Es ist seit längerer Zeit bekannt, für die Untersuchung Ultraschall einzusetzen. Dazu werden zumeist lineare Ultraschallköpfe eingesetzt. Diese bestehen im allgemeinen aus einzelnen nebeneinander angeordneten Piezoelementen, die in ständiger Folge nacheinander einen Impuls mit derselben Frequenz auf die zu untersuchende Struktur abgeben. Diese Impulse werden nacheinander an akustischen Grenzschichten reflektiert und wieder empfangen. Es wird die Laufzeit der Impulse gemessen und aus der Laufzeit wird dann die Tiefe der unbekannten Grenzschicht bestimmt.

Da die unbekannte Struktur nur in Ausnahmefällen in einem homogenen Medium eingebettet ist, entstehen an den Inhomogenitäten des Mediums Echoimpulse und deshalb in den meisten Fällen sehr unscharfe Abbildungen, d. h. die bildhaften Darstellungen aus den Echoimpulsen sind mehr oder weniger stark verrauscht. Bei der Untersuchung an lebenden Geweben ist deshalb eine umfangreiche Erfahrung erforderlich, um den Charakter der zu untersuchenden Strukturen zu erkennen.

Die auf diese Weise erzeugten Darstellungen sind außerdem nur zweidimensional. Eine dreidimensionale Darstellung kann erzeugt werden, wenn die zu untersuchende Struktur mindestens aus zwei unterschiedlichen Positionen der Ultraschallköpfe aufgenommen wird, woraus dann ein dreidimensionales Bild berechnet wird. Dazu werden die bereits beschriebenen linearen Ultraschallköpfe schwenkbar ausgeführt, und die Struktur schichtweise abgetastet. Die einzelnen Schichten werden dann in einem Computer in ein dreidimensionales Bild umgerechnet. Unter diesen Bedingungen ist es auch möglich, verschiedene Bewegungsphasen

einer Struktur darzustellen, jedoch erfordert diese Methode einen erheblichen Rechenaufwand und die erzeugten Bilder besitzen die bereits beschriebenen Nachteile.

Ein weiterer Nachteil all dieser Verfahren besteht in der geringen Auflösung der dargestellten Strukturen. Die Auflösung wird mit steigender Frequenz verbessert. Gleichzeitig nimmt jedoch die Eindringtiefe ab. Diese kann nur durch die Erhöhung der Intensität verbessert werden.

Die sich widersprechenden Eigenschaften, dass die Auflösung mit steigender Frequenz verbessert wird und die Eindringtiefe mit steigender Frequenz abnimmt, bereitet dabei besondere Schwierigkeiten, da die Intensität des Ultraschalls nicht in jedem Fall beliebig erhöht werden kann. Einer Erhöhung der Frequenz ist bei Ultraschall ebenfalls eine Grenze gesetzt.

Um Strukturen, wie Knochen und Weichteile in einem menschlichen Körper zu erfassen, werden in der Medizin deshalb bevorzugt Computertomographen eingesetzt. Der Computertomograph arbeitet mit Röntgenstahlen, die eine hinreichend hohe Frequenz realisieren und deshalb das Gewebe durchdringen können. Die Röntgenstrahlen dringen von der einen Seite in die interes- sierende Struktur ein und auf der Gegenseite werden sie von einem Detektor empfangen. Das Gewebe wird in zweidimensionalen axialen Schichten, deren Ausdehnung vom Vorschub des Tisches bestimmt wird, auf dem z. B. der Patient liegt, aufgenommen. Die Röntgenanordnung umkreist dabei den Patienten pro Aufnahme um 360°. Danach wir der Patient für die Aufnahme der nächsten Schicht mit dem Tisch weiterbewegt. Die empfangenen Signale werden in einen Computer eingegeben, in dem die Informationen ausgewertet und zu dreidimensionalen Bildern zusammengesetzt werden. Um einen bestimmten Bereich des menschlichen Körpers zu erfassen, werden z. B. vom Abdomen etwa 40 Schichtaufnahmen hergestellt, wobei eine Aufnahme ca. 1 sec dauert. Die Auflösung beträgt etwa 0,5 bis 1 mm Ein moderner Computertomograph, der dreidimensionale Bilder liefert, wird in den Patentenschriften US-5,805,659 und 5,881,123 beschrieben. Durch eine spiralförmige Abtastung einer unbekannten Struktur erhält man die gesamten Daten zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildes dieser Struktur. Allerdings ist auch hier der Einsatz von Röntgenstrahlen erforderlich, damit z. B. das Gewebe eines Menschen vollständig durchdrungen werden kann. Die Erfassung der Daten der Struktur erfolgt also in Transmission.

Der entscheidende Nachteil beim Einsatz von Computertomographen ist eine unter Umständen sehr hohe Strahlenbelastung des Patienten, da die Strahlen den ganzen Körper durchdringen und für eine Darstellung mehrere Aufnahmen gemacht werden müssen. Außerdem muß in vielen Fällen ein Kontrastmittel eingesetzt werden, das dem Patienten verabreicht werden muss.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Erfassungseinheit für die Informationen über eine unbekannte Struktur in einem Medium vorzuschlagen, die Bilder mit einer hohen Auflösung liefert und die keine Strahlenbelastung des Patienten verursacht. Die unbekannten Strukturen sollen unmittelbar im 3D-Modus erfasst und dargestellt werden. Die Erfassungseinheit soll dafür so einfach wie möglich in die Nähe der unbekannten Struktur angebracht werden können und die Informationen über ihre Lage und Größe sollen so einfach wie möglich erfasst werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem aktiven Helixscanner gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. In einer ersten Ausführungsform ist der aktive Helixscanner zum Erfassen einer in einem Medium eingebetteten Struktur im 3D-Modus mit einem Sender, der einen kegelförmigen Sendestrahl besitzt und einem Empfänger, die spiralförmig über die Struktur geführt werden, so gestaltet, dass ein erstes und ein zweites akustisches Modul vorhanden ist, wobei das erste akustische Modul Sendeelemente mit einem zusammenhängenden Beschallungs- raum und das zweite akustische Modul Empfängerelemente mit einem zusammenhängenden Empfangsraum besitzt, wobei sich die akustischen Module genau gegenüber stehen und zwischen ihnen die Struktur angeordnet ist. Der Beschallungsraum der Sendeelemente und der Empfangsraum der Empfängerelemente überlappen sich im Bereich der unbekannten Struktur möglichst vollständig. Die fest miteinander gekoppelten akustischen Module werden spiralförmig um die Struktur bewegt. Die Ganghöhe der spiralförmigen Bewegungsbahn beträgt maximal die Breite der Überlappung des Empfangsraumes der Empfängerelemente mit dem Beschallungsraum der Sendeelemente. In Schritten, die maximal gleich dem Durchmesser der Überlappung des Empfangsraumes der Empfängerelemente mit dem Beschallungsraum der Sendeelemente sind, wird ein Sende-Empfangs-Zyklus ausgelöst, wobei das Sendesignal mit einer beliebigen Modulationsfunktion moduliert ist.

Das fest miteinander gekoppelte Paar der akustischen Module, von denen das eine Sendeelemente für Sendesignale mit einer beliebigen Modulationsfunktion und das andere

Empfängerelemente für die durch die unbekannte Struktur infolge Absorption geschwächten Sendesignale enthält, stellen eine in einer Linie liegende Sende-Empfangseinrichtung dar, deren Verbindungslinie durch die zu untersuchende Struktur hindurchgeht. Zwischen den fest miteinander gekoppelten akustischen Modulen wird ein Sende-Empfangs-Zyklus ausgelöst, d. h. es wird von dem ersten akustischen Modul ein Sendesignal mit einer beliebigen Modulationsfunktion ausgesendet und von dem gegenüberliegenden, mit Empfängerelementen ausgerüsteten akustischen Modul empfangen. Danach dreht sich das Paar der akustischen Module um den Mittelpunkt ihrer Verbindungslinie auf einer spiralförmigen Bahn um einen Weg, der von dem Durchmesser des Empfangsraumes bestimmt wird und es wird ein neuer Sende-Empfangs-Zyklus gestartet. Während der Zeit des Sende-Empfangs-Zyklus wird das Paar der akustischen Module angehalten. Das zweite akustische Modul, das mit Empfängerelementen ausgerüstet ist, erfasst bei einer Drehung um 360° den gesamten Informationsgehalt der unbekannten Struktur im Empfangsraum, der im optimalen Fall nur eine schmale Linie darstellt.

Je nach Auflösungsanforderung kann dieser Empfangsraum verbreitert werden. Das Paar der akustischen Module wird so nacheinander auf der bereits beschriebenen spiralförmigen Bahn bewegt. Auf diese Weise wird der gesamte interessierende Bereiche der Struktur spiralförmig abgetastet und kann im 3D-Modus dargestellt werden. Wird der Abstand bis zum nächsten Sende-Empfangs-Zyklus größer als der Durchmesser der Überlappung des Empfangsraumes der Empfängerelemente mit dem Beschallungsraum der Sendeelemente, wird nicht mehr der gesamte Informationsinhalt empfangen, es gehen also Informationen verloren. Es ist aber durchaus möglich, die doppelte Schrittlänge zu wählen und die Lücken beim Zurückführen des Paares auf der spiralförmigen Bewegungsbahn der akustischen Module zu erfassen.

Die beschriebene Anordnung entspricht etwa dem Aufbau eines Computertomographen mit dem Unterschied, dass Ultraschallsignale verwendet werden, die mit einer beliebigen Modulations- funktion moduliert sind und dass die Aufnahmen nicht kontinuierlich erfolgen. Außerdem erfährt ein Patient keine Strahlenbelastung. Diese Anordnung ist vorzugsweise für die Aufnahme und Darstellung von Weichteilen einsetzbar, da von den Empfängerelementen ein durch die unbekannte Struktur hindurchgehendes Sendesignal aufgenommen wird, das die dichteren Schichten u. U. nicht durchdringen kann.

Eine Weiterentwicklung des aktiver Helixscanners zeichnet sich dadurch aus, dass das erste akustische Modul zusätzlich Empfängerelemente mit einem zusammenhängenden

Empfangsraum besitzt, derart dass sich der Beschallungsraum der Sendeelemente und die Empfangsräume der Empfängerelemente im Bereich der unbekannten Struktur möglichst vollständig überlappen und die beiden Teile des ersten akustischen Moduls auf derselben Seite der Struktur angeordnet sind. Bei dieser Anordnung werden zusätzlich zu den durch die Struktur hindurchgehenden Signale auch die an der Struktur reflektierten Signale empfangen. Der reflektierte Teil des von den Sendeelementen ausgestrahlten Sendesignals wird von den Empfängerelementen auf dem ersten akustischen Modul empfangen. Durch die spiralförmige Weiterbewegung des akustischen Moduls nach jedem Sende-Empfangs-Zyklus und die Erzeugung von"Aufnahmen"in Schritten, die gleich dem Durchmesser der Überlappung des Empfangsraumes der Empfängerelemente mit dem Beschallungsraum der Sendeelemente ist, wird eine dreidimensionale Darstellung erzeugt, die in diesem Fall im Gegensatz zur Computer- tomographie zusätzlich im Reflexionsverfahren erfolgt. Es entstehen somit aus jedem akustischen Modul, das Empfängerelemente besitzt, ein Bild. Da sich das menschliche Gewebe durchaus unterschiedlich verhalten kann, ob die Sendesignale transmittiert oder reflektiert werden, entstehen unter Umständen zwei Darstellungen mit unterschiedlichen Aussagen über die Struktur, die dem Mediziner ein weiteres Mittel für eine Diagnose in die Hand geben. Sind also auf dem ersten akustischen Modul sowohl Sende-als auch Empfängerelemente vorhanden, können in jedem Sende-Empfangs-Zyklus die Reaktionen der Sendesignale sowohl aus den reflektierten als auch aus den transmittierten Signalen empfangen werden. Die Sendeelemente senden ein Sendesignal aus und auf dem gegenüberliegenden Empfängerelementen wird das Transmissionssignal empfangen und von den auf dem ersten akustischen Modul enthaltenen Empfängerelementen mit zusammenhängenden Empfangsraum werden die Reflexionssignale empfangen. Diese Anordnung erlaubt eine weitere Verbesserung der Aussagekraft der Aufnahmen.

Eine weitere Ausführungsform entsteht, wenn das erste akustische Modul aus zwei räumlich getrennten Teilen besteht, wobei der erste Teil des akustischen Moduls z. B. die Sendeelemente und der zweite Teil z. B. die Empfängerelemente enthält und die beiden Teile des ersten akustischen Moduls mit dem zweiten akustischen Modul eine Ebene aufspannen, die senkrecht zur Drehachse der spiralförmigen Bewegungsbahn der akustischen Module liegt. Der Beschallungsraum der Sendeelemente und die Empfangsräume der Empfängerelemente sollten sich auch hier im Bereich der unbekannten Struktur möglichst vollständig überlappen. Die beiden Teile des ersten akustischen Moduls sind dabei vorzugsweise auf derselben Seite der

Struktur angeordnet, damit eine vollständige Erfassung der reflektierten Signale erfolgen kann.

Dieses Ausführungsbeispiel gleicht dem bereits beschriebenen, die Reflexionen an der Struktur erfolgen lediglich unter einem kleineren Winkel als im ersten Ausführungsbeispiel dieser Art.

Der Winkel sollte jedoch nicht so groß sein, dass der Teil des ersten akustischen Moduls mit den Empfängerelementen durch die Struktur abgeschattet wird. Dann würden eventuelle zwei Empfangsvolumina in Transmission entstehen.

Eine andere Lösung des aktiven Helixscanner zum Erfassen einer in einem Medium eingebetteten Struktur im 3D-Modus mit einem Sender und einem Empfänger mit einem kegelförmigen Sendestrahl, die spiralförmig über die Struktur geführt werden, entsteht dadurch, dass mindestens zwei Paare mit je einem ersten und einem zweiten akustischen Modul vorhanden sind, dass jeweils das erste akustische Modul Sendeelemente mit einem zusammen- hängenden Beschallungsraum und optional Empfängerelemente mit einem zusammenhängenden Empfangsraum und das zweite akustische Modul Empfängerelemente mit einem zusammen- hängenden Empfangsraum enthält, dass die Paare der akustischen Module in einer Ebene senkrecht zur Drehachse der spiralförmigen Bewegungsbahn liegen und jeweils gegenüber- liegend an einer Struktur so angeordnet und fest miteinander gekoppelt sind, dass sich die Beschallungsräume der Sendeelemente und die Empfangsräume der Empfängerelemente der akustischen Module im Bereich der unbekannten Struktur möglichst vollständig überlappen. Die Ganghöhe der spiralförmigen Bewegungsbahn der Paare der akustischen Module besitzt maximal die Breite der kleinsten Überlappung eines Beschallungsraumes mit dem entsprechenden Empfangsraum der akustischen Module multipliziert mit der Anzahl der akustischen Module mit Empfängerelementen. In Schritten, die maximal gleich dem Durchmesser des sich überlappenden Beschallungsraumes der Sendeelemente mit den Empfangsräumen der Empfängerelemente sind, wird ein Sende-Empfangs-Zyklus ausgelöst, wobei das Sendesignal mit einer beliebigen Modulationsfunktion moduliert ist.

Mit dieser Anordnung kann die Erfassungszeit der Informationen über eine unbekannte Struktur bedeutend verkürzt werden. Sind die Sendesignale entsprechend kurz, ist bei kleinen Strukturen eine Erfassung in Echtzeit möglich.

Eine andere Lösung der Aufgabe, die eine weitere Verkürzung der Erfassungszeit ermöglicht, wird mit einem aktiven Helixscanner zum Erfassen einer in einem Medium eingebetteten

Struktur im 3D-Modus mit einem Sender und einem Empfänger mit kegelförmigen Sendestrahl, die spiralförmig über die Struktur geführt sind, dadurch erreicht, dass in übereinander liegenden Ebenen, die senkrecht zur Drehachse der spiralförmigen Bewegungsbahn angeordnet sind, jeweils die gleiche Anzahl paarweise angeordneter fest miteinander gekoppelter akustischer Module vorhanden ist, wobei in jedem Paar jeweils ein akustisches Modul Sendeelemente mit einem zusammenhängenden Beschallungsraum und optional Empfängerelemente mit einem zusammenhängenden Empfangsraum und das andere akustische Modul Empfängerelemente mit einem zusammenhängenden Empfangsraum enthält. Die Beschallungsräume und die Empfangsräume der akustischen Module jeder Ebene überlappen sich jeweils im Bereich der unbekannten Struktur möglichst vollständig. Die Ganghöhe der spiralförmigen Bewegungsbahn der akustischen Module besitzt maximal die Breite der kleinsten Überlappung eines Empfangsraumes mit dem Beschallungsraum der Sendeelemente der akustischen Module multipliziert mit der Anzahl der akustischen Module mit Empfängerelementen und der Anzahl der Ebenen. In Schritten, die maximal gleich dem Durchmesser des sich überlappenden Beschallungsraumes der Sendeelemente und des Empfangsraumes der Empfängerelemente einer Ebene sind, wird zwischen allen Paaren gleichzeitig ein Sende-Empfangs-Zyklus ausgelöst, wobei das Sendesignal mit einer beliebigen Modulationsfunktion moduliert ist.

In allen Ausführungsbeispielen senden die Sendeelemente mit dem zusammenhängenden Beschallungsraum auf dem einen Teil des akustischen Moduls ein Sendesignal mit einer beliebigen Modulationsfunktion in Richtung auf die Struktur. An den akustischen Impedanzen der Struktur wird dieses Signal reflektiert und geschwächt, da hier auch eine Absorption stattfindet. Dieser Sende-Empfangs-Zyklus wird für jeden Schritt auf der spiralförmigen Bewegungsbahn des akustischen Moduls, nachdem das akustische Modul gestoppt wurde, wiederholt.

Die spiralförmige Bewegung kann auch eine Bahn aufweisen, die nach dem größten Abstand zwischen zwei benachbarten akustischen Modulen jeweils einen Richtungswechsel in die entgegengesetzte Richtung besitzt, so dass die Bewegungsbahn nach jedem Wechsel spiralförmig in entgegengesetzter Richtung fortgesetzt wird. Die fest miteinander verbundenen akustischen Module vollziehen dadurch keine geschlossene Spirale, sondern die spiralförmige Bewegung wird abschnittsweise jeweils in entgegengesetzter Richtung fortgesetzt.

Es kann für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein, wenn die Sendeelemente auf den akustischen Modulen in Empfängerelemente und die Empfängerelemente in Sendeelemente umschaltbar sind und wenn nach der Umschaltung der aktiven Elemente jeweils ein zweiter Sende-Empfangs-Zyklus ausgelöst wird, da wie bereits erwähnt, das Reflexionsverhalten und das Transmissionsverhalten eines Gewebes unterschiedlich sein können. Es entstehen dann zwei Darstellungen mit unter Umständen aussagekräftigen Unterschieden. Diese Möglichkeit ist auch bei einer geschlossenen Spirale der Bewegung gegeben.

Bei den einzelnen Ausführungsformen der aktiven Helixscanner können die Sendesignale von den einzelnen akustischen Modulen unterschiedlich moduliert sein. Die Zuordnung der Sende- und Empfangssignale könnte dann ur. ter bestimmten Bedingungen vereinfacht werden.

Die Module sollten so klein wie möglich gestaltet werden und eine möglichst große Anzahl von aktiven Elementen besitzen. Da sich jeweils alle Beschallungsräume und Empfangsräume einer Ebene überlappen, also ein Sendesignal jeweils von allen Empfängerelementen empfangen werden kann, sind für die Auswertung der empfangenen Signale immer nur bestimmte Empfangsräume aktiv. Die von anderen Sendeelementen empfangenen Signale bewirken Veränderungen in der Kurvenform des Signals und werden von einer Rauschunterdrückungsschaltung ausgeblendet.

Da die Sendesignale im Ultraschallbereich liegen, also in vielen Anwendungsfällen Kontaktmittel erforderlich sind, kann jeder der dargestellten aktiven Helixscanner auch so aufgebaut werden, dass die fest miteinander gekoppelten akustischen Module spiralförmig um einen zylindrischen mit einem Kontaktmittel gefüllten Behälter, in dem das Medium mit der unbekannten Struktur angeordnet werden kann, bewegt werden.

Zur Erfassung und Darstellung der Informationen über ein in einem Medium eingebetteten Struktur im 3D-Modus mit einem Sender und einem Empfänger mit kegelförmigen Sendestrahl, die spiralförmig über die Struktur geführt sind, ist eine Vorrichtung vorgesehen, die so aufgebaut ist, dass dem Sender ein Speicher zur Ablage des Sendesignals als Referenzsignal und dem Empfänger ein A/D-Wandler und ein Speicher zur Ablage des digitalisierten Empfangssignals folgt, dass beide Speicher zur Korrelation des Referenzsignals mit dem digitalisierten Empfangssignal mit einem Korrelator zur Bestimmung der Position der Reflexionspunkte

verbunden sind, dem eine Einrichtung zur Rauschunterdrückung und ein Speicher zur Ablage des korrelierten und rauschverminderten Signals folgt, dass der Sender und der Empfänger mit einem Positionsgeber verbunden ist, der die Schrittweite und den Wertebereich für die spiralförmige Bewegung von Sender und Empfänger angibt, dass dem Positionsgeber eine Steuereinheit, ein Multiplexer und ein Visualisierungsgerät folgt.

Zur Datenverarbeitung der empfangenen Signale des Helixscanners wird das modulierte Sendesignal als Referenzsignal in einem Speicher abgelegt, während das Empfangssignal digitalisiert wird und ebenfalls in einem Speicher abgelegt wird. Beide Signale werden zur Positionsbestimmung der Reflexionspunkte in einem Korrelator korreliert. Das daraus resultierende verrauschte Signal wird mit Hilfe einer Schwellwertfunktion o. ä. in einer Einrichtung zur Rauschunterdrückung vom Rauschen befreit und vorerst in einem Speicher abgelegt. Falls gleichzeitig mehrere Empfänger vorhanden sind, werden die anderen empfangenen Signale parallel genauso verarbeitet wie das erste. Vor dem endgültigen Speichern der Amplitudenwerte für die Visualisierung müssen die mit dem Referenzsignal korrelierten und rauschunterdrückten Signale der verschiedenen Empfänger auf geeignete Weise miteinander korreliert werden (z. B. durch Mittelwertbildung).

An dem Positionsgeber kann man die Schrittweite sowie den Wertebereich für die spiralförmige Bewegung der fest miteinander gekoppelten akustischen Module angeben. Dann gibt es mindestens zwei Möglichkeiten der Datenspeicherung als Grundlage für die Darstellung der Amplitudenwerte der empfangenen Signale. Entweder wird ein Speicher bereitgestellt, der hinreichenden Speicherplatz zur Verfügung stellt, um bei minimaler Schrittweite sowie maximalem Wertebereich alle Amplitudenwerte (o. ä. Signalwerte) aufnehmen zu können, oder ein Zähler zählt die Speicherplatzposition mit jedem Schritt des Helixscanners um jeweils 1 weiter. Dadurch wird z. B. bei einer Schrittweite von 10 jeder Speicherplatz belegt, und somit nur 10% des Speicherplatzes benötigt. Eine Steuereinheit steuert dann den Multiplexer je nach eingegebener Schrittweite, um die entsprechenden Signalwerte an dem vorgesehenen Speicherplatz abzulegen und bei Bedarf wieder abzurufen.

Ein Zähler zählt die Speicherplatzposition mit jedem Schritt des Scanners um jeweils 1 weiter (d. h. auch bei einer Schrittweite von 10 wird jeder Speicherplatz belegt. Somit wird nur 10% des

Speicherplatzes von l. benötigt.) An jeder Position des Speichers werden dann sowohl die Position des Scanners als auch die zugehörigen Signalwerte abgespeichert.

Mit der Position (lineare Angabe : l,..., n) des Scanners sind die räumlichen Koordinaten des zugehörigen Beschallungsraumes bestimmt. Die entsprechenden Signalwerte können somit dem Speicher entnommen und mit handelsüblichen 3-D Visualisierungsprogrammen dargestellt werden.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand einiger Zeichnungen erläutert werden. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in den einzelnen Zeichnungen gleiche oder ähnliche Teile.

Fig. 1 zeigt einen Helixscanner in schematischer Darstellung mit zwei akustischen Modulen, bei dem das eine akustische Modul mit Sendeelementen und Empfängerelementen und das andere akustische Modul mit Empfängerelementen ausgerüstet ist ; Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Helixscanner mit einem akustischen Modulen, das mit Sendeelementen und Empfängerelementen ausgerüstet ist ; Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung einen Helixscanner mit zwei akustischen Modulen, von denen das eine akustische Modul aus zwei Teilen besteht ; Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung einen Helixscanner mit zwei Paaren von akustischen Modulen, von denen jeweils ein akustisches Modul mit Sendeelementen und Empfängerelementen und das andere akustische Modul mit Empfängerelementen ausgerüstet ist ; Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung einen Helixscanner mit drei Ebenen mit jeweils einem Paar von akustischen Modulen, von denen jeweils ein akustisches Modul mit Sendeelementen und Empfängerelementen und das andere akustische Modul mit Empfängerelementen ausgerüstet ist ; Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung zum Erfassen einer in einem Medium eingebetteten Struktur im 3D-Modus mit einem Sender und einem Empfänger mit kegelförmigen Sendestrahl, die spiralförmig über eine Struktur geführt werden ; Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Erfassen einer in einem Medium eingebetteten Struktur im 3D-Modus ; und Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Erfassen einer in einem Medium eingebetteten Struktur im 3D-Modus für reflektierte und transmittierte Sendesignale.

In Fig. 1 ist ein aktiver Helixscanner zum Erfassen einer in einem Medium eingebetteten Struktur 3 im 3D-Modus dargestellt, der ein erstes 1 und ein zweites 2 akustisches Modul besitzt, wobei das erste akustische Modul 1 Sendeelemente 4 mit einem zusammenhängenden Beschallungsraum und Empfängerelemente 5 mit einem zusammenhängenden Empfangsraum das zweite akustische Modul 2 Empfängerelemente 5 mit einem zusammenhängenden Empfangsraum besitzt. Die akustischen Module 1,2 stehen sich genau gegenüber und zwischen ihnen ist die zu untersuchende Struktur 3 so angeordnet, dass sich der Beschallungsraum der Sendeelemente 4 und der Empfangsraum der Empfängerelemente 5 im Bereich der unbekannten Struktur 3 möglichst vollständig überlappen. Die akustischen Module 1,2 sind fest miteinander gekoppelt und bewegen sich auf einer spiralförmigen Bewegungsbahn 7 um die Drehachse 8, die innerhalb der Struktur 3 liegt. Die Ganghöhe 6 der spiralförmigen Bewegungsbahn 7 beträgt maximal die Breite der Überlappung des Empfangsraumes der Empfängerelemente 5 mit dem Beschallungsraum der Sendeelemente 4. In Schritten, die maximal gleich dem Durchmesser der Überlappung des Empfangsraumes der Empfängerelemente 5 mit dem Beschallungsraum der Sendeelemente 4 sind, werden die akustischen Module angehalten und ein Sende-Empfangs- Zyklus ausgelöst, wobei das Sendesignal mit einer beliebigen Modulationsfunktion moduliert ist.

In Fig. 2 ist ein Helixscanner dargestellt, der nur ein akustisches Modul 1 besitzt, auf sich dem sowohl Sendeelemente 4 mit einem zusammenhängenden Beschallungsraum als auch Empfängerelemente 5 mit einem zusammenhängenden Empfangsraum befinden, die sich im Bereich der unbekannten Struktur 3 überlappen. Mit dieser Anordnung werden nur die reflektierten Sendesignale aufgenommen, also nur die Signale, die von der Struktur 3 auf die Empfängerelemente des akustischen Moduls 1 reflektiert werden.

In Fig. 3 ist ein aktiver Helixscanner dargestellt, der sich dadurch auszeichnet, dass das erste akustische Modul 1 aus zwei räumlich getrennten Teilen besteht, wobei der erste Teil des akustischen Moduls 1 die Sendeelemente 4 und der zweite Teil die Empfängerelemente 5 und das zweite akustische Modul 2 Empfängerelemente 5 enthält. Die beiden Teile des ersten akustischen Moduls 1 spannen mit dem zweiten akustischen Modul 2 eine Ebene auf, die senkrecht zur Drehachse 8 der spiralförmigen Bewegungsbahn 7 liegt, wobei sich der Beschallungsraum der Sendeelemente 4 und die Empfangsräume der Empfängerelemente 5 im Bereich der unbekannten Struktur 3 möglichst vollständig überlappen und die beiden Teile des

ersten akustischen Moduls 1 auf derselben Seite der Struktur 3 angeordnet sind. Auf diese Weise werden sowohl die reflektierten als auch die transmittierten Der aktive Helixscanner zum Erfassen einer in einem Medium eingebetteten Struktur 3 im 3D- Modus entsprechend Fig. 4 ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Paare mit je einem ersten 1 und einem zweiten akustischen Modul 2 vorhanden sind, wobei jeweils das erste akustische Modul 1 Sendeelemente 3 mit einem zusammenhängenden Beschallungsraum und optional Empfängerelemente 5 mit einem zusammenhängenden Empfangsraum und das zweite akustische Modul 2 Empfängerelemente 5 mit einem zusammenhängenden Empfangsraum enthält. Die Paare der akustischen Module 1,2 liegen in einer Ebene senkrecht zur Drehachse 8 der spiralförmigen Bewegungsbahn 7 und sind jeweils gegenüberliegend an einer Struktur 3 so angeordnet und fest miteinander gekoppelt, dass sich die Beschallungsräume der Sendeelemente 4 und die Empfangsräume der Empfängerelemente 5 der akustischen Module 1,2 im Bereich der unbekannten Struktur 3 möglichst vollständig überlappen. Die Ganghöhe 6 der spiralförmigen Bewegungsbahn 7 der Paare der akustischen Module 1,2 besitzt maximal die Breite der kleinsten Überlappung eines Beschallungsraumes mit dem entsprechenden Empfangs- raum der akustischen Module 1,2 multipliziert mit der Anzahl der akustischen Module 1,2 mit Empfängerelementen 5. In Schritten, die maximal gleich dem Durchmesser des sich überlap- penden Beschallungsraumes der Sendeelemente 4 und des Empfangsraumes der Empfänger- elemente 5 sind, wird ein Sende-Empfangs-Zyklus ausgelöst, wobei das Sendesignal mit einer beliebigen Modulationsfunktion moduliert ist.

In Fig. 5 ist ein aktiver Helixscanner zum Erfassen einer in einem Medium eingebetteten Struktur 3 im 3D-Modus mit einem Sender und einem Empfänger mit einem kegelförmigen Sendestrahl, die spiralförmig über die Struktur geführt sind, dargestellt. Der aktive Helixscanner ist so gestaltet, dass in übereinander liegenden Ebenen, die senkrecht zur Drehachse 8 der spiral- förmigen Bewegungsbahn 7 liegen, jeweils die gleiche Anzahl paarweise angeordneter fest miteinander gekoppelter akustischer Module 1,2 vorhanden ist, von denen in jedem Paar jeweils ein akustisches Modul 1 oder 2 Sendeelemente 4 mit einem zusammenhängenden Beschallungsraum und optional Empfängerelemente 5 mit einem zusammenhängenden Empfangsraum und das andere akustische Modul 2 oder 1 Empfängerelemente 5 mit einem zusammenhängenden Empfangsraum enthält. Die Beschallungsräume und die Empfangsräume der akustischen Module 1,2 jeder Ebene überlappen sich jeweils im Bereich der unbekannten

Struktur 3 möglichst vollständig. Die Ganghöhe 6 der spiralförmigen Bewegungsbahn 7 der akustischen Module 1,2 um die Drehachse 8 besitzt maximal die Breite der kleinsten Überlappung eines Empfangsraumes mit dem Beschallungsraum der Sendeelemente 4 der akustischen Module 1,2 multipliziert mit der Anzahl der akustischen Module 2 mit Empfängerelementen 5 und der Anzahl der Ebenen. In Schritten, die maximal gleich dem Durchmesser des sich überlappenden Beschallungsraumes der Sendeelemente 4 und des Empfangsraumes der Empfängerelemente 5 einer Ebene sind, wird zwischen allen Paaren gleichzeitig ein Sende-Empfangs-Zyklus ausgelöst, wobei die Sendesignale mit einer beliebigen Modulationsfunktion moduliert sind.

Die empfangenen Signale, die den gesamten Informationsinhalt der unbekannten Struktur 3 enthalten, werden in einer Verarbeitungseinheit verarbeitet, damit die Informationen bildlich dargestellt werden können, d. h. die Struktur 3 auf einem Visualisierungsgerät 19 sichtbar gemacht werden kann.

Die Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der Informationen einer in einem Medium eingebet- teten Struktur 3 im 3D-Modus mit einem Sender und einem Empfänger mit kegelförmigen Sendestrahl, die spiralförmig über die Struktur 3 geführt werden, ist gemäß Fig. 6 so gestaltet, dass den Sendeelementen 4 ein Speicher 9 zur Ablage des Sendesignals als Referenzsignal und den Empfängerelementen 5 ein A/D-Wandler 10 und ein Speicher 11 zur Ablage des digitalisierten Empfangssignals folgt. Beide Speicher 9,11 sind zur Korrelation des Referenzsignals mit dem digitalisierten Empfangssignal zur Bestimmung der Position der Reflexionspunkte mit einem Korrelator 12 verbunden, dem eine Einrichtung zur Rauschunterdrückung 13 und ein Speicher 14 zur Ablage des korrelierten und rauscharmen Signals folgt. Die Sende-und Empfängerelemente sind mit einem Positionsgeber 15 verbunden, der die Schrittweite und den Wertebereich für die spiralförmige Bewegung der akustischen Module 1,2 angibt. Dem Positionsgeber 15 sind eine Steuereinheit 16, ein Multiplexer 17, ein Speicher 18 und ein Visualisierungsgerät 19 nachgeschaltet.

Fig. 7 zeigt eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der Informationen einer in einem Medium eingebetteten Struktur 3 im 3D-Modus mit einem Sender und einem Empfänger mit kegelförmigen Sendestrahl, die spiralförmig über die zu untersuchende Struktur 3 geführt werden, die so aufgebaut ist, dass die Empfangssignale von zwei Empfangsräumen von

Empfängerelementen 5, die mit einem Beschallungsraum von Sendeelementen 4 abgestimmt sind, verarbeitet werden. Den Sendeelementen 4 folgt ein Speicher 9 zur Ablage des Sendesignals als Referenzsignal und den beiden Empfängerelementen 5 je ein A/D-Wandler 10 und ein Speicher 11 zur Ablage des digitalisierten Empfangssignals. Den beiden Speichern 11 ist je ein Korrelator 12 zur Korrelation des Referenzsignals mit den digitalisierten Empfangssignalen zur Bestimmung der Position der Reflexionspunkte nachgeschaltet, denen je eine Einrichtung zur Rauschunterdrückung 13 und ein Speicher 14 zur Ablage des korrelierten und rauscharmen Signale folgt. Die Sende-und Empfängerelemente 4,5 sind mit einem Positionsgeber 15 verbunden, der die Schrittweite und den Wertebereich für die spiralförmige Bewegung von akustischen Module 1,2 angibt. Dem Positionsgeber 15 folgt eine Steuereinheit 16, die mit einem Zähler 20 verbunden ist, ein Multiplexer 17, ein Speicher 18 und ein Visualisierungsgerät 19.

Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der Informationen einer in einem Medium eingebetteten Struktur 3 im 3D-Modus. Die Verarbeitungseinheit zeigt einen Aufbau mit einem geringen Speicherbedarf. Sie ist für einen Helixscanner vorgesehen, der aus zwei akustischen Modulen 1,2 besteht, von denen das akustische Modul 1 Sendeelementen 4 und das zweite akustische Module 2 Empfängerelementen 5 enthält. Die Verarbeitungseinheit stellt gleichzeitig einen Kanal eines Paares von akustischen Modulen 1,2 dar, in der mehrere Paare von akustischen Modulen vorgesehen sind. Den Sendeelementen 4 folgt ein Speicher 9 zur Ablage des Sendesignals als Referenzsignal und den Empfängerelementen 5 folgt ein A/D-Wandler 10 und ein Speicher 11 zur Ablage des digitalisierten Empfangssignals. Beide Speicher 9,11 sind zur Korrelation des Referenzsignals mit dem digitalisierten Empfangssignal zur Bestimmung der Position der Reflexionspunkte mit einem Korrelator 12 verbunden, dem eine Einrichtung zur Rauschunterdrückung 13 und ein Speicher 14 zur Ablage des korrelierten und rauscharmen Signals folgt. Die Sende-und Empfängerelemente sind mit einem Positionsgeber 15 verbunden, der die Schrittweite und den Wertebereich für die spiralförmige Bewegung der akustischen Module 1,2 angibt. Dem Positionsgeber 15 folgt eine Steuereinheit 16, die mit einem Zähler 20 verbunden ist, ein Multiplexer 17, ein Speicher 18 und ein Visualisierungsgerät 19.

Unabhängig vom Aufbau des Helixscanners wird das beliebig modulierte Sendesignal als Referenzsignal in einem Speicher 9 abgelegt, während das Empfangssignal digitalisiert wird und

ebenfalls in einem Speicher 11 abgelegt wird. Beide Signale werden in dem Korrelator 12 zur Positionsbestimmung der Reflexionspunkte korreliert. Das daraus resultierende verrauschte Signal wird mit Hilfe einer Schwellwertfunktion o. ä. vom Rauschen befreit und vorerst in einem Speicher, dem Speicher 14 abgelegt. Wenn mehrere Empfänger fur den Empfang dieses Sendesignals vorgesehen sind, werden die anderen empfangenen Signale parallel genauso verarbeitet wie das erste. Vor dem endgültigen Speichern der Amplitudenwerte für die Visualisierung müssen die mit dem Referenzsignal einzeln korrelierten und rauschunterdrückten Signale der Empfängerelemente 5 auf geeignete Weise in Korrelatoren 12 miteinander korreliert, vom Rauschen befreit und einzeln in einem Speicher 14 abgelegt werden (z. B. durch Mittel- wertbildung).

Von dem Positionsgeber 15 wird die Schrittweite sowie der Wertebereich für die spiralförmige Bewegung der Sende-und Empfängerelemente angeben. Danach gibt es mindestens zwei Möglichkeiten der Datenspeicherung als Grundlage für die Visualisierung. Entweder wird ein Speicher bereitgestellt, der hinreichend Speicherplatz zur Verfügung stellt, um bei minimaler Schrittweite sowie maximalem Wertebereich alle Amplitudenwerte (o. ä. Signalwerte) aufnehmen zu können, oder ein Zähler zählt die Speicherplatzposition mit jedem Schritt des Helixscanners um jeweils 1 weiter. Dadurch wird z. B. bei einer Schrittweite von 10 jeder Speicherplatz belegt, und somit nur 10% des Speicherplatzes benötigt. Die Steuereinheit 16 steuert dann den Multiplexer 17 je nach eingegebener Schrittweite, um die entsprechenden Signalwerte dann an dem vorgesehenen Speicherplatz abzulegen und bei Bedarf wieder abzurufen. (d. h. Bei einer Schrittweite von 10 wird nur jeder zehnte Speicherplatz belegt.) An jeder Position des Speichers werden dann sowohl die Position des Scanners als auch die zugehörigen Signalwerte abgespeichert.

Mit der Position (lineare Angabe : 1,..., n) des Scanners sind die räumlichen Koordinaten des zugehörigen Beschallungsraumes bestimmt. Die entsprechenden Signalwerte können somit dem Speicher entnommen und mit handelsüblichen 3-D Visualisierungsprogrammen dargestellt werden.

In den Ausführungsbeispielen wurden nur einige Möglichkeiten der Realisierung der Erfindung betrachtet. Es ist durchaus möglich, die einzelnen Teile der Vorrichtungen zu variieren.