DE60215406T2

DE60215406T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallabbildung

Info

Publication number: DE60215406T2
Application number: DE60215406T
Authority: DE
Inventors: Tomoo Ashigarakami-gun Satoh
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: JP2002248101A; EP1235080B1; EP1235080A3; EP1235080A2; US6638220B2; US20020120194A1; DE60215406D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Abbildungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Ultraschall-Abbildungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4. Das Verfahren und die Vorrichtung können bei der Diagnose von Organen in einem biologischen Körper verwendet werden, oder zum Ausführen zerstörungsfreier Tests. Insbesondere richtet sich die Erfindung auf ein solches Ultraschall-Abbildungsverfahren und eine solche Ultraschall-Abbildungsvorrichtung, die Bildinformation mit hohen Rahmen- oder Einzelbildraten gewinnen können und/oder in der Lage sind, die Auflösung der gewonnenen Bildinformation zu steigern.
Beschreibung des Standes der Technik
Normalerweise werden bei Ultraschall-Abbildungsverfahren, die in Ultraschall-Diagnosevorrichtungen oder in Vorrichtungen zum Nachweisen von Defekten (Störstellen) im industriellen Einsatz verwendet werden, Ultraschallsonden verwendet, von denen jede eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern enthält und Ultraschall-Sendefunktionen und -Empfangsfunktionen aufweist. In einer solchen Ultraschall-Abbildungsvorrichtung, die mit einer derartigen Ultraschallsonde ausgestattet ist, läßt sich Bildinformation über ein zu prüfendes Objekt in der Weise gewinnen, daß das zu prüfende Objekt mit Ultraschall unter Einsatz von Ultraschallstrahlen abgetastet wird, während die Ultraschallstrahlen erzeugt werden durch Zusammensetzen von Ultraschallwellen, die von den mehreren Ultraschallwandlern gesendet werden. Dann kann die Ultraschall-Abbildungsvorrichtung entweder zweidimensionale regionale Bilder oder dreidimensionale regionale Bilder des zu prüfenden Objekts anhand der gewonnenen Bildinformation reproduzieren. Ein Ab tastverfahren zum Abtasten eines zu prüfenden Objekts mit Hilfe derartiger Ultraschallstrahlen, bezeichnet als sogenannte „Sektorabtastung" wird in der Weise durchgeführt, daß eine zweidimensionale, fächerförmige Zone mittels Ultraschall entlang Winkelrichtungen abgetastet wird.
Ursprünglich wurde dieses Sektorabtastverfahren entwickelt als Verfahren zum Beobachten von Herzbereichen (Herzen) biologischer Körper (menschlicher Körper) seitens interkostaler Bereiche des Herzens. Bei einem derartigen Sektorabtastverfahren wird ein zu untersuchendes Objekt entlang von Winkelrichtungen in gleichmäßigen Intervallen nacheinander abgetastet, indem Ultraschallwellen eingesetzt werden, die von einem Sendepunkt entlang einer Tiefenrichtung in das zu untersuchende Objekt gesendet werden. Außerdem wird Bildinformation an mehreren Abtastpunkten nacheinander abgenommen. Diese Abnahmepunkte sind in gleichmäßigen Intervallen entlang der Tiefenrichtung des zu prüfenden Objekts entlang den Ultraschallstrahlen in den jeweiligen Winkeln verteilt. Während gemäß der obigen Erläuterung ein Ultraschallstrahl dazu dient, ein zu prüfendes Objekt abzutasten, wird Bildinformation über mehrere Abtastpunkte, die sich an diesem einzelnen Ultraschallstrahl befinden, in vorbestimmten zeitlichen Intervallen abgetastet. Ein zweidimensionales oder ein dreidimensionales Bild bezüglich eines Herzbereichs (Herzens), welches aus der abgetasteten Bildinformation gewonnen wird, wird als Echokardiogramm bezeichnet.
Bezüglich dieser Sektorabtastverfahren sind in erster Linie zwei wichtige Abtastverfahren bekannt, nämlich ein mechanisches Sektorabtastverfahren und ein elektronisches Sektorabtastverfahren.
Bei dem mechanischen Abtastverfahren erfolgt eine Sektorabtastung in der Weise, daß eine Ultraschallsonde mechanisch und drehend in Form einer oszillierenden Bewegung, einer Schwenkbewegung und dergleichen bewegt wird.
Bei dem elektronischen Abtastverfahren kommt eine Ultraschallsonde zum Einsatz, die durch Anordnen einiger zig Ultraschallwandlerelemente kleiner Baugröße gebildet wird, wobei zeitliche Differenzen im zeitlichen Ablauf des Treibens der einzelnen Ultraschallwandlerelemente definiert werden, so daß die Gruppe aus Ultraschallwandlerelementen wie in einer Schwenkbewegung angesteuert wird.
Auf medizinischen Gebieten werden derzeit korrektere und objektivere Ultraschall-Diagnoseverfahren gefordert. Unter diesen Umständen gilt besondere Aufmerksamkeit den bildgebenden Verfahren der dreidimensionalen Echtzeit-Echokardiographie, die ein einfaches Verständnis dreidimensionaler Herzstrukturen gestattet. Verwiesen wird hierzu beispielsweise auf die japanische Veröffentlichung mit dem Titel „TREND TO REALTIME THREE-DIMENSIONAL ECHOCARDIOGRAPHY", geschrieben von T. OHTA, EIZO JYOHO (M), Vol. 32, Nr. 22, Seiten 1248–1254, veröffentlicht im November 2000.
Üblicherweise sind die im folgenden vorgestellten bildgebenden Verfahren als dreidimensionale Echokardiographie-Abbildungsverfahren bekannt:

(1) Ein bildgebendes Verfahren, bei dem eine Mehrzahl zweidimensionaler tomographischer Echokardiogramme eines zu prüfenden Objekts gespeichert wird, in dem eine eindimensionale Sonde von einer Bedienungsperson in einer mechanischen Abtastung langsam bewegt wird, wobei anschließend die hierdurch gewonnenen zweidimensionalen tomographischen Echokardiogramme als ein dreidimensionales Echokardiogramm angezeigt werden.
(2) Ein bildgebendes Verfahren, bei dem dreidimensionale Bildinformation eines zu prüfenden Objekts dadurch gewonnen wird, daß eine elektronische Abtastung entlang einer Richtung und außerdem eine mechanische Abtastung entlang einer anderen Richtung vorgenommen wird.
(3) Ein bildgebendes Verfahren, bei dem ein zu prüfendes Objekt elektronisch entlang zwei Richtungen unter Verwendung eines verteilt angeordneten zweidimensionalen Ultraschallsensors abgetastet wird. Dieser verteilte zweidimensionale Ultraschallsensor entspricht einem Sensor, bei dem einige Wandler in selektiver Weise von solchen Wandlern verwendet werden, die in einer zweidimensionalen Matrix mit N Spalten und N Reihen angeordnet sind.

Allerdings ist das dreidimensionale Echokardiographie-Bildgebungsverfahren (1) mit folgenden Nachteilen behaftet: die eindimensionale Sonde muß von geschulten Bedienungspersonen manipuliert werden, außerdem ist beträchtliche Zeit erforderlich, um die gewünschte Bildinformation zu gewinnen. Außerdem kann zwar bei dem bildgebenden Verfahren (2) die gewünschte Bildinformation innerhalb kürzerer Zeit gewonnen werden als bei dem ersten Bildgebungsverfahren (1), allerdings ist die Einzelbildrate (das heißt die Gesamtanzahl von Bildern, die pro Zeiteinheit auf einem Bildschirm dargestellt werden) kleiner als oder höchstens gleich 20 Einzelbildern pro Sekunde, was man kaum als hohe Einzelbildgeschwindigkeit bezeichnen kann. Bei dem bildgebenden Verfahren (3) ist darüber hinaus die Einzelbildrate kleiner oder gleich 20 Einzelbilder pro Sekunde, was ebenfalls kaum als hohe Einzelbildrate bezeichnet werden kann.
Die JP-10 277030 zeigt ein Ultraschall-Diagnosesystem mit einem ROI-Spezifizierungsteil zum Spezifizieren eines ROI auf den stereoskopischen Projektionsbildern, die auf einer Anzeigevorrichtung dargestellt werden, und einen elektronischen Abtaststeuerteil zum Steuern des Abtastbereichs der elektronischen Abtastrichtung eines Array-Schwingers derart, daß die vergrößerten stereoskopischen Projektionsbilder auf der Anzeigevorrichtung dargestellt werden.
Die EP-A-0 707 219 zeigt ein bildgebendes Ultraschall-Diagnosesystem, bei dem ein Teil eines Ultraschallbilds für die vergrößerte Darstellung als Zoom-Bild ausgewählt werden kann.
Die US-A-4 817 619 zeigt eine Ultraschall-Diagnosevorrichtung mit einer Verteilungsschaltung zum variablen Vorgeben der Abtastzone, die mit einem Ultraschallimpuls-Strahl zur Messung des Doppler-Blutstrombilds abgetastet wird, so daß die Zone nach Wunsch ausgewählt werden kann. Wie in den 8 und 9B der Schrift dargestellt ist, ist zwar das Intervall TD zwischen einem zweiten und einem dritten Impuls kürzer ge wählt als das Intervall T zwischen einem ersten und einem zweiten Impuls (Spalte 7, Zeilen 24 bis 40), allerdings wird nach Erhalt eines Echoimpulses von einem Punkt P1 innerhalb der gewünschten Zone ein Sendeimpuls gesendet.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben aufgezeigten Probleme zu beheben, und es ist folglich ein Ziel, ein verbessertes Ultraschall-Abbildungsverfahren und eine verbesserte Ultraschall-Abbildungsvorrichtung anzugeben, die in der Lage sind, Bildinformation mit hoher Einzelbildrate zu erhalten, oder die in der Lage sind, eine erhöhte Auflösung zu erreichen, indem die Gesamtanzahl von Ultraschallstrahlen, die innerhalb einer Zeiteinheit gesendet werden können, erhöht wird.
Um die obigen Probleme zu lösen, sieht die Erfindung ein Ultraschall-Abbildungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor. Außerdem enthält eine Ultraschall-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung die Merkmale des Anspruchs 4.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem Ultraschall-Abbildungsverfahren und der Ultraschall-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich, da die Meßzeit verkürzt wird und die Häufigkeit von Sende-/Empfangsoperationen des Ultraschallstrahls pro Zeiteinheit erhöht ist, der Abbildungsvorgang durchführen bei Erhalt hoher Einzelbildraten und hoher Auflösung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein besseres Verständnis der Erfindung ist möglich durch die Lektüre einer detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm zur Darstellung der grundlegenden Ausgestaltung einer Ultraschall-Abbildungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ein Diagramm zur schematischen Darstellung eines Herzens „H", welches mit Hilfe eines dreidimensionalen Ultraschall-Abbildungsverfahrens von einem Spitzenbereich des Herzens abgebildet wird;
3A ein Diagramm zur Darstellung einer Position einer Tomographieebene OAA' vom Herzen „H" nach 2, wobei 3B ein Diagramm zur Darstellung der Tomographieebene OAA' ist;
4A ein Diagramm zur Darstellung einer Position einer Tomographieebene OBB' vom Herzen „H" in 2, wobei 4B ein Diagramm zur Darstellung der Tomographieebene OBB' ist;
5A ein Diagramm zur Darstellung einer Position einer Tomographieebene OCC' vom Herzen „H" in 2, wobei 5B ein Diagramm zur Darstellung der Tomographieebene OCC' ist;
6A und 6B anschauliche Diagramme zum Erläutern des herkömmlichen Ultraschall-Abtastverfahrens im Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Abtastverfahren;
7A und 7B anschauliche Diagramme zum Erläutern eines Ultraschall-Abbildungsverfahrens gemäß einem nicht durch die Ansprüche abgedeckten Beispiel, das nicht Bestandteil der Erfindung ist;
8A bis 8C anschauliche Diagramme zum Erläutern eines Ultraschall-Abbildungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
9 ein anschauliches Diagramm zum Erläutern eines Ultraschall-Abbildungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
10 ein anschauliches Diagramm zum Erläutern eines Ultraschall-Abbildungsverfahrens nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nunmehr auf die Zeichnungen bezugnehmend, werden im einzelnen verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es versteht sich, daß gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile oder ähnliche Strukturelemente verwendet werden, wobei deren Beschreibung dann entfällt.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm zur Darstellung der Grundanordnung einer Ultraschall-Abbildungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Diese Ultraschall-Abbildungsvorrichtung kann beispielsweise als Ultraschall-Diagnosevorrichtung zum Diagnostizieren eines biologischen Körpers (eines menschlichen Körpers) oder als Defekt-(Störstellen-)Nachweisvorrichtung in der Industrie verwendet werden.
Wie in 1 dargestellt, ist diese Ultraschall-Abbildungsvorrichtung mit einer Ultraschallsonde 10 ausgestattet, die an einem zu prüfenden Objekt anliegt. Die Ultraschallsonde 10 ist derart aufgebaut, daß sie mehrere (N × N = N² Teile) von Ultraschallwandlern 11 mit Sende-/Empfangsfunktionen für Ultraschallwellen (Ultraschallimpulse) in einer zweidimensionalen Matrix mit N Spalten und N Reihen angeordnet sind. Was den Ultraschallwandler 11 angeht, so sind beispielsweise piezoelektrische Elemente eingesetzt, bestehend aus piezoelektrischem Keramikmaterial, typischerweise bekannt als PZT (Pb-(Blei-)Zirkonat-Titanat) oder in Form eines piezoelektrischen Polymer-Elements, typischerweise bekannt als PVDF (Polyvinyl-Difluorid). Anstatt einen derartigen Ultraschallwandler mit Sende-/Empfangsfunktion für Ultraschallimpulse in der Ultraschallsonde 10 einzusetzen, kann man auch ein piezoelektrisches Element als Ultraschallwellen- Sendeelement mit einem Ultraschallwandler vom optischen Wandlertyp als Ultraschallwellen-Empfangselement kombinieren. Was den optischen Wandlertyp-Ultraschallwandler angeht, so können entweder Fabry-Perot-Resonatoren (abgekürzt als „FPR") oder Faser-Bragg-Gitter verwendet werden, die an den Spitzenbereichen sehr feiner optischer Fasern ausgebildet sind.
N² Sätze von Pulsatoren 12 und N² Sätze von Empfängern 14 sind mit N² Teilen von Ultraschallwandlern 11 gekoppelt.
Jeder der Pulsatoren 12 wird ansprechend auf ein Ausgangssignal einer Zeitsteuerung 25, die in eine Systemsteuereinheit 20 (diese wird später erläutert) eingebaut ist, aktiviert, um ein Treibersignal an den zugehörigen (relevanten) Ultraschallwandler 11 zu geben. Die betreffenden Ultraschallwandler 11 senden Ultraschallimpulse in Richtung des zu prüfenden Gegenstands ansprechend auf die von den relevanten Pulsatoren 12 ausgegebenen Treibersignale, um anschließend Ultraschallechos zu empfangen und Detektorsignale auszugeben. Diese Ultraschallechos werden dadurch erzeugt, daß die gesendeten Ultraschallimpulse an Innenbereichen des zu prüfenden Objekts reflektiert werden. Als Pulsator wird vorzugsweise ein Hochgeschwindigkeitspulsator verwendet, der ein Treibersignal mit hoher Wiederholrate ausgeben kann.
Jeder Empfänger 14 ist mit einem Vorverstärker 15 versehen, ferner einem TGC-Verstärker (Zeitzunahme-Kompensations-Verstärker) 16 und einem A/D-Wandler 17. Ein von jedem der Ultraschallwandler 11 ausgegebenes Nachweis- oder Detektorsignal wird von dem Verstärker 15 und dem TGC-Verstärker 16, die in dem zugehörigen Empfänger 14 enthalten sind, analog verarbeitet. Die Pegel dieser Detektorsignale werden durch diese analoge Verarbeitung in Einklang gebracht mit dem Eingangspegel des A/D-Wandlers 17. Das von dem TGC-Verstärker 16 ausgegebene analoge Detektorsignal wird von dem A/D-Wandler 17 in ein digitales Detektorsignal umgewandelt.
Die einzelnen Pulsatoren 12 und Empfänger 14 sind mit der Systemsteuereinheit 20 zum Steuern des Gesamtsystems der Ultraschall-Abbildungsvorrichtung verbunden. Wie oben bereits erläutert, sind die einzelnen Pulsatoren 12 mit einer in die Systemsteuereinheit 20 eingebauten Zeitsteuerung 25 verbunden. Die Zeitsteuerung 25 gibt Signale aus, die zum Aktivieren der jeweiligen Pulsatoren 12 dienen. Diese Zeitsteuerung 25 kann die Erzeugung der zeitlichen Lage von Treibersignalen steuern, die von einer Mehrzahl von Pulsatoren 12 ausgegeben werden, damit Ultraschallstrahlen in mehreren Richtungen abgesendet werden.
Die jeweiligen Empfänger 14 sind mit einem Speicher 21 verbunden, der an eine Phasenanpassungs-Berechnungseinheit 22 innerhalb der Systemsteuereinheit 20 verbunden ist.
Die Phasenanpassungs-Berechnungseinheit 22 enthält N² Berechnungsleitungen, die den oben angesprochenen N² Exemplaren von Ultraschallwandlern 11 entsprechen. Jede der Berechnungsleitungen in der Phasenanpassungs-Berechnungseinheit 22 kann durch eine Schieberegister-Verzögerungsleitung, eine digitale Feinverzögerungseinrichtung oder eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit) und ein Softwareprogramm gebildet werden, oder kann durch eine Kombination solcher Teile gebildet sein. Die von den einzelnen A/D-Wandlern 17 der mehreren Empfänger 14 ausgegebenen Detektordaten werden einmal in dem Speicher 21 gespeichert, und anschließend werden diese Detektordaten in eine Mehrzahl von Berechnungsleitungen der Phasenanpassungs-Berechnungseinheit 22 eingegeben. Die Einheit 22 führt eine Phasenanpassungsoperation in der Weise durch, daß vorbestimmte Verzögerungen auf die Detektordaten angewendet werden, die in die jeweiligen Berechnungsleitungen eingegeben werden, wobei die Detektordaten außerdem digital aufaddiert werden. Da ein solche Phasenanpassungs-Berechnungseinheit 22 verwendet wird, können gleichzeitig Empfangs-Fokussierungen bezüglich mehrerer Richtungen zu dem zu prüfenden Objekt vorgenommen werden. Die resultierenden Daten, in denen Phasen miteinander durch die Phasenanpassungs-Berechnungseinheit 22 angepaßt sind, werden an eine Anzeigebild-Berechnungseinheit 23 ausgegeben.
Die Anzeigebild-Berechnungseinheit 23 führt die im folgenden erläuterten Verarbeitungen mit den von der Phasenanpassungs-Berechnungseinheit 22 eingegebenen Detektordaten durch. Das heißt: es wird eine Wellenform der Detektordaten erfaßt, die ermittelte Wellenform wird in Bilddaten umgewandelt, die Bilddaten werden einer vorbestimmten Bildverarbeitung unterzogen, und außerdem wird das Abtastformat umgewandelt. Im Ergebnis werden die Bilddaten des Ultraschallstrahl-Datenraums umgewandelt in Bilddaten eines physikalischen Raums. Außerdem führt die Anzeigebild-Berechnungseinheit 23 eine Berechnung durch, durch die Voxeldaten, das sind Daten bezüglich eines gewissen Volumens, auf der Grundlage mehrerer tomographischer Bilddaten erzeugt werden, um ein dreidimensionales Bild anzuzeigen.
An die Anzeigebild-Berechnungseinheit 23 ist eine Anzeigeeinheit 30 angeschlossen, die eine D/A-Umwandlung vornimmt, um die Bilddaten, in denen das Abtastformat in der Berechnungseinheit 23 umgewandelt wurde, in ein Analog-Bildsignal umzuwandeln, woraufhin sie ein dreidimensionales Ultraschallbild des zu prüfenden Objekts zur Anzeige bringt.
Die Systemsteuereinheit 20 enthält eine Meßzonen-Einstelleinrichtung 31, die einem Instrument entspricht, mit dem eine derartige Zone als existierender Bereich eines Meßziels auf einem Bildschirm der Anzeigeeinheit 30 markiert wird. Als solche Meßzonen-Einstelleinrichtung 31 kann beispielsweise eine Zeigereinrichtung wie eine Maus oder ein Lichtgriffel verwendet werden.
Als nächstes wird ein Ultraschall-Abbildungsverfahren gemäß einem Beispiel anhand der 1 bis 7B erläutert, welches dem Verständnis der Erfindung dient, jedoch nicht zur Erfindung gehört. Bei diesem Beispiel wird, wie anschaulich in 2 dargestellt ist, ein Fall beschrieben, bei dem ein Herz in einem biologischen Körper (menschlichen Körper) mittels Ultraschall abgebildet wird. 2 zeigt schematisch ein Herz „H", betrachtet vom Scheitelbereich „O" des Herzens „H". Außerdem zeigt 3A beispielhaft ein Tomographiebild OAA' des Herzens „H", und 3B zeigt anschaulich das Tomographiebild OAA', welches ein Tomographiebild HA des Herzens „H" enthält. In ähnlicher Weise zeigt 4A anschaulich ein Tomographiebild OBB' des Herzens „H", und 4B zeigt anschaulich das Tomographiebild OBB', welches ein Tomographiebild HB des Herzens „H" enthält. Außerdem zeigt 5A anschaulich ein Tomographiebild OCC' des Herzens „H", und 5B zeigt anschaulich das Tomographiebild OCC', welches ein Tomographiebild HC des Herzens „H" enthält.
In dem Ultraschall-Abbildungsverfahren dieses Beispiels erfolgt zunächst eine Vorabbildungsoperation, bevor eine Haupt-Ultraschallabbildungsoperation stattfindet. In anderen Worten: während eine langsame Einzelbildrate verwendet wird, werden Ultraschallbilder vorab bis hin zu einer Sichttiefe in der Nähe des Herzens „H" gewonnen. Die durch die Vorabbildungsoperation erhaltenen Ultraschallbilder werden auf der Anzeigeeinheit 30 dargestellt. Das heißt, die in 3B dargestellte Tomographieebene OAA', die in 4B gezeigte Tomographieebene OBB' oder die in 5B dargestellte Tomographieebene OCC' wird auf dem Bildschirm der Anzeigeeinheit 30 dargestellt.
Als nächstes markiert eine Bedienungsperson der Ultraschall-Abbildungsvorrichtung einen existierenden Bereich eines Tomographiebilds HA, eines Tomographiebilds HB oder eines Tomographiebilds HC des auf der Anzeigeeinheit 30 dargestellten Bilds unter Verwendung der Meßzonen-Einstelleinrichtung 31.
Anschließend wird die Haupt-Ultraschallabbildungsoperation durchgeführt. Das heißt, es wird ein Tomographiebild des Herzens „H", welches durch Manipulieren der Meßzonen-Einstelleinrichtung 31 im Zuge der Vorabbildungsoperation markiert wurde, per Ultraschall abgebildet. Bei diesem Beispiel wird ein Sektorabtastungsprozeß ausgeführt, der im folgenden im Vergleich mit dem herkömmlichen Sektorabtastungsprozeß erläutert wird für den Fall, daß ein Bild beispielsweise der Tomographieebene OBB' gemäß 4B durch Sektorabtastung gewonnen werden soll.
6A und 6B sind beispielhafte Diagramme zum Erläutern des herkömmlichen Ultraschall-Abtastprozesses. 6A zeigt anschaulich sowohl die Tomographieebene OBB', die das Tomographiebild HB des Herzens „H" nach 4B enthält, als auch einen Ort (Spur) von Ultraschallstrahlen, die über diese Tomographieebene OBB' hinwegstreichen. Außerdem ist 6B ein Impulsdiagramm zum Beschreiben eines Ultraschall-Abtastvorgangs, der ausgeführt wird, um ein Sektorbild zu gewinnen, wie es in
6A gezeigt ist. Andererseits sind 7A und 7B erläuternde Diagramme für den Ultraschall-Abtastvorgang dieser Ausführungsform. 7A zeigt beispielhaft sowohl die Tomographieebene OBB', die das Tomographiebild HB des Herzens „H" aus 4B als auch einen Ort (Spur) von Ultraschallstrahlen enthält, die über diese Tomographieebene OBB' hinwegstreichen. In diesem Fall bedeuten die Symbole M₀, M₁, ..., M_n einen existierenden Bereich „M" des Tomographiebilds HB, welches nach dem Durchführen der Vorabbildungsoperation markiert ist. Außerdem ist 7B ein Impulsdiagramm zum Beschreiben eines Ultraschall-Abtastvorgangs, der ausgeführt wird, um ein Sektorbild zu gewinnen, wie es in 7A gezeigt ist. In den 6B und 7B sind auf der Ordinate Echostärken, auf der Abszisse die Zeit dargestellt.
Wie in 6A oder 7A gezeigt ist, wird dann, wenn die fächerförmige zweidimensionale Zone OBB' von dem Ultraschall abgetastet wird, zunächst der Ultraschall von einem Scheitelbereich „O" des Herzens „H" in Richtung eines Punkts B₀ gesendet, anschließend werden nacheinander die Punkte B₀, B₁, ..., B_n abgetastet. Diese fächerförmige zweidimensionale Zone OBB' ist so definiert, daß eine fächerförmige Zone zwischen einem Ultraschallstrahl OB₀ und einem weiteren Ultraschallstrahl OB_n liegt. Wege oder Pfade OB₀, OB₁, ..., OB₀ der einzelnen Ultraschallstrahlen, die sich ausgehend von dem Scheitelbereich „O" zu den Tiefenrichtungen erstrecken, lassen sich realisieren durch Synthetisieren oder Zusammensetzen der Ultraschallimpulse, die von einer Mehrzahl von Ultraschallwandlern 11 gesendet werden.
Wie in 6A gezeigt ist, wird bei dem herkömmlichen Abtastvorgang nach dem Senden/Empfangen des Ultraschallimpulses bzw. des Echos entlang dem ersten Weg OB₀ und nach Verstreichen einer vorbestimmten Ruhezeit die Sende-/Empfangsoperation für den Ultraschallimpuls bzw. das Ultraschallecho entlang dem nächsten Weg OB₁ begonnen. Die Meßzeit für den Ultraschallstrahl für jeden Weg des Ultraschallstrahls entspricht der Zeitdauer zwischen einem Zeitpunkt, zu dem der Ultraschallimpuls gesendet wird, und einem Zeitpunkt, zu dem das Echo des von dem Maximum-Tiefpunkt innerhalb des zu untersuchenden Objekts reflektierten Ultraschallimpulses von dieser Maximum-Tiefe zurückkehrend empfangen wird. Diese Meßzeit wird durch eine Wiederholzeit PRT(S) in
6B angegeben. Ein solcher Abtastvorgang wird wiederholt in gleichmäßigen Intervallen entlang einer Richtung eines Winkels „θ" in bezug auf die fächerförmige, zweidimensionale Zone OBB' ausgeführt. Da der Sende-/Empfangsvorgang für die Ultraschallimpulse/-echos entlang sämtlicher Wege OB₀, OB₁, ..., OB_n der Ultraschallstrahlen durchgeführt wird, läßt sich Bildinformation der gesamten Tomographieebene gewinnen. Im Ergebnis ist die Meßzeit Tm, die zur Bildung eines Bogens für ein Sektorbild erforderlich ist, folgendermaßen gegeben: Tm = (T1 + T2 + Tr) × Np
T1: Die Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Ultraschall gesendet wird, und dem Zeitpunkt, zu dem der Ultraschallimpuls die Maximum-Tiefe erreicht;
T2: Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Ultraschall in der Maximum-Tiefe reflektiert wird und dem Zeitpunkt, zu dem das Echo empfangen wird;
Tr: Ruhezeit
Np: Gesamt-Wegezahl der gesendeten Ultraschallstrahlen
Andererseits wird bei dem Abtastvorgang nach dem vorliegenden Beispiel der existierende Bereich „M" des Herzens „H" vorab durch die Vorabbildungsoperation markiert. Da die Anzeigeeinheit 30 diesen Markierungsvorgang überwacht, wandelt die Anzeigeeinheit 30 eine Länge jedes der Ultraschallstrahlen auf dem Anzeigebildschirm um in eine Ankunftszeit des Ultraschallimpulses.
Bei dem Abtastvorgang dieses Beispiels wird ein Ultraschallimpuls von dem Scheitelbereich „O" des Herzens „H" entlang der Wegstrecke OB₀ gesendet. Dieser Ultraschallimpuls läuft durch das Tomographiebild HB des Herzens „H" in dem existierenden Bereich „M" und erreicht dann innerhalb eines biologischen Körpers eine Maximum-Tiefe. Allerdings sind Echos, die an Punkten jenseits der Maximum-Tiefe des tomographischen Bilds HB des Herzens „H" reflektiert werden, im wesentlichen unnötige Echos. Deshalb werden gemäß 7A dann, wenn der Ultraschallimpuls von dem Scheitelbereich „O" entlang dem ersten Weg OB0 gesendet wird, solche Echos, die bis hin zur Maximum-Tiefe des existierenden Bereichs „M" auf dem Weg OB₀ erzeugt werden, unter sämtlichen Echos empfangen, die von diesem Ultraschallimpuls hervorgerufen werden. Zu einem Zeitpunkt, zu dem das bei der Maximum-Tiefe M₀ des existierenden Bereichs „M" erzeugte Echo empfangen wird, wird das Senden eines Ultraschallimpulses entlang des nächsten Wegs OB₁ eingeleitet. In anderen Worten: ein Empfang von Echos, die an Punkten jenseits dieser Maximum-Tiefe M₀ erzeugt werden, wird übersprungen. Im Ergebnis läßt sich, wie in 7B gezeigt ist, bezüglich des ersten Wegs OB₀ die Abtastzeit X₀ entsprechend einer Entfernung zwischen der Maximum-Tiefe M₀ des existierenden Bereichs „M" und der Maximum-Tiefe „B₀" innerhalb des biologischen Körpers verkürzen.
Ähnlich zu dem Fall des ersten Wegs OB₀ werden auch für den nächsten Weg OB₁ solche Echos, die bis hin zur Maximum-Tiefe M₁ des existierenden Bereichs M an dem Weg OB₁ erzeugt wurden, empfangen, wohingegen der Empfang von Echos übersprungen wird, die an Punkten jenseits dieser Maximum-Tiefe M₁ erzeugt werden. Zu einem Zeitpunkt, zu dem ein solches in der Maximum-Tiefe M₁ des existierenden Bereichs „M" erzeugtes Echo empfangen wird, wird das Senden eines Ultraschallimpulses entlang dem nächsten Weg OB₂ (dritter Weg) begonnen. Wie oben erläutert wurde, werden, während die Empfangsvorgänge solcher Echos übersprungen werden, die an Punkten jenseits der Maximum-Tiefen M₀, M₁, M₂, ..., M_n des existierenden Bereichs „M" des Tomographiebilds HB erzeugt werden, die Wege OB₀, OB₁, OB₂, ..., OB_n in gleichmäßigen Abständen in mehreren Richtungen nacheinander entlang einem Winkel „θ" bezüglich der fächerförmigen, zweidimensionalen Zone OBB' in 7A abgetastet. Als Folge davon läßt sich, da gemäß 7B die Abtastzeit X₀, X₁, X₂, ..., X_n in den einzelnen Abtastvorgängen verkürzt werden kann, die Abtastzeit für die gesamte Zone der fächerförmigen zweidimensionalen Zone OBB' beträchtlich verkürzt werden im Vergleich zu der Abtastzeit bei dem herkömmlichen, in 6 gezeigten Abtastvorgang.
Obschon die meisten der reflektierten Echos von den mehreren Stellen des Meßziels (nämlich dem Herzen „H") erzeugt werden, lassen sich ausschließlich die Detektorsignale, die der Brennpunktzone entsprechen, derart betonen oder gewichten, daß die Phasenanpassungs-Berechnungseinheit 22 sowohl passende Gewichte als auch passende Zeitdifferenzen dem jeweiligen Detektorsignalen zuordnet, um anschließend diese verarbeiteten Detektorsignale aufzuaddieren.
Im folgenden wird ein Ultraschall-Abbildungsverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform erläutert.
8A zeigt anschaulich sowohl die Tomographieebene OBB', die das Tomographiebild HB des Herzens „H" nach 4B enthält als auch einen Ort eines Ultraschallstrahls zeigt, der die Tomographieebene OBB' überstreicht. 8B zeigt ein Impulsdiagramm eines Ultraschall-Abtastvorgangs, der mit dem Ziel ausgeführt wird, ein Sektorbild zu gewinnen, wie es in 8A gezeigt ist. 8C ist ein Impulsdiagramm, welches Empfangswellenformen von reflektierten Echos veranschaulicht.
Bei dieser ersten Ausführungsform erfolgt ähnlich wie bei dem oben erläuterten Beispiel eine Vorabbildungsoperation, und es wird ein Umfangsbereich des Tomographiebilds HB des Herzens „H" markiert, um den existierenden Bereich „M" zu markieren.
Als nächstes wird eine Haupt-Ultraschall-Abbildungsoperation durchgeführt. Wie in 8B gezeigt ist, werden in kontinuierlicher Weise sowohl ein Ultraschallimpuls entlang einem Weg OB₀ ausgehend von dem Scheitelbereich „O" des Herzens „H" als auch ein Ultraschallimpuls entlang einem anderen Weg OB_i gesendet. Alternativ können, wenngleich beide Ultraschallimpulse nicht kontinuierlich gesendet werden, die unten angesprochenen Ultraschallimpulse in der angegebenen zeitlichen Übertragungsweise eingesetzt werden. Das heißt: der Ultraschallstrahl entlang dem Weg OB₀ wird bei der Minimum-Tiefe M₀' des existierenden Bereichs „M", der auf diesem Weg OB₀ in Erscheinung tritt, reflektiert, und bevor der reflektierte Ultraschallimpuls (das Echo) die Ultraschallsonde erreicht, wird ein weiterer Ultraschallstrahl entlang einem weiteren Weg OB_i gesendet.
Wie oben ausgeführt wurde, läßt sich, da die Ultraschallimpulse derart gesendet werden, daß diese Ultraschallstrahlen entlang den beiden Wegen den existierenden Bereich „M" während etwa der gleichen Zeitdauer überstreichen, die Zeitspanne, die erforderlich ist, um die Tomographieebene OBB' abzutasten, auf etwa 1/2 verringert werden.
Echos, die sowohl im Weg OB₀ als auch im Weg OB_i erzeugt werden, werden einander überlagert und dann von der Ultraschall-Abbildungsvorrichtung empfangen, wie in 8C dargestellt ist. Diese Ultraschallechos lassen sich voneinander durch einen Berechnungsvorgang separieren, der in der Phasenanpassungs-Berechnungseinheit 22 ausgeführt wird.
In dieser Ultraschall-Abbildungsvorrichtung werden solche Echos, die bis zu einer Maximum-Tiefe M₀ oder M_i des existierenden Bereiches „M" erzeugt werden, unter den entlang dem Weg OB₀ oder OB_i erzeugten Echos empfangen. In anderen Worten: der Empfang von Echos, die an Punkten jenseits der Maximum-Tiefen M₀ oder M_i erzeugt werden, wird ausgeblendet, und anschließend werden die Ultraschallimpulse entlang einem nächsten Weg oder nächsten Wegen (zum Beispiel entsprechend einer Kombination des Wegs OB₁ und des Wegs OB_i+1) gesendet. Wie oben ausgeführt wurde, läßt sich, da das Empfangen von Echos von Punkten jenseits der Maximum-Tiefe M₀ oder M_i des existierenden Bereichs „M" ausgeblendet wird, die Abtastzeit X₀ bzw. X_i für die Punkte jenseits der Maximum-Tiefe M₀ bzw. M_i verkürzen.
Ähnlich gilt: sowohl ein Ultraschallimpuls entlang einem Weg OB₁ als auch ein weiterer Ultraschallimpuls entlang einem anderen Weg OB_i+1 werden in einem kontinuierlichen Modus gesendet. In dieser Ultraschall-Abbildungsvorrichtung werden Echos, die bis zu einer Maximum-Tiefe M₁ oder M_i+1 des existierenden Bereichs „M" erzeugt werden, unter den Echos empfangen, die entlang dem Weg OB₁ oder OB_i+1 erzeugt werden. Damit wird der Empfang solcher Echos ausgeblendet, die an Punkten jenseits dieser Maximum-Tiefen erzeugt werden.
Wie oben erläutert wurde, wird der Ultraschall-Abtastvorgang durch Kombinieren der beiden Ultraschallstrahlen wiederholt in einem gleich großen Intervall entlang einer Richtung eines Winkels „θ" bezüglich der fächerförmigen, zweidimensionalen Zone OBB' gemäß 8A durchgeführt.
Gemäß dieser ersten Ausführungsform läßt sich die Abtastzeit für Punkte jenseits der Maximum-Tiefen des existierenden Bereichs „M" verkürzen. Außerdem laufen die Ultraschallstrahlen entlang den beiden Wegen über das zu prüfende Objekt während praktisch der gleichen Zeitdauer. Im Ergebnis läßt sich die Gesamtabtastzeit verbessern, und damit läßt sich die Einzelbild-Wiederholungsrate steigern. Andererseits kann dann, wenn die Einzelbildrate konstant gehalten wird, eine hohe Auflösung der Bilder erreicht werden.
Wenn mehrere Wege ausgewählt werden, entlang das zu prüfende Objekt während praktisch der gleichen Zeitdauer abgetastet wird, so ist es bevorzugt, eine Mehrzahl von Wegen, beispielsweise den Weg OB₀ und den Weg OB_i, auszuwählen, die räumlich voneinander getrennt sind. In diesem Fall können die aus den jeweiligen Richtungen reflektierten Echos leicht voneinander getrennt werden, um die Empfangs-Fokussieroperation durchzuführen. Zu dieser Zeit können mehrere Wege in einer tomographischen Ebene ausgewählt werden. Alternativ kann man mehrere Wege auswählen, die sich in verschiedenen tomographischen Ebenen befinden. Beispielsweise können alternativ ein Weg in der tomographischen Ebene OAA' nach 3B und ein weiterer Weg in der tomographischen Ebene OBB' nach 4B ausgewählt werden.
Nunmehr auf 9 bezugnehmend, wird ein Ultraschall-Abbildungsverfahren einer zweiten Ausführungsform der Erfindung erläutert. 9 zeigt beispielhaft sowohl die Tomographieebene OAA', die das tomographische Bild HA des Herzens H in 3B enthält, als auch einen Ort des Ultraschallstrahls, der diese Tomographieebene OAA' überstreicht.
Bei dieser zweiten Ausführungsform wird ähnlich wie bei dem oben erläuterten Beispiel eine Vorabbildungsoperation durchgeführt, und es wird ein Umfangsbereich des Tomo graphiebilds HA des Herzens „H" markiert, um den existierenden Bereich „M" einzurichten. Dann wird, während diesem existierenden Bereich „M" Aufmerksamkeit gewidmet wird, eine Abtastung einer anderen Zone als dem existierenden Bereich „M" bezüglich einer Abtastrichtung „θ" übersprungen.
Wie in 9 gezeigt ist, befindet sich in der zweidimensionalen Zone OAA' der existierende Bereich „M" zwischen den Wegen OA_j und OA_m. Im Ergebnis werden sowohl ein Bereich, der definiert ist durch einen Weg OA₀ bis hin zu dem Weg OA_j und ein weiterer Bereich, der definiert ist durch einen Weg OA_m bis hin zu einem Weg OA_n, die sich auf beiden Seiten des existierenden Bereichs „M" befinden, entlang der Winkelrichtung „θ" ausgeblendet. In diesem Fall wird ein Abtastvorgang ähnlich dem obigen Beispiel oder der ersten Ausführungsform innerhalb eines Bereichs durchgeführt, der durch den Weg OA_j bis hin zu dem Weg OA_m definiert ist und durch den existierenden Bereich „M" läuft.
Bei dieser zweiten Ausführungsform erfolgt eine Ultraschallimpuls-Abtastung bei Ausblendung eines nicht benötigten Bereichs entlang einer Winkelrichtung „θ" zusätzlich zu dem überflüssigen Bereich entlang der Tiefenrichtung, so daß die Abtastzeit noch weiter verkürzt wird.
Als nächstes wird anhand der 10 ein Ultraschall-Abbildungsverfahren gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung erläutert. 10 zeigt schematisch ein Herz zum Erläutern des Ultraschall-Abbildungsverfahrens dieser dritten Ausführungsform.
Bei dieser dritten Ausführungsform wird dann, wenn nur eine Teilzone innerhalb eines zu untersuchenden Objekts, beispielsweise ein Klappenbereich „H'" eines Herzens „H" von Interesse ist, nur diese Zone mit Hilfe von Ultraschallimpulsen beschränkt abgetastet.
Ähnlich der ersten Ausführungsform wird zunächst eine Vorabbildungsoperation durchgeführt, und es wird ein Bereich in der Nähe des Klappenabschnitts „H'" des Herzens „H" mit Hilfe der Meßzonen-Einstelleinrichtung 31 markiert. Wenn eine Hauptabbildungsope ration durchgeführt wird, wird ausschließlich dieser Bereich in der Nähe des Klappenbereichs „H'", welcher markiert wurde, mit Ultraschallstrahlen abgetastet, indem die Abtastverfahren mittels Ultraschall gemäß dem Beispiel und die erste und die zweite Ausführungsform miteinander kombiniert werden.
Bei dieser dritten Ausführungsform läßt sich der Ultraschall-Abbildungsvorgang in hocheffizienter Weise durchführen, da der Ultraschallstrahl nur die kleine Zone abtastet und ein nicht benötigter Bereich ausgeblendet wird.
Wie oben im einzelnen beschrieben wurde, wird durch die vorliegende Erfindung die für den Abtastvorgang des Ultraschallstrahls, der zu einer Zeit ausgeführt wird, erforderliche Meßzeit verkürzt. Außerdem können die Abtastvorgänge mit den Ultraschallstrahlen entlang den mehreren Richtungen gleichzeitig ausgeführt werden. Deshalb läßt sich die Gesamtanzahl von Ultraschallstrahlen, die pro Zeiteinheit gesendet werden, steigern. Im Ergebnis kann die erfindungsgemäße Ultraschall-Abbildungsvorrichtung Bildinformation mit einer höheren Linzelbildrate gewinnen oder kann die Auflösung der gewonnenen Bildinformation verbessern.

Claims

Ultraschall-Abbildungsverfahren zum Senden eines Ultraschallstrahls in Richtung auf ein Meßziel, welches sich innerhalb eines zu prüfenden Objekts befindet, und zum Empfangen von Ultraschallechos, die von dem Meßziel reflektiert werden, um Nachweissignale zu erzeugen, wozu eine Ultraschallsonde (10) verwendet wird, und zum Verarbeiten der Nachweissignale, um Bildinformation über das Meßziel zu erhalten, umfassend folgende Schritte: (a) Ausführen einer Vorabbildungsoperation und Einstellen einer zu messenden Zone auf der Grundlage eines durch die Vorabbildungsoperation erhaltenen Bilds; und (b) Senden eines Ultraschallstrahls in der Weise, daß die im Schritt (a) eingerichtete Zone abgetastet wird, und Empfangen von Ultraschallechos, um eine Abbildungsoperation auszuführen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (b) das Senden eines ersten Ultraschallstrahls entlang einer ersten Richtung und das anschließende Senden eines zweiten Ultraschallstrahls entlang einer zweiten, von der ersten Richtung verschiedenen Richtung beinhaltet, bevor ein Ultraschallecho des an einem Minimum-Tiefenpunkt innerhalb der im Schritt (a) eingerichteten Zone reflektierten ersten Ultraschallstrahls die Ultraschallsonde (10) erreicht, außerdem das Erhalten der Nachweissignale, die auf der Grundlage von Ultraschallechos erzeugt wurden, die aus zumindest der ersten und der zweiten Richtung reflektiert wurden, und das Separieren der Nachweissignale voneinander.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt (a) das Einrichten einer Zone beinhaltet, die einen existierenden Bereich des Meßziels enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt (a) das Einrichten einer Zone beinhaltet, die begrenzt ist auf einen Teil des Meßziels.
Ultraschall-Abbildungsvorrichtung zum Senden eines Ultraschallstrahls auf ein Meßziel, welches sich in einem zu prüfenden Objekt befindet, und zum Empfangen von Ultraschallechos, die von dem Meßziel reflektiert werden, um Nachweissignale zu erzeugen, und zum Verarbeiten der Nachweissignale mit dem Zweck, Bildinformation des Meßziels zu erlangen, umfassend: eine Treibersignalerzeugungseinrichtung (12) zum Erzeugen einer Mehrzahl von Treibersignalen; eine Ultraschallsonde (10) zum Senden eines Ultraschallstrahls nach Maßgabe der mehreren Treibersignale, die von der Treibersignalerzeugungseinrichtung (12) erzeugt werden, und zum Empfangen von Ultraschallechos des gesendeten Ultraschallstrahls, um eine Mehrzahl von Nachweissignalen zu bilden; eine Signalverarbeitungseinrichtung (14) zum Erhalten von Bildinformation des Meßziels auf der Grundlage der mehreren, von der Ultraschallsonde (10) erzeugten Nachweissignale; eine Meßzoneneinstelleinrichtung (31) zum Einrichten einer zu messenden Zone auf der Grundlage eines durch eine Vorabbildungsoperation gewonnen Bilds; und eine Steuereinrichtung (20) zum Steuern sowohl der Treibersignalerzeugungseinrichtung (12) als auch der Signalverarbeitungseinrichtung (14), um einen Ultraschall in der Weise zu senden, daß die von der Meßzoneneinstelleinrichtung (31) eingerichtete Zone abgetastet und Ultraschallechos unter Verwendung der Ultraschallsonde (10) empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) die Treibersignalerzeugungseinrichtung (12) so steuert, daß sie einen ersten Ultraschallstrahl entlang einer ersten Richtung sendet und anschließend einen zweiten Ultraschallstrahl entlang einer zweiten, von der ersten Richtung verschiedenen Richtung sendet, bevor ein Ultraschallecho des an einem Minimum-Tiefenpunkt innerhalb der von der Meßzoneneinstelleinrichtung (31) eingerichteten Zone reflektierten Ultraschallstrahls die Ultraschallsonde (10) erreicht, und die Signalverarbeitungseinrichtung (14) so steuert, daß die Nachweissignale erhalten werden, welche erzeugt werden auf der Grundlage von Ultraschallechos, die aus mindestens der ersten und der zweiten Richtung reflektiert werden, und um die Nachweissignale voneinander zu separieren.