DE19581711B4

DE19581711B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten mit einstellbarer Frequenz für Ultraschallbilder

Info

Publication number: DE19581711B4
Application number: DE19581711T
Authority: DE
Inventors: J. Nelson Menlo Park Wright; Christopher R. Cupertino Cole; Albert Los Altos Gee; Hugh G. Los Altos Larsen; Samuel H. Woodside Maslak
Original assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 1994-08-05
Filing date: 1995-08-04
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2015-08-05
Also published as: DE19581711T1; JPH10506800A; AU3360595A; US5549111A; WO1996003918A1

Abstract

Ein Verfahren zum Abtasten eines Blickfelds mit einer Anzahl von Ultraschallsendestrahlen, wobei wenigstens ein erster und ein zweiter davon entlang verschiedener Pfade das Blickfeld durchqueren, mit den Schritten:
Basisbandwellenformen für mindestens den ersten und den zweiten der Ultraschallsendestrahlen zu Ultraschallfrequenzen zu modulieren, wobei eine Ultraschallfrequenz, zu der der erste Ultraschallsendestrahl moduliert ist, größer ist, als eine Ultraschallfrequenz, zu der der zweite Ultraschallsendestrahl moduliert ist und
für mindestens den ersten und zweiten der Ultraschallsendestrahlen jeweils multiple Wandler in einer Anordnung von Ultraschallwandlern mit einem jeweiligen Anregungssignal anzuregen, das mit der jeweiligen Basisbandwellenform moduliert wird, um die Ultraschallsendestrahlen zu erzeugen.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf kohärente Abbildungsverfahren, einschließlich z. B. Radar-, Sonar-, seismischen und Ultraschallsystemen unter Verwendung von Schwingungsenergie, besonders, aber nicht darauf eingeschränkt, phasengesteuerte Ultraschallabbildungssysteme, wie z. B. lineare, gerichtet lineare, Sektor-, zirkuläre, Vector^®-, gerichtete Vector^®- und andere Arten Abtastformate bei Abbildungsmodi wie z. B. B-Modus (Graustufen-Abbildungsmodus), F-Modus (Fließ- oder Farbdoppler-Abbildungsmodus), M-Modus (Bewegungsmodus) und C-Modus (Spektraldopplermodus).
Genauer bezieht sich diese Erfindung auf die vorteilhafte Kombination, mit einem phasengesteuerten Wandler mit großer Öffnung, hoher Frequenz und einem aufgrund vergrößerten Richtungswinkels breiten Blickfeld abzubilden. Spezifischer sorgt diese Erfindung für ein flexibles und wirkungsvolles Mittel für verbesserte räumliche Auflösung im zentralen Bereich des Blickfelds bei Erhalt guter Abbildungsleistung in Richtung der äußeren Kantenabschnitte des Bildes bei verschiedenen Formaten.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf ein Ultraschallsystem diskutiert wird, kann die Erfindung mit anderen Arten kohärenter Abbildungssysteme implementiert werden.
Medizinische Ultraschallsysteme unter Verwendung von Phasensteuerung sind seit einiger Zeit in Anwendung. Drei grundsätzliche Abtast- und Anzeigeformate sind generell in Kombination mit ebenen, linearen Wandleranordnungen verwendet worden, nämlich Anordnungen, in denen die Sende-/Empfangsfläche der einzelnen Wandlerelemente (annähernd) in einer einzelnen Ebene positioniert sind und generell einheitlich beabstandet sind.
Zweidimensionale Bilder wurden bisher durch ein Abtastformat linearer Art gebildet, wobei Ultraschallstrahlen, die mit parallelen Abtastlinien korrespondieren, welche rechtwinklig oder in einem konstanten Winkel zu einer die Sendeflächen der Elemente verbindenden Linie gerichtet sind, durch ausgewählte Gruppen von über die Anordnung versetzten Wandlerelementen erzeugt werden. Lineares Abtasten mit parallelen Abtastlinien bewirkt ein Blickfeld, das durch die Breite der physikalischen Öffnung der Wandleranordnung bestimmt ist.
Bei einem Abtastformat des Sektortyps sind die Wandlerelemente wesentlich näher zueinander beabstandet als allgemein bei linearen Abtastwandlern, typischerweise in Intervallen etwa halber Wellenlänge. Dies gestattet, daß akustische Abtastlinien gerichtet werden, ohne Gitterstrahlungskeulen zu erzeugen, und erlaubt, sowohl die Größe der Wandleranordnung zu verringern als auch das Blickfeld in größeren Tiefen zu vergrößern. Sektorgephaste Anordnungen bilden akustische Abtastlinien, die alle von einem einzelnen Punkt im Zentrum der Vorderseite der Wandleranordnung ausgehen.
Bei einem Abtastformat des Vector^®-Typs liegen die Abtastlinien entlang Strahlen, die nicht von einem einzelnen Punkt auf der Vorderseite der Wandleranordnung ausgehen müssen, aber möglichst durch einen im Wesentlichen gemeinsamen Scheitelpunkt führen sollen, der sich typischerweise nicht auf der Vorderseite der Wandleranordnung befindet. Der variabel angeordnete Scheitelpunkt befindet sich üblicherweise in einem wählbaren Abstand hinter der Vorderseite der Wandleranordnung, um für ein erweitertes Blickfeld zu sorgen. Der gemeinsame Scheitelpunkt kann sich irgendwo (einschließlich vor der Anordnung) befinden und braucht nicht auf einer zur Anordnung rechtwinkligen Mittellinie zu liegen. Allgemeiner können die einzelnen Abtastlinien bei einer Abtastung im Vector^®-Format die sendende Fläche der Anordnung in verschiedenen Ursprüngen und mit verschiedenen Richtungswinkeln relativ zu einer Normalen auf der Anordnung schneiden. Das Vector^®-Abtastformat ist in den US Patenten US 5,148,810 A ; US 5,235,986 A und US 5,261,408 A beschrieben.
Die linearen, Sektor- und Vector^®-Abtastformate können auch mit Wandleranordnungen verwendet werden, deren sendende Flächen nicht eben sondern eher gekrümmt sind. Zusätzlich können mehrere andere Abtastformate als die linearen, Sektor- und Vector^®-Formate gebildet werden, aber alle können durch Spezifizierung sowohl eines Schnittpunkts mit der Wandleranordnung als auch eines Richtungswinkels relativ zu einer jeweiligen Normalen dazu für jede Abtastlinie gebildet werden, sowie des kleinsten und größten Bereichs der Abtastlinie. Für dreidimensionale Abtastformate kann es notwendig werden, einen weiteren Parametersatz zu spezifizieren wie z. B. auch die Verwendung von zwei Richtungswinkeln (Azimut und Höhe) relativ zu einer jeweiligen Normalen. Auch wenn die Sende- und Empfangsanordnungen typischerweise dieselben Anordnungen sind, können sie generell auch verschiedene physikalische Anordnungen sein.
Es ist bekannt, daß phasengesteuertes Ultraschallabbilden mit einem abgetasteten Bildfenster von den Effekten der Gitterstrahlungskeulen wegen der periodischen Natur des Elementabstands der Anordnung sowie der kohärenten Natur der Ultraschallwellen betroffen sind. Gitterstrahlungskeulen erscheinen als Empfindlichkeitsbereiche in Winkeln weg von der interessanten Richtung und können Interferenzeffekte bewirken, die zu Artefakten mit Abbildungsvieldeutigkeit führen.
Hohe räumliche Auflösung und ein großes Blickfeld sind erwünschte Qualitäten für ein Ultraschallabbildungssystem. Ersteres benötigt Hochfrequenzbetrieb und/oder eine große aktive Öffnung, und letzteres benötigt eine große Abbildungsöffnung und/oder die Fähigkeit, den Abbildungsstrahl weit von der zum Wandler Normalen zu richten, ohne Gitterstrahlungskeulen-Artefakte auszulösen.
Wenn phasengesteuerte Abbildungsstrahlen weit weg von der Normalen gerichtet sind, bedeutet das um 30° oder mehr, wobei das Auftreten von Gitterstrahlungskeulen eine signifikantere Ursache für Bildartefakte wird. Darüber hinaus geht Empfindlichkeit oder Verstärkung aufgrund der Effekte des Verlusts von Empfindlichkeit der einzelnen Elemente bei großen Richtungswinkeln verloren. Tatsächlich wirkt die Kombination dieser zwei Effekte zusammen, um das Auftreten von Gitterstrahlungskeulen-Artefakten zu verschlechtern.
Ein Mittel, Effekten reduzierter Empfindlichkeit von gerichteten Strahlen entgegenzuwirken, ist es, die nominelle Abbildungs-Zenterfrequenz zu verringern. Dies reduziert jedoch die räumliche, laterale Gesamtauflösung im Bildblickfeld, wenn es auf jede Abtastlinie angewendet wird. Ein anderes Mittel besteht darin, die Systemverstärkung für Strahlen weg vom Zentrum des Bilds zu verstärkten. Dies ist aber bloß eine Verstärkungsanpassung und trägt nichts zur Verbesserung des Verhältnisses zwischen Signal und Rauschen oder des dynamischen Bereichs bei.
Andere Mittel, die Effekte der Gitterstrahlungskeulen zu vermindern, bergen nachteilige Kompromisse. Den Abstand von Element zu Element zu reduzieren, typischerweise auf einen Abstand halber Wellenlänge, begrenzt oder beseitigt zwar Gitterstrahlungskeulen-Artefakte, dies aber um den Preis lateraler Auflösung. Die Anzahl aktiver elektronischer Kanäle zu vergrößern, mag auch helfen, aber bei einem wesentlichen Anstieg der Komplexität und Kosten. Den maximalen Richtungswinkel zu reduzieren, kann auch die Gitterstrahlungskeulen-Artefakte verringern, aber um den Preis eines engeren Blickfelds.
Mittel, die Gitterstrahlungskeulen durch Verringern der Abbildungsfrequenz Abtastlinie für Abtastlinie zu reduzieren, ist kürzlich im US Patent US 4,631,710 A von Yamagushi et al. beschrieben worden. In diesem Patent wird ein variables Bandpaßfilter beschrieben, dessen Charakteristiken (hohe und tiefe Abschnittfrequenzen) als eine Funktion des Richtungswinkels gesteuert werden. Dieses Filter weist einen Breitbandverstärker, ein variables Hochpaßfilter und ein variables Tiefpaßfilter auf. Es arbeitet, indem es Hochfrequenzpulsenergie in Abhängigkeit vom Abtastwinkel abschneidet. Wie beschrieben kann dieses Filter auf:

(1) jedem Ausgang von einem Pulser oder Sender,
(2) jedes Empfangssignal von einem Empfangswandlerelement,
(3) einen zusammengesetzten Empfangsstrahl,
(4) ein originales Sender- oder Erregersignal in einiger Kombination angewendet werden.

Das oben genannte Mittel, die Gitterstrahlungskeulenenergie zu steuern, birgt mehrere Nachteile. Erstens wäre es, für ein Hochleistungs-Ultraschallabbildungssystem, in dem 128 oder mehr Sender und Empfänger gleichzeitig aktiv sein können, so daß 256 oder mehr solcher Geräte notwendig werden, so komplex und intensiv an elektronischen Komponenten, solch ein Gerät für jeden Sende- und/oder Empfangskanal vorzusehen, daß es sich selbst verbietet. Diese Geräte müßten extrem gut angepaßte, eng tolerierte Teile über einen sehr breiten Frequenzbereich aufweisen, da sie vor dem Strahlformen angebracht sind, um Phasenerror zu vermeiden, der sonst die zur Strahlformungssummation notwendige Kohärenz zerstören würde. Dies alles bedeutet, daß die zusätzlichen Kosten sehr hoch sein würden, einzelne Bandpaßfilter pro Kanal für Empfang, Sendung oder beides einzubauen.
Zweitens wäre es bei dem Vorschlag, das variable Bandpaßfilter auf ein originales Sendesignal anzuwenden, notwendig, daß eine willkürliche Wellenform nach dem Bilden der Welle für jeden Kanal verzögert wird. Dies bringt nicht bloß eine geeignete analoge Verzögerungslinie für jeden aktiven Sendekanal ins Spiel, sondern jede Verzögerungslinie müßte eine sehr große Bandbreite haben, weil die Zenterfrequenz jedes Erregerpulses als Funktion der Abtastlinie über einen großen Frequenzbereich variieren muß, sogar für einen bestimmten Wandler. Natürlich wird dann die notwendige Bandbreite extrem, wenn das Abbildungssystem für eine Vielzahl von Wandlern mit stark variierenden Zenterfrequenzen (typische Wandler-Zenterfrequenzen reichen von 2,0 MHz bis 7,5 MHz oder mehr für moderne medizinische Hochleistungs-Ultraschall-Abbildungssysteme) verwendet werden soll. Für ein Hochleistungs-Ultraschall-Abbildungssystem, das typischerweise zwischen ungefähr 32 und 128 gleichzeitig aktiver Sender hat, bedeutet dies erneut sehr hohe Kosten.
Ein dritter Nachteil des Ansatzes aus dem Yamagushi Patent ist der ihm eigene Verlust im Verhältnis von Signal zu Rauschen, weil nützliche Signalenergie verloren wird. Dies ist generell so, unabhängig davon, wo im System der variable Bandpaßfilter angewendet ist. Konzentriert auf den Vorschlag aus dem Patent, den variablen Bandpaßfilter auf den zusammengesetzten Empfangsstrahl anzuwenden (denn alle übrigen Vorschläge sind mit angemessenen Kosten wie oben beschrieben nicht realistisch realisierbar, auch anderen Überlegungen nicht standhaltend) läßt der im Patent vollzogene Ansatz einfach die außerhalb des interessanten Bands empfangene Signalenergie fallen. Wenn deshalb die Bandbreite um 50% reduziert ist, wird 50% der Signalenergie einfach fallengelassen. Außerdem befindet sich die fallengelassene Signalenergie in genau dem Frequenzbereich, wo der Wandler maximal empfindlich ist, und so ergibt sich ein äußerst signifikanter Verlust im Verhältnis zwischen Signal und Rauschen.
Gitterstrahlungskeulen-Reduzierung wird auch in ”electronic letters” 7/4/91 Bd. 27 Nr. 14 ”Gitterstrahlungsreduzierung bei synthetischem Ultraschallfokussieren” von M. H. Bae, I. H. Sohn und S. B. Park diskutiert. Die dort diskutierte Lösung bezieht sich aber nur auf synthetisches Fokussieren mit einem einzelnen Element. Die Lösung läßt sich als fiktives Reduzieren des ”Abstands” zwischen benachbarten synthetisierten Elementen um den Faktor 2 zusammenfassen. Beim Verarbeiten von Anordnungen bedeutet dies, die Anzahl der gleichzeitigen aktiven Kanäle um den Faktor 2 zu vergrö ßern, was im Stand der Technik bereits bekannt ist und das Problem, Gitterstrahlungskeulen zu reduzieren, bei einer gegebenen Anzahl von Kanälen nicht löst.
Eine Ultraschallabbildungsvorrichtung ist beispielsweise im US-Patent 4,413,520 A beschrieben. US 5,148,810 A beschreibt ein Verfahren zum Ultraschallabtasten sowie eine Vorrichtung hierfür. DE 25 02 929 A1 beschreibt eine Mehrfrequenzultraschalluntersuchungseinheit. Diese weist mindestens zwei getrennte und verschiedene piezoelektrische Kristalle auf, die auf verschiedenen Frequenzen unabhängig arbeiten.
DE 34 11 135 A1 beschreibt ein phasengesteuertes Sonar. Dabei wird die Mittenfrequenz in Abhängigkeit von der Ausrichtung verändert.
In DE 29 20 920 A1 ist ein Ultraschallabbildungsgerät beschrieben. Das Gerät erzeugt Schallimpulse vorbestimmter Frequenz, wobei die Echosignale um einen vorbestimmten Zeitabschnitt verzögert werden.
DE 42 09 394 A1 beschreibt ein Ultraschallgerät sowie ein Ultraschalldiagnoseverfahren. Das Ultraschallgerät ermöglicht das dreidimensionale Abtasten, wobei Ultraschallwellen in einer von der verwendeten Frequenz abhängigen Richtung ausgesendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist ein Mittel zur Verarbeitung von Sende- und Empfangs-Pulswellenform ohne Verlust von Signalenergie, wobei die Abbildungsfrequenz pro Abtastlinie gesteuert wird. Vorzugsweise wird im Fall des Vector^®- oder Sektorabtastens die Abbildungsfrequenz als eine Funktion des Richtungswinkels oder im Fall des gekrümmt linearen oder linearen Abtastens als eine Funktion des Grades der Endausrichtung reduziert. Dies gestattet eine Kombination des Betriebs mit hoher Abbildungsfrequenz und deshalb hoher Auflösung im zentralen Abschnitt des Bildes mit einem weiten Blickfeld, wobei Gitterstrahlungskeulen-Artefakte in den äußeren lateralen Abschnitten des Bilds unterdrückt werden. Die laterale Auflösung nahe den Abtastkanten ist für den Erhalt der Empfindlichkeit und die Vermeidung von Gitterstrahlungskeulen reduziert.
Vorzugsweise wird die Variation der Frequenz pro Abtastlinie beim Senden mittels digitaler Zusammensetzung des Sendepulses ausgeführt, wodurch eine geeignet verzögerte initiale Wellenformabtastung einer Pulswellenform in eine programmierbare Abbildungsfrequenz moduliert wird, welche für verschiedene Abtastlinien variiert. Die Abbildungsfrequenz ist programmiert, um einen Abbildungspuls zu ergeben, der in den Körper gesendet wird, dessen Zenterfrequenz im zentralen Abschnitt der Abtastung am höchsten, und auf gesteuerte Weise reduziert ist, um Gitterstrahlungskeulen-Artefakte zu vermindern, wenn der Richtungswinkel größer wird oder wenn der Strahlursprung sich der Endausrichtung nähert. Diese Technik erhält die Pulssignalenergie, weil die Modulation bloß die Signalenergie der intialen Wellenform-Abtastungsfrequenz überträgt, ohne Modifikation der Pulsgestalt selbst.
Wie hierin durchgeführt wird der Richtungswinkel relativ zu einer Normalen an einem Punkt auf der Sende- oder Empfangsfläche der Wandleranordnung gemessen, wo die Abtastlinie schneidet, wobei ein 0° Richtungswinkel mit der Normalen übereinstimmt. Dieselbe Definition läßt sich auf dreidimensionale (3D) Abtastformate anwenden, die aus zweidimensionalen (2D) Wandleranordnungen gebildet ist, sowie auf gekrümmte Wandleranordnungsflächen. Auch repräsentieren die initialen Wellenformabtastungen vorzugsweise eine reelle oder in-Phase/Quadratur (I/Q) Basisband-Erregerpuls-Wellenform, zentriert bei oder nahe 0 Hz. Die Basisband-Erregerpuls-Wellenform wird dann auf die Abbildungsfrequenz hochmoduliert und digital/analog-gewandelt, bevor sie auf den Wandler zum Senden angewendet wird.
Beim Empfangen werden die Wellenformsignale, die von den Wandlern empfangen werden, verzögert und zu einem gemeinsamen digitalen Basisband, zentriert bei oder nahe 0 Hz, rückmoduliert. Die Demodulationsfrequenz für jeden Strahl ist typischerweise, aber nicht notwendigerweise, dieselbe wie die Modulatonsfrequenz, die auf den Sendestrahl angewendet wird. Die resultierenden Wellenformen werden dann kohärent mit denen aus anderen Kanälen summiert. Das resultierende strahlgeformte Signal wird dann durch einen Basisbandfilter geschickt, der vorzugsweise fix ist und nicht von Abtastlinie zu Abtastlinie variiert. Der Basisbandfilter entfernt unerwünschte Produkte der Modulation und Demodulation sowie Rauschen, aber reduziert nicht notwendigerweise die gewünschte Signalenergie signifikant. Während dieses Prozesses bleibt deshalb die Signalenergie erhalten, wobei das Verhältnis von Signal zu Rauschen und deshalb auch die Empfindlichkeit maximiert wird.
Außerdem kann gezeigt werden, daß durch Remodulierung des Signals nach dem Strahlformen am Ausgang des Basisbandfilters Phasenkoherenz über die Abtastlinien aufrechterhalten werden kann. Dies erlaubt die Möglichkeit, kohärente lineare Kombinationen der Abtastlinien zum Zweck der lateralen Filterung oder kohärenten Interpolation zusätzlicher Bildabtastungen vorteilhaft zu bilden, bevor nichtlineare Operationen, wie logarithmische Erkennung und Erkennung der Umhüllenden, durchgeführt worden sind, nach denen Phaseninformation verloren ist.
Zusätzlich kann die Empfangs-Demodulationsfrequenz nicht nur als eine Funktion der Abtastlinie variiert werden, sondern auch als eine Funktion des Bereichs. Dies hat den Vorteil, das nach unten Versetzen der Zenterfrequenz des Abbildungspulses führen zu können, während er durch ein dampfendes Medium, wie menschliches Weichgewebe, fortschreitet. Dieser Ablauf dient darüber hinaus dazu, Signalenergie aufrechtzuerhalten, indem der Ablauf so eingestellt wird, daß die Frequenzstelle der Signalenergie geführt wird.
Ein Ziel dieser Erfindung sind kostengünstige Hochleistungsmittel zum Variieren der Abbildungspuls-Zenterfrequenz, um eine wesentlich höhere Abbildungspuls-Zenterfrequenz im wichtigsten zentralen Abschnitt des Blickfeldes zu erhalten, wobei der Ausrichtungswinkel kleiner ist ebenso wie die Abbildungspuls-Zenterfrequenz in Richtung der äußeren lateralen Abschnitte des Bilds, wo die Effekte der Gitterstrahlungskeulen sonst stärker signifikant wären.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, das laterale Blickfeld über das hinaus zu vergrößern, was mit einem Abtastformat möglich wäre, welches eine fixe Abbildungspuls-Zenterfrequenz verwendet, die ausgewählt ist, um Gitterstrahlungskeulen-Artefakte zu vermeiden.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, die Pulsenergie aufrechtzuerhalten, indem sie durch Modulation und Demodulation so versetzt wird, daß Empfindlichkeit und das Verhältnis von Signal zu Rauschen maximiert werden.
Abbildung mit einstellbarer Frequenz erzeugt den kombinierten Vorteil großer unterabgetasteter (Elemente im Abstand von größer als λ/2) Abbildungsöffnungen mit hoher Abbildungspuls-Zenterfrequenz und großem Blickfeld. Bei konventionellem Abbilden mit fixer Frequenz müssen diese erwünschten Qualitäten gegeneinander abgewägt werden, um Empfindlichkeitsverluste und Bild-Artefakte zu vermeiden.
Abbilden mit einstellbarer Frequenz kann vorteilhaft auf alle Abtastformate angewendet werden, bei denen die Abtastlinien bezüglich einer Normalen auf der Vorderseite der Wandleranordnung gerichtet sind. Dies schließt z. B. Abtastformate ein, wie in US Patent Nr. 5,148,810 A und 5,261,408 A beschreiben. Abbilden mit einstellbarer Frequenz kann auch angewendet werden, selbst wenn kein Richten durchgeführt wird, um Gitterstrahlungskeulen-Artefakte zu minimieren, wenn Abtastlinienursprünge näher an das physikalische Ende der Wandleranordnung geraten. Es kann auch auf 3D-Scans aus 2D-Anordnungen angewendet werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1a und 1b Sende- und Empfangsstrahlen von Ultraschallwellen im Körpergewebe;
2a ein Blockschaltbild eines neuartigen Ultraschallstrahlformersystems in einem medizinischen Ultraschallabbildungssystem mit einem digitalen, empfangsseitigen Strahlformersystem;
2b und 2c zusammengenommen ein detailliertes Blockschaltbild des Ultraschallstrahlformersystems der 2a;
3a, 3b, 4a und 4b geometrische Parameter für eine Ultraschall-Wandleranordnung symbolisch illustrieren.
A. Struktur eines bevorzugten Strahlformersystems:
1. Signalbeschreibung Ultraschall:
Bei dem vorliegenden Strahlformersystem erfolgt die Ultraschallabbildung durch sequentielle Einstrahlung fokussierter Ultraschallstrahlen in ein Körpergewebe bzw. andere abzubildende Objekte, wobei die Strahlen längs Gerader im Raum zentriert sind und als Sendeabtaststrahlen bezeichnet werden (1a). Die Sendeabtaststrahlen werden von einem Senderstrahlformer und einer Ultraschallwandleranordnung erzeugt. Die Sendeabtaststrahlen sind beabstandet und erzeugen einen Planaren, linearen Sektor bzw. eine Darstellung des Gewebes über ein vorher definiertes Einstrahl- bzw. Abtastmuster. Bei Fokussierung hinsichtlich einer bestimmten Tiefe des Körpergewebes breitet sich die abgegebene Ultraschallwelle kontinuierlich (CW) oder als Impulswelle (PW) mit einer angenommenen konstanten Ausbreitungsgeschwindigkeit von nominell c = 1540 m/s im Gewebe aus, interagiert mit dem Gewebe und reflektiert einen kleinen Signalanteil zurück zur Wandleranordnung, die das Ultraschallsignal abgegeben hat. Die Verzögerungszeit für die gesamte Ausbreitung ist für solche Ziele am kürzesten, die der Wandleranordnung am nächsten liegen, und am längsten für solche Ziele, die von der Wandleranordnung am weitesten weg liegen. Bei Verwendung geeigneter Zeitverzögerungen kann der Empfangsstrahlformer (1b) dynamisch die Empfangsstrahlen längs Gerader im Raum fokussieren, welche als Empfangsabtaststrahlen bezeichnet werden, die beispielsweise mit dem kürzesten Abstand (Tiefe) beginnen und zum tiefsten interessierenden Bereich evolvieren bzw. fortschreiten.
Die 1a und 1b sind Darstellungen der Sende- und Empfangsabtaststrahlen (durchgezogen) und der geraden Ausbreitungswege einzelner Elemente (gestrichelt). 1a zeigt einen Senderstrahlformer T-50 mit einer Wandleranordnung T-52 mehrerer einzelner Wandlerelemente T-54, die in dieser Ausführungsform linear in Phase liegen. Wie bekannt, gibt es eine Reihe von verschiedenen Anordnungen zum Senden und Empfangen von Ultraschall. Gemäß 1a überträgt der Senderstrahlformer T-50 in passender Weise zeitverzögerte elektrische Signale an die einzelnen Wandlerelemente T-54. Diese konvertieren die Signale in Schallwellen, die sich im Körpergewebe T-56 ausbreiten. Verleiht man den den Wandlerelementen T-54 zugeführten Erregersignalen unterschiedliche Zeitverzögerungen, so ergeben sich Senderabtast strahlen T-60 und T-62 mit jeweiligen Fokussen r₁ und r₂. Dabei ist natürlich jeder Sendeabtaststrahl repräsentativ für einen Zentralstrahl eines unterschiedlichen Sendestrahls, der in den abzubildenden Körperteil eingeleitet und fokussiert wird.
Der Sendestrahlformer T-50 kann gleichzeitig mehrere Strahlen längs verschiedener Abtaststrahlen oder verschiedene fokale Tiefen längs des gleichen Abtaststrahls (Verbund-fokus) erzeugen. Ferner können mehrfache Sendestrahlen jeweils das gesamte Bildformat abtasten oder können derart abgestrahlt werden, daß jeder mehrfache Strahl nur einen bestimmten Abschnitt des Bildformats abtastet.
1b zeigt einen digitalen Empfangsstrahlformer R-58, der ebenfalls an die Wandleranordnung T-52 angeschlossen ist. 1b zeigt ferner Empfangsabtaststrahlen R-64 und R-66 entsprechend einem dynamisch fokussierten ersten Empfangsstrahl und einem dynamisch fokussierten zweiten Empfangsstrahl. Die Strahlen werden im Bereich mehrerer Fokusse (r1, r2, r3) längs ihres Abtaststrahls getastet. Bei dem digitalen Signalempfangsweg des empfangsseitigen Strahlformersystems können die Wandleranordnungssignale selektiv in Daten aufgetrennt werden, welche für mehrere individuelle Strahlen repräsentativ sind.
Jeder Abtaststrahl im sendeseitigen oder empfangsseitigen Abtastmuster kann mit Parametern für den Ursprung in der Wandleranordnung, mit der Abtaststrahlorientierung (θ) und Fokustiefe bzw. Bereich (r) versehen werden. Das Ultraschallabbildungssystem des Empfangsstrahlformersystems speichert einen, vorher berechneten Datensparsatz von Fokussierzeitverzögerungen und Öffnungsapodizationswerten, die durch diese Parameter indexiert sind (basierend auf bekannten geometrischen Überlegungen) und expandiert die Werte mit Realzeitrechenmitteln, um die sende- und empfangsseitigen Strahlformersystem zu steuern, die die gewünschten Abtaststrahlen erzeugen.
2. Strahlformersystem:
Die 2a, 2b und 2c zeigen ein Blockschaltbild eines medizinischen Ultraschallabbildungssystems R-20. Das Ultraschallabbildungssystem R-20 besitzt ein Strahlformersystem R-22, mindestens eine Wandleranordnung T-112, ein Anzeigeprozeßsystem R-26 mit Anzeige R-28 und eine Steuerung R-40 für das Ultraschallabbildungssystem.
In den 2a, 2b bzw. 2c besitzt das Strahlformersystem R-22 in neuer und erfinderischer Weise (1) ein digitales Senderstrahlformersystem T-102, (2) ein digitales Empfangsstrahlformersystem R-100, (3), ein zentrales Strahlformer-Steuersystem C-104, (4) ein adaptives Fokussiersteuersystem G-100, (5) ein Dopplerempfangs-Strahlformersystem A-400, (6) einen Basisband-Mehrfachstrahl-Prozessor R-125 und (7) einen kohärenten Abtastsynthesizer S-100. Diese Systeme sind als funktionelle Blöcke für den Energiefluß dargestellt. Diese Darstellung, die von der tatsächlichen Schaltung einer entsprechenden Ausführungsform abweicht, dient zum besseren Verständnis der Signalverarbeitungsfunktionen.
In 2a bietet das Strahlformersystem R-22 zwei digitale Strahldatenquellen für das Anzeigeprozesssystem R-26: (1) Doppler Empfangsstrahlformer Einzelstrahlkomplex in Phase/Quadraturdaten zur Darstellung kohärenter, zeitweiser Strahlabtastung (CW) oder kohärenter zeitweiser Abtastung in einem Ortsbereich längs des Strahls (PW) und (2) digitalen Empfangsstrahlformer-Mehrstrahlkomplex in Phase/Quadraturdaten zur Darstellung einer kohärenten Abtastung im Bereich längs jedes empfangsseitigen Abtaststrahls. Das Strahlformersystem R-22 kann so betrieben werden, daß es eine Reihe von Abtaststrahlen und entsprechende Abtastwerte erzeugt und Daten für mehrere Anzeigeprogramme liefert. Beispielsweise gibt es folgende mögliche Anzeigeprogramme und entsprechende Prozessoren (1) Helligkeits-Bild und Motion Prozessor R-30 für B-Modus (Grauskalenabbildung) und M-Modus (Motion Display), (2) Doppier Farbbildprozessor R-32 für Flow Bilder und (3) Doppler Spektralprozessor R-34 für breite dynamische nicht abbildende Dopplergeschwindigkeit ./. Zeitdisplay. Zusätzliche Displayprogramme können aus den beiden komplexen Datenquellen in bekannter Weise erzeugt werden.
Das Ultraschallabbildungssystem R-20 besitzt auch einen Sendedemultiplexer T-106 zum Lenken von Ausgangswellen aus dem digitalen Mehrkanalsender T-103 zu den Wandlerelementen T-114, einen Empfangsmultiplexer R-108 zum Lenken von Eingangswellen aus den Wandlerelementen T-114 zu den digitalen Mehrkanaleempfängern R-101, mindestens einen Wandlerverbinder T-110 und Wandleranordnungen T-112. In dem vorliegenden System lassen sich viele Wandleranordnungen verwenden.
Das Ultraschallabbildungssystem R-20 besitzt ferner eine Steuerung R-40 für die Ultraschallabbildung, einen Archivspeicher R-38 zum Speichern von Abtastparametern und Abtastdaten und eine Operatorschnittstelle R-36.
Im vorliegenden Text bezieht sich der Ausdruck Ultraschall auf Frequenzen oberhalb der menschlichen Wahrnehmung. Die Wandleranordnungen T-112 sind typischerweise für Frequenzen im Bereich von 2 bis 10 MHz optimiert.
Die Wandleranordnung T-112 ist gegen andere Anordnungen austauschbar, ist also nicht begrenzt auf lineare, gekrümmte, gekrümmt lineare und ringförmige Anordnungen. Mehrere Arten der Wandleranordnung sowie Frequenzen sind für die klinischen Anordnungen wünschenswert. Die Wandleranordnung T-112 ist jedoch typischerweise für Frequenzen im Bereich von 2 bis 10 MHz optimiert. Das medizinische Ultraschallabbildungssystem R-20 führt drei hauptsächliche Funktionen aus, nämlich eine Ansteuerung der Wandlerelemente T-114 zum Abstrahlen fokussierter Ultraschallenergie, zum Empfang und Fokussieren von reflektierter Ultraschallenergie an den Wandlerelementen T-114 und zum Steuern der Sende- und Empfangsfunktionen, um ein Gesichtsfeld in Abtastformaten wie dem linearen Abtastformat, Sektor- oder Vektorformat abzutasten (nicht einschränkend).
In den 2a, 2b und 2c sind die Steuerleitungen dünn und die Signalwege dick gezeichnet.
3. Digitales Senderstrahlformersystem:
Das digitale Senderstrahlformersystem T-102 in 2c besteht aus mehreren digitalen Mehrkanalsendern T-103, einem digitalen Mehrkanalsender für ein oder mehrere einzelne Wandlerelemente T-114. Die Sender sind mehrkanalig, so daß jeder Sender in einer vorzugsweisen Ausführungsform bis zu vier unabhängige Strahlen verarbeiten kann. So haben beispielsweise 128 mehrkanalige Sender 512 Kanäle. In anderen bevorzugten Ausführungsformen lassen sich auch mehr als vier unabhängige Strahlen vorsehen. Auch dies liegt im Rahmen der Erfindung.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform erzeugt jeder digitale Mehrkanalsender T-103 an seinem Ausgang bei Erregung eine Überlagerung von bis zu vier Impulsen, die jeweils einem Strahl entsprechen. Jeder Impuls hat eine genau programmierte Wellenform, deren Amplitude bezüglich der anderen Sender und/oder Kanäle apodiziert und um eine genau definierte Zeitverzögerung bezüglich eines gemeinsamen Sendestartsignals (SOT) verzögert wird. Die digitalen Mehrkanalsender T-103 sind auch in der Lage, CW zu erzeugen.
Jeder digitale Mehrkanalsender T-103 besteht im Prinzip aus einem Mehrfachstrahlsenderfilter T-115, dessen Ausgangssignal einem komplexen Modulator T-117 zugeführt wird. Der Ausgang des komplexen Modulators T-117 wird einem Verzögerungs/Filterblock T-119 zugeführt und von dort an einen Digital/Analog-Umsetzer T-121 (DAC). Der Ausgang des Digital/Analog-Umsetzers T-121 wird im Verstärker T-123 verstärkt. Das Mehrfach strahlsendefilter T-115, der komplexe Modulator T-117 und der Verzögerungs/Filterblock T-119 bilden einen digitalen Mehrkanalsenderprozessor T-104.
Das Mehrfachstrahlsendefilter T-115 kann so programmiert werden, daß es jede beliebige reale oder komplexe Wellenform beim Auftreten eines Sendestartsignals (SOT) liefert. Das Mehrfachstrahlsendefilter T-115 besteht aus einem Speicher, der reale oder komplexe Abtastwerte jeder gewünschten oder beliebigen Impulswellenform speichert, sowie aus Mitteln zum Auslesen der Abtastwerte in einer Reihenfolge beim Auftreten des Sendestartsignals, das um eine Komponente der Fokussierverzögerung verzögert ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Speicher von T-115 so programmiert, daß Basisbanddarstellungen von realen oder komplexen Impulshüllen gespeichert werden.
Der Block T-115, obwohl primär ein Speicher, wird hier als Mehrfachstrahlsendefilter bezeichnet, da das Ausgangssignal des Blocks T-115 als zeitliche Antwort eines Filters auf einen Impuls verstanden werden kann. Der komplexe Modulator T-117 konvertiert die Hülle nach oben auf die Sendefrequenz und liefert die richtige Fokussierphase und Öffnungsapodization.
Der Verzögerungs/Filterblock T-119 dient im Prinzip für alle übrigbleibenden fokussierenden Verzögerungskomponenten und dient als finales formendes Filter. Der DAC T-121 konvertiert die gesendeten Abtastwerte in ein Analogsignal. Der Verstärker T-123 stellt die Sendeleistung ein und erzeugt das Hochspannungssignal, das durch den Senderdemultiplexer T-106 auf ein ausgewähltes Wandlerelement T-114 geführt wird.
Mit jedem digitalen Mehrkanalssenderprozessor T-104 ist eine lokale oder sekundäre Prozessorsteuerung C-125 verbunden, die Steuerwerte und Parameter liefert, wie die Apodization und die Verzögerungswerte für die funktionellen Blöcke des digitalen Mehrkanalsenderprozessors T-104. Jede lokale bzw. sekundäre Prozessorsteuerung C-125 wird wiederum von dem zentralen Strahlformersteuersystem C-104 angesteuert.
4. Digitales Empfangsstrahlformersystem
Das digitale Empfangsstrahlformersystem R-100 (2b) stellt die Erfindung dar.
Die Signale der einzelnen Wanderelemente T-114 stellen die zurückkommenden Echosignale dar, die am abzubildenden Objekt reflektiert worden sind. Diese Signale gelangen über den Wandlerverbinder T-110 zum Empfangsmultiplexer R-108. Durch den Empfangsmultiplexer R-108 ist jedes Wandlerelement T-114 getrennt mit einem der digitalen Mehrkanalempfänger R-101 verbunden, die zusammen mit dem Addierer R-126 das digitale Empfangsstrahlformersystem R-100 gemäß der Erfindung darstellen. Die Empfänger sind mehrkanalig, so daß jeder Empfänger vorzugsweise bis zu vier unabhängige Strahlen verarbeiten kann. Es liegt im Rahmen der Erfindung, auch noch mehr Strahlen zu verarbeiten.
Jeder digitale Mehrkanalempfänger R-101 kann vorzugsweise die folgenden Elemente aufweisen, die in 2b vorhanden sind. Diese Elemente sind ein dynamischer, rauscharmer und mit zeitvariabler Verstärkung versehener Verstärker R-116, ein A/D-Umsetzer R-118 (ADC) und ein digitaler Mehrkanalempfangsprozessor R-120. Dieser besteht prinzipiell aus einer Filter/Verzögerungseinheit R-122 und einem komplexen Demodulator R-124. R-122 dient zum Filtern und für eine Zeitverzögerung zum Grobfokussieren. Der komplexe Demodulator R-124 liefert eine Verzögerung zum Feinfokussieren in Form einer Phasendrehung und einer Apodization (Maßstabsänderung bzw. Gewichtung), sowie als Signaldemodulator aus bzw. nahe dem Basisband. Die digitalen Mehrkanaleempfänger R-101 kommunizieren mit dem Addierer R-126, in dem die Signalabtastwerte, die zu jedem Strahl jedes Empfangsprozessors gehören, aufsummiert werden, um finale, empfangsseitige Abtaststrahlwerte zu bilden und auch die resultierenden komplexen Abtastwerte für den Basisbandprozessor R-125. Die genaue Funktion und Zusammensetzung dieser Blöcke wird nachfolgend anhand der anderen Zeichnungen beschrieben.
Eine lokale bzw. sekundäre Steuerung C-210 gehört zu jedem digitalen Mehrkanalempfänger R-101. Die Steuerung C-210 wird von dem zentralen Strahlformersteuersystem C-104 angesteuert und liefert Zeit-, Steuer- und Parameterwerte für jeden digitalen Mehrkanalempfänger R-101. Die Parameterwerte enthalten die fokussierenden Zeitverzögerungsprofile und Apodizationsprofile.
5. Dopplerempfangsstrahlformersystem:
Das Dopplerempfangsstrahlformersystem A-400 zur nichtabbildenden Doppleraquisition in einem großen dynamischen Bereich enthält Dopplerempfänger A-402, von denen jeder Echosignale aus einem oder mehreren Wandlerelementen T-114 erhält. Jeder Dopplerempfänger A-402 besitzt ein Demodulator/Bereichsgatter A-404, das das empfangene Signal demoduliert und auftastet (nur PW-Modus), um das Echo aus einem schmalen Bereich zu selektieren. Die Analogausgänge der Dopplerempfänger A-402 gelangen zu einem Dopplerpreprozessor A-406. Hier werden die Analogsignale im Addierer A-408 summiert und dann integriert, gefiltert und vom Analogprozessor A-410 getastet. Der Dopplerpreprozessor A-406 digitalisiert dann das getastete Analogsignal in einem A/D-Umsetzer A-412. Das digitalisierte Signal wird dann auf das Anzeigeprozesssystem R-26 geführt.
Zu allen Dopplerempfängern A-402 gehört eine einzelne lokale bzw. sekundäre Dopplerstrahlformersteuerung C-127. Die Dopplerstrahlformersteuerung C-127 wird vom zentralen Strahlformersteuersystem C-104 angesteuert und liefert Steuer- und Fokussierparameterwerte an das Dopplerempfangsstrahlformersystem A-400.
Das vorliegende Strahlformersystem R-22 kombiniert in vorteilhafter Weise ein abbildendes, digitales Empfangsstrahlformersystem R-100 mit einem nicht abbildenden Dopplerempfangsstrahlformersystem A-400 derart, daß man das gleiche digitale Senderstrahlformersystem T-102 und die gleiche Wandleranordnung benutzt und das digitale Empfangsstrahlformersystem R-100 optimiert wird für die abbildenden Programme wie dem B-Modus und der Dopplerfarbabbildung, so daß man. deshalb eine hohe räumliche Auflösung erhält, während das begleitende Dopplerempfangsstrahlformersystem einen großen dynamischen Bereich besitzt und zum Erfassen von Signalen zum nicht abbildenden Dopplerverarbeiten optimiert wird.
6. Zentrales Strahlformersteuersystem:
Das zentrale Strahlformersteuersystem C-104 der Erfindung steuert den Betrieb des digitalen Senderstrahlformersystems T-102, des digitalen Empfangsstrahlformersystems R-100, des Dopplerempfangsstrahlformersystems A-400, des adaptiven Fokussiersteuersystems G-100 und des Basisbandprozessors R-127. Die Hauptsteuerfunktionen des zentralen Strahlformersteuersystems C-104 sind in 2c dargestellt. Die Steuerfunktionen sind mit vier Komponenten realisiert. Die Aquisitionssteuerung C-130 kommuniziert mit dem übrigen System einschließlich der Steuerung R-40 und dient zur Leistungssteuerung und zum Herunterladen der Abtastparameter. Die Fokussiersteuerung C-132 berechnet in Echtzeit die dynamischen digitalen Werte für die Verzögerung und Apodization, die für den Sender- und Empfangsstrahlformer erforderlich sind, einschließlich der vorberechneten und expandierten Idealwerte zuzüglich aller geschätzter Korrekturwerte, die vom adaptiven Fokussiersteuersystem G-100 bereitgestellt werden. Die vordere Steuerung C-134 setzt die Schalter für den Senderdemultiplexer T-106 und den Empfangsmultiplexer R-108, kommuniziert mit den Wandlerverbindern T-110 und stellt die Verstärkungs- und Vorspannungspegel aller Verstärker T-123 und aller Verstärker R-116 ein. Die Zeitsteuerung C-136 liefert alle digitalen Taktsignale, die für die Digitalschaltungen erforderlich sind, einschließlich der Abtasttaktsignale für alle sende- und empfangsseitigen Umsetzer T-121 und R-118.
In einer bevorzugten Ausführungsform des zentralen Strahlformersteuersystems C-104 werden wenige Tabellenwerte (Spartabelle) für die fokussierende Zeitverzögerung und Öffnungs-apodization basierend auf vorberechneten und gespeicherten Daten expandiert, indem man Interpolation- und Extrapolationsverfahren benutzt. Die expandierten Verzögerungs- und Apodizationswerte werden als ein Werteprofil längs der Wandleröffnung an die lokalen Prozessorsteuerungen übertragen, wo die bereichsweise Verzögerungsund Apodizationsdatenexpansion pro Wandlerelement, pro Abtastwert, pro Strahlwert zu Ende geführt wird.
7. Adaptives Fokussiersteuersystem:
Das adaptive Fokussiersteuersystem G-100 ermöglicht ein adaptives Fokussieren laufend mit der Echtzeit. Das adaptive Fokussiersteuersystem G-100 besteht aus einem adaptiven Fokusprozessor G-505, der für die Fokussteuerung C-132 des zentralen Strahlformersteuersystems C-104 Fokuskorrekturverzögerungswerte liefert. Der adaptive Fokusprozessor G-505 arbeitet mit Ausgangssignalen, die von Fehlerwertestimatoren G-502 aus Daten hergestellt werden, die aus Addierer R-126 des digitalen Empfangsstrahlformersystems R-100 stammen. Somit werden von dem adaptiven Fokussiersteuersystem G-100 in 2c die Fehlerkorrekturwerte, vorzugsweise Abweichungen in Verzögerung und Amplitude adaptiv für jeden empfangsseitigen Abtaststrahl bzw. für eine Untergruppe von empfangsseitigen Abtaststrahlen in Bereichen gemessen, die den sendeseitigen Fokussen entsprechen.
Es wird auch darauf hingewiesen, daß zusätzlich zu dem adaptiven Fokussiersteuersystem zum Einstellen der Fokusverzögerung, auch andere adaptive Steuersysteme in Betracht gezogen werden können. Solche Systeme sind beispielsweise (1) ein ad aptives Steuersystem zur Kontrastvergrößerung durch Einstellen von Fokusverzögerungen und Öffnungsapodizationen, (2) eine adaptive Steuerung zur Interferenzlöschung durch Einstellen von Fokussierverzögerungen und Phasen, sowie Öffnungsapodizationen und (3) eine adaptive Steuerung zur Ziel Verbesserung durch Einstellen von Fokusverzögerungen und Phase, Öffnungsapodizationen, sende- und empfangsseitige Bildfrequenzen und Formierung der Basisbandwellenform.
Ein anderer Aspekt der adaptiven Fokussierung, mit der die bevorzugte Ausführungsform des adaptiven Fokussiersteuersystems G-100 versehen werden kann, ist eine Einrichtung G-508/509 zur geometrischen Fehlertransformierung, die Fehlerkorrekturverzögerungswerte an den adaptiven Fokusprozessor G-505 für Abtaststrahlen und Abtaststrahltiefenorte liefert, für die gemessene Fehlerwerte von den Fehlerwertestimatoren G-502 nicht gesammelt worden sind. Genauer gesagt, werden gemessene Fehlerkorrekturwerte in eine Verzögerungstabelle von G-508/509 eingeschrieben. Aus dieser Verzögerungstabelle werden dann Werte entsprechend Auswerteregeln der geometrischen Fehlertransformierung gewonnen, um fokussierende Verzögerungskorrekturprofile längs der Öffnung zu bilden, die für die Tiefen, Abtastgeometrien und Aquisitionsprogramme gelten, die von der Tiefe, der Abtastgeometrie und dem Programm abweichen, für das die Fehlerkorrekturwerte gemessen worden sind.
8. Basisbandprozessorsystem
Der Basisbandprozessor R-125 dient zum Filtern und zum Einstellen von Amplitude und Phase für jeden empfangsseitigen Abtaststrahl, wie hier beschrieben ist. Der Basisbandprozessor R-125 besitzt zusätzlich ein Basisbandfilter, einen komplexen Multiplikator und eine Steuerung für den Betrieb des Basisbandfilters und des komplexen Multiplikators. Die Steuerung wird von dem zentralen Strahlformersteuersystem C-104 angesteuert.
9. Kohärentes Abtastsynthesizer System
Dieses System (2a) benutzt die Mehrstrahleigenschaften beim Senden und Empfangen des Empfangsstrahlformersystems, um kohärente (Predetektion) Abtastwerte der empfangsseitigen Strahldaten auf den tatsächlichen Abtaststrahlen zu erfassen und zu speichern und eine Interpolation der gespeicherten koherenten Abtastwerte durchzuführen, um neue koherente Abtastwerte an neuen Bereichsorten längs existierender Abtaststrahlen oder längs synthetisch erzeugter Abtaststrahlen zu synthesieren. Die erfaßten wie auch die synthesierten Abtastwerte werden dem Anzeigeprozesssystem R-26 zugeführt.
10. Sende- und Empfangsmultiplexer
Die Verbindung zwischen den Wandlerelementen T-114 und T-103, R-101, A-402 der digitalen sendeseitigen und empfangsseitigen, sowie empfangsseitigen Dopplerstrahlformersysteme erhält man mit Hilfe eines Senderdemultiplexers T-106 und eines getrennten Empfangsmultiplexers R-108, die in 2a dargestellt sind. Wie in 2a gezeigt werden damit die sende- und empfangsseitigen Öffnungen ausgewählt, die vollständig innerhalb einer einzelnen Wandleranordnung liegen oder sich über zwei Wandleranordnungen erstrecken. Die beiden Multiplexer werden von dem zentralen Strahlformersteuersystem C-104 unabhängig gesteuert und können so programmiert werden, daß sie mehrere Aquisitionsprogramme einschließlich eines Programms für gleitende Öffnung bzw. synthetische Öffnung ermöglichen.
B. Verfahren
Als spezifisches Beispiel des Verfahrens der Ausführung der Erfindung sei eine ebene Wandleranordnung betrachtet, die bei einer Zenterfrequenz von f = 2,5 MHz Abstände halber Wellenlänge aufweist. Die hierin verwendete Zenterfrequenz eines Signals ist das Massezentrum des Leistungsspektrums des Signals und kann wegen Filterung und ähnlichem möglicherweise mit der Modulationsfrequenz nicht identisch sein. Unter dieser Bedingung ist wegen λ = c/f der Elementabstand d = 0,308 mm. Der hier verwendete Wert von c = 1,54 mm/μs ist eine Näherung der Schallgeschwindigkeit im menschlichen Körper. Es ist einsichtig, daß verschiedene Näherungen möglich sind.
Es ist bekannt, daß der Gitterstrahlungskeulenwinkel θ_g für eine ebene Anordnung durch sin(θs) – sin(θg) = λ/d (1)mit

θg: Gitterstrahlungskeulenwinkel
θs: Richtungswinkel
λ: Signalwellenlänge
d: Elementabstand

Gleichung (1) ergibt, daß bei einem Elementabstand von d = λ/2 und einem Richtungswinkel von +90° der Gitterstrahlungskeulenwinkel –90° beträgt.
Eine praktischere Anwendung für diese Gleichung ist die Betrachtung, was sich für den maximalen Richtungswinkel θ_{S, max} = +45° bei einem Elementabstand von λ/2 ergibt. In diesem Fall, der in Bezug auf das Gitterstrahlungskeulen-Verhalten bekanntlich gute Abbildungsleistung ergibt, beträgt sin(θ_S) – λ/d = –1,29. Umstellen und Einsetzen der Zenterfrequenz für λ ergibt f = c/d·1,0/[sin(|θS|) + 1,29], |θS| < 45° (2)
Gleichung (2) ergibt nun die maximale Frequenz des Richtungswinkels oder der Abtastlinie. Dies kann in Tabellenform wie folgt geschrieben werden: Tabelle 1

θ_S [°] f [MHz]

0 3,87

5 3,62

10 3,42

15 3,22

20 3,06

25 2,92

30 2,79

35 2,68

40 2,59

45 2,50
Auf diese Art formuliert gibt es eine im Wesentlichen eindeutige Frequenz für jede Abtastlinie. Es ist klar, daß einiger Spielraum besteht, die Frequenzen über einer Abtastung relativ grob zu quantifizieren und Frequenzen auszuwählen, die geeignet sind, sie z. B. auf die nächsten 0,1 MHz oder sogar die nächsten 0,5 MHz zu runden. Trotzdem kann in dem Fall, in dem die Auswahl der Zenterfrequenz relativ grob ist, eine Notwendigkeit zur Videofilterung über die Abtastlinien bestehen, um das resultierende Erscheinungsbild zu glätten. Solche Filterung kann z. B. entweder während des Abtast-Konvertierungsprozesses oder durch fortfolgende räumliche Filterung über einige benachbarte Abtastlinien erfolgen. In beiden Fällen gelten die hier beschriebenen Vorteile weiterhin. Zusätzlich ist erkennbar, daß Gleichung (2) für jedes beliebige θ_{S, max} generalisiert werden kann, indem bloß die geeignete Konstante K(θ_{S, max}) für den Wert 1,29 in Gleichung (2) eingesetzt wird.
Alternativ kann eine andere Strategie vorteilhaft angewendet werden, um zu bestimmen, welche Abtastlinien welchen Frequenzschritt brauchen. Zuerst sollte eine relativ hohe Zenterfrequenz für den zentralen Bereich des Bildes vorgewählt werden, wobei diese Frequenz als eine Funktion des ansteigenden Richtungswinkels erhalten bleibt, bis ein vordefiniertes Kriterium verletzt wird, so daß dann eine vorgewählte geringere Zenterfrequenz gewählt wird, um größere Richtungswinkel zu erreichen, bis das Kriterium erneut verletzt wird, so daß dann eine wiederum geringere vorgewählte Zenterfrequenz gewählt wird, um noch größere Richtungswinkel zu erreichen, usw. bis der größte erwünschte Richtungswinkel erreicht ist.
Ein geeignetes Kriterium zum Bestimmen, bei welchem Winkel auf eine niedrigere Frequenz gegangen werden soll, kann mit Bezug auf 3A und 3B festgelegt werden. 3A illustriert symbolisch eine lineare Anordnung mit einer aktiven Öffnung V102, die eine Anzahl von Sende- oder Empfangselementen V104 aufweist. Ein Brennpunkt ist bei F dargestellt. 3B illustriert dasselbe für eine gekrümmte Anordnung. In beiden Fällen ist der maximale Richtungswinkel mit dem Endelement V106 der Anordnung sichtbar assoziiert, wobei das Element gemeint ist, das sich vom Brennpunkt F am weitesten entfernt befindet. Wir betrachten nur den Richtungswinkel des Endelements, der gleich dem Annahmewinkel und der entsprechenden mit diesem Element assoziierten Gitterstrahlungskeule ist. Entsprechend ergibt sich Gleichung (1) nun mit Bezug auf 3A und 3B zu: sin(θg) = sin(α) – λ/d (3)
Wenn wir nun voraussetzen, daß der Richtungswinkel des Endelements, d. h. der Annahmewinkel kleiner oder im Grenzfall gleich der Negativen des Gitterstrahlungskeulenwinkels, d. h. α = –θ_g ist, dann kann der Grenzwert des Annahmewinkels als sin(α) = λ/(2·d) (4)geschrieben werden. Dieses Kriterium zeigt, daß jedes Element in der Anordnung für ein Ziel beim Empfangsbrennpunkt empfindlicher ist als für dasselbe Ziel im Gitterstrahlungskeulenwinkel, mit Ausnahme des Endelements, für das die Empfindlichkeiten eines Ziels im Empfangsbrennpunkt und im Gitterstrahlungskeulenwinkel gleich sind.
Mit Bezug auf die Geometrie in 4a und 4b können wir nun die Beziehung zwischen dem maximal erlaubten Richtungswinkel in einem Frequenzschritt, der aktiven Öffnung und deren entsprechendem Empfangsbrennpunkt sowie der spezifischen Zenterfrequenz herstellen. Der Zusammenhang ist durch sin(θS, max) = [κ/2·f#)]{–b + [b2 – b + (λ/d·f#)2]1/2} (5)mit
b = 1 – [λ/2d)]²
f_# = r/D f-Nummer

d: Abstand von Element zu Element
r: Brennweite
D: aktive Öffnung
κ: eine wählbare Konstante, die ausgewählt wird, um die Gitterstrahlungskeule unter einem spezifischen Wert zu halten, wobei 0 < κ < 1,0 ist. Merke, daß κ = 0,707 sicherstellt, daß θ_max = 45° beträgt, wenn d = λ/2 ist.

Betrachten wir das folgende Beispiel:
d = 0,308 mm
f_# = 6
κ = 0,707
Wir können nun die folgende Tabelle berechnen: Tabelle II

Frequenz [MHz] Richtungswinkel [0]

3,5 28,4

3,0 34,8

2,75 39,2

2,5 45,0
Zwei verschiedene Strategien zum Handhaben der Frequenz als einer Funktion des Richtungswinkels sind somit vorgestellt worden, und viele Variationen dieser Strategien können angewendet werden.
Außerdem kann wie zuvor erwähnt die Technik, die Sende- und/oder Empfangfrequenz für lineare Abtastformate bei linearen Abtastformaten unter Verwendung von linearen oder gekrümmt linearen Wandlern herabzusetzen, wenn die Abtastlinie sich der Endausrichtung nähert, ein wirkungsvolles Mittel sein, die Gitterstrahlungskeule auch in diesen Abtastformaten in den Griff zu bekommen. Z. B. kann dann, wenn eine bestimmte aktive Öffnung erwünscht ist, die Beziehung zwischen dem Annahmewinkel α für das Endelement und der Frequenz f = c/λ aus den obigen Gleichungen (3) und (4) hergeleitet werden. Andere Strategien können entwickelt werden, die sowohl den Richtungswinkel als auch die Endausrichtung berücksichtigen, wie es für Vector^®-Abtastformate sinnvoll wäre.
Es gilt zu beachten, daß für die Fälle, daß die Frequenzschritte als eine Funktion des Richtungswinkels oder eine Funktion des Grads der Endausrichtung oder von beidem, wenn die Frequenzschritte groß sind, es erwünscht sein kann, ein laterales Videofilter zum Glätten der Übergänge zwischen den Abtastlinien am ermittelten Videoausgang anzuwenden. Die Verwendung solcher Videofilter ist im Stand der Technik aus anderen Zusammenhängen bekannt.
C. Modulation, Demodulation und Remodulation
Wie oben erwähnt, ist es für manche Zwecke nach der Strahlformung vor dem Erfassen erwünscht, zwischen zwei oder mehr Strahlen in einer Abtastung beim Empfang kohärente Phasenausrichtung zu erhalten. Das bedeutet für einen gegebenen Bereich, daß es erwünscht ist, daß das von einem ersten Empfangsstrahl empfangene Basis band-I/Q-Signal phasenausgerichtet mit dem von einem zweiten Empfangsstrahl empfangenen Basisband-I/Q-Signal ist. Phasenausrichtung von Strahl zu Strahl ist nicht selbstverständlich, wenn die Modulationsfrequenz für die zwei Strahlen verschieden ist, so daß eine vorteilhafterweise bereichsabhängige Phasendifferenz eingeführt wird. Es kann aber gezeigt werden, daß die bereichsabhängige Differenz durch Remodulierung des Basisband-I/Q-Signals nach der Strahlformung systematisch korrigiert werden kann.
Man betrachte eine idealisierte Wiedergabe eines Signals am Ausgang eines Strahlformers, der kohärent über die Anzahl der Elemente summiert worden ist und der einer Modulation beim Senden, einer Demodulation beim Empfang und kohärenter Summation unterzogen wurde: x(t – 2r/c) = e(t – 2r/c)·ej[ω m ·(t-2r/c)]·e–j[ω d ·t] (6)mit

e(t): eine Basisband-I/Q-Signaleinhüllende,
ωm = 2πf_m: eine Modulationsfrequenz [MHz],
ωd = 2πf_d: eine Demodulationsfrequenz [MHz],
r: Abbildungstiefe (Bereich) [cm].

Man beachte, daß die tatsächliche Zenterfrequenz des Pulses x(t – 2r/c) zusätzlich von anderen Dingen, z. B. Gewebedämpfung, Filterung in den Sende- und Empfangsprozeßketten sowie anderen Effekten, die in (6) nich explizit berücksichtigt sind, abhängig ist. In Gleichung (6) ebenfalls nicht explizit enthalten, ist die detaillierte Wiedergabe der Verzögerung und Phasenanpassungen, die für kohärente Summation nötig sind, obwohl diese von einem Durchschnittfachmann dort angenommen werden kann. Dieses Detail ist aber zur Begründung der hier präsentierten speziellen Ergebnisse nicht notwendig.
Die Sendemodulationsfrequenz, die Empfangsdemodulationsfrequenz oder beide können im allgemeinen bereichsabhängig sein. Besonders ωm = ωm(Rt), und ωd = ωd(Rr)mit

R_t: = Abstand zwischen dem aktiven Anordnungzentrum und dem Sendebrennpunkt,
R_r: = Abstand zwischen dem aktiven Anordungszentrum und dem Empfangsbrennpunkt.

Bei einem System, das dynamisch aktualisiert wird, bedeutet dies, daß ω_d kontinuierlich aktualisiert wird.
Betrachten wir nun eine Abtastlinie 1, die mit einer Modulationsfrequenz ω_m ¹, einer Demodulationsfrequenz ω_d ¹ und einer Remodulationsfrequenz ω_r ¹ nach dem Strahlformer korrespondiert, sowie eine benachbarte Abtastlinie 2, mit entsprechenden Modulations-, Demodulations- und Remodulationsfrequenzen ω_m ², ω_d ² und ω_r ². Es kann gezeigt werden, daß die Phasendifferenz nach dem Strahlformer zwischen diesen beiden Abtastlinien als Ergebnis der verschiedenen Modulations-, Demodulations- und Remodulationsfrequenzen durch einen Betrag Δν gefaßt werden, wobei Δν < (ωm 2 – ωm 1)·Tp – [(ωd 2 + ωr 2) – (ωd 1 + ωr 1)]·2Rr/c (7)mit

T_p: Abbildungspulsdauer in beliebiger Tiefe des Empfangsstrahlformersignal ausgangs.

Dieser Ausdruck ist bei dem Empfangsbrennpunk R_r am Punkt der Remodulation nach dem Strahlformer gültig. Es sei wieder angemerkt, daß andere Terme außer Δν existieren können, die zum Sicherstellen von Phasenkohärenz und Strahlformerausgang über Gleichung (7) notwendig sind. Solche anderen Terme sind, ohne darauf begrenzt zu sein, z. B. verantwortlich für den Offset im Strahlursprung, wie es natürlich bei Vector^®-, linearen und gekrümmt linearen Formaten besonders mit Endausrichtung der Fall ist. Wie erwartet ist Δν = 0, wenn ω_m ² = ω_m ¹, ω_d ² = ω_d ¹, und ω_r ² = ω_r ¹.
Wir beobachten nun aus Gleichung (7), daß Remodulation am Ausgang nach dem Strahlformer vor der Erfassung mit einer Frequenz ω_r Phasenkohärenz von Abtastlinie zu Abtastlinie durch ihre geeignete Auswahl gestattet. Besonders durch die Wahl von ω_r ¹ und ω_r ², so daß ωd 1 + ωr 1 = ωd 2 + ωr 2 (8)sind, kann der zweite Term der Gleichung (7) im wesentlichen ignoriert werden. Man beachte, daß dann, wenn ω_d bereichsabhängig ist, wie es im Fall eines Bereichsführungssystems der Fall wäre, auch ω_r bereichsabhängig sein muß.
Der erste Term von Gleichung (7), gegeben durch (ω_m ² – ω_m ¹)·T_p kann dadurch einfach gehandhabt werden, daß (ω_m ² – ω_m ¹) ausreichend klein gehalten wird. Z. B. sei die Notwendigkeit betrachtet, daß Δν < π/4 ist und angenommen, daß der am Punkt der Remodulierung für ein fokussiertes Führungssystem gemessene Abbildungspuls, wie es typisch sein kann, vier Zyklen der nominellen Modulationsfrequenz dauert. Der notwendige Grenzwert bei einer Frequenzvariation von Abtastlinie zu Abtastlinie wird nach Gleichung (7) und (8) dann ungefähr f_m ² – f_m ¹ < f_m ¹/32. Wenn die nominelle Modulationsfrequenz 5 MHz beträgt, muß die Differenz der Modulationsfrequenz von Abtastlinie zu Abtastlinie in diesem Beispiel kleiner als 0,156 MHz sein.
Wenn deshalb Empfangsverarbeitung nach der Strahlformung vor der Erfassung Phasenkohärenz von Strahl zu Strahl für alle Strahlen in einer Abtastung erfordert, dann sollte das maximale Sende-Trägerfrequenz-Differenzial zwischen zwei beliebigen Strahlen in der Abtastung gewählt werden, um das oben genannte Kriterium zu erfüllen.
Die oben genannte Beziehung (8), die die Remodulationsfrequenzen definiert, ist von den Modulationsfrequenzen beim Senden unabhängig. Bei dieser Unabhängigkeit wird angenommen, daß sowohl das Modulationssignal als auch das Demodulationssignal für alle Sende- und Empfangskanäle bezüglich ihrer Phase fest an einer allgemeinen Zeitreferenz orientiert sind. D. h., die Phasen aller solcher Modulations- und Demodulationssignale sind relativ zu einer allgemeinen Zeitreferenz definiert.
Die obige Beziehung (8) nimmt auch an, daß die Modulationsfrequenzen auf fortfolgenden Sendeabtastlinien und Demodulationsfrequenzen auf fortfolgenden Empfangsabtastlinien sich jede langsam verändern, um 2π-Phasenmehrdeutigkeiten zu vermeiden. D. h, daß f_d ¹ ≈ f_d ² und f_m ¹ ≈ f_m ² ist. Diese Einschränkung ist mit dem gelösten Problem konsistent.
Die oben genannte Beziehung (8) nimmt auch ein ”gut fokussiertes” System an, wobei jede beliebige Beobachtung bezüglich eines Punkts im Blickfeld zu einer Zeit stattfindet, wenn der Empfangsbrennpunkt sich bei diesem Punkt befindet (i. e. Führung oder dynamischer Fokus) ohne Rücksicht, ob ein Ziel sich auch an diesem Punkt befindet.
Man beachte, daß, während die oben genannte Remodulation bevorzugt nach Empfangsstrahlformung und vor der Erfassung stattfindet, sie stattdessen auch pro Kanal vor der kohärenten Kanalsummation durch geführt werden kann. Man beachte außerdem, daß andere systematische Phasenvariationen auftreten können, die möglicherweise zusätzlich zu der Korrektur der variierenden Modulations- und Demodulationsfrequenz korrigiert werden müssen, wie z. B. Phasenvariationen, die durch Analogfilter, Wandlerelemente und ähnliches hervorgerufen werden. In diesem Fall sollten diese Korrekturen auch durchgeführt werden. Sie werden typischerweise den oben beschriebenen Phasenkorrekturen bloß hinzugefügt, um eine Gesamtphasenkorrektur zu produzieren.
D. Implementierung in ein digitales Ultraschallabbildungssystem
Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit der Frequenzübertragung der gesendeten und empfangenen Wellenformen durch Modulation und Demodulation. In der bevorzugten Ausführungsform ist dies im Zusammenhang einer digitalen Architektur und in Kombination mit groben und feinen Verzögerungen sowohl bei Sendung als auch bei Empfang vollzogen. Durch solch einen Prozeß gibt es im Wesentlichen keinen Informationsverlust, weil die Träger-(oder Modulation-)frequenz Abtastlinie für Abtastlinie variiert wird. Die hier beschriebene digitale Architektur gestattet weiterhin präzise Steuerung der Gestalt und Bandbreite des gesendeten Pulses und erlaubt außerdem einfaches Anregen mit multiplen Strahlen, die gleichzeitig gesendet und/oder empfangen werden. Das Gesamtblockdiagramm der Architektur ist in 2a, 2b und 2c wie oben diskutiert dargestellt.

Claims

Ein Verfahren zum Abtasten eines Blickfelds mit einer Anzahl von Ultraschallsendestrahlen, wobei wenigstens ein erster und ein zweiter davon entlang verschiedener Pfade das Blickfeld durchqueren, mit den Schritten: Basisbandwellenformen für mindestens den ersten und den zweiten der Ultraschallsendestrahlen zu Ultraschallfrequenzen zu modulieren, wobei eine Ultraschallfrequenz, zu der der erste Ultraschallsendestrahl moduliert ist, größer ist, als eine Ultraschallfrequenz, zu der der zweite Ultraschallsendestrahl moduliert ist und für mindestens den ersten und zweiten der Ultraschallsendestrahlen jeweils multiple Wandler in einer Anordnung von Ultraschallwandlern mit einem jeweiligen Anregungssignal anzuregen, das mit der jeweiligen Basisbandwellenform moduliert wird, um die Ultraschallsendestrahlen zu erzeugen.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Blickfeld einen zentralen Bereich und einen sich lateral vom zentralen Bereich im Blickfeld erstreckenden äußeren Bereich hat, wobei der erste Ultraschallstrahl den zentralen Bereich durchquert und der zweite Ultraschallstrahl den äußeren Bereich.
Ein Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Frequenzen für alle Ultraschallstrahlen in der Mehrzahl von Ultraschallstrahlen, die den zentralen Bereich durchqueren, gleich den Frequenzen für den ersten Ultraschallstrahl sind, und wobei die Frequenzen für alle Ultraschallstrahlen in der Anzahl der Ultraschallstrahlen, die einen der äußeren Bereiche durchqueren, gleich den Frequenzen des zweiten Ultraschallstrahls sind.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Blickfeld zwei einander gegenüberliegende laterale Kanten, einen zentralen Bereich und ein Paar äußerer Bereiche, die sich lateral vom zentralen Bereich auf eine jeweilige der Kanten des Blickfelds erstrecken, hat und wobei der erste Ultraschallstrahl den zentralen Bereich durchquert und der zweite Ultraschallstrahl einen der äußeren Bereiche.
Ein Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Frequenzen für alle Ultraschallstrahlen in der Mehrzahl der Ultraschallstrahlen, die den zentralen Bereich durchqueren, gleich der Frequenz für den ersten Ultraschallstrahl sind und wobei die Frequenzen für alle Ultraschallstrahlen in der Mehrzahl der Ultraschallstrahlen, die einen der äußeren Bereiche durchqueren, gleich der Frequenz des zweiten Ultraschallstrahls sind.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder der Ultraschallstrahlen in der Mehrzahl der Ultraschallstrahlen einen verschiedenen scheinbaren Richtungswinkel relativ zu einer Normalen auf der Fläche der Anordnung hat.
Ein Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Frequenzen für die Ultraschallstrahlen in der Mehrzahl der Ultraschallstrahlen sich in mehr als zwei Frequenzschritten von einem Ultraschallstrahl mit dem kleinsten absoluten scheinbaren Richtungswinkel zu einem Ultraschallstrahl mit dem größten absoluten scheinbaren Richtungswinkel einschließlich diesem abstufen.
Ein Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Frequenzen der Ultraschallstrahlen in der Mehrzahl der Ultraschallstrahlen sich in wenigstens einem Frequenzschritt von einem Ultraschallstrahl mit dem kleinsten absoluten scheinbaren Richtungswinkel zu einem Ultraschallstrahl mit dem größten absoluten Richtungswinkel einschließlich diesem abstufen.
Ein Verfahren nach Anspruch 8, wobei der maximale Richtungswinkel θ_s. max jedes beliebigen Ultraschallstrahls in der Mehrzahl der Ultraschallstrahlen, die sich in jedem der Frequenzschritte befinden, zur Frequenz f für die Ultraschallstrahlen in solch einem Frequenzschritt nach der sin(θsmax) ≤ κ/(2·f#){–b + {b2 – b + (λ/d·f#)2}1/2}mit λ = c/f c als Konstante zur Näherung der Schallgeschwindigkeit im menschlichen Körper, b = 1 – {λ/(2d)}², f_# als der f-Nummer, die durch die Brennweite r geteilt durch die aktive Öffnungsweite D definiert ist, d als Wandlerelementabstand in der Anordnung und κ als einem erwünschten wert, der über alle Frequenzschritte konstant ist mit 0 < κ < 1, in Beziehung steht.
Ein Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Frequenz f_i für den i-ten der Ultraschallstrahlen in der Mehrzahl der Ultraschallstrahlen ungefähr fi = (c/d){sin(|θs, i|) + k(θs, max)}–1 mit c als Konstante zur Näherung der Schallgeschwindigkeit im menschlichen Körper, d als Wandlerelementabstand in der Anordnung, θ_{s, i} als Richtungswinkel für den i-ten Strahl und k(θ_{s, max}) als Konstante, die vom maximalen Richtungswinkel θ_{s, max} abhängt, beträgt.
Ein Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Frequenz f_i für den i-ten der Ultraschallstrahlen in der Mehrzahl der Ultraschallstrahlen ungefähr fi = (c/d){sin(|θs, i|) + k(θs, max)}–1 mit c als Konstante zur Näherung der Schallgeschwindigkeit im menschlichen Körper, d als Wandlerelementabstand in der Anordnung, θ_{s, i} als Richtungswinkel für den i-ten Strahl und k(θ_{s, max}) als Konstante, die vom maximalen Richtungswinkel θ_{s, max} abhängt, beträgt.
Ein Verfahren nach Anspruch 11, wobei θ_{s, max} ≈ 45° ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 11, wobei k(θ_{s, max}) ≈ 1,29 ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder der Ultraschallstrahlen in der Mehrzahl der Ultraschallsendestrahlen einen verschiedenen scheinbaren Schnittpunkt mit einer Fläche der Anordnung hat.
Ein Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Frequenz für die Ultraschallstrahlen in der Mehrzahl der Ultraschallsendestrahlen sich in mehr als zwei Schritten von einem Ultraschallstrahl abstuft, dessen Schnittpunkt am nächsten zum Zentrum der Fläche der Anordnung liegt.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, das zusätzlich den Schritt aufweist, die Schritte der Modulierung und Anregung zu wiederholen, um eine Anzahl von Abtastungen des Blickfelds zu erzeugen, die zeitlich getrennt sind, wobei die Ultraschallfrequenz für jeden jeweiligen Ultraschallstrahl in der Mehrzahl der Ultraschallstrahlen derselbe in allen Abtastungen ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, das zusätzlich die Schritte aufweist: wenigstens einen Ultraschallempfangsstrahl zu bilden, der mit jedem der Ultraschallstrahlen in der Mehrzahl der Ultraschallsendestrahlen korrespondiert, wobei jeder der Ultraschallempfangsstrahlen durch eine Anzahl von Eingangswellenformen repräsentiert wird, die von entsprechenden Wandlern empfangen werden und Information für eine Mehrzahl von Bereichen entlang des Ultraschallempfangsstrahls enthalten, wobei mindestens ein erster und zweiter der Ultraschallempfangsstrahlen verschiedene Pfade durch das Blickfeld durchqueren, und die Eingangswellenform jedes der Ultraschallempfangsstrahlen mit einer jeweiligen Demodulationsfrequenz für den Empfangsstrahl zu demodulieren, wobei die Demodulationsfrequenz für den ersten Ultraschallempfangsstrahl größer ist als die Demodulationsfrequenz für den zweiten Ultraschallempfangsstrahl.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, das zusätzlich die Schritte aufweist: mindestens einen Ultraschallempfangsstrahl zu bilden, der mit jedem der Ultraschallstrahlen in der Mehrzahl der Ultraschallsendestrahlen korrespondiert, wobei jeder der Ultraschallempfangsstrahlen durch eine Anzahl von Eingangswellenformen repräsentiert wird, die von entsprechenden Wandlern empfangen werden und Information für eine Mehrzahl von Bereichen entlang des Ultraschallempfangsstrahls enthalten, wobei mindestens ein erster und zweiter der Ultraschallempfangsstrahlen verschiedene Pfade durch das Blickfeld quert, die demodulierten Eingangswellenformen jedes der Ultraschallempfangsstrahlen zu demodulieren und zu kombinieren, um eine Strahlausgangswellenform für jeden der Ultraschallempfangsstrahlen zu erhalten, und über die Strahlausgangswellenformen verschiedene der Ultraschallempfangsstrahlen zu filtern.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, das den zusätzlichen Schritt aufweist, die Anordnung der Ultraschallwandler während der Abtastung anzuregen, um einen zusätzlichen Ultraschallstrahl zu produzieren, der sich nicht in der Mehrzahl der Ultraschallstrahlen befindet.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Basisbandwellenformen Frequenzspektren haben die bei oder nahe 0 Hz zentriert sind.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Basisbandwellenformen für alle Ultraschallstrahlen gleich sind.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ultraschallstrahlen in der Mehrzahl der Ultraschallstrahlen alle zeitlich getrennt sind.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt, jeweils multiple Wandler in einer Anordnung von Ultraschallwandlern mit einem jeweiligen Anregungssignal anzuregen, die Schritte aufweist: jeweils vielfache Wandler in der Anordnung mit einem jeweiligen Anregungssignal anzuregen, das mit der jeweiligen Basisbandwellenform moduliert wird, um einen Ultraschallsendestrahl zu erzeugen, und gleichzeitig jeweils vielfache Wandler in der Anordnung mit einem jeweiligen Anregungssignal anzuregen, das mit der jeweiligen Basisbandwellenform moduliert wird, um einen anderen Ultraschallsendestrahl zu erzeugen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede der Basisbandwellenformen eine Basisbandwellenform-Umhüllende ist.
Vorrichtung zum Abtasten eines Blickfelds mit einer Mehrzahl von Ultraschallsende- und Empfangsstrahlen mit einem ersten und einem zweiten Ultraschallsendestrahl und einem oder mehreren ersten Ultraschallempfangsstrahlen, die mit dem ersten Ultraschallsendestrahl korrespondieren, sowie einem oder mehreren zweiten Ultraschallempfangsstrahlen, die mit dem zweiten Ultraschallsendestrahl korrespondieren, mit: einer Anordnung von Ultraschallwandlern und einer Schaltanordnung zum Modulieren von Wellenformen, um Sendeanregungswellenformen zu schaffen, die mit den Sendestrahlen verknüpft sind, sowie zum Demodulieren von Wellenformen, die mit Ultraschallempfangsstrahlen verknüpft sind, wobei die Schaltanordnung Mittel aufweist, um Anregewellenformen mit einer höheren Ultraschallfrequenz zu erzeugen, die mit dem ersten Ultraschallsendestrahl verknüpft sind, sowie mit einer niedrigeren Ultraschallfrequenz, die mit einem zweiten Ultraschallsendestrahl verknüpft sind, wobei die ersten und zweiten Ultraschallsendestrahlen von der Anordnung entlang verschiedener Pfade durch das Blickfeld erzeugt werden.
Die Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Modulationsschaltanordnung Basisbandwellenformen moduliert, um erste modulierte Wellenformen zu erhalten, die auf die Ultraschallwandler angewendet werden, um die ersten Ultraschallsendestrahlen zu produzieren, sowie Basisbandwellenformen moduliert, um zweite modulierte Wellenformen zu erhalten, die auf die Ultraschallwandler angewendet werden, um den zweiten Ultraschallsendestrahl zu produzieren.
Die Vorrichtung nach Anspruch 25, die zusätzlich eine strahlformende Vorrichtung umfasst, zum Bilden eines oder mehrerer erster Ultraschallempfangsstrahlen, die mit dem ersten Ultraschallsendestrahl korrespondieren, und zum Bilden eines oder mehrerer zweiter Ultraschallempfangsstrahlen, die mit dem zweiten Ultraschallsendestrahl korrespondieren.
Die Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Demodulationsschaltanordnung erste demodulierte Basisbandwellenformen aus Eingangswellenformen erzeugt, die kombiniert werden, um die eine oder mehrere erste Ultraschallempfangsstrahlen zu bilden, sowie zweite demodulierte Basisbandwellenformen aus Eingangswellenformen, die kombiniert werden, um die eine mehrere zweite Ultraschallempfangsstrahlen zu bilden.
Die Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Demodulationsschaltanordnung demodulierte Basisbandwellenformen aus Eingangswellenformen für jeden Ultraschallempfangsstrahl erzeugt, wobei der eine oder mehrere erste Ultraschallempfangsstrahlen eine höhere Demodulationsfrequenz haben als der eine oder mehrere zweite Ultraschallempfangsstrahlen.
Die Vorrichtung nach Anspruch 28, zusätzlich mit einer Remodulationsschaltanordnung, um einen oder mehrere erste remodulierte Wellenformen zu erzeugen, die jeweils mit dem einen oder mehreren ersten Ultraschallempfangsstrahlen verknüpft sind, sowie einen oder mehrere zweite remodulierte Wellenformen, die jeweils mit dem einen oder mehreren zweiten Ultraschallempfangsstrahlen verknüpft sind, wobei Phasenkoherenz zwischen der einen oder mehreren ersten und der einen oder mehreren zweiten remodulierten Wellenformen jeweils zu dem einen oder mehreren ersten und dem einen oder mehreren zweiten Ultraschallempfangsstrahlen erhalten bleibt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die Summe einer ersten Demodulationsfrequenz, die mit der ersten demodulierten Wellenform korrespondiert, plus einer ersten Remodulationsfrequenz, die mit einer ersten remodulierten Wellenform korrespondiert, gleich der Summe ist aus einer zweiten demodulierten Frequenz, die mit der zweiten demodulierten Wellenform korrespondiert, plus einer zweiten remodulierten Frequenz, die mit der zweiten remodulierten Wellenform korrespondiert.
Die Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei jeder Ultraschallsendestrahl mit einem einzelnen Ultraschallempfangsstrahl assoziiert ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei jeder Ultraschallsendestrahl mit einer Anzahl von Ultraschallempfangsstrahlen verknüpft ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei eine Fläche der Anordnung von Wandlern eben oder gekrümmt ist.