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Ultraschall-Bilddarstellunqseinrichtunq und Verfahren
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zum Betrieb eines linearen Arrays aus Ultraschall-Wandlerelementen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Bilddarstellungseinrichtung nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf
ein Verfahren zum Betrieb eines linearen Arrays aus Ultraschall-Wandlerelementen.
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Ultraschall-Bilddarstellungseinrichtungen der eingangs genannten Art
sind in der Literatur vielfach beschrieben und auf dem Markt erhältlich. Das lineare
Array kann dabei entweder ein gekrümmtes oder ein geradliniges Array sein. Das Array
wird in der Weise betrieben, daß jeweils entweder ein einzelnes Element oder eine
(verschiebbare) Gruppe von Elementen unter Fortschreitung in Scan-Richtung aktiviert,
d.h. zum Senden und Empfangen eingestellt wird.
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Vielfach ist es erwünscht, neben dem mit Hilfe der Ultraschall-Wandlerelemente
des linearen Arrays gewonnenen B-Bild eine weitere Information zu erhalten. Diese
zusätzliche Information könnte prinzipiell durch ein Zusatzgerät, beispielsweise
ein selbständiges Doppler-Gerät oder ein A- oder M-Bildgerät, geliefert werden.
Zweckmäßiger ist es aber, ein solches Gerät, das die Zusätzliche Information liefern
soll, in das Ultraschall-Bilddarstellungsgerät zu integrieren.
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Zu diesem Zwecke ist es bekannt, eine Ultraschall-Bilddarstellungseinrichtung
mit B-Bild-Gewinnung (B-Gerät) mit einem M-Zusatzgerät zu versehen. Bei einer solchen
Gerätekombination
können allerdings ein B- und ein M-Bild gleichzeitig in guter Qualität nicht erhalten
werden.
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Dieses bekannte Gerät ist folgendermaßen aufgebaut: Das B-Bild wird
mit einer vorgegebenen Scan-Frequenz akquiriert. Bei einem jeden Scan-Vorgang, der
einem Bilddurchlauf entspricht, wird jeweils nur ein einziges Mal an einer vorgewählen
Stelle eine M-Bildzeile (M-Bildvektor) akquiriert. Das bedeutet, daß man nur in
verhältnismäßig großen zeitlichen Abständen Informationen auf der M-Bildzeile erhält,
wodurch Bewegungsvorgänge des untersuchten Objekts oft nicht dargestellt werden
können.
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Dies gilt insbesondere für recht schnelle Bewegungen des Untersuchungsobjekts.
Für Untersuchungen am menschlichen Herzen sind Geräte der bekannten Art daher nur
bedingt geeignet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ultraschall-Bilddarstellungseinrichtung
der eingangs genannten Art mit einem linearen Array so auszugestalten und ein Verfahren
zum Betrieb eines linearen Arrays dergestalt anzugeben, daß einerseits ein bewegtes
B-Bild mit Hilfe des verschiebbaren Einzel elements oder der verschiebbaren Gruppe,
andererseits eine zusätzliche Information über einen vergleichsweise schnell ablaufenden
Vorgang mit guter Auswertequalität erhalten wird, wobei B-Bild und Zusatzinformation
im wesentlichen gleichzeitig gewonnen werden sollen.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist eine Ultraschall-Bilddarstellungseinrichtung
der eingangs genannten Art gekennzeichnet a) durch eine weitere Steuereinrichtung,
die eine vorbestimmte, feststehende Gruppe der Ultraschall-Wandlerelemente mit einer
Ansteuerfrequenz, die höher ist als die Scan-Frequenz, ansteuert, wobei die feststehende
Gruppe aus mindestens einem der Ultraschallwandler-Elemente des linearen Arrays
besteht, und
b) durch eine weitere Einrichtung zur Auswertung, die
die von der feststehenden Gruppe empfangenen Echosignale auswertet.
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Bei einer solchen Ultraschall-Bilddarstellungseinrichtung wird, im
Gegensatz zum Stand der Technik, die Zusatzinformation mit einer vergleichsweise
hohen Abtastfrequenz gewonnen, wodurch eine verbesserte Darstellung von Bewegungen
des untersuchten Gegenstandes möglich ist.
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Die Zusatzinformation, die mit der feststehenden Gruppe gewonnen wird,
kann prinzipiell in der Weise ausgewertet werden, daß ein A-Bild dargestellt wird.
Auch eine Doppler-Darstellung ist möglich. Bevorzugt wird die zusätzliche Information
aber dazu verwendet, ein M-Bild (Time-Motion-Bild) zu gewinnen. Auf diese Weise
ist es möglich, Bewegungsabläufe in M-Darstellung, beispielsweise am menschlichen
Herzen, auf ein und demselben Bildschirm gleichzeitig mit einem bewegten Übersichts-B-Bild
darzustellen. Infolge der verhältnismäßig raschen Abtastung ergibt sich eine gute
Qualität sowohl für das M-Bild als auch für das B-Bild. Im Gegensatz zum Stand der
Technik ist hierbei das B-Bild, das neben dem M-Bild gewonnen wird, ein Echtzeit-Bild
und enthält Bewegungsinformation.
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Die genannte Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß während eines einzigen Scan-Vorgangs von einem zum anderen
Ende des linearen Arrays eine vorgegebene feststehende Gruppe mehrfach mit einer
Ultraschallfrequenz aktiviert wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von
drei Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ultraschall-Array
in schematischer Darstellung mit einer verschiebbaren und einer feststehenden Gruppe
von Ultraschall-Wandlerelementen im Sende- und Empfangsfalle; Fig. 2 eine Tabelle,
aus der die zeitversetzte zeitliche Ansteuerung der beiden Gruppen von Ultraschall-Wandlerelementen
ersichtlich ist; und Fig. 3 den Empfangsteil einer Ultraschall-Bilddarstellungseinrichtung.
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Nach Figur 1 enthält der Ultraschallkopf 2 einer Ultraschall-Bilddarstellungseinrichtung
ein lineares Array aus Ultraschallwandler-Elementen E1, E2, E3 ... Ei 1' Ei' Ei+1
... En 1* En. Die Ultraschall-Wandlerelemente E1...
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E n können mittels einer nicht gezeigten Ansteuereinrichtung im Sendefall
aktiviert werden. Dazu wird eine verschiebbare Gruppe 3 der Ultraschallwandler-Elemente
E1..
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En nacheinander in einer Scanrichtung, die durch einen Pfeil 4 gekennzeichnet
ist, mit einer vorgegebenen Scan-Frequenz fs verschoben. Die Zeit für den Durchlauf
der Gruppe 3 durch alle Elemente E1 bis E beträgt T n 5 1/es. Die verschiebbare
Gruppe 3 enthält mindestens ein einziges der Ultraschallelemente E1 ... En Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß die Gruppe 3 zu jedem Zeitpunkt
insgesamt drei benachbarte Elemente umfaßt. Die Gruppe 3 sendet und empfängt jeweils
mit einer vorgegebenen Ultraschallfrequenz f Die Abstrahlrichtung ist durch einen
Pfeil und das Sendesignal mit S1 bezeichnet. Die in umgekehrter Richtung empfangenen
Echosignale der Ultraschallfrequenz f1 werden in einer nicht gezeigten Auswertungsschaltung
verarbeitet und anschließend auf einem Bildgerät in einem B-Bild zur Darstellung
gebracht.
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Neben der erwähnten (nicht gezeigten) Ansteuereinrichtung ist eine
weitere (nicht gezeigte) Ansteuereinrichtung vorhanden. Dieser weiteren Ansteuereinrichtung
ist eine vorbestimmte, feststehende Gruppe 5 an Ultraschall-Wandlerelementen E1
bis En zugeordnet. Die Stellung dieser feststehenden Gruppe 5 entlang des Arrays
ist frei wählbar.
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Abweichend von der gezeigten Anordnung im mittleren Bereich könnte
sie sich beispielsweise auch an einem der beiden Enden des Ultraschall-Arrays befinden.
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Die feststehende Gruppe 5 besteht aus mindestens einem einzigen der
Ultraschallwandler-Elemente E1 bis En Die Zahl richtet sich nach der beabsichtigeten
Lage des Fokus im Untersuchungsobjekt. Im vorliegenden Fall ist angenommen, daß
diese Gruppe 5 die Wandlerelemente Ei 2 bis Ei+2 umfaßt, also insgesamt fünf nebeneinanderliegende
Wandlerelemente. Die Gruppe 5 wird mit einer Ansteuerfrequenz a gemeinsam angesteuert,
die höher ist als die Scan-Frequenz fs der verschiebbaren Gruppe 3. Während eines
einzigen Durchlaufs der Gruppe 3 durch alle Ultraschallwandler-Elemente E1 bis En
(entspricht der Zeit Ts) sendet die feststehende Gruppe 5 somit mehrfach ein Ultraschall-Sendesignal
aus, und zwar räumlich parallel zur verschiebbaren Gruppe 3. Dieses Ultraschall-Sendesignal
ist mit S2 bezeichnet. Das Ultraschall-Sendesignal ebenso wie die von der Gruppe
5 empfangenen Echosignale, besitzt die Ultraschallfrequenz f2.
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Die Ultraschallfrequenzen f1 und f2 können prinzipiell gleich groß
sein. Bevorzugt jedoch sind sie unterschiedlich voneinander. Für eine M-Bild-Darstellung
wird man eine verhältnismäßig niedrige Ultraschallfrequenz f2, für eine Doppler-Darstellung
dagegen gegebenenfalls eine verhältnismäßig hohe Ultraschallfrequenz f2 wählen.
Das von der Gruppe 5 empfangene Echosignal wird mittels einer (nicht gezeigten)
weiteren Einrichtung zur Auswertung zu
einem Auswertesignal umgesetzt,
das zu einer A-, M- oder einer Doppler-Bilddarstellung herangezogen wird.
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Die Ansteuerfrequenz fa d.h. die Pulsfolgefrequenz für die gemeinsam
aktivierten Elemente Ei 2 bis Ei+2 der Gruppe 5, kann verhältnismäßig hoch sein.
Für Doppier-und M-Untersuchungen kann sie beispielsweise im Bereich von 10 bzw.
3 KHz liegen. Wichtig ist, daß die feststehende Gruppe 5 mehrmals pro Scan der verschiebbaren
Gruppe 3 ein Ultraschallsignal 2 aussendet und empfängt.
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Die erwähnten Ansteuereinrichtungen für die Gruppen 3 und 5 und die
erwähnten Auswerteeinrichtungen für die empfangenen Echosignale können von konventioneller
Bauart sein und brauchen daher nicht näher erläutert zu werden.
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Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ansteuerung der Ultraschall-Wandlerelemente
E1 bis En des Ultraschallkopfes 2. Dabei ist angenommen, daß eine Ansteuerung jeweils
zu äquidistanten Zeitpunkten t1, t2, t3, t10 ... erfolgt.
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Nach Figur 2 umfaßt die bewegliche Gruppe 3 zum Zeitpunkt t1 die ersten
drei Elemente E1, E2 und E3. Diese Elemente E1 bis E3 werden mit der Ultraschallfrequenz
f1 angesteuert. Sie senden ein Sendesignal S1 aus. Der Sendephase schließt sich
eine Empfangsphase an, in der dieselben Elemente E1, E2, E3 Echosignale vom Untersuchungsobjekt
empfangen und elektrisch an die Verarbeitungseinrichtung weiterleiten. Im nächsten
Takt gehören zum Zeitpunkt t2 die Elemente E2, E3 und E4 zur beweglichen Gruppe
3. Diese Elemente E2 bis E4 werden hier ebenfalls mit der Ultraschallfrequenz f1
gemeinsam angeregt. Sie senden ebenfalls ein Ultraschall-Sendesignal S1 aus, das
jetzt um einen Elementabstand nach rechts parallel versetzt abgestrahlt wird. Die
Sendephase schließt sich
wieder eine Empfangsphase an, in der dieselben
Elementen E2 bis E4 Echosignale vom untersuchten Gegenstand empfangen. Im darauffolgenden
Takt, d.h. im Zeitpunkt t3, wird jetzt die feststehende Gruppe 5 angeregt. Die feststehende
Gruppe 5 befindet sich, wie bereits dargelegt, am vorgewählten Ort i und umfaßt
die Elemente Ei 2' Ei 1' Ei, Ei+1 und Ei+2. Die genannten fünf Ultraschall-Wandlerelemente
geben gemeinsam ein Ultraschallsignal S2 mit der Ultraschallfrequenz f2 ab. Anschließend
empfangen sie die diesbezüglichen Echosignale. In der genannten weiteren Einrichtung
zur Auswertung werden die empfangenen Echosignale ausgewertet, und wie oben dargelegt,
beispielsweise auf einem Bildschirm dargestellt. Während dieser Sende- und Empfangsphase
ist die verschiebbare Gruppe 3 inaktiv.
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Im darauffolgenden Zeitpunkt t4 wird wieder die verschiebbare Gruppe
3 angesteuert; die feststehende Gruppe 5 ist jetzt inaktiv. Die Gruppe 3 umfaßt
nun die Ultraschallwandler-Elemente E3, E4 und E5. Die Ansteuerung und Ultraschallemission
erfolgen wiederum mit der Ultraschallfrequenz f1. Auch hier werden anschließend
die Echosignale durch dieselbe Gruppe empfangen, dann ausgewertet und zur Darstellung
gebracht. Im nächsten Zeitpunkt t5 ist die Gruppe 3 wiederum um ein Element in Scanrichtung
4 weitergerückt oder verschoben. Sie umfaßt nun die Ultraschall-Wandlerelemente
E4, E5 und E6. Auch diese Elemente E4, E5 und E6 werden gemeinsam mit der Ultraschallfrequenz
f1 angesteuert. Die empfangenen Echosignale werden sodann ausgewertet und für die
Bilddarstellung weiterverarbeitet. Im Zeitpunkt t6 ist wieder die feststehende Gruppe
5 an der Reihe,3ktiviert zu werden. Wiederum erhalten die Ultraschallwandler-Elemente
Ei 2 bis Ei+2 gemeinsam eine Anregung mit der Ultraschallfrequenz f2. Sie liefern
daraufhin wieder ein Ultraschall-Sendesignal 2 in Ultraschall-Strahlrichtung. Diesem
Sendevorgang
schließt sich ein Empfangsvorgang an, in dem die von denselben Elementen Ei 2 bis
Ei+2 empfangenen Echosignale für eine Darstellung ausgewertet werden.
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Wie aus der Tabelle nach Figur 2 ersichtlich, setzt sich dieser Vorgang
fort, bis nach der Zeit 1/fs sämtliche Ultraschallwandler-Elemente E1 bis En durch
die verschiebbare Gruppe 3 durchgetastet sind. Sodann beginnt ein neuer Scan-Vorgang.
Die feste Gruppe 5 wird somit mehrere Male während eines einzigen Scan-Vorgangs
senden und empfangen, so daß in aufeinanderfolgenden Abtastvorgängen durch die Gruppe
5 auch schnelle Bewegungen des Untersuchungsobjekts erkennbar werden.
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In Figur 2 war davon ausgegangen, daß die beiden Gruppen 3 und 5 jeweils
zu unterschiedlichen Zeitpunkten, z. B.
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ti, t2 einerseits und t3 andererseits, aktiviert werden.
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Ein solches Vorgehen ist jedoch prinzipiell nicht notwendig. Grundsätzlich
kann das Aktivieren der beiden Gruppen 3 und 5 auch gleichzeitig erfolgen. Dies
gilt insbesondere für eine gleichzeitige B-Bild- und M-Bild-Darstellung. Beispielsweise
könnten nach einem solchen geänderten Schema im Zeitpunkt t1 die Elemente E1, E2
und E3 der Gruppe 3 mit der Ultraschallfrequenz f1 und gleichzeitig die Ultraschallwandler-Elemente
Ei 2 bis Ei+2 der Gruppe 5 mit der Ultraschallfrequenz f2 beaufschlagt werden. Im
darauffolgenden Zeitpunkt t2 könnten die in der Scanfolge nächsten drei Wandlerelemente
E2, E3 und E4 ebenfalls wieder mit der Ultraschallfrequenz f die Ultraschall-Wandlerelemente
Ei 2 bis Ei+2 dagegen gleichzeitig mit der Ultraschallfrequenz f2 aktiviert werden.
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Im Zeitpunkt t3 würden die Elemente E3, E4 und E5 einerseits sowie
die feste Gruppe 5 andererseits beaufschlagt werden, und so weiter.
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Für die bisher beschriebenen Verfahrensweisen ist selbstverständlich
Voraussetzung, daß die einzelnen Ultraschallwandler-Elemente E1 bis E n mit verschiedenen
Ultraschallfrequenzen f1 und f2 angeregt werden können. Eine solche Ausbildung des
Ultraschall-Arrays kann in bekannter Weise beispielsweise durch ein mehrzeiliges
Array gegeben sein, wobei die eine Zeile für die Anregung mit der einen Ultraschallfrequenz
f1 und die andere, dazu parallele Zeile für die Anregung mit der Ultraschallfrequenz
f2 vorgesehen ist. Prinzipiell ist für gewisse Anwendungen auch eine Anregung mit
mehr als zwei Ultraschallfrequenzen f1, f2 angebracht.
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In Figur 3 ist der Empfangsteil einer Ultraschall-Bilddarstellungseinrichtung
dargestellt. Der Ultraschallkopf 2 enthält wieder ein geradliniges lineares Array
aus Ultraschall-Wandlerelementen E1 bis En Von diesem Ultraschallkopf 2 führen zwei
Datenwege 11 und 12 zu einem ersten Multiplexer 13. Im ersten Datenweg 11 werden
die von der verschiebbaren Gruppe 3 gewonnenen Echosignale übertragen. Auf dem zweiten
Datenweg 12 dagegen werden die von der feststehenden Gruppe 5 gewonnenen Echosignale
an den ersten Multiplexer 13 weitergeleitet. Der Ultraschallkopf 2 arbeitet dabei,
wie vorausgesetzt wird, mit zeitversetzter Ansteuerung der beiden Gruppen 3 und
5, beispielsweise nach dem in Figur 2 dargestellten Schema.
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Die vom ersten Multiplexer 13 aufgenommenen Signale werden einer Fokussiereinrichtung
14 zugeführt. Die Fokussiereinrichtung 14 fokussiert die empfangenen Echosignale
der einzelnen Ultraschall-Wandlerelemente der jeweiligen Gruppe 3 bzw. 5. Das fokussierte
Signal wird einem zweiten Multiplexer 15 zugeleitet. Dieser zweite Multiplexer 15
ist dazu vorgesehen, das fokussierte Signal der Gruppe 3 bzw. der Gruppe 5 auf getrennte
Verarbeitungswege aufzuteilen.
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Die von der verschiebbaren Gruppe 3 gewonnenen fokussierten Signale
werden einem Bildspeicher 16 zugeführt, der zur Speicherung eines B-Bildes vorgesehen
ist. Entsprechend wird das von der feststehenden Gruppe 5 abgeleitete und fokussierte
Signal einem Bildspeicher 17 zugeleitet, der ein M-Bild speichert. Die Bildspeicher
16, 17 können dabei Teile eines gemeinsamen Speichers sein. Sowohl das B-Bild als
auch das M-Bild werden gemeinsam auf dem Bildschirm eines Monitors 18 dargestellt.
Dieser Monitor 18 ist insbesondere ein handelsüblicher Fernsehmonitor.
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Zwecks Darstellung werden das B-Bildsignal B und das Auswertesignal
oder M-Bildsignal M einem Bildmischer 19 zugeleitet, der ausgangsseitig mit dem
Monitor 18 verbunden ist. Auf dessen Bildschirm erscheint somit sowohl ein B-Bild
20 als auch ein M-Bild 21. Beide Bilder 20, 21 erscheinen somit auf ein und demselben
Monitor 18, was die Beobachtung-yon Bewegungsabläufen, z. B. bei Herzuntersuchungen,
erleichtert. Wegen Verwendung des hier beschriebenen Verfahrens wird eine Echtzeit-Darstellung
gleichzeitig von B- und M-Bild erreicht.
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Zur Steuerung und Synchronisation der einzelnen Vorgänge beim Empfang
(und beim Senden) ist eine zentrale Steuereinrichtung 22 vorgesehen. Diese zentrale
Steuereinrichtung 22 ist weitgehend identisch mit einer herkömmlichen Steuereinrichtung
für die B-Bild-Darstellung, wobei eine Zusatzeinrichtung vorgesehen ist dergestalt,
daß sowohl.
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das B-Bild als auch das M-Bild gleichzeitig als bewegte Echtzeitbilder
akquiriert und dargestellt werden können.
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In dieser Steuereinrichtung 22 ist eine Ansteuereinrichtung für die
verschiebbare Gruppe 3 mit einer weiteren Steuereinrichtung für die feststehende
Gruppe 5 zusammengefaßt.
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Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß auch eine Erweiterung
der Ultraschall-Bilddarstellungseinrichtung zu einer Einrichtung insbesondere mit
Doppel-M-Bilddarstellung möglich ist. In diesem Fall ist eine zusätzliche vorbestimmte,
feststehende (nicht gezeigte) Gruppe aus mindestens einem der Ultraschall-Wandlerelemente
E1 bis E n auszuwählen. Diese zusätzliche Gruppe wird von einer (nicht gezeigten)
zusätzlichen Ansteuereinrichtung mit einer zusätzlichen Ansteuerfrequenz angesteuert,
die aber nicht so groß zu sein braucht wie a oder fs. Eine (nicht gezeigte) zusätzliche
Einrichtung sorgt für die Auswertung der von dieser Gruppe empfangenen Echosignale.
Somit erhält man M-Bilder in zwei zueinander parallelen Richtungen.
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