DE10039346B4

DE10039346B4 - Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen Rauschverringerung für ein Doppler-Audioausgangssignal

Info

Publication number: DE10039346B4
Application number: DE10039346A
Authority: DE
Inventors: Larry Y. L. Waukesha Mo; Richard Marion Richfield Kulakowski jun.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-08-13
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2020-08-12
Also published as: DE10039346A1; JP4808306B2; JP2001095803A; US6251077B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Hintergrundrauschen bei einer Spektral-Doppler-Abbildung unter Verwendung adaptiver Rauschverringerungs-Tiefpassfilter. Ein Paar adaptiver Tiefpassfilter (32) wird in zwei Audio-Doppler-Kanälen zur Unterdrückung von Hintergrundrauschen in Audio-Doppler-Daten angeordnet. Die Tiefpassfilterung kann in dem Frequenzbereich, d. h. vor einer IFFT-Operation (24), oder in dem Zeitbereich, d. h. nach der IFFT-Operation, ausgeführt werden. Maximalfrequenzverfolgungen werden einem Filterauswahlblock (30) zugeführt, der die Filtergrenzen der Tiefpassfilter vorschreibt.

Description

Die Erfindung betrifft Ultraschall-Diagnosesysteme, die die Blutflussgeschwindigkeit unter Verwendung von Spektral-Doppler-Verfahren messen. Die Erfindung betrifft insbesondere eine kontinuierliche Anzeige derartiger Informationen, einschließlich maximaler und mittlerer Blutflussgeschwindigkeiten.
Ultraschall-Abtastvorrichtungen zur Erfassung eines Blutflusses auf der Grundlage des Doppler-Effekts sind allgemein bekannt. Derartige Systeme arbeiten durch Betätigen einer Ultraschallwandleranordnung zur Übertragung von Ultraschallwellen in ein Objekt bzw. einen Patienten und Empfangen von Ultraschallechos, die von dem Objekt zurückgestreut werden. Für Blutflussmessungen werden zurückkommende Ultraschallwellen mit einer Frequenzreferenz zur Bestimmung von Frequenzverschiebungen verglichen, die auf die zurückkommenden Wellen durch sich bewegende Objekte übertragen werden, was Gefäßwände und rote Blutkörperchen innerhalb der Gefäße einschließt. Die Frequenzverschiebungen werden in Bewegungsgeschwindigkeiten übersetzt. Ein Spektrogramm einer intensitätsmodulierten Doppler-Frequenz über der Zeit wird angezeigt, da das Doppler-Abtastvolumen oder die Doppler-Abtastbereichszelle im allgemeinen eine Geschwindigkeitsverteilung umfasst, die mit der Zeit variieren kann.
Bei Ultraschall-Abtastvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik wird ein Impuls- oder Dauerstrich-Doppler-Signalverlauf in Echtzeit als ein Grauwert-Spektrogramm einer Geschwindigkeit über der Zeit berechnet und angezeigt, wobei die Grauwert-Intensität (oder Farbe) mit der Spektralleistung moduliert wird. Die Daten für jede Spektrallinie umfassen eine Vielzahl von Frequenzdatenbereichen für unterschiedliche Frequenzintervalle, wobei die Spektralleistungsdaten in jedem Bereich für eine jeweilige Spektrallinie in einem jeweiligen Bildelement einer jeweiligen Bildelementspalte auf einem Anzeigemonitor dargestellt werden. Jede Spektrallinie stellt eine momentane Blutflussmessung dar.
In einer herkömmlichen Spektral-Doppler-Betriebsart wird eine Ultraschall-Wandleranordnung aktiviert, mittels eines Ultraschall-Übertragungsimpulses zu übertragen, der wiederholt mit einer Impulswiederholfrequenz (PRF) abgegeben wird. Die PRF liegt typischerweise in dem Kilohertz-Bereich. Die zurückkommenden Hochfrequenzsignale (HF-Signale) werden durch die Wandlerelemente erfasst und daraufhin durch eine Strahlformeinrichtung in einen Empfangsstrahl geformt. Für ein digitales System wird das aufsummierte HF-Signal von jeder Abgabe durch eine Demodulationseinrichtung in zugehörige Gleichtakt- und Quadratur-Komponenten (I/Q-Komponenten) demoduliert. Die I/Q-Komponenten werden über ein spezifisches Zeitintervall integriert (aufsummiert) und dann abgetastet. Das Summenintervall und die Übertragungsimpulslänge definieren gemeinsam die Länge des Abtastvolumens, wie es durch einen Anwender spezifiziert ist. Diese so genannte Summier-und-Speicher”-Operation (”sum and dump”-Operation) ergibt auf effektive Weise das von dem Abtastvolumen zurückgestreute Doppler-Signal. Das Doppler-Signal wird durch einen Wandfilter geführt, der ein Hochpassfilter ist, der jede stationärem oder sich sehr langsam bewegendem Gewebe entsprechende Störung in dem Signal sperrt, was einen Teil der Gewebeand (der Gewebewände) umfasst, der in dem Abtastvolumen liegen kann. Das gefilterte Ausgangssignal wird daraufhin einer Spektrumanalyseeinrichtung zugeführt, die typischerweise eine schnelle Fourier-Transformation (Fast-Fourier-Transformation bzw. FFT) über ein sich bewegendes Zeitfenster von 64 von 256 Abtastwerten vornimmt. Das FFT-Ausgangssignal umfasst alle Informationen, die zur Erzeugung einer Videospektralanzeige sowie eines Audioausgangssignals erforderlich sind (typischerweise sind die Diagnose-Doppler-Ultraschall-Frequenzen in dem hörbaren Bereich).
Für eine Videoanzeige wird das Leistungsspektrum aus dem FFT-Ausgangsignal durch Verwenden der Leistung oder eines quadrierten Absolutwertes berechnet. Das Leistungsspektrum wird komprimiert und daraufhin über eine Grauwertabbildung auf dem Monitor als eine einzelne Spektrallinie bei einem bestimmten Zeitpunkt in dem Spektrogramm der Doppler-Geschwindigkeit (Frequenz) über der Zeit angezeigt. Ein positives Frequenzspektrum [0:PRF/2] stellt Flussgeschwindigkeiten zu dem Wandler hin dar, wohingegen ein negatives Frequenzspektrum [–PRF/2:0] einen Fluss von dem Wandler weg darstellt.
Eine automatische Doppler-Maximum-/Mittelwert-Signalverlaufsverfolgung wird üblicherweise ausgeführt, nachdem das FFT-Leistungsspektrum komprimiert worden ist. Die berechneten Maximal-/Mittelwert-Geschwindigkeitsverfolgungen (Maximal-/Mittelwert-Geschwindigkeitskurven) werden üblicherweise als Überlagerungsinformationen auf der Spektrogrammanzeige dargestellt. Von größerer Wichtigkeit ist, dass Werte der Maximalfrequenzverfolgung (f_max) oder der ”Umhüllenden” des Doppler-Spektrogramms bei unterschiedlichen Punkten in dem Herzzyklus in einer Anzahl von Diagnoseindices verwendet werden. Tatsächlich ist berichtet worden, dass eine anormal hohe f_max oder v_max bei einem systolischen Spitzenwert alleine ein guter Indikator einer vaskulären Stenose bzw. Gefäßverengung ist. Ebenso wird V_max auf der Grundlage der Bernoulli-Gleichung zur Abschätzung des Druckabfalls entlang einer Verengung bzw. Stenose verwendet.
Während die Mittelwertfrequenz oder -geschwindigkeit im ersten Augenblick des Doppler-Spektrums definiert wird, kann es schwieriger sein, die Maximalfrequenz in einer übereinstimmenden Weise zu erfassen, insbesondere unter schlechten Rauschabstand-Bedingungen (SNR-Bedingungen). Insbesondere die Maximalfrequenzsignalverlaufverfolgung kann nur auf dem positiven Frequenzspektrum, nur auf dem negativen Frequenzspektrum oder dem zusammengesetzten Spektrum, für das der höchste Absolutfrequenzwert zu jedem Zeitpunkt verfolgt wird, beruhen.
In dem Artikel mit dem Titel ”Objective algorithm for maximum frequency estimation in Doppler spectral analysers”, Med. Biol. Engng. and Comput., Band 23, Seiten 63–68 (1985), wird von D'Alessio ein Verfahren zur Abschätzung eines Maximalfrequenzsignalverlaufs vorgeschlagen, das auf einem Schwellenwertüberschreitverfahren beruht, das die exponentiellen Statistiken des FFT-Leistungsspektrums von weißem Rauschen vor jeder Komprimierung oder nichtlinearen Abbildung berücksichtigt. Ein modifiziertes Schwellenwertverfahren und weitere neue Verfahren sind ebenso vorgeschlagen worden (siehe beispielsweise Mo u. a., ”Comparison of four digital maximum frequency estimators for Doppler ultrasound”, Ultrasound in Med. & Biol., Band 14, Seiten 355–363, 1988, und Vaitkus u. a., ”Development of methods to analyse transcranial Doppler ultrasound signals recorded in microgravity”, Med. Biol. Engng. and Comput., Band 28, Seiten 306–311, 1990), die aber weiterhin auf dem Leistungsspektrum vor einer Komprimierung beruhen. Zur Verwirklichung einer klinischen Echtzeit-Abtastvorrichtung ist es wichtig, die Mittelwert-/Maximalfrequenzen des komprimierten Spektrums zu verfolgen, die exakt so in Grauwerteinheiten ausgedrückt werden, wie sie auf dem Monitor angezeigt werden. Unglücklicherweise kann die (beispielsweise logarithmische) Komprimierung die statistische Verteilung der spektralen Rauschleistung derart wesentlich verändern, dass die vorstehend genannten Verfahren nicht länger anwendbar sind.
In dem US-Patent Nr. 5,287,753 von Routh u. a. ist ein automatisiertes Verfahren auf der Grundlage von Videospektraldaten offenbart. Das Verfahren umfasst ein Finden der höchsten Frequenz mit einer Intensität, die gleich einem Schwellenwert T ist, der als eine Konstante k mal einer mittleren Signalintensität geteilt durch eine mittlere Rauschintensität definiert ist. Der Schwellenwert T wird einmal pro jedem Herzzyklus aktualisiert, um den Signalpegeländerungen aufgrund von Änderungen bei der Messinstrumenteinstellung oder von Bewegungen des Wandlers zu folgen.
In der US-Patentanmeldung Nr. 08/944,119 ( US 5 935 074 A ) mit dem Titel ”Method and Apparatus for Automatic Tracing of Doppler Time-Velocity Waveform Envelope” wird ein analytisches Verfahren zur Verfolgung des maximalen Doppler-Frequenzsignalverlaufs gelehrt. Der Kern des Algorithmus ist ein Maximalfrequenzerfassungsmechanismus, der auf einem Suchen nach dem höchsten Frequenzbereich beruht, dessen Spektralamplitude einen bestimmten Rauschschwellenwert überschreitet. Im Gegensatz zu bestehenden Verfahren, bei denen eine Verwendung einer empirischen Konstante oder mehrerer empirischer Konstanten bei der Einstellung des Schwellenwertpegels erforderlich ist, beruht das Verfahren auf einer theoretischen Rauschamplitudenverteilung in dem Videospektralbereich. Bei dem Verfahren dieser Erfindung wird insbesondere ein präzises Modell der statistischen Verteilung der Videospektralleistung von weißem Rauschen zur Bildung eines Schwellenwerts für eine Maximalfrequenzerfassung verwendet. Ein Eingangswert für das Rauschmodell ist der mittlere Pegel von weißem Rauschen in der Videospektralanzeige, der unter Verwendung eines von zwei analytischen Verfahren berechnet werden kann. Der vorhergesagte Schwellenwert über einem mittleren Rauschpegel ist eine stark nichtlineare Kurve, die einen Schlüssel zum Erreichen einer stabilen Ausführung über unterschiedlichen Anzeige-Dynamikbereichseinstellungen und SNR-Bedingungen darstellt.
Für das Audio-Doppler-Ausgangssignal werden der positive und der negative Frequenzabschnitt, oder die Seitenbänder, des FFT-Ausgangssignals in zwei getrennte Kanäle aufgeteilt, die jeweils das Vorwärts- und das Rückwärts-Flussspektrum darstellen. Für jeden Kanal wird das Seitenband an der Null-Frequenzachse zum Erhalten eines symmetrischen Spektrums gespiegelt, das nach einer inversen FFT-Operation (IFFT-Operation) ein Echtwert-Flusssignal in dem Zeitbereich erzeugt. Sowohl Vorwärts- als auch Rückwärts-Flusssignale werden in analoge Signalverläufe umgewandelt, die den entsprechenden Lautsprechern zugeführt werden.
Bei einem herkömmlichen Spektral-Doppler-System muss, falls das Doppler-Signal schwach ist, die Doppler-Signalverstärkung über eine manuelle Verstärkungsregelung und/oder eine eingebaute automatische Verstärkungsregelung vergrößert werden, damit die Flusssignale klar sichtbar werden oder gehört werden. Unglücklicherweise führt eine Vergrößerung der Doppler-Verstärkung ebenso zu einer Steigerung des Hintergrund-Systemrauschens. Da das Systemrauschen üblicherweise ein flache Leistungsspektraldichte über dem Frequenzbereich –PRF/2 bis +PRF/2 (ausschließlich des Wandfilter-Sperrbandes) aufweist, kann eine Steigerung der zugehörigen Amplitude einen verwirrenden ”Knack”-Laut in dem Audioausgangssignal erzeugen.
Zur Verringerung des Hintergrundsystemrauschens (d. h. des Knack-Lauts) können einfache Tiefpassfilter bei den Audio-Doppler-Daten vor oder nach einer Digital-Analog-Umwandlung angewendet werden. Derartige Tiefpassfilter können jedoch ebenso wichtige Hochfrequenz-Flusskomponenten entfernen, die, falls sie vorhanden sind, sich bis zu ±PRF/2 erstrecken können. Dieses Problem wird durch die Tatsache verkompliziert, dass die Frequenzbandbreite der typischen Blutflusssignalverläufe erheblich über dem Herzzyklus variieren kann.
In der US 5 553 621 ist ein Verfahren zum Doppler-Audio-Dealiasing beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung bereitzustellen, die die vorstehend genannten Probleme lösen können.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.
Der Erfindung ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Hintergrundrauschen bei einer Spektral-Doppler-Abbildung, wobei adaptive Tiefpassfilter zur Rauschverringerung verwendet werden. Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen ist ein Paar adaptiver Tiefpassfilter in zwei Audio-Doppler-Kanälen zur Unterdrückung von Hintergrundrauschen in Audio-Doppler-Daten angeordnet. Die Tiefpassfilterung kann in dem Frequenzbereich, d. h. vor der IFFT-Operation, oder in dem Zeitbereich, d. h. nach der IFFT-Operation, ausgeführt werden. Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel müssen in einigen Dopplersystemen die flussgetrennten Audio-Doppler-Signale nicht durch Vornehmen der IFFT der Spektraldaten erhalten werden. Stattdessen kann ein getrennter Signalverarbeitungsweg zur Umwandlung des Wandfilter-Ausgangssignals direkt in Vorwärts- und Rückwärts-Flusssignale verwendet werden. Für derartige Systeme würde die automatische Signalverlaufsverfolgung bei den ”oberen” und ”unteren” Spektraldaten weiterhin ausgeführt werden (wie es bereits üblicherweise für Diagnose-Signalverlaufsberechnungen ausgeführt wird), und die resultierenden Spektralverfolgungen können einem Filterauswahlblock zugeführt werden, der die Filtergrenzen von Zeitbereichs-Tiefpassfiltern (LPF) bei den Audio-Doppler-Daten vor den Digital-Analog-Wandlern vorschreibt. Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Tiefpassfilter in einer Anzeigeverarbeitungseinheit zur Unterdrückung von Hintergrundrauschen in den Videospektraldaten eingefügt.
Gemäß jedem der vorstehend genannten bevorzugten Ausführungsbeispiele ist jeder Tiefpassfilter dahingehend adaptiv, dass seine Grenzfrequenz dynamisch als eine Funktion der Flusssignalspektrumseigenschaften eingestellt wird. Insbesondere wird eine automatische Spektralsignalverlaufsverfolgung, die bereits bei vielen herkömmlichen Spektral-Doppler-Abbildungsvorrichtungen existiert, zur Herleitung der Filtergrenzen der Tiefpassfilter verwendet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer grundlegenden Signalverarbeitungskette in einem herkömmlichen Spektral-Doppler-Abbildungssystem mit einem Audio-Doppler-Ausgangssignal,
2 ein Blockschaltbild eines Teils eines Spektral-Doppler-Abbildungssystems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem das Audio-Doppler-Ausgangssignal in dem Frequenzbereich tiefpassgefiltert wird,
3 einen Graphen einer Signalleistung über der Frequenz, wobei die fette Linie die Antwort eines Tiefpassfilters mit einem flachen Durchlassbereich gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel anzeigt und f_max der Maximalfrequenzverfolgungswert ist,
4 einen Graphen einer Signalleistung über der Frequenz, wobei die fette Linie die Antwort eines Tiefpassfilters mit einer hohen Grenze und einem Durchlassbereich, der leicht angehoben wird, wenn er sich dem Übergangsbereich nähert, gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel anzeigt,
5 und 6 Blockschaltbilder, die eine Tiefpassfilterung des Audio-Doppler-Ausgangssignals in dem Zeitbereich gemäß weiteren alternativen bevorzugten Ausführungsbeispielen zeigen, und
7 ein Blockschaltbild, das eine Tiefpassfilterung des Videospektralausgangssignals in dem Frequenzbereich gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt.
Ein typisches digitales Echtzeit-Ultraschall-Abbildungssystem mit einer Spektral-Doppler-Abbildungsbetriebsart ist in 1 allgemein gezeigt. Eine Ultraschall-Wandleranordnung 2 wird aktiviert, mittels eines Ultraschallübertragungsimpulses zu übertragen, der wiederholt mit einer Impulswiederholfrequenz (PRF) abgegeben wird. Die PRF liegt typischerweise in dem Kilohertz-Bereich. Zurückkommende HF-Signale werden durch die Wandlerelemente erfasst und daraufhin durch eine Strahlformeinrichtung 4 in einen Empfangsstrahl geformt. Für ein digitales System wird das aufsummierte HF-Signal von jeder Abgabe durch eine Demodulationseinrichtung 6 in zugehörige Gleichtakt- und Quadratur-Komponenten (I/Q-Komponenten) demoduliert. Die I/Q-Komponenten werden über ein spezifisches Zeitintervall integriert (aufsummiert) und daraufhin durch einen ”Summier-und-Speicher”-Block 8 abgetastet. Das Summierintervall und die Übertragungsimpulslänge definieren gemeinsam die Länge des Abtastvolumens, wie es durch einen Anwender spezifiziert ist. Die ”Summier-und-Speicher”-Operation ergibt auf effektive Weise das von dem Abtastvolumen zurückgestreute Doppler-Signal. Das Doppler-Signal wird durch einen Wandfilter 10 geführt, der jede Störung in dem Signal sperrt, die stationärem oder sich sehr langsam bewegendem Gewebe entspricht. Das gefilterte Ausgangssignal wird daraufhin einer Spektrumanalyseeinrichtung zugeführt, die einen Block 12 für eine schnelle Fourier-Transformation (Fast-Fourier-Transformation bzw. FFT) sowie einen Leistungsberechnungsblock 14 umfasst. Der FFT-Block 12 führt eine schnelle Fourier-Transformation über ein sich bewegendes Zeitfenster von 64 bis 256 Abtastwerten aus. Jedes von dem Block 14 ausgegebene FFT-Leistungsspektrum wird komprimiert (Block 16) und zu einem bekannten Anzeigesystem 20 gesendet, das einen zeitbezogenen Anzeigespeicher, eine Videoverarbeitungseinrichtung sowie einen Anzeigemonitor umfasst. Die Videoverarbeitungseinrichtung bildet die komprimierten FFT-Leistungsspektraldaten in Graustufen für eine Anzeige auf dem Monitor als eine einzelne Spektrallinie bei bestimmten Zeitpunkten in dem Spektrogramm der Doppler-Geschwindigkeit (Frequenz) über der Zeit ab.
Das positive Frequenzspektrum [0:PRF/2] stellt Flussgeschwindigkeiten zu dem Wandler hin dar, wohingegen das negative Frequenzspektrum [–PRF/2:0] einen Fluss von dem Wandler weg darstellt. Eine automatische Doppler-Maximum-/Mittelwert-Signalverlaufsverfolgung (Block 18) wird üblicherweise ausgeführt, nachdem das FFT-Leistungsspektrum komprimiert worden ist (Block 16). Die berechneten Maximal-/Mittelwert-Geschwindigkeitsverfolgungen werden üblicherweise als Überlappungsinformationen auf der Spektrogrammanzeige dargestellt.
Für das Audio-Doppler-Ausgangssignal werden die positiven und negativen Frequenzabschnitte, oder Seitenbänder, des Ausgangssignals des FFT-Blocks 12 durch eine Seitenband-Aufteileinrichtung 22 in zwei getrennte Kanäle aufgeteilt, die jeweils das Vorwärts- und das Rückwärts-Flussspektrum (in 1 mit ”FWD.” und ”REV.” bezeichnet) darstellen. Für jeden Kanal wird das Seitenband an der Null-Frequenzachse gespiegelt, um ein symmetrisches Spektrum zu erhalten, das nach einer inversen FFT-Operation (IFFT-Operation; Block 24) ein Echtwert-Flusssignal in dem Zeitbereich erzeugt. Sowohl das Vorwärts- als auch das Rückwärts-Flusssignal werden durch jeweilige Digital-Analog-Wandler (DAC) 26 in analoge Signalverläufe umgewandelt. Die analogen Signalverläufe werden entsprechenden Lautsprechern 28 zugeführt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in 2 allgemein gezeigt ist, wird ein adaptiver Rauschverringerungstiefpassfilter (LPF) 32 in jeden der zwei Audio-Doppler-Kanäle eingefügt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden die Tiefpassfilter 32 zwischen der Seitenwand-Aufteileinrichtung 22 und dem IFFT-Block 24 eingefügt. Jeder Tiefpassfilter 22 ist dahingehend adaptiv, dass seine Frequenzgrenze dynamisch als eine Funktion der Flusssignal-Spektrumeigenschaften eingestellt wird. In dem in 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die adaptive Tiefpassfilterung wie folgt ausgeführt werden:

1) Die automatische Maximalfrequenzsignalverlaufsverfolgung (Block 18) läuft getrennt bei den Spektraldaten über und unter der Grundlinie ab (d. h. sowohl bei dem positiven als auch dem negativen Frequenzspektrum).
2) Die ”oberen” und ”unteren” Spektralverfolgungen werden einem Filterauswahlblock 30 getrennt zugeführt. Der Filterauswahlblock 30 kann ein Verfolgungsanpassungselement verwenden, um zuerst nicht zugehörige Rauschspitzen oder Verfolgungsaussetzer zu entfernen. Ein derartiges Verfolgungsanpasselement kann unter Verwendung einer Vielzahl von Standard-Glättungsverfahren ausgeführt werden, was einen sich bewegenden Mittelwert über den letzten Verfolgungswerten oder einen Mittelwertfilter umfasst. Die jeweiligen angepassten Verfolgungswerte (d. h. Maximalfrequenzen) werden daraufhin verwendet, die Grenzfrequenzen der Rauschverringerungstiefpassfilter einzustellen. Beispielsweise kann die Grenzfrequenz f_max bei beispielsweise 20% über den Verfolgungswerten eingestellt werden. Die Grenzfrequenzen der Rauschverringerungstiefpassfilter 32 für die ”oberen” und ”unteren” Spektraldaten werden unabhängig auf der Grundlage der jeweiligen ”oberen” und ”unteren” Verfolgungsdaten eingestellt.
4) Die Rauschverringerungstiefpassfilter 32 für die ”oberen” und ”unteren” Spektraldaten werden in dem Frequenzbereich durch Multiplizieren der Tiefpassfilterfrequenzantworten mit den Vorwärts-/Rückwärts-FFT-Spektraldaten ausgeführt. Wie es in dem einseitigen Frequenzausdruck gemäß 3 veranschaulicht ist, sollte jeder Tiefpassfilter mit einem glatten Übergangsbereich ausgelegt sein, um Filterübergangszustände nach der IFFT zu vermeiden.
5) Für den Zweck, lediglich das Rauschen zu verringern, kann der Filterdurchlassbereich flach sein, wie es in 3 gezeigt ist. Optional kann für Filter mit einer hohen Grenze (nahe bei ±PRF/2) der Filterdurchlassbereich leicht angehoben sein, wenn er sich dem Übergangsbereich nähert, wie es in 4 gezeigt ist, um die Hochfrequenzkomponenten des Flussspektrums zu erhöhen. Das heißt, der Tiefpassfilter kann als ein Entzerrungsfilter und/oder als ein Rauschverringerungsfilter dienen.
6) Die IFFT-Operationen (Block 24) werden bei den tiefpassgefilterten Spektraldaten ausgeführt, damit die flussgetrennten Audiosignale wie bei einem herkömmlichen Doppler-System, aber mit verringertem Hintergrundrauschen, erhalten werden.

Gemäß einem alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in 7 gezeigt ist, kann das Videospektralrauschen verringert werden. Ähnliche Rauschunterdrückungstiefpassfilter 32 (die in dem Frequenzbereich filtern) können bei dem komprimierten Videospektraldatenausgangssignal aus dem Komprimierungsblock 16 angewendet werden. Der Filterauswahlblock 30 gemäß 7 arbeitet auf die gleiche Weise, wie es vorstehend für den Filterauswahlblock gemäß 2 beschrieben ist.
Gemäß den vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen wird eine automatische Spektralsignalverlaufsverfolgung (die bereits bei vielen guten Abtastvorrichtungen existiert) zur Ansteuerung der Filtergrenzen von Tiefpassfiltern verwendet, um Hintergrundrauschen in den Audio-Doppler- oder Video-Spektraldaten zu unterdrücken. Für einen Fachmann ist ersichtlich, dass die spezifischen Ausführungen für unterschiedliche Systemkonfigurationen variieren können. Beispielsweise kann ein Rauschunterdrückungstiefpassfilter 32' (siehe 5) in dem Zeitbereich nach der IFFT-Operation (Block 24) eingesetzt werden, obwohl die vorstehend beschriebene Frequenzbereichsausführung einfacher ist.
Als weiteres Beispiel werden in einigen Doppler-Systemen die flussgetrennten Audio-Doppler-Signale nicht durch Verwenden der IFFT der Spektraldaten erhalten.
Stattdessen kann ein getrennter Signalverarbeitungsweg, beispielsweise eine Flusstrenneinrichtung 34, zur Umwandlung des Ausgangssignals des Wandfilters 10 direkt in Vorwärts- und Rückwärts-Flusssignale verwendet werden. Für derartige Systeme würde die automatische Signalverlaufsverfolgung bei den ”oberen” und ”unteren” Spektraldaten weiterhin ausgeführt werden (wie es bereits üblicherweise für Diagnose-Signalverlaufsberechnungen ausgeführt wird), und die resultierenden Spektralverfolgungen (beispielsweise die Maximalfrequenz) können einem Filterauswahlblock 30 zugeführt werden, der die Filtergrenzen des Zeitbereichs-Tiefpassfilters 32' vorschreibt, bevor die Audio-Doppler-Daten zu den Digital-Analog-Wandlern 26 gesendet werden.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und äquivalente Elemente an die Stelle entsprechender Elemente gesetzt werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden, um eine bestimmte Situation an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne den zugehörigen essentiellen Schutzbereich zu verlassen. Es sollte für einen Fachmann insbesondere ersichtlich sein, dass die in den 2 sowie 5 bis 7 gezeigten Verfahren als Hardware (beispielsweise als eine digitale Signalverarbeitungsvorrichtung) und/oder als Computerprogramme (beispielsweise als Programme eines Hostcomputers, der in einem Ultraschall-Abbildungssystem eingebaut ist) ausgeführt werden können. Der Ausdruck ”digitale Signalverarbeitungsvorrichtung”, der in den Patentansprüchen verwendet wird, umfasst digitale Signalverarbeitungshardware und/oder Programme.
Wie es vorstehend beschrieben ist, betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Hintergrundrauschen bei einer Spektral-Doppler-Abbildung unter Verwendung adaptiver Rauschverringerungs-Tiefpassfilter. Ein Paar adaptiver Tiefpassfilter 32 wird in zwei Audio-Doppler-Kanälen zur Unterdrückung von Hintergrundrauschen in Audio-Doppler-Daten angeordnet. Die Tiefpassfilterung kann in dem Frequenzbereich, d. h. vor einer IFFT-Operation 24, oder in dem Zeitbereich, d. h. nach der IFFT-Operation, ausgeführt werden. Maximalfrequenzverfolgungen werden einem Filterauswahlblock 30 zugeführt, der die Filtergrenzen der Tiefpassfilter vorschreibt.

Claims

System zur Erzeugung hörbarer Tonwellen aus elektrischen Signalen, die Abtastwertsequenzen von Doppler-Signalen darstellen, die aus einem Abtastvolumen gewonnen werden, das sich bewegende Ultraschall-streuende Objekte beinhaltet, mit einer digitalen Signalverarbeitungsvorrichtung (8, 10, 12, 14, 16, 18, 22, 24) zur Verarbeitung von Doppler-Signal-Abtastwerten zur Erzeugung von Maximalfrequenzdaten, die die Maximalgeschwindigkeiten über der Zeit von Ultraschall-streuenden Objekten in dem Abtastvolumen darstellen, und von Richtungsflussdaten, die den Fluss von Ultraschall-streuenden Objekten in einer vorbestimmten Richtung in dem Abtastvolumen darstellen, einem Tiefpassfilter (32) zur Rauschunterdrückung in den Richtungsflussdaten, einer Grenzfrequenz-Auswahleinrichtung (30) zum adaptiven Einstellen der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters als eine Funktion der Maximalfrequenzdaten und einem Audio-Untersystem (26, 28) zur Erzeugung von hörbaren Tonwellen, die eine Funktion des Ausgangssignals des Tiefpassfilters sind.
System nach Anspruch 1, wobei der Tiefpassfilter in dem Frequenzbereich filtert.
System nach Anspruch 1, wobei der Tiefpassfilter in dem Zeitbereich filtert.
System nach Anspruch 1, mit einer Übertragungseinrichtung (2, 4) zur aufeinanderfolgenden Übertragung einer Vielzahl von Ultraschall-Impulsen in ein Abtastvolumen mit Ultraschallstreuenden Objekten, einer Empfangseinrichtung (2, 4) zum Gewinnen einer jeweiligen Sequenz aufeinanderfolgender Abtastwerte von Doppler-Signalen, die auf jeden Impuls folgen, und einer Demodulationseinrichtung (6) zur Demodulation der Doppler-Signal-Abtastwerte in Gleichtakt- und Quadraturkomponenten, wobei die digitale Signalverarbeitungsvorrichtung aufweist: erste und zweite Wandfilter (10) zur wesentlichen Sperrung von stationärem oder sich sehr langsam bewegendem Gewebe entsprechenden Störungen in den Gleichtakt- und Quadraturkomponenten, eine Spektrum-Analyseeinrichtung (12) zur Erzeugung von Spektraldaten durch eine schnelle Fouriertransformation der wandgefilterten Gleichtakt- und Quadraturkomponenten, eine Einrichtung (22) zur Extrahierung von Frequenzbereichs-Richtungsflussdaten aus den Spektraldaten und eine Einrichtung (24) zur Transformation der Frequenzbereichs-Richtungsflussdaten in Zeitbereichs-Richtungsflussdaten.
System nach Anspruch 4, wobei der Tiefpassfilter zwischen der Einrichtung zur Extrahierung von Frequenzbereichs-Richtungsflussdaten aus den Spektraldaten und der Einrichtung zur Transformierung der Frequenzbereichs-Richtungsflussdaten in Zeitbereichs-Richtungsflussdaten angeordnet ist.
System nach Anspruch 4, wobei der Tiefpassfilter zwischen der Einrichtung zur Transformierung der Frequenzbereichs-Richtungsflussdaten in Zeitbereichs-Richtungsflussdaten und dem Audio-Untersystem angeordnet ist.
System zur Erzeugung hörbarer Tonwellen aus elektrischen Signalen, die Abtastwertsequenzen von Doppler-Signalen darstellen, die aus einem Abtastvolumen gewonnen werden, das sich bewegende Ultraschall-streuende Objekte beinhaltet, mit einer digitalen Signalverarbeitungsvorrichtung zur Verarbeitung von Doppler-Signal-Abtastwerten, einem Tiefpassfilter (32'), einer Grenzfrequenz-Auswahleinrichtung (30) zum adaptiven Einstellen der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters als eine Funktion von Maximalfrequenzdaten, einem Audio-Untersystem (28) zur Erzeugung von hörbaren Tonwellen, die eine Funktion des Ausgangssignals des Tiefpassfilters sind, einer Übertragungseinrichtung (2, 4) zur aufeinanderfolgenden Übertragung einer Vielzahl von Ultraschall-Impulsen in ein Abtastvolumen mit Ultraschallstreuenden Objekten, einer Empfangseinrichtung (2, 4) zum Gewinnen einer jeweiligen Sequenz aufeinanderfolgender Abtastwerte von Doppler-Signalen, die auf jeden Impuls folgen, und einer Demodulationseinrichtung (6) zur Demodulation der Doppler-Signal-Abtastwerte in Gleichtakt- und Quadraturkomponenten, wobei die digitale Signalverarbeitungsvorrichtung aufweist: erste und zweite Wandfilter (50) zur wesentlichen Sperrung von stationärem oder sich sehr langsam bewegendem Gewebe entsprechenden Störungen in den Gleichtakt- und Quadraturkomponenten, und eine Einrichtung (34) zur Extrahierung der Richtungsflussdaten aus den Gleichtakt- und Quadraturkomponenten, wobei der Tiefpassfilter (32') zwischen der Einrichtung (34) zur Extrahierung der Richtungsflussdaten aus den Gleichtakt- und Quadraturkomponenten und dem Audio-Untersystem (28) angeordnet ist.
System zur Anzeige von Spektraldaten aus elektrischen Signalen, die Abtastwertsequenzen von Doppler-Signalen darstellen, die aus einem Abtastvolumen gewonnen werden, das sich bewegende Ultraschall-streuende Objekte beinhaltet, mit einer digitalen Signalverarbeitungsvorrichtung (8, 10, 12, 14, 16, 18) zur Verarbeitung von Doppler-Signal-Abtastwerten zur Erzeugung von Spektraldaten, die die Geschwindigkeiten über der Zeit von Ultraschall-streuenden Objekten in dem Abtastvolumen darstellen, und zur Verarbeitung der Spektraldaten zur Erzeugung von Maximalfrequenzverfolgungsdaten, die die Maximalgeschwindigkeiten über der Zeit darstellen, einem Tiefpassfilter (32) zur Rauschunterdrückung in den Spektraldaten, einer Grenzfrequenz-Auswahleinrichtung (30) zum adaptiven Einstellen der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters als eine Funktion der Maximalfrequenzverfolgungsdaten und einem Anzeigesystem (20) zur Anzeige der tiefpassgefilterten Spektraldaten und der Maximalfrequenzverfolgungsdaten.
System nach Anspruch 8, wobei die Grenzfrequenz-Auswahleinrichtung (30) eine Einrichtung zum Einstellen der Grenzfrequenz auf einen um einen vorbestimmten Prozentsatz größeren Wert als die jeweiligen Werte der Maximalfrequenzverfolgungsdaten umfasst.
System nach Anspruch 8, mit einer Einrichtung (30) zur Glättung der Maximalfrequenzverfolgungsdaten vor dem adaptiven Einstellen der Grenzfrequenz.
Verfahren zum Erzeugen hörbarer Tonwellen aus elektrischen Signalen, die Abtastwertsequenzen von Doppler-Signalen darstellen, die aus einem Abtastvolumen gewonnen werden, das sich bewegende Ultraschall-streuende Objekte beinhaltet, mit den Schritten: Verarbeiten von Doppler-Signal-Abtastwerten zur Erzeugung von Maximalfrequenzdaten, die die Maximalgeschwindigkeiten über der Zeit von Ultraschallstreuenden Objekten in dem Abtastvolumen darstellen, Verarbeiten der Doppler-Signal-Abtastwerte zur Erzeugung von Richtungsflussdaten, die den Fluss von Ultraschall-streuenden Objekten in einer vorbestimmten Richtung in dem Abtastvolumen darstellen, adaptives Einstellen der Grenzfrequenz eines Tiefpassfilters als eine Funktion von Maximalfrequenzverfolgungsdaten, Tiefpassfiltern der Richtungsflussdaten unter Verwendung des Tiefpassfilters zum Rauschunterdrücken und Erzeugen von hörbaren Tonwellen, die eine Funktion des Ausgangssignals des Tiefpassfilters sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Tiefpassfilterung in dem Frequenzbereich ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Tiefpassfilterung in dem Zeitbereich ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt zum adaptiven Einstellen der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters einen Schritt zum Einstellen der Grenzfrequenz auf einen um einen vorbestimmten Prozentsatz größeren Wert als die jeweiligen Werte der Maximalfrequenzverfolgungsdaten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, mit einem Schritt zum Glätten der Maximalfrequenzverfolgungsdaten vor einem adaptiven Einstellen der Grenzfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 11, mit den Schritten Übertragen von Ultraschallimpulsen in ein Abtastvolumen, das sich bewegende Ultraschall-streuende Objekte beinhaltet, Gewinnen einer Vielzahl aufeinanderfolgender Doppler-Signal-Abtastwerte, die von dem Abtastvolumen zurückgestreut werden, Sperren von stationärem oder sich sehr langsam bewegendem Gewebe entsprechenden Störungen in den Doppler-Signalen, Analysieren des Frequenzspektrums der Doppler-Signale zur Erzeugung von Spektraldaten, Herleiten von Maximalfrequenzverfolgungsdaten aus den Spektraldaten für einen Fluss in eine vorbestimmte Richtung, Extrahieren von dem Fluss in die vorbestimmte Richtung entsprechenden Frequenzbereichs-Richtungsflussdaten aus den Spektraldaten, Tiefpassfiltern der Frequenzbereichs-Richtungsflussdaten in dem Tiefpassfilter, Transformieren der tiefpassgefilterten Frequenzbereichs-Richtungsflussdaten in Zeitbereichs-Richtungsflussdaten, Umwandeln der Zeitbereichs-Richtungsflussdaten in analoge Audiosignale und Zuführen der analogen Audiosignale zu einem Lautsprecher.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt zum adaptiven Einstellen der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters einen Schritt zum Einstellen der Grenzfrequenz auf einen um einen vorbestimmten Prozentsatz größeren Wert als die jeweiligen Werte der Maximalfrequenzverfolgungsdaten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, mit einem Schritt zum Glätten der Maximalfrequenzverfolgungsdaten vor dem adaptiven Einstellen der Grenzfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 11, mit den Schritten Übertragen von Ultraschallimpulsen in ein Abtastvolumen, das sich bewegende Ultraschall-streuende Objekte beinhaltet, Gewinnen einer Vielzahl aufeinanderfolgender Doppler-Signal-Abtastwerte, die von dem Abtastvolumen zurückgestreut werden, Sperren von stationärem oder sich sehr langsam bewegendem Gewebe entsprechenden Störungen in den Doppler-Signalen, Analysieren des Frequenzspektrums der Doppler-Signale zur Erzeugung von Spektraldaten, Herleiten von Maximalfrequenzverfolgungsdaten aus den Spektraldaten für einen Fluss in eine vorbestimmte Richtung, Extrahieren von dem Fluss in die vorbestimmte Richtung entsprechenden Frequenzbereichs-Richtungsflussdaten aus den Spektraldaten, Transformieren der Frequenzbereichs-Richtungsflussdaten in Zeitbereichs-Richtungsflussdaten, Tiefpassfiltern der Zeitbereichs-Richtungsflussdaten in dem Tiefpassfilter, Umwandeln der tiefpassgefilterten Zeitbereichs-Richtungsflussdaten in analoge Audiosignale und Zuführen der analogen Audiosignale zu einem Lautsprecher.
Verfahren zum Erzeugen hörbarer Tonwellen, die einen Fluss von Ultraschall-streuenden Objekten darstellen, mit den Schritten Übertragen von Ultraschallimpulsen in ein Abtastvolumen, das sich bewegende Ultraschall-streuende Objekte beinhaltet, Gewinnen einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Doppler-Signal-Abtastwerten, die von dem Abtastvolumen zurückgestreut werden, Wandfiltern der Doppler-Signale zum Sperren von stationärem oder sich sehr langsam bewegendem Gewebe entsprechenden Störungen, Analysieren des Frequenzspektrums der wandgefilterten Doppler-Signale zum Erzeugen von Spektraldaten, Herleiten von Maximalfrequenzverfolgungsdaten aus den Spektraldaten für einen Fluss in eine vorbestimmte Richtung, Extrahieren von dem Fluss in die vorbestimmte Richtung entsprechenden Richtungsflussdaten aus den wandgefilterten Doppler-Signalen, Umwandeln der tiefpassgefilterten Richtungsflussdaten in analoge Audiosignale und Zuführen der analogen Audiosignale zu einem Lautsprecher.
Verfahren zum Anzeigen von Spektraldaten aus elektrischen Signalen, die Abtastwertsequenzen von Doppler-Signalen darstellen, die aus einem Abtastvolumen gewonnen werden, das sich bewegende Ultraschall-streuende Objekte beinhaltet, mit den Schritten Verarbeiten von Doppler-Signal-Abtastwerten zur Erzeugung von Spektraldaten, die die Geschwindigkeiten über der Zeit von Ultraschall-streuenden Objekten in dem Abtastvolumen darstellen, Verarbeiten der Spektraldaten zum Erzeugen von Maximalfrequenzverfolgungsdaten, die die Maximalgeschwindigkeiten über der Zeit darstellen, adaptives Einstellen der Grenzfrequenz eines Tiefpassfilters als eine Funktion der Maximalfrequenzverfolgungsdaten Tiefpassfiltern der Spektraldaten unter Verwendung des Tiefpassfilters zur Rauschunterdrückung, und Anzeigen der tiefpassgefilterten Spektraldaten und der Maximalfrequenzverfolgungsdaten.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Schritt zum adaptiven Einstellen der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters einen Schritt zum Einstellen der Grenzfrequenz auf einen um einen vorbestimmten Prozentsatz größeren Wert als die jeweiligen Werte der Maximalfrequenzverfolgungsdaten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, mit einem Schritt zum Glätten der Maximalfrequenzverfolgungsdaten vor dem adaptiven Einstellen der Grenzfrequenz.