DE102015117893A1

DE102015117893A1 - Strahlbildungsvorrichtung, Ultraschallbildgebungsvorrichtung und Strahlbildungsverfahren

Info

Publication number: DE102015117893A1
Application number: DE102015117893.1A
Authority: DE
Inventors: Moo Ho Bae
Original assignee: Alpinion Medical Systems Co Ltd
Current assignee: Alpinion Medical Systems Co Ltd
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2016-04-21
Also published as: JP2016077907A; US20160109563A1; CN105520752A; CN105520752B; KR20160046669A

Abstract

Offenbart werden eine Strahlungsbildvorrichtung, eine Ultraschallbildgebungsvorrichtung und ein Strahlbildungsverfahren. Die Strahlbildungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann ein Filter enthalten zum Auswählen vorbestimmter erster Spalten entsprechend Niedrigfrequenzkomponenten aus Spalten, die eine Transformationsfunktion zusammensetzen; ferner enthält sie einen Strahlbildungsprozessor zum Transformieren eines Eingangssignals in einen anderen Raum durch Verwenden einer Transformationsfunktion, die sich zusammensetzt aus den vorbestimmten ausgewählten ersten Spalten, um ein Strahlsignal durch Signalverarbeitung innerhalb des transformierten Raums zu erzeugen.

Description

Querverweis zu verwandter Anmeldung (verwandten Anmeldungen)
Die vorliegende Anmeldung nimmt den Vorteil der 35 U.S.C. § 119(a) der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2014-0142895 , eingereicht am 21. Oktober 2014 beim koreanischen Amt für geistiges Eigentum in Anspruch, wobei die Gesamtoffenbarung dieser Anmeldung hier durch Bezugnahme für sämtliche Zwecke als inkorporiert gilt.
Hintergrund
1. Gebiet
Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf eine Strahlbildungstechnik.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Eine Ultraschallbildgebungsvorrichtung erfasst Bilder in Bezug auf ein Schnittbild, einen Blutfluss etc. bezüglich Objekten, beispielsweise sämtlicher Typen von Geweben oder Strukturen innerhalb eines menschlichen Körpers. Eine solche Ultraschallbildgebungsvorrichtung ist relativ klein und billig, sie ist in der Lage, Echtzeitbilder darzustellen, und weil sie mit keinerlei Gefahr für Strahlungsexposition mit Röntgenstrahlen etc. verbunden ist, findet sie weite Verbreitung auf medizinischen Gebieten, beispielsweise in Hospitälern, die Krankheiten am Herzen, am Abdomen und am urologischen System sowie Geburtshilfe und Gynäkologie behandeln.
Die Ultraschallbildgebungsvorrichtung strahlt Ultraschallwellen auf einen Zielbereich innerhalb der Objekte ab, nimmt Echo-Ultraschallwellen auf, die von dem Zielbereich reflektiert wurden, und erzeugt das Ultraschallbild basierend auf der Information über die aufgenommenen Ultraschallwellen. Zu diesem Zweck führt eine Ultraschallbildgebungsvorrichtung eine Strahlbildung durch, um eine Größe einer reflektierten Welle in einem spezifischen Raum bezüglich mehrere Kanaldaten abzuschätzen, die aus Echosignalen stammen, die von der Ultraschallsonde aufgenommen wurden. Die Strahlbildung dient zum Korrigieren der Zeitdifferenz der Ultraschallsignale, die über mehrere Ultraschallsensoren eingegeben wurden, beispielsweise Wandler, sie betonen das Signal an einer speziellen Stelle durch Addieren eines vorbestimmten Gewichtswerts auf jedes eingegebene Ultraschallsignal, das heißt eines Strahlbildungskoeffizienten; oder dient zum Fokussieren der Ultraschallsignale durch relatives Verringern der Signale an den übrigen Stellen. Durch die Strahlbildung kann die Ultraschallbildgebungsvorrichtung passende Ultraschallbilder zum Identifizieren der inneren Struktur des Objekts erzeugen, die dann für einen Benutzer dargestellt werden.
Offenbarung
Es werden geschaffen: eine Strahlbildungsvorrichtung, eine Ultraschallbildgebungsvorrichtung und ein Strahlbildungsverfahren, um den Rechenaufwand zu verringern, der für die Strahlbildung erforderlich ist, damit hierdurch ein Ressourceneinsatz der Strahlbildungsvorrichtung verringert wird, der für die Strahlbildung aufzubringen ist, und damit zusätzlich die Rechengeschwindigkeit gesteigert wird.
Nach einem allgemeinen Aspekt enthält eine Strahlbildungsvorrichtung: ein Filter, konfiguriert, um von Komponenten einer Transformationsfunktion Hochfrequenzkomponenten zu beseitigen und Niederfrequenzkomponenten auszuwählen; und einen Strahlbildungsprozessor, konfiguriert zum Transformieren eines Eingangssignals in einen anderen Raum unter Verwendung der Transformationsfunktion, bestehend aus den ausgewählten Niederfrequenzkomponenten, und zum Erzeugen eines Strahlsignals durch Signalverarbeitung innerhalb des transformierten Raums.
Die Transformationsfunktion kann sich hier aus orthogonalen Polynomen zusammensetzen. Die orthogonalen Polynome können eines der folgenden sein: Hermitische Polynome, Laguerre-Polynome, Jacobi-Polynome, Gegenbauer-Polynome, Tschebyscheff-Polynome oder Legendre-Polynome.
Eine Transformationsfunktion V kann Legendre-Polynome P sein, mit P = [P0, P1, ..., PL – 1)T,
wobei Pk eine k-te Spalte von P ist und c_nk durch ein Gram-Schmidt'sches-Orthonormalisierungsverfahren bestimmt wird. Der Strahlbildungsprozessor kann eine Strahlbildung ausführen, indem er von einer Minimum-Varianz Gebrauch macht, die auf den orthogonalen Polynomen in dem transformierten Raum basiert.
Der Strahlbildungsprozessor kann aufweisen: einen Transformer, konfiguriert zum Erzeugen eines Transformationssignals bezüglich eines Eingangsignals unter Verwendung der Transformationsfunktion; einen Gewichtswertberechner, konfiguriert zum Berechnen eines Transformationssignal-Gewichtswerts, bei dem es sich um einen Gewichtswert bezüglich des Transformationssignals handelt; und einen Kombinierer, konfiguriert zum Erzeugen eines Strahlsignals unter Verwendung des Transformationssignals und des Transformationssignal-Gewichtswerts. Der Gewichtswertberechner kann den Gewichtswert aus einer räumlichen Kovarianz-Matrix berechnen, die erzeugt wird durch räumliches Glätten, um die räumliche Kovarianz-Matrix aus dem Transformationssignal zu generieren.
Nach einem weiteren allgemeinen Aspekt enthält eine Ultraschallbildgebungsvorrichtung: einen Wandler, konfiguriert zum Ausstrahlen von Ultraschallwellen auf ein Subjekt, zum Empfangen eines Signals der von dem Subjekt reflektierten Ultraschallwellen, Transformieren der empfangenen Ultraschallwellen, und Ausgeben mehrerer Ultraschallsignale; einen Strahlbildner, konfiguriert zum Transformieren des Signals der Ultraschallwellen, die durch den Wandler hindurch eingegeben wurden, in einen anderen Raum, unter Verwendung einer Transformationsfunktion, zum Erzeugen eines Strahlsignals durch Signalverarbeitung innerhalb des transformierten Raums, Beseitigen von Hochfrequenzkomponenten aus Komponenten der Transformationsfunktion und Auswählen und Verarbeiten von Niedrigfrequenzkomponenten; und einen Bilderzeuger, konfiguriert zum Erzeugen eines Bilds unter Verwendung eines Strahlsignals, welches von dem Strahlbildner erzeugt wurde.
Nach einem noch weiteren allgemeinen Aspekt enthält ein Strahlbildungsverfahren die Merkmale: Entfernen von Hochfrequenzkomponenten und Auswählen von Niedrigfrequenzkomponenten aus Komponenten einer Transformationsfunktion; und Transformieren eines Eingangssignals in einen anderen Raum durch Verwenden der Transformationsfunktion, die sich zusammensetzt aus den ausgewählten Niedrigfrequenzkomponenten, und Erzeugen eines Strahlsignals durch Signalverarbeitung innerhalb des transformierten Raums.
Weitere Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm eines Beispiels einer Strahlbildungsvorrichtung nach einer beispielhaften Ausführungsform.
2 ist ein detailliertes Diagramm, welches ein Beispiel eines Strahlbildungsprozessor gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Ultraschall-Bildgebungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt.
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Hochfrequenzkomponente veranschaulicht, die durch lediglich räumliches Glätten nach einer beispielhaften Ausführungsform beseitigt wird.
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für das Vergleichen der Continuous-Wave-(CW-)Strahlenmuster einer Transformationsfunktion P basierend auf Legendre-Polynomen und der Transformationsfunktion von Fourier-Transformationsfunktionen B und das auf einer Hauptkomponentenanalyse basierende Minimun-Varianz-Strahlformverfahren (”PCA MV BF”) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
6 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels für ein Strahlbildungsverfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
Wenn nichts anderes angegeben ist, beziehen sich in sämtlichen Zeichnungen und in der detaillierten Beschreibung gleiche Bezugszeichen in der Zeichnung auf gleiche Elemente, Merkmale und Strukturen. Die relative Größe und Darstellung dieser Elemente kann aus Gründen der Deutlichkeit, der Veranschaulichung und der Zweckmäßigkeit übertrieben dargestellt sein.
Detaillierte Beschreibung
Die folgende Beschreibung soll dem Leser helfen, ein umfangreiches Verständnis der Verfahren, der Vorrichtungen und/oder der hier beschriebenen Systeme zu erlangen. Dementsprechend werden dem Fachmann verschiedene Änderungen, Modifikationen und Äquivalente der Verfahren, Vorrichtungen und/oder Systeme, die hier beschrieben werden, nahegelegt. Außerdem können zur Steigerung der Klarheit und Knappheit Erläuterungen gut bekannter Funktionen und Konstruktionen entfallen.
1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Strahlformungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht, Nach 1 enthält eine Strahlbildungsvorrichtung 1 einen Filter 10 und einen Strahlbildungsprozessor 12.
1 veranschaulicht die Strahlbildungsvorrichtung 1, die lediglich relevante Elemente der beispielhaften Ausführungsformen enthält. Es versteht sich also für den Fachmann, dass 1 dort nicht dargestellte, weitere allgemein gängige Elemente enthalten kann.
Außerdem können zumindest einige Elemente, die die Strahlbildungsvorrichtung 1 auf 1 bilden, ein Prozessor oder mehrere Prozessoren sein. Die Prozessoren können in mehreren Arrays von Logik-Gattern oder in Kombination eines Mehrzweck-Mikroprozessors und eines Speichers implementiert werden, wobei letzterer ein Programm speichert, welches in einem solchen Mikroprozessor ausführbar ist. Außerdem ersieht der Fachmann, dass der Prozessor auch in anderen Hardware-Typen implementiert werden kann.
Die Strahlbildungsvorrichtung 1 empfängt ein Echosignal, welches von einem Subjekt reflektiert wurde, und sie erzeugt daraus einen Empfangsstrahl. Das Subjekt kann hier zum Beispiel das Abdomen, das Herz, etc. eines menschlichen Körpers sein, oder das Echosignal kann ein Ultraschallsignal sein, welches von dem Subjekt reflektiert wurde, worauf die beispielhaften Ausführungsformen allerdings nicht beschränkt sind.
Der Strahlbildungsprozessor 10 transformiert ein Eingangssignal eines Elementeraums in einen transformierten Raum, bei dem es sich um einen anderen Raum handelt, unter Verwendung einer Transformationsfunktion, und er erzeugt ein Strahlsignal innerhalb des transformierten Raums mit Hilfe einer Signalverarbeitung, um anschließend das Strahlsignal auszugeben. Die Transformationsfunktion lässt sich als Transformationsmatrix ausdrücken.
Das Strahlbildungsverfahren des Strahlbildungsprozessors 12 variiert. Nach einer beispielhaften Ausführungsform verwendet der Strahlbildungsprozessor 12 ein Strahlraum-adaptives Strahlbildungsverfahren (im Folgenden verkürzt als ”BASF” bezeichnet, abgeleitet von ”beamspace adaptive beamforming method”), ein Hauptkomponentenanalyse-basiertes Minimum-Varianz-Strahlbildungsverfahren (im Folgenden abgekürzt als ”PCA MV BF”, abgeleitet von principal component analysis-based minimum variance beamforming), und dergleichen. Die oben angesprochenen Verfahren weisen gemeinsame Merkmale des Transformierens des Eingangssignals des Elementeraums in einen anderen Raum mit Hilfe einer Transformationsfunktion auf, bei der es sich um eine orthonormale Basismatrix handelt, wobei die Dimension einer jedes Eingangssignal betreffenden räumlichen Kovarianz-Matrix, die in mehrere Kanäle eingegeben wird, durch Signalverarbeitung reduziert wird, so zum Beispiel durch Approximation, die nur essentielle Komponenten in dem transformierten Raum übrig lässt. Dementsprechend lässt sich die Inverse der Kovarianz-Matrix sehr einfach berechnen.
Der Strahlbildungsprozessor 12 macht beim Transformieren des Raums von einer Transformationsfunktion Gebrauch, die sich aus orthogonalen Polynomen zusammensetzt. Die orthogonalen Polynome sind eine Reihe von Polynomen, die die Orthogonal-Relation erfüllen. Die orthogonalen Polynome können zum Beispiel sein: die Hermite-Polynome, die Laguerre-Polynome, die Jacobi-Polynome, die Gegenbauer-Polynome, die Tschebyscheff-Polynome oder die Legendre-Polynome. Im Folgenden werden die orthogonalen Polynome basierend auf den Legendre-Polynomen beschrieben, auf die die orthogonalen Polynome allerdings nicht beschränkt sind.
Der Strahlbildungsprozessor 12 verwendet als Transformationsfunktion die Orthonormal-Matrix, die sich aus den Legendre-Polynomen zusammensetzt. Insbesondere kann der Strahlbildungsprozessor 12 die Legendre-Polynome als eine Transformationsfunktion in einem MV-BF-Verfahren verwenden. In einem solchen Fall kann der Strahlbildungsprozessor 12 seine Leistungsfähigkeit auch dann beibehalten, wenn der Rechenaufwand für das MV-BF drastisch reduziert wird. Im Folgenden wird ein Verfahren unter Verwendung der Matrix aus den Legendre-Polynomen als Transformationsfunktion zum Transformieren des Eingangssignals des Elementeraums in den transformierten Raum als das auf Legendre-Polynomen basierende (LP-)MV-BF-Verfahren bezeichnet.
Der Strahlbildungsprozessor 12 führt die Approximation des MV-BF durch das LP-MV-BF-Verfahren genauer als das BA-BF aus. Während eine räumliche Kovarianz-Matrix in passender Weise abgeschätzt wird durch geeignete Anwendung der Eigenschaften einer Funktion auf der Basis einer Fourier-Transformation und der Legendre-Polynome bei der BA-BF, berechnet der Strahlbildungsprozessor 12 sehr einfach und effektiv das räumliche Glätten, um eine Signalauslöschung zu unterbinden, die ihre Ursache hat in der Kohärenz jeder der Kanalsignale.
Das Filter 10 ist ein Tiefpassfilter, welches die Niedrigfrequenzkomponenten in dem Elementeraum, der einer Seitenkeule nahe der Front eines Strahlenmusters entspricht, filtert und erfasst. Das Filter 10 selektiert hier einige der ersten, die Niedrigfrequenzkomponente repräsentierenden ersten Spalten, welche die Transformationsfunktion bilden. Der Grund dafür, dass die Tiefpassfilterung ausführbar ist, liegt in dem Umstand, dass, wenn die räumliche Glättung ausgeführt wird, die weit weg von der Front befindlichen Hochfrequenzkomponenten, in denen das Strahlmuster gebildet wird, größtenteils entfernt werden. Die Hochfrequenz- und die Niedrigfrequenzkomponenten bedeuten hier, dass die Frequenzkomponenten in der seitlichen Richtung bei räumlicher Betrachtung hohe Frequenzen bzw. niedrige Frequenzen haben.
Falls der Strahlbildungsprozessor 12 die Strahlbildung in dem transformierten Raum mit Hilfe des MV-BF-Verfahrens ausführt, kann das Filter 10 nach einer beispielhaften Ausführungsform den Rechenaufwand, der erforderlich ist, zum Berechnen der Inversen einer räumlichen Kovarianz-Matrix, durch Verwendung von lediglich einiger essentieller Komponenten in dem transformierten Raum drastisch reduzieren. Beispielsweise kann der Strahlbildungsprozessor 10 die Dimension der räumlichen Kovarianz-Matrix verringern, indem er einige von den ersten Spalten aus den Transformationsmatrizen erfasst und deren Eingangssignale transformiert. Einige der ersten Spalten aus den Transformationsmatrizen stehen für die essentiellen Komponenten beim Berechnen der MV-BF.
Falls der Strahlbildungsprozessor 12 die Strahlbildung unter Verwendung einer Fourier-Transformationsmatrix für die BA-BF in dem transformierten Raum ausführt (auch als Butler-Matrix bezeichnet), verwendet das Filter 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform einige der ersten Spalten der Fourier-Transformationsmatrizen. Einige der ersten Spalten repräsentieren die Niedrigfrequenzkomponenten, welche einer Brennpunktrichtung und der dem Brennpunkt nahen Strahlkomponente entsprechen. Angenommen, dass die Interferenz größtenteils in der Nähe der Front-Richtung entsteht, so kann der Strahlbildungsprozessor 12 die Dimension der räumlichen Kovarianz-Matrix unter Verwendung ausschließlich derartiger Spalten wirksam reduzieren.
Für den Fall, dass der Strahlbildungsprozessor 12 die Strahlbildung unter Verwendung eines PCA-MV-BF-Verfahrens ausführt, welches die PCA auf die Menge mehrerer MV-Gewichtswerte anwendet, die nach dem MV-BF-Verfahren berechnet wurden, kann das Filter 10 die Dimension der räumlichen Kovarianz-Matrix durch Verwendung nur einiger der ersten Spalten reduzieren. Diese Spalten können auch die Front-Richtung und die in der Nähe der Front befindliche Strahlkomponente präsentieren.
Falls der Strahlbildungsprozessor 12 ein auf orthogonalen Polynomen basierendes MV-BF-Verfahren ausführt, macht das Filter 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform nur von einigen der ersten Spalten der Transformationsfunktion Gebrauch, die sich aus den orthogonalen Polynomen zusammensetzt. Da diese Spalten der Transformationsfunktion die Komponenten von niedriger Frequenz zu hoher Frequenz der Reihe nach repräsentiert, entsprechen einige der ersten Spalten der Niedrigfrequenzkomponente in gleicher Weise wie die Fourier-Transformationsfunktion.
Durch das räumliche Glätten der MV-BF können eine X-Typ- und eine Längsseitenkeule beseitigt werden, die bei einem Verzögerungs- und Aufsummier-Strahlbildungsverfahren (im Folgenden als ”DAS BF” bezeichnet, abgeleitet von delay-and-sum beamforming) beobachtet wird. Obschon die Dimensionsverringerung ausgeführt wird, um unter Verwendung derartiger Eigenschaften nur die Eigenschaften der Seitenkeule zu behandeln, die sich in der Nähe der Front befindet, und die übrigen hochfrequenten Eigenschaften in der MV-BF zu beseitigen, welche die auf Legendre-Polynomen basierende Transformationsfunktion verwendet, lassen sich die Eigenschaften der MV-BF sehr gut aufrechterhalten. Anhand der weiter unten zu beschreibenden 4 wird bestätigt, dass die Hochfrequenzeigenschaften nur durch das räumliche Glätten beseitigt werden.
Als Verfahren zum Verbessern der Leistungsfähigkeit der Strahlbildungsvorrichtung 1, insbesondere der Auflösung in seitlicher Richtung und der Kontrastauflösung, wird im Folgenden der Hintergrund, vor dem die auf orthogonal-Polynomen basierende Transformationsfunktion, so z. B. die Legendre-Polynome, bei der Ausführung der MV-BF verwendet wird, sowie deren Funktion speziell beschrieben.
Eine Ultraschalldiagnosevorrichtung kann von einem DAS-BF-Verfahren Gebrauch machen, um einen Ultraschallstrahl in der gewünschten Richtung zu fokussieren. Bei der Ausführung der DAS-BF sind Gewichtswerte eines für ein aus den Array-Elementen kommendes Empfangssignal passenden Typs erforderlich, um durch Anwendung auf das Signal den Pegel von Stördaten zu senken, die von einem Echosignal erzeugt werden, das aus der unerwünschten Richtung kommt, wobei es eine Beschränkung bezüglich der Breite einer Hauptkeule gibt, welche erweitert werden soll.
Als ein Verfahren zum Verbessern der Leistungsfähigkeit einer Ultraschalldiagnosevorrichtung durch Auflösen einer derartigen Beschränkung gibt es ein Verfahren des Anwendens der MV-BF (nach dem Namen des Erfinders als Capon-Strahlformung bezeichnet). Die MV-BF kann auch dazu eingesetzt werden, das aus der gewünschten Richtung kommende Signal als Einheitsverstärkung von ”1” durchzulassen, während das aus einer anderen Richtung kommende Signal optimal reduziert wird, indem basierend auf den Eingangsdaten für jeden Empfangs-Brennpunkt ein optimaler Gewichtswert berechnet und angewendet wird (d. h. eine Überlappungsfunktion). Dementsprechend lässt sich die MV-BF dazu verwenden, gleichzeitige die räumliche Auflösung und die Kontrastauflösung zu verbessern, weil, während der Pegel der Stördaten gesenkt wird, die Breite der Hauptkeule verringert wird, was verschieden von dem DAS-BF ist.
Einer der größten Nachteile des MV-BF besteht im Vergleich zu dem DAS-BF darin, dass der erforderliche Rechenaufwand zu groß ist für die Anwendung bei der Ultraschalldiagnosevorrichtung, bei der die Echtzeitverarbeitung von Bedeutung ist. Das heißt: das MV-BF-Verfahren kann einen großen Rechenaufwand deshalb erfordern, weil die Inverse der räumlichen Kovarianz-Matrix gewonnen werden muss. Damit muss der Rechenaufwand reduziert werden, während die Leistungsfähigkeit der MV-BF möglichst nicht verringert wird.
Ein Vorgang zum Erfassen der Inversen der räumlichen Kovarianz-Matrix erfordert den größten Rechenaufwand. Wenn die Dimension der räumlichen Kovarianz-Matrix L×L beträgt, ist zum Ermitteln von deren inverser Matrix O (L3) Berechnung erforderlich. Als Lösung dazu werden die Eingangsdaten vom Elementeraum in einen anderen Raum transformiert, und anschließend werden diejenigen Komponenten in dem anderen Raum entfernt, die die Leistungsfähigkeit des MV-BF weniger beeinflussen, demzufolge sich die Dimension der räumlichen Kovarianz-Matrix drastisch reduzieren lässt, was zu einer einfachen Berechnung der Inversen der Kovarianz-Matrix führt. Dieses Verfahren kann z. B. das BA-BF, PCA-MV-BF auf Basis der Fourier-Transformation und dergleichen enthalten.
Der Strahlbildungsprozess 12 verwendet als Basismatrix für die Raumtransformation orthogonale Polynome. Die orthogonalen Polynome können im Vergleich zu den BA-BF-, PCA-MV-BF-Verfahren und dergleichen einen kleineren oder ähnlichen Approximationsfehler hervorrufen, der verursacht wird durch die Dimensionsverkleinerung, wenn die Dimension der räumlichen Kovarianz-Matrix gleichermaßen reduziert wird.
2 ist ein detailliertes Diagramm, welches ein Beispiel eines Strahlbildungsprozessors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
Nach 2 enthält ein Strahlbildungsprozessor 12 einen Transformierer 120, einen Gewichtswertrechner 122 und einen Kombinierer 124.
Der Transformierer 120 empfängt von außerhalb ein Eingangssignal x, transformiert das empfangene Eingangssignal x unter Verwendung einer vorbestimmten Transformationsfunktion V, und gibt das Transformationssignal U aus, welches nach dem Transformieren des Eingangssignals erfasst wird.
In einer beispielhaften Ausführungsform transformiert der Transformierer 120 das Eingangssignal X gemäß der Transformationsfunktion V, die vorab von einem Benutzer, einem System-Designer oder dergleichen eingerichtet wurde. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform empfängt der Transformierer 120 die Transformationsfunktion V zum Transformieren des Eingangssignals x aus einem Transformationsfunktions-Speicher 14, der mit mindestens einer Transformationsfunktion V bestückt ist, und transformiert das Eingangssignal x unter Verwendung der empfangenen Transformationsfunktion. Das von dem Transformierer 120 erzeugte Transformationssignal u wird an den Kombinierer 124 gegeben.
Das Eingangssignal x kann sich aus mehreren Eingangssignalen zusammensetzen, die über mehrere Kanäle eingegeben werden. D. h., das Eingangssignal x kann eine Menge von Eingangsignalen der mehreren Kanäle sein. Außerdem kann das Transformationssignal u eine Menge der Transformationssignale der mehreren Kanäle sein.
Wenn die Transformationsfunktion V gegeben ist, ist die Dimension des Transformationssignals u kleiner als diejenige des Eingangssignals x. Insbesondere dann, wenn die Transformationsfunktion als eine M×N-Matrix mit der Bedingung M > N gegeben ist, und wenn das Eingangssignal als eine M×1-Matrix gegeben ist (d. h., wenn das Eingangssignal x M-dimensional ist), so ist das Transformationssignal u, welches das Rechenergebnis daraus ist, als eine N×1-Matrix gegeben, demzufolge die Dimension des Transformationssignals u kleiner als die des Eingangssignals x wird. Wie beschrieben, wird, wenn die Dimension verringert wird, der Rechenaufwand relativ verkleinert, so dass sich Eignung und Geschwindigkeit für den Rechenvorgang verbessern lassen.
Die Transformationsfunktion V kann vorab eingerichtet werden. In einem solchen Fall kann die Transformationsfunktion V dadurch ermittelt werden, dass vorab zusätzlich mindestens eine Transformationsfunktion V basierend auf verschiedenen Eingangssignalen x berechnet wird, die sich durch Versuche oder Theorien ermitteln lassen, um mindestens eine der Transformationsfunktionen V zu definieren, die in die verschiedenen Eingangssignale eingesetzt oder auf diese angewandt wird. Wie oben beschrieben, kann der Transformationsfunktions-Speicher 14 basierend auf mindestens einer der Transformationsfunktionen V eingerichtet werden, die vorab definiert wurde.
Der Transformierer 120 empfängt von dem Transformationsfunktions-Speicher 14 eine vorbestimmte Transformationsfunktion V, die durch einen derartigen Prozess ermittelt wurde, und durch Verwenden der empfangenen Transformationsfunktion V erzeugt er ein Transformationssignal u. In einem solchen Fall kann die Transformationsfunktion V die Kombination mehrerer Basisvektoren bv sein, die von einem Benutzer aus mehreren Basisvektoren ausgewählt wurden, die in dem Transformationsfunktions-Speicher 14 gespeichert sind. D. h.: der Transformierer 120 kann die mehreren Basisvektoren bv in dem Prozess des Empfangens der Transformationsfunktion V empfangen, um die Transformationsfunktion V zu verwenden, die erzeugt wird durch die Kombination der empfangenen Basisvektoren bv, um das Eingangssignal x zu transformieren.
Das erzeugte Transformationssignal u wird an den Kombinierer 124 gesendet, und mit einem Transformationssignal-Gewichtswert β kombiniert, welcher von dem Gewichtswertrechner 122 berechnet wird, welcher weiter unten speziell beschrieben wird. Wie oben für die beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, kann der Kombinierer 120 an den Gewichtswertrechner 122, der weiter unten speziell erläutert wird, mindestens eines von dem Eingangssignal x und der Transformationsfunktion V, die zugeleitet wurden, senden. Der Transformierer 120 kann das Transformationssignal u an den Gewichtswertrechner 122 senden, was in 2 allerdings nicht dargestellt ist.
Der Gewichtswertrechner 122 kann den transformierten Gewichtswert β berechnen, bei dem es sich um den Gewichtswert handelt, der auf das von dem Transformierer 120 ausgegebene Transformationssignal u addiert wird. Der Gewichtswertrechner 122 kann den Transformationssignal-Gewichtswert β mit Hilfe des Eingangssignals x und/oder der Transformationsfunktion V berechnen. In einem solchen Fall kann der Gewichtswertrechner 122 das Eingangssignal x oder die Transformationsfunktion V direkt von einem Signalgenerator oder aus dem Transformationsfunktions-Speicher 14 empfangen, der Signale generiert, beispielsweise in Form eines Wandlers. Weiterhin kann der Gewichtswertrechner 122 von dem Transformierer 120 das oben erwähnte Eingangssignal x oder die Transformationsfunktion V empfangen.
Der Gewichtswertrechner 122 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform berechnet den Transformationssignal-Gewichtswert β basierend auf dem Eingangssignal x und der Transformationsfunktion V, die vorab von einem Benutzer oder dergleichen eingerichtet wurde, oder die von einem zusätzlichen Transformationsfunktions-Speicher 14 gesendet wurde, um anschließend den generierten Transformationssignal-Gewichtswert β an den Kombinierer 124 zu senden.
Der Transformationssignal-Gewichtswert β kann abhängig von dem Eingangssignal x oder der verwendeten Transformationsfunktion V unterschiedlich sein. Die Transformationsfunktion V kann vorab berechnet werden, um definiert zu sein, und sie kann verwendet werden, indem sie nach Maßgabe des Eingangssignals x derart ausgewählt wird, dass der Transformationssignal-Gewichtswert β hauptsächlich in Abhängigkeit des Eingangssignals x unterschiedlich ist.
Der Transformationssignal-Gewichtswert β kann in Form eines vorbestimmten Spaltenvektors gegeben sein, und wenn die Transformationsfunktion V in der Form einer M×N-Matrix ausgedrückt ist, ist der Transformationssignal-Gewichtswert β in Form einer N×1-Matrix gegeben, d. h. in Form eines N×1-Spaltenvektors.
Der Kombinierer 124 erzeugt ein Ergebnissignal x' basierend auf dem Transformationssignal u, welches von dem Transformierer 120 erzeugt und ausgegeben wurde, und auf dem Transformationssignal-Gewichtswert β, der von dem Gewichtswertrechner 122 berechnet wurde. In einem solchen Fall kann der Kombinierer 124 das Ergebnissignal x' dadurch erzeugen, dass er das Transformationssignal u und den Transformationssignal-Gewichtswert β kombiniert, und er kann beispielsweise ein Ergebnissignal x' dadurch erzeugen, dass er die gewichtete Summe des Transformationssignals u und des Transformationssignal-Gewichtswert β berechnet. Im Ergebnis kann die Strahlbildungsvorrichtung das Ergebnissignal x erzeugen und ausgeben, welches ermittelt wurde, nachdem die Strahlbildung bezüglich eines vorbestimmten Eingangssignals x erfolgt ist.
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Ultraschallbildgebungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
Nach 3 enthält eine Ultraschallbildgebungsvorrichtung 3 einen Wandler 300, einen Strahlbildner 310, einen Bilderzeuger 320, eine Anzeige 330, einen Speicher 310 und eine Ausgabe 350.
Der Strahlbildner 310 ist eine beispielhafte Ausführungsform der Strahlbildungsvorrichtung 10 nach 1 und 2. Was oben also in Verbindung mit 1 und 2 erläutert wurde, ist auch anwendbar auf die in 3 dargestellte Ultraschallbildgebungsvorrichtung, so dass hier auf eine überlappende Beschreibung verzichtet wird.
Die Ultraschallbildgebungsvorrichtung 3 liefert ein Bild eines Objekts. Beispielsweise kann die Ultraschallbildgebungsvorrichtung 3 ein diagnostisches Bild anzeigen, welches ein Subjekt darstellt, oder sie kann an ein externes Gerät ein Signal ausgeben, welches das diagnostische Bild repräsentiert, wobei das externe Gerät das diagnostische Bild des Subjekts anzeigt. Das diagnostische Bild kann ein Ultraschallbild sein, worauf die beispielhaften Ausführungsformen allerdings nicht beschränkt sind.
Der Wandler 300 sendet und empfängt ein Signal zu dem Subjekt bzw. von dem Subjekt. Der Wandler 300 sendet ein Sendesignal zu dem Subjekt und empfängt ein Echosignal, welches von dem Subjekt reflektiert wurde.
Durch Verwenden mehrere Basisvektoren, die von dem Strahlbildungskoeffizienten eines vorab gemessenen Echosignals ermittelt wurden, berechnet der Strahlbildner 310 einen Gewichtswert für die Anwendung auf das Echosignal, welches von dem Subjekt reflektiert wurde, er wendet den berechneten Gewichtswert auf das von dem Subjekt reflektierte Echosignal an, und er kombiniert die Signale, auf die der Gewichtswert angewendet wurde. Eine derartige Mehrzahl von Basisvektoren kann in dem Strahlbildner 310 oder in dem Speicher 340 gespeichert werden. Dementsprechend kann der Strahlbildner 310 die Strahlbildung unter Verwendung von mindestens einem Teil der mehreren gespeicherten Basisvektoren ausführen. Die Anzahl der Basisvektoren lässt sich durch den Benutzer bestimmen. Gleichermaßen berechnet der Strahlbildner 310 unter Verwendung der mehreren Basisvektoren den Gewichtswert und wendet dann den berechneten Gewichtswert an, so dass die Strahlbildung unter Verwendung eines reduzierten Rechenaufwands ausgeführt werden kann.
Die Bilderzeuger 320 erzeugt ein Bild unter Verwendung der Signale, die von dem Strahlbildner 310 ausgegeben werden. Der Bilderzeuger 320 kann einen digitalen Signalprozessor (DSP) und einen digitalen Scan-Wandler (DSC; digital scan converter) enthalten. Nach einer beispielhaften Ausführungsform führt der DSP eine Signalverarbeitungsaufgabe des Signals aus, welches von dem Strahlbildner 310 ausgegeben wurde. Der DSC erzeugt ein Bild durch Abtasten und Umwandeln von Bilddaten, die unter Verwendung des Signals bereitgestellt werden, welches seinerseits nach der Ausführung der Signalverarbeitungsaufgabe ermittelt wurden.
Die Anzeige 330 zeigt das von dem Bilderzeuger 320 erzeugte Bild an. Die Anzeige 330 kann beispielsweise Ausgabegeräte wie z. B. eine Anzeigetafel, eine Maus, einen LCD-Bildschirm, einen Monitor oder dergleichen enthalten, die in der Ultraschallbildgebungsvorrichtung vorhanden sind. Der Fachmann ersieht, dass die Ultraschallbildgebungsvorrichtung 3 auch ohne die Anzeige 330 arbeiten kann, dann allerdings die Ausgabeeinrichtung 350 enthält, um das von dem Bilderzeuger 320 erzeugte Bild an eine externe Anzeige auszugeben.
Der Speicher 340 speichert das von dem Bilderzeuger 320 erzeugte Bild, und die Bilddaten, die erzeugt wurden, während einer Operation der Ultraschallbildgebungsvorrichtung ausgeführt wird. Die Ausgabe 350 kann Daten zu einem externen Gerät über ein verdrahtetes/drahtloses Netzwerk, eine verdrahtete serielle Verbindung oder dergleichen senden oder von ihm empfangen. Das externe Gerät kann ein anderes medizinisches Bildgebungssystem, ein Mehrzweck-Computersystem, ein Faksimilegerät oder dergleichen sein. Der Fachmann erkennt außerdem, dass der Speicher 340 und die Ausgabeeinrichtung 350 weiterhin Bilddekodier- und Suchfunktionen enthalten können, die in der nachfolgenden Einheit integriert sind, so z. B. ein Bildarchivierungs-Kommunikationssystem (PACS).
Da der bei der Ausführung der Strahlbildung in dem Strahlbildner 310 zu bewältigende Rechenaufwand nicht groß ist, kann die Ultraschallbildgebungsvorrichtung 3 ein hochauflösendes Bild in Echtzeit erzeugen.
Im Folgenden werden anhand der nachstehenden Gleichungen unterschiedliche Strahlbildungsverfahren speziell beschrieben.
Ein Strahlbildungsprozess einer Ultraschalldiagnosevorrichtung lässt sich durch folgende Gleichung 1 repräsentieren:
In der Gleichung 1 bedeutet xm[n] ein Empfangssignal jedes Kanals, auf den eine Fokussier-Verzögerung angewendet wird; m einen Kanalindex; n einen Zeitindex; wm[n] Gewichtswerte zur Anwendung auf das Signal jedes Kanals, auch als Überlappung bezeichnet; und z[n] ein Ausgangssignal der Strahlbildungsvorrichtung.
MV-BF kann dazu verwendet werden, die Varianz von z[n] zu ermitteln, d. h., den Wert w, der eine Leistung minimiert, während die Verstärkung des Frontsignals in der gewünschten Richtung auf ”1” gehalten wird, z. B. in dem Signal, auf welches die Fokussier-Verzögerung angewendet wird. Hier ist w[n] = [w0[n], w1[n], ..., wm – 1[n]]H. Wenn keinerlei Verzerrung in dem Signal in der gewünschten Richtung gegeben ist, kann MV-BF dazu verwendet werden, das Maß zu minimieren, in welchem das Signal in der unerwünschten Richtung das Ausgangssignal beeinflusst. Eine solche Operation wird durch die folgende Gleichung 2 repräsentiert:
Hier bedeutet E[·] bedeutet einen Erwartungsoperator; w[n]H die Hermitische transponierte Matrix von w[n]; a einen Steuervektor; xm[n] ein Signal, auf welches die Fokussier-Verzögerung angewendet wird, so dass sämtliche Elemente des Signals sich aus ”1” zusammensetzen. R[n] ist eine räumliche Kovarianz-Matrix, ausgedrückt durch folgende Gleichung 3: R[n] = E[x[n]x^H[n]] (3)
In Gleichung 3 ist x[n] = [x0[n], x1[n], ..., xm – 1[n]]T.
Die Lösung einer solchen Gleichung wird durch die folgende Gleichung 4 dargestellt:
In der aktuellen Situation muss R[n] abgeschätzt werden, und um während der Abschätzung die Signalauslöschung zu verhindern, die verursacht wird durch die Kohärenz jedes der Kanalsignale, wird die räumliche Glättung oder die sub-aperture-Mittelung durchgeführt. Um die statistische Charakteristik des Speckle-Musters eines resultierenden Bilds zu verbessern, erfolgt anschließend die zeitliche Mittelung. Was hier angesprochen ist, wird durch die folgende Gleichung 5 repräsentiert:
wobei
In der Gleichung 5 entspricht
der räumlichen Glättung; und
der zeitlichen Mittelung. In Gleichung 6 gibt x[n] ein Empfangssignal an, und 1 von x1[n] einen Startindex von x.
Zur Verbesserung der Robustheit der MV-BF-Berechnung wird meistens ein diagonal-loading-Verfahren eingesetzt, wobei dieses diagonal-loading-Verfahren dazu dient, R ~[n] + εI einzusetzen für R ~[n] wobei, ε = Δ·tr(R ~[n]) (7)
In der Gleichung 7 bedeutet tr() einen Spuroperator, und Δ ist eine Konstante, die als diagonal-loading-Faktor bezeichnet wird.
Die folgende Berechnung ist erforderlich, um einen MV-BF-Ausgangswert aus den MV-Gewichtswerten zu erhalten, die durch räumliches Glätten erfasst wurden.
Hier wird w[n] aus R ~[n] berechnet.
Gleichung 8 wird folgendermaßen in die Form der Gleichung 1 umgeordnet:
wobei
Hier lautet die Überlappungsfunktion des Standard-MV-BF entsprechend wm in der Gleichung (1) rk was in anderen Worten die Faltung eines Rechteckfensters mit der Länge M – L + 1 und w[n]H ist. Da das CW-Strahlmuster (Dauerstrich-Strahlmuster) auf einer Brennebene bekanntlich ein Fourier-Transformationspaar der Überlappungsfunktion ist, wird das Strahlmuster der Überlappungsfunktion des Standard-MV-BF folglich dargestellt als die Multiplikation des Fourier-Transformationspaares des rechteckigen Fensters, d. h. einer sinc-Funktion, und des aus der Minimum-Varianz ermittelten Fourier-Transformationspaares w[n]H. Die sinc-Funktion wird in ihrer Gesamtheit allmählich verringert in großer Entfernung von der Mitte, und dient unter der Annahme, dass Stördaten in großer Entfernung von einer Hauptkeule sich durch lediglich räumliche Glättung bis auf ein gewisses Maß reduzieren lassen.
4 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel einer Hochfrequenzkomponente veranschaulicht, die durch bloßes räumliches Glätten gemäß einer beispielhaften Ausführungsform beseitigt wird.
Insbesondere veranschaulicht (a) in 4 ein Punktzielbild der DAS-BF, zu einem rechtwinkligen Fenster apodisiert, und (b) ein Punktzielbild des MV-BF, in welchem das räumliche Glätten für den Fall ausgeführt wird, dass w[n] als Rechteckfunktion definiert ist.
Es wird angenommen, dass L = M/4, und dass eine ebene Welle der Frontrichtung gesendet wird. Bezugnehmend auf (b) der 4 lässt sich bestätigen, dass eine X-Typ und Langseitenkeule, betrachtet in dem DAS-BF, wie es in (a) der 4 dargestellt ist, in geeigneter Weise entfernt wird durch bloße räumliche Glättung der MV-BF. Es lässt sich bestätigen, dass zwar die Dimensions-Reduktion ausgeführt wird, um unter Verwendung solcher Eigenschaften nur die Besonderheiten der Seitenkeule zu behandeln, die sich in der Nähe der Front befindet, um andere Hochfrequenzeigenschaften der MV-BF zu beseitigen, die eine orthogonale Polynom-basierte Transformationsfunktion verwendet, beispielsweise die Legendre-Polynome, die Eigenschaften der Standard-MV-BF aber sehr gut aufrechterhalten werden können.
Im Folgenden wird speziell ein MV-BF-Verfahren zum Transformieren der MV-BF in einen anderen Raum beschrieben, anstelle der Anwendung von x auf den Originalraum von x, d. h. den Elementeraum, außerdem die Ausführung der MV-BF in dem transformierten Raum.
Wenn angenommen wird, dass eine Transformationsfunktion V eine reguläre L×L-Matrix ist und die Spalten von V zueinander orthonormal sind, lässt sich hier der Gewichtswert (b) in der Gleichung 4 darstellen als eine Linearkombination der Spalten V: w = Vβ (10), wobei β einen L×1-Spaltenvektor bezeichnet.
Anschließend wird die Lösung der MV-BF bezüglich der gegebenen V folgendermaßen berechnet:
Hier sind R1 = VHRV = E[u·uH]; u = VHx; und v1 = VHa. D. h., Gleichung 11 gibt die MV-BF-Lösung des Raums an, wobei x in VH transformiert ist.
In der aktuellen Situation ist die räumliche Glättung erforderlich, um R ~₁ abzuschätzen, was durch die folgende Gleichung 12 berechnet wird:
R ~₁ substituiert R1 in der Gleichung 11. u1 = VHx1, mit
Die folgende Gleichung ist eine Ausgangsgröße einer Strahlbildungsvorrichtung im Hinblick auf das räumliche Glätten:
Die MV-BF-Verfahren in dem transformierten Raum können den Rechenaufwand, der erforderlich ist zum Berechnen der inversen Matrix R ~₁ drastisch verringern durch spezielles Verwenden nur einiger essentieller Komponenten in dem transformierten Raum. Da einige der ersten Spalten, die V bilden, die wesentlichen Komponenten im Hinblick auf die Ausführung der MV-BF-Berechnung darstellen, wird ein Eingangssignal x transformiert, indem lediglich solche Spalten verwendet werden, demzufolge sich die Dimension von R ~ reduzieren lässt. Damit lässt sich der Rechenaufwand für das Berechnen einer inversen Matrix deutlich reduzieren.
Wenn v ^ einen sich aus den ersten Spalten von V zusammensetzender Unterraum ist, lässt sich folgende Gleichung ermitteln: V ^ = [v₀, v₁, ..., v_Q-1] (15), wobei Q ≤ L. Dann beträgt ein unter Verwendung dieses v ^ berechnete Gewichtswert: ŵ = V ^β ^ (16), wobei
In der aktuellen Situation, in welchem Fall R ^₁ mittels räumlicher Glättung abgeschätzt wird, wird R ^₁ wie folgt dargestellt:
wobei
Im Folgenden werden Transformationsfunktionen der MV-BF anhand der folgenden Gleichungen beschrieben:
Eine bekannte Transformationsfunktion, die dazu dient, die Berechnung der inversen Matrix für die MV-BF zu verringern, ist eine Fourier-Transformationsmatrix für die BA-BF (auch als Butler-Matrix bezeichnet), eine Matrix, die durch PCA für die PCA-MV-BF verwendet wird, und dergleichen.
Bm, n, der Komponente der m-ten Reihe und der n-ten Spalte der Fourier-Transformationsmatrix B∈CL, L wird durch folgende Gleichung dargestellt:
Eine solche Fourier-Transformationsmatrix transformiert den Elementeraum in den transformierten Raum. Einige der ersten Spalten davon geben Niedrigfrequenzkomponenten an, die der Brennpunktrichtung entsprechen, und eine Strahlkomponente in der Nähe des Brennpunkts. Wenn angenommen wird, dass Interferenz hauptsächlich nahe der Frontrichtung auftritt, lässt sich die Dimension wirksam unter Verwendung nur solcher Spalten reduzieren. Darüber hinaus hat die räumliche Glättung den Effekt, dass die weit weg von der Front vorhandene Störung reduziert wird, wie oben erläutert wurde.
Bei der PCA-MV-BF, bei der es sich um eine andere Vorgehensweise handelt, wird die Transformationsfunktion V ermittelt durch Anwenden der PCA auf eine Menge einer großen Menge von MV-Gewichtswerten, die unter Verwendung der Standard-MV-BF in der Umgebung berechnet werden, die ähnlich einer aktuellen Bildverarbeitungsumgebung ist. Damit setzen sich die Spalten einer solchen Funktion V zusammen aus Hauptkomponenten, und können vollständig die Dimension reduzieren unter Verwendung einiger der ersten Spalten. Diese Spalten repräsentieren außerdem die Frontrichtung und die in der Nähe der Front befindliche Strahlkomponente.
Im Folgenden wird anhand der nachstehenden Gleichungen die Transformationsfunktion beschrieben, die sich aus den Legendre-Polynomen gemäß beispielhafter Ausführungsformen zusammensetzt.
Eine Strahlbildungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform macht Gebrauch von einem LP-MV-BF-Verfahren, das die Matrix verwendet, welche sich zusammensetzt aus den Legendre-Polynomen als eine Transformationsfunktion zum Transformieren des Signals des Elementeraums in den transformierten Raum. Im Folgenden wird im Vergleich zu einem Fall, in welchem eine andere Transformationsfunktion verwendet wird, die MV-BF-Ausführung für den Fall erläutert, dass die Legendre-Polynome verwendet werden.
Einige der ersten Spalten der Transformationsfunktion aus den Legendre-Polynomen können vollständig die Niedrigfrequenzkomponenten repräsentieren, so wie die Fourier-Transformationsfunktion. Jedes der Legendre-Polynome, die ermittelt wurden, nachdem ein Gram-Schmidt-Orthonormalisierungsprozess auf einer Folge von Polynomen {1, n, n2, ..., nL – 1} angewendet wurde, kann als die Spalte von V verwendet werden. In anderen Worten: V = P, P = [P0, P1, ..., PL – 1], wobei Pk eine k-te Spalte bedeutet; Pk = [P0k, P1k, ..., P(L – 1)k]T; und
. c_nk wird durch den Gram-Schmidt-Orthonormalisierungsprozess bestimmt.
Beispielsweise wird P2 durch die folgende Gleichung repräsentiert:
Die Spalten von P repräsentieren die Komponenten von niedriger Frequenz zu hoher Frequenz Reihenfolge.
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zum Vergleichen der Dauerstrich-(CW)-Strahlmuster einer Transformationsfunktion P basierend auf Legendre-Polynomen und der Transformationsfunktion von Fourier-Transformationsfunktionen B und des Hauptkomponentenanalyse-basierten Minimum-Varianz-Strahlbildungsverfahrens (”PCA-MV-BF”) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
Insbesondere zeigt 5 den Vergleich der zweiten Spalte von P, d. h. der CW-Strahlmuster von P1, und der CW-Strahlmuster der zweiten Spalten der Transformationsfunktion v ^ der Transformationsfunktion B und der PCA-MV-BF.
In der Gleichung 16 (d. h. ŵ = V ^β ^) berechnet das CW-Strahlmuster von ŵ, da w ^ eine gewichtete Summe der ersten Spalten unter Verwendung von β ^ berechnet, auch eine gewichtete Summe des CW-Strahlmusters der Spalten von v ^ unter Verwendung von β ^. Es lässt sich bestätigen, dass das CW-Strahlmuster von P ein dem CW-Strahlmuster der Transformationsfunktion der PCA-MV-BF sehr ähnliches Muster aufweist.
Allerdings besitzt P1 die viel niedrigere Frequenzkomponente als die zweite Spalte b1 von B, und anders als b1 ist der Absolutwert seines Strahlmusters symmetrisch zu 0. Diese Charakteristika haben den Vorteil, dass im Vergleich zu dem Fall, in welchem B verwendet wird, im Fall der Verwendung von P in effektiverer Weise die Störung verhindert wird, die in der Nähe der Front auch in dem Fall von Q = 2 vorliegt, so dass ein Punktzielbild schärfer und auch symmetrisch sein kann.
Die Richtung eines Nullpunkts in einem CW-Strahlmuster einer Spalte von B ist außerdem die Gleiche wie die Nullpunktrichtung sogar in dem CW-Strahlmuster einer anderen Spalte, jedoch kann im Fall von P deren Richtung nicht die Gleiche sein, wie in 2 gezeigt ist. Wenn z. B. im Fall von Q = 2 die Störung von der ersten Nullpunktrichtung des CW-Musters von P1 empfangen wird, so kann eine solche Störung selbst dann nicht beseitigt werden, wenn ein beliebiges β ^ verwendet wird. Dies deshalb, weil P1 keinerlei Einfluss bezüglich dieser Richtung hat. Ein derartiger Punkt kann nahezu auch dann der Gleiche sein, wenn die Transformation von PCA-MV-BF verwendet wird, und kann bei Verwendung von CW einen ernsthaften Nachteil darstellen. Da allerdings in einem praktischen Ultraschall-Diagnosegerät, das von Breitbandsignalen Gebrauch macht, verschiedene Frequenzen gemischt sind, stellt sich ein derartiger Nullpunkt nicht deutlich in dem Strahlmuster dar, was kein großes Problem ist. Bezüglich der gleichen Dimensionsreduktion ist allerdings die Ausführung der LP-MV-BF der Zerlegung der benachbarten Zielpunkte ähnlich den anderen beiden Verfahren oder noch besser. Bezüglich des Approximationsfehlers, der durch die Dimensionsreduzierung entsteht, ist die LP-MV-BF nahezu immer geringer als die BA-BF, und in den meisten Fällen besteht kein Unterschied gegenüber der PCA-MV-BF.
Einer der Vorteile der LP-MV-BF besteht darin, dass deren Transformationsfunktion sich nur aus reellen Zahlen zusammensetzt. Im Prinzip müsste die BA-BF oder die PCA-MV-BF sich aus komplexen Zahlen zusammensetzen. Somit ist also die Transformationsberechnung einfach.
6 ist ein Flussdiagramm, welches ein Beispiel eines Strahlbildungsverfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
Gemäß 6 transformiert eine Strahlbildungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ein Eingangssignal eines Elementeraums in einen transformierten Raum, der einen anderen Raum bildet, indem eine Transformationsfunktion verwendet wird, und sie erzeugt durch Signalverarbeitung bei 610 ein Strahlsignal und gibt dieses aus.
Die Strahlbildungsvorrichtung verwendet eine Transformationsfunktion, die sich aus orthogonalen Polynomen zusammensetzt, wenn der Raum transformiert wird. Die orthogonalen PolYnome bilden eine Reihe von Polynomen, welche die Orthogonalbeziehung erfüllen. Die orthogonalen PolYnome können z. B. sein: Hermite-Polynome, Laguerre-Polynome, Jacobi-Polynome, Gegenbauer-Polynome, Tschebyscheff-Polynome oder Legendre-Polynome.
Die Strahlbildungsvorrichtung verwendet als Transformationsfunktion eine Orthonormalmatrix, zusammengesetzt aus den Legendre-Polynomen, wenn der Raum transformiert wird. Insbesondere kann die Strahlbildungsvorrichtung die Legendre-Polynome als eine Transformationsfunktion im Rahmen eins MV-BF-Verfahrens verwenden. In einem solchen Fall lässt sich eine Leistungsfähigkeit beibehalten, während der Rechenaufwand der MV-BF drastisch reduziert wird.
Die Strahlbildungsvorrichtung filtert und erfasst die Niedrigfrequenzkomponenten in dem Elementeraum bei 610, was einer Seitenkeule entspricht, die sich in der Nähe der Front eines Strahlmusters befindet, indem zur Strahlbildung ein Tiefpassfilter eingesetzt wird. Die Strahlbildungsvorrichtung selektiert einige der ersten Spalten, die die Niedrigfrequenzkomponenten repräsentieren von den Spalten der Transformationsfunktion. Der Grund dafür, dass die Tiefpassfilterung ausführbar ist, beruht in dem Umstand, dass die Hochfrequenzkomponenten, die sich weitab von der Front befinden, und in denen das Strahlmuster gebildet wird, durch das räumliche Glätten größtenteils beseitigt werden. In dem Fall, dass die Strahlbildungsvorrichtung die Strahlbildung in dem transformierten Raum mit Hilfe eines MV-BF-Verfahrens ausführt, kann die Strahlbildungsvorrichtung den Rechenaufwand, der erforderlich ist zum Berechnen der Inversen einer räumlichen Kovarianz-Matrix, drastisch reduzieren, indem nur einige essentielle Komponenten in dem transformierten Raum verwendet werden. Beispielsweise wird die Dimension der räumlichen Kovarianz-Matrix reduziert durch Auswählen nur einiger der ersten Spalten unter den Transformationsfunktionen, und durch Transformieren des Eingangsignals. Einige von den ersten Spalten unter den Transformationsfunktionen repräsentieren essentielle Komponenten bei der MV-BF-Berechnung.
Für den Fall, dass die Strahlbildungsvorrichtung ein auf orthogonalen Polynomen basierendes MV-BF-Verfahren ausführt, werden nur einige von den ersten Spalten von der Transformationsfunktion, die aus den orthogonalen Polynomen zusammengesetzt ist, verwendet. Da diese Spalten der Transformationsfunktion die Komponenten von niedriger Frequenz zu hoher Frequenz in Reihenfolge repräsentieren, entsprechen einige der ersten Spalten den Niedrigfrequenzkomponenten genauso wie bei der Fourier-Transformationsfunktion.
Eine X-Typ- und Langseitenkeule, die bei einem DAS-BF-Verfahren beobachtet wird, lässt sich durch die räumliche Glättung der MV-BF beseitigen. Obschon die Dimensionsreduzierung durchgeführt wird, um unter Nutzung derartiger Eigenschaften nur mit den Eigenschaften der Seitenkeule zu tun zu haben, die sich in der Nähe der Front befindet, und um andere Hochfrequenzeigenschaften der MV-BF, die von der auf orthogonalen Polynomen basierenden Transformationsfunktion Gebrauch macht, zu beseitigen, lassen sich die Eigenschaften der MV-BF sehr gut beibehalten. Es bestätigt sich, dass die Hochfrequenzeigenschaften nur durch die räumliche Glättung beseitigt werden, wie durch die im Folgenden zu beschreibende 4 gezeigt wird.
Wie oben erläutert, können sämtliche beispielhaften Ausführungsformen auf unterschiedliche Array-Signal-Verarbeitungsgebiete angewendet werden, so z. B. Radar, Sonar, zerstörungsfreie Prüfung, etc. außerdem eine Ultraschall Bildgebungsvorrichtung.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform lässt sich bei dem Vorgang des Ausführens der Strahlbildung eines Eingangssignals unter Verwendung einer Strahlbildungsvorrichtung, einer Ultraschallbildgebungsvorrichtung und eines Strahlbildungsverfahrens und des Erfassens eines Ergebnissignals ein erforderlicher Rechenaufwand reduzieren. Damit können sämtliche Typen von Geräten, die die Strahlbildung ausführen, z. B. eine Ultraschallbildgebungsvorrichtung, die für die Strahlbildung erforderlichen Ressourcen reduzieren. Insbesondere wird das Eingangssignal in einen neuen Raum mit Hilfe einer Transformationsfunktion transformiert, die sich aus orthogonalen Polynomen zusammensetzt, so dass sich eine Komplexität bei der Berechnung der Inversen der Kovarianz-Matrix bei einem MV-BF-Verfahren drastisch verringern lässt.
Ferner kann die Strahlbildungsgeschwindigkeit in Bezug auf das Eingangssignal so schnell vonstatten gehen, dass die Dauer des Strahlbildungsvorgangs reduziert werden kann. Darüber hinaus kann eine Strahlbildungsvorrichtung auch Effekte zum Lösen sämtlicher Problemtypen aufweisen, so z. B. der verzögerten Ausgabe eines Ultraschallbilds, eine Überlastung oder eine Überhitzung des Geräts. Darüber hinaus lassen sich die folgenden Effekte erzielen: eine Verringerung der verbrauchten Leistung in der Strahlbildungsvorrichtung, verursacht durch die Verringerung der Ressourcenbeanspruchung in der Strahlbildungsvorrichtung; und eine Kostenverringerung, verursacht durch den Einsatz eines Rechengeräts mit geringer Spezifikation.
Beispielhafte Ausführungsformen lassen sich sämtlich auf unterschiedliche Array-Signal-Verarbeitungsgebiete anwenden, so z. B. Radar, Sonar, zerstörungsfrei Prüfung etc. einschließlich einer Ultraschallbildgebungsvorrichtung.
Oben wurde eine Reihe von Beispielen beschrieben. Dennoch sollte verstanden werden, dass verschiedene Modifikationen gemacht werden können. Beispielsweise lassen sich geeignete Ergebnisse erzielen, wenn die beschriebenen Methoden in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden und/oder wenn Komponenten in einem beschriebenen System, einer Architektur, einem Gerät oder einem Schaltkreis anders kombiniert werden und/oder ersetzt oder ergänzt werden durch andere Komponenten oder deren Äquivalente. Dementsprechend liegen weitere Implementierungen innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

KR 10-2014-0142895 [0001]

Claims

Strahlbildungsvorrichtung, umfassend: ein Filter, konfiguriert, um von Komponenten einer Transformationsfunktion Hochfrequenzkomponenten zu beseitigen und Niederfrequenzkomponenten auszuwählen; und einen Strahlbildungsprozessor, konfiguriert zum Transformieren eines Eingangssignals in einen anderen Raum unter Verwendung der Transformationsfunktion, bestehend aus den ausgewählten Niederfrequenzkomponenten, und zum Erzeugen eines Strahlsignals durch Signalverarbeitung innerhalb des transformierten Raums.
Strahlbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Transformationsfunktion sich aus orthogonalen Polynomen zusammensetzt.
Strahlbildungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die orthogonalen Polynome Hermitische Polynome, Laguerre-Polynome, Jacobi-Polynome, Gegenbauer-Polynome, Tschebyscheff-Polynome oder Legendre-Polynome sind.
Strahlbildungsvorrichtung nach Anspruch 3, bei dem eine Transformationsfunktion V Legendre-Polynome P sind, mit P = [P0, P1, ..., PL – 1]T,
wobei Pk eine k-te Spalte von P ist und c_nk durch ein Gram-Schmidt'sches-Orthonormalisierungsverfahren bestimmt wird.
Strahlbildungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei dem der Strahlbildungsprozessor konfiguriert ist zum Ausführen einer Strahlbildung unter Verwendung einer Minimum-Varianz, die auf den orthogonalen Polynomen innerhalb des transformierten Raums basiert.
Strahlbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Strahlbildungsprozessor aufweist: einen Transformer, konfiguriert zum Erzeugen eines Transformationssignals bezüglich eines Eingangsignals unter Verwendung der Transformationsfunktion; einen Gewichtswertberechner, konfiguriert zum Berechnen eines Transformationssignal-Gewichtswerts, bei dem es sich um einen Gewichtswert bezüglich des Transformationssignals handelt; und einen Kombinierer, konfiguriert zum Erzeugen eines Strahlsignals unter Verwendung des Transformationssignals und des Transformationssignal-Gewichtswerts.
Strahlbildungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei dem der Gewichtswert-Berechner konfiguriert ist zum Berechnen des Gewichtswerts aus einer räumlichen Kovarianz-Matrix, die erzeugt wird durch räumliches Glätten, um die räumliche Kovarianz-Matrix aus dem Transformationssignal zu erzeugen.
Ultraschallbildgebungsvorrichtung, umfassend: einen Wandler, konfiguriert zum Ausstrahlen von Ultraschallwellen auf ein Subjekt, zum Empfangen eines Signals der von dem Subjekt reflektierten Ultraschallwellen, Transformieren der empfangenen Ultraschallwellen, und Ausgeben mehrerer Ultraschallsignale; einen Strahlbildner, konfiguriert zum Transformieren des Signals der Ultraschallwellen, die durch den Wandler hindurch eingegeben wurden, in einen anderen Raum, unter Verwendung einer Transformationsfunktion, zum Erzeugen eines Strahlsignals durch Signalverarbeitung innerhalb des transformierten Raums, Beseitigen von Hochfrequenzkomponenten aus Komponenten der Transformationsfunktion und Auswählen und Verarbeiten von Niedrigfrequenzkomponenten; und einen Bilderzeuger, konfiguriert zum Erzeugen eines Bilds unter Verwendung eines Strahlsignals, welches von dem Strahlbildner erzeugt wurde.
Ultraschallbildgebungsvorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Transformationsfunktion sich aus orthogonalen Polynomen zusammensetzt.
Ultraschallbildgebungsvorrichtung nach Anspruch 9, bei der die orthogonalen Polynome Hermitische Polynome, Laguerre-Polynome, Jacobi-Polynome, Gegenbauer-Polynome, Tschebyscheff-Polynome oder Legendre-Polynome sind.
Ultraschallbildgebungsvorrichtung nach Anspruch 10, bei der eine Transformationsfunktion V Legendre-Polynome P sind, mit P = [P0, P1, ..., PL – 1]T,
wobei Pk eine k-te Spalte von P ist und c_nk durch ein Gram-Schmidt'sches-Orthonormalisierungsverfahren bestimmt wird.
Ultraschallbildgebungsvorrichtung nach Anspruch 9, bei dem der Strahlbildungsprozessor konfiguriert ist zum Ausführen einer Strahlbildung unter Verwendung einer Minimum-Varianz, die auf den orthogonalen Polynomen innerhalb des transformierten Raums basiert.
Strahlbildungsverfahren, umfassend: Entfernen von Hochfrequenzkomponenten und Auswählen von Niedrigfrequenzkomponenten aus Komponenten einer Transformationsfunktion; und Transformieren eines Eingangssignals in einen anderen Raum durch Verwenden der Transformationsfunktion, die sich zusammensetzt aus den ausgewählten Niedrigfrequenzkomponenten, und Erzeugen eines Strahlsignals durch Signalverarbeitung innerhalb des transformierten Raums.
Strahlbildungsverfahren nach Anspruch 13, bei dem die Transformationsfunktion sich aus orthogonalen Polynomen zusammensetzt.
Strahlbildungsverfahren nach Anspruch 14, bei dem die orthogonalen Polynome Hermitische Polynome, Laguerre-Polynome, Jacobi-Polynome, Gegenbauer-Polynome, Tschebyscheff-Polynome oder Legendre-Polynome sind.
Strahlbildungsverfahren nach Anspruch 15, bei dem eine Transformationsfunktion V Legendre-Polynome P sind, mit P = [P0, P1, ..., PL – 1]T,
wobei Pk eine k-te Spalte von P ist und c_nk durch ein Gram-Schmidt'sches-Orthonormalisierungsverfahren bestimmt wird.