DE69723578T2

DE69723578T2 - Ultraschallabtastumsetzung mit räumlicher zitterung

Info

Publication number: DE69723578T2
Application number: DE69723578T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Gilbert; Alice M. Chiang; Steven R. Broadstone
Original assignee: TeraTech Corp
Current assignee: TeraTech Corp
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: ATE245056T1; AU741952B2; KR20000069707A; KR100508276B1; EP0949976A2; WO1998028631A3; ZA9711640B; TW521522B; EP0949976B1; CA2275577A1; US5904652A; TW447215B; DE69723578D1; EP1353195A2; JP2001507794A; AU7097698A; EP1353195A3; WO1998028631A2

Description

Die vorliegende Erfindung steht im Zusammenhang mit der internationalen Anmeldung WO 97/9768, US 5 690 114 , US 5 590 658 und US 5 839 442.
Hintergrund der Erfindung
Herkömmliche Ultraschall-Abbildungssysteme weisen typischerweise einen von Hand geführten Abtastkopf auf, der durch ein Kabel mit einer großen auf einem Gestell montierten Konsolenbearbeitungs- und Darstellungseinheit verbunden ist. Der Abtastkopf weist typischerweise eine Gruppe von Ultraschallwandlern auf, die Ultraschallenergie in eine darzustellende Region senden und reflektierte Ultraschallenergie empfangen, die aus der Region zurückkommt. Die Wandler wandeln die empfangene Ultraschallenergie in elektrische Kleinsignale um, die über das Kabel an die Bearbeitungseinheit übertragen werden. Die Bearbeitungseinheit verwendet geeignete Strahlbildetechniken wie etwa eine dynamische Fokussierung zum Zusammenfassen der Signale von den Wandlern, um so eine Abbildung der in Betracht kommenden Region zu erzeugen.
Typische herkömmliche Ultraschallsysteme weisen Wandlergruppen mit einer Vielzahl, z. B. 128, von Ultraschallwandlern auf. Jedem Wandler ist seine eigene Bearbeitungsschaltung zugeordnet, die in der Konsolenbearbeitungseinheit angeordnet ist. Die Bearbeitungsschaltung weist typischerweise Treiberschaltkreise auf, die, im Sendebetrieb, genau abgestimmte Antriebsimpulse an den Wandler senden, um die Übertragung des Ultraschallsignals einzuleiten. Diese gesendeten Taktgebersignale werden von der Konsolenbearbeitungseinheit über das Kabel an den Abtastkopf geliefert. Im Empfangsbetrieb leiten Strahlbildeschaltkreise der Bearbeitungsschaltung die geeignete Verzögerung in das elektrische Kleinsignal von den Wandlern, um die Signale dynamisch zu fokussieren, derart, daß nachfolgend eine genaue Abbildung erzeugt werden kann.
Für Phasengruppen- oder Bogenlinien-Abtastköpfe wird das Ultraschallsignal in seiner natürlichen polaren Form (r, ϴ) empfangen und digitalisiert. Für die Bildanzeige ist diese Darstellung ungeeignet, so daß sie in eine rechteckige (x, y)– Darstellung für die weitere Bearbeitung umgewandelt wird. Die rechteckige Darstellung wird digital auf den dynamischen Bereich und die Helligkeit von verschiedenen Bildanzeigen und Vorrichtungen zur Herstellung von Papierkopien korrigiert. Die Daten können auch gespeichert und für eine erneute Bildanzeige wieder aufgefunden werden. Bei der Vornahme der Umwandlung zwischen polaren und rechteckigen Koordinaten müssen die (x, y)-Werte aus den (r, ?)-Werten errechnet werden, weil die Punkte auf der (r, ?)-Gruppe und das rechteckige (x, y)-Raster nicht koinzident sind.
Bei vorbekannten Abtastumwandlungssystemen wird jeder Punkt auf dem (x, y)-Gitter isitiert und der Wert der beiden nächsten θ-Werte durch lineare Interpolation oder der vier nächsten Nachbarn.azf der (r/θ)-Gruppe durch bilineare Interpolation berechnet. Dies wird durchgeführt unter Verwendung eines endlichen Automaten zur Erzeugung des (x, y)-Durchgangsmusters, eines bidirektionalen Schieberegisters zum Halten der (r, ?)- Datenabtastungen in einer großen Anzahl von digitalen logischen und Speichereinheiten zur Steuerung des Prozesses und Sicherstellung dessen, daß die korrekten asynchron empfangenen Abtastwerte der (r, ϴ)-Daten zur Interpolation zur richtigen Zeit für jeden (x, y)-Punkt eintreffen. Die Vorimplementierung kann sowohl inflexibel als auch unnötig komplex sein. Trotzt der aufwendigen Steuer-Hardware ist nur ein einziger Weg durch die (x, y)-Gruppe möglich. Systeme, die eine Abtastumwandlung und räumliche Zitterung verwenden, sind beschrieben in WO 97/01768 und US 5 528 302 .
Die Erfindung liegt in dem, was in den Ansprüchen beansprucht ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Abtastdaten in einen Computer nach der Strahlbildung eingegeben, und die Abtastumwand- lung wird durchgeführt, um die Abtastdaten in ein Darstellungsformat umzuwandeln. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Abtastumwandlung insgesamt unter Verwendung eines Softwaremoduls auf einem PC durchgeführt werden. Alternativ kann ein Pult mit zusätzlicher Hardware eingesetzt werden, um die selektierten Abtastumwandlungsfunktionen zu schaffen oder den gesamten Abtastumwandlungsprozeß auszuführen. Für viele Anwendungsfälle wird das Softwaresystem bevorzugt, da hierbei die zusätzliche Hardware minimal ist, so daß der PC eine kleine tragbare Platte, wie etwa ein Laptop oder Slate-PC sein kann.
Die Abtastumwandlung wird unter Verwendung des räumlichen Zitterungsverfahrens durchgeführt, das nachstehend im einzelnen beschrieben wird. Die räumliche Zitterung vereinfacht die Computeranforderungen für die Abtastumwandlung unter Beibehaltung der Bildauflösung und Qualität. Somit kann Abtastumwandlung auf einem PC ohne das Erfordernis komplexerer Interpolationstechniken durchgeführt werden und dabei noch eine Umwandlung mit Bildfolgefrequenzen liefern, die für eine Echtzeit-Ultraschallabbildung geeignet sind.
Das Abtastumwandlungsverfahren weist eine Eingabegruppe, eine Neuabbildungsgruppe und eine Ausgabegruppe auf. Die Neuabbildungsgruppe ist eine Gruppe von Indizes oder Hinweisen, welches die Größe der verwendeten Ausgabeabbildung ist, um zu bestimmen, wo jedes Pixel von der Eingabegruppe zu bekommen ist. Die Zahlen in jeder Position der Neuabbildungsgruppe zeigen an, wo bei den zu nehmenden Eingabedaten jedes Pixel in die Ausgabegruppe in die gleiche Position geht. Somit können die Abbildungsgruppe und die Ausgabegruppe als die gleiche Geometrie aufweisend gedacht werden, während die Eingabegruppe und die Ausgabegruppe die gleiche Art von Daten, d. h. aktuelle Abbildungsdaten, aufweisen.
Die Eingabegruppe hat neue Daten für jede Ultraschallbildfolge, was bedeutet, daß sie die Daten bearbeitet und die Daten bei jeder Bildfolge in die Ausgabegruppe gibt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet eine neue Ultraschallbildfolge etwa alle 1/30 Sekunde statt. Demgemäß können die Neuabbildungsgruppendaten verhältnismäßig langsam, aber immer noch deutlich unter etwa einer Sekunde, erzeugt werden, solange wie der Routinebetrieb der Berechnung eines neuen Ausgabebildes von einem neuen Eingabedatensatz mit einer Bildfolgefrequenz von etwa dreißig Bildfolgen pro Sekunde ausgeführt wird. Dieses schafft die Möglichkeit, daß ein Universalrechner die Aufgabe der Erzeugung der Daten für die Neuabbildungsgruppe ohne Kompromißverrichtung ausführt, aber auch ohne daß zusätzliche Hardware für diese Aufgabe speziell ausgebildet werden muß. Bei einem Rechnersystem mit einem Digitalsignal-Prozessor (DSP), kann der DSP die Berechnungen der Neuabbildungsgruppe ausführen.
Alternativ können bestimmte Abtastumwandlungsfunktionen durch Hardware ausgeführt werden, die in den PC auf einer Leiterplatte eingesetzt wird. Die Platte oder Karte kann eingesteckt und als Schnittstelle für die Lieferung von Daten in der richtigen Form an den PC-Bus-Kontrollen verwendet werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, mehr ins einzelne gehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf die gleichen Teile in den verschiedenen Ansichten beziehen. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabgerecht; Betonung wird statt dessen auf die Darstellung der Prinzipien der Erfindung gelegt.
1 ist ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Abbildungsgruppe, wie sie in einem Ultraschall-Abbildungssystem verwendet wird.
2A ist eine schematische Darstellung des Verhältnisses zwischen einer linearen Ultraschallwandlergruppe und einer rechteckigen Abtastregion gemäß der vorliegenden Erfindung.
2B ist eine schematische Darstellung des Verhältnisses zwischen einer Bogenlinien-Ultraschallwandlergruppe und einer bogenförmigen Abtastregion gemäß der vorliegenden Erfindung.
2C ist eine schematische Darstellung des Verhältnisses zwischen einer linearen Ultraschallwandlergruppe und einer trapezförmigen Abtastregion gemäß der vorliegenden Erfindung.
2D ist eine schematische Darstellung einer Phasengruppen-Abtastregion.
3 ist eine schematische schaubildliche Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Ultraschalldarstellungssystems nach der vorliegenden Erfindung.
4A ist ein schematisches Funktionsblockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Ultraschallabbildungssystems nach der Erfindung.
4B ist ein schematisches Funktionsblockdiagramm einer alternativen bevorzugten Ausführungsform des Ultraschallabbildungssystem nach der Erfindung.
5A ist ein schematisches Diagramm einer Strahlbilde- und Filterschaltung gemäß der Erfindung.
5B ist ein schematisches Diagramm einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer Strahlbilde- und Filterschaltung gemäß der Erfindung.
5C ist ein schematisches Diagramm einer weiteren bevorzugten Form einer Strahlbilde- und Filtereinheit gemäß der Erfindung.
5D ist ein schematisches Diagramm eines Tiefpaßfilters nach der Erfindung.
5E ist ein Bespiel einer Schnittstellen-Leiterplatte nach der Erfindung.
5F ist eine bevorzugte Ausführungsform einer integrierten Strahlbildeschaltung nach der Erfindung.
6 ist eine grafische Darstellung des Durchlaßbereichs eines Filter nach der Erfindung.
7A ist ein schematisches Diagramm von Eingabepunkten aufgelegt auf einem Display.
7B ist ein schematisches Diagramm eines Displays nach 6 mit in Pixel umgewandelten Eingabedaten.
8 ist ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform einer Universalbild-Neuabbildungsarchitektur.
Die 9A–9B sind ein Fließplan, der eine Neuabbildungsgruppen-Berechnungstechnik nach der Erfindung darstellt.
10 ist ein Fließplan einer Einrichtung zur Berechnung der Ausgabebildfolge.
Die 11A–11B sind schematische schaubildliche Ansichten zweier vom Benutzer wählbarer Displaydarstellungsformate, die bei dem Ultraschallabbildungssystem nach der Erfindung verwendet werden.
12 ist ein Funktionsblockschema einer bevorzugten graphischen Benutzeroberfläche.
13 veranschaulicht ein Dialogfeld für eine Ultraschallabbildungssteuerung.
Die 14A–14D veranschaulichen Darstellungsfelder zur Eingabe von Systeminformationen.
Die 15A–15C veranschaulichen zusätzliche Dialogfelder zum Eingeben von Prüf- oder FOV-Daten.
Die 15D–15J veranschaulichen zusätzliche Display- und Dialogfelder für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
16 veranschaulicht Abbildungs- und Displayvorgänge einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die 17A–17C veranschaulichen bevorzugte Ausführungsformen integrierter Tastkopfsysteme gemäß der Erfindung.
18 veranschaulicht einen integrierten Kontroller einer Sende/Empfangsschaltung mit 64 Kanälen für ein Ultraschallsystem.
19 veranschaulicht eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Sendeund Empfangsschaltung.
20 veranschaulicht ein Doppler-Sonogramm-System gemäß der Erfindung.
21 veranschaulicht einen Farbfließplan auf der Basis eines Fourierschnelltransformationsimpuls-Dopplerverarbeitungssystems gemäß der Erfindung.
22 veranschaulicht ein Verarbeitungssystem zur Erzeugung einer Wellenform gemäß der Erfindung.
23 ist ein System zur Erzeugung eines Farbfließplans gemäß der Erfindung.
24 ist eine Prozeßfließsequenz zur Berechnung eines Farbfließplans gemäß der Erfindung.
25 ist eine Prozeßfließsequenz zur Erzeugung eines Farbfließplans unter Verwendung der Kreuzkorrelationsmethode.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Ein schematisches Blockdiagramm einer Abbildungsgruppe 18 von N piezoelektrischen Ultraschallwandlern 18(1)–18(N), wie sie in einem Ultraschallabbildungssystem verwendet wird, ist in 1 gezeigt. Die Gruppe von piezoelektrischen Wandlerelementen 18(1)–18(N) erzeugt akustische Impulse, die sich in das Abbildungszielgebiet (typischerweise eine Region menschlichen Gewebes) oder ein Übertragungsmedium mit einem dünnen Strahl 180 fortpflanzen. Die Impulse pflanzen sich als eine sphärische Welle 185 mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit fort. Akustische Echos in Form von zurückkommenden Signalen von Abbildungspunkten Ip oder Reflektoren werden von der selben Gruppe 18 von Wandlerelementen oder einer anderen Empfangsgruppe erkannt und können in einer Form dargestellt werden, daß die Lage der Reflektionsstruktur angezeigt wird.
Das akustische Echo vom Abbildungspunkt I_P im Übertragungsmedium erreicht jedes Wandlerelement 18(1)–18(N) der Empfangsgruppe nach verschiedenen Laufzeiten. Die Laufzeit für jedes Wandlerelement ist verschieden und hängt ab von dem Abstand zwischen jedem Wandlerelement und dem Abbildungspunkt Ip. Dies trifft zu für typische Ultraschallübertragungsmedien, nämlich weiches Körpergewebe, bei dem die Schallgeschwindigkeit zumindest relativ konstant ist. Danach wird die empfangene Information in einer Weise angezeigt, die die Lage der Reflektionsstruktur angibt.
Bei einer zweidimensionalen B-Modenabtastung können die Impulse auf einer Anzahl von Sichtlinien, wie in 1 gezeigt, übertragen werden. Wenn die Echos abgetastet und ihre Amplituden als Helligkeit kodiert werden, kann ein Grauwertbild auf einer Katodenstrahlröhre (CRT) oder einem Monitor dargestellt werden. Eine Abbildung enthält typischerweise 128 derartige abgetastete Linie mit einem Winkelabstand von 0,75°, was ein Bild von einem 90°-Sektor bildet. Da die Schallgeschwindigkeit im Wasser 1,54 × 10⁵ cm/sec beträgt, beläuft sich die Umlaufzeit auf eine Tiefe von 16 cm auf 208 μs. Somit beträgt die Gesamtzeit, die erforderlich ist, um Daten auf 128 Sichtlinien (für ein Bild) zu erhalten, 26,6 ms. Falls die anderen Signalprozessoren im System schnell genug sind, um mit dieser Datenerfassungsgeschwindigkeit mitzuhalten, können zweidimensionale Bilder mit Geschwindigkeiten produziert werden, die dem Standard-Fernsehvideo entsprechen. Wenn z. B. die Ultraschallabbildungsvorrichtung dazu verwendet wird, reflektierte bzw. zurückgeworfene Schallwellen durch die Brustwand zwischen einem Rippenpaar zu betrachten, kann die Pumptätigkeit des Herzens in Echtzeit abgebildet werden.
Der Ultraschallsender ist typischerweise eine lineare Gruppe von piezoelektrischen Wandlern 18(1)–18(N) (typischerweise mit einer halben Wellenlänge beabstandet) für gesteuerte Gruppen, deren Vertikaldiagramm fest steht und deren Azimuthaldiagramm primär durch Verzögerungssteuerung kontrolliert wird. Das Strahlungs(azimuth)-Strahlmuster einer herkömmlichen Gruppe wird primär dadurch gesteuert, daß verzögerte Sendeimpulse auf jedes Wandlerelement 18(1)–18(N) gelegt werden, derart, daß die am Abbildungspunkt Ip summierte Energie von sämtlichen Wandlern die gewünschte Strahlform produziert. Daher ist eine Zeitverzögerungsschaltung in Verbindung mit jedem Wandlerelement 18(1)–18(N) zur Erzeugung des gewünschten Musters übertragener Strahlung in der vorbestimmten Richtung erforderlich.
Wie oben beschrieben, kann die selbe Gruppe 18 von Wandlerelementen 18(1)–18(N) zum Empfangen der Rückkehrsignale verwendet werden. Die re flektierte bzw. Echostrahlenergiewellenform, die am Abbildungspunkt ihren Ausgang nimmt, erreicht jedes Wandlerelement nach einer Zeitverzögerung gleich dem Abstand vom Abbildungspunkt zum Wandlerelement, geteilt durch die angenommene konstante Laufgeschwindigkeit der Wellen im Medium. Ähnlich wie im Sendebetrieb ist diese Zeitverzögerung für jedes Wandlerelement verschieden. Bei jedem empfangenden Wandlerelement müssen diese Unterschiede in der Weglänge durch Fokussierung der reflektierten Energie an jedem Empfänger von dem besonderen Abbildungspunkt für jede gegebene Tiefe kompensiert werden. Die Verzögerung an jedem Empfängerelement ist eine Funktion des Abstandes, gemessen vom Element zum Mittelpunkt der Gruppe und der Betrachtungswinkelrichtung, gemessen senkrecht zur Gruppe.
Die Strahlbilde- und Fokussiervorgänge beinhalten die Bildung einer Summe der gestreuten Wellenformen entsprechend der Erkennung durch sämtliche Wandler, jedoch müssen in dieser Summe die Wellenformen differentiell verzögert werden, so daß sie sämtlich in Phase und richtig gewichtet in dieser Summierung ankommen. Somit ist eine Strahlbildeschaltung erforderlich, die eine unterschiedliche Verzögerung an jeden Kanal anlegen und diese Verzögerung mit der Zeit verändern kann. In einer gegebenen Richtung, bei der Rückkehr von Echos aus tieferem Gewebe, variiert die Empfängergruppe ihren Fokus kontinuierlich mit der Tiefe. Dieser Vorgang ist als dynamisches Fokussieren bekannt.
Nachdem der empfangene Strahl gebildet ist, wird er auf herkömmliche Weise digitalisiert. Die digitale Darstellung jedes empfangenen Impulses ist eine Zeitsequenz entsprechend einem Rückstreuungsquerschnitt der Ultraschallenergie, die von einem Feldpunkt zurückkehrt, als eine Bereichsfunktion an dem durch den Strahl geformten Azimuth. Aufeinanderfolgende Impulse weisen in verschiedene Richtungen und erfassen ein Gesichtsfeld von –45° bis +45°. Bei einigen Systemen wird die Durchschnittszeitermittlung von Daten aus aufeinanderfolgenden Observationen desselben Punktes (bezeichnet als Dauergewichtung) zur Verbesserung der Bildqualität verwendet.
Die 2A–2D sind schematische Diagramme, die das Verhältnis zwischen den verschiedenen Wandlergruppen-Konfigurationen, die nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden, und ihre entsprechenden Abtastbildregionen veranschaulichen. 2A zeigt eine lineare Gruppe 18A, die eine rechteckige Abtastbildregion 180A produziert. Eine derartige Gruppe umfaßt typischerweise 128 Wandler.
Die 2B ist ein schematisches Diagramm, das das Verhältnis zwischen einer bogenlinienförmigen Wandlergruppe 18B und der resultierenden abschnittsweisen bogenförmigen Bildabtastregion 180B zeigt. Wiederum umfaßt die Gruppe 18B typischerweise 128 benachbarte Wandler.
Die 2C zeigt das Verhältnis zwischen einer linearen Wandlergruppe 18C und einer trapezförmigen Bildregion 180C. Bei dieser Ausführungsform ist die Gruppe 18C typischerweise von 192 benachbarten Wandlern, an Stelle von 128, gebildet. Die lineare Gruppe wird dazu verwendet, die trapezförmige Abtastregion 180C durch Kombinieren der linearen Abtastung, wie in 2A gezeigt, mit eingephaster Gruppenabtastung zu erzeugen. Bei einer Ausführungsform werden die 64 Wandler auf gegenüberliegenden Enden der Gruppe 18C in einer eingephasten Gruppenkonfiguration dazu verwendet, die bogenförmigen Winkelbereiche der Region 180C an ihren Enden zu erreichen. Die mittleren 64 Wandler werden im linearen Abtastbetrieb dazu verwendet, den rechtwinkligen Bereich der Region 180C zu vervollständigen. Somit wird die trapezförmige Region 180C unter Verwendung eines Unteröffnungsabtastweges erreicht, bei dem nur 64 Wandler zu einer gegebenen Zeit aktiv sind. Bei einer Ausführungsform werden benachbarte Gruppen von 64 Wandlern abwechselnd aktiviert. Dies bedeutet, daß zuerst die Wandler 1–64 aktiv werden. Als nächstes werden die Wandler 64–128 aktiv. Im nächsten Schritt werden die Wandler 2–65 aktiviert, und dann werden die Wandler 65–129 aktiviert. Dieses Muster setzt sich fort bis die Wandler 128–192 aktiviert werden. Als nächstes beginnt der Abtastprozeß wieder bei den Wandlern 1–64.
Die 2D zeigt eine kurze lineare Gruppe von Wandlern 18D, die zur Ausführung einer eingephasten Gruppenabbildung gemäß der Erfindung verwendet werden. Die lineare Gruppen 18D wird über eine Strahlsteuerungsbearbeitung mit eingephaster Gruppe zur Erzeugung einer winkelförmigen Scheibenregion 180D verwendet.
3 ist eine schematische schaubildliche Ansicht eines Ultraschallabbildungssystems 10 nach der vorliegenden Erfindung. Das System weist einen von Hand gehaltenen Abtastkopf 12 auf, der mit einer tragbaren Datenverarbeitungs- und Darstellungseinheit 14 verbunden ist, die ein Laptop-Computer sein kann. Statt dessen kann die Datenverarbeitungs- und Darstellungseinheit 14 einen PC oder anderen Computer aufweisen, der an eine Katodenstrahlröhre zur Bereitstellung der Darstellung von Ultraschallbildern angeschlossen ist. Die Datenverarbeitungs- und Darstellungseinheit 14 kann auch eine kleine, leichtgewichtige, einstöckige Einheit sein, die so klein ist, daß sie von Hand gehalten oder vom Benutzer getragen werden kann. Obgleich 3 einen externen Abtastkopf zeigt, kann der Abtastkopf nach der Erfindung auch ein interner Abtastkopf sein, der geeignet ist, durch ein Lumen in den Körper für interne Abbildungen eingesetzt zu werden. Z. B. kann der Abtastkopf eine transesophogeale Sonde sein, die für die Aufbereitung von Herzbildern verwendet wird.
Der Abtastkopf 12 ist mit dem Datenprozessor 14 durch ein Kabel 16 verbunden. Bei einer alternativen Ausbildungsform weist das System 10 eine Interface-Einheit 13 (gestrichelt gezeigt) auf, die zwischen den Abtastkopf 12 und die Datenverarbeitungs- und Darstellungseinheit 14 geschaltet ist. Die Interface-Einheit 13 enthält vorzugsweise eine Kontroller- und Bearbeitungsschaltung mit einem digitalen Signalprozessor (DSP). Die Interface-Einheit 13 kann erforderliche Signalverarbeitungsaufgaben übernehmen und Signalausgaben an die Datenverarbeitungseinheit 14 und/oder den Abtastkopf 12 liefern. Für Benutzer mit einem Slate-PC ist die Interface-Einheit 13 vorzugsweise eine interne Karte oder ein Chipsatz. Bei Verwendung mit einem Tischgerät- oder Lap top-Computer kann die Interface-Einheit 13 statt dessen ein externes Gerät sein.
Das handgeführte Gehäuse 12 weist einen Wandlerteil 15A und einen Handgriffteil 15B auf. Der Wandlerteil 15A wird auf einer Temperatur unterhalb von 41°C gehalten, so daß der Bereich des Gehäuses, der mit der Haut des Patienten in Berührung ist, diese Temperatur nicht übersteigt. Der Handgriffteil 15B überschreitet nicht eine zweite höhere Temperatur von vorzugsweise 50°C.
Die 4A ist ein schematisches funktionelles Blockdiagramm einer Ausführungsform des Ultraschallabbildungssystems 10 nach der Erfindung. Wie gezeigt, weist der Abtastkopf 12 eine Ultraschallwandlergruppe 18 auf, die Ultraschallsignale in eine in Betracht kommende Region bzw. zu einem Abbildungsziel 11, wie etwa eine Region menschlichen Gewebes, sendet und reflektierte Ultraschallsignale empfängt, die von dem Abbildungsziel zurückkehren. Der Abtastkopf 12 kann auch eine Wandlertreiberschaltung 20 und eine Impulssynchronisierungsschaltung 22 aufweisen. Der Impulssynchronisierer 22 liefert eine Serie von genau getakteten und verzögerten Impulsen an die Hochspannungstreiberschaltungen in den Treibern 20. Bei Empfang jedes Impulses durch die Treiber 20 werden Hochspannungstreiberschaltungen aktiviert, um ein Hochspannungstreibsignal an jeden Wandler in der Wandlergruppe 18 zu liefern, so daß der Wandler aktiviert wird, ein Ultraschallsignal in das Abbildungsziel 11 zu senden.
Die vom Abbildungsziel 11 reflektierten Ultraschallechos werden von den Ultraschallwandlern in der Gruppe 18 erkannt. Jeder Wandler wandelt das empfangene Ultraschallsignal in ein repräsentatives elektrisches Signal um, das zu Vorverstärkungsschaltkreisen 24 und einer zeitveränderlichen Verstärkungssteuerschaltung 25 (TGC-Schaltung) geliefert wird. Die Vorverstärkungsschaltung 24 stellt das Niveau der elektrischen Signale von der Wandlergruppe 18 auf ein Niveau ein, das für eine nachfolgende Bearbeitung geeignet ist, und die TGC-Schaltung 25 wird zum Kompensieren der Dämpfung des Schallimpules bei dessen Durchgang durch das menschliche Gewebe verwendet und treibt ferner die Strahlbildeschaltkreise 26 (unten beschrieben) zur Produzierung eines Zeilenbildes an. Die konditionierten elektrischen Signale werden an die Strahlbildeschaltung 26 geliefert, die eine angemessene Differentialverzögerung in jedes der empfangenen Signale eingibt, um die Signale dynamisch zu fokussieren, so daß ein genaues Bild erzeugt werden kann. Weitere Einzelheiten der Strahlbildeschaltung 26 und der Verzögerungsschaltkreise in ihrer Verwendung zur Einführung der Differentialverzögerung in empfangene Signale und die vom Impulssynchronisierer 22 erzeugten Impulse sind in der einbezogenen internationalen Anmeldung PCT/US96/11166 beschrieben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das dynamisch fokussierte und summierte Signal an einen A/D-Wandler 27 geliefert, der das Summensignal digitalisiert. Das digitalisierte Signal wird dann vom A/D 27 über das Kabel 16 an einen Farbdoppler-Bearbeitungsschaltkreis 36 geliefert. Es ist zu bemerken, daß der A/D-Wandler 27 bei einer alternativen Ausführungsform nicht verwendet wird, bei der das analoge Summensignal direkt über das Systemkabel 16 gesendet wird. Das digitale Signal wird auch in einem Demodulationsschaltkreis 28 demoduliert und an einen Abtastumsetzschaltkreis 37 in der Datenverarbeitungs- und Darstellungseinheit 14 geliefert.
Wie ferner gezeigt ist, speichert ein Abtastkopfspeicher 29 Daten von einem Kontrollen 21 und der Datenverarbeitungs- und Darstellungseinheit 14. Der Abtastkopfspeicher 29 liefert die gespeicherten Daten an den Impulssynchronisierer 22, die TGC 25 und den Strahlbildner 26.
Die Abtastumwandlungsschaltung 37 wandelt die digitalisierten Signaldaten von der Strahlbildeschaltung 26 von Polarkoordinaten (r, Θ) in Rechteckkoordinaten (x, y) um. Nach der Umwandlung können die Rechteckkoordinaten-Daten an eine wahlweise Signalnachbearbeitungsstation 30 geliefert werden, wo sie für eine Darstellung auf dem Display 32 oder zur Kompression in einem Videokompressionsschaltkreis 34 formatiert werden. Die Nachbearbeitung 30 kann auch unter Verwendung der nachstehend beschriebenen Abtastumwandlungssoftware durchgeführt werden.
Die digitalen Signaldaten von der A/D-Verbindung 27 werden von einem impulsbetriebenen oder kontinuierlichen Doppler-Prozessor 36 in der Datenverarbeitungseinheit 14 empfangen. Der gepulste oder kontinuierliche Dopplerprozessor 36 erzeugt Daten, die zur Abbildung von sich bewegendem Zielgewebe 11, wie etwa fließendem Blut, verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, mit gepulster Doppler-Verarbeitung, wird eine Farbfließabbildung erzeugt. Der gepulste Doppler-Prozessor 36 liefert seine verarbeiteten Daten an die Abtastumwandlungsschaltung 28, wo die Polarkoordinaten der Daten in für die Darstellung oder Videokompression geeignete Rechteckkoordinaten umgesetzt werden.
Ein Steuerschaltkreis, vorzugsweise in Form eines Mikroprozessors 38 im Inneren eines PC's (z. B. Tischgerät, Laptop, Slate-PC), steuert den Hochpegelbetrieb des Ultraschallabbildungssystems 10. Der Mikroprozessor 38 oder ein DSP initialisiert die Verzögerung und den Abtastumwandlungsspeicher. Der Steuerschaltkreis 38 steuert die Differentialverzögerungen, die sowohl in den gepulsten Synchronisieren 22 als auch die Strahlbildeschaltung 26 über den Abtastkopfspeicher 27 eingeführt werden.
Der Mikroprozessor 38 steuert auch einen Speicher 40, der Daten speichert, die von der Abtastumwandlungsschaltung 28 verwendet werden. Es versteht sich, daß der Speicher 40 ein einzelner Speicher sein oder aus mehrfachen Speicherschaltkreisen bestehen kann. Der Mikroprozessor 38 kommuniziert auch mit der Signalnachbearbeitungsschaltung 30 und der Videokompressionsschaltung 34 zur Steuerung ihrer individuellen Funktionen. Die Videokompressionsschaltung 34 verdichtet Daten zur Ermöglichung der Übertragung der Bilddaten zu entfernten Stationen zur Darstellung und Analyse über einen Übertragungskanal. Der Übertragungskanal kann ein Modem oder ein Drahtloszellen- Kommunikationskanal oder eine andere bekannte Kommunikationsmethode sein.
Das tragbare Ultraschallabbildungssystem 10 nach der Erfindung kann vorzugsweise von einer Batterie 44 gespeist sein. Die Rohbatteriespannung von der Batterie 44 treibt ein reguliertes Stromversorgungsgerät 46 an, das regulierten Strom an alle Untersysteme im Abbildungssystem 10 einschließlich denjenigen Untersystemen liefert, die im Abtastkopf 12 untergebracht sind. Somit kann Strom zum Abtastkopf von der Datenverarbeitungs- und Darstellungseinheit 14 über das Kabel 16 geliefert werden.
Die 4B ist ein schematisches Funktionsblockdiagramm einer alternativen bevorzugten Ausführungsform des Ultraschallabbildungssystems nach der Erfindung. In einem abgewandelten Abtastkopf 12' ist die Demodulationsschaltung ersetzt durch Software, die von dem Mikroprozessor 38 in einer modifizierten Datenverarbeitungs- und Darstellungseinheit 14' ausgeführt wird. Insbesondere wird der digitale Datenstrom aus dem A/D-Umwandler 27 von einem FIFO 37 zwischengespeichert. Der Mikroprozessor verarbeitet Softwareinstruktionen zur Demodulierung, Ausführung der Abtastumwandlung, Farbdopplerbearbeitung, Signalnachbearbeitung und Videokompression. Somit werden zahlreiche Funktionen nach 4A ersetzt durch im Speicher 40 nach 4B gespeicherte Software, was die Hardwaregröße und Gewichtsvorgaben für das System 10' reduziert.
Zusätzliche bevorzugte Ausführungsformen für eine Strahlbildeschaltung von Ultraschallsystemen sind in den 5A, 5B und 5C dargestellt. Jede dieser Einrichtungen erfordert, daß abgetastete Analogdaten auf eine Basisbandfrequenz von einer Zwischenfrequenz (1F) abwärts umgesetzt bzw. gemischt werden. Die Abwärtsumsetzung bzw. Mischung wird erreicht, indem zuerst die abgetasteten Daten mit einem komplexen Wert (dargestellt durch komplexwertige exponentielle Eingabe zur Vervielfachungsstufe) multipliziert und dann die Daten gefiltert werden, um Bilder abzuweisen, die zu naheliegenden Frequenzen gemischt worden sind. Die Ausgaben dieser Bearbeitung sind mit einer minimalen Abtastgeschwindigkeit erhältlich und stehen für eine nachfolgende Darstellungs- oder Dopplerbearbeitung zur Verfügung.
Gemäß 5A wird ein Satz von Abtastschaltkreisen 56 zum Festhalten von Daten 54 verwendet, dargestellt in einer Bearbeitungsschaltung auf CCD-Basis, die auf einer integrierten Schaltung 50 hergestellt wird. Die Daten werden auf eine oder mehrere Verzögerungsleitungen und Ausgaben gegeben, wobei zu gegebenen Zeitpunkten die Steuerschaltung 62, programmierbare Verzögerungskreise 58, zu einem wahlweisen Interpolationsfilter 60 verwendet werden. Der Interpolationsfilter kann dazu verwendet werden, verfeinerte Schätzwerte der Umlaufzeit einer Schallwelle zu liefern und dadurch einen besseren Fokus der zurückgekehrten Signale von einer Gruppe von Sensoren zu schaffen. In 5A sind zwei Bearbeitungskanäle 52 einer Gruppe von Prozessoren dargestellt. Die Ausgaben von den Interpolationsfiltern werden an einem analogen Summenpunkt 66 kombiniert, um ein Datum einer strahlgebildeten Ausgabe von der Gruppe abzugeben.
Die unter Verwendung eines Ultraschallwandlers erhaltenen Daten gleichen der Ausgabe eines Mäßigdurchsatzsignals, das von der Mittenfrequenz des Wandlers moduliert wird. Die Mittenfrequenz oder charakteristische Frequenz des Wandlers ist äquivalent zu IF. Bei einem Abtastanalogsystem (z. B. unter Verwendung von CCDs) ist Ω = 2πf_I/f_S, wobei f, die Zwischenfrequenz und f_S die Abtastfrequenz ist. Der Wert n entspricht der Abtastsequenz-Nummer (d. h. n = 0, 1, 2, 3, 4, ...). Die Ausgaben des Multiplikators 68 werden als Abtastungen in Phase (1) oder Quadratur (Q) bezeichnet. Im allgemeinen sind sowohl die I- als auch die Q-Werte nicht-null. Wenn 1F gleich f_s/4 gewählt wird, produziert die Multiplikatorausgabe jedoch nur entweder I- oder Q-Werte in einer Wiederholungssequenz, I, Q, –I, –Q, I, Q, –I, .... Tatsächlich werden die Eingabedaten nur durch 1 und –1 skaliert. Somit sind, wenn die Eingabedaten a sequentiell zu den Zeiten a[0], a[1], a[2], a[3], a[4], ..., a[n] abgefühlt werden, die Ausgabeda ten j*a[1], –a[2]. Bei –j*a[3], a[4], ..., a[n] sind die Ausgabedaten a[0], j*a[1], – a[2], –j*[3], a[4], ....
Die I- und Q-Ausgaben 74, 76 gehen jeweils durch einen Tiefpaßfilter 70, 72, um Signalbilder zurückzuweisen, die in das Basisband gemischt sind. Die Koeffizienten der Tiefpaßfilter können konzipiert werden unter Verwendung des Kleinst-Mittelquadrats (LMS oder L2-Norm) oder von Tschebyscheff-Kriterien (L-unendlich-Kriterien). In der Praxis ist es wünschenswert, die Zahl von Koeffizienten, die zum Erhalt der gewünschten Filtercharakteristik notwendig sind, so weit wie möglich zu reduzieren.
Ein Beispiel einer CCD-Auslegung eines Tiefpaßfilters ist in 5D veranschaulicht. Die Vorrichtung 90 besteht aus einer bei 13 Zuständen abgegriffenen Verzögerungsleitung mit fünf Festgewichtsmultiplikatoren 94 zur Implementierung der Filterkoeffizienten. Wie in der Darstellung gemäß 6 zu sehen ist, liegt die Welligkeit im Durchgangsbereich unter 0,5 dB und die Sperrbereichsdämpfung beträgt weniger als –30 dB natürliche Größe.
Die Ausgabe der Tiefpaßfilter wird dann bei 78 um zumindest einem Faktor 2 dezimiert. Eine Dezimierung um mehr als zwei kann gerechtfertigt sein, wenn die Bandbreite des Ultraschallsignals auf deutlich weniger als die Hälfte der Abtastfrequenz bandbegrenzt ist. Für die meisten Ultraschallsignale wird häufig ein Dezimierungsfaktor größer als zwei benutzt, weil die Signalbandbreite relativ eng in Bezug auf die Abtastfrequenz ist.
Die Reihenfolge der Dezimierung und der Tiefpaßfilter kann ausgetauscht werden, um die Taktfrequenz der Tiefpaßfilter zu reduzieren. Unter Verwendung einer Filterbank können die Koeffizienten für die I- und Q-Tiefpaßfilter so gewählt werden, daß jeder Filter nur jedes zweite Datum an seinem Eingang akzeptiert. Dieses "Wechseltakt"-Schema ermöglicht es, die Zwangsbedingungen der Anlage zu lockern, wenn eine Dezimierungsrate von zwei gewählt wird.
Diese Zwangsbedingungen können weiter gelockert werden, wenn der Dezimierungsfaktor größer ist als zwei (d. h. wenn die Signalbreite ≤≤ f./2 beträgt).
Die abwärtsgemischten Ausgabedaten werden zur Weiterbearbeitung weitergeleitet, die eine Signalhüllenerkennung oder Dopplerbearbeitung beinhalten kann. Zur Darstellung wird die Signalhülle (auch als die Signalgröße bezeichnet) berechnet als die Quadratwurzel der Summe der Quadrate der I- und Q-Ausgaben. In dem Fall, wenn IF = f_s/4, d. h. entweder I = 0 oder Q = 0, wird die Hüllenerkennung unbedeutend. Die I- und Q-Daten sind häufig die Eingaben zur Dopplerbearbeitung, die auch die Signalhülle verwendet, um Informationen in den Positiv- und/oder Negativ-Frequenzseitenbändern des Signals zu ziehen. Gemäß 5A wird nur eine Abwärtsmischstufe nach der Ultraschallstrahlbildung gefordert.
In 5B ist eine Abwärtsmischungsstufe in jeden Bearbeitungskanal 52 nach den Abtastschaltkreisen 56 gesetzt. Hier wird die Erzeugung der I- und Q-Daten 86, 88 genau wie zuvor durchgeführt, jedoch viel eher im System. Der hauptsächliche Vorteil dieses Weges besteht darin, daß die Datengeschwindigkeit in jedem Bearbeitungskanal auf einen Minimalwert reduziert werden kann, auf der Basis der Ultraschall-Signalbandbreite und damit Wahl der Tiefpaßfilter und Dezimierungsfaktor. Bei dieser Anlage verwenden sämtliche Bearbeitungskanäle 52 dieselben Komplexwertmultiplikatoren und identische Koeffizienten und Dezimierungsfaktoren in der Filterstufe. Wie bei der vorstehenden Anlage werden Komplexwertdaten verzögert und interpoliert, um die strahlgebildete Ausgabe zu schaffen.
Das in 5C dargestellte Ultraschallvorfeld ist nahezu identisch mit dem nach 5B. Der Unterschied besteht darin, daß die Interpolationsstufe 85, 87 entfernt und ersetzt worden ist durch das Wählen von Einzigwerten in den komplexwertigen Multiplikatoren zur Herbeiführung einer präziseren Abschätzung der Bearbeitungskanalverzögerung. Dieser Weg hat den Nachteil, daß die Ausgabe des Multiplikators stets I- und Q-Werte freigibt, die nicht null sind. Dieses ist eine Konsequenz der variierenden Abtastgeschwindigkeit um den Einheitskreis in einem komplexebenen Diagramm der Multiplikatoreingabe. Somit kann dieser Weg eine genauere Abschätzung der Abtastverzögerung in jedem Kanal liefern, jedoch auf Kosten der Erzeugung völlig komplexwertiger Daten bei der Ausgabe jedes Bearbeitungskanals. Diese Abwandlung kann eine vermehrte Nachbearbeitung für Hüllen- und Dopplererkennung erfordern als diejenige, die bei den vorherigen Implementierungen gegeben ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Systems in einer Verwendung zur Interface-Schaltung zwischen die Ausgabe der Strahlbilde- oder Filterschaltung und dem Computer besteht darin, eine Steckbauplatte oder -Karte (PCMCIA) für den Computer vorzusehen.
Die Platte 700 gemäß 5E veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der 16 Bits digital strahlgebildeter Daten über das Kabel vom Abtastkopf durch Differentialempfänger 702 empfangen werden. Ferner wird ein Taktsignal von Signalisierungsätzen 704 zusammen mit umgewandelten Differentialdaten empfangen. Das erste Gate-Array 708 wandelt die 16 Bits in 32 Bits in der Hälfte der Datengeschwindigkeit um. Die 32 Bit-Daten werden in den FIFO 712 getaktet, der Zugabedaten 716 ausgibt. Das zweite Gate-Array 710 hat Zugang zu allen Kontrollsignalen und Ausgaben 714 zum PCI-Buskontroller. Dieses spezielle Beispiel verwendet 16 Bit-Daten, jedoch kann diese Anlage auch für 32 Bits oder mehr eingerichtet werden.
Alternativ kann auch eine Karte, die geeignet ist zum Einsetzen in einen Schlitz oder eine Öffnung eines PC's, Laptops oder Slate-PC's, verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform geben die Differentialempfänger in Signalisierungssätze ein, die Daten an FIFO und dann an einen Buskontroller geben, der auf der Karte angeordnet ist. Die Ausgabe vom Kontroller ist direkt mit dem PCI-Bus des Computers verbunden. Eine Alternative zur Verwendung von Differentialtreiber und Empfängern zur Verbindung des Abtastkopfes mit der Interfaceplat to oder-karte besteht darin, das IEEE-1394-Standardkabel zu verwenden, das auch als "Firewire" bekannt ist.
Ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform eines integrierten Strahlbildeschaltkreises 740 ist in 5F dargestellt. Der Schaltkreis 740 umfaßt eine Taktschaltung 742 und fünf Verzögerungsschaltkreise 760 an jeder Seite der Summenschaltung 754. Jeder Schaltkreis 740 umfaßt eine Abtastschaltung 746, eine CCD-Verzögerungsleitung 752, eine Steuer- und Speicherschaltung 750, einen Decoder 748 und eine Takttreiberschaltung 744. Die Schaltung ist umgeben von Anschlußstellen 756 für einen Zugang zur Schieb-Schaltung. Die integrierte Schaltung hat vorzugsweise weniger als 20 mm² Fläche und kann auf einer einzigen Platte im Abtastkopf montiert werden, wie beschrieben in den verschiedenen Ausführungsformen, die in der oben angegebenen einbezogenen Anmeldung ausgeführt sind. Eine integrierte Schaltung mit 16, 32 oder 64 Verzögerungsleitungen kann ebenfalls unter Verwendung eines ähnlichen Aufbaus eingerichtet werden.
7A ist eine Schemadarstellung der auf einem Display aufgelegten Eingabepunkte. Wie dargestellt, fluchten die vom Ultraschallstrahl 180 empfangenen Eingabepunkte I_P nicht exakt mit den rechteckig angeordneten Pixelpunkten P eines herkömmlichen Displays 32. Da das Display 32 nur Pixeldaten darstellen kann, müssen die Eingabepunkte I_P in ein Rechteckformat umgewandelt werden.
7B ist eine Schemadarstellung eines Displays gemäß 6 mit Eingabedaten, die auf Pixel umgewandelt sind. Wie dargestellt, ist jeder Bildpunkt I_P einem jeweiligen Pixelpunkt P auf dem Display 32 zur Bildung eines Bildes zugeordnet.
Ein Zweck der Abtastumwandlung besteht darin, die Koordinaten-Raum – Transformation auszuführen, die zur Verwendung mit Abtastköpfen erforderlich ist, die nicht flach linear sind, wie etwa Abtastköpfe mit eingephaster Gruppe, trapezförmige oder bogenlinienförmige Abtastköpfe. Hierzu müssen die Daten in der einen Ordnung gelesen und die Ausgabedaten in einer anderen Ordnung geschrieben werden. Viele existierende Systeme müssen die Transformationssequenzen im Flug erzeugen, was die Flexibilität reduziert und trapezförmige Abtastungsmuster schwieriger macht.
Da die Abtastumwandlung die Daten neu ordnet, kann sie auch dazu verwendet werden, die Daten zu rotieren, panoramazubewegen und zu zoomen. Die Rotation ist vorteilhaft zur Betrachtung der Abbildung mit dem Abtastkopf oben, links, rechts oder unten an der Abbildung oder in einem willkürlichen Winkel. Das Zoomen und die Panoramabewegung werden allgemein zur Ermöglichung dessen verwendet, daß verschiedene Teile der Abbildung genauer untersucht werden können.
Zusätzlich zum Zoomen in einen Bereich des Objekts ist es vorteilhaft, in der Lage zu sein, mehrere Bereiche gleichzeitig in verschiedenen Regionen des Schirms zu sehen. Häufig werden ganze Abbildungen auf dem Schirm gezeigt, jedoch werden bestimmte Regionen mit eingezoomten Ansichten ersetzt. Dieses Merkmal wird gewöhnlich als "Fenster-in-einem-Fenster" bezeichnet. Derzeitige Systeme an der Obergrenze bieten diese Fähigkeit für ein Fenster, aber es ist vorzuziehen, daß ein Abbildungssystem jede Anzahl von gezoomten Regionen zuläßt, wovon jede eine willkürliche Größe und Form hat.
Die Verwendung von unregelmäßigen Abtastmustern kann den Systemaufbau erleichtern und eine größere Nutzung des Abtastkopfes ermöglichen. Insbesondere ermöglicht dies die Reduktion oder Verdeckung von Totzeit, die mit der Abbildung von tiefen Zonen verbunden ist. Im Falle von Tiefzonenabbildungen wird der Strahl gesendet, jedoch einige Zeit später empfangen, nachdem die Welle Zeit hatte, zur maximalen Tiefe zu laufen und zurückzukehren. Eine effizientere Nutzung des Systems und damit eine höhere Bildfolgefrequenz oder größere seitliche Abtastung kann erreicht werden, wenn andere Zonen während dieser Totzeit beleuchtet und rekonstruiert werden. Dieses kann dazu führen, daß das Abtastmuster unregelmäßig wird (obgleich fixiert und explizit berecnet). Die unten beschriebene flexible Abtastumwandlung korrigiert dies automatisch.
8 ist ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform für eine Universalarchitektur zur Neuabbildung von Bildern. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Daten vorzugsweise direkt in den PC nach der Strahlformung gebracht, und der Rest der Bearbeitung wird in Software ausgeführt. Als solche ist dabei zusätzliche Hardware auf ein Minimum zurückgeführt, so daß der PC eine kleine tragbare Platte sein kann, wie etwa ein Laptop oder Slate-PC.
Vorzugsweise ist eine Eingabegruppe 142, eine Neuabbildungsgruppe 144 und eine Ausgabegruppe 146 vorgesehen. Die Neuabbildungsgruppe 144 ist eine Gruppe von Indizes oder Hinweisen, welches die Größe des verwendeten Ausgabebildes zur Bestimmung dessen ist, wohin jedes Pixel von der Eingabegruppe 142 zu bringen ist. Die Zahlen in jeder Position in der Neuabbildungsgruppe 144 zeigen an, wohin in den Eingabedaten jedes Pixel zu nehmen ist, das in die Ausgabegruppe 146 in die gleiche Position geht. Somit kann man sich die Neuabbildungsgruppe 144 und die Ausgabegruppe 196 mit der gleichen Geometrie vorstellen, während die Eingabegruppe 142 und die Ausgabegruppe 146 die gleiche Art von Daten, d. h. aktuelle Bilddaten, aufweisen.
Die Eingabegruppe 142 hat neue Daten für jedes Ultraschallbild, was bedeutet, daß sie die Daten bearbeitet und die Daten bei jedem Bild in die Ausgabegruppe 146 legt. Gemäß der Erfindung ist ein neues Ultraschallbild mit einer Geschwindigkeit von zumindest 20 Bildern pro Sekunde und vorzugsweise etwa jede 1/30 Sekunde vorhanden. Jedoch wird die Neuabbildungsgruppe 144 nur dann aktualisiert, wenn die Kopfart oder Betrachtungsparameter (d. h. Zoom und Pan) akutalisiert werden. Demgemäß können die Daten der Neuabbildungsgruppe 144 verhältnismäßig langsam erzeugt werden (aber immer noch deutlich unter einer Sekunde oder es wird sonst mühsam), solange wie der Routine vorgang der Berechnung eines neuen Ausgabebildes von einem neuen Eingabedatensatz mit der Bildgeschwindigkeit von etwa 30 Bildern pro Sekunde durchgeführt wird. Dies macht es möglich, daß ein Universal-PC die Aufgabe der Erzeugung der Daten für die Neuabbildungsgruppe 144 ohne Kompromißverrichtung durchführt, aber auch ohne zweckgebundene zusätzliche Hardware für die Aufgabe. In einem Rechnersystem mit einem digitalen Signalprozessor (DSP) kann der DSP die Berechnungen der Neuabbildungsgruppe 144 ausführen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Eingabespeicher für die Eingabegruppe 142 entweder von zwei Bänken von statischen Direktzugriffsspeichern (SRAM) oder einer Bank eines Video-Direktzugriffsspeichers (VRAM) gebildet seien, wobei die Eingabe im sequentiellen Zugriff und die Ausgabe im direkten Zugriff steht. Die VRAM-Bank kann jedoch zu langsam und das Auffrischen zu kostenaufwändig sein. Der Neuabbildungsspeicher für die Neuabbildungsgruppe 144 ist vorzugsweise ein Speicher mit sequentiellem Zugriff, einbezogen in den VRAM, oder ein dynamischer Direktzugriffsspeicher (DRAM), obgleich ein Direktzugriffs-SRAM ebenfalls geeignet ist. Der Ausgabespeicher für die Ausgabegruppe 146 kann entweder ein Bildpuffer oder ein Zuerst-Ein-Zuerst-Aus (FIFO)-Puffer sein. Grundsätzlich erfolgt die Abtastumwandlung bei Bedarf auf dem Flug. Die Abtastumwandlung wird vorzugsweise durch Software im PC durchgeführt. Falls die Abtastumwandlung in Hardware erfolgt, speichert der PC jedoch lediglich Daten, womit die Komplexität des Systems verringert wird. Somit besteht die Architektur gemäß der Erfindung vorzugsweise gerade aus zwei Direktzugriftseingabepuffern, einem Neuabbildungspuffer mit sequentiellem Zugriff und einem kleinen (falls überhaupt) FIFO oder Bitüberlappung für den Ausgabepuffer. Dies beinhaltet, daß sich der Ausgabebildpuffer im PC-Speicher befindet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Technik der räumlichen Zitterung unter Verwendung von Fehlerdiffusion bei der Ultraschallabtastumwandlung verwendet. Eine typische Zitterung erfolgt in der Pixel- Intensitätsdomäne. Nach der Erfindung wird jedoch die Zitterung in der Ultraschallabtastumwandlung dazu verwendet, Pixel in der Raumdomäne und nicht in der Pixelintensitätsdomäne anzunähern. Die räumliche Zitterung wird verwendet, um Werte anzunähern, die zwischen zwei Eingabedatenpunkte fallen. Dies geschieht, weil nur einzelne Radien abgetastet werden, jedoch Pixel auf dem Anzeigeschirm zwischen zwei Radien fallen können und gefiltert werden müssen. Die räumliche Zitterung muß verwendet werden, um zwischen Längsabtastpunkten zu interpolieren.
Es sei daran erinnert, daß die Neuabbildungsgruppe 144 die Abbildung jedes Ausgabepunktes zu einem Eingabepunkt speichert. Die Eingabedatenpunkte sind typischerweise in polaren Koordinaten, während die Ausgabepunkte in geradlinigen Koordination sind. Obgleich die Neuabbildungsgruppe 144 nur Indizes in die Eingabegruppe 142 enthält, können sie als Werte für den Radius (r) und Winkel (Θ) enthaltend angesehen werden. Idealerweise haben diese Werte eine beliebige Präzision und müssen nicht aktuellen Abtastpunkten entsprechen. Nun ist zu berücksichtigen, daß diese beliebigen Präzisionszahlen in ganzzahlige Werte umgewandelt werden müssen. Die ganzzahligen Radiuswerte entsprechen einzelnen Abtastungen, die vorgenommen wurden, und sind begrenzt durch die radiale Abtastdichte des Systems. Die ganzzahligen Winkelwerte entsprechen einzelnen radialen Linien, die abgetastet wurden, und sind somit durch die Zahl der Abtastwinkel begrenzt. Wenn eine räumliche Zitterung angewendet wird, können diese schwimmenden Punktwerte in feste ganzzahlige Werte dargestellt werden, ohne die Bildfehler zu haben, die bei einer diskreten Rundung ohne Fehlerdiffusion auftreten.
Die 9A bis 9B sind Fließpläne, die eine Berechnungstechnik mit Neuabbildungsgruppe nach der Erfindung veranschaulicht. In Stufe 205 werden die Abtastköpfe geprüft, um festzustellen, ob irgendeine Veränderung stattgefunden hat. Falls die Abtastköpfe gewechselt worden sind, setzt sich der Vorgang in Stufe 210 fort, wo der neue Kopftyp konfiguriert wird. Nach dem Schritt 210 oder, falls keine Veränderung bei den Abtastköpfen (Schritt 205) stattgefunden hat, setzt sich der Vorgang fort in Stufe 215. In Stufe 215 wird das Displayfenster geprüft, um festzustellen, ob Zoomen, Panorama oder neues Fenster-in-Fenster als Merkmal vorliegt. Falls dem so ist, geht das Verfahren weiter zu Stufe 220, wo der Benutzer die neuen Betrachtungsparameter eingibt. Nach dem Schritt 220 oder falls keine Fensteränderung bei Schritt 215 stattgefunden hat, setzt sich das Verfahren fort in Schritt 225, wo die Neuabbildungsänderung ausgelöst wird, um das neue Verhältnis zwischen der Eingabe- und Ausgabegruppe anzuzeigen.
Im Schritt 230 wählt das Programm ein Fenster W für das Verfahren. Bei Schritt 235 werden sämtliche Linienfehlerwerte L_E und sämtliche Abtastfehlerwerte S_E auf null initialisiert. Bei Schritt 240 wird ein Punktzähler P zum Hinweis auf das obere linke Pixel des Fensters W initialisiert.
Bei Schritt 245 berechnet das Anwenderprogramm eine Gleitpunktlinienzahl L_FP und Abtastversatz F_FP für jeden Punkt in einer Ansicht V. Für eine einphasierte Gruppe würde dies ein Radius r und ein Winkel Θ sein. Bei Schritt 250 werden irgendwelche vorher weitergetragene Fehlerterme L_E, S_E (unten besprochen) den Gleitpunktwerten L_FP, S_FP für den Punkt P hinzugefügt. Bei Schritt 255 werden die Gleitpunktterme auf die nächste ganze Zahl L_R, S_R gerundet, die den aktuellen abgetasteten Punkten entspricht. Bei Schritt 260 berechnet das Anmelderprogramm die gerundeten Fehler mit: LRE = LFP – LR SRE = SFP – SR.
Bei Schritt 265 werden die Fehler an Pixelpunkte nach rechts, unten links, unten und oben rechts in bezug auf den laufenden Punkt P weitergegeben.
Weitergegebene Fehler LE (rechts) = LE (rechts) + LRE * 716 LE (unten links) = LE (unten links) + LRE * 3/16 LE (unten) = LE (unten) + LRE * 5/16 LE(unten rechts) = LE (unten rechts) + LRE * 1/16 SE (rechts = SE (rechts) + SRE * 7/16 SE (unten links) = SE (unten links) + SRE * 3/16 SE (unten) = SE (unten) + SRE * 5/16 SE (unten rechts) = SE (unten rechts) + SRE * 1/16
Bei Stufe 270 berechnet das Anwenderprogramm einen Datenindex auf der Basis eines von Abtastdaten georderten Index:
Neuabbildung (P) = Index (L_R, S_R).
Bei Schritt 275 wird eine Prüfung vorgenommen, um festzustellen, ob mehr Punkte im Fenster sind. Falls mehr zu bearbeitende Punkte vorhanden sind, wird der Zeiger P zum nächsten Punkt bei Schritt 280 weitergerückt. Die Bearbeitung geht dann zurück zu Schritt 245. Sobald sämtliche Punkte im Fenster bearbeitet worden sind, geht der Vorgang bei Schritt 285 weiter.
Bei Schritt 285 wird eine Prüfung vorgenommen, um festzustellen, ob mehr zu bearbeitende Fenster vorhanden sind. Falls dem so ist, kehrt die Bearbeitung zu Schritt 230 zurück. Anderenfalls ist die Bearbeitung abgeschlossen.
Da die Zitterung eine Quelle zu jedem Ausgangspixel darstellt, kann die gleiche Neuabbildungsarchitektur verwendet werden, um eine Echtzeit-Abtastumwandlung in Software möglich zu machen, selbst auf tragbaren Computern. Somit wird der komplizierte Zitterungsvorgang nur während der Initialisierung durchgeführt oder wenn Ansichtsparameter geändert werden. Jedoch sind die Vorteile der Zitterung in allen Abbildungen vorhanden.
10 ist ein Fließplan einer Ausgabeberechnungsvorrichtung. Bei Schritt 305 werden strahlbildende, demodulierte Eingabedaten in den Speicher eingelesen.
Bei Schritt 310 wird der Ausgabepixelindex P initialisiert. Bei Schritt 315 wird die Ausgabegruppe gleichgestellt mit der neu abgebildeten Eingabegruppe wie folgt:
Ausgabe (P) = Eingabe (Neuabbildung (P)).
Bei Schritt 230 wird der Ausgabepixelindex P weitergerückt. Bei Schritt 325 wird eine Prüfung am Pixelindex P vorgenommen, um festzustellen, ob die Abbildung gebildet worden ist. Falls nicht, kehrt der Vorgang zurück zu Schritt 315. Sobald sämtliche Pixel in der Abbildung berechnet worden sind, geht die Bearbeitung weiter zu Schritt 330, wo die Ausgabeabbildung wahlweise geglättet wird. Schließlich wird bei Schritt 335 die Ausgabeabbildung dargestellt.
Obschon durch die Zitterung die Machbanden- und Moiremuster-Bildfehler entfernt werden, die bei einer einfachen Rundung auftreten, kann die Zitterung ein Hochfrequenzgeräusch einbringen. Es ist dieses Hochfrequenzgeräusch, dessen Durchschnittswert glatte Übergangseffekte ermöglicht. Für das ungeübte Auge sind diese Bildfehler weit weniger zu beanstanden als diejenigen, die man mit der einfachen Rundung oder dem Weg des nächsten Punktes erhält, sie können jedoch für Ultraschalltechniker zu beanstanden sein.
Diese Bildfehler können größtenteils reduziert oder potentiell ausgeschaltet werden durch Verwendung eines Tiefpaß-Raumfilters zum Glätten der Abbildung nach dem Neuabbildungsvorgang. Der Filter kann ein Boxfilter sein, oder nichtsymmetrische Filter können mit einer gewünschten Eingabeauflösungscharakteristik gepaart werden. Die Filter können in der geradlinigen Domäne angewandt werden, die zur Ausrichtung bzw. zum Winkel von Punktkoordinaten an der bestimmten Stelle paßt.
Grundsätzlich ist es wünschenswert, einen angepaßten Filter zu haben, dessen Ausmaß gleich oder proportional zu den Abständen zwischen Punkten ist, die gezittert werden. Somit ist eine hohe Vergrößerung vorzugsweise begleitet von einem großen Filter mit viel Glättung, wohingegen an Stellen, wo die Beabstandung des abgetasteten Radius r oder Winkels (Θ) klein ist (in der Wertigkeit eines Pixels), keine Filterung erforderlich sein kann.
Da der Neuabbildungsvorgang im Grunde zwei Ladungen und ein Speicher ist, kann er unter Verwendung eines Standard-PC's ausgeführt werden. Es hat sich gezeigt, daß der Abbildungsalgorythmus bei Codierung in Assemblersprache auf einem PC von 166 MHZ auf Pentium-Basis arbeitet und dabei einen sehr nahen Echtzeitbetrieb erhält. Außerdem wurde die Demodulation auf dem PC, wenn in Assemblersprache geschrieben, während noch ein naher Echtzeitbetrieb erreicht wurde, ausgefährte Text- und Grafiketiketten werden vorzugsweise durch Speicherung fester Werte oder Farben im Anfang des Eingabepuffers und darauf folgende Darstellung auf diejenigen Stellen, wo diese Farben zu verwenden sind, ausgeführt. Formen oder Text werden ggf. in der Neuabbildungsgruppe gezeichnet, die sich öffnet und automatisch auf sämtliche Abbildungen ohne jeden Berechnungsaufwand aufgelegt wird.
Die 11A bis 11B sind schematische bildliche Ansichten von Darstellungsformaten, die auf dem Display 32 nach der Erfindung dargeboten werden können. Anstatt ein einziges Datenfenster darzustellen, wie es bei früheren Ultraschallabbildungssystemen getan wird, hat das System nach der vorliegenden Erfindung Darstellungsformate mit mehreren Fenstern, die vom Benutzer ausgewählt werden können. 11A zeigt eine wählbare Mehrfensterdarstellung, bei der drei Informationsfenster gleichzeitig auf dem Display dargeboten werden. Das Fenster A zeigt die Standard-B-Abtastabbildung, während das Fenster B eine M-Abtastabbildung einer zweidimensionalen Doppler-Farbfließabbildung zeigt. Das Fenster C ist ein Informationsfenster für den Benutzer, das dem Benutzer Befehlswahlmöglichkeiten mitteilt und die manuelle Auswahl des Benutzers erleichtert. 11B ist ein wahlweises Einzelfensterdisplay, bei dem das gesamte Display dazu verwendet wird, nur eine B-Abtastabbildung darzustellen. Wahlweise kann das Display sowohl die B-Art- als auch die Doppler-Farbabtastungen gleichzeitig durch Übereinanderlegen der beiden Darstellun gen zeigen oder indem sie nebeneinander unter Verwendung eines geteilten Bildschirms gezeigt werden.
12 ist ein Funktionsblockdiagramm einer bevorzugten graphischen Benutzeroberfläche. Eine virtuelle Steuerung 400 umfaßt ein Ultraschallbild-Steuerungsdisplay 410, ein Display 420 für die Tastkopfmodelleigenschaften und ein Display 500 für die spezifischen Tastkopfeigenschaften. Das virtuelle Steuerdisplay 400 ist vorzugsweise als Dialogboxen oder-felder in einer Windows-Umgebung codiert.
13 veranschaulicht eine Dialogbox für die Ultraschallbildsteuerung 410. Durch das Ultraschallbild-Steuerdisplay 410 kann der Benutzer einen Tastkopftyp 412, ein Zonendisplay 414, ein Demodulationsfilter 416 und eine Algorythmusoption 418 auswählen. Der Benutzer kann die Ultraschallabtastung auch durch diese Dialogbox initiieren.
Das Display 420 für die Tastkopfmodelleigenschaften umfaßt einen Modelltyp 425, Sicherheitsinformationen 430, eine integrierte Impulsamplitude (IPA) 435 für Bilddaten, Doppler-IPA-Daten 440, Farb-IPA-Daten 445, Tastkopfgeometrie 450, Bildzonendaten 455, Dopplerzonendaten 460, Farbzonendaten 465, Bildapodisation 470, Dopplerapodisation 475 und Farbaposidation 480. Diese sind vorzugsweise als Dialogboxen codiert. Durch die Modelleigenschaften-Dialogbox 425 kann ein Benutzer allgemeine Einstellungen für das Tastmodell eingeben.
14a veranschaulicht eine Dialogbox zum Eingeben der Eigenschaften eines Betrachtungstastkopfmodells. Die eingegebenen Parameter werden auf den Ultraschalltastkopf heruntergeladen.
14B veranschaulicht eine Dialogbox zum Eingehen und Betrachten von Sicherheitsinformationen 430. Wie dargestellt, kann ein Benutzer allgemeine Einstellungen 432 und Strahlbreite-Tabellendaten 434 über Steuerstandards eingeben.
14C veranschaulicht eine Dialogbox zum Eingeben und Betrachten von Bild-IPA-Daten 435. Die Dialogbox stellt strahlgeformte Ausgabewerte dar, aufgelistet in Volt als eine Funktion von Bilddarstellungszonen für verschiedene Antriebsspannungen. Ähnliche Dialogboxen werden zum Eingeben der Doppler- und Farb-IPA-Daten 440, 445 verwendet.
14D veranschaulicht eine Dialogbox zur Ausführung der Bildapodisationsfunktion 470. Wie dargestellt, kann der Operator allgemeine Einstellungen 472 und Vektorinformationen 474 eingeben und betrachten. Der Benutzer kann aktive Elemente für Gruppen-Fenstertechnik (oder Apodisation) auswählen.
Das Display 500 für die spezifische Tastkopfeigenschaft umfaßt Dialogboxen zum Eingeben der Tastkopfspezifika 510, Bildbetrachtungsfeld-(FOV)-Daten 520, Doppel-FOV-Daten 530 und Farb-FOV-Daten 540. Durch die Tastkopfspezifika-Dialogbox 510 kann der Benutzer allgemeine Einstellungen 512, statische Abbildungsinformationen 514, statische Doppler-Informationen 516 und FOV-Einstellungen 518 eingeben.
15A veranschaulicht eine Dialogbox zum Eingeben und Betrachten von spezifischen Tastkopfinformationen. Jede Anzahl von Tastköpfen kann gestützt werden.
Die 15B bis 15C veranschaulichen Dialogboxen zum Eingeben von Bild-FOV-Daten 520. Wie dargestellt, kann ein Benutzer allgemeine Einstellungen 522, Unterbrechungs-Punkt-PGC-Daten 524, Zonengrenzen 526 und Zonendauerdaten 528 eingeben. Die Dialogboxen für die Doppler- und Farb-FOV-Datendisplays 530, 540 sind ähnlich und sind sämtlich die Eingabe von allgemeinen Einstellungen 532, 542, Unterbrechungspunkt-TGC-Daten 534, 544 und PRF-Daten 536, 546.
Die 15D bis 15J veranschaulichen zusätzliche Fenster und Bedienfelder zur Steuerung eines Ultraschallabbildungssystems nach der Erfindung. 15D zeigt ein Betrachtungsfenster für die in Betracht kommende Region und ein Bedienfeld, das Seite an Seite mit dem Abtastbild angeordnet ist. Die 15E zeigt Steuerungen für das Doppler-Ansichtsfeld und andere auswählbare Einstellungen. Dies 15F zeigt die Farbansichtsfeldsteuerungen. Die 15G zeigt die Eigenschaften des Tastkopfes. Die 15h zeigt die Farb-IPA-Daten für einen Tastkopf. Die 15I zeigt die Tastkopfgeometrieeinstellungen für eine lineare Gruppe. Die 15J zeigt Einstellungen zur Doppler-Apodisation.
Die 16 veranschaulicht das Zoom-Merkmal einer bevorzugten Ausführungsform des Abbildungssystems nach der Erfindung. Bei dieser besonderen Darstellung können detaillierte Merkmale eines Phantomkreises oder innere anatomische Merkmale 600 eines Patienten, die auf dem Bildschirm 32 gezeigt werden, ausgewählt und innerhalb oder über ein Displayfenster vergrößert werden. Bei diesem besonderen Beispiel ist eine Region 602 vom Benutzer ausgewählt und wird im Fenster 604 vergrößert. Eine Mehrzahl solcher Regionen kann gleichzeitig vergrößert und auf dem Schirm 32 in getrennten oder überlagerten Fenstern gezeigt werden. Wenn zwei Abtastköpfe in Gebrauch sind, können unterschiedliche Ansichten zur gleichen Zeit gezeigt werden, oder zuvor aufgezeichnete Abbildungen können aus dem Speicher zurückgerufen und neben einem in Echtzeit dargebotenen Bild dargestellt werden.
Die Architektur des integrierten Vorfeldtastkopfweges wurde konstruiert, um eine geringe Größe, niedrigen Stromverbrauch und maximale Flexibilität bei der Abtastung zu erreichen, einschließlich 1) Mehrfachzonenfokus beim Senden. 2) Fähigkeit zum Antreiben einer Vielfalt von Tastköpfen, wie etwa linear/bogenförmig linear, linear/trapezförmig und Sektorabtastung, 3) Fähigkeit, M-Betriebsart, B-Betriebsart, Farbfließabbildung- und Dopplersonogramm-Displays zu liefern, 4) mehrfache, wählbare Impulsformen und Frequenzen und 5) verschiedene Auslösefrequenzen. Verschiedene Ausführungsformen für das integrierte Vorfeldsystem 700 sind in den 17A, 17B und 17C gezeigt. Module, die einzig sind für die vorliegende Erfindung sind die Blöcke entsprechend: Strahlbildechip 702, Sende/Empfangschip 704, Vorverstärker/TGC Chip 706.
Der mit "Vorfeldtastkopf" (Vorfeldkontroller) unterschriebene Block steuert direkt den Routinebetrieb des Ultraschallabtastkopfes durch die Erzeugung von Taktund Steuersignalen, die an die Module 702, 704, 706 und an die Speichereinheit 708 gegeben werden. Diese Signale werden dazu verwendet, eine kontinuierliche Datenausgabe zu gewährleisten und dem Modul anzuzeigen, wofür die an der Speichereinheitausgabe erscheinenden Daten vorgesehen sind. Eine Steuerung des Abtastkopfes 710 auf höherem Pegel sowie die Initialisierung, Datenbearbeitungs- und Displayfunktionen werden von einem Universal-Hauptrechner 720, wie etwa einem Tisch-PC, Laptop oder Slate-PC, geliefert. Somit kommuniziert der Vorfeld-Kontroller auch mit dem Hauptrechner, z. B. über den PCT-Bus oder Fire Wire 714, um es dem Hauptrechner zu ermöglichen, Steuerdaten in die Abtastkopfspeichereinheit einzuschreiben und Daten zurück zu erhalten. Dies wird bei der Initialisierung durchgeführt und immer dann, wenn ein Wechsel in den Parametern (wie etwa Anzahl und/oder Position der Zonen oder Art des Abtastkopfes) erforderlich ist, wenn der Benutzer ein unterschiedliches Abtastmuster wählt. Der Vorfeldkontroller liefert auch Pufferund Fließsteuerungsfunktionen, da Daten vom Strahlbildner zum Hauptrechner über eine Bandweitenzwangsverbindung gesendet werden müssen, um Datenverluste zu vermeiden.
Das beschriebene System ermöglicht zwei verschiedene Realisierungen der Farbfließabbildungs-(CFM)- und Dopplersonogramm-(DS)-Funktionen. Die 17A zeigt eine Realisierung 722 auf Hardwarebasis, bei der ein zweckgerichteter Doppler-Bearbeitungschip auf einer Nachkarte 724 montiert und als Coprozessor zum Hauptrechner 720 zur Ausführung der CFM- und DS-Berechnungen verwendet wird. Die 17B zeigt eine Software-Realisierung, bei der die CFM- und DS-Berechnungen vom Hauptrechner geleistet werden.
Die 17C zeigt noch eine weitere Systemintegrierung, bei der die Wandlergruppe und die Vorfeldbearbeitungseinrichtungen nicht in ein einziges Gehäuse integriert, sondern durch Coaxial-Kabel verbunden sind. Die Vorfeldeinheiten umfassen den Vorfeldkontroller, den Speicher und die drei Module 704 (Sende/Empfangschip), 706 (Vorverstärker/TGC-Chip) und 702 (den Strahlbildechip), wie in der Figur gezeigt.
"Fire Wire" bezieht sich auf den IESE-Standard 1394, der eine Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung über eine serielle Verbindung vorsieht. Dies erlaubt die Verwendung von handelsüblichen Teilen mit großem Volumen und zu niedrigen Kosten für die Interface. Der Standard stützt einen asynchronen Datenübertragungsbetrieb, der dazu verwendet werden kann, Befehle und Konfigurationsdaten an den Tastkopfspeicher zu senden. Er kann auch dazu benutzt werden, den Status des Kopfes abzufragen und zusätzliche Informationen zu erhalten, wie etwa die Aktivierung irgendwelcher Knöpfe oder anderer Eingabemittel am Kopf. Zusätzlich kann der asynchrone Datenübertragungsbetrieb dazu benutzt werden, die Art des angebrachten Tastkopfes zu erkennen. Ein isochroner Übertragungsbetrieb kann dazu verwendet werden, Daten zurück vom Strahlbildner zum Hauptrechner zu übertragen. Diese Daten können direkt vom A/D oder vom Demodulator oder einer Kombination kommen. Falls eine Doppler-Bearbeitung im Tastkopf eingebracht ist, können die Doppler-Bearbeitungsdaten über den FireWire gesendet werden. Statt dessen können die Daten über Software oder Hardware im Hauptrechner Dopplerbearbeitet werden. Es besteht auch eine drahtlose Version des FireWire-Standards, die eine Kommunikation über eine optische Verbindung für einen Betrieb ohne Anbindung ermöglicht. Dies kann in Anwendung kommen, um größere Freiheit zu schaffen, wenn der Tastkopf am Hauptrechner unter Verwendung von drahtlosem FireWire angebracht wird.
Der Vorverstärker/TGC-Chip besteht, so wie er eingerichtet ist, aus 32 integrierten parallelen, geräuscharmen Kleinleistungsverstärker/TGC-Einheiten. Jede Einheit hat eine programmierbare Verstärkung von 60 dB, eine Rauschspannung von weniger als 1,5nV1√MHz und verbraucht weniger als 11 mW pro Empfängerkanal.
Wie in 18 gezeigt, besteht der Mehrkanal-Sende/Empfangschip aus einem Globalzähler, einem Globalspeicher und einer Bank von parallelen Zweikanal-Sende/Empfangskontrollern. In jedem Kontroller 740 befindet sich ein Lokalspeicher 745, ein Verzögerungskomparator, ein Frequenzzähler und Komparator, ein Impulszähler und Komparator, ein Phasenwähler, ein Sende/Empfangs-Wähl/Demux-Schalter (T/R-Schalter) und Pegelverschiebeeinheiten.
Der Globalzähler 742 sendet einen Haupttakt und Bitwerte an jeden Kanalprozessor 740. Der Globalspeicher 744 kontrolliert Sendefrequenz, Impulszahl, Impulsfolge und Sende/Empfangswahl. Der lokale Verzögerungskomparator 746 liefert eine Verzögerungsauswahl für jeden Kanal. Zum Beispiel kann bei einem Takt von 60 MHZ und einem 10-Bit-Globalzähler eine Verzögerung von bis zu 17μs für jeden Kanal vorgesehen sein. Der lokale Frequenzzähler 748 liefert programmierbare Sendefrequenz. Ein 4-Bit-Zähler mit einem Komparator bietet bis zu sechzehn verschiedene Frequenz-Auswahlmöglichkeiten. Zum Beispiel kann bei Verwendung eines Haupttaktes von 60 MHz ein 4-Bit-Zähler so programmiert werden, daß er verschiedene Sendefrequenzen wie etwa 60/2 = 30MHz, 60/3 = 20MHz, 60/4 = 15MHz, 60/5 = 12MHz, 60/6 = 10MHz und so weiter liefert. Der lokale Impulszähler 750 liefert verschiedene Impulssequenzen. Zum Beispiel kann ein 6-Bit-Zähler mit einem Komparator programmierbare Sendeimpulslängen von einem Impuls bis zu zu 64 Impulsen liefern. Der lokal programmierbare Phasenwähler stellt eine Untertakt-Verzögerungsauflösung bereit.
Während typischerweise die Periode des Sendechips die Verzögerungsauflösung bestimmt, ermöglicht eine Technik, die als programmierbare Untertakt-Verzögerungsauflösung bezeichnet wird, daß die Verzögerungsauflösung prä ziser ist als die Taktperiode. Bei einer programmierbaren Untertakt-Verzögerungsauflösung wird die Ausgabe des Frequenzzählers mit einer Phase des Taktes durchgeschaltet, die auf einer Pro-Kanal-Basis programmierbar ist. In der einfachsten Form wird ein Zweiphasentakt verwendet, und die Ausgabe des Frequenzzählers wird entweder mit dem assertierten oder deassertierten Takt durchgeschaltet. Stattdessen können mehrfache zeitversetzte Takte verwendet werden. Einer pro Kanal kann ausgewählt und dazu verwendet werden, das grobe Taktsignal vom Frequenzzähler durchzuschalten. Zum Beispiel liefert bei einem Haupttakt von 60MHz ein Zwei-zu-eins-Phasenwähler eine Verzögerungsauflösung von 8 ns und ein Vier-zu-eins-Phasenwähler eine Verzögerungsauflösung von 4 ns.
Auch gezeigt sind der integrierte Sende/Empfangs-Wählschalter 754, T/R-Schalter und der integrierte Hochspannungspegelverschieber 750 für die Sendeimpulse. Es kann ein Einzelchip-Sende/Empfangschip verwendet werden, der in der Lage ist, 64 Kanaltreiber und 32 Kanalempfänger zu bedienen, wobei jeder Kanal einen Kontrollen, wie in 18 gezeigt, aufweist.
Bei einer weiteren Realisierung, die in 19 gezeigt ist, sind der Auswahl/Mux-Schalter und der Hochspannungspegelverschieber von den anderen Komponenten 760 auf einem gesonderten Chip 762 getrennt, um die Verwendung verschiedener Hochspannungshalbleitertechniken zu ermöglichen, wie etwa Hochdurchbruch-Silicium-CMOS/JFET oder GaAs-Technologie, zur Herstellung dieser Komponenten.
Die Basismethode für eine gepulste Dopplerultraschallabbildung ist in 20 veranschaulicht. Die Wellenform besteht aus einem Burst von N Impulsen 770. Nach jedem Impuls werden so viele Bereichs-(Tiefen)-Abtastungen, wie benötigt, gesammelt. Die Zeitentwicklung der materiellen Geschwindigkeitsverteilung innerhalb des Bereichstors wird als ein Sonogramm 772 dargestellt, eine zweidimensionale Darstellung, bei der die horizontale Achse die Zeit und die vertikale Achse die Geschwindigkeit (nach der Doppler-Verschiebung) darstellt. Es können unterschiedliche Regionen durch Bewegung des Bereichstors und Veränderung seiner Größe abgefragt werden. Ein Doppler-Sonogramm kann erzeugt werden, indem eine Einbereichstor-Dopplerbearbeitung, wie in 20 gezeigt, verwendet wird. Die Arbeitsweise dieser Methode ist wie folgt. Eine Folge von N Ultraschallimpulsen wird mit einer Impulswiederholungsfrequenz f_prt auf einem gegebenen Betrachtungswinkel gesendet. Die zurückkommenden Echos werden Bereichstor-geordnet und nur Rückläufe 774 von einem Einbereichsbunker werden benutzt, was bedeutet, daß nur die zurückgekommenen Signale entsprechend einer Region in einem gewählten Abstand (z. B. von einer Tiefe d bis d+δd) von der Sendegruppe auf dem gewählten Betrachtungswinkel zur Gewinnung von Doppler-Informationen bearbeitet werden. Die Geschwindigkeitsprofile von Streuungen in der gewählten Region können dadurch erhalten werden, daß die Doppler-Verschiebungen der von den Streuungen erhaltenen Echos berechnet werden. Dies bedeutet, daß die Fourier-Umwandlung 776 des empfangenen zeitdomänen Signals die Frequenzinformationen liefert, einschließlich der gewünschten Doppler-Verschiebungen f_d. Die Geschwindigkeitsverteilung der Streuungen in der in Betracht kommenden Region kann aus dem folgenden Verhältnis gewonnen werden:
wobei c die Schallgeschwindigkeit im Sendemedium und f_c die Mittelfrequenz des Wandlers ist. Als ein Beispiel kann, wenn N = 16 und fprt = 1 KHz, die obige Gleichung dazu verwendet werden, ein Sonogramm 772 zu erstellen, das 16 ms Doppler-Daten darstellt. Wenn das Verfahren alle N/f_prt Sekunden wiederholt wird, kann eine kontinuierliche Doppler-Sonogrammdarstellung erzeugt werden.
Eine weitere Ausführungsform beinhaltet einen Impuls-Doppler-Prozeß von Anwendungen mit Farbfließabbildungen. Es ist klinisch wünschenswert, in der Lage zu sein, Fließraten und -muster über eine große Region in Echtzeit darzustellen. Eine Methode zur Lösung dieser Aufgabe unter Verwendung von Ultraschall wird als Farbfließabbildung (CFM) bezeichnet. Farbfließabbildungstechniken sind eine Erweiterung des oben beschriebenen Eintorsystems. Bei der CFM werden Geschwindigkeiten nicht nur in einer einzigen Richtung oder einem einzigen Liniensegment bewertet, sondern über eine Anzahl von Richtungen (Mehrfachabtastlinien), die eine in Betracht kommende Region überspannen. Die Geschwindigkeitsinformation ist typischerweise farbkodiert (z. B. rot zeigt den Fluß zum Wandler hin auf, blau von diesem fort) und wird auf ein B-Modenbild aufgelegt, das die darunterliegende Anatomie darstellt.
Eine Farbfließabbildung 780 auf der Basis einer Impuls-Doppler-Bearbeitung ist in 21 gezeigt. Das grundsätzliche Einbereichsbunkersystem nach 20 kann erweitert werden, um eine Anzahl von Bereichstoren meßtechnisch zu erfassen, indem bei unterschiedlichen Tiefen abgetastet wird und die Abtastungen im Speicher für eine zusätzliche Bearbeitung gehalten werden. Zu beachten ist, daß dies die Erfassungszeit nicht erhöht, da die Daten von der selben RF-Leitung gesammelt werden. Das Überstreichen eines Flächenbereichs mit dem Strahl macht es dann möglich, eine Abbildung der Geschwindigkeiten in einer in Betracht kommenden 2D-Region herzustellen. Im Betrieb werden die Daten von J-Bereichsbunkern 782 in einer einzigen Richtung parallel bearbeitet. Nach dem N Impulsrückläufe bearbeitet sind, stellt die Ausgabe eine Verteilung des J × N-Bereichs gegen Doppler dar, was seinerseits dazu benutzt werden kann, ein J × N-Geschwindigkeitsverteilungsprofil zu erzeugen. Die mittlere Geschwindigkeit in jeder Tiefe d_k, k = 1, 2 ... J wird dazu verwendet, einen einzigen Punkt oder eine einzige Zelle auf der Farbfließabbildung zu erzeugen; in jeder Zelle wird die Standardabweichung zur Turbolenzbemessung verwendet. Wenn das Verfahren alle N/f_prf Sekunden für jeden J-Bereichsbunker (z. B. J/2 voneinander beabstandete Bereichsbunker) und für jede Abtastlinie in der in Betracht kommenden Region wiederholt wird, kann eine 2D-Farbfließabbildungsdarstellung erzeugt werden.
Es ist wichtig zu vermerken, daß anstelle einer Berechnung auf FFT-Basis eine Wechselbeziehungstechnik, wie beschrieben in der Veröffentlichung von Jorgen A. Jensen, "Estimation of Blood Velocities Using Ultrasound", University Press 1996, deren Inhalt durch diesen Hinweis hier einbezogen wird, ebenfalls verwendet werden kann, um eine gleichartige Farbfließabbildung herzustellen.
Die Bereichstorgröße und -position kann vom Benutzer bestimmt werden. Diese Wahl bestimmt sowohl die ausgesandte Impulslänge als auch die Impulswiederholungsfrequenz. Die Größe des Bereichstores wird durch die Länge des Impulses bestimmt. Die Impulsdauer beträgt TP = 21 g/C = Mfc wenn die Torlänge I_g und M die Anzahl der Sinusperioden ist. Die Tiefe des Tores bestimmt, wie schnell Impulsecholinien erfaßt werden können. Die maximale Geschwindigkeit beträgt fprf = c / 2do wobei d_o der Abstand zum Tor ist.
Die generische Wellenform für die Impuls-Doppler-Ultraschallabbildung ist in 22 gezeigt, wo die Wellenform aus einem Satz von N Impulsen 800 besteht. So viele Bereichstiefenabtastungen wie nötig werden nach jedem Impuls in dem Satz gesammelt. 22 zeigt auch ein Blockdiagramm 810 eines herkömmlichen Signalprozessors für diese Abbildungstechnik, wobei die von jedem Wandler empfangenen zurückkehrenden Echos abgefühlt und vor der Einphasungs- und Quadraturdemodulation kohärent summiert werden. Die nach unten gemischten Basisbandrückläufe werden in eine digitale Darstellung umgewandelt und dann in einem Pufferspeicher gespeichert, bis sämtliche ein kohärentes Intervall umfassende Impulsrückläufe empfangen worden sind. Die N Impulsrückläufe, die für jede Tiefe gesammelt werden, werden dann aus dem Speicher gelesen, eine Wichtungssequenz, v(n), wird zur Kontrolle von Doppler-Nebenkeulen angelegt und ein N-Punkt-FFT wird berechnet. Während der Zeit, in der die Tiefenabtastungen von einem kohärenten Intervall durch den Doppler-Filter bearbeitet werden, werden die Rückläufe vom nächsten kohärenten Intervall durch den Doppler-Filter bearbeitet, wobei die Rückläufe von dem nächsten kohärenten Intervall ankommen und in einem zweiten Eingabepuffer gespeichert werden. Die Ausgabe von FFT 818 wird dann an eine Darstellungseinheit oder durch Zeitmittelungs-Doppler-Abtastungen für eine nachfolgende Darstellung weitergeleitet.
Die hier beschriebene CDP-Vorrichtung führt alle die Funktionen aus, die in der gestrichelten Box gemäß 22 angegeben sind, ausgenommen die A/D Umwandlung, die nicht notwendig ist, weil die CDP-Vorrichtung die analog abgetastete Datenfunktion liefert. Diese CDP-Impuls-Doppler-Prozessor (PDP)-Vorrichtung hat die Fähigkeit, ein Matrix-Matrix-Produkt zu berechnen, und hat daher einen viel größeren Bereich an Fähigkeiten, als sie zur Realisierung der innerhalb der gestrichelten Linien gezeigten Funktionen nötig sind.
Die PDP-Vorrichtung berechnet das Produkt zweier echt bewerteter Matrices durch Summierung der Außenprodukte, die durch Paarung von Spalten der ersten Matrix mit entsprechenden Reihen der zweiten Matrix gebildet sind.
Um die Anwendung des PDP beim Doppler-Filterungsproblem zu beschreiben, formen wir zunächst die Doppler-Filterungsgleichung in eine Summe von Echtwert-Matrixoperationen. Die Doppler-Filterung wird erreicht durch Berechnung einer diskreten Fourier-Transformation (DFT) der gewichteten Impulsrückläufe für jede in Betracht kommende Tiefe. Wenn wir die Tiefen-Dopplerabtastungen g(kj), wobei k der Doppler-Index ist, O ≤ k ≤ N – 1 und j der Tiefenindex ist, bezeichnen, dann ergibt sich
Die Wichtungsfunktion kann mit dem DFT-Kern kombiniert werden, um eine Matrix von Dopplerfilter-Transformationskoeffizienten zu erhalten, mit Elementen gegeben durch W(k,n) = Wk,n = v(n)exp(–j2πkn/N)Die realen und imaginären Komponenten des Doppler-gefilterten Signals können nun geschrieben werden als
Bei den obigen Gleichungen können die Doppelindex-Variablen sämtlich als Matrixindices angesehen werden. Daher kann bei der Matrixdarstellung die Doppler-Filterung als eine Matrixproduktoperation ausgedrückt werden. Es ist ersichtlich, daß die PDP-Vorrichtung dazu verwendet werden kann, jede der vier Matrixmultiplikationen auszuführen, wodurch die Doppler-Filterungsoperation realisiert wird.
Ein Blockdiagramm der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen PDP-Vorrichtung ist in 22 gezeigt. Die Vorrichtung umfaßt eine J-Stufen-CCD-Abgriffsverzögerungsleitung, J-CCD-Multiplizier-D/A-Wandler-(MDACs)-JxK-Akkumulatoren, einen JxK-Doppler-Abtastungspuffer und ein Parallel ein/Seriell-aus(PISO)-Ausgabeschieberegister. Die MDACs teilen sich eine gemeinsame 8-bit-Digitaleingabe, an die Elemente von der koeffizienten Matrix geliefert werden. Die Verzögerungsleitung mit Abgriff führt die Funktion von Abtasten und Halten aus, mit Umwandlung des zeitkontinuierlichen analogen Eingangssignals in ein abgetastetes Analogsignal.
Eine Zwei-PDP-Realisierung 840 für die Farbfließabbildung in einem Ultraschallabbildungssystem ist in 23 gezeigt. Bei dieser Vorrichtung berechnet die obere PDP-Komponente, während eines Impulsrücklaufintervalls, sämtliche Terme in der Form W_kf_r und W_if_r, wie oben gezeigt, während die untere Komponente die Terme der Form -W_ifi und W_kf_i berechnet. Die Ausgaben jeder Komponente werden dann summiert, um abwechselnd g_r und g_i zu erhalten.
Die Doppler- und Farbfließabbildungsbearbeitung beinhaltet eine erhebliche Menge an Berechnung. Diese Bearbeitung kann mit Software unter Verwendung eines Universal-Mikroprozessors ausgeführt werden. Das Vorhandensein von für Matrix-Matrix-Operationen optimierten Instruktionen, wie etwa das Intel-MMX-Leistungsmerkmalset, können die Leistung wesentlich verbessern. Ein Software-Fließbild für eine Farbfließabbildungsberechnung auf der Basis des FFT-Berechnungsalgorithmus ist in 24 gezeigt. Nach der Initialisierung 900 werden abwärts gemischte Daten bei 902 erhalten, und der Zeiger P befindet sich am Anfang der Abtastlinie 904, die Daten werden gemittelt und gespeichert bei 906, eine Wichtungsfunktion wird bei 908 angelegt, FFT wird bei 910 berechnet, die Amplitude z(k) wird für jede Frequenz bei 912 berechnet, gefolgt von der Berechnung des ersten und zweiten Moments bei 914 und deren Darstellung in Farbe bei 916. Das Farbteil wird bei 918 realisiert, und jede Abtast-Linie wird bearbeitet, wie nötig.
Ein Software-Fließ-Plan für eine Farbfließabbildungsberechnung auf der Basis einer Wechselbeziehungsrechnung ist in 25 gezeigt.
Nach der Initiierung bei 940 erhält man die Abtastliniendaten bei 942, gefolgt von den Bereichsbunkerdaten 944. Die Wechselbeziehung wird bei 946 berechnet und bei 948 gemittelt, und die Geschwindigkeitsverteilung 950, erster und zweiter Moment 952, werden erhalten und bei 954 angezeigt. Die Bereichsbunkerdaten werden bei 956 erhöht und der Prozeß wird wiederholt.

Claims

Verfahren zur Umsetzung von Ultraschall-Abtastdaten in ein Darstellungsformat, mit den Schritten, daß eine Eingabegruppe von Eingabedaten von einem Ultraschallgerät mit einer Wandlergruppe bereitgestellt wird, eine Neuabbildungsgruppe geschaffen wird und die Eingabedaten mit der Neuabbildungsgruppe zur Umsetzung der Eingabedaten in eine Ausgaabegruppe von Ausgabedaten einer räumlichen Zitterung unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der räumlichen Zitterung die Rundung von Positionsdaten von ARB-Präzisionswerten in ganzzahlige Werte mit Restwerten umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem Schritt der räumlichen Zitterung ferner die Fortpflanzung von Restwerten durch die Ausgangsdaten umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der räumlichen Zitterung das Berechnen einer ersten Position in der Ausgabegruppe aus einem ersten Wert in der Eingabegruppe und unter Benutzung der ersten Position die Berechnung einer zweiten Position in der Ausgabegruppe umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die ersten und zweiten Positionen benachbarte Bildpunktstellen darstellen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der räumlichen Zitterung in einem Universalrechner durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Universalrechner ein tragbarer Computer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Bereitstellung einer Eingabegruppe ferner das Empfangen der Eingabedaten von dem Ultraschallgerät in Polarkoordinaten umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Abbildung die Initialisierung der Neuabbildungsgruppe auf der Basis von Veränderungen am Darstellungsformat umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ferner ein Abtastumsetzschaltkreis bereitgestellt wird, der die räumliche Zitterung der Eingabedaten durchführt.
Ultraschalldarstellungssystem, bestehend aus einer Wandlergruppe, die Ultraschallsignale überträgt und empfängt, einem mit der Wandlergruppe elektrisch verbundenen Strahlbildeschaltkreis, der eine elektronische Darstellung eines abzubildenden Gegenstands bildet, und einem programmierbaren Datenverarbeitungssystem, das die elektronische Darstellung empfängt, wobei der Computer so programmiert wird, daß er die Abtastumsetzung mit räumlicher Zitterung der elektronischen Darstellung in ein Darstellungsformat mittels einer Neuabbildungsgruppe durchführt.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das programmierbare Datenverarbeitungssystem ein PC ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das programmierbare Datenverarbeitungssystem ein tragbarer Rechner mit einer Tastatur und einem Flüssigkristalldisplay ist.
System nach Anspruch 11, bei dem das programmierbare Datenverarbeitungssystem ein Slate-PC ist.
System nach Anspruch 11, ferner mit einer Schnittstellenleitung.
System nach Anspruch 11, ferner mit einem tragbaren Gehäuse, das die Wandlergruppe und den Strahlbildeschaltkreis enthält.