßten Filter 28 kann es sich um ein übliches ladungsgekoppeltes Transversalfilter handeln (CCD-Transversalfilter). Vor dem Analog-Digital-Umsetzer 16 befindet sich ein als getrennte Baueinheit dargestelltes Tiefpaßfilter 29. Dieses Tiefpaßfilter 29 ist theoretisch erforderlich, um das Rohsignal vor dem Abtasten zu glätten. In Wirklichkeit wird diese Funktion von dem Zeitverhalten des Wandlers, den Grenzfrequenzen der Verstärkerstufen des Empfängers oder dem ggf. verwendeten angepaßten Filter übernommen.
Zur Erzeugung eines Ultraschall-Sendeimpulses mit einer größeren akustischen Energie weist eine bevorzugte Sendekanalschaltung nach der Fig. 4 eine Unteranordnung aus Wandlern auf, die in zeitlicher Sequenz so gepulst werden, daß eine gerundete akustische Wellenfront entsteht. Eine Alternative dazu ist, ein einziges Wandlerelement mit einem spannungsmäßig hohen Anregungsimpuls anzusteuern. Gemäß dem neuen Konzept wird ein großer Energieimpuls mit einem breiten Strahl- oder Öffnungswinkel erzeugt. Ein einzelnes Sendeelement beleuchtet eine große Apertur, und der Einfangwinkel weitet sich aus, wenn der Wandler schmäler wird. Wenn vier oder fünf Elemente gleichzeitig gepulst werden, nimmt der Einfangwinkel ab, und die Ausbreitungsenergie zeigt eine gerade oder ebene Wellenfront„ Die digi-
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tale geradlinige Anlage benötigt jedoch einen großen Einfangwinkel, damit die Wandlerelemente am Ende einer Empfangsunteranordnung ein Ziel in der Mitte der Unteranordnung beleuchten können, und ein Echosignal erzeugt wird, das einen Beitrag zu der kohärenten Summierung liefert. Die in der Fig. 4 als Beispiel dargestellte Sendeunteranordnung enthält fünf aneinandergrenzende oder benachbarte Wandlerelemente 11, von denen lediglich das mittlere Element ein Empfangselement darstellt. Um ein virtuelles Einzelelement mit einer gerundeten akustischen Wellenfront zu simulieren, die wie die Wellenfront eines einzigen Elementes aussieht, wird bei der dargestellten Unteranordnung zuerst dem mittleren Element ein Anregungsimpuls 30 zugeführt. Im Anschluß daran werden die beiden benachbarten Elemente zu beiden Seiten des mittleren Elementes gepulst. Schließlich werden die beiden äußersten Elemente gepulst. Die konvexe Wellenfront eines einzigen Elementes ist bei 31 dargestellt. Die synthetisierte gerundete akustische Wellenfront, die die gezeigte Sendeunteranordnung im Falle der erläuterten Impulsbeaufschlagung abgibt, ist bei 32 dargestellt.
Die Sendeunteranordnung schreitet längs der linearen Anordnung 10 jeweils um ein Wandlerelement pro ausgesendetem und empfangenem Ultraschall-Impuls weiter. Ein MOS-Transistorschalter 131 ist mit jedem Wandlerelement verbunden, und die Steueranschlüsse der MOS-Transistorschalter 13' werden einzeln von jeweils einer Stufe eines langen Schieberegisters 33 gesteuert. Ein Unteranordnung-Auswahlwort aus fünf "Einsen" wird durch das Schieberegister 33 mit der Ultraschall-Wiederholungsfrequenz getaktet, wobei den Steueranschlüssen von jeweils fünf ausgewählten MOS-Transistorschaltern 13' Spannungen zugeführt werden. Um jeweils die fünf Wandlerelemente anzuregen, die als Sendeelemente ausgewählt sind, während die Unteranordnung um jeweils ein Wandlerelement längs der linearen
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Anordnung 10 voranschreitet und in jedem Fall lediglich das mittlere Wandlerelement als Empfangselement ausgewählt wird, sind fünf Sammelleitungen 34 vorgesehen, die mit jeweils"getrennten Impulsgebern 35 verbunden sind, die von einer Sendersteuerschaltung 36 angesteuert werden. Die fünf Sammelleitungen 34 führen auch zum Eingang eines Empfängermultiplexers 37» der einen einzigen Ausgang aufweist, an dem das dem Empfänger 15 zugeführte Echosignal auftritt. Die Gesamtanordnung ist so getroffen, daß das erste und sechste Wandlerelement über die zugeordneten MOS-Transistorschalter an die erste der Sammelleitungen 34 angeschlossen sind, daß das zweite und siebte Wandlerelement über die ihnen zugeordneten MOS-Transistorschalter an die zweite der Sammelleitungen 34 angeschlossen sind, daß das dritte und achte Wandlerelement über die ihnen zugeordneten MOS-Transistorschalter an die dritte der Sammelleitungen 34 angeschlossen sind usw. Ein vom dritten Impulsgeber 35 erzeugter Anregungsimpuls wird lediglich dem mittleren Wandler der ausgev/ählten Unteranordnung zugeführt. Die Schalter der übrigen Wandler, die mit derselben Sammelleitung verbunden sind, bleiben geschlossen. Danach werden die zweite und vierte Sammelleitung gepulst, und als letztes werden die erste und fünfte Sammelleitung gepulst. Der Empfängermultiplexer 37 wählt jeweils die · dritte der Sammelleitungen 34 aus, um sie mit seinem Ausgang zu verbinden. Auf diese -Weise wird sichergestellt, daß jeweils der mittlere Wandler der Unteranordnung das Empfangselement darstellt. Die Anzahl der Wandlerelemente in einer S endeunter anordnung wird so ausgewählt,, daß eine gewünschte Verbesserung des Rauschabstands auftritt. Im Vergleich zum Pulsen eines einzigen Elementes wird durch das hier erläuterte Konzept erreicht, daß ein Ultraschall-Impuls mit einer großen Menge an akustischer Energie unter Erzielung eines großen Einfangwinkels erzeugt wird.
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Bei dem. abgewandelten Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 sind die SignalVerarbeitungskanäle derart ausgebildet, daß die aus den Schieberegister-Speichereinheiten 18a bis 18n ausgelesenen Daten zuerst den Digital-Analog-Umsetzern 20a bis 2On zugeführt werden und erst anschließend zu veränderbaren Verzögerungseinrichtungen 38a bis 38n gelangen. Im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 wird somit die Verarbeitungssequenz umgekehrt. Die jetzt analogen Verzögerungseinrichtungen können die gleichen sein wie bei Sektorabtast-Ultraschall-Abbildungsanlagen. Der kohärente Summierungsvorgang ist in beiden Fällen der gleiche.
Die Parallelbildzeilengeometrie des digitalen geradlinigen Realzeitabtasters erleichtert die Nachverarbeitung des vom Summierverstärker 21 erzeugten Videosignals. Diese Nachverarbeitung bezweckt, dem Auge des Beobachters ein Bild höherer Qualität anzubieten. Ein Graupegel-Doppelbegrenzer 39 nimmt eine Abkappung des Spannungspegels sowohl am hellen als auch am dunklen Ende des Videosignals vor, so daß die interessierende Zone über den gesamten verfügbaren Dynamikbereich einer Katodenstrahlröhre ausgebreitet werden kann. Zu diesem Zweck kann man übliche Diodendoppelbegrenzer verwenden. Der Aufbau einer relativ einfachen Interpolationsschaltung 40 wird durch die Tatsache ermöglicht, daß sich die Geometrie der Datenpunkte in Abhängigkeit vom Bereich nicht ändert. Die Bildzeilen oder Bildlinien, die das vom Summierverstärker 21 gewonnene Videosignal tatsächlich erzeugt, sind in der Fig. 5 als schwarze vollausgezogene Striche dargestellt. Man erhält eine Bildlinie pro Wandlerelement in der linearen Anordnung 10. Abtastlinien auf dem Schirm eines Monitors zwischen den Bildlinien wären in Abwesenheit der Interpolationsschaltung schwarz. Die Funktion der Interpolationsschaltung 40 besteht darin, eine oder mehrere Zwischenbildlinien oder Zwischenbildzeilen zu erzeugen, die
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in der Fig. 5 durch unterbrochene Linien dargestellt sind. Die Helligkeit dieser Linien wird von den Helligkeitspegeln der tatsächlich erzeugten vorangegangenen und nachfolgenden Bildlinie abgeleitet. Für den Fall, daß eine Interpolationslinie erzeugt werden soll, sollte ihre Helligkeit an jeder Stelle gleich dem Mittelwert der Helligkeitspegel der beiden benachbarten tatsächlich erzeugten Linien sein. Eine größere Anzahl von Interpolationslinien kann man dadurch gewinnen, daß die Beiträge der vorausgehenden und nachfolgenden tatsächlich erzeugten Bildlinien in geeigneter Weise gewichtet und vereinigt werden. Diese veränderbare Gewichtsinterpolation verhindert Treppenstufeneffekte, die bei einem konstanten Auffüllen in Erscheinung treten. Die Interpolation mit vielen Linien bewirkt einen kontinuierlichen Übergang zwischen der einen Situation und der nächsten. Die Interpolatxonsschaltung kann mit Hilfe eines Speichers für das vorangegangene Videosignal und mit Hilfe von Addierschaltungen verwirklicht werden.
Eine adaptive Helligkeit-Kontrast-Steuerschaltung kann so ausgebildet sein, wie es aus einem Aufsatz "Adaptive Gain Control For Dynamic Ultrasound Imaging", von A. DeClercq und N. G. Maginess, 1975 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, Seiten 59-63 bekannt ist. Um das durch diese Steuerung gelöste Problem zu erläutern, wird auf die Zeit-Verstärkungsfaktor-Kompensation verwiesen, wonach der Dynamikbereich von uTtraschall-B-Abtast-Signalen auf einen praktischeren Bereich komprimiert wird, jedoch das resultierende Signal nicht immer dem Dynamikbereich der Anzeige angepaßt ist. Wenn beispielsweise ein kleines dichtes Objekt vorhanden ist, kann das durch dieses Objekt verursachte Echo sehr groß sein und folglich die Anzeige in die Sättigung bringen, obwohl es eine sehr geringe Wirkung auf den Gesamtmittelwert des Signals hat. Die adaptive Steuerung überprüft Spitzensignale in einigen Bereich-
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Segmenten, um auf die erforderlichen Verstärkungsfaktoren einzuwirken, die von einem kontinuierlich auf den neuesten Stand gebrachten Speicher stammen. Isolierte starke Echos werden vernachlässigt, um zu verhindern, daß Details, die einen niedrigen Pegel haben, verloren gehen.
Die erläuterte digitale geradlinige Ultraschall-Abbildungsanlage ist eine B-Abtast-Ultraschall-Abbildungsanordnung, die auf dem Schirm eines üblichen Fernsehmonitors einen tomographischen Schnitt des beschallten Bereiches in Realzeit darstellen kann. Die Anlage ist geeignet für zahlreiche diagnostische Anwendungen in der Medizin sowie für industrielle Prüfungen. Die erläuterte Ultraschall-Abbildungsanlage ist den Fresnel-Systemen nach P. Alais insoxireit ähnlich, daß eine Unteranordnung von Wandlern benutzt wird, um längs einer axialen Linie eine Fokussierung vorzunehmen, und daß diese Linie aufeinanderfolgend über benachbarte Wandlerelemente geführt wird, und zwar dadurch, daß man ein logisches Steuersignal durch eine Anordnung aus Multiplexsehaltern laufen läßt, die den Wandlerelementen jeweils zugeordnet sind. Die erläuterte Anlage ist aber auch den phasengesteuerten Zeitverzögerungssystemen in einem solchen Sinne ähnlich, daß ein einziger Zyklus- oder Periodenimpuls anstelle eines Impulszuges verwendet wird und daß die Fokussierung durch Zeitverzögerung anstatt durch Phasenaddition erreicht wird. Die erläuterte Anlage vereinigt daher in sich die besten Eigenschaften der beiden bekannten Möglichkeiten. Sie liefert nämlich ein leicht darstellbares geradliniges Ausgabeformat anstelle eines Sektorabtastformats in Verbindung mit der hohen Auflösung eines Zeitverzögerungssystems. Die erläuterte digitale geradlinige Abtast- oder Abbildungsanlage kann mit Hilfe von integrierten Schaltungen und üblichen Einzelbauteilen in die Praxis umgesetzt werden. Interpolierte Linien oder Zeilen in der Anzeige, die zwischen benachbarte Wandlerelemente fallen,
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können genauso leicht berechnet werden wie Linien oder Zeilen, die mit der Mitte der Wandler zusammenfallen.
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-zt-
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Claims (24)

  1. feiöM 9251
    13
    GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y., VStA
    Patentansprüche
    /Il Anlage zur digitalen geradlinigen Ultraschall-Abbildung,
    gekennzeichnet durch
    eine lineare Wandleranordnung (10) mit einer Vielzahl elektroakustischer Wandlerelemente (11),
    eine Multiplexsehalteranordnung (12) mit jeweils
    einem Schalter (13) für jedes Wandlerelement (11) zum
    Verbinden der Wandlerelemente in Aufeinanderfolge mit
    einer Impulsgebereinrichtung (14) und mit einem Empfangskanal (15, 16) zur Abtastung der aus· den empfangenen Echos gewonnenen elektrischen Signale und zur Erzeugung von
    Echoamplitudendaten,
    einen segment!erten Digitalspeicher (18) mit einer Vielzahl von Speichereinheiten (18a bis 18n), die jeweils in der Lage sind, die von einem der Wandlerelemente abgeleiteten Echodaten zu speichern,
    Einrichtungen (19a bis 19n, 20a bis 2On) zum aufeinanderfolgenden Verzögern der aus den Speichereinheiten (18a bis 18n) parallel ausgelesenen Echodaten und zum Erzeugen verzögerter Analogsignale, um dadurch die von mehreren aneinandergrenzenden Wandlerelementen empfangenen
    Echos zu fokussieren, und
    Einrichtungen (21) zum aufeinanderfolgenden Summieren der verzögerten Analogsignale, um ein Videoausgabesignal zu gewinnen.
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    ORIGINAL INSPECTED
  2. 2. Anlage nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Speichereinheiten (18a "bis 18n) in dem unterteilten Digitalspeicher (18) gleich der Anzahl aneinandergrenzender Wandler elemente (11r) in einer Empfangsunteranordnung (10r) ist.
  3. 3. Anlage nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Verzögerung der aus dem Digitalspeicher (18) ausgelesenen Echodaten und zur Erzeugung der verzögerten Analogsignale eine Vielzahl paralleler Verarbeitungskanäle aufweisen, die an die Ausgänge der Speichereinheiten (18a bis 18n) angeschlossen sind, daß jeder Verarbeitungskanal eine Verzögerungseinrichtung (19a bis 19n) und einen nachgeschalteten Digital-Analog-Umsetzer (20a bis 2On) aufweist und daß die Speichereinheiten (18a bis 18n) derart seriell miteinander verbunden sind, daß die aus einer Speichereinheit in einen Verarbeitungskanal ausgelesenen gespeicherten Daten auch in die folgende Speichereinheit eingelesen werden.
  4. 4. Anlage nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Verzögerung der aus dem Digitalspeicher (18) ausgelesenen Echodaten und zur Erzeugung der verzögerten Analogsignale eine Vielzahl paralleler Verarbeitungskanäle aufweisen, die an die Ausgänge der Speichereinheiten (18a bis 18n) angeschlossen sind, daß jeder Verarbeitungskanal einen Digital-Analog-Umsetzer (20a bis 2On) und eine nachgeschaltete Verzögerungseinrichtung (38a bis 38n) enthält und daß die Speichereinheiten (18a bis 18n) derart seriell miteinander verbunden sind, daß die aus einer Speichereinheit in einen Verarbeitungskanal ausgelesenen gespeicherten Daten auch in die folgende Speichereinheit eingelesen werden.
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  5. 5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 Ms 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsgebereinrichtung (14) ein einzelner Impulsgeber ist und daß die Multiplexschalteranordnung (12) ■wirksam ist, um die Wandler elemente (11) jeweils in bezug auf die Zeit einzeln in Aufeinanderfolge mit dem Impulsgeber und mit dem Empfangskanal (15,.16) zu verbinden.
  6. 6. Anlage nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgeber (14) eine Reihe codierter Impulse zur Anregung jedes Wandlerelementes (11) erzeugt und daß im Empfangskanal ein angepaßtes Filter (28) vorgesehen ist, um den Rauschabstand zu verbessern.
  7. 7. Anlage nach, einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Wandleranordnung in vielfache Sendeunteranordnungen aus aneinandergrenzenden Wandlerelementen unterteilbar ist und in jeder Sendeunteranordnung das mittlere Wandlerelement ein Empfangselement bildet, daß die Impulsgebereinrichtung eine Vielzahl von Impulsgebern (35) aufweist, daß im Empfangskanal ein Empfängermultiplexer (37) enthalten ist und daß die Multiplexschalteranordnung derart betreibbar ist, daß die Sendeunteranordnungen in Aufeinanderfolge mit den Impulsgebern verbunden werden, um die Wandlerelemente der S endeunter anordnungen in zeitlicher Sequenz anzusteuern und einen Ultraschall-Impuls mit einer gerundeten akustischen Wellenfront zu erzeugen.
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  8. 8. Anlage zur digitalen geradlinigen Ultraschall-Abbildung, gekennzeichnet durch
    eine lineare Wandleranordnung (10) mit einer Vielzahl elektroakustischer Wandlerelemente (11), die einzeln betätigbar sind, um einen Ultraschall-Impuls zu erzeugen und aus einem empfangenen Echo ein elektrisches Echosignal zu gewinnen,
    eine Multiplexschalteranordnung (12) mit jeweils einem Schalter (13) für jedes Wandlerelement zur Verbindung von jeweils einem der Wandlerelemente in zeitlicher Aufeinanderfolge mit einem Impulsgeber (14) und mit einem Empfangskanal (15, 16), in dem die empfangenen Echosignale abgetastet und in digitale Echoamplitudendaten umgesetzt werden,
    einen unterteilten Digitalspeicher (18) mit einer Vielzahl seriell miteinander verbundener Speichereinheiten (18a bis 18n), von denen jede in der Lage ist, die von einem Wandlerelement abgeleiteten Echodaten zu speichern,
    parallele Signalverarbeitungskanäle (19a bis 19n,. 20a bis 2On in Fig. 1; 20a bis 2On, 38a bis 38n in Fig. 3), in die die Echodaten aus den Speichereinheiten (18a bis 18n) im wesentlichen parallel ausgelesen werden, um die Echodaten zu verzögern und sie in verzögerte Analogsignale umzusetzen, und zwar derart, daß die von mehreren aneinandergrenzenden Wandlerelementen empfangenen Echos fokussiert werden, und
    Einrichtungen (21, 39, 40, 41, 42) zum Summieren der verzögerten Analogsignale zwecks Erzeugung eines Videosignals sowie zur Nachverarbeitung und Darstellung der aufeinanderfolgend erzeugten Videosignale als sichtbares Bild des beschallten Objektbereiches.
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  9. 9. Anlage nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinheiten (18a bis 18n) Schieberegister sind, die in einer solchen Weise seriell miteinander verbunden sind, daß sie eine unterteilte Verzögerungsleitung bilden, daß die parallelen Signalverarbeitungskanäle an die Ausgänge der Schieberegister angeschlossen sind und daß jeder Signalverarbeitungskanal eine Verzögerungseinrichtung. (19a bis 19n) und einen nachgeschalteten Digital-Analog-Umsetzer (20a bis 2On) aufweist, wobei die aus einem Schieberegister in einen Signalverarbeitungskanal ausgelesenen gespeicherten Daten auch in das folgende Schieberegister eingelesen werden und die -Anzahl der Schieberegister gleich der Anzahl der Wandlerelemente (11r) in einer Empfangsunteranordnung (1Or) ist.
  10. 10. Anlage nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinheiten (18a bis 18n) Schieberegister sind, die seriell derart miteinander verbunden sind, daß sie eine unterteilte Verzögerungsleitung bilden, daß die parallelen Signalverarbeitungskanäle an die Ausgänge der Schieberegister angeschlossen sind und daß jeder Signalverarbeitungskanal einen Digital-Analog-Umsetzer (20a bis 2On) und eine nachgeschaltete Verzögerungseinrichtung (38a bis 38n) aufweist, wobei die aus einem Schieberegister in einen Signalverarbeitungskanal ausgelesenen gespeicherten Daten auch in das folgende Schieberegister eingelesen werden und die Anzahl der Schieberegister gleich der Anzahl der Wandlerelemente (11r) in einer Empfangsunteranordnung (1Or) ist.
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  11. 11. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Nachverarbeitung der aufeinanderfolgend erzeugten Videosignale Mittel (39) zum Abkappen des Spannungspegels an beiden Enden des Videosignals, Mittel (40) zum Interpolieren zusätzlicher Bildzeilen zwischen tatsächlich erzeugten Bildzeilen und Mittel (42) zur adaptiven Helligkeit-Kontrast-Steuerung aufweisen.
  12. 12. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgeber (14) eine Reihe codierter Impulse zur Anregung jedes Wandlerelementes (11) erzeugt und daß der Empfangskanal ein angepaßtes Filter (28) enthält, um den Rauschabstand zu verbessern.
  13. 13. Vorrichtung zur digitalen geradlinigen Ultraschall-Abbildung,
    gekennzeichnet durch
    eine lineare Wandleranordnung (10) mit einer Vielzahl elektromagnetischer Wandlerelemente (11), die in vielfache Sendeunteranordnungen unterteilbar sind, wobei ein Wandlerelement in jeder Sendeunteranordnung als Empfangselement betreibbar ist, um aus einem empfangenen Echo ein elektrisches Echosignal zu erzeugen,
    eine Multiplexsehalteranordnung (12) mit jeweils einem Schalter (13; 13') für jedes Wandlerelement (11) zum sequentiellen Verbinden der Sendeunteranordnung mit einer Impulsgebereinrichtung (14; 35) und zum sequentiellen Verbinden der Empfangselemente über einen Empfängermultiplexer (37) mit einem Empfangskanal (15, 16), in dem die Echosignale abgetastet und in digitale Echoamplitudendaten umgesetzt werden,
    einen unterteilten Digitalspeicher (18) mit einer Vielzahl seriell miteinander verbundener Speiehereinheiten (18a bis 18n), von denen jede in der Lage ist, die von einem Empfangselement abgeleiteten Echodaten zu speichern,
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    parallele SignalVerarbeitungskanäle (19a bis 19η, 20a bis 20η in Fig. 1; 20a bis 2On, 38a bis 38n in Fig. 3), in die die Echodaten aus den Speichereinheiten (18a bis 18n) im wesentlichen parallel eingelesen werden und die wirksam sind, um die Echodaten zu verzögern und sie in verzögerte Analogsignale umzusetzen, und zwar derart, daß die von mehreren aneinandergrenzenden Empfangselementen empfangenen Echos fokussiert werden, und
    Einrichtungen (21, 39, A-O, 41, 42) zum Summieren der verzögerten Analogsignale zwecks Gewinnung eines Videosignals sowie zur Verarbeitung und Darstellung der aufeinanderfolgend erzeugten Videosignale als sichtbares Bild des beschallten Bereiches.
  14. 14, Anlage nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Speiehereinheiten (18a bis 18n) Schieberegister sind, die seriell derart miteinander verbunden sind, daß sie eine unterteilte Verzögerungsleitung bilden, daß die parallelen Signalverarbeitungskanäle an die Ausgänge der Schieberegister angeschlossen sind und daß jeder Signalverarbeitungskanal eine Verzögerungseinrichtung (19a bis 19n) und einen nachgeschalteten Digital-Analog-Umsetzer (20a bis 2On) aufweist, wobei die aus einem Schieberegister in einen Signalverarbeitungskanal ausgelesenen gespeicherten Daten auch in das folgende Schieberegister eingelesen werden und die Anzahl der Schieberegister gleich der Anzahl der Wandlerelemente (11r) in einer Empfangsunteranordnung (1Or) ist.
  15. 15. Anlage nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinheiten (18a bis 18n) Schieberegister sind, die seriell derart miteinander verbunden sind, daß sie eine unterteilte Verzögerungsleitung bilden, daß die parallelen Signalverarbeitungskanäle an die Ausgänge der Schieberegister angeschlossen sind und daß jeder Signalverarbeitungs-
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    kanal einen Digital-Analog-Umsetzer (20a bis 2On) und eine nachgeschaltete Verzögerungseinrichtung (38a bis 38n) aufweist, wobei die aus einem Schieberegister in einen Signalverarbeitungskanal ausgelesenen gespeicherten Daten auch in das folgende Schieberegister eingelesen werden und die Anzahl der Schieberegister gleich der Anzahl der Wandlerelemente (11r) in einer Empfangsunteranordnung (1Or) ist.
  16. 16. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 15» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Verarbeitung der aufeinanderfolgend erzeugten Videosignale Mittel (39) zum Abkappen des Spannungspegels an beiden Enden des Videosignals, Mittel (40) zum Interpolieren zusätzlicher Bildzeilen zwischen tatsächlich erzeugten Bildzeilen und Mittel (42) zur adaptiven Helligkeit-Kontrast-Steuerung aufweisen.
  17. 17. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsgebereinrichtung mehrere Impulsgeber (35) und eine zugehörige Steuereinrichtung (36) aufweist, um für die Wandlerelemente (11) einer ausgewählten Sendeunteranordnung Anregungsimpulse in einer solchen zeitlichen Sequenz zu erzeugen, daß ein mittleres Wandlerelement zuerst und anschließend aufeinanderfolgende äußere Wandlerelementpaare sequentiell gepulst werden, um einen Ultraschallimpuls mit einer gerundeten akustischen Wellenfront (32) zu erzeugen.
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  18. 18. Verfahren zur digitalen geradlinigen Ultraschall-Abbildung,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ausgewählte Wandlerelemente einer linearen Wandleranordnung sequentiell gepulst werden, um eine Reihe akustischer Sendeimpulse zu erzeugen, während abwechselnd aus empfangenen Echos elektrische Echosignale gewonnen werden,
    daß die Echosignale aufeinanderfolgend verstärkt und in digitale Echoamplitudendaten umgesetzt werden,
    daß die Echodaten in einer Vielzahl digitaler Speichereinheiten gespeichert werden,
    daß die gespeicherten Echodaten aus den Speichereinheiten periodisch in parallele Verarbeitungskanäle ausgelesen werden, in denen die Echodaten durch Verzögerung und Umsetzung in die Form verzögerter Analogsignale gebracht werden, um die von mehreren aneinandergrenzenden Wandlerelementen abgeleiteten Echos zu fokussieren, und
    daß die verzögerten Analogsignale zwecks Erzeugung eines Videoausgabesignals summiert werden.
  19. 19. Verfahren nach Anspruch 18,
    dadurch gekennzeichnet, daß zum sequentiellen Pulsen der ausgewählten Wandlerelemente in der linearen Wandleranordnung die Wandlerelemente zeitlich jeweils einzeln in Aufeinanderfolge gepulst werden und daß beim periodischen Auslesen der gespeicherten Echodaten aus den Speichereinheiten die gespeicherten Daten mit der Sendeimpuls-Folgefrequenz in die folgenden Speichereinheiten und in die parallelen Verarbeitungskanäle eingelesen werden.
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  20. 20. Verfahren nach Anspruch 18,
    dadurch gekennzeichnet, daß zum sequentiellen Pulsen ausgewählter Wandlerelemente in der linearen Wandleranordnung Sendeunteranordnungen aus Elementen in Sequenz gepulst werden, um eine Reihe akustischer Sendeirapulse mit einer abgerundeten Wellenfront zu erzeugen, wobei ein Element jeder Sendeunteranordnung als Empfangselement ausgewählt wird, und daß beim periodischen Auslesen der gespeicherten Echosdaten aus den Speichereinheiten die gespeicherten Daten mit der Sendeimpulsfolgefrequenz in die folgenden Speichereinheiten und in die parallelen Verarbeitungskanäle eingelesen werden.
  21. 21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Bildqualität das Videoausgabesignal nachverarbeitet wird und zur Darstellung eines geradlinigen Bildes einer Katodenstrahlröhre zugeführt wird, wobei die Signalnachverarbeitung die Gewinnung interpolierter Bildzeilen zwischen benachbarten tatsächlich erzeugten Bildzeilen umfaßt.
  22. 22. Verfahren zur digitalen geradlinigen Ultraschall-Abbildung,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ausgewählte Wandlerelemente einer linearen Wandleranordnung sequentiell gepulst werden, um eine Reihe von Ultraschall-Sendeimpulsen zu erzeugen, während abwechselnd aus empfangenen Echos elektrische Echosignale gewonnen werden,
    daß die Echosignale aufeinanderfolgend verstärkt und in digitale Echoamplitudendaten umgesetzt werden,
    daß die Echodaten in einer unterteilten digitalen Verzögerungsleitung gespeichert werden, längs der die Daten seriell vorgeschoben werden,
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    daß die Echodaten von den unterteilten Abschnitten der digitalen Verzögerungsleitung mit der Ultraschall-Impulsfolgefrequenz abgegriffen und parallelen Verarbeitungskanälen zugeführt werden, in denen die Echodaten verzögert werden, um die empfangenen Echos zu fokussieren, und in denen dann die verzögerten Echodaten in verzögerte Analogsignale umgesetzt werden,
    daß die verzögerten Analogsignale zur Erzeugung eines Videosignals summiert werden, und
    daß das Videosignal einer Katodenstrahlröhre zugeführt wird, um die Intensität des Elektronenstrahls zu steuern und auf diese Weise ein geradliniges Bild zu erzeugen.
  23. 23. Verfahren nach Anspruch 22,
    dadurch gekennzeichnet, daß zum Speichern der Echodaten in der unterteilten digitalen Verzögerungsleitung die Daten in einer Vielzahl seriell miteinander verbundener digitaler Schieberegister gespeichert werden, deren Anzahl gleich der Anzahl der Wandlerelemente in einer Empfangsunteranordnung ist.
  24. 24. Verfahren nach Anspruch 23,
    dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Anlegen des Videosignals an die Katodenstrahlröhre das Videosignal zur Verbesserung der Qualität des geradlinigen Bildes nachverarbeitet wird, und zwar dadurch, daß zwischen benachbarten tatsächlich erzeugten Bildzeilen interpolierte Bildzeilen gewonnen werden.
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DE19782854749 1977-12-23 1978-12-19 Anlage und verfahren zur digitalen geradlinigen ultraschall-abbildung Withdrawn DE2854749A1 (de)

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DE19782854749 Withdrawn DE2854749A1 (de) 1977-12-23 1978-12-19 Anlage und verfahren zur digitalen geradlinigen ultraschall-abbildung

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