Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der
gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit der
Seriennummer 09/518,972, die am 06. März 2000 eingereicht
wurde, und insgesamt durch Bezugnahme in die vorliegende
Anmeldung eingeschlossen wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft die medizinische
Ultraschallbilderzeugung, und insbesondere ein neues
Verfahren und eine neue Einrichtung zur Strahlbündelung,
welche nur wenige Sende/Empfangsereignisse benötigen, um ein
gesamtes Vollbild eines Bildes zu erzeugen.
Kommerziell verfügbare medizinische Ultraschall-
Bilderzeugungssysteme verwenden eine große Anzahl an
Sende/Empfangsereignissen für jedes Vollbild des Bildes.
Jedes Sendeereignis senkt einen gepulsten Strahl aus
Ultraschallenergie entlang einer bestimmten Abtastlinie, und
fokussiert diese Energie auf eine bestimmte
Fokussierungstiefe. Nach jedem Sendeereignis werden Echos
empfangen, verstärkt und digitalisiert. Die
Empfangs/Strahlbündlungsvorrichtung erzeugt eine Zeile des
Bildes durch dynamisches Fokussieren und Apodieren der
Empfangssignale entlang einer Abtastzeile oder Abtastlinie.
Zur Erhöhung der Schärfentiefe verwenden einige Systeme
mehrere Sende/Empfangsereignisse pro Abtastzeile, wobei jedes
Sendeereignis auf eine unterschiedliche Tiefe fokussiert
wird. Zur Erhöhung der Vollbildrate verwenden einige Systeme
mehrere Strahlbündlungsvorrichtungen, die mehrere Zeilen
eines Bildes pro Sende/Empfangsereignis erzeugen können. Bei
all diesen herkömmlichen Vorgehensweisen wird jedes Vollbild
des Bildes aus einer großen Anzahl an Abtastzeilen erzeugt
(typischerweise 50 bis 250, abhängig von der Auflösung in
Querrichtung und dem Gesamtausmaß der Abtastung), und daher
aus einer großen Anzahl an Sende/Empfangsereignissen. Die
Vollbildrate wird schließlich durch die Gesamtanzahl an
Sende/Empfangsereignissen begrenzt, da jedes
Sende/Empfangsereignis eine endliche Zeitmenge benötigt, die
durch die Schallgeschwindigkeit, die maximal interessierende
Tiefe und den Overhead des Systems bestimmt wird. Diese
Einschränkung ist besonders schwerwiegend für die
dreidimensionale Bilderzeugung. Beispiele für kommerziell
erfolgreiche Ultraschall-Bilderzeugungssysteme dieses Typs
sind in den folgenden US-Patenten beschrieben, die sämtlich
auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen wurden:
4,550,607; 4,699,009; 5,148,810; 5,235,986; 5,573,001;
5,608,690; 5,623,928; 5,675,554; 5,685,308.
Verschiedene unkonventionelle Vorgehensweisen wurden
vorgeschlagen, um die Sendetiefenschärfe zu erhöhen, ohne
mehrere Sende/Empfangsereignisse pro Abtastzeile einsetzen zu
müssen. Bei einem dieser Vorschläge wurden gleichzeitig
ausgesandte, mehrere ebene Wellen mit unterschiedlichen
Lenkwinkeln dazu verwendet, Sendestrahlen mit begrenzter
Beugung zu erzeugen, die als Sinc-Wellen [1] bezeichnet
werden. Es ließ sich für Sinc-Wellen zeigen, dass sie die
Tiefenschärfenantwort in Querrichtung über eine größere
Tiefenschärfe als selbst bei einem Apodisierungs-Sender mit
Gaussverteilung aufrecht erhalten. Allerdings benötigte
dieses Verfahren eine elementweise Variation der
Sendeimpulssignalform.
Später wurde ein anderes Verfahren berichtet, welches diesen
Nachteil ausschaltete, und die synthetisierte
Sende-Sinc-Welle mit dynamischer Fokussierung beim Empfang
[2] kombinierte. Bei diesem Verfahren wurden ebene Wellen mit
unterschiedlichen Lenkwinkeln hintereinander ausgesandt, und
das Bild wurde unter Verwendung sämtlicher
Sende/Empfangsereignisse synthetisiert. Dieses Verfahren
weist andererseits den Nachteil einer langsamen
Datenakquisitionsrate auf, infolge zahlreicher
Sende/Empfangsereignisse (bei dem erwähnten Beispiel wurden
41 aufeinanderfolgend ausgesandte ebene Wellen eingesetzt).
Wenn sich das Objekt bewegt, und/oder der Benutzer das Objekt
während dieser Sende/Empfangsereignisse abtastet, ergeben
sich schwerwiegende Bewegungsartefakte. Weiterhin wurde
berichtet, dass bei einer Verringerung der Anzahl an
Sende/Empfangsereignissen, also der Anzahl an ebenen Wellen,
die Seitenkeulen negativ beeinflußt wurden.
Es wurden auch andere Verfahren zur Ausbildung von Strahlen
mit begrenzter Beugung entwickelt. Eine der Arten von
Strahlen mit begrenzter Beugung, als X-Wellen bezeichnet,
wurde zur Entwicklung einer Bildkonstruktionstechnik mit sehr
hoher Vollbildrate verwendet, die als das Fourier-Verfahren
[3] bezeichnet wurde. Bei dieser Technik wird der Array-
Wandler erregt, um eine ebene Welle zu erzeugen. Aus dem
empfangenen und aufgezeichneten Echo wird die Antwort mit
begrenzter Beugung durch eine Gruppe stufenweiser Sinus- und
Kosinus-Apodisierungen erzeugt. Das multidimensionale
Spektrum des Objekts wird aus der zeitlichen Fourier-
Transformation des apodisierten Signals abgeleitet. Das Bild
wird dann durch die inverse Fourier-Transformation des
Spektrums aufgebaut. Da ein einziges Sende/Empfangsereignis
verwendet wird, und die Fourier-Transformation und die
inverse Fourier-Transformation mit hoher Geschwindigkeit mit
FFT-Prozessoren berechnet werden können, wurde von dieser
Technik berichtet, dass sie das Potential aufweist, sehr hohe
Vollbildraten mit einfacher Hardware zu erzielen. Von den
Bildern, die mit dieser Technik erzeugt wurden, wurde
berichtet, dass sie detaillierte und kontrastreich aufgelöste
Äquivalente von Bildern darstellten, die von einer
herkömmlichen dynamischen Empfangsstrahlbündelungsvorrichtung
mit einer Erregung durch eine gepulste ebene Welle beim
Senden erzeugt wurden. Diese Technik stellt daher nur die
Hälfte der maximal erzielbaren Bandbreite in räumlicher
Querrichtung zur Verfügung.
Eine weitere Technik, die zur Ausbildung dreidimensionaler
Ultraschallbilder in Echtzeit verwendet wurde, verwendete
Sparse Synthetic Aperture Beamforming [4]. Jedes Vollbild
eines Bildes wird aus einigen wenigen Gruppen von Echos
synthetisiert, wobei jede Gruppe von Echos in Reaktion auf
die Ultraschallbestrahlung des Objekts mit einer Kugelwelle
erfolgt. Dieses Verfahren leidet an einem niedrigen Signal-
Rauschverhältnis (SNR), da nur wenige Elemente für jeden
Sendeschuß verwendet werden, und die Amplitude divergierender
Kugelwellen umgekehrt proportional zur Ausbreitungsentfernung
ist. Um das Defizit in Bezug auf SNR auszugleichen wurde
vorgeschlagen, die Anzahl an Elementen pro Sendeschuß zu
erhöhen, und zahlreiche Schüsse pro Vollbild zu verwenden.
DOKUMENTE
[1] Jeong, M. K. et al. "Generation of Sinc Wave by a One-
Dimensional Array for Application in Ultrasonic Imaging",
IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and
Frequency Control, Vol. 43, No. 2, 285-295, März 1996.
[2] Jeong, M. K. et al. "Realization of Sinc Waves in
Ultrasound Imaging Systems" Ultrasonic Imaging, 21, 173-185,
1999.
[3] Lu, J., "Experimental Study of High Frame Rate Imaging
with Limited Diffraction Beams", IEEE Transactions an
Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 45,
No. 84-97, Januar 1998.
[4] Lockwood, G. R. et al. "Real-Time 3-D Ultrasound Imaging
Using Sparse Synthetic Aperture Beamforming", IEEE
Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency
Control, Vol. 45, No. 4, 9808-988, Juli 1998.
Nachstehend wird ein Ultraschall-Bilderzeugungssystem mit
hoher Vollbildrate und hoher räumlicher Bandbreite
beschrieben, welches mehrere unfokussierte oder schwach
fokussierte Wellen verwendet, die hintereinander in
unterschiedlichen Richtungen gesendet werden. Die Echos, die
in Reaktion auf jede Ultraschallbestrahlung empfangen werden,
werden digitalisiert und für jede Kanal gespeichert. Die
Gruppen gespeicherter Empfangssignale werden jeweils
verzögert und apodisiert, um Komponentenstrahlen für jeden
gewünschten Bildpunkt in dem Bereich auszubilden, der durch
die jeweiligen Wellen bestrahlt wird. Die endgültigen Bilder
werden dadurch synthetisiert, dass zwei oder mehr der
Komponentenstrahlen für jeden Bildpunkt addiert werden.
Als Alternative für das Senden hintereinander werden die
Wellen zeitlich mit orthogonalen Codes moduliert, und
gleichzeitig ausgesandt. In diesem Fall werden die
empfangenen Echosignale vor der Synthese dekodiert, entweder
vor oder nach der Strahlausbildung.
Den bevorzugten Typ von Wellen für ebene Arrays stellen ebene
Wellen dar, die relativ zueinander gelenkt werden.
Unfokussierte, divergierende Wellen können dazu verwendet
werden, eine Aperturwachstumsrate mit konstantem
Akzeptanzwinkel auf gekrümmten Arrays zu unterstützen, oder
ein breiteres Gesichtsfeld abzudecken. Alternativ können
schwach fokussierte Wellen dazu verwendet werden, das SNR zu
verbessern, mit entsprechender Einschränkung des Sehfeldes.
Die nachstehend geschilderten Systeme stellen eine
ungewöhnlich hohe Vollbildrate und eine ungewöhnlich hohe
räumliche Bandbreite zur Verfügung. Nur zwei
Sende/Empfangsereignisse werden dafür benötigt, ein Bild mit
vollständiger Bandbreite über dem gesamten Bereich zu
erzeugen, in welchem sich die Bereiche der
Ultraschallbestrahlung der entsprechenden Wellen überlappen.
Die nachstehend geschilderten Systeme stellen das Äquivalent
einer räumlichen Impulsantwort zu theoretischen
Strahlbündlungsvorrichtungen mit dynamischem Senden und
dynamischem Empfang dar. Anders ausgedrückt befindet sich
jeder Bildpunkt effektiv in Fokussierung, sowohl beim Senden
als auch beim Empfangen. Diese Systeme stellen auch eine
volle Steuerung über den Kompromiss zwischen Strahlbreite und
Seitenkeule mit Hilfe zweier programmierbarer Parameter zur
Verfügung: Sendewellenfrontwinkel und Empfangsapodisierung.
Die voranstehenden Bemerkungen erfolgten nur zur Einführung,
und sollen nicht den Umfang der folgenden Patentansprüche
einschränken.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines medizinischen Ultraschall-
Bilderzeugungssystems, das eine bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
einsetzt;
Fig. 2a, 2b und 2c Darstellungen eines Bereichs R+, R- bzw.
R;
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Verfahrens, das von dem
System gemäß Fig. 1 durchgeführt wird;
Fig. 4 bis 18 Diagramme zur Erläuterung jeweiliger
Schritte des Verfahrens von Fig. 3 für eine
synthetisierte Umlaufaperturfunktion mit RECT-Form;
Fig. 19 ein Diagramm mit einer Darstellung eines
bevorzugten Sendelenkwinkels als Funktion der
Empfangs-Blendenzahl (es wird eine effektive
Empfangsapodisierungsform von RECT angenommen);
Fig. 20 und 21 simulierte Punktverbreiterungsfunktionen der
Komponentenstrahlen für eine nach rechts gelenkte
ebene Sendewelle bzw. eine nach links gelenkte
ebene Sendewelle;
Fig. 22 die Punktverbreiterungsfunktion des Strahls, der
unter Verwendung der in den Fig. 20 und 21
gezeigten Komponentenstrahlen synthetisiert wird;
Fig. 23, 24 und 25 die Moduli zweidimensionaler Fourier
transformierter (räumlicher Spektren) für Fig. 20,
21 bzw. 22;
Fig. 26 die Antworten in Querrichtung, also maximale
Projektionsstrahldiagramme, der in den Fig. 20,
21 und 22 gezeigten Punktverbreiterungsfunktion;
Fig. 27 die Spektren in Querrichtung, also Querschnitte,
der zweidimensionalen Spektren, die in den Fig.
23, 24 und 25 gezeigt sind;
Fig. 28 bis 42 Graphen, welche jeweilige Schritte des
Verfahrens von Fig. 3 erläutern, für eine
synthetisierte Umlaufaperturfunktion mit
Dreiecksform;
Fig. 43 bis 55 Diagramme zur Erläuterung der Schritte der
Synthese eines zweidimensionalen räumlichen
Spektrums mit RECT-Form;
Fig. 56 und 57 zwei alternative Verteilungen von Bildorten
in einer Ebene; und
Fig. 58 ein Blockdiagramm eines Verfahrens, das von dem
System von Fig. 1 durchgeführt wird.
Nunmehr wird Bezug auf die Zeichnungen genommen, bei denen
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines medizinischen Ultraschall-
Bilderzeugungssystems 10 zeigt, das eine bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
Das System 10 weist einen Sender 12 auf, der über einen
Sende/Empfangsschalter 14 mit einem Wandlerarray 16 gekoppelt
ist. Der Sender 12 legt Sendesignale an die einzelnen Wandler
des Arrays 16 an, und diese Sendesignale sind zeitlich und
bezüglich der Phase so gewählt, dass der Array 16 dazu
veranlaßt wird, unfokussierte oder schwach fokussierte
Ultraschallwellen zu erzeugen, welche den Bereich R aus im
wesentlichen unterschiedlichen Winkeln mit Ultraschall
bestrahlen. Nachstehend werden zum Zwecke der Erläuterung
ebene Arrays verwendet, und ein Paar von ebenen Wellen, die
in Winkeln θ1 = +θ und θ2 = -θ gelenkt werden.
Viele verschiedene Vorgehensweisen können dazu verwendet
werden, den Sender 12 zu implementieren, und umfassen sowohl
analoge als auch digitale Vorgehensweisen. Die folgenden
US-Patente, sämtlich an den Inhaber der vorliegenden
Erfindung übertragen, stellen Beispiele für die Arten von
Vorgehensweisen zur Verfügung, die zur Implementierung des
Senders 12 verwendet werden können: 4,550,607; 4,699,009;
5,148,810; 5,608,690; 5,675,554. Natürlich sollen diese
Beispiele nicht irgendwie als einschränkend verstanden
werden.
Entsprechend kann der Wandlerarray 16 jede gewünschte Form
annehmen. Der Wandlerarray kann beispielsweise ein 1-, 1,25-,
1,5-, 1,75-, zwei- oder dreidimensionaler Array sein. Als
Beispiel können die Wandler, die in irgendeinem der folgenden
patente (sämtlich an den Inhaber der vorliegenden Erfindung
übertragen) beschrieben werden, einfach zum Einsatz bei der
vorliegenden Erfindung angepaßt werden: 5,261,408; 5,297,533;
5,410,208; 5,415,175; 5,438,998; 5,562,096; 5,657,295;
5,671,746; 5,706,820; 5,757,727; 5,792,058; 5,916,169;
5,920,523. Erneut soll dies nicht so verstanden werden, dass
hiermit eine Einschränkung verbunden ist, und kann jeder
geeignete Wandlerarray verwendet werden.
Echosignale von den mit Ultraschall bestrahlten Bereichen R+
und R- (Fig. 2a bzw. 2b) werden von dem Wandlerarray 16
empfangen, und über den Sende/Empfangsschalter 14 an einen
oder mehrere A/D-Wandler 18 weitergeleitet. Die A/D-Wandler
18 digitalisieren die Empfangssignale, die von den
Wandlerelementen erzeugt werden. Beim vorliegenden Beispiel
umfaßt der Array 16 N getrennte Wandlerelemente, und weist
das System N getrennte A/D-Wandler 18 auf.
Die digitalisierten Empfangssignale werden parallel an einen
von mehreren Speichern 20, 22 angelegt. Beim vorliegenden
Beispiel wird der Speicher 20 dazu verwendet, Empfangssignale
zu speichern, die in Reaktion auf gesendete, ebene
Ultraschallwellen akquiriert wurden, die in einem Lenkwinkel
von +θ ausgesandt wurden, und wird der Speicher 22 dazu
verwendet, Empfangssignale zu speichern, die in Reaktion auf
gesendete, ebene Ultraschallwellen akquiriert wurden, die in
einem Lenkwinkel von -θ ausgesandt wurden.
Die Speicher 20, 22 können als getrennte Speichereinheiten
implementiert sein, eine für jeden verwendeten
Sendelenkwinkel, oder können alternativ als einzelne
Speichereinheit implementiert sein, die mit Zeitunterteilung
arbeitet, um die Empfangssignale zu speichern, die mehreren
Sendeereignissen zugeordnet sind. Bei alternativen Beispielen
können mehr als zwei Lenkwinkel verwendet werden, und es ist
in einem derartigen Fall häufig bequem, mehr als zwei
Speicher 20, 22 vorzusehen. Die Speicher 20, 22 können als
physikalisch getrennte Speicher implementiert sein, oder
können alternativ als ausgewählte Orte in einem gemeinsamen
körperlichen Bauteil implementiert sein.
Das System 10 weist weiterhin mehrere
Strahlbündlungsvorrichtungen 24, 26 auf. Die
Strahlbündlungsvorrichtungen 24, 26 erzeugen mehrere Strahlen
aus einer ersten Gruppe erster Empfangssignale, die in dem
Speicher 20 gespeichert werden, und einer einzelnen Gruppe
aus zweiten Empfangssignalen, die im Speicher 22 gespeichert
werden. Als ein Beispiel kann die Strahlbündlungsvorrichtung
24 Strahlen für M getrennte Bildorte aus einer einzelnen
Gruppe von Empfangssignalen ausbilden, die in dem Speicher 20
gespeichert werden, und kann die Strahlbündlungsvorrichtung
26 Strahlen für dieselben M Bildorte aus einer einzelnen
Gruppe von Empfangssignalen erzeugen, die in dem Speicher 22
gespeichert werden. Jede der Strahlbündlungsvorrichtungen 24,
26 legt eine ausgewählte Apodisierungsfunktion und ein
ausgewähltes Zeitverzögerungsprofil an, das für den
interessierenden Bildort geeignet ist, und summiert dann die
apodisierten, verzögerten Empfangssignale über die
Empfangskanäle für jeden Bildort in dem interessierenden
Bereich.
Die Strahlbündlungsvorrichtungen 24, 26 können als getrennte
Strahlbündlungsvorrichtungen implementiert sein, oder können
alternativ durch ein einzelnes Bauteil implementiert sein,
das mit Zeitunterteilung arbeitet, um die gewünschten
Strahlen zu erzeugen. Die Strahlbündlungsvorrichtungen 24, 26
können unter Verwendung jeder geeigneten Technik
implementiert sein. So können beispielsweise die
Strahlbündlungsvorrichtungen, die in den folgenden US-
Patenten beschrieben sind (die sämtlich an den Inhaber der
vorliegenden Erfindung übertragen wurden), leicht dazu
angepaßt werden, bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt zu
werden: 4,550,607, 4,699,009 und 5,555,534. Wie voranstehend
ist diese Liste nicht als einschränkend zu verstehen.
Vor der Amplitudengleichrichtung werden die so erzeugten
Strahlen parallel an einen Synthesizer 28 angelegt, der
synthetisierte Strahlen für den Überlappungsbereich R (Fig.
2c) erzeugt. Der Synthesizer 28 kann diese synthetisierten
Strahlen als kohärente oder teilweise kohärente, gewichtete
Summe der ersten und zweiten Strahlen ausbilden, die von der
Strahlbündlungsvorrichtung 24 bzw. 26 erzeugt werden. Die
Gewichte können im allgemeinen komplexe Zahlen mit einer
Amplitude und einer Phase sein. Die Synthesefunktion ist im
allgemeinen eine nicht lineare Funktion mit mehreren
Eingangswerten und mehreren Ausgangswerten (Abbildung). Diese
Funktion kann auch adaptiv sein, und zwar adaptiv an
Parameter, die von den Eingangssignalen abgeleitet werden,
beispielsweise SNR, Kohärenzfaktor, usw. Dieser Block kann
auch Vorhersagefilter für die Querrichtung und die
Axialrichtung enthalten.
Die synthetisierten Strahlen, die von dem Synthesizer 28
erzeugt werden, werden an einen Amplitudendetektor 30
angelegt. Zusätzliche Speicherblöcke (nicht in Fig. 1
gezeigt) können zwischen den Strahlbündlungsvorrichtungen und
den Synthesizer sowie dem Synthesizer und dem
Amplitudendetektor vorgesehen sein, um die jeweils
strahlgeformten und synthetisierten Bilder für die weitere
Verarbeitung zu speichern. Die detektierten Signale, die von
dem Detektor 30 erzeugt werden, werden an einen Bildprozessor
32 angelegt, und dann auf einer Anzeige 34 dargestellt. Wie
voranstehend erwähnt können die weitesten Bereiche von
Detektoren, Bildprozessoren und Anzeigen zum Einsatz bei der
vorliegenden Erfindung angepaßt werden.
Fig. 3 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens, das von dem
System 10 von Fig. 1 unter Verwendung ebener Wellen
implementiert wird. Die Fig. 4 bis 18 zeigen, wie eine
Umlauf-Querfrequenzreaktion mit RECT-Form mit Bandbreite
2/(λ fnumberr) (dem Doppelten der Bandbreite für einen Weg),
wobei fnumber die Blendenzahl bezeichnet, unter Verwendung
des Flußdiagramms von Fig. 3 synthetisiert wird. Zur
Vereinfachung der Erläuterung wird der Fall einer
kontinuierlichen Welle zuerst beschrieben.
Im Block 50 von Fig. 3 sendet das System 10 von Fig. 1 eine
erste, im wesentlichen ebene Welle in einem Lenkwinkel von
θ1 = +θ aus. Die Fig. 4 und 5 zeigen die
Sendeapodisierungs- bzw. Verzögerungsprofile 1at(x) bzw.
1τ(x). Die Sendeapodisierungsfunktion ist im wesentlichen
konstant, und nutzt alle verfügbaren Wandlerelemente. Das
Sendeverzögerungsprofil nimmt linear von einem Ende des
Wandlerarrays zum anderen hinzu. Wenn man zeitweilig den
Effekt der endlichen räumlichen Ausdehnung der Apertur
vernachlässigt, dann kann an einer Raumposition (xi, zj) und
zu einer Zeit t eine ebene Welle, die in einem Winkel θ
ausgelenkt wird, folgendermaßen ausgedrückt werden:
wobei f die temporäre CW-Erregerfrequenz ist, fx die
Raumfrequenz in Querrichtung ist, fx = f sin(θ)/c = sin(θ)/λ
ist, fz die axiale Raumfrequenz ist, fz = f cos(θ)/c = cos(θ)/λ
ist, c die Schallgeschwindigkeit ist, und λ die Wellenlänge
ist, λ = c/f. Daher ist die Sende-CW-Querfrequenzantwort
1Gt(fx, λ) eine Deltafunktion bei der Frequenz fx = sin(θ)/λ
(Fig. 6), und ist rauminvariant im Bereich R+ (Fig. 2.a):
Wenn die endliche räumliche Ausdehnung der Apertur
berücksichtigt wird, dann ist das gesendete Feld ein stark
kollimierter Strahl, und wird gut durch die Form der ebenen
Welle, die voranstehend angegeben wurde, repräsentiert,
innerhalb der Strahlbreite und bis zur Rayleigh-Entfernung
hin. Die Breite des Strahls wird gut durch die Aperturbreite
repräsentiert, und die Beugungsentfernung ist die sogenannte
Rayleigh-Entfernung Z0 = 0,5 k a2, wobei a die Aperturbreite
ist, und k die Wellenzahl, k = 2 π/λ. Für typische
Ultraschall-Bilderzeugungsfrequenzen und Aperturgrößen ist
diese Entfernung im Vergleich zu typischen
Bilderzeugungstiefen sehr groß. So beträgt beispielsweise für
eine Apertur von 30 mm bei 5 MHz diese Entfernung etwa 10 m.
In der Praxis weist dann die gesendete, ebene Welle dieselbe
Breite auf wie die Sendeapertur, und weist das
Frequenzspektrum, anstatt eine infinitesimale Breite
aufzuweisen, eine endliche Breite in der Größenordnung von
1/a auf. In Bezug auf die vorliegende Diskussion ist diese
Breite sehr klein, und wird das Spektrum effektiv sehr gut
durch die voranstehend angegebene Deltafunktion
repräsentiert.
Wie nunmehr aus Fig. 3 (Blöcken 52, 58) hervorgeht, wird
eine Gruppe erster Empfangssignale in Reaktion auf die
gesendete, ebene Welle des Blocks 50 empfangen, und in dem
Speicher 20 von Fig. 1 gespeichert. Die
Strahlbündlungsvorrichtung 24 von Fig. 1 erzeugt eine Gruppe
erster Strahlen für ausgewählte Bildorte aus den ersten
Empfangssignalen. Die Fig. 7 und 8 zeigen jeweils die
effektive Empfangsapodisierungsfunktion 1ar(x, xi, zj)
und das Verzögerungsprofil 1τr(x, xi, zj) für den Bildpunkt
(xi, zj) in dem Bereich R+. Die Fokussierung wird durch ein
herkömmliches Verzögerungsprofil erzielt, das eine Funktion
der Bildpunktkoordinaten (xi, zj) darstellt. Der
kanalunabhängige Verzögerungsoffset für jeden Bildpunkt (xi,
xj) wird so eingestellt, dass die Ankunft der Echos vom Bild
(xi, zj) synchronisiert wird. Es wird darauf hingewiesen,
dass im Brennpunkt die Form der Querfrequenzantwort gleich
der Form der effektiven Apodisierung ist. Die effektive
Apodisierungsfunktion wird durch die angelegte
Apodisierungsfunktion und einige wenige elementenabhängige
Faktoren gegeben, beispielsweise Elementempfindlichkeit,
Elementrichtungswirkung, Gewebeabschwächung, 1/r-Beugung usw.
Um eine Empfangsquerfrequenzreaktion mit RECT-Form zu
erzielen, wird die Form der angelegten Apodisierung so
eingestellt, dass die Form der effektiven
Empfangsapodisierung 1ar(x, xi, zj) gleichförmig ist. Die
Breite der Empfangsquerfrequenzreaktion 1Gr(fx, λ) ist eine
Funktion der Empfangs-f-number (Blendenzahl) und der
Wellenlänge (Fig. 9).
wobei Π die RECT-Funktion ist. Es wird darauf hingewiesen,
dass unter der Annahme einer konstanten Blendenzahl und einer
konstanten Schallgeschwindigkeit in R+ auch 1Gr(fx, λ) in R+
rauminvariant ist.
Die Umlaufquerfrequenzreaktion des ersten Komponentenstrahls
1G(fx, λ) (Fig. 10) wird gegeben durch die Faltung der
entsprechenden Querfrequenzantworten für das Senden 1Gt(fx, λ)
und das Empfangen 1Gr(fx, λ)
wobei ⊗ der Faltungsoperator ist. Es wird darauf
hingewiesen, dass 1G(fx, λ) an der Sendequerfrequenz sin θ/λ
zentriert ist, und eine Bandbreite aufweist, die gleich der
Empfangsbandbreite (Einweg) 1/(λ fnumberr) ist, wobei fnumber
wieder die Blendenzahl bezeichnet. Dies ist rauminvariant
innerhalb des Bereichs R+, da dies für 1Gt(fx, λ) und 1Gr(fx, λ)
der Fall ist.
Wie nunmehr wieder aus Fig. 3 hervorgeht, sendet das System
10 von Fig. 1 als nächstes eine zweite, im wesentlichen
ebene Ultraschallwelle in einem Lenkwinkel von θ2 = -θ aus
(Block 54). Wie in Fig. 11 gezeigt ist, ist die
Sendeapodisierungsfunktion 2at(x) erneut eine im wesentlichen
konstante Funktion, die sämtliche Wandlerelemente enthält.
Das zugehörige Sendeverzögerungsprofil 2τ(x) (Fig. 12) nimmt
linear von einem Ende des Wandlerarrays zum anderen hin ab.
Wie in Fig. 13 gezeigt ist, ist die Querfrequenzantwort
2Gt(fx, λ) erneut im wesentlichen eine Deltafunktion, jedoch
diesmal bei der Frequenz -sin(θ)/λ. Es wird darauf
hingewiesen, dass 2Gt(fx, λ) rauminvariant in dem Bereich R-
ist.
Wie aus Fig. 3 (Blöcke 56 und 60) hervorgeht, empfängt das
System 10 von Fig. 1 eine Gruppe zweiter Empfangssignale in
Reaktion auf die gesendete, ebene Welle des Blocks 54, und
speichert die zweiten Empfangssignale in dem Speicher 22 von
Fig. 1. Wie bisher werden im Empfangssignale digitalisiert
und für sämtliche Wandlerelemente gespeichert. Die
Strahlbündlungsvorrichtung 26 von Fig. 1 bildet Gruppen
zweiter Strahlen für ausgewählte Bildorte aus den zweiten
Empfangssignalen aus. Die Empfangsapodisierungsfunktion
2ar(x, xi, zj) und das Verzögerungsprofil 2τr(x, xi, zj), die an
die zweite Gruppe von Empfangssignalen angelegt werden, und
die zugehörige Querfrequenzantwort 2G(fx, λ) sind in Fig. 14,
15 bzw. 16 gezeigt, und sind ebenso wie bei der ersten
Gruppe. Der Verzögerungsoffset wird erneut so eingestellt,
dass die Ankunft der Echos von dem Bildpunkt (xi, zj)
synchronisiert wird. Das Umlaufspektrum 2G(fx, λ) (Fig. 16)
ist auf -sin(θ)/λ zentriert, und seine Bandbreite ist
ebenfalls gleich der Empfangsbandbreite 1/(λ fnumberr). Es
ist rauminvariant innerhalb des Bereiches R-:
Wie wiederum aus Fig. 3 (Block 62) hervorgeht, werden die
ersten und die zweiten Strahlformempfangssignale durch den
Synthesizer 28 von Fig. 1 vereinigt. Bei diesem Beispiel
wird eine Synthesefunktion angenommen, die aus einer
einfachen Summierung besteht. Das synthetisierte Spektrum
G(fx, λ) ist dann die Summe der Spektren der ersten und
zweiten Komponentenstrahlen 1G(fx, λ) und 2G(fx, λ).
Sind die Spektren der Komponentenstrahlen gegeben (Fig. 10
und 17), kann ein RECT-förmiges Spektrum synthetisiert
werden, durch Einstellung der Blendenzahl der
Empfangsapodisierung für jeden Komponentenstrahl gleich
Wenn die Blendenzahl kleiner bzw. größer als dieser Wert
eingestellt wird, so wird in der Mitte des Umlaufspektrums
ein Wert von Null bzw. eine Spitze erzeugt. Dies führt zu
einer ungewünschten Raumantwort mit hohen Seitenkeulen,
infolge der Diskontinuitäten in dem Spektrum. Wenn die
effektive Empfangsapodisierung einer verjüngte Funktion statt
einer RECT-Funktion ist, so gibt die voranstehende Gleichung
einer Obergrenze für die bevorzugte Blendenzahl (fnumber) an.
Fig. 18 zeigt die synthetisierte Querfrequenzantwort
G(fx, λ), die rauminvariant in R ist, dem Bereich der
Überlappung von R+ und R-. Wenn die Blendenzahl auf der
Grundlage der voranstehenden Gleichung ausgewählt ist, ist
die Form des synthetisierten Spektrums eine RECT-Funktion mit
einer Bandbreite, die das Doppelte der Bandbreite der
Komponentenstrahlen beträgt, also 2/(λ fnumberr):
Da das Querspektrum rauminvariant ist, und das Doppelte der
Bandbreite für einen Weg aufweist, ist jeder Bildort in R
effektiv sowohl für das Senden als auch das Empfangen
fokussiert. Es wird darauf hingewiesen, dass das Querspektrum
einer herkömmlichen Strahlbündlungsvorrichtung mit fester
Sendefokussierung und dynamischer Empfangsfokussierung
raumabhängig ist (abhängig von der Entfernung zur
Sendebrennweite). Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass bei
der Sendebrennweite eine herkömmliche
Strahlbündlungsvorrichtung mit einer effektiven RECT-
Apodisierungsform und derselben Blendenzahl sowohl beim
Senden als auch beim Empfangen ein dreieckförmiges
Umlaufquerspektrum aufweist, mit einer Gesamtfrequenzbreite
von 2/(λ fnumber), also eine Querbandbreite von 6 dB, die nur
die Hälfte der Bandbreite von 6 dB des voranstehenden
synthetisierten Spektrums beträgt.
Falls θ2 nicht gleich -θ1 ist, so ergibt sich folgende
Bedingung, um das Auftreten einer Null bzw. einer Spitze in
dem Umlaufspektrum zu verhindern (wobei erneut eine effektive
RECT-Empfangsapodisierung angenommen wird)
Für einen Fall, in welchem die Blendenzahl für den ersten
Komponentenstrahl von der Blendenzahl für den zweiten
Komponentenstrahl verschieden ist, ergibt sich folgende
Bedingung, die erfüllt sein muß, dass keine Null bzw. eine
Spitze in dem Spektrum auftritt (wobei erneut eine effektive
RECT-Empfangsapodisierung für beide Strahlen angenommen
wird).
wobei 1fnumberr bzw. 2fnumberr die Empfangsblendenzahl für den
ersten bzw. zweiten Komponentenstrahl ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Blendenzahlbedingungen,
die voranstehend für ein wünschenswertes, synthetisiertes
Spektrum angegeben wurden, unabhängig von der Wellenlänge λ
(und der Zeitfrequenz f) sind. Daher betrifft die
voranstehende Diskussion für CW (kontinuierlichen Betrieb)
auch Fälle von PW (Impulsbetrieb) mit frei wählbaren
Zeitfrequenzantworten.
Die Fig. 20, 21 und 22 zeigen jeweils die simulierten
Punktverbreiterungsfunktionen, die gepulsten ebenen
Sendewellen zugeordnet sind, die nach rechts (+θ) bzw. nach
links (-θ) gelenkt wurden, und den sich ergebenden,
synthetisierten Strahl, der durch eine
Summiersynthesefunktion 28 erzeugt wird. Entsprechend sind
die zweidimensionalen Raumspektren für die Strahlen, die in
Reaktion auf die nach rechts gelenkte ebene Sendewelle, die
nach links gelenkte ebene Sendewelle erzeugt werden, und der
sich ergebende, synthetisierte Strahl in Fig. 23, 24 bzw. 25
gezeigt. In den Fig. 20 bis 25 ist der Dynamikbereich
gleich 60 dB. Fig. 26 zeigt den Strahlplot (maximale
Projektion) für die Strahlen, die in Reaktion auf die nach
rechts gelenkte ebene Sendewelle, die nach links gelenkte
ebene Sendewelle erzeugt werden, bzw. den sich ergebenden,
synthetisierten Strahl, bei 100, 102 bzw. 104. Fig. 27 zeigt
das zweidimensionale Raumspektrum in Querrichtung
(Querschnitt) für Strahlen, die in Reaktion auf die nach
rechts gelenkte ebene Sendewelle, die nach links gelenkte
ebene Sendewelle erzeugt werden, und den sich ergebenden,
synthetisierten Strahl, bei 110, 112 bzw. 114.
Die Fig. 28 bis 41 zeigen ein anderes Beispiel, bei
welchem eine dreieckförmige Umlaufquerfrequenzantwort mit
einer gesamten Frequenzbreite von 2/(λ fnumber) unter
Verwendung einer ersten und einer zweiten Gruppe von Strahlen
synthetisiert wird (Fig. 42). Die Fig. 28 bis 42
entsprechen den Fig. 4 bis 18, und es kann auf die
voranstehende Diskussion bezüglich der Fig. 4 bis 18 für
eine genauere Erläuterung der Parameter Bezug genommen
werden, die in den Fig. 28 bis 42 angegeben sind. Diese
Antwort ist, wie voranstehend erläutert, äquivalent zu einem
fokussierten Betrieb einer herkömmlichen
Strahlbündlungsvorrichtung mit Sende- und Empfangs-
Effektivapodisierungsfunktionen mit RECT-Form und mit
identischen Sende- und Empfangs-Blendenzahlen. Es wird darauf
hingewiesen, dass die gewünschte Umlaufaperturfunktion bei
diesem Beispiel ebenfalls symmetrisch ist, und daher die
effektive Empfangsapodisierungsfunktion für den zweiten Schuß
(Fig. 40) das Spiegelbild jener des ersten Schusses ist
(Fig. 33), also 2ar(x) = 1ar(-x). Im allgemeinen müssen
jedoch die Empfangsapodisierungsfunktionen für die
Komponentenstrahlen keine Spiegelbilder voneinander sein,
beispielsweise in der derartigen Fällen, in welchen die
gewünschte Umlaufaperturfunktion nicht symmetrisch ist.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass aus den gespeicherten
Gruppen erster und zweiter Empfangssignale jede
Umlaufaperturfunktion mit frei wählbarer Form dadurch erzeugt
werden kann, dass die Empfangsapodisierungsfunktionen ohne
irgendwelche neuen Schüsse variiert werden.
Der Bereich R (Fig. 2c), über welchen die Bildorte verteilt
sind, ist vorzugsweise der Bereich, über welchem die nach
links und rechts symmetrisch gelenkten, ebenen Wellen im
wesentlichen eben bleiben. Um jeden Bildpunkt in einem
Vollbild abzudecken, können mehrere Paare von ebenen Wellen
mit unterschiedlichen Lenkwinkeln verwendet werden.
Die hier geschilderten Vorgehensweisen sind leicht bei
zweidimensionalen oder dreidimensionalen Arrays für eine
dreidimensionale Bilderzeugung einsetzbar. Da das
Synthetisieren eines Querspektrums mit voller
Umlaufbandbreite entlang einer einzigen Querachse zumindest
zwei ebene Wellen mit im wesentlichen unterschiedlichen
Frequenzkomponenten entlang dieser Achse verwendet, verwendet
das Synthetisieren eines zweidimensionalen Querspektrums mit
voller Bandbreite entlang Azimuth- und Höhenachsen mehr als
zwei Sende/Empfangsereignisse. Nachstehend wird ein
bevorzugtes Verfahren mit vier ebenen Wellen zum
Synthetisieren einer RECT-förmigen Querfrequenzantwort
erläutert, mit einem Bandbereich von 2/(λ fnumberr,x) mal
2/ (λ fnumberr,y), wobei fnumberr,x und fnumberr,y die Einwegs-
Empfangs-Blendenzahl bezüglich des Azimuths bzw. der Höhe
bezeichnen.
Die Fig. 43 bis 55 zeigen die Sende-, Empfangs- und
Umlaufspektren der Komponentenstrahlen sowie das Spektrum des
sich ergebenden, synthetisierten Strahls. Die erste gesendete
Welle wird so gelenkt, dass der Winkel zwischen der
x-z-ebenen Komponente der Ausbreitungsrichtung und der
z-Achse gleich θ ist, und der Winkel zwischen der y-z-ebenen
Komponente der Ausbreitungsrichtung der z-Achse gleich ψ
ist. Das sich ergebende zweidimensionale Raumspektrum ist
eine Deltafunktion, δ(fx-sin(θ)/λ, fy-sin(ψ)/λ), und die
Vogelaugenperspektive des Spektrums ist in Fig. 43
dargestellt. Die zweite, dritte bzw. vierte, gesendete ebene
Welle wird unter (θ, -ψ), (-θ, -ψ) bzw. (-θ, ψ) ausgelenkt. Die
sich ergebenden Raumspektren sind in Fig. 44, 45 bzw. 46
dargestellt. Die in Reaktion auf jede dieser Sendungen
empfangenen Signale werden digitalisiert und auf allen
Akquisitionskanälen gespeichert. Für einen Bildpunkt bei
(xi, yj, zl), wobei (xi, yj, zl) sich in dem Volumen befindet, das
von allen vier ebenen Wellen mit Ultraschall bestrahlt wird,
wird die angelegte zweidimensionale Empfangsapodisierung so
ausgewählt, dass die effektive Empfangsapodisierung eine
RECT-Funktion ist. Die Aperturgrößen in der x- und y-Achse
sind so gewählt, dass gilt: f-numberr,x = 1/(2sin(θ)) und
f-numberr,y = 1/(2sin(ψ)). Dann ist das Empfangsraumspektrum
für jeden Komponentenstrahl eine RECT-Funktion (Fig. 47
bis 50), mit einer Rechteckbandfläche von 2sin(θ)/λ mal
2sin(ψ)/λ (oder 1/(λ fnumberr,x,) mal 1/(λ fnumberr,y)). Die
Umlaufspektren für die vier Komponentenstrahlen ergeben sich
durch die zweidimensionale Faltung der jeweiligen Sende- und
Empfangsspektren, und sind in den Fig. 51 bis 54
dargestellt. Wenn die vier Komponentenstrahlen kohärent
aufsummiert werden, um den synthetisierten Strahl zu
erzeugen, dann ist das sich ergebende Spektrum ebenfalls eine
RECT-Funktion mit einer Rechteckbandfläche von 4sin(θ)/λ mal
4sin(ψ)/λ (oder 2/(λ fnumberr,x) mal 2/(λ fnumberr,y)) (Fig.
55).
Es wird darauf hingewiesen, dass einige der wesentlichen
Bilderzeugungsvorteile, die von der vorliegenden Erfindung
ermöglicht werden, ebenfalls bei einer vereinfachten
Implementierung (nachstehend als "reduzierte
Implementierung") erhältlich sind, die bei momentanen
Ultraschall-Bilderzeugungssystemen ohne drastische Änderung
der Architektur implementiert werden kann. Bei dieser
verringerten Implementierung werden zwei getrennte
Sendeschüsse für jede Ultraschallzeile verwendet, und werden
Empfangssignale unter Verwendung von Apodisierungsfunktionen
apodisiert, die sich vorzugsweise mit dem Lenkwinkel der
jeweiligen ebenen Wellen ändern, wie dies voranstehend
beschrieben wurde. Die Sender sind so ausgebildet, dass sie
ein Paar ebener Wellen aussenden, die in einem Winkel in
Bezug zur Zeile liegen, und die
Empfangsstrahlbündlungsvorrichtung ist so ausgebildet, dass
sie dynamisch das Sendefeld verfolgt, wenn es die Zeile
überquert. Die Ströme von Zeilendaten, die sich aus diesen
beiden Schüssen ergeben, können einfach addiert werden, um zu
den endgültigen, synthetisierten Zeilendaten zu führen, oder
es können andere Verfahren der Kombination der Daten
verwendet werden, beispielsweise eine Detektion vorher
und/oder nachher. Es wird darauf hingewiesen, dass
Architekturen, die eine Apertursynthese unterstützen, eine
derartige Verarbeitung unterstützen. Diese Zeilendaten können
dann standardmäßig verarbeitet werden, einschließlich
anschließend dieser Zeilendaten an auf andere Weise
akquirierte Zeilendaten. Zwar ergibt diese verringerte
Implementierung nicht den großen Vollbildratenvorteil, der
durch die bevorzugte Vorgehensweise ermöglicht wird, die
voranstehend beschrieben wurde (diese Vorgehensweise benötigt
eine Zeile von Daten mit zwei Schüssen, wogegen die früher
geschilderte Vorgehensweise ein Bild oder einen Abschnitt
eines Bildes mit zwei Schüssen akquiriert), ergibt sie jedoch
die allgemein hohe Querbandbreite und die große
Tiefenschärfe, die bei der bevorzugten Vorgehensweise
erhalten werden. Daher kann diese Vorgehensweise jene
Vorgehensweise ersetzen, die momentan eingesetzt wird, um die
Tiefenschärfe zu erhöhen, und welche drei bis acht
Sende/Empfangsereignisse pro Ultraschallzeile einsetzt,
jeweils fokussiert auf eine unterschiedliche Tiefe.
Diese verringerte Implementierung kann auch dazu verwendet
werden, mehrere Empfangsstrahlen zu erzeugen. Da die
Empfangsstrahlen fokussierte Strahlen bei den herkömmlichen
Strahlbündlungsverfahren darstellen, müssen die
Empfangsstrahlen in Bezug auf den gesendeten Strahl sehr
nahezu kollinear sein, oder es wird die Umlaufortskurve der
Empfindlichkeit in der Nähe des Sendebrennpunkts gestört, und
ergeben sich Bilderzeugungs-Artefakte. Zur Überwindung dieses
Problems wurden verschiedene Vorgehensweisen eingesetzt,
beispielsweise Begrenzung der Anzahl an Empfangsstrahlen pro
Sendestrahl, Verringerung des Empfangstrahlabstands,
Verbreiterung der Hauptkeule des Sendestrahls, Filtern vor
dem Detektieren, usw. Diese Vorgehensweisen führen entweder
zu einer zu geringen Nutzung der Verarbeitungskraft der
Mehrfachstrahlbündlungsvorrichtung, oder zu einem Kompromiß
in Bezug auf die Auflösung in Querrichtung, oder zu beidem.
Da das ausgesandte Feld bei den Vorgehensweisen mit ebenen
Wellen, die voranstehend beschrieben wurden, räumlich sehr
gleichförmig ist, wird jedoch die Umlaufortskurve der
Empfindlichkeit allein durch den Empfangsstrahl bestimmt.
Daher können ebenso viele Empfangsstrahlen, wie sie
Mehrfachstrahlbündlungsvorrichtungen parallel ausbilden
können, erzeugt werden, ohne Bilderzeugungs-Artefakte
hervorzurufen, so dass die Verarbeitungsleistung voll genutzt
werden kann. Darüber hinaus genießt jeder synthetisierte
Strahl die volle Querbandbreite und eine große Tiefenschärfe.
Die Verzögerungsdaten, die jedem Empfangsstrahl und jedem
Sendeschuß zugeordnet sind, sind vorzugsweise so gewählt,
dass jeder Empfangsstrahl den Sendeimpuls verfolgt, wenn er
die Zeile überquert. Da mehrere Empfangsstrahlen im
allgemeinen entlang unterschiedlichen Zeilen fokussiert sind,
unterscheiden sich im allgemeinen die jedem Strahl
zugeordneten Verzögerungsdaten. Darüber hinaus sind die
Verzögerungsdaten, die einer bestimmten Zeile zugeordnet
sind, im allgemeinen bei den beiden Sendeschüssen
verschieden, da die im Winkel erfolgende Anregung der ebenen
Welle bei unterschiedlichen Zeiten für räumlich getrennte
Zeilen auftritt.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei einer anderen Variante
dieser verringerten Implementierung die beiden ebenen Wellen
gleichzeitig ausgesandt werden können. Zwar hat eine
derartige Vorgehensweise den zusätzlichen Vorteil, dass eine
Erhöhung der Vollbildrate um einen Faktor zwei erzielt wird,
jedoch gestattet sie nicht den Einsatz der links-rechts-
invertierten Paare von Empfangsapodisierungsfunktionen. Wie
voranstehend für den Fall der vollständigen Implementierung
erläutert, umfaßt die bevorzugte Ausführungsform dieser
verringerten Implementierungen die Verwendung einer
effektiven Empfangsaperturgröße, die in Beziehung zu den
Lenkwinkeln der gesendeten ebenen Wellen steht. Weiterhin
wird darauf hingewiesen, dass sich dynamische
Empfangsverzögerungsprofile schneller entwickeln als
Standardverzögerungsprofile. Dies liegt daran, dass bei einer
Anregung ebener Wellen im Winkel der Punkt, an dem die
ausgesandten ebenen Wellen die Ultraschallzeile schneiden,
sich in einem Bereich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die
größer ist als die Schallgeschwindigkeit, und zwar um einen
Faktor von 1(cos(θ)), wobei θ der Winkel zwischen der
Ultraschallzeile und der Normalen zur Front der ebenen Welle
ist. Entsprechend steht die Blendenzahl, die der
Empfangsapertur zugeordnet ist, vorzugsweise in einer
Beziehung zum Winkel der ausgesandten ebenen Welle, die etwa
1/(2sin(θ)) beträgt (für den Fall von |θ1| = |θ2| = θ).
Weiterhin gibt es eine approximierte Form für dieses
Einzelschußverfahren, welche
Standardempfangsverzögerungsprofile verwendet. Während sich
die bevorzugten Empfangsverzögerungsprofile so entwickeln,
dass sie die Zeit verfolgen, zu welcher die ausgesandten
ebenen Wellen die Ultraschallzeile schneiden, kann diese
approximierte Ausführungsform nur durch Modifikationen der
Sendeverzögerungsprofile implementiert werden. Eine
"interessierende Tiefe" wird ausgewählt, und die
Verzögerungsprofile beim Senden (ebene Welle) werden mit
einem Nettoverzögerungsoffset modifiziert, so dass die ebenen
Wellen die Ultraschallzeile in einer Tiefe schneiden, zu
einem Zeitpunkt, der gleich der Tiefe, dividiert durch die
Schallgeschwindigkeit, ist. Bei dieser Ausführungsform können
Standardempfangsverzögerungsprofile verwendet werden. Die
Ortskurve des Empfangsbrennpunkts und der Schnittpunkt der
ebenen Wellen und der Ultraschallzeile treffen dann exakt in
der interessierenden Tiefe aufeinander, und fallen in einem
Ausmaß zusammen, das mit Entfernung von der interessierenden
Tiefe abnimmt.
Andere Variationen nutzen die Tatsache, dass verschiedene
Signalparameter über die Front der ebenen Welle variiert
werden können, durch Variation dieser Parameter elementweise
in den Sendern. Da unterschiedliche Teile der ebenen
Wellenfront die Ultraschallzeile in unterschiedlichen Tiefen
schneiden, wird diese Parametervariation auf die Tiefe
abgebildet. Das Signal kann daher zur Bilderzeugung in
verschiedenen Tiefen optimiert werden. Als Beispiel kann man
eine nach links gelenkte ebene Welle überlegen, die von einer
Gruppe von Elementen abgesandt wurde, wobei die Frequenz, mit
welcher jedes Element abstrahlt, von dem Element am weitesten
links zu dem Element am weitesten rechts allmählich absinkt.
Dann wird die ausgestrahlte ebene Wellenfront eine allmählich
Frequenzverschiebung aufweisen, bei welcher die linke Seite
der ebenen Wellenfront eine höhere Frequenz aufweist als die
rechte Seite. Es tritt daher eine Frequenzmodulation über die
Wellenfront auf. Da die linke Seite der ebenen Wellenfront
die Ultraschallzeile, die interessiert, in einer geringeren
Tiefe kreuzt als die rechte Seite der ebenen Wellenfront, ist
die Ultraschallbestrahlungsfrequenz entlang der
Ultraschallzeile bei größeren Tiefen niedriger als in weniger
großen Tiefen. Ein derartiges Schema kann zusammen mit einem
von der Tiefe abhängigen Filter eingesetzt werden, um die
Einbringfähigkeit zu erhöhen. Eine Hüllenamplitude
(Sendeapodisierung) kann ebenfalls beispielsweise über
Elemente variiert werden, um die Höhenbeugungseffekte bei
eindimensionalen Arrays zu kompensieren, damit eine
Feldstärke erzielt wird, die in Bezug auf die Tiefe
gleichförmig ist. Zusätzlich kann die Hüllenbandbreite über
Elemente (und daher über Tiefen) moduliert werden, so dass
größere Tiefen mit Impulsen mit größerer Dauer von
Ultraschall bestrahlt werden. Derartige Impulse sind
widerstandsfähiger gegen durch Abschwächung hervorgerufene
Frequenzverschiebungen, die breitbandigere Impulse
darstellen, und daher zusätzlich die Eindringfähigkeit
unterstützen. Derartige Impulse können auch eine größere
Gesamtenergie (abhängig davon, was die Sendeleistung
begrenzt) enthalten. Wenn ein kodierter Sendeimpuls,
beispielsweise ein Chip verwendet wird, kann die Kodierung
mit wachsender Tiefe aggressiver ausgebildet werden. Ein
derartiges Schema würde erneut die Eindringfähigkeit in der
Tiefe verbessern. Jener Impuls, der für geringe Tiefen
verwendet wird, könnte als herkömmlicher (unkodierter) Impuls
ausgebildet sein, der sich allmählich in einen aggressiv
kodierten Impuls in der Tiefe entwickelt, wodurch Probleme
ausgeschaltet würden, die der Bilderzeugung in geringen
Tiefen mit Sendecodes von großer Dauer zugeordnet sind.
Andere Parameter können schußweise variiert werden. So kann
beispielsweise die nach links gelenkte ebene Welle mit einem
Phasenoffset in Bezug auf die nach rechts gelenkte ebene
Welle ausgesandt werden. Liegt dieser Phasenoffset nahe an
der Hälfte eines Fundamentalzyklus, dann löschen sich die
sich ergebenden Fundamentalfrequenzsignalkomponenten
destruktiv in jedem der sich ergebenden Strahlen aus,
vereinigen sich jedoch konstruktiv die zweiten harmonischen
Signalkomponenten, die während der Ausbreitung erzeugt
werden. Die sich ergebende Fundamentalunterdrückung ist
vorteilhaft für eine Bilderzeugung mit zweiten Harmonischen.
Liegt die Phasendifferenz näher an einem Vierteil eines
Fundamentalzyklus, dann wird die zweite harmonische
Komponente unterdrückt, die über Ausbreitungsverzerrung
erzeugt wird. Dies bringt Vorteile bei der Bilderzeugung mit
zweiten Harmonischen von Ultraschallkontrastmitteln mit sich
(vgl. die US-Anmeldung mit der Seriennummer 09/191,034,
übertragen an den Inhaber der vorliegenden Erfindung, für
weitere Informationen zu dieser Vorgehensweise).
Fig. 58 ist ein Flußdiagramm eines Ultraschall-
Bilderzeugungsverfahrens jenes Typs, welches Sendeparameter
schußweise variiert. Das Verfahren von Fig. 58 enthält eine
Schleife mit Blöcken 202-212. Beim ersten Durchgang durch
diese Schleife werden die Sendeparameter für eine erste
Gruppe von Schüssen im Block 202 eingestellt, und dann werden
mehrere, im wesentlichen ebene Ultraschallwellen in einen
Bereich unter Verwendung unterschiedlicher Lenkwinkel und der
voreingestellten Sendeparameter (Block 204). Jeweilige
Empfangssignale werden im Block 206 akquiriert, und dann
werden mehrere Komponentenstrahlen im Block 208 ausgebildet.
Jeder Komponentenstrahl wird aus einer entsprechenden Gruppe
von Empfangssignalen erzeugt, unter Verwendung von
Empfangsapodisierungsfunktionen, die als Funktion des
Lenkwinkels der ebenen Welle variieren, wie dies voranstehend
im einzelnen erläutert wurde. Im Block 210 werden die
Komponentenstrahlen für jeden Bildort vereinigt, wie
voranstehend erläutert. Der Indexparameter N wird dann im
Block 212 inkrementiert, und mit einem Maximalwert im Block
214 verglichen. Dieser Maximalwert ist größer als 2, so dass
zumindest zwei Durchgänge durch die Schleife vorhanden sind,
welche die Blöcke 202-212 enthält. Der zweite Durchgang ist
identisch zu jenem, der voranstehend beschrieben wurde, mit
Ausnahme der Tatsache, dass die Sendeparameter für den
zweiten Durchgang im Block 202 auf unterschiedliche Werte als
jene eingestellt werden, die als Sendeparameter beim ersten
Durchgang verwendet werden. Dieser Vorgang geht weiter, bis N
über den Maximalwert hinaus inkrementiert wurde, wobei zu
diesem Zeitpunkt die Steuerung vom Block 214 an den Block 216
übergeben wird. Im Block 216 wird ein Bild aus den
vereinigten Komponentenstrahlen erzeugt, die bei den
verschiedenen Durchgängen durch die Blöcke 202-212 erzeugt
wurden.
Das Verfahren von Fig. 58 kann unter Verwendung des Systems
von Fig. 1 implementiert werden, oder unter Verwendung der
verringerten Implementierung, die hier beschrieben wurde.
Zusätzliche Gewichtungsfaktoren können bei jedem der
kombinierten Komponentenstrahlen innerhalb des Synthesizers
28 von Fig. 1 angewendet werden. Diese Gewichtungsfaktoren
können Amplituden- und ebenso Phasengewichte umfassen. Das
Verfahren kann unter Verwendung von 2, 3, 4 oder mehr
Durchgängen durch die Schleife implementiert werden, welche
die Blöcke 204-214 enthält, abhängig von der Anwendung. Wie
woanders in dieser Anmeldung geschildert wurde, ist es nicht
bei allen Ausführungsformen erforderlich, dass die
ausgesandten Ultraschallwellen im wesentlichen eben sind.
Alternativ können die Ultraschallwellen durch
unterschiedliche Wellenfrontwinkel für jeden von mehreren
Bildorten in dem Bereich charakterisiert werden, und können
die Empfangsapodisierungsfunktionen für die
Komponentenstrahlen in Abhängigkeit von zumindest den
jeweiligen Wellenfrontwinkeln an den jeweiligen Bildorten
variieren.
Verschiedene Sendeparameter können bei dem Verfahren von
Fig. 58 variiert werden, einschließlich der
Hüllenmodulationsfrequenz, der Hüllenamplitude, des
Hüllenamplitudenprofils, der Hüllenphase, und des
Hüllenphasenprofils. Die folgenden Absätze geben weitere
Beispiele für Sendeparameter, die schußweise variiert werden.
Die Phaseninversionsbilderzeugungsverfahren, die im US-Patent
5,632,277 von Chapman beschrieben werden, kombinieren
analytisch zwei räumlich kollineare Empfangssignale, die aus
zwei Sendeimpulsen mit entgegengesetzter Polarität erzeugt
werden, um unerwünschte Fundamentalsignale zu unterdrücken,
für die Bilderzeugung mit zweiten Harmonischen für Gewebe
oder ein Kontrastmittel. Die Phaseninversionsbilderzeugung
verringert Störrauschen und verbessert die Qualität des
harmonischen Bildes, insbesondere für jene Anwendungen, die
eine verringerte Sendeleistung erfordern. Die
Phaseninversionsbilderzeugung kann mit jeder der
Implementierungen durchgeführt werden, die in dieser
Anmeldung beschrieben wurden, beispielsweise mit der
vollständigen Implementierung von Fig. 1 und mit Varianten
der verringerten Implementierung. Zusätzlich zu dem
voranstehend geschilderten Verfahren, bei welchem ein
Phasenoffset einer ebenen Welle gegenüber einer zweiten,
verschiedenen ebenen Welle durch die Hälfte eines
Fundamentalzyklus erfolgt, können zusätzliche, in der Phase
invertierte ebene Wellen gesendet werden, um das SNR zu
verbessern. Als Beispiel für eine vollständige
Implementierung werden zwei getrennte ebene Wellen
hintereinander ausgesandt, und in unterschiedlichen
Richtungen, um Komponentenstrahlen zu erzeugen, die beide
dieselbe Sendepolarität (Phase) über alle Elemente des
Wandlers verwenden. Dann werden eine dritte und eine vierte
ebene Welle, identisch zur ersten bzw. zur zweiten ebenen
Welle, abgeschossen, unter Verwendung entgegengesetzter
Anfangsphasen oder Polaritäten. Der Synthesizer von Fig. 1
führt dann auf geeignete Weise eine Apodisierung und
Verzögerung aller vier Empfangssignale durch, unter
Verwendung sämtlicher Wandlerelemente in der aktiven
Empfangsapertur, um ein Bildsignal für jeden Bildort zu
erzeugen.
Dieses Verfahren verringert die Vollbildrate um einen Faktor
von zwei, jedoch stellt dies häufig einen insignifikanten
Verlust dar, verglichen mit den Vollbildraten, die durch die
hier geschilderten Vorgehensweisen ermöglicht werden.
Alternativ können die beiden verschiedenen ebenen Wellen
gleichzeitig gesendet werden, wie voranstehend geschildert,
bei einer verringerten Implementierung, und ihnen kann eine
Phase p1 während eines ersten Sendeereignisses und eine Phase
p2 während eines zweiten Sendeereignisses zugeordnet werden,
wobei p1 = 0 und p2 = 180 Grad beträgt. Die Kombination von
Empfangssignalen von zwei oder mehr Impulsen mit
unterschiedlichen Phasen kann unter Verwendung sämtlicher
Variationen der bevorzugten Ausführungsformen implementiert
werden, die in dieser Anmeldung beschrieben werden. So werden
beispielsweise bei einem Phaseninversions-
Dopplerbilderzeugungsverfahren drei oder mehr Impulse mit
alternierender Polarität gesendet, und dann empfangen. Diese
Empfangsimpulse werden verarbeitet unter Einsatz einer
herkömmlichen Dopplerverarbeitung, mit üblichen oder
speziellen Störfiltern, um das Detektieren von
Kontrastmitteln ohne signifikante Beeinträchtigung des
Fundamentalsignals zu verbessern. Die geeigneten
Gewichtungsfaktoren des Störfilters werden in dem Synthesizer
28 angelegt. Wenn das Detektieren einer Bewegung des
Kontrastmittels ein Erfordernis ist, um eine gute
Unterscheidung zwischen Signal und Gewebe zu erreichen, so
kann vorgezogen werden, unterschiedliche ebene Wellen zur
selben Zeit zu senden; anderenfalls kann ein
aufeinanderfolgendes Senden eingesetzt werden, und
ausreichend sein. Die neuen Strahlbündlungsverfahren, die in
dieser Anmeldung geschildert wurden, können dazu verwendet
werden, die Vollbildraten zu verbessern, und in einigen
Fällen die Empfindlichkeit, über große räumliche Abmessungen.
Als weiteres Beispiel können die Wechselzeilenverfahren, die
in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/282,396
beschrieben werden (eingereicht am 31. März 1999, und den
Inhabern der vorliegenden Erfindung übertragen), ebenfalls
unter Verwendung der Strahlbündlungsverfahren implementiert
werden, die in der vorliegenden Anmeldung geschildert werden.
Wie im einzelnen in dieser gleichzeitig anhängigen Anmeldung
erläutert ist (die insgesamt durch Bezugnahme in die
vorliegende Anmeldung eingeschlossen wird), können
verschiedene Parameter zeilenweise modifiziert werden. So
kann beispielsweise die reduzierte Implementierung, die in
dieser Anmeldung beschrieben wird, in einer
Wechselzeilenphasenbetriebsart durchgeführt werden, um eine
signifikante Fundamentalsignalunterdrückung für harmonische
Bilderzeugung mit verringerten Vollbildratenverlusten zur
Verfügung zu stellen, im Vergleich zu den
Phaseninversionsbilderzeugungsverfahren, die voranstehend
geschildert wurden. Als Beispiel können die
Strahlbündlungsverfahren, die in dieser Anmeldung geschildert
werden, zur Ausbildung kombinierter Strahlen eingesetzt
werden, und kann die Sendephase sich zwischen benachbarten
Sendestrahlen abwechseln. Die kombinierten Strahlen für
derartige benachbarte Sendestrahlen können dann kombiniert
werden, wie in der voranstehend angegebenen, gleichzeitig
anhängigen Anmeldung geschildert wird.
Als drittes Beispiel können Kontrastimpulssequenzen, wie sie
in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit der
Seriennummer 09/514,803 beschrieben werden (eingereicht am
29. Februar 2000, und insgesamt durch Bezugnahme in die
vorliegende Anmeldung eingeschlossen), unter Verwendung der
voranstehend geschilderten Strahlbündlungsverfahren
implementiert werden. Insbesondere können mehrere räumlich
kollineare Empfangssignale aus Sendeimpulsen mit
unterschiedlichen Amplituden und Phasen mit den hier
geschilderten Vorgehensweisen entwickelt werden. Die Phasen
oder Polaritäten beim Senden können ebenfalls pro Sendeschuß
variiert werden, wie dies voranstehend erläutert wurde.
Kontrastimpulssequenzen können das Detektieren von
Kontrastmitteln durch Verbesserung der Selektivität
verbessern. Die neuen Strahlbündlungsverfahren, die in dieser
Anmeldung geschildert werden, können die Vollbildraten und
möglicherweise die Empfindlichkeit über größere räumliche
Abmessungen verbessern.
Ein Kontrastmittel kann bei sämtlichen voranstehend
geschilderten Beispielen eingesetzt werden. Wenn ein
Kontrastmittel verwendet werden soll, kann es häufig
vorzuziehen sein, das Kontrastmittel, beispielsweise ein
Kontrastmittel mit Mikrobläschen, in das Gewebe einzugeben,
von dem ein Bild aufgenommen werden soll, bevor die
Ultraschallwellenfronten in das Gewebe gesendet werden.
Bei sämtlichen voranstehenden Implementierungen können auch
nicht-ebene Wellen eingesetzt werden. So können
beispielsweise schwach divergierende Wellen mit wesentlich
unterschiedlichen Wellenfrontwinkeln dazu verwendet werden,
einen größeren Überlappungsbereich R pro Paar von
Sende/Empfangsereignissen abzudecken. Dies führt zu einem
Verlust in Bezug auf das Signal-Rauschverhältnis (SNR), der
dadurch ausgeglichen werden kann, dass kodierte Impulse mit
hohen Produkten von Zeit und Bandbreite beim Senden und eine
Dekodierung beim Empfang verwendet werden. Es wird darauf
hingewiesen, dass eine unfokussierte Welle nicht durch eine
einzelne virtuelle Linien/Punktquelle hinter dem Wandler
gekennzeichnet werden muß, wie im Falle zylindrischer oder
kugelförmiger Wellen, und statt dessen eine verteilte Gruppe
virtueller Linien/Punktquellen umfassen kann. Schwach
fokussierte Wellen können ebenfalls für ein höheres Signal-
Rauschverhältnis verwendet werden, mit einem entsprechenden
Opfer in Bezug auf die Fläche des Überlappungsbereiches R,
also einen Kompromiß in Bezug auf das Sehfeld, und daher die
Vollbildrate. Entsprechend muß eine schwach fokussierte Welle
nicht durch einen einzigen Brennpunkt gekennzeichnet werden,
sondern kann auch eine verteilte Gruppe von Linien/Punkt-
Brennpunkten aufweisen. Die gesendeten Felder können
tatsächlich nahezu jede Form aufweisen, obwohl nur
unfokussierte und schwach fokussierte (im Vergleich zur
Empfangsfokussierung) Felder hier beschrieben werden. Die
gesendeten Wellen weisen vorzugsweise im wesentlichen
unterschiedliche Wellenfrontwinkel auf, und immer noch eine
ausreichende Intensität im Bildbereich. Die geeignete
Empfangsapertur für jeden Bildort wird vorzugsweise auf der
Grundlage der Wellenfrontwinkel des Paars der gesendeten
Wellen an diesem Ort ausgewählt.
Die synthetisierte Querbandbreite ist im allgemeinen am
breitesten, wenn die beiden Schüsse in dem größten möglichen
Winkel in Bezug aufeinander auftreten, jedoch sind kleinere
Winkel unter gewissen Bilderzeugungsbedingungen vorteilhaft,
beispielsweise wenn ungleichförmig verjüngte
Empfangsapodisierungen verwendet werden (s. h. nachstehend).
Der größte mögliche Winkel wird durch das minimale SNR in der
Praxis bestimmt. Je stärker der Strahl gelenkt wird, desto
niedriger ist der gesendete Signalpegel (infolge eines
Absinkens der Strahlung eines einzelnen Elements sowie
anderer Faktoren, beispielsweise Schrägstellung), und desto
schlechter ist das SNR.
An einem bestimmten Abbildungspunkt kann die Struktur der
gesendeten Welle so angesehen werden, dass sie im
wesentlichen eben ist. Dies gilt deswegen, da der fokussierte
Empfangsstrahl im allgemeinen nur die gesendete Welle in der
Nähe des Bildpunktes auswählt. Da die gesendete Welle
unfokussiert ist (oder schwach fokussiert, im Vergleich zur
Empfangsfokussierung), dominiert die Struktur des
Empfangsstrahls die Struktur der Sendewelle. Die Sendewelle
entspricht im wesentlichen einer ebenen Welle, die in einem
Winkel θ1 in Bezug auf einen lokal definierten Winkel gelenkt
wird. Eine ebene Welle ist eine sehr schmalbandige Erregung
im Sinne des Raums in Querrichtung. Das effektive
Sendespektrum an diesem Bildpunkt ähnelt sehr stark einer
Deltafunktion bei einer Raumfrequenz von sin(θ1)/λ. Für den
zweiten Schuß beträgt der lokale Winkel θ2, und liegt die
zugeordnete, deltaförmige Spektralanordnung an einer
Raumfrequenz von sin(θ2)/λ. In diesem Sinn ist das gesendete
Feld für einen bestimmten, interessierenden Feldpunkt im
wesentlichen eben, unabhängig von der Struktur in größerem
Maßstab.
Die Empfangsapodisierungen, welche diesem Paar gesendeter
Felder zugeordnet sind, werden vorzugsweise so ausgewählt,
dass das sich ergebende, synthetisierte Umlauf-
Raumfrequenzspektrum (und daher die
Punktausbreitungsfunktion) eine akzeptable Struktur aufweist.
Das Umlauf-Raumfrequenzespektrum, das dem ersten Sendevorgang
zugeordnet ist, ist gegeben durch die Faltung der
Raumfrequenzspektren, die dem Senden und Empfangen zugeordnet
sind. Da das Spektrum des Sendefeldes in der Auswirkung
deltaförmig ist, sieht das Umlaufspektrum sehr stark wie eine
verschobene Kopie des Empfangs-Raumfrequenzspektrums aus
(welches dieselbe funktionelle Form wie die
Empfangsapodisierung aufweist). Das gleiche gilt für das
Umlaufspektrum, das dem zweiten Schuß zugeordnet ist.
Zuerst wird der Fall überlegt, in welchem die
Empfangsaperturen ungelenkt sind. In diesem Fall ist das
Umlaufspektrum, das dem ersten Sendevorgang zugeordnet ist,
ebenso wie das effektive Sendespektrum, auf die Raumfrequenz
sin(θ1)/λ zentriert, und ist die Form der Funktion jene der
Empfangsapertur, die beim ersten Schuß verwendet wird. Der
zweite Sendevorgang ist auf sin(θ2)/λ zentriert, und weist
die funktionelle Form der zweiten Empfangsapertur auf. Wenn
die Synthese einfach additiv ist, ist das vollständige
Umlaufspektrum einfach die Summe dieser beiden beitragenden
Umlaufspektren. Für ein vernünftiges, sich ergebendes,
synthetisiertes Spektrum weisen die beiden Unterspektren
vorzugsweise entweder (1) scharf diskontinuierliche Kanten
auf, die aneinander anstoßen, so dass sie sich zu einer
kontinuierlichen Spektralform addieren, oder (2) überlappen,
und verjüngen sich so, dass der spektrale Überlapp sich
addiert, um ein glattes, synthetisiertes Spektrum zu ergeben.
Wenn die Empfangsapertur, die dem ersten Schuß zugeordnet
ist, gelenkt wird, dann ist das sich ergebende
Umlaufunterspektrum nicht auf eine Raumfrequenz von sin(θ1)/λ
zentriert, sondern ist in Bezug auf diese Frequenz um ein
Ausmaß verschoben, das durch den Empfangs-Lenkwinkel bestimmt
wird. Unabhängig davon besteht die endgültige Anforderung
darin, dass sich die Unterspektren so addieren sollten, dass
man ein glattes, synthetisiertes Spektrum erhält. Anders
ausgedrückt werden der Sendewinkel, die Empfangslenkung, und
die jeweilige Apodisierung, die dem zweiten Schuß zugeordnet
sind, so ausgewählt, dass die sich ergebenden Unterspektren
so vereinigen, dass ein gewünschtes (also glattes)
endgültiges Spektrum erhalten wird.
Für jedes Paar gesendeter Feldwinkel gibt es eine Anzahl
möglicher Empfangsaperturen. Hierzu können einige Beispiele
nützlich sein. Es wird der Fall überlegt, der voranstehend
geschildert wurde, in welchem das Sendefeld ein Paar von
ebenen Wellen ist, die in gleichen, jedoch entgegengesetzten
Winkeln ausgesandt werden, und die Empfangsapertur
gleichförmig und ungelenkt ist. In diesem Fall sind die sich
ergebenden Unterspektren gleichförmig, und unter Verwendung
von Empfangs-Blendenzahlen, die durch (Gleichung 6) gegeben
sind, stoßen sie aneinander an, was zu einem glatt
verbundenen, sehr breiten Umlaufsynthesespektrum führt. Eine
Alternative bestände darin, dreieckige Empfangsaperturen mit
der doppelten Breite wie bei den gleichförmigen zu verwenden.
In einem derartigen Fall sind die sich ergebenden
Unterspektren dreieckig, und überlappen sich über die Hälfte
ihrer Breiten, was zu einem trapezförmigen, synthetisierten
Spektrum führt. Eine andere Alternative bestände darin, die
gleichförmigen Empfangsaperturen beizubehalten, und die
Blendenzahlen, jedoch ein Lenken ungleicher Ausmaße
vorzunehmen. Die sich ergebenden Unterspektren würden sich
dann beide verschieben, jedoch in gleichem Ausmaß, so dass
sie immer noch aneinander anstoßen, und ein glattes,
synthetisiertes Spektrum bilden (es wird darauf hingewiesen,
dass die physikalischen Aperturen vergrößert werden müssen,
um dieselbe Blendenzahl beizubehalten, infolge der
Schrägstellung).
Die Ultraschallbestrahlungswinkel, die sich im Falle von
Sendewellen in Form ebener Wellen ergeben, sind besonders
einfach in der Hinsicht, dass die Wellenfrontwinkel über
einen relativ großen Bereich unabhängig von der Position
sind. Für jeden bestimmten Bildpunkt ergibt sich jedoch eine
große Vielfalt an unterschiedlichen Sendewellen, die nicht
eben sind, in demselben Paar von
Ultraschallbestrahlungswinkeln am interessierenden Punkt.
Einzelelementsendeaperturen bei (-d tanθ) und (d tanθ), wobei
d die Tiefe des Bildpunktes ist, und die Positionen relativ
zu dem Punkt auf dem Wandler liegen, an welchem die Normale
den interessierenden Punkt schneidet, führen für einen
linearen Wandler zu Ultraschallbestrahlungswinkeln von ±θ. Es
wird darauf hingewiesen, dass bei der voranstehenden
Diskussion die einzige Überlegung in Bezug auf die gesendete
Welle der Wellenfrontwinkel dieser Welle an dem betreffenden
Abbildungspunkt ist. Dieser Winkel wird hauptsächlich durch
das Verzögerungsprofil (und in gewissem Ausmaß durch die
Frequenz) bestimmt. Im allgemeinen kann jedoch jedes
Verzögerungsprofil verwendet werden, obwohl, wie bereits
voranstehend erwähnt, jenes Paar an Wellen, das zu einer
großen Winkeldifferenz in Bezug auf den Wellenfrontwinkel
führt, im allgemeinen das beste Paar darstellt, bis das
Signal-Rauschverhältnis (SNR) wesentlich wird. Die Art des
Impulses folgt hauptsächlich den Überlegungen in Bezug auf
die Breite, mit Ausnahme der Tatsache, wie weit die Frequenz
die Bestimmung des Winkels beeinflußt.
In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, mehr als zwei
Sende/Empfangsereignisse pro zweidimensionalem Bildpunkt
einzusetzen (oder mehr als vier Sende/Empfangsereignisse pro
dreidimensionalem Bildpunkt). Wenn beispielsweise das
Ultraschallsystem nicht so viele Empfangskanäle aufweist wie
die Sonde Elemente hat, ist die minimale Empfangs-Blendenzahl
und daher die maximale Empfangsraumbandbreite begrenzt, die
in großen Tiefen erzielbar ist. In diesen Fällen würde die
Verwendung einer ungelenkten Welle, die einer Deltafunktion
bei Gleichspannung im Raumspektrum entspricht, zusätzlich zu
den nach links und rechts gelenkten Wellen (±θ), das
Synthetisieren einer durchgehenden Bandbreite von 3sin(θ)/λ
mit Empfangs-Blendenzahlen gestatten, die so hoch sind wie
1/sin(θ). Denselben allgemeinen Vorgaben, die voranstehend
für den Fall mit zwei Sendevorgängen geschildert wurden, wird
vorzugsweise gefolgt, wenn mehr als zwei Schüsse mit
unterschiedlichen Winkeln eingesetzt werden: die
Empfangsapertur, die jedem Schuß zugeordnet ist, ist so
gewählt, dass die Umlaufspektren entweder (1) scharf
diskontinuierliche Kanten aufweisen, die aneinander anstoßen,
um ein kontinuierliches, synthetisiertes Spektrum zu ergeben,
oder (2) verjüngte Kanten aufweisen, die aneinander so
überlappen, dass das synthetisierte Spektrum in vernünftiger
Weise kontinuierlich ist. Erneut sind die Gruppen von
Empfangsaperturbreiten, Empfangsapodisationen, und lokalen
Winkeln, die den gesendeten Feldern zugeordnet sind,
wesentliche Parameter bei der Konstruktion. Da das
synthetisierte Querspektrum die Strahlstruktur in
Querrichtung bestimmt, werden diese Parameter vorzugsweise so
gewählt, dass man ein Spektrum erhält, das einer gewünschten
Querstruktur des Strahls zugeordnet ist.
Das Bild kann auf einem frei wählbaren Abtastgitter
ausgewählt werden. In Fig. 56 liegen die Bildorte 120 auf
einem rechteckigen Gitter. In Fig. 57 sind die Bildorte 120
entlang Abstrahllinien angeordnet, in vieler Hinsicht ähnlich
dem Ort von strahlgeformten Empfangssignalen, die auf
herkömmlichen Empfangsabtastzeilen angeordnet sind. Diese Art
von Gitter kann dazu eingesetzt werden, räumliche Variationen
der Nyquist-Abtastrate zu kompensieren. Das Abtastgitter kann
auch gleich dem Anzeigegitter gewählt werden, wodurch das
Erfordernis einer Abtastumwandlung ausgeschaltet wird.
Das System 10 kann die räumliche Bandbreite maximieren,
während es eine dynamische Fokussierung sowohl beim Senden
als auch beim Empfangen erzielt. Anders ausgedrückt kann das
System Bilder mit effektiven Umlaufaperturfunktionen
ausbilden, die so breit sind wie das Doppelte der maximalen
Einwegapertur, und die eine RECT-Form aufweisen.
Zusätzlich zum Maximieren der räumlichen Bandbreite maximiert
das System auch die zeitliche Bandbreite, da sämtliche
Rauminformation, die zur Ausbildung eines Vollbildes
(Volumens) des Bildes (mit maximaler räumlicher Bandbreite)
erforderlich ist, innerhalb nur einiger weniger
Sende/Empfangsereignisse akquiriert werden kann. Daher ist
die Vollbildrate nicht mehr durch die Zeit beschränkt, die
dazu benötigt wird, entlang von hunderten unterschiedlichen
Winkeln oder Linien zu senden und von diesen zu empfangen,
sondern durch die Verarbeitungsbandbreite der Empfangs-
Strahlbündlungsvorrichtung. Die voranstehend geschilderte
Vorgehensweise schaltet daher die Fundamentalgrenze für
dynamische zwei- und dreidimensionale Bilderzeugung mit sehr
hoher Vollbildrate aus.
Die effektive Umlaufapodisierungsfunktion, die mit dem System
10 erzielt wird, ist nicht auf die RECT-Form beschränkt.
Alternativ kann die effektive Umlaufapodisierungsfunktion so
geformt sein, dass sie eine frei wählbare Form aufweist,
durch Einsetzen einer geeigneten Apodisierung während der
Empfangs-Strahlbündelung. Da die Strahlbündelung bei den
gespeicherten Empfangssignalen erfolgt, können mehrere Bilder
mit unterschiedlichen Aperturfunktionen unter Verwendung
derselben Daten erzeugt werden. Diese Bilder können
unterschiedlich bearbeitet werden, und dann kombiniert
werden, um die Information oder die Präsentation der
Information zu verbessern.
Die mehreren Komponenten des synthetisierten Strahls können
auch dazu verwendet werden, eine Brechung oder teilweise
Blockierung der Apertur festzustellen und zu kompensieren,
wodurch eine Schattenbildung verringert wird.
Das System 10 ist mit herkömmlichen Vorgehensweisen
kompatibel, beispielsweise Gleitapertur, synthetische
Apertur, kodierter Erregung, Raumvereinigung,
Frequenzvereinigung, Kurzschluß benachbarter Elemente, und
dergleichen.
Alle herkömmlichen Bilderzeugungsbetriebsarten können bei der
vorliegenden Erfindung verwendet werden, um den Vorteil
erhöhter Vollbildraten zu erzielen. So können beispielsweise
Betriebsarten wie Farbdopplerverfahren (Geschwindigkeit,
Leistung, usw.) die mehrere Ultraschallbestrahlungen von
jeder Auflösungszelle erfordern, nunmehr mit einer
erheblichen Vollbildrate arbeiten. Vorgänge, die inhärent ein
niedriges Signal-Rauschverhältnis mit sich bringen,
beispielsweise harmonische Bilderzeugung bei Gewebe in
Abwesenheit eines Kontrastmittels, können möglicherweise
nicht optimale Ergebnisse bei unfokussierten oder schwach
fokussierten Sendewellen ergeben. Für derartige Vorgänge kann
das System 10 so abgeändert werden, dass es als herkömmliche,
Mehrfachempfangs-Strahlbündlungsvorrichtung arbeitet, wobei
Sendestrahlen entlang Ultraschalllinien erzeugt werden.
Wenn das abgebildete Objekt sich während der
Sende/Empfangsereignisse bewegt, kann bei den jeweiligen
Komponentenstrahlen eine Bewegungskompensation (räumliche
Ausrichtung) durchgeführt werden, vor der Synthese, falls
dies gewünscht ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass das voranstehend
geschilderte System Speicher enthält, die Empfangssignale
speichern, die auf allen Akquisitionskanälen für wenige
Schüsse empfangen werden. Um eine extrem hohe Vollbildrate zu
erzielen, ist eine Empfangs-Strahlbündlungsvorrichtung mit
einer sehr hohen Verarbeitungsbandbreite wünschenswert.
Allerdings stellen diese Eigenschaften keine Langzeitprobleme
dar, angesichts des rapiden Fortschritts bei größeren und
billigeren Speichern und einer erhöhten
Verarbeitungsbandbreite.
Der Begriff "Bildort" ist umfassend als Punkt oder als
Bereich um einen Punkt herum zu verstehen.
Der Begriff "Summe" soll gewichtete Summen umfassen.
Die Begriffe "im wesentlichen gleichzeitig" oder
"gleichzeitig" werden für Sendeschüsse verwendet, die dazu
führen, dass sich empfangene Echos zeitlich überlappen.
Der Begriff "Gruppe" soll ein oder mehrere Elemente umfassen.
Der Begriff "Empfangssignal" wird für Signale in jeder Stufe
der Verarbeitung zwischen den Wandlerelementen und dem
Ausgang der Empfangs-Strahlbündlungsvorrichtung verwendet.
Der Begriff "Strahl" soll im breitesten Umfang die kohärente
Summe von Empfangssignalformen in zumindest zwei
Empfangskanälen bezeichnen. Abgesehen von einigen sehr
speziellen Fällen werden Signale aus unterschiedlichen
Kanälen zuerst verzögert und in Bezug aufeinander gewichtet,
bevor sie kohärent summiert werden, um einen Strahl
auszubilden. Daher kann ein Strahl nur eine kohärente Summe
für einen einzelnen Bildort enthalten, und ist der Begriff
"Strahl" nicht auf eine Reihe kohärenter Summen für Bildorte
beschränkt, die entlang einer Zeile angeordnet sind,
beispielsweise einer Abtastzeile.
Es wird natürlich deutlich, dass viele Änderungen und
Modifikationen bei den voranstehend geschilderten,
bevorzugten Ausführungsformen vorgenommen werden können. Wie
voranstehend erläutert können viele verschiedene
Vorgehensweisen dazu verwendet werden, die verschiedenen
Signalverarbeitungsbestandteile des geschilderten Systems zu
implementieren.
Die voranstehende, detaillierte Beschreibung diskutierte nur
einige wenige jener Formen, welche die vorliegende Erfindung
annehmen kann. Daher soll diese detaillierte Beschreibung nur
zur Erläuterung, jedoch nicht zur Einschränkung dienen. Wesen
und Umfang der vorliegenden Erfindung, einschließlich ihrer
Äquivalente, ergeben sich aus der Gesamtheit der vorliegenden
Anmeldeunterlagen und sollen von den beigefügten
Patentansprüchen umfaßt sein.