DE4304275C2 - Phased-Array-Bildsystem und Verfahren zum Steuern desselben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf akustische Pha­ sed-Array-Systeme und insbesondere auf Ultraschall-Phased- Array-Bildsysteme.

Ultraschallbildsysteme zum Erzeugen von Echtzeitbildern von inneren Teilen des menschlichen Körpers sind an sich allge­ mein bekannt. In derartigen Systemen ist ein Array bzw. Feld von Ultraschallwandlern in Kontakt mit dem Körper angeord­ net, welches kurze elektrische Pulse in entsprechende Druck­ wellen umwandelt. Die elektrischen Pulse können an jeden einzelnen Wandler in dem Feld angelegt werden, wobei durch Wahl der Zeit des Anlegens der Pulse an jeden der Wandler bezüglich anderer Wandler in dem Feld die durch jeden Wand­ ler erzeugten Druckwellen in einen "Sendestrahl" umgewandelt werden können, der sich in eine vorbestimmte Richtung von dem Feld oder Array ausgehend ausbreitet.

Während sich die Druckwellen innerhalb des Sendestrahles durch den Körper ausbreiten, wird ein Teil der akustischen Energie rückwärts zu dem Wandlerfeld reflektiert, sobald die Wellen auf Gewebe stoßen, welche unterschiedliche akustische Charakteristika haben. Ein Array oder Feld von Empfänger­ wandlern (welches das gleiche wie das Sendefeld sein kann) ist vorgesehen, um die reflektierten Druckpulse in entspre­ chende elektrische Pulse umzuwandeln. Die reflektierten Druckpulse werden durch jeden Wandler in dem Empfangsfeld empfangen, wobei durch geeignete Wahl der relativen Verzö­ gerungen zwischen den Signalen, die von jedem Wandler er­ zeugt werden, und durch Kombination dieser Signale die in einem "Empfangsstrahl" beinhalteten empfangenen Druckwellen gegenüber anderen Druckpulsen hervorgehoben werden können. Wie bei dem Sendestrahl können die relativen Wandlerverzö­ gerungen derart eingestellt werden, daß sich der Empfangs­ strahl in jegliche gewünschte Richtung aus den von dem Wand­ lerfeld erstreckt.

Es ist gleichfalls möglich, die empfangenen akustischen Sig­ nale an einem Punkt längs des Empfangsstrahles zu fokussie­ ren oder zu bündeln. Dies wird bewerkstelligt, indem in ge­ eigneter Weise die relativen Signalverzögerungen zwischen den Wandlern derart eingestellt werden, daß die durch die Empfangswandler erzeugten elektrischen Signale zeitlich mit Signalen überlagert werden, die von einem Punkt längs des Empfangsstrahles in einer vorbestimmten Entfernung von dem Wandlerfeld empfangen werden, jedoch nicht bezüglich wei­ terer Signale überlagert werden. Wenn daher die Signale kom­ biniert werden, wird ein starkes Signal von Signalen er­ zeugt, die diesem Punkt entsprechen, während Signale, die von anderen Punkten bei unterschiedlichen Zeiten ankommen, zufällige Phasenbeziehungen zueinander haben und daher sich in einer sich gegenseitig auslöschenden Weise überlagern.

Ein zweidimensionales Bild oder ein Sektorbild können mit diesem System erzeugt werden, indem die akustischen Wandler derart eingestellt werden, daß sie einen Sendestrahl in einer gewünschten Winkelrichtung ausgehend von dem Wandler­ feld oder Wandlerarray erzeugen oder "abschießen". Die Empfangswandler werden dann eingestellt, um den Empfangs­ strahl in dem gleichen Winkel wie den Sendestrahl zu er­ zeugen. Die Empfangswander werden eingestellt, indem der Empfangsstrahl mit sequenziell ansteigender Entfernung von dem Wandlerfeld längs des vorbestimmten Sendestrahlwinkels fokussiert bzw. gebündelt wird. Die empfangenen Signale für jeden der aufeinanderfolgenden Fokuspunkte werden gespei­ chert. Der Sende- und Empfangsstrahl werden daraufhin um einen vorbestimmten Winkelbetrag bewegt, woraufhin das Ver­ fahren der Signalgewinnung wiederholt wird. Die begonnenen Signale werden dann verarbeitet, um dann ein keilförmiges akustisches Bild zu erzeugen, das auch Sektor genannt wird.

Da die Entfernung zwischen jedem gewünschten Fokuspunkt längs des Empfangsstrahles und den verschiedenen Empfänger­ wandlern jeweils unterschiedlich ist, und da die reflektier­ ten Pulswellen bei den Wandlern zu unterschiedlichen Zeit­ punkten ankommen, werden die elektrischen Signale zu unter­ schiedlichen Zeitpunkten erzeugt. Es ist daher erforderlich, kompensierende elektrische Verzögerungen zwischen den jewei­ ligen Wandlern einzuführen und einen Signalsummationspunkt zu erzeugen, so daß die Ankunftszeit aller elektrischer Sig­ nale an dem Summationspunkt übereinstimmt, unabhängig davon, welcher Wandler beteiligt ist.

Die Ansammlung von Wandler­ kompensationsverzögerungseinrichtungen und Signalsummations­ schaltungen wird üblicherweise als "Strahlformer" bezeichnet und ist beispielsweise in dem US-Patent 4,140,022 der Anmel­ derin beschrieben. Die Offenbarung der in diesem Patent be­ schriebenen Strahlformervorrichtung wird in die vorliegende Anmeldung durch diesen Querverweis aufgenommen.

Das Ausgangssignal des Strahlformers ist allgemein ein hoch­ frequentes Signal, das die Amplitude der empfangenen Druck­ pulse darstellt. Die Signale sind häufig eine Funktion des Winkels (Θ) des Empfangsstrahles und der radialen Entfernung (R) des Empfangsstrahles, an dem der Fokuspunkt auftritt. Daher werden die Signale als R-Θ-Koordinaten bezeichnet. Gleichfalls ist es unter Verwendung von an sich bekannten Konstruktionsverfahren möglich, einen Strahlformer aufzu­ bauen, der eine Abtastinformation in anderen Koordinaten­ systemen erzeugt, wie beispielsweise als lineare Abtastung. Jedoch können unter Berücksichtigung der kleinen, örtlich begrenzten Bereiche die Signale in diesen anderen Koordina­ tensystemen in R-Θ-Koordinaten umgewandelt werden. Daher be­ zieht sich die nachfolgende Diskussion auf R-Θ-Koordinaten, ohne daß in dieser Annahme eine Beschränkung der Allgemein­ heit zu sehen ist.

Allgemein werden die Signale auf einem Anzeigemonitor, wie beispielsweise einem Fernsehmonitor oder Rasterabtastungs­ monitor dargestellt, so daß das Format der Signale von den R-Θ-Koordinaten in X-Y-Koordinaten umgewandelt werden muß, da letztgenannte bei der Fernsehanzeige verwendet werden. Diese Umwandlung wird mit einem Gerät durchgeführt, das als X-Y-Abtastwandler bezeichnet wird. Da die tatsächlichen Daten in den R-Θ-Koordinaten in diskreten Winkelpositionen verfügbar sind, muß der Abtastwandler die benötigten X-Y-Werte erzeugen, indem zwischen den R-Θ-Koordinatenwerten interpoliert wird. Die Bauweise und Betriebsweise eines derartigen Abtastwandlers ist an sich allgemein bekannt. Detailliert sind derartige Abtastwandler in den US-Patenten Nummer 4,468,747 und 4,471,449 diskutiert, welche jeweils Patente der Anmelderin sind. Die Beschreibung dieser Patente wird in die vorliegende Beschreibung durch Querverweis aufgenommen, so daß in der vorliegenden Beschreibung die detaillierte Bauweise von Abtastwandern nicht diskutiert wird.

Ein Problem bei bekannten Systemen besteht darin, daß diese häufig eine beschränkte Auflösung haben. Ein bekanntes Verfahren der Erhöhung der Bildauflösung liegt in der Erhöhung der Anzahl der akustischen Linien, die "geschossen" werden, indem das Winkelinkrement zwischen den Linien reduziert wird. Jedoch wird mit einem derartigen Lö­ sungsansatz die Gesamtzeit erhöht, die erforderlich ist, um die akustischen Daten zu erhalten und um das Bild aufzu­ bauen. Da viele Ultraschallbildsysteme verwendet werden, um sich bewegende Objekte, wie beispielsweise Herzklappen, dar­ zustellen, ist es von ausschlaggebender Bedeutung, das Bild so schnell wie möglich aufzubauen (indem die sogenannte "Bildwechselfrequenz" oder die Anzahl der pro Zeiteinheit erzeugten Bilder erhöht wird), so daß die Objektbewegung so genau wie möglich beobachtet werden kann. Die Bildwieder­ holfrequenz kann erhöht werden, indem die Anzahl der für die Erzeugung eines jeden Bildes geschossenen Linien vermindert wird. Wie jedoch bereits erörtert wurde, wird hierdurch die Gesamtauflösung des Bildes vermindert. Daher besteht bei den bekannten Systemen ein Konflikt zwischen der Zielsetzung der hohen Auflösung und der Zielsetzung der hohen Bildwechsel­ frequenz.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Phased-Array- Bildsystem und ein Verfahren zum Steuern desselben so wei­ terzubilden, daß die Bildwechselfrequenz erhöht wird, ohne die Bildauflösung zu vermindern.

Diese Aufgabe wird durch ein Phased-Array-Bildsystem gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Steuern desselben gemäß Anspruch 2 gelöst.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat sich herausgestellt, daß bei Bildsystemen mit linearen Wand­ lerarrays die wirksame Phased-Array-Öffnung durch den Cosi­ nus des Strahles oder Steuerwinkels vermindert wird, wenn der Sendestrahl und der Empfangsstrahl in eine Lage gerich­ tet werden, die einen großen Winkel bezüglich der Senkrech­ ten auf dem Array darstellt. Diese Reduktion führt zu einer breiteren Strahlbreite. Demgemäß kann ein größerer Winkel­ abstand zwischen den akustischen Linien verwendet werden, um die gleiche Bildauflösung zu erzielen, wie bei einem Bild, das mit einem gleichmäßigen Linienabstand zwischen den aku­ stischen Linien erhalten wird. Dieser breitere Abstand ver­ mindert die Anzahl der Linien, die bei den großen Winkeln benötigt werden, um eine vorbestimmte Bildauflösung zu er­ zielen. Daher kann die Bildwechselfrequenz erhöht werden, ohne die Bildauflösung zu vermindern. Insbesondere hat sich herausgestellt, daß akustische Linien, die in einem Gitter gleichmäßig als Kehrwert des Cosinus des Steuerwinkels beab­ standet sind, zufriedenstellende Ergebnisse liefern.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes schematisches elektrisches Blockdiagramm eines bekannten akustischen Bild­ systems;

Fig. 2 ein detaillierteres elektrisches schematisches Blockdiagramm der bekannten Abtastwandlerschal­ tung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines bekannten Verfahrens zum Aussenden akustischer Linien mit gleichmäßigen Winkelinkrementen; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Abtastsequenz gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der die Ab­ tastlinien mit ungleichmäßigen Intervallen ausge­ sandt bzw. abgeschossen werden.

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm eines bekannten Phased-Array-Akustikbildsystemes. Insbeson­ dere sind an der linken Seite der Figur ein Feld bzw. Array von Wandlern bzw. Übertragern mit dem Eingang einer Strahl­ formerschaltung 102 verbunden (wobei lediglich ein einziger Wandler aus Gründen der Klarheit der Darstellung gezeigt ist). Allgemein kann das gleiche Wandlerfeld sowohl zur Er­ zeugung des Sendestrahles als auch zum Empfangen der reflek­ tierten Druckpulse verwendet werden. Obwohl der Wandler 100, der schematisch dargestellt ist, direkt mit dem Strahlformer 102 verbunden ist, sind bei einer tatsächlichen Ausführung Sendetreiberverstärker und Empfängerverstärker zwischen den Wandlern und dem Strahlformer vorgesehen. Die Bauweise und Verschaltung dieser letztgenannten Schaltungen ist an sich bekannt, so daß diese Details aus Gründen der Klarheit in der Darstellung der Fig. 1 fortgelassen sind.

Die Bauweise und Operation einer Strahlformerschaltung ist für Fachleute auf dem vorliegenden Fachgebiet an sich be­ kannt und wird detailliert in dem bereits genannten US-Pa­ tent 4,140,022 beschrieben. Kurz gesagt enthält die Schal­ tung eine Mehrzahl von Verzögerungsleitungen zum selektiven Verzögern der Übertragersignale und ein Summationsnetzwerk zum Kombinieren der verzögerten Signale zum Erzeugen eines elektrischen Ausgangssignales auf der Leitung 104.

Der Strahlformerausgang an der Leitung 104 (der, wie bereits erwähnt wurde, in R-Θ-Koordinaten vorliegt) wird dann verar­ beitet, um die letztendlichen X-Y-Signale zu erzeugen, die auf einer Fernsehmonitoranzeige 112 angezeigt werden können. Insbesondere wird das Ausgangssignal auf der Leitung 104 er­ faßt und komprimiert, bevor es einem Strahlwandler zugeführt wird, der die R-Θ-Koordinaten in X-Y-Koordinaten umwandelt. Diese zusätzliche Verarbeitung ist allgemein erforderlich, da die Strahlformerausgangssignale einen großen Dynamikbe­ reich haben, während ein typischer Fernsehmonitor lediglich Anzeigesignale mit einem sehr begrenzten Dynamikbereich an­ zeigen kann. Demgemäß wird das Strahlformerausgangssignal an der Leitung 104 an eine Detektorschaltung 106 angelegt. Die Detektorschaltung 106 ist typischerweise ein "Absolutwert"- Detektor oder ein Detektor, der nach dem "Quadratgesetz" ar­ beitet, welcher schematisch in Fig. 1 als Diode dargestellt ist. Die Bauweise sowie die Operation derartiger Detektoren ist bekannt, so daß der Detektor 106 nicht näher erläutert werden muß, wobei jedoch angenommen werden soll, daß es sich bei dem Detektor um einen Absolutwertdetektor handelt. Der Ausgang des Detektors 106 ist ein Signal, welches einen Gleichstrompegel umfaßt, das in Beziehung zu der Größe des Eingangssignales steht. Dieses letztgenannte Signal wird dem Verstärker 108 zugeführt.

Der Verstärker 108 wird verwendet, um den Dynamikbereich des Signales, das durch den Detektor 104 erzeugt wird, auf einen Signalbereich zu vermindern, der von dem Fernsehmonitor 112 gehandhabt werden kann. Ein typisches Gerät ist ein loga­ rithmischer Verstärker, der nachfolgend als Logarithmierer bezeichnet wird, welcher das Ausgangssignal log (x) in Reak­ tion auf das Eingangssignal x erzeugt. Jedoch sind andere Datenkompressionsvorrichtungen an sich bekannt und können den Logarithmierer ersetzen. Derartige Vorrichtungen können einen Verstärker mit einer nicht-linearen Übertragungscha­ rakteristik umfassen. Die Bauweise und Operation eines der­ artigen Datenkompressionsgerätes ist an sich bekannt und muß daher nicht weiter erläutert werden.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 108 wird dem Abtastwandler 110 zugeführt, der die Abtastdaten in R-Θ-Koordinaten in die für die Anzeige benötigten X-Y-Koordinaten umwandelt. Allge­ mein ist die Bauweise und Operation eines Abtastwandlers, wie er schematisch als Kästchen 110 dargestellt ist, an sich bekannt. Ein detaillierteres Blockdiagramm ist gleichfalls in Fig. 2 dargestellt, wobei diese Figur den Aufbau der Schaltung zeigt, die die Interpolation ausführt, die erfor­ derlich ist, um die R-Θ-Signale in X-Y-Signale umzuwandeln.

Die R-Θ-Daten auf der Leitung 200 von dem Datenkompressions­ gerät 108 werden direkt zu einer Skalierungsschaltung 202 zugeführt, die die Daten mit einer vorbestimmten Konstante (A) multipliziert. Hereinkommende Daten an der Eingangslei­ tung 200 werden einem "eine Linie"-Puffer 204 zugeführt. Im Falle von analogen Daten kann der Puffer 204 eine einfache Verzögerungsleitung sein, die die analoge Information von der Leitung 200 während eines Zeitintervalles verzögert, das der Zeitverzögerung zwischen den akustischen Linien ent­ spricht, die von dem Wandlerfeld erzeugt werden. Wenn ande­ renfalls die hereinkommenden Signale digitalisiert worden sind, kann der Puffer 204 ein temporärer Speicher sein. In jedem Fall ist der Ausgang des Puffers 204 mit einer zweiten Skalierungsschaltung 206 versehen, die die Information mit einer zweiten vorbestimmten Konstanten skaliert. Der Puffer 208 der Skalierungsschaltung 202 und der Ausgang 210 der Skalierungsschaltung 206 werden einem Summationsnetzwerk 212 zugeführt, das das Ausgangssignal 214 erzeugt. Der Puffer 204 ermöglicht, daß die Schaltung einen interpolierten Wert der Daten für Punkte, die zwischen den Abtastlinien auftre­ ten, erzeugt. Der Ausgang des Abtastwandlers 110 wird einem Fernsehmonitor 112 zum Zwecke der Anzeige zugeführt.

Gemäß einem Aspekt des Erfindungsgegenstandes hat man herausgefunden, daß die Bildwiederholfrequenz erhöht werden kann, ohne einen Verlust an Auflösung in Kauf zu neh­ men, indem eine ungleichmäßige Winkelabtastung verwendet wird. Insbesondere verwendet das bekannte Bildsystem gleich­ förmige Abtastwinkel gemäß Fig. 3, bei denen das Winkel­ inkrement α zwischen zwei Abtastlinien über den gesamten 180°-Bildsektor konstant ist, so daß der Winkel (der Steuer­ winkel genannt wird) für die n-te akustische Linie (Φ_n), Φ_n = nα beträgt. Beispielsweise ist der Winkelabstand zwischen den ausgesandten Linien 1600 und 1602 (die schematisch als Linien in Fig. 3 gezeigt sind) der Winkel α. Dieser Winkel ist der gleiche wie der Winkel α zwischen den anderen Linien 1604 und 1606. Daher ist der Winkelabstand unabhängig von dem Steuerwinkel Φ. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfin­ dung hat sich herausgestellt, daß bei der bekannten gleich­ förmigen Winkelabtastung eine Überabtastung des Objektes für große Steuerwinkel auftritt, wodurch sich unnötig niedrige Bildwiederholraten ergeben. Insbesondere kann für große Steuerwinkel bzw. Ablenkwinkel die effektive "Öffnung" des Phased-Array mit dem Cosinus des Steuerwinkels bzw. Ablenk­ winkels aufgrund der Winkel, mit denen sich die Sendestrah­ len und Empfangsstrahlen ausbreiten, vermindert werden. Wenn die Öffnung in ihrer Größe vermindert wird, steigt die ef­ fektive Breite der Sende- und Empfangs-Einrichtung an. Daher kann ein größerer Winkelabstand zwischen den akustischen Li­ nien verwendet werden, um die gleiche Auflösung zu erzielen. Durch Reduktion der Anzahl der Linien, die für große Winkel "geschossen" werden, kann die Gesamtzahl der Linien vermin­ dert werden, um ein Bild mit vorgegebener Auflösung zu er­ zielen.

Insbesondere hat sich herausgestellt, daß die akustischen Linien auf einem Gitter beabstandet sein können, das gleich­ förmig in dem Kehrwert des Cosinus des Steuerwinkels ist, so daß der Steuerwinkel für die n-te akustische Linie folgenden Wert annimmt: Φ = sin^-1 (Nα). Dieses Verfahren führt dazu, daß die akustischen Linien gemäß Fig. 4 beabstandet sind, wodurch die effektive Bildwechselfrequenz erhöht werden kann. Wenn, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, der Abstand zwischen den Linien 1704 und 1706 α beträgt, dann ist bei großen Auslenkwinkeln bzw. Steuerwinkeln Φ der Winkelabstand zwischen den Linien erhöht um 1/cosΦ, da der Abstand, der zwischen den Linien 1700 und 1702 dargestellt ist, α/cosΦ beträgt.

Claims (2)

1. Akustisches Phased-Array-Bildsystem mit folgenden Merk­ malen:
einer Mehrzahl von akustischen Wandlerelementen;
einer Einrichtung, die mit der Mehrzahl von Wand­ lerelementen verbunden ist, um der Reihe nach eine Mehr­ zahl von akustischen Sendestrahlen (1700, 1702, 1704, 1706) mit vorbestimmten Auslenkwinkeln (α) bezüglich der Wandlerelemente zum Abtasten eines Objektes zu erzeugen;
einer Einrichtung, die mit jedem der Mehrzahl von Wandlerelementen verbunden ist, um Signale von der Mehr­ zahl der akustischen Empfangsstrahlen zu empfangen; und
einer Einrichtung, die auf die empfangenen akustischen Signale anspricht, um die Signale zu verarbeiten, um ein Bild des Objektes zu erzeugen und sichtbar anzuzeigen, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der aufeinanderfolgenden akustischen Sende­ strahlen (1700, 1702, 1704, 1706) mit einem Auslenkwin­ kel (α) erzeugt wird, der gegenüber dem vorhergehenden Auslenkwinkel (α) um ein Inkrement erhöht ist, welches proportional zu dem Kehrwert des Cosinus des vorher­ gehenden Auslenkwinkels (α/cosΘ) ist.

2. Verfahren zum Steuern eines akustischen Phased-Array- Bildsystemes mit einer Mehrzahl von akustischen Wand­ lerelementen, einer Einrichtung, die mit der Mehrzahl von Wandlerelementen verbunden ist, um einen akustischen Sendestrahl zum Abtasten eines Objektes zu erzeugen, einer Einrichtung, die mit der Mehrzahl von Wandler­ elementen zum Empfangen von Signalen von einer Mehrzahl von akustischen Empfangsstrahlen verbunden ist, und einer Einrichtung, die auf die empfangenen akustischen Signale anspricht, um die Signale zum Erzeugen und sichtbaren Darstellen eines Bildes des Objektes zu verarbeiten, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens­ schritte:

• A. Erzeugen eines akustischen Sendestrahles (1706) mit einem vorbestimmten Auslenkwinkel (α) bezüglich der Mehrzahl von Wandlerelementen;
• B. Erhöhen des Auslenkwinkels (α) um ein Inkrement, das proportional ist zu dem Kehrwert des Cosinus des Auslenkwinkels (α/cosΘ); und
• C. Wiederholen der Schritte A und B für Auslenkwinkel zwischen 0 und 180°.