DE2908747A1

DE2908747A1 - Ultraschall-abbildungsgeraet mit sektorabtastung

Info

Publication number: DE2908747A1
Application number: DE19792908747
Authority: DE
Inventors: Jerome Johnson Tiemann
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-03-09
Filing date: 1979-03-06
Publication date: 1979-09-13
Also published as: FR2419521B1; GB2016143B; NL7901933A; JPS54145180A; GB2016143A; FR2419521A1; US4180791A

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y., VStA

Ultraschall-Abbildungsgerät mit Sektorabtastung

Die Erfindung betrifft Ultraschall-Abbildungsgeräte und bezieht sich insbesondere auf einen vereinfachten Sektorabtaster mit einer Wandleranordnung mit festem Brennpunkt in Kombination mit einer dynamischen Apertursteuerung, um sowohl bei kürzeren als auch bei längeren Entfernungsbereichen eine brauchbare Auflösung zu erzielen.

Der Abtaster mit einfachem Sektor- oder Winkelbereich ist ein Realzeitabbildungsgerät, bei dem die einzelnen Wandler einer geradlinigen Wandleranordnung in zeitlicher Folge erregt werden, um akustische Winkelrichtstrahlen in verschiedenen Winkelrichtungen relativ zu einer im Mittelpunkt der Anordnung senkrecht zu ihr stehenden Linie zu erzeugen. Echos, die von Gegenständen zurückkehren, welche in Richtung des ausgestrahlten Richtstrahles liegen...treffen an den Wandler element en zu verschiedenen Zeiten ein, so daß es notwendig ist, die empfangenen elektrischen Echosignale entsprechend um verschiedene Beträge zu verzögern, so daß alle Signale von einem gegebenen Gegenstandspunkt gleichzeitig für alle Elemente der Anordnung addiert werden. Außer den Strahlsteuerungsverzögerungen wird eine elektronische dynamische Fokussierung verwendet, um die Bildqualität zu erhöhen, indem zusätzliche Verzögerungsdifferenzen von Kanal zu Kanal dazu dienen, die Laufzeitverzögerungsdifferenzen zwischen einem Brennpunkt und den Elementen zu kompensieren. Ein Herzabtaster mit dynamischer Zeitverzögerungsfokus si erung zur Erhöhung des Bereiches, aus dem Echos während einer Empfangsperiode aufgenommen werden können, ist in einer Veröffentlichung von Thurstone und von Ramm mit dem Titel "A New Ultrasonic Imaging Technique

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Employing Two-Dimensional Electronic Beam Steering" in der Zeitschrift Acoustical Holography, Band 5, 1974, Plenum Press, Hew York, Seite 249-259 beschrieben. Bei einem solchen bekannten Sektorabtaster mit fester Apertur sind alle Empfangselemente während jeder Echoempfangsperiode aktiv und tragen zur kohärenten Summenbildung bei, um das fokussierte Echosignal zu erzeugen. Eine Schwierigkeit bei der dynamischen elektronischen Fokussierung besteht darin, daß bei kurzen Abständen oder Bereichen, die kleiner als die volle Apertur sind, die dynamischen Fokussierungsverzögerungen so schnell erforderlich sind, daß es unmöglich wird,zu folgen und eine andere Schwierigkeit besteht darin, daß Änderungen kurz vor der kohärenten Addition möglicherweise Artefacte in der Darstellung erzeugen.

Es ist auch vorgeschlagen worden, die Apertur der Anordnung während jeder Echoempfangsperiode schrittweise dadurch zu erhöhen, daß mehr Wandlerelemente eingeschaltet werden, wenn- der Bereich, von dem Echos aufgenommen werden, sich ausdehnt. Mindestens eine Einstellung der Fokussierzeitverzögerung wird dabei ausgeführt, um dynamisch die Echos auf verschiedene Brennpunkte zu fokussieren. Eine verbesserte seitliche Auflösung wird besonders in Bereichen erhalten, die kleiner sind als die volle Apertur, indem die Größe der Apertur inkrementell eingestellt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Abbildungsgerät mit einfachem Sektor anzugeben, das bei niedrigen Kosten keine dynamische Fokussierung erfordert. Die üblichen Geräte mit festem Fokus und fester Apertur, bei denen eine Linsenwirkung durch Krümmung der Wandleranordnung oder durch die Einschaltung einer akustischen Linse vor einer flachen Anordnung erzielt wird, fokussieren die Linse etwa auf die Mitte des beabsichtigten Blickfeldes. Hierdurch ergibt sich eine

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verschlechterte Auflösung sowohl im Nahbereich als auch im entfernten Bereich und um dieses Problem zu bewältigen, muß eine verhältnismäßig kleine Apertur benutzt werden. Infolgedessen ist die Auflösung ziemlich begrenzt.

Gemäß der Erfindung werden diese Schwierigkeiten dadurch beseitigt, daß das Ultraschall-Abbildungsgerät mit Sektorabtastung eine Linse mit festem Brennpunkt aufweist, die auf einen Bereich in der Nähe des Maximalbereiches fokussiert ist, so daß sich mit einer entsprechend gewählten vollen Apertur eine befriedigende Auflösung in dem Bereich zwisehen.einem vorbestimmten Bruchteil des Maximalbereichs (z.B. 0,5) und dem Maximalbereich ergibt. Eine dynamische Apertursteuerung wird dabei wirksam, um die Apertur in Bereichen zu vermindern, die näher nach der Wandleranordnung zu liegen und auf diese Weise hat das dynamische Apertursystem mit festem Brennpunkt eine gute oder befriedigende Auflösung sowohl in entfernteren als auch in den kürzeren Bereichen.

Die Linse mit festem Brennpunkt kann durch eine gekrümmte Wandleranordnung oder auch durch eine flache Anordnung mit einer zugehörigen konvergierenden akustischen Linse gebildet werden. In beiden Fällen befinden sich die Wandlerelemente der Wandlerreihe an solchen Orten, daß gleiche Laufzeiten für den Schall von dem Brennpunkt zu den Elementen der Anordnung vorhanden sind. Die Brennweite der Linse beträgt vorzugsweise etwa 0,8 bis 0,9 des Maximalbereiches. Die dynamische Apertursteuerung dient dazu, die Zahl der aktiven Wandlerelemente und der Empfangskanäle in Abhängigkeit von dem Bereich während jeder Echoempfangsperiode zu erhöhen, um hierdurch die Apertur der Anordnung schrittweise zwischen einem Minimalbereich und desi festgelegten oder vorbestimmten Bruchteil des Maximalbereiches zu erhöhen, wobei die volle Apertur danach bis

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zum Maximalbereich beibehalten wird. Die volle Apertur und die schrittweise Änderung bei der Verminderung der Apertur sind so gewählt, daß ein vorbestimmter Zeitfehler für Echos, die von den aktiven Wandlerelementen aufgenommen werden und bei zugeordneten Bereichen entstehen, nicht überschritten werden. Die Apertursteuerung kann mit Hilfe einer Verstärkungsgradsteuerung oder eines Schalters in jedem Empfangskanal durchgeführt werden, wobei ein Kanal pro Element vorgesehen ist sowie durch einen Bereichsrechner in Form eines Zählers, der bei Beginn jeder Sende-Empfangsperiode gelöscht wird und mit Hilfe einer Steuerung, die auf den Zählerausgang anspricht, um zu Anfang eine mittlere Gruppe von Schaltern zu schließen und dann auf beiden Seiten paarweise weitere Schalter zu schließen, um die Apertur der Anordnung symmetrisch schrittweise zu erhöhen,

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.

F i g . 1 zeigt eine gekrümmte Wandleranordnung mit festem Brennpunkt F und AperturSteuerschaltern zur dynamischen Änderung der Apertur der Anordnung;

F i g , 2 ist eine ähnliche Darstellung wie Fig. 1, sie zeigt jedoch eine ebene Wandleranordnung und eine konvergierende akustische Linse, um die Krümmung zu erreichen;

F i g . 3 ist eine Darstellung, die das Zeitfehlerkriteriuis erläutern soll, welches die Krümmung der gekrümmten Wandleranordnung bestimmt sowie die zulässigen Aperturen bei den verschiedenen Abstandsbereichen;

F i g . 4 ist ein Diagramm, welches die Auflösung in Abhängigkeit vom Bereich darstellt und zwar für ein bekanntes Gerät mit festem Brennpunkt und fester Apertur und für ein Gerät gemäß der Erfindung mit festem Brennpunkt und variabler Apertur; und

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F i g . 5 ist ein Blockschaltbild eines Sektorabtasters für das Abbildungsgerät, das eine Linse mit festem Brennpunkt in Kombination mit einer dynamischen Apertursteuerung bei kürzeren Entfernungen enthält.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine gekrümmte Wandleranordnung benutzt, um eine Sektor- oder Winkelabtastung zu erzielen oder auch eine äquivalente ebene lineare Wandleranordnung mit einer konvergenten akustischen Linse, so daß diese Anordnungen mit einer Linse mit festem Brennpunkt arbeiten und auf einen Brennpunkt in der Nähe des Maximalbereichs eingestellt sind. Vorausgesetzt, daß die Apertur der Anordnung richtig gewählt wird, so daß ein vorbestimmter Zeitfehler nicht überschritten wird, kann die volle Apertur für gute seitliche Auflösung bei Bereichen verwendet werden, die größer sind als ein vorbestimmter Bruchteil des Maximalbereiches. Die Schwierigkeit einer im allgemeinen schlechten Bildqualität in Bereichen, die in der Nähe der Wandleranordnung liegen, wenn ein Wandler mit relativ weiter Apertur auf einen Punkt in der Nähe des Maximalbereiches fokussiert wird, in dem er benutzt werden soll, wird dabei ohne großen Aufwand beseitigt, indem die Apertur der Anordnung vermindert wird, wenn Echos von in der Nähe befindlichen Gegenständen empfangen werden. Die seitliche Auflösung bezieht sich auf den minimalen Abstand, bei dem zwei Zielpunkte noch unterschieden werden können, die in der Richtung der Längsachse der linearen Wandleranordnung liegen und bei Nahfeldbedingungen bessert sich die seitliche Auflösung, wenn die Apertur der Anordnung abnimmt. Es wird also eine Klasse oder Gruppe von preiswerten Ultraschall-Abbildungsgeräten geschaffen, die eine dynamische elektronische Fokussierung benötigen, die aber wesentlich leistungsfähiger sind als übliche Geräte mit festem Brennpunkt und mit fester Apertur.

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In Fig. 1 enthält eine Wandleranordnung 10 eine gekrümmte einzelne Reihe von Wandlerelementen 11, die gleiche Abstände in der Richtung der Längsachse der Anordnung haben. Die Orte der Wandlerelemente entlang der Kurve sind so gewählt, daß gleiche Laufzeiten für die Schallausbreitung von einem Brennpunkt P zu allen Elementen der Anordnung hin bestehen. Die gekrümmte Wandleranordnung kann auch als Linse mit festem Brennpunkt betrachtet werden. Die Wandlerelemente 11 bestehen vorzugsweise aus einem piezoelektrischen Material und können auch in der Querrichtung gekrümmt sein, d.h. senkrecht zur Papierebene, in welchem Fall die Anordnung die Form eines Schnittes einer Wandung eines Thoroids hat. Eine andere Ausführung einer Linse mit festem Brennpunkt ist in Fig. 2 dargestellt. Die Wandleranordnung 10' besteht aus einer ebenen Wandleranordnung 12 mit einer einzelnen Reihe von Wandlerelementen 11, die mit einer konvergenten akustischen Linse 13 zusammengebaut ist. Die akustische Linse ist vor der Wandlerreihe montiert und besteht aus einem Material, z.B. einem geeigneten Kunststoff, in dem sich der Schall schneller ausbreitet als in Wasser oder im Gewebe. Bei der gekrümmten Anordnung treten isochrone Laufzeityerzögerungen für den Schall zwischen dem Brennpunkt F und allen Elementen der Anordnung auf.

Die Brennweite der Linse oder der Wandleranordnung ist so gewählt, daß der Zeitfehler an den äußersten Enden der Anordnung im Vergleich mit dem für die mittleren Elemente die gleiche Größe für eine Schallquelle in dem Maximalabstand R wie für eine Schallquelle hat, die sich in einem Bereich befindet, der einen vorgegebenen Bruchteil des Maximalbereichs bildet. Wenn der Bruchteil gleich 0,5 ist, d.h. wenn der Zeitfehler der gleiche bei R_/2 ist wie bei R, so läßt sich zeigen, daß die Brennweite gleich

f = 0,828

gewählt werden rauS.

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Vorausgesetzt, daß die volle Apertur der Anordnung richtig gewählt wird, wie weiter unten erläutert wird, ergibt sich eine befriedigende Auflösung für Echos, die in Bereichen zwischen R^/2 und R^ mit fester Apertur erzeugt werden. Die volle Apertur wird in diesen größeren Entfernungsbereichen verwendet, da unter Fernfeldbedingungen die seitliche Auflösung besser wird, wenn die Apertur der Wandleranordnung zunimmt. Die Zeitfehlerbe— dingung bedeutet eine Einengung der maximalen Apertur des Gerätes und die Auflösung ist nicht so groß wie die für Geräte mit größerer Apertur, jedoch ist die Auflösung befriedigend für viele medizinische und industrielle Anwendungen des Abbildungsgerätes. Der angegebene Bruchteil des Maximalbereiches von 0,5 für das bevorzugte Ausführungsbeispiel kann auch andere Werte annehmen, wird aber zweckmäßig so gewählt, daß der Brennpunkt P sich in einem Bereich befindet, der gleich 0,8 bis 0,9 des maximalen Bereiches R_n/ ist. Die Brennweite der Linse wird dann aus bekannten Gleichungen errechnet.

' Eine dynamische Apertursteuerung ist bei Bereichen erforderlich, die näher nach der Wandleranordnung zu liegen als der vorgenannte Bruchteil, der in dem Beispiel R^/2 beträgt, um eine verbesserte seitliche Auflösung bei kürzeren Abständen zu erhalten. Wenn der Bereich, von dem die Echos empfangen werden, sich ausweitet, wird die Apertur der Anordnung schrittweise vergrößert, indem mehr Elemente der gesamten Wandleranordnung eingeschaltet werden. Die Zahl der aktiven Wandlerelemente und der Empfangskanäle, die zu der kohärenten Summierung beitragen und das fokussierte Echosignal erzeugen, nimmt als Funktion der Bereiches bis zu dem vorgegebenen Bruchteil des Maximalbereichs zu, und danach werden alle Wandler elemente und Empfangskanäle bis zum Maximalbereich verwendet und tragen zu der kohärenten Additionsbildung bei. Die dynamische Apertursteuerung verändert die Größe der Apertur der Anordnung in kürzeren

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Bereichen während jeder Echoempfangsperiode, die auf die Erzeugung eines akustischen Winkelrichtstrahls folgt, indem die Elemente in zeitlicher Folge durch Impulse gesteuert •werden. Indem fortschreitend die Zeitabschnitte zwischen aufeinanderfolgenden Erregerimpulsen geändert werden, wird der Winkel, unter dem der Ultraschallimpuls ausgesendet wird, schrittweise verändert. Der gesamte Abtastwinkel des Sektors beträgt etwa 60 bis 90° und einige akustische Abtastlinien 14, die im Mittelpunkt der Anordnung ihren Ausgangspunkt haben, sind in Fig. 1 und 2 dargestellt. Echos, die von den Gegenständen in Richtung der ausgesendeten Strahlen an den Wandlerelementen in verschiedenen Zeitpunkten eintreffen, machen es notwendig, daß die aufgenommenen elektrischen Echosignale um verschiedene Beträge verzögert werden müssen, so daß alle Signale von einem gegebenen Punkt des Gegenstandes gleichzeitig durch alle Elemente der Anordnung addiert werden. Die Größe der Zeitverzögerungen der einzelnen Echosignale ist die gleiche wie bei dem Sendevorgang, und sie werden als Strahlsteuerungszeitverzögerungen oder einfach als Steuerungsverzögerungen bezeichnet. Die einzelnen Bestandteile des Empfängers, bei dem in den einzelnen Empfangskanälen Einrichtungen zur Verstärkung und Verzögerung der Echosignale sowie zur Addition der verzögerten Signale aus einer verschiedenen Anzahl von aktiven Kanälen in einer Echoempfangsperiode vorgesehen sind,sind in Fig. 5 dargestellt.

Die Apertursteuerung zur Verbesserung der seitlichen Auflösung bei kürzeren Bereichen wird am Empfänger dadurch erreicht, daß die einzelnen Kanäle elektronisch mit Ausnahme einer zentralen Gruppe von Empfangskanälen ausgetastet v/erden. Die dynamische Apertursteuerung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt, indem Empfangskanalschalter 15a bis 15e paarweise der Reihe nach während der Echoempfangsperiode geschlossen werden und zwar jeweils ein Paar auf einmal durch eine Apertursteuerschaltung Diese Schalter arbeiten mit hoher Geschwindigkeit und sind

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als elektronische Schalter ausgeführt, jedoch kann der Vorgang der Austastung der Kanäle in äquivalenter Weise auch durch eine Verminderung des Verstärkungsgrades durchgeführt werden. Beim minimalen Bereich sind nur die beiden in der Mitte liegenden Wandler aktiv und nur die verzögerten Echosignale von diesen beiden Kanälen werden addiert, um das fokussierte Echosignal zu ergeben. Wenn der Abstand zunimmt, werden die zwei Schalter 15b zu beiden Seiten geschlossen, und dann werden paarweise Schalter 15c bis 15e der Reihe nach geschlossen, so daß schrittweise die Größe der Empfangsunteranordnung zunimmt und die Zahl der aktiven Empfangskanäle wächst, deren verzögerte Echosignale addiert werden. Es können auch zwei oder mehrere nebeneinanderliegende Paare von Schaltern gleichzeitig geschlossen werden, um die gewünschte Größe der Apertur zu erhalten. Nach einer vereinfachten Regel ist die Strahlbreite im Nahfeld etwa gleich der Größe der Apertur, und die seitliche Auflösung ändert sich mit der Aperturgröße und ist am besten, wenn die Apertur klein ist. Bei dem vorbestimmten Bruchteil des Maximalbereiches, z.B. bei Rjj/2, sind alle Elemente der Anordnung und alle Empfangskanäle aktiv und eingeschaltet, und die volle Apertur wird bis zum weite- ■ sten Bereich beibehalten.

Fig. 3 erleichtert das Verständnis der Zeitfehlerbedingungen, welche die Krümmung der gekrümmten Wandleranordnung 10 bestimmt sowie die zulässige Apertur in verschiedenen Bereichen, so daß die Fehlerbedingungen nicht überschritten werden und die Auflösung in allen Bereichen befriedigend ist. Die ausgezogene Kurve 20 befindet sich vor der gekrümmten Wandleranordnung und die Orte der verschiedenen Wandlerelemente 11 sind in gestrichelten Linien dargestellt. Die dünn ausgezogenen Kreislinien 21 und 22 haben ihre Mittelpunkte an der Stelle von R^ und R^/2 und gehen durch den Mittelpunkt der gekrümmten Wandleranordnung hindurch. Schallenergie, die an der Stelle R^ ihren

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Ausgang nimmt, hat gleiche Laufzeiten zu irgendeinem Punkt auf dem Kreis 21 und ebenso sind die Laufzeiten von iLj/2 zu einem Punkt des Kreises 22 einander gleich. Die Brennweite der Linse mit festem Brennpunkt ist so gewählt, daß der Zeitfehler an den Enden der Anordnung die gleiche Größe für eine Schallquelle an der Stelle R wie für eine Schallquelle an der Stelle R_m/2 hat. Wenn man annimmt, daß die Zeitfehlerbedingung 1/6 einer Periode der Wandlerfrequenz sein soll, dann beträgt sie 1/6 einer Wellenlänge des Ultraschalls bei der verwendeten Frequenz. Dieser Fehler ist zulässig, weil ein Vektor mit einem Winkel von 60° eine Projektion auf die Resultierende hat, die wesentlich größer ist als 0,5. Wenn man 1/6 einer Periode als Zeitfehler At bezeichnet, dann hat der Punkt 23 auf der Kurve 20 den weitesten Halbaperturabstand, bei dem der Fehler At für Echos von R₀ und der Fehler Δ-t für Echos von R /'2 im einen Fall positiv und im anderen Fall negativ ist und den zulässigen Fehler nicht überschreitet. Eine größere Halbapertur ist nicht zulässig, weil die seitliche Auflösung schlechter wird, wenn der Zeitfehler 1/6 einer Periode um einen größeren Betrag übersteigt und noch anwächst. Die maximale Apertur ¥_„__ der Anordnung kann ausgedrückt werden durch;

res

wobei ¥ die Schallgeschwindigkeit und F„_ö_ die Resonanzfrequenz des Wandlerelementes ist. Die Auflösung am Punkt R = R₂₃ beträgt

= 0,234 W_max.

Die halbe Apertur, bei der eine gewählte Zeitfehlerbedingung nicht überschritten wird, ist in Figo 3 für Echos

Ci £.:::. B^elqhen ygii R- ιχώΑ

BAD ORIGINAL

die Lage einer kreisförmigen Wellenfront, die von R-, ausgeht, und die allgemeine Annäherung besteht darin, die Apertur zu berechnen, bei der dieser Kreis von der Kurve 20 um einen gegebenen Wert At an diesem Punkt abweicht, gemessen entlang einer Radiallinie, die durch R, hindurchgeht. Der Punkt 25 auf der Kurve 20 ist gleich der halben . Apertur, bei der die Δι-Bedingung nicht überschritten wird und diese Apertur ist so gewählt, daß Echos von den Gegenständen im Entfernungsbereich R^ aufgenommen werden. Der Kreis 26 hat seinen Mittelpunkt bei R^ und hat einen noch kleineren Radius, und die Δ t-Bedingung wird als Entfernung zwischen den Kreisen 26 und 20 entlang einer radialen Linie bei einer relativ kleinen Halbapertur überschritten. Der Punkt 27 auf der Kurve 20 ist die richtige Halbapertur für Echos, die aus der Entfernung R^ eingehen.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm der Auflösung in Abhängigkeit vom Bereich für die Linse mit festem Brennpunkt, deren Apertursystem dynamisch elektronisch gesteuert ist (Kurve 28) im Vergleich zu einer üblichen Linse mit festem Brennpunkt und fester Apertur (Kurve 29). Der Brennpunkt F., der bekannten Linse liegt etwa in der Mitte des gewünschten Bildfeldes, während der Brennpunkt F₂ der Linse nach der Erfindung mit der dynamischen Apertursteuerung und mit einer um 50% größeren maximalen Apertur bei einem wesentlich größeren Wert des Bereiches liegt. Im Vergleich zu dem bekannten Gerät hat das vorliegende Gerät eine verbesserte Brennweite und seitliche Auflösung sowohl bei kurzen Abständen als auch bei langen Abständen. Bei sehr kurzen Entfernungsbereichen besteht eine wesentliche Verbesserung, da die Apertur in Abhängigkeit vom Bereich erhöht wird und nicht fest bleibt. In dem verhältnismäßig schmalen Bereich wo die Auflösung des bekannten Geräts besser ist, ist die Differenz in der Auflösung nicht groß.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild des einfachen Ultraschall-Abbildungsgerätes mit Sektor abtaster gemäß der Erfindung. Die Wandlerelemente 11 der gekrümmten Wandleranordnung 10 sind mit einer gleichen Anzahl von Sendekanälen verbunden, die in der Lage sind, Erregerimpulse in zeitlicher Folge an die Elemente zu liefern, um den akustischen Richtstrahl zu steuern. Eine Steuerung 30 enthält einstellbare Verzögerungen und Impulsgeber 31, die der Reihe nach Erregerimpulse liefern, welche über Kondensatoren 32 den Elementen der Anordnung zugeführt werden. Ein Startimpulsgenerator 33 erzeugt eine Reihe von Impulsen, um die Erzeugung des akustischen Richtstrahls und des Sichtgeräts zu steuern, wenn die Sektorabtastung durchgeführt wird. Die parallelen Empfangskanäle für jedes Wandlerelement 11 enthalten einen Vorverstärker 34 mit einem Begrenzer, um die empfindlichen VorverStärkereingänge gegenüber der hohen Sendespannung zu schützen, ferner ein einstellbares Verzögerungselement 35, wie z.B. eine ladungsgekoppelte (CCD) Verzögerungsleitung, um die empfangenen elektrischen Echosignale in der Zeit zu verzögern und die Echos zu fokussieren, sowie eine Empfangskanalverstärkungsgradregelung 36, die anfangs auf einen niedrigen Wert eingestellt wird und die zu einem gewünschten Zeitpunkt aufgedreht werden kann, um die einzelnen Kanäle während des Anfangsteiles der Echoempfangsperiode selektiv auszutasten. Die Verzögerungsschaltungen sind als Rechtecke dargestellt, deren Länge von Kanal zu Kanal sich ändert und die eine Größe haben, die durch die Steuerung bestimmt wird. Die verzögerten Echosignale aus der wechselnden Zahl von aktiven Empfangskanälen werden einem Addierverstärker 37 zugeführt, um eine kohärente Addierung zu bewirken, und die Ausgangsgröße ist ein fokussiertes Echosignal oder ein rohes Videosignal, das einer Nachverarbeitung unterworfen werden kann, um die Bildqualität zu verbessern, bevor es einer Kathodenstrahlröhre 38 oder einem Fernsehmonitorgerät zur visuellen Darbietung in Realzeit zugeführt wird.

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Die dynamische Apertursteuerung enthält außer dem Empfangskanal-Verstärkungsregler 36 einen Bereichsrechner, z.B. einen Zähler 39, der den Echolaufzeitabstand während jeder Empfangsperiode berechnet. Der Zähler 39 zählt kontinuierlich in Abhängigkeit von einem Zug von gleichabständigen Impulsen eines TaktgeberOszillators 40 und wird durch den Startimpuls eines Generators 33 jedesmal beim Beginn eines Sende-Empfangszyklus gelöscht. Die Geschwindigkeit des Schalls im Gewebe beträgt etwa 154000 cm/s und der Bereich,von dem die Echos aufgenommen werden, ist durch die verstrichene Zeit für die Wellenausbreitung des Schalls bekannt. Der Zählerausgangswert ändert sich daher, wenn der Bereich zunimmt und steuert die Arbeitsweise einer Aperturschaltersteuerung 41, die als ein Auslesespeicher mit einem Adressenteil ausgebildet sein kann. Wenn der Zähler fortschreitet, werden höhere Adressen angesprochen und die Bits eines Wortes, das aus dem Auslesespeicher entnommen wird, steuern die einzelnen Verstärkungsregler 36 der Empfangskanäle. Die Apertur der Anordnung wird schrittweise als Funktion des Bereiches vergrößert, dadurch, daß man anfänglich die Verstärkungsregler einer zentralen Gruppe von Kanälen auf einen hohen Wert einstellt und danach die hohen Verstärkungsreglerwerte für andere Kanäle paarweise auf beiden Seiten auswählt, bis die volle Apertur bei dem vorbestimmten Bruchteil des maximalen Bereiches erreicht ist und danach bis zum maximalen Bereich und darüberhinaus aufrechterhalten wird. Die Zahl der Kanäle, die in den aktiven Zustand gebracht werden, wenn die Apertur der Anordnung symmetrisch schrittweise vergrößert wird, hängt von der vorher berechneten Apertur bei einem gegebenen Bereich ab, so daß ein bestimmter Zeitfehler nicht überschritten wird. Dies war in Verbindung mit Fig. 3 erläutert worden.

Wenn bei kürzeren Bereichsabständen die Apertur erhöht wird und die Zahl der aktiven Empfangselemente und Empfangskanäle, die zu der kohärenten Addition während

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einer Eehoempfangsperiode beitragen, sich rasch ändert, wird die Qualität des Videobildes durch eine Kompensation der GesamtverStärkung des fokussierten Echosignals verbessert. Es ist wünschenswert, in die Schaltung einen Verstärkungsgrad-Auslesespeicher 42 aufzunehmen, der bewirkt, daß der Verstärkungsgrad des Addierverstärkers 37 so eingestellt wird, wie die Apertur sich ändert, wobei die Größe des fokussierten Signals vor der Änderung und nach der Änderung die gleiche ist. Es erscheinen dann keine Linien auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre 38 in Bereichen, in denen eine Expansion der Apertur stattgefunden hat. Die Kompensation des Verstärkungsgrades ist mit der Bereichsvergrößerung koordiniert, und der Zählerstand am Ausgang des Zählers 39 bewirkt eine Adressierung des Auslesespeichers 42, Obgleich die Apertur der Anordnung und die Kompensation des Verstärkungsgrades dynamisch während der Echoaufnahmeperiode eingestellt werden, bleiben die Steuerverzögerungen durch die Verzögerungselemente 35 die gleichen und werden nur bei einem neuer. Sende-Empfangszyklus geändert»

Die Bestandteile des Ultraschallabtasters mit einer Linse mit festem Focus und dynamischer Apertursteuerung können normale integrierte Schaltungen oder übliche Schaltungen sein_f wie sie zur Zeit zur Verfügung stehen» Weitere Angaben über Sektorabtaster für Realzeitabbildungssysteme sind in der eingangs erwähnten Veröffentlichung enthalten«

Das beschriebene preiswerte uTtraschall-Abbildungsgerät gemäß der Erfindung benötigt keine dynamische Fokussierung und stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber üblichen Geräten fester Brennweite dar. Das Gerät der Erfindung hat eine Linse, deren Brennweite so gewählt ist, daß sie etwa in der Nähe des maximalen Bereiches liegt» Die volle Apertur kann von einem vorbestimmten Entfernungspunkt an benutzt, werden, und die Apertur wird in Abhängig-

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keit von dem Bereich vergrößert, wenn der Abstand kleiner ist als der dieses Punktes. Auf diese Weise erhält man eine gute Auflösung sowohl bei größeren Entfernungsbereichen als auch bei kürzeren Bereichen. Der Ultraschallsektorabtaster hat verschiedene Anwendungen auf dem Gebiet der Cardiologie und Laminographie, da auf diesen medizinischen Gebieten Bilder mit genügender seitlicher Auflösung in dem Nahfeldbereich benötigt werden und findet auch Anwendung bei Geräten zur zerstörungsfreien Prüfung von Materialien in der industriellen Technik. Bei der Herzabtastung in Realzeit wird eine Bildwiederholungsfrequenz von etwa 30 Bildern pro Sekunde gefordert, und der maximale Bereich beträgt etwa 25 cm. Eine gute Auflösung und Bildqualität über das gesamte Bildfeld sowohl bei kurzer Entfernung von der WandleranOrdnung bis zum maximalen Bereich sind wünschenswert.

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Claims

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GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N". Y., VStA

Patentansprüche

Ultraschall-Abbildungsgerät mit Sektorabtastung, dadurch gekennzeichnet, daß

a) in einer elektroakustisehen Wandleranordnung

(10, 10') eine Reihe von Wandlerelementen (11) so angeordnet sind, daß sich gleiche Zeitspannen für die Schallausbreitung zwischen einem Brennpunkt (F) und allen Elementen (11) der Anordnung ergeben, und daß die Elemente (11) wahlweise während abwechselnder Sende- und Echoempfangsintervalle betrieben werden und Ultraschall-Winkelrichtstrahlen zur Abtastung eines Gegenstandsbereichs und elektrische Echoempfangssignale erzeugen,

b) daß eine Anzahl von Sendekanälen Erregerimpulse in zeitlicher Folge für die Elemente erzeugen und eine Anzahl Smpfangskanäle die empfangenen Echosignale verschieden stark verzögern, um die Echos zu fokussieren,

c) daß eine Apertursteuerung (16) die Zahl der aktiven Elemente (11) und Empfangskanäle als Funktion des Entfernungsbereichs während jeder Echoempfangsperiode erhöht, um die Apertur der Anordnung schrittweise zwischen einem Mindestbereich und einem vorgegebenen Bruchteil des maximalen Bereiches zu ändern, wobei die volle Apertur dann bis zum Maximalbereich aufrechterhalten bleibt, und

d) daß die verzögerten Echosignale in allen aktiven Empfangskaiiälen addiert werden, um das fokussierte Echosignal zu erzeugen.

i. 2 -

2. Gerät nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die volle Apertur und die Apertur der Anordnung bei jedem Schritt der Änderung so gewählt sind, daß ein vorbestimmter Zeitfehler bei Echos, die bis zum Maximalbereich von einem der aktiven Elemente aufgenommen werden, nicht überschritten wird.

3. Gerät nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite der Wandleranordnung etwa 0,8 bis 0,9 des Maximalbereiches (R) beträgt.

4. Gerät nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe der Wandlerelemente symmetrisch um den Mittelpunkt der Anordnung gekrümmt ist.

5. Gerät nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe der Wandlerelemente eben ist und daß die Wandleranordnung eine konvergente akustische Linse (13) enthält, die aus einem Material besteht, in dem die Schallgeschwindigkeit größer ist als in Wasser.

6. Gerät nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Apertursteuerung eine Verstärkungsgradsteuerung (36) in jedem Empfangskanal enthält, die hohe und niedrige Werte umfaßt und daß Einrichtungen zur Einstellung der Verstärkungsgradsteuerung vorgesehen sind, um zu Anfang einen hohen Verstärkungsgrad für eine mittlere Gruppe von Kanälen einstellen zu können und danach den hohen Wert des Verstärkungsgrades für je zwei zu beiden Seiten liegende Kanäle einstellen zu können, um die Apertur der Anordnung symmetrisch schrittweise zu ändern.

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7. Gerät nach Anspruch, 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Einstellung der Verstärkungsgradsteuerung einen Bereichsrechner enthalten, der einen Zähler (39), einen Startimpulsgenerator (33) zur Einleitung der Erzeugung ύοϊι Erregerimpulsen in den Elementen und zum Löschen des Zählers enthält,sowie eine Aperturschaltersteuerung (41), die mit dem Ausgang des Zählers verbunden ist.

8. Gerät nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß es Einrichtungen zur Kompensation des Gesamtverstärkungsgrades des fokussierten Echosignales aufweist, um den Verstärlcungsgrad gleichbleibend zu erhalten, wenn die Apertur der Anordnung zunimmt.

9. Gerät nach Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Apertursteuerungseinrichtung Mittel zur schrittweisen Einstellung der Verstärkungsgradsteuerung auf einen hohen Wert aufweist, um die Apertur schrittweise zu erhöhen, ohne einen vorbestimmten Zeitfehler in irgendeinem Bereich zu überschreiten.

10. Gerät nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsgradsteuerung einen Zähler (39) enthält, dem Impulse von einem Taktgeberoszillator (40) zugeführt werden und der schrittweise den berechneten Bereich erhöht.

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