DE2908799A1

DE2908799A1 - Sende-empfangs-wandleranordnung fuer eine strahlgesteuerte ultraschallabbildungsanlage

Info

Publication number: DE2908799A1
Application number: DE19792908799
Authority: DE
Inventors: Frank Louis Lederman; Jerome Johnson Tiemann
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-03-09
Filing date: 1979-03-07
Publication date: 1979-09-13
Also published as: GB2016695B; FR2419621A1; GB2016695A; NL7901932A; US4180792A; JPS54139577A; CA1134492A

Description

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Die Erfindiang betrifft Ultraschallabbildung und bezieht sich insbesondere auf eine Sende-Empfangs-Wandleranordnung oder -Wandlerreihe und auf eine Sektorabtastungsabbildungsanlage mit einer derartigen Wandleranordnung.

Eine strahlgesteuerte B-Abtastultraschallabbildungsanlage, die auf einer in Phase gebrachten Wandlerreihe beruht, enthält eine lineare Wandlerreihe, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Ua eine Sektorabtastung durchzuführen werden den Wandlerelementen in zeitlicher Folge Impulse zugeführt, um akustische Richtstrahlen unter verschiedenen Winkeln relativ zu der Senkrechten auf dem Mittelpunkt der Reihe zu erzeugen. Echos, die von eine» Zielgegenstand in der Richtung eines Strahls reflektiert werden, kommen auf den Wandlerelementen zu verschiedenen Zeiten an und werden um verschiedene Beträge zeitlich verzögert, bevor eine koherente Addition vorgenommen wird, um ein fokussiertes Echosignal zu erzeugen. Ein Realzeitherzabtaster ist in dem Aufsatz "A new ultrasonic Imaging Technique employing two-dimensional electronic Beam Steering" von Thurstone und VonRamm in der Zeitschrift Acoustic Holography, Vol.5, 1974, Plenum Press, N.Y., Seiten 249-259 beschrieben.

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Das Strahltjngsdiagramm oder Empfindlichkeltsdiagramii der Wandleranordnung während des Sendens und des Empfanges hat außer dem Hauptrichtstrahler Seitenkeulen {Im Ursprungsland als "grating side lobes¹¹ bezeichnet und Im folgenden kurz Seitenkeulen genannt), die gegenüber dem Hauptstrahl um einen Winkel abweichen, der von dem Abstand zwischen den Wandlerelementen abhängt. Wenn der Abstand zwischen den Elementen abnimmt;, bewegt sich die Seitenkeule von de» Hauptrichtstraal weiter weg« Die Gesamtempfindlichkeit ist das Produkt der Sende- und Empfangs^Wandlerfunktlon. Eine bekannte in Phase gebrachte Wandlerreihe hat schwache Seiten-» keulenpegelj, weil die Elemente, die sowohl für das Senden als auch das Empfangen benutzt werden, gleiche Abstände von ■ einer halben Wellenlänge haben«, Die Auflösung und der Artefaktpegel sind abhängig von der maximalen Apertur und um eine vernünftige Auflösung bei einem Abstand von einer halben Wellenlänge zu erhalten, Ist es notwendig» eine große Anzahl von Elementen und von Sende- und Empfangskanälen zu verwenden*

Wenn die Kosten einer Anlage proportional zu- der Zahl der Wandlerelemente oder Kanäle 1st und wenn die Auflösung und der Artefaktpegel eine Funktion der aaximalen Apertur Ist_s dann gibt ein weiter Wandlerabstancl die beste AufIS-= sung pro SiiÄeltskösten«, Die Schwierigkeit besteht Jeöoefe darin, daß die Seitenkeulen sich mehr und ueüir des Haupt=- strahl naiiera unö s@rend weräenc, weaa öer den Elementen Tergrißert wlroU Ia filesee Fall @rze wohl Gegenstlaaep die in Richtung etör Seitenkesil© als auch der Hauptstrahl Echos _s di© aöfg zu dea folsussierten lclaoslgaal bei tragen _o jedocfe eise liostesgöastige itoordswag ά@τ Waseller^ ti gleichzeitig die ¥erschlechterimg des Bilfies duarcfe wünsclite SelteElxsaiea beseitigt %fird_o Eia treltsrer¹ wichtige Gesxchtspunlxt fffe³ einen Herzatotaster besteht äarinp daß die

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Abmessungen der Anordnung klein gehalten werden sollten, weil sie bei der Betrachtung des Herzens zwischen oder unter die Rippen plaziert werden muß.

Diese Aufgabe wird bei einer Sende-Empfangs-Wandleranordnung mit niedriger Seitenkeulenempfindlichkeit dadurch gelöst, daß die Abstände zwischen den Sendeelementen verschieden von den Abständen für die Empfangselemente gewählt werden, während gleichzeitig ein konstanter Abstand sowohl für die Sende- als auch die Empfangsapertur aufrecht erhalten wird. In diesem Falle haben die Seitenkeulendiagramme beim Senden und beim Empfang im wesentlichen verschiedene Winkel zwischen dem Hauptstrahl und den Seitenkeulen und das Produkt der Seitenkeulenempfindlichkeit ist klein.

Eine derartige Wandleranordnung enthält eine einzelne Reihe von Wanderelementen , die eine kurze Sendeanordnung von gleichabständigen Sendeelementen aufweist, die etwa in der Mitte innerhalb einer längeren Empfangsanordnung aus gleichabständigen Empfangselementeinheiten liegt.Die Abstände zwischen Sendeeleraenteinheiten sind im wesentlichen kleiner als die Abstände zwischen Empfangseleiienteinheiten· Hierdurch wird die Zahl der Sendekanäle und Impulse verringert und es ist möglich, eine Wandleranordnung breiter Apertur mit guter Auflösung zu erhalten».

Eine 100% aktive und in den Abmessungen kleine Wandleranordnung hat bei einer bevorzugten Ausführungsforia der Erfindung eine mittlere Unteranordnung von Sende-Empfangselementen, die im Abstand von einer halben Wellenlänge angeordnet sind und zwei End -Urteranordnungen von reinen Empfangselementen, die einen Abstand von einer vollen Wellenlänge haben. Die Sende-Empfangselemente sind in Gruppen von zwei während des Empfangs elektrisch gekoppalt, so daß jede Gruppe als eine Empfangselementeinheit arbeitet,mit einera

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Abstand von einer vollen Wellenlänge. Die miteinander verbundenen Paare von Sende-Empfangseleaenten führen die empfangenen Echosignale einem einzigen Empfangskanal zu, Sn dem das kombinierte Signal verzögert wird, um die Echos zu fokussieren. Eine andere AusfUhrungsform der Wandleranordnung hat einen mittleren Abschnitt, der aus Sende-Empfangselementen besteht, die mit reinen Empfangselementen im Abstand von einer halben Wellenlänge abwechseln und die beiden Endabschnitte enthalten reine Empfangselemente mit einem Abstand von einer vollen Wellenlänge.

Das strahlgesteuerte ültraschallabbildungssystea bei dem die Sende-Empfangswandleranordnung benutzt wird, ist entweder ein Einfachsektor- oder Vielfachsektorabtaster, der zu medizinischen Prüfungen und zur zerstörungsfreien Prüfung von Metall- und Keramikteilen benutzt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenen anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, die in der Zeichnung dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt schematisch die Wirkungsweise einer bekannten strahlgesteuerten Ultraschallabbildungsanlage mit einem einzelnen Sektor;

Fig. 2 zeigt schematisch eine Sende-Empfangs-Anordnung, bei der eine verhältnismäßig kleine S ende anordnung mit Abständen von einer halben Wellenlänge in der Mitte einer Empfangsanordnung angeordnet ist, deren Wandlerelemente Abstände von einer vollen Wellenlänge haben;

Flg. 5 bis 5 zeigen den Hauptstrahl und die Seitenkeulen bei bekannten Waßdleranordnungen mit gleichabständigen Wandlerelementen;

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Fig. 6 zeigt den Hauptstrahl und die Seitenkeulen für eine Sende-Empfangswandleranordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 7 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Sende-Empfangs-Wandleranordnung, das 100% aktiv ist und

Fig. 8 ist ein Blockschaltbild einer strahlgesteuerten Ultraschallabbildungsanlage mit einer Wandleranordnung nach Fig. 7.

Die Wirkungsweise von Sende- und Empfangs-Wandleranordnungen führt zu Strahlungsdiagrammen mit Darstellung der Seitenkeulen. Die Wirkung der Seitenkeulen kann dadurch vermindert werden, daß die Senderwandleranordnung eine schwache Ausstrahlung in der Richtung der Empfangsseitenkeulen hat und daher keine nennenswerte Energie in dieser Richtung aussendet, so daß die Zielgegenstände nicht erregt werden. In anderen Worten ausgedrückt heißt das, daß es möglich ist, die störende Seitenkeulenempfindlichkeit des Empfängers dadurch zu umgehen, daß die Seitenkeulen des Senders einen anderen Winkel haben oder umgekehrt. Beim Aufbau der Anordnung ist es aus verschiedenen Gründen vorteilhaft,bein Senden einen kleineren Abstand zwischen den Elementen wie beim Empfangen zu haben. Eine besonders passende Wahl der Abstände ist dann, gegeben, wenn eine kleine Sendeanordnung mit Elementen im Abstand von einer halben Wellenlänge im mittleren Teil einer größeren Empfangswandleranordnung liegt, deren Elemente oder Elementeinheiten einen Abstand von einer vollen Wellenlänge aufweisen.

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Bevor näher auf die Erfindung eingegangen wird_s sei die Wirkungsweise einer bekannten strahlgesteuerten Ultra- Schallabbildungsanordnung mit einem Sektor erläutert, die in Pig» 1 dargestellt ist. Eine lineare Wandleranordnung 10 enthält gleichabständige Wandlerelemente 11, die sowohl als Sende-Wandlerelemente als auch als Eapfangs- ¥andlerelemen.te dienen. Die Wandlerelemente werden durch Impulse 12 in linearer zeitlicher Folge erregt» um einen ültrasclaallrichtstrahl 13 zu bilden und um den Strahl in einer gewünschten Azimutrichtung auszurichten und Ultraschalliaptilse auszustrahlen« Um den Strahl elektronisch zu steuern], so daß er einen Winkel θ gegenüber der Senkrechten zur Längsachse der Anordnung einnimmt ₉ wird ein Zeitverzögerungsinkrement f. =(i-i)d sin θ der Reiße nach zu federn iten Signal hinzugefügt_s wenn man vom einem Ende (i = 1) Ms zum anderen Ende (i = H) der Anordnung fortschreitet» um genau die Zeitverzögerungsdifferenzen für die Ausbreitung zu kompensieren_a die unter der Bedingung von ebenen Wellen (Fraunhofer) bestehen. Wenn »an die Zeitverzögerung zwischen aufeinanderfolgenden Erregerimpulsen fortschreitend ändert, ändert sich der Winkel θ auf der einen Seite der Senkrechten schrittweise§ um eines gesteuerten Strahl auf der anderen Seite der Senkrechten zu erzeugen^ wird, der Zeitpunkt der Erregerimpulse 12 umgekehrt» so daß der unterste Wandler in Fig_o 1 zuerst erregt wird und der oberste Wandler als letzter erregt wlrdL Ber Gesamtabtastwinkel beträgt etwa 60 Ms 90° ο Echos j, die von einea Zielgegenstand 14 in der Riciatung des ausgestrahlten Hauptstrahls an den Wasderelementen zu verseMedenem Zeiten eintreffen, erfordern eine relative Tersögeroag d©s aufgenommenen elektrischen Echosignals ua verscMedene Beträge₅ so daß alle Signale von einen gegebenen, Zielpuskt durch alle Elemente der ¥andleranordxnxng gleichzeitig addiert xferden_E Die Größen äer ZeitverzSgenmgeD, der einzelnem Echosignale sind die gleichen wie während des Sendevorganges _Φ um die Verzögenmgsdifter&xxzen der akustischen Ausbreitung su

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kompensieren. Diese Verzögerungen werden daher auch als Strahlsteuerungszeitverzögerungen oder einfach als Steuerungsverzögerungen bezeichnet. Bei einer B-Abtastungsabbildung ist die Fokussierung nicht wesentlich, sie verbessert jedoch die Bildqualität indem sie die Auflösung verbessert und auch Artefaktschwierigkeiten vermindert. Die elektronische Fokussierung wird wie die Strahlsteuerung durch Verwendung von elektronischen Signalverzögerungsdifferenzen von Kanal zu Kanal erreicht, um Zeitverzögerungsdifferenzen der Ausbreitungsbahn zu kompensieren, die zwischen dem Brennpunkt und den verschiedenen einzelnen Wandlerelementpositionen bestehen. Die Strahlsteuerungs- und Fokussierungszeitverzögerungen sind additiv, d.h. wenn man die Zeitverzögerung,''die erforderlich ist, den Strahl auf einen Winkel θ zu steuern, anwendet, und dann die Zeitverzögerung hinzuaddiert, die erforderlich ist, um in einer Entfernung R zu fokussieren, dann befindet sich der Brennpunkt in einer Entfernung R gemessen auf einer Achse, die um θ° von der Senkrechten abweicht. Die Empfangsfokussierung kann dynamisch geändert werden, um den Bereich, aus dem Echos aufgenommen werden, während der Echoaufnahmeperiode durch einstufige oder vielstufige Annäherung zu verfolgen.

Um eine koherente Information der verschiedenen Beiträge aller Empfangselemente und Empfangskanäle jeweils für ein Wandlerelement zu erhalten,, werden die verzögerten Echosignale der vielfachen Empfangskanäle einem Addierverstärker zugeführt, an dessen Ausgang ein fokussiertes Echosignal auftritt, das die rohe Bildinformation enthält. Dies wird weiter unten in Zusammenhang mit Fig. 8 noch näher erläutert. Das fokussierte Echosignal kann bei Bedarf einer Nachbehandlung zur Verbesserung der Bildqualität und zur Umwandlung der Sektorabtastung in einer Rasterabtastung unterworfen werden. Es steuert die Intensität eines Kathodenstrahls einer Kathoden-

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strahlröhre oder einer Fernsehröhre in der das Bild Zeile um Zeile aufgebaut wird. Ein Realzeitabbildungssysteo für die Kardiologie benötigt eine Bildwechselfrequenz von etwa 30 Bildern/sek. um zu verhindern, daß der feil des Herzens* der auf dem Fernsehschirm abgebildet wird, verwaschen erscheint. Die Sende-Empfangs-Wandleranordnung der Erfindung für die strahlgesteuerte Ultraschallabbildung enthält im weiteren Sinne eine einzelne Reihe von elektroakustischen Wandlerelementen mit einer Sendeanordnung aus gleichabständigen Sendeelement-Einheiten und eine Empfangsanordnung aus gleichabständigen Empfangselementeinheiten, wobei die Abstände zwischen den Elementen der Sendeeleiaenteinheit und der Empfangselemente verschieden groß sind. Die beiden Werte der Abstände zwischen den Elementen sind so gewählt, daß die Seitenkeule bei der Sendung einen anderen Winkel gegenüber dem Hauptstrahl einnehmen, als die Seitenkeule beim Empfang, so daß das Produkt der Seitenkeulenempfindlichkeit des Gerätes klein ist. Gewöhnlich sind die Abstände zwischen den Elementen der Sendewandlereinheiten kleiner als die Abstände zwischen den Elementen der Empfangselementeinheiten, jedoch ist auch der umgekehrte Fall möglich. Die Sende- und Empfangs-Wandleranordnungen mit verschiedenen Abständen sind ineinandergeschachtelt und die gesamte Wandleranordnung hat kleine Abmessungen. Es wäre möglich, zwei getrennte Anordnungen mit verschiedenen Abständen zu benutzen, die nebeneinander Seite an Seite liegen, aber dies führt zu einer größeren und schlechter handhabbaren Wandleranordnung und außerdem sind die beiden Anordnungen nicht kolinear und haben keine maximale Empfindlichkeit. Für die Kardiologie ist eine kleine kompakte Wandlereinheit notwendig, weil das Herz aus einer Lage zwischen den Rippen beobachtet wird oder aus einer Lage unterhalb der untersten Rippe.

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ί. ·ά W -j Zt *J - 12 -

Eine schematisch in Fig. 2 dargestellte Sende-Empfangs-Wandleranordnung hat eine kurze Sendeanordnung mit gleichabständigen Sendeelementen, die in der Mitte oder etwa in der Mitte innerhalb einer längeren Empfangsanordnung von gleichabständigen Empfangselementen liegt. Reine Empfangselemente sind mit R bezeichnet, die Sende- und Empfangselemente mit TR, und die reinen Sendeelemente mit T. Die Elemente sind zweckmäßig aus einem piezoelektrischen Material hergestellt. Der Abstand zwischen den Elementen beträgt bei den Sendeelementen eine halbe Wellenlängsder ausgestrahlten .Ultraschallenergie und der Abstand der Empfangselemente beträgt eine volle Wellenlänge, jedoch können auch andere Werte benutzt werden. Diese Anordnung ist kostengünstig und hat eine weite Empfangs apertur.' für gute Auflösung und bringt die Artefaktseitenkeulenpegel der Anordnung auf ein Minimum. Da beim Empfang eine dynamische Fokussierung möglich ist, ist die Empfängerapertur nicht durch die Tiefe des Feldes der Fokussierlinse begrenzt und es ist daher wünschenswert, eine möglichst weite Apertur für beste Auflösung zu benutzen. Die Sendeapertur andererseits ist durch die erste Halb-Fresnelzone an dem zunächst liegenden Punkt im Bildfeld begrenzt und hierdurch ist sichergestellt, daß jeder der. ausgesendeten Strahlen an dem beobachteten Objekt mit etwa der gleichen Phase ankommt. Bei dieser Anordnung haben die Empfangs- und Sende-Anordnungen je konstante Abstände, um die Steuerung und Fokussierung zu vereinfachen. Eine Steuerung auf weite Winkel erfordert, daß die Wandler weite Aufnahmewinkel haben und dies führt zu schmalen Elementbreiten. Die getrennten Sendeelemente und Empfangselemente sind alle Einheitselemente und jedes ist mit einem individuellen Sendekanal oder Empfangskanal zusammengebaut. Es sind weniger Sendeelemente als Empfangselemente vorhanden und diese Ausführung hat den Vorteil, die Kosten zu vermindern, da die Notwendigkeit für eine große Zahl teurer Impulsschaltungen wegfällt. Es sind auch weniger Empfangskanäle vorhanden als es der Fall sein würde, wenn die gleiche maximale Apertur durch eine größere Zahl von Empfangselementen mit kleineren Abständen erreicht würde.

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Die Empfangsanordnung mit einem Abstand von einer Wellenlänge zwischen den Elementen hat eine Seitenkaulenstruktur, die dem Hauptstrahl so naheliegt, daß sie besonders störend wirkt, wenn eine Steuerung über weite Winkelbereiche erfolgt, weil dann die Seitenkeule sich innerhalb des Bildfeldes befindet. Die Sendeanordnung jedoch, die einen kleineren Abstand zwischen den Elementen aufweist, hat nur ein kleines Diagramm in der Richtung der Empfängerseitenkeule und strahlt in dieser Richtung keine nennenswerte Energie aus, so daß etwaige Zielgegenstände nicht erregt werden. Die Sendeseitenkeule hat einen wesentlich größeren Winkelabstand von dem Hauptstrahl als die Empfängerseitenkeule von ihrem Hauptstrahl. Die Gesamtseitenkeulenstruktur der Anordnung, das Produkt der Seitenkeulen der Sendeanordnung multipliziert mit derjenigen der Empfangsanordnung wird durch die Verwendung verschiedener Abstände zwischen den Elementen der Pegel des resultierenden Diagramms stärkt reduziert. In Bug. 3 ist ein Strahlungsdiagramm mit einem Hauptstrahl R_ffl, einer Seitenkeule R₀ und verschiedenen sehr kleinen Diffraktionsseitenkeulen dargestellt, und zwar für eine Empfangsanordnung 11 mit konstantem Abstand von einer Wellenlänge zwischen den Elementen. Der ausgesendete Strahl liegt hier etwa senkrecht zu der Anordnung. Wenn der ausgesendete Strahl in andere Winkellagen bei der Sektorabtastung abgelenkt wird, werden die Steuerverzögerungen in den Empfangskanälen entsprechend geändert. In Fig. 4 ist dargestellt, wie der Empfangsrichtstrahl und die Seitenkeulen geschwenkt werden, wenn eine Ablenkung über weite Winkel erfolgt, so daß die Seitenkeule R innerhalb des Aufnahmewinkels der Wandler liegt, der durch zwei Pfeile gekennzeichnet ist. In Fig. 5 ist das StraHungsdiagraoui einer Anordnung von Senderelementen 11 mit konstanten Abständen von einer halben Wellenlänge dargestellt, wobei sich eine Seitenkeule T_ mit einem wesentlich größeren Winkel-

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abstand von dem Hauptstrahl T_m ergibt, als dies bei einem Abstand von einer Wellenlänge der Fall ist. Die ausgestrahlte Ultraschallenergie, die durch Impulserregung der Elemente in zeitlicher Folge erzeugt wird, befindet sich in Phase mit dem Hauptstrahl und der Seitenkeule und auch den kleinen Diffraktionsseitenkeulen und verschwindet an anderen Stellen. Der Abstand D zwischen den Elementen erscheint in der Gleichung X=D sin θ und der Winkel muß zunehmen, wenn der Abstand zwischen den Elementen abnimmt. Für einen Abstand von einer halben Wellenlänge befindet sich die Seitenkeule so weit von dem Hauptstrahl entfernt, daß sie vernachlässigt werden kann. Hierdurch wird auch die diskriminierende Charakteristik des Empfängers erklärt, da eine koherente Addierung aller Beiträge der aktiven Empfangskanäle Echosignale addiert, die in Ptase liegen, während Echosignale in Gegenphase einander auslöschen. Das Gesamtdiagramm in Fig. 6 für die vorliegene Sende-Empfangs-Wandleranordnung mit verschiedenen Abständen der zwischen den Elementen enthält eine Empfangsseitenkeule R mit einem Winkelabstand von dem Hauptstrahl, der so klein ist, daß sie stören würde, aber das Senderanordnungsdiagramm in dieser Richtung hat einen so kleinen Wert, daß das Produkt der Seitenkeulenempfindlichkeit klein ist.

Eine in Fig. 7 dargestellte bevorzugte Ausführungsform der Sende-Empfangs-Wandleranordnung zeigt einen 100?£ aktiven Wandler mit kleinen Abmessungen. Sie enthält eine einzelne kontinuierliche Reihe von Elementen, die aus einer zentralen Unteranordnung von gleichabständigen Sende-Empfangs-Elementen T R zwischen zwei Endunteranordnungen oder Unterabschnitten von gleich beabstandeten reinen Empfangselementen R liegt. Die Abstände zwischen den reinen Empfangs elementen betragen eine Wellenlänge und die Abstände der Sende-Empfangs-Elemente betragen ein halbe Wellenlänge. Die kürzere Sende-Unteranordnung

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hat konstante Abstände von einer halben Wellenlänge und 3edes TR-Element ist eine Sendeelementeinheit, die mit einem getrennten Sendekanal und Impulsgeber verbunden ist. Die längere Empfangsanordnung hat konstante Abstände von einer Wellenlänge und zu diesem Zweck sind benachbarte TR-Elemente paarweise an der Stelle 20 elektrisch miteinander gekoppelt, so daß die einzelnen empfangenen Echosignale für je zwei TR-Elemente kombiniert werden und durch einen Empfangskanal für die beiden Elemente verarbeitet werden. Jedes reine Empfängerelement R ist eine Empfangselementeinheit, die mit einem getrennten Empfangskanal verbunden ist und Jede Gruppe von miteinander verbundenen TR-Elementen bildet auch eine Empfangselementeinheit. ..,' - '

Die Wandleranordnung wird zweckmäßig aus einem einzigen Stück eines piezoelektrischen Materials hergestellt, indem eine Reihe von einander gleichen Sägeschnitten die einzelnen individuellen Element begrenzen. Die Anordnung kann flach sein oder sie kann entlang der Längsachse der getrennten Elemente gekrümmt sein, oder entlang der Längsachse der Gesamtanordnung gekrümmt sein oder beides. Eine Anordnung, die insbesondere zur medizinischen diagnostischen Prüfung und für die Kardiologie geeignet ist, besteht aus einer mittleren Unteranordnung von 40 TR-Elementen und Enduntsranordnungen von je 17 R-Elementen. Es sind dann 40 Sendeelement- und Sendekanäle vorhanden und 54 Empfangs-Elementeinheiten und Empfangskanäle. Bei einer Ultraschallfrequenz von 2,25 mHz beträgt eine Wellenlänge 0,68 mm und bei einer Frequenz von 3,5 mHz beträgt die Wellenlänge 0,44 mm. Die Elemente sind daher sehr klein, und die gesamte Länge der Anordnung ist in dem einen Fall 3,5 cm und beträgt im anderen Fall 2,5 cm. Es ist für die Kardiologie wichtig, daß die Wandler-

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anordnung klein ist und leicht durch den Arzt gehandhabt werden kann, weil das Herz aus einer Lage zwischen den Rippen oder unterhalb der Rippen schräg betrachtet wird. Auch sind oft vertikale Ansichten in senkrechten Ebenen durch das Herz erwünscht. Die Wandleranordnung ist während jedes Sende-Empfangs-Zyklus 100% aktiv.

Der Abstand zwischen Elementen in dem mittleren Teil der Anordnung wurde zwischen Sende-Empfangs-Elementen und reinen Sendeelementen nach Fig. 2 und zwischen Sende- Empfangs-Elementen nach Fig. 7 niit einer halben Wellenlänge angegeben. Es ist jedoch auch möglich, Abstände von 1/3 Wellenlänge, 1/4 Wellenlänge usw. zu benutzen. Der mittlere Teil der Anordnung soll eine periodische Struktur sein und es sind eine ganzzahlige Anzahl von TR- und T-Elementen oder TR-Elementen innerhalb einer Periode vorhanden, die sich auf die Abstände der Empfangselementeinheiten bezieht. Umgekehrt ausgedrückt ist der Abstand der reinen Empfangselemente der Anordnung um ein ganzzahliges Vielfaches größer als der Abstand der kleineren Elemente in dem mittleren Abschnitt der Anordnung.

Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild einer strahlgesteuerten Ultraschallabbildungsanlage mit einem Sektor, die eine Sende-Empfangs-Wandleranordnung nach Fig. 7 benutzt, wobei ein Empfangskanal mit je zwei benachbarten Empfangselementen in daa mittleren Teil der Anordnung verbunden ist. Die TR-Elemente in der mittleren Unteranordnung mit Abständen von einer halben Wellenlänge sind mit einer gleichen Anzahl von Sendekanälen verbunden, die in der Lage sind, Impulse zur Erregung der Elemente in zeitlicher Folge zu erzeugen und die akustischen Strahlen in ihrer Winkellage zu steuern. Das Steuergerät 21 enthält einstellbare Verzögerungs- und Auslöseimpulsgeräte 22 in einer solchen Folge, daß Erregerimpulse über Kondensatoren 23 an die Sendeelemente abgegeben werden. Ein digitales Steuergerät 24 erzeugt Auslöseimpulse, die die

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Erzeugung der akustischen Strahlen steuern und die das Bildgerät während der Sektorabtastung betätigen. Die parallelen Empfangskanäle für jedes reine Empfangselement R und jedes Paar von miteinander verbundenen Sende-Empfangs-Elementen TR enthält je einen Vorverstärker 25 mit einem Begrenzer, umd die empfindlichen Vorverstärkereingänge vor der hohen Sendespannung zu schützen, sowie ein einstellbares Verzögerungselement 26 z.B. eine ladungsgekoppelte Verzögerungsleitung (CCD) um die empfangenen elektrischen Echosignale zu verzögern und die Echos zu fokussieren. Die VerzÖgerungsschaltungen sind als Rechteckblöcke verschiedener Länge für die einzelnen Kanäle dargestellt und haben eine Größe, die durch die Verzögerungssteuerung bestimmt ist. Die verzögerten Echosignale der parallelgeschalteten Empfangskanäle werden einem Addierverstärker 27 zugeführt, um eine koherente · Addition der Beiträge aller Empfangselemente zu bewirken und die Ausgangsgröße dieses "Verstärkers bildet ein fokussiertes Echosignal oder ein rohes Videosignal, das weiterverarbeitet werden kann^um die Bildqualität zu verbessern, bevor es einer Kathodenstrahlröhre 28 oder einem Fernsehüberwachungsgerät zur visuellen Darbietung in Realzeit zugeführt wird. Die kombinierten Echosignale von je zwei benachbarten TR-Elementen werden über ihre zugehörigen Empfangskanäle in der gleichen Weise verarbeitet, wie die empfangenen Echosignale von einem größeren reinen Ableseelement R.

Die Sende-Empfangs-Wandleranordnung kann auch bei einem Ultraschallabtaster mit mehreren Sektoren verwendet werden, der eine längere lineare Wandleranordnung aufweist, um eine Gruppe von Sektorabtastungen zu erzeugen, wobei die Ursprungspunkte der Sektorabtastreihe in Längsrichtung entlang der Anordnung versetzt sind. Die beschriebene Anordnung mit verminderten Seitenkeulen bei strahlgesteuerten Ultraschallabbildungssystemen mit weiter Apertur zeichnet sich

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durch niedrige Kosten und einfache Ausführung aus, so daß sie insbesondere bei medizinischen Anordnungen und bei der zerstörungsfreien Prüfung von Metall- und Keramikteilen anwendbar ist.

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Claims

1.ι Sende-Empfangs-Wandleranordnung für die strahlgesteuerte tjitrasehallabbildung mit einer einzelnen Reihe von elektroakustischen Wandler element en,
gekennzeichnet durch eine Sende-Wandlerreihe mit gleich beabstandeten Sendeelementen (T) und durch eine Empfangswandlerreihe mit gleich beabstandeten Empfangselementen (R), bei denen die Abstände zwischen den Sendeelementen (T) wesentlich verschieden von den Abständen zwischen den Empfangs element en (R) sind, so daß die Seitenkeule (T ) (des Strahlungsdiagramms) beim Senden einen anderen Winkel von dem Hauptrichtstrahl (R_m) hat als die Seitenkeule (R) beim Empfang und daß das Bto&ukt der Seitenkeulenempfindlichkeit klein ist.

2. Wandleranordnung nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet,, daß eine kurze Sendewandlerreihe mit gleich beabstandeten Sendeeleaenten (T) sich etwa in der Mitte einer längeren Empfangswandlerreihe mit gleich beabstandeten Empfangselementen (R) befindet und daß die Abstände zwischen den Sendeelementen (T) wesentlich kleiner sind als die Abstände zwischen den Enpfangselementen (R)₉ so da0 die Seitenkeule (T₁₅,) beim Senden einen größeren Winkel gegenüber den Hauptrichtstrahl hat, als die Seitenkeule (R ) beim Empfang«

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3. Wandleranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den Sendeelementen (T) etwa eine halbe Wellenlänge der ausgestrahlten Ultraschallenergie betragen und die Abstände zwischen den Empfangselementen (R) etwa eine Wellenlänge groß sind.

4. Wandleranordnung nach Ansprüchen 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abschnitt der Reihe von Wandlerelementen Sende-Empfangselemente (TR) enthält, die mit mindestens einem Sendeelement (T) abwechseln und daß die Endabschnitte der Reihe reine Empfangselemente (R) aufweisen, wobei die Sende-Empfangselemente und die reinen Empfangselemente je eine Empfangselementeinheit sind.

5. Wandleranordnung nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelabschnitt der Wandlerreihe ausschließlich Sende-Empfangselemente (TR) enthält und daß die beiden Endabschnitte der Wandlerreihe aus reinen EmpfangseTementen (R) bestehen, die Baueinheiten sind und daß Einrichtungen vorgesehen sind, durch die eine elektrische Kopplung benachbarter Sende-Empfangselemente gruppenweise während des Empfangs erfolgt, so daß jede Gruppe als Empfangselementeinheit wirkt.

6. Wandleranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Sende-Empfangselemente (TR) eine halbe Wellenlänge der ausgestrahlten ültraschälenergie betragen und daß die Abstände der reinen Empfangselemente (R) eine Wellenlänge betragen.

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7. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale Unteranordnung von gleich abständigen Sende-Empfangselementen (TR) zwischen zwei End-Unteranordnüngen yon 'gleichabständigen reinen Empfangselementen (R) vorgesehen ist, daß die Abstände der reinen Empfangselemente ein ganzzahliges Vielfaches der Abstände der Sende-Empf angselemente ist, ,. daß die Sende-Empf angselemente während der Sendung einzeln erregbar sind und daß Einrichtungen vorgesehen sind, die eine Anzahl benachbarter Sende-Empfangseleaente gruppenweise elektrisch während des Empfanges koppeln, so daß der Abstand zwischen miteinander verbundenen Gruppen der gleiche ist wie der Abstand zwischen reinen Empfangselementen, so daß die Seitenkeule während des Sendens einen wesentlich größeren Winkel gegenüber dem Hauptr richtstrahl hat, als die Seitenkeule beim Empfang, so daß das Produkt der Seitenkeulenempfindlichkeit klein ist.

8. Wandleranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sendekanäle einzeln an Jedes Sende-Empfangselement (TR) angeschlossen sind und Erregerimpulse in zeitlicher Folge erzeugen, daß eine Anzahl von Empfangskanälen einzeln mit den reinen Empfangselementen (R) und mit den ' miteinander verbundenen Gruppen von Sende-Eapfangselementen (TR) verbunden sind, um elektrische Echoempfangssignale zu verstärken und zeitlich zu verzögern und daß Einrichtungen (27) vorgesehen sind, mit denen die verzögerten Echosignale addiert werden, so daß ein fokussiertes Echosignal erzeugt wird und daß das fokussierte Echosignal ein sichtbares Bild des beschallten Objektbereiches erzeugt.

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