DE3020872A1

DE3020872A1 - Vorrichtung zur ultraschall-abtastung

Info

Publication number: DE3020872A1
Application number: DE19803020872
Authority: DE
Inventors: Jacobus Dr.-Ing. 8521 Poxdorf Borburgh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-06-02
Filing date: 1980-06-02
Publication date: 1981-12-10
Also published as: JPS5726769A; EP0041185A1; US4458533A

Description

Vorrichtung zur Ultraschall-Abtastung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ultraschall-Abtastung mit Ultraschall-Applikator, der durch eine Vielzahl einzelner Wandlerelemente zum Aussenden von Ultraschallsignalen und zum Empfang der Echosignale ausgebildet ist, wobei wenigstens im elektrischen Empfangskreis eine Verzögerungseinrichtung mit nachgeschaltetem Summierverstärker vorgesehen ist, die die anfallenden Echosignale für jedes Wandlerelement zeitlich so verzögert, dass sich in der zeitlichen Reihenfolge des Anfallens von Signalen an den einzelnen Elementen am Summierverstärker Phasengleichheit der Einzelsignale ergibt.

Eine Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise durch "Ultrasonics Symposium Proceedings", IEEE CAT. 1977 Seiten 250 bis 254, bekannt. Diese Vorrichtung arbeitet in Analog- oder Digitaltechnik mit Speichergliedern als Verzögerungsnetzwerk, wobei von den Speichergliedern ein gemeinsamer Summenverstärker angesteuert wird. Darüber hinaus wurde auch bereits mit der älteren deutschen Patentanmeldung P 29 42 049.2 vorgeschlagen, die an den Einzelwandlern anfallenden Ultraschallsignale sequentiell digital zu speichern, wodurch sich insbesondere die Möglichkeit einer optimierten Signalverarbeitung ergibt.

Bei Vorrichtungen der eingangs genannten Art bilden m einzelne Wandlerelemente der Breite b ein Array der Gesamtbreite B. Insgesamt lässt sich eine solche Wandleranordnung beispielsweise für phasengesteuerte Array-

Systeme bei Ultraschallgeräten mit Sektorabtastung durch elektronische Strahlschwenkung verwenden, wobei zusätzlich auch eine dynamische Fokussierung möglich ist. Daneben ist die Verwendung bei einem Linear-Array ohne Strahlschwenkung, aber mit dynamischer Fokussierung denkbar. In allen Fällen ist eine gute Auflösung erwünscht. Ist nun die Breite b eines einzelnen Wandlerelementes größer als die Wellenlänge der von dem Array abgestrahlten Ultraschallsignale, so treten aber bekanntermaßen in der Richtungsempfindlichkeit des Arrays Nebenkeulen (sog. "grating lobes") auf, die die laterale Auflösung erheblich beeinträchtigen. Aus diesem Grunde ist man bemüht, die Anzahl der Wandlerelemente im vorgegebenen Aperturbereich so weit wie möglich zu erhöhen, wodurch die Breite b eines Einzelelementes entsprechend verringert werden muss. Bei den phasengesteuerten Array-Systemen wird allerdings dadurch der Aufwand an Ansteuerelektronik mit Vorverstärkern, Verzögerungsleitungen u. dgl. in unverwünschter Weise erhöht, so dass nach anderen Lösungen gesucht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art aufzubauen, bei der die unerwünschten Nebenkeulen in der Richtungsempfindlichkeit beseitigt werden und trotzdem der elektronische Aufwand in Grenzen gehalten wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass von der Verzögerungseinrichtung die Signale jeweils gruppenweise auf Einzeladdierer gegeben werden, deren Ausgangssignale in einer Einheit zur quasi-multiplikativen Signalverarbeitung verknüpft werden.

Mit der Erfindung wird also die Breite B eines Arrays, das eine Antenne für die Ultraschallsignale bildet, in mehrere gleiche Subantennen unterteilt. Jede dieser

Subantennen ist aufgebaut aus Elementen mit einer Breite b, die nun größer als die Wellenlänge sein können. Bei vorgegebener Breite B des Arrays ist dabei der Verlust an lateraler Auflösung wesentlich geringer.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ultraschall-Abtastung ist insgesamt der Ansteueraufwand erheblich vereinfacht. Da von den Summenverstärkern nach Addition der Einzelsignale bereits das Ergebnis in digitaler Form ausgegeben wird, lässt sich die weitere Verknüpfung der Einzelsignale quasi-multiplikativ ausführen. Die einzelnen Echosignale werden dabei lediglich nur noch als mehr-bit-Information sowie als Vorzeicheninformation weitergegeben.

In vorzugsweiser Weiterbildung der Erfindung bietet es sich an, aus den Ultraschall-Echoinformation gewisse Bereiche abzuschneiden und einheitlich zu bewerten. Hierfür wird von der mehr-bit-Information das LSB-wertige bit (last significant bit) zu höheren Werten verschoben und der gesamte abgeschnittene Bereich einheitlich als Null bewertet. Diese Methodik ist in der Digitaltechnik allgemein unter dem Begriff des "FAT ZERO" vorbekannt.

Spezielle für die Darstellung von Ultraschallsignalen eines Ultraschall-Applikators mit Arrayanordnung gibt nun das Prinzip des "FAT ZERE" in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, die erhaltende Ultraschall-Echoinformation zu selektieren und so darzustellen, dass im aufgebauten Ultraschallbild gezielt die Konturen herausgehoben werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Erfindung,

Fig. 2 die multiplikative Verknüpfungseinheit als Blockschaltbild,

Fig. 3 anhand eines Diagrammes die quasi-multiplikative Verknüpfung und

Fig. 4 das Prinzip der Signalausblendung gemäß "FAT ZERO"-Prinzip.

In der Fig.1 sind mit W[tief]i 1 bis m Ultraschall-Wandlerelemente bezeichnet. Die Wandlerelemente W[tief]1 haben jeweils die Einzelbreite b, wobei sich insgesamt eine Gesamtbreite B der Ultraschallantenne ergibt. Die Wandler W[tief]1 werden von einem Sender 1 phasenverzögert angesteuert, wozu der Sender 1 von einer Steuereinheit 2 nach Programm aktivierbar ist.

Die von den Einzelwandlern W[tief]1 aufgrund der Laufzeitunterschiede zeitverzögert erhaltenden Ultraschall-Echosignale werden über Einzelleitungen auf ein Verzögerungsnetzwerk 3 gegeben, das von der Steuereinheit 2 in Abhängigkeit vom Sendeprogramm gesteuert ist. Vor dem Verzögerungsnetzwerk sind jeweils identische Analog-/Digital-Wandler 4 geschaltet, so dass die Ultraschall-Echosignale am Verzögerungsnetzwerk bereits in digitaler Form vorliegen. Die Verzögerungseinrichtung 3 kann dann entsprechend mit digitalen Speichern ausgelegt sein, wobei sich bereits durch geeignete Speicherorganisation und Schaffung von Teilzeilenspeichern die Möglichkeit eines minimierten Speicheraufwandes ergibt.

Eine solche Verzögerungs- und Signalverarbeitungseinrichtung ist speziell in der älteren deutschen Patentanmeldung P 29 42 049.3 beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird.

Die Ausgänge der einzelnen Einheiten der Verzögerungseinrichtung 3 sind nun - in Abweichung zum Stand der Technik - gruppenweise auf separate digitale Addierwerke geschaltet. In der Fig. 1 ist angedeutet, dass die Leitungen von jeweils zwei Wandlern W[tief]1 gruppenweise an die Addierwerke 5 bis 7 angeschlossen sind. Dementsprechend werden also von der Gesamt-Ultraschallantenne mit Einzelwandlern W[tief]mehrere Subantennen gebildet. Von den digitalen 1 mehrere Subantennen gebildet. Von den digitalen Addierwerk 5 bis 7 werden jeweils die Signale A[tief]1 für i = 1 bis n ausgegeben, die jeweils separat eine Einheit zur quasi-multiplikativen Verarbeitung der Signale ansteuern. Diese Einheit ist in der Fig. 1 mit 10 als ein Block dargestellt und wird anhand der Fig. 2 im einzelnen beschrieben.

Nach Digitalisierung und Aufaddierung der Einzelsignale werden die Signale A[tief]1 für i = 1 bis n durch eine mehr-bit-Information mit p-bit, beispielsweise 9 bit, gebildet. Diese mehr-bit-Information ist in der Fig. 2 jeweils als Datenbus eingezeichnet, die auf die Eingänge der Einheit 10 gelangen. Jeder Datenbus steuert einen Schwellwertdiskriminator 11 bis 13 an, in dem das Signal gleichgerichtet und mit einem einstellbaren Wert mit q bit verglichen wird. Hierzu werden die Komparatoren 11 bis 13 zur Einstellung eines Vergleichswertes vom Datenbus einer Einstelleinheit 14 angesteuert, welcher eine q bit-Information ausgibt. Die spezielle Verwendung der Einstelleinheit 14 wird weiter unten noch eingehend beschrieben.

Durch Vergleich der Eingangsinformation mit vorgebbaren Werten wird von den Schwellwertkomparatoren 11 bis 13 ein Ausgangssignal mit ein bit erzeugt, das entweder Null oder Eins ist. Diese Signale werden in einer Multiplikationseinheit 15 verknüpft, die wiederum ein Ausgangssignal mit ein bit liefert.

Der Datenbus der Signale A[tief]i für i = 1 bis n wird parallel zu den Schwellwertkomparatoren 11 bis 13 auf ein Summationsglied 16 gegeben. In diesem Summationsglied wird der Absolutbetrag der Signale A[tief]i für i = 1 bis n mit jeweils p bit gebildet. Das Ausgangssignal des Summationsgliedes 16 ist dementsprechend ein Signal mit p + Ld (n) - 1 bit [Ld = def. Logarithmus zur Basis 2]. Diese Information wird zusammen mit dem ein-bit-Signal Mull des Multiplizierers 15 auf einen Multiplexer 17 gegeben, von dem ein Ausgangssignal S wieder mit p + Ld (n) - 1 bit ausgegeben wird. S hat entweder den Wert Null, wenn der Wert Mul = 0 ist, oder das Ergebnis des Addierers 16, wenn Mul = 1 ist. Das Signal S kann anschließend zur Bilddarstellung auf einem Oszilloskop od. dgl. herangezogen werden.

In der Einheit zur quasi-multiplikativen Verarbeitung 10 wird also eine Signalverknüpfung durchgeführt, die sich für zwei Einzelsignale A[tief]1 und A[tief]2 durch folgende Gleichung darstellen lässt.

(A[tief]1 * A[tief]2 quasi =

In der Fig. 3 ist die quasi-multiplikative Signalverknüpfung im einzelnen anhand der Diagrammzeilen a) bis e) gezeigt. Es bedeuten die Zeile a das Signal A[tief]1 und die Zeile b das Signal A[tief]2. In der Zeile c sind die beiden Signale A[tief]1 und A[tief]2 durch mathematische Multiplikation der Einheitsflächen verknüpft. Die Zeile d dagegen zeigt gestrichelt die Summation der Signale A[tief]1, A[tief]2 sowie durchgezogen den absoluten Betrag der Summe I A[tief]1 + A[tief]2 I.

Zeile d lässt sich nun in Zeile c überführen, wenn das Signal I A[tief1 + A[tief]2 mit einem Vorzeichenfaktor bewertet wird. Es ergibt sich das Signal gemäß Zeile e durch quasimultiplikative Verknüpfung.

Der Vergleich der Diagrammzeilen c und e zeigt, dass bis auf die Amplituden gleiche Ergebnisse erhalten werden. Da das Digitalsiganal durch die Binärinformation weitergegeben wird, spielt die Amplitude keine entscheidende Rolle. Erhalten wird bei der beschriebenen Signalverarbeitung letztendlich ein Signal Plus, Null oder Minus. Aus den Diagrammzeilen c und 4 erkennt man jeweils, dass die Frequenz der Signalfolge sich verdoppelt hat. Diese Frequenzerhöhung bewirkt eine entsprechende Erhöhung der Auflösung.

In einfachster Ausgestaltung lassen sich die Schwellwertkomparatoren 11 bis 13 für die Binärsignale durch Gatter, beispielsweise ODER-Tore, bilden, die Signaleingänge entsprechend der bit-Zahl aufweisen. Dabei ergibt sich nun die Möglichkeit, von der Binärinformation einen Teil auszublenden. In praktischer Realisierung werden dazu die LSB-wertigen bits (last significant bit) nicht auf die Eingänge der die Komperatoren 11 bis 13 bildenden ODER-Gatter geführt. Im übertragenen Sinne heißt dies, dass die Schwellwertkomperatoren mit dem Schwellenwert in der Höhe justierbar sind.

In der Digitaltechnik ist speziell dieses Prinzip des Verschiebens des LSB-wertigen bit zu höheren Werten als "FAT ZERO" bekannt. Der gesamte Bereich unterhalb des Schwellenwertes wird also als "verbreiterte" Null bewertet, und nur die Signalinformation über dem "FAT ZERO"-Wert entsprechend weiterverarbeitet.

In der Fig. 4 ist in einem Diagramm ein derartiges Beispiel dargestellt. Dabei ist das Signal I A[tief1 + A[tief]2 I bereits gleichgerichtet und nach Fig. 3a addiert, wobei durch die Schwelle nur das durchgezogene Signal zur Weiterverarbeitung ansteht. Es lassen sich so insbesondere Rauschsignale und dgl. gut unterdrücken. Durch Verbreitern bzw. Verschmälern des "FAT ZERO"-Bereiches lässt sich so die Signalinformation gezielt weiterverarbeiten.

Speziell bei der Ultraschall-Signalsverarbeitung ergibt sich durch dieses Prinzip jetzt die Möglichkeit, die Struktur des auf einem Monitor aufgebauten Ultraschall-Bildes zu unterdrücken und im Bild gezielt die Konturen hervorzuheben.

Insgesamt ergibt sich durch die Aufteilung der Ultraschallantenne in mehrere Subantenen eine wesentliche Verbesserung der Richtungscharakteristik im Auflösungsvermögen. Die laterale Auflösung wird verbessert; durch die oben beschriebene, quasi-multiplikative Signalsverarbeitung wird dabei auch der gesamte elektronische Aufwand in vertretbaren Grenzen gehalten. Wird eine bestimmte Anzahl von Wandlern W[tief]1 vorgegeben, so lässt sich für den Einzelfall die Gruppenaufteilung an die Bedürfnisse anpassen, z.B. bei 8 Wandlerelementen 4 Gruppen à 2 Elemente oder 2 Gruppen à 4 Elemente.

4 Figuren

9 Patentansprüche

Zusammenfassung

Vorrichtung zur Ultraschall-Abtastung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ultraschall-Abtastung mit Wandlerelementreihe W[tief]1 bis W[tief]m und Signalverzögerungseinrichtung zur Verzögerung anfallender Echosignale in dem Sinne, dass sich am Ausgang Phasengleichheit der Einzelsignale ergibt. Ziel der Erfindung ist es, eine solche Vorrichtung aufzubauen, mit der bei einer vorgegebenen Anzahl von Wandlern die Nebenkeulen in der Richtungsempfindlichkeit der Antenne beseitigt und trotzdem der elektronische Aufwand in Grenzen gehalten werden kann. Dieses Ziel ist dadurch erreicht, dass von der Verzögerungseinrichtung (3) die Signale jeweils gruppenweise auf Einzeladdierer (5-7) gegeben werden, deren Ausgangssignale in einer Einheit zur quasi-multiplikativen Verarbeitung (10) verknüpft werden. Bei digitaler Technik ergibt sich durch Binärsignalverarbeitung eine erhebliche Vereinfachung unter Ausschaltung der störenden Richtungsempfindlichkeit des Auflösungsvermögens.

Claims

1. Vorrichtung zur Ultraschall-Abtastung mit Ultraschall-Applikator, der durch eine Vielzahl einzelner Wandlerelemente zum Aussenden von Ultraschallsignalen und zum Empfang der Echosignale ausgebildet ist, wobei wenigstens im elektrischen Empfangskreis eine Verzögerungseinrichtung mit nachgeschaltetem Summierverstärker vorgesehen ist, die die anfallenden Echosignale für jedes Wandlerelement zeitlich so verzögert, dass sich in der zeitlichen Reihenfolge des Anfallens von Signalen an den einzelnen Elementen am Summierverstärker Phasengleichheit der Einzelsignale ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass von der Verzögerungseinrichtung (3) die Signale jeweils gruppenweise auf Einzeladdierer (5-7) gegeben werden, deren Ausgangssignale A[tief]1 in einer Einheit zur quasi-multiplikativen Signalverarbeitung (10) verknüpft werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Verzögerungseinrichtung (3) die Signale in den Signalleitungen zugeordneten Analog-/Digital-Wandlern (4) digitalisiert werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzeladdierer (5-7) digitale Addierwerke sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale A[tief]i) der Addierwerke (5-7) als Binärsignale, z.B. mit p-bit, vorliegen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur

quasi- multiplikativen Signalverknüpfung (10) zwei Einzelsignale A[tief1, A[tief]2) der

Addierwerke entsprechend der Vorschrift

(A[tief]1 * A[tief]2 quasi = verknüpft, wobei A[tief]i die Einzelsignale der Addierwerke (5-7) mit p bit bedeuten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur quasi-multiplikativen Signalverknüpfung (10) für jedes Ausgangssignal (A[tief]i ) der Addierwerke (5-7) je einen Schwellwertkomparator (11-13) mit nachgeschaltetem Multiplizierer (15) zur Bildung eines Vorzeichensignals (Mul) einerseits und ein gemeinsames Summationsglied (16) zur Bildung der Absolutsumme der Ausgangssignale (A[tief]i) der Addierer (5-7) andererseits umfasst, welche Signale in einem Multiplexer (17) verknüpft werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellenwerte der Komperatoren (11-13) durch eine Einstelleinheit (14) justierbar sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Komperatoren (11-13) durch ODER-Gatter gebildet werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Justierung der Schwellenwerte die LSB-wertigen bits der Binärinformation von den ODER-Gliedern (11-13) abschaltbar sind.