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HINTERGRUND
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von medizinischen Vorrichtungen und insbesondere auf dem Gebiet der Ultraschallabbildung.
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STAND DER TECHNIK
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Die Ultraschallabbildung ist ein übliches Analyseverfahren, das zum Untersuchen eines breiten Bereichs von Materialien verwendet wird. Das Verfahren ist insbesondere in der Medizin aufgrund seiner relativ eindringungsfreien Art, seiner geringen Kosten und seiner schnellen Ansprechzeiten üblich. Typischerweise wird eine Ultraschallabbildung durch Erzeugen und Leiten von Ultraschallwellen in ein zu untersuchendes Material in einer Sendephase und Beobachten von Reflexionen, die an den Grenzen von unterschiedlichen Materialien erzeugt werden, in einer Empfangsphase durchgeführt. Reflexionen werden beispielsweise an Grenzen zwischen Geweben eines Patienten erzeugt. Die Reflexionen werden durch Empfangsvorrichtungen (Wandler) in elektrische Signale umgewandelt und unter Verwendung von Strahlformungsverfahren, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, verarbeitet, um die Orte von Echoquellen festzustellen. Die resultierenden Daten werden unter Verwendung einer Anzeigevorrichtung wie z. B. eines Monitors angezeigt.
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Typischerweise wird das in das zu untersuchende Material gesandte Ultraschallsignal durch Anlegen von kontinuierlichen oder gepulsten elektronischen Signalen an einen Wandler erzeugt. Der gesandte Ultraschall liegt üblicherweise im Bereich von 1 MHz bis 15 MHz. Der Ultraschall pflanzt sich durch das untersuchte Material fort und reflektiert an Strukturen wie z. B. Grenzen zwischen benachbarten Gewebeschichten. Während er läuft, kann die Ultraschallenergie gestreut, in Resonanz gebracht, gedämpft, reflektiert oder durchgelassen werden. Ein Teil der reflektierten Signale wird zu den Wandlern zurückgeführt und als Echos erfasst. Die Erfassungswandler wandeln die Echosignale in elektronische Signale um und liefern sie zu einem Strahlformer. Der Strahlformer berechnet Orte von Echoquellen entlang einer Linie (Strahl) und umfasst typischerweise einfache Filter. Nach der Strahlformung verwendet ein Bildabtastwandler die berechnete Positionsinformation, die sich aus mehreren Strahlen ergibt, um zweidimensionale Daten zu erzeugen, die als Bild dargestellt werden können. In Systemen des Standes der Technik ist die Bilderzeugungsrate (die Bildrate) durch zumindest die Impulsumlaufzeit begrenzt. Die Impulsumlaufzeit ist die Zeit zwischen dem Senden von Ultraschall in die interessierenden Medien und der Erfassung der letzten reflektierten Signale.
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Wenn sich ein Ultraschallimpuls durch ein zu untersuchendes Material fortpflanzt, werden zusätzliche Oberfrequenzkomponenten erzeugt. Diese zusätzlichen Oberfrequenzkomponenten pflanzen sich weiter fort und reflektieren wiederum an anderen Strukturen in dem zu untersuchenden Material oder treten mit diesen in Wechselwirkung. Sowohl Grundwellen- als auch Oberwellensignale werden erfasst. Die Analyse von Oberwellensignalen ist im Allgemeinen mit der Visualisierung von Grenzen oder Bildkontrastmitteln, die dazu ausgelegt sind, Ultraschall bei speziellen Oberfrequenzen zurückzustrahlen, verbunden.
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1 zeigt ein Ultraschallsystem des Standes der Technik, das im Allgemeinen mit 100 bezeichnet ist. Das Ultraschallsystem 100 umfasst eine Elementmatrix 105 von Wandlerelementen 110A–110H, ein Unterlagematerial 120 und eine Abgleichsschicht 130. Das Unterlagematerial 120 ist dazu ausgelegt, die Elementmatrix 105 zu tragen und irgendeine Ultraschallenergie zu dämpfen, die sich in Richtung des Unterlagematerials 120 fortpflanzt. Die Abgleichsschicht 130 überträgt Ultraschallenergie von den Wandlerelementen 110A–110H in ein interessierendes Material (nicht dargestellt). Die Wandlerelemente 110A–110H werden jeweils einzeln durch Leiter 115 und 117 über einen Sende/Empfangs-Schalter 140 mit einem Strahlsender 150 elektronisch gekoppelt. Im Stand der Technik sind die Wandlerelemente 110A–110H typischerweise piezoelektrische Kristalle. Der Sende/Empfangs-Schalter 140 umfasst typischerweise einen Multiplexer 145, der ermöglicht, dass die Anzahl von Leitern 117 kleiner ist als die Anzahl von Leitern 115. In der Sendephase erzeugt der Strahlsender 150 elektronische Impulse, die über den Sende/Empfangs-Schalter 140 mit den Wandlerelementen 110A–110H gekoppelt werden und an diese angelegt werden und in Ultraschallimpulse 160 umgewandelt werden. zusammengenommen bilden die Ultraschallimpulse 160 einen Ultraschallstrahl 170, der ein interessierendes Material prüft. Der Ultraschallstrahl 170 wird fokussiert, um die räumliche Auflösung der Ultraschallanalyse zu verbessern.
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2A und 2B zeigen ein Fokussierungsverfahren des Standes der Technik, bei dem die Elementmatrix 105 eine phasenabgeglichene Matrix ist, die verwendet wird, um den Ultraschallstrahl 170 durch Verändern der Zeitsteuerung der elektronischen Impulse 210, die an die Wandlerelemente 110A–110H angelegt werden, zu fokussieren. Elektronische Impulse 210 mit verschiedenen Verzögerungszeiten werden am Strahlsender 150 erzeugt. Wenn die elektronischen Impulse 210 durch Wandlerelemente 110A–110H in Ultraschallimpulse 160 umgewandelt werden, bilden sie einen Ultraschallstrahl 170, der auf einen Brennpunkt 230 gerichtet wird. 2A und 2B zeigen zwei Reihen von elektronischen Impulsen 210 jeweils mit einem anderen Satz von Verzögerungszeiten, die verschiedene Brennpunkte 230 ergeben. In einer ähnlichen Weise wird eine phasenabgeglichene Anregung der Matrix 105 verwendet, um den Ultraschallstrahl 170 in spezielle Richtungen zu richten (lenken).
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Das Ultraschallsystem 100 sendet eine Reihe von Ultraschallstrahlen 170 über verschiedene Wege, um ein Bild mit einer Querschnittsfläche zu erzeugen, die größer ist als die Breite jedes einzelnen Ultraschallstrahls 170. Mehrere Strahlen werden vom Ultraschallsystem 100 in einem Abtast- oder Lenkprozess gerichtet. Eine Ultraschallabtastung umfasst das Senden von mehr als einem unterschiedlichen Ultraschallstrahl 170, um eine Fläche abzubilden, die größer ist als jeder einzelne Ultraschallstrahl 170. Zwischen jeder Sendephase findet eine Empfangsphase statt, während der Echos erfasst werden. Da jeder Ultraschallstrahl 170, der in der Ultraschallabtastung eingeschlossen ist, zumindest einen Sende/Empfangs-Zyklus erfordert, können die Abtastprozesse viele Male die Impulsumlaufzeit erfordern. Wahlweise wird ein Ultraschallstrahl 170 in mehreren Sende/Empfangs-Zyklen gesandt, bevor ein weiterer Ultraschallstrahl 170 erzeugt wird. Wenn sich die Ultraschallwandler 110A–110H während des Abtastprozesses relativ zum untersuchten Material bewegen, können unerwünschte Bildfehler erzeugt werden.
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3A bis 3E zeigen einen Abtastprozess des Standes der Technik in einer Wandlermatrix 310 mit acht Wandlerelementen, die mit 110A bis 110H bezeichnet sind. Elektrische Impulse werden an Teilmengen 320A–320E der acht Wandlerelemente 100A–110H angelegt. 3A zeigt beispielsweise einen Ultraschallstrahl 170A, der durch die Teilmenge 320A mit den Wandlerelementen 110A–110D gebildet wird. Der nächste Schritt im Abtastprozess umfasst den Ultraschallstrahl 170B, der durch die Teilmenge 320B mit den Wandlerelementen 110B–110E gebildet wird, wie in 3B gezeigt. Die Teilmenge 320B umfasst die meisten (fünfundsiebzig Prozent) der Wandlerelemente 110A–110H, die in der Teilmenge 320A zu finden sind. Die Teilmenge 320A und die Teilmenge 320B unterscheiden sich durch zwei Wandlerelemente 110A–110H, der Unterschied umfasst den Einschluss von einem und die Entfernung eines anderen. In dem gezeigten Beispiel tritt die Mitte des Ultraschallstrahls 170B durch den Brennpunkt 230 und wird von der Mitte des Ultraschallstrahls 170A um einen Abstand gleich einem Wandlerelement 110 verschoben. Wie von 3C bis 3E dargestellt, fährt der Prozess fort, jede Teilmenge 320C bis 320E, die verwendet wird, um jeden Ultraschallstrahl 170C bis 170E zu erzeugen, wird um ein Wandlerelement 110 relativ zur Teilmenge 320B bis 320D, die verwendet wurde, um den vorherigen Ultraschallstrahl 170B bis 170D zu erzeugen, verschoben. Echos, die in der Empfangsphase erfasst werden, die zwischen jedem Senden des Ultraschallstrahls 170 stattfindet, werden verwendet, um Strahlechodaten zu erzeugen. Analysen der Strahlechodaten werden kombiniert und durch Abtasten umgewandelt, um ein Bild zu erzeugen, und der Abtastprozess wird wiederholt, um mehrere Bilder zu erzeugen. Die Teilmengen 320A–320E der Wandlerelemente 110A–110H, die verwendet werden, um die Ultraschallstrahlen 170A–170E zu erzeugen, werden unter Verwendung einer Matrix von Schaltern und eines Multiplexers 145 ausgewählt. Diese Schalter befinden sich typischerweise im Sende/Empfangs-Schalter 140.
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4A bis 4E zeigen Beispiele des Standes der Technik der Zustände der Schalter 410A–410H, die zum Erzeugen von fünf aufeinanderfolgenden Ultraschallstrahlen 170A–170E verwendet werden. Der Zustand jedes Schalters 410 legt fest, welches der Wandlerelemente 110A–110H mit dem Strahlsender 150 gekoppelt und folglich angeregt wird. In 4A sind beispielsweise die ersten vier Schalter 410A–410D geschlossen und die zweiten vier Schalter 410E–410H sind offen. Diese Bedingung ergibt einen Strahl 170A, der durch Anregung der ersten vier Wandlerelemente 110A–110C erzeugt wird, wie in 3A. In 4B ist der erste Schalter 410A offen, die nächsten vier Schalter 410B–410D sind geschlossen und die letzten drei Schalter 410E–410H sind offen. Wie in 3B dargestellt, positioniert diese Änderung der Einstellungen der Schalter 410 die Mitte des resultierenden Ultraschallstrahls 170B in einem Abstand ungefähr gleich der Breite von einem Wandlerelement 110 von der Mitte des vorherigen Ultraschallstrahls 170A. In 4C sind die ersten zwei Schalter 410A und 410B offen, die nächsten vier Schalter 410C–410F sind geschlossen und die letzten zwei Schalter 410G und 410H sind offen. Diese Einstellung der Schalter 410 ergibt einen Ultraschallstrahl 170C, der um ein Wandlerelement 110 vom Ultraschallstrahl 170B verschoben ist, wie in 3C dargestellt. 4D und 4E stellen die Einstellungen der Schalter 410 dar, die zum Erzeugen von Ultraschallstrahlen 170D und 170E verwendet werden, die in 3D bzw. 3E dargestellt sind.
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Einige Systeme des Standes der Technik verwenden elektronisch gesteuerte Schalter 410 und einen Multiplexer 145, um die Teilmenge 320 von Wandlerelementen 110A–110H auszuwählen, die verwendet werden, um den Ultraschallstrahl 170 zu erzeugen. Ungeachtet des Steuermittels unterscheiden sich die Teilmengen 320 der Wandlerelemente 110A–110H, die zum Erzeugen des Ultraschallstrahls 170 verwendet werden, während des Abtastprozesses durch den Einschluss und den Ausschluss eines Wandlerelements 110. Die Zeit, die erforderlich ist, um über eine große Matrix von Wandlerelementen 110 abzutasten, ist ein signifikanter Faktor in der Zeit, die erforderlich ist, um ein Ultraschallbild zu erzeugen. Matrizes umfassen wahlweise eine größere Anzahl von Wandlerelementen 100, beispielsweise vierundsechzig, einhundertachtundzwanzig oder mehr. Wenn er zum Steuern von Matrizes mit größeren Zahlen von Wandlerelementen 100 verwendet wird, umfasst der Sende/Empfangs-Schalter 140 einen Multiplexer 145, der mehr als einen Ausgang des Strahlsenders 150 mit einer größeren Anzahl von Wandlerelementen 110 koppelt. Außer an den Kanten der Elementwandlermatrix 310 wird jeder Ausgang des Strahlsenders 150 mit jedem Wandlerelement 110 gekoppelt. Diese Kopplung ist erforderlich, da ein Wandlerelement 110 in der Mitte der Wandlermatrix 310 abwechselnd durch alle der Ausgänge des Strahlsenders 150 angeregt wird. Wie in 3A–3E dargestellt, ist das Wandlerelement 110D beispielsweise in verschiedenen Positionen innerhalb der vier Teilmengen 320A–320D enthalten. Jede Position ist typischerweise einem speziellen Ausgang des Strahlsenders 150 zugeordnet. Im Stand der Technik wird ein typisches Wandlerelement 110 verwendet, um vier, acht oder mehr unterschiedliche Ultraschallstrahlen 170 zu erzeugen.
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Die
DE 29 00 129 A1 schlägt ein Fresnel-fokussiertes Abbildungssystem vor, bei dem in einem Abtastkopf mehrere Ultraschallsender/-wandler nebeneinanderliegend angeordnet sind. Nacheinander werden teilweise überlappende Gruppen von Sender/-Wandlern angesteuert, um die mit der angenäherten Fresnel-Funktion gefalteten Sendesignale abzustrahlen. Dadurch wird für jede Gruppe eine Fokussierung des Ultraschallstrahlungsfeldes zu erreichen. Durch die Fokussierung mittels der Fresnel-Funktion ergibt sich aus dem vom untersuchten Objekt empfangenen Signal jeweils ein Brennpunkt der Reflektion, dessen Signal für die Bildgebung verwendet wird.
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Das Ultraschall-Abbildungssystem der
WO 00/34802 A1 dient der Darstellung von räumlichen Bewegungen von Gewebe oder Strömungen, wobei die Bewegungen oder Strömungen mittels Dopplereffekten des reflektierten Ultraschallsignals ermittelt werden. Zur Erfassung der Dopplerverschiebung werden zeitversetzt Signale unter verschiedenen Winkeln ausgesendet. Dabei wird ein Strahl erzeugt, dessen Ausstrahlungsachse und Fokus durch zeitlich versetzte Ansteuerung aller Senderelemente des Senderarrays erreicht wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung ist im Anspruch 1 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein Ultraschallsystem mit einer Matrix von Ultraschallwandlerelementen, die dazu ausgelegt sind, Ultraschallstrahlen zu erzeugen. Die Strahlen werden unter Verwendung von Teilmengen der Ultraschallwandlerelemente erzeugt, wobei sich die Teilmengen durch eine Verschiebung von mehr als einem Wandlerelement unterscheiden. Dieses ”Blockschalten” wird durch einen Blockschalt-Multiplexer ermöglicht und verringert die Anzahl von Sende/Empfangs-Zyklen, die erforderlich ist, um ein Bild mit einer gegebenen Fläche ohne Verringern der Auflösung des Bildes zu erzeugen.
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BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
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1 zeigt ein Ultraschallsystem des Standes der Technik;
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2A und 2B zeigen ein Fokussierungsverfahren des Standes der Technik;
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3A bis 3E zeigen einen Abtastprozess des Standes der Technik in einer phasenabgeglichenen Matrix mit acht Wandlerelementen;
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4A bis 4E zeigen ein Beispiel des Standes der Technik der Zustände von Schaltern, die zum Erzeugen von fünf aufeinanderfolgenden Ultraschallstrahlen verwendet werden;
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5 zeigt ein Ultraschallsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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6A bis 6C zeigen drei aufeinanderfolgende Zustände von Schaltern, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgelegt sind;
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7A bis 7C zeigen Ultraschallstrahlen, die durch die in
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6 gezeigten Schalteranordnungen erzeugt werden;
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10 zeigt einen Ablaufplan zum Ausführen einer Abtastung; und
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11 zeigt einen Ablaufplan zum Erzeugen eines Bildes.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung verwendet Breitstrahltechnologien, um Orte von Echoquellen festzustellen und ein Bild zu erzeugen. Erfasste Echos werden unter Verwendung von Flächenformungsverfahren verarbeitet, um Daten zu erzeugen, die wahlweise verwendet werden, um ein Bild zu erzeugen. In Breitstrahltechnologien finden die Prozesse, die die seitliche räumliche Auflösung (Fokussierung) festlegen, während der Datenverarbeitung der erfassten Signale statt. Somit unterscheidet sich dieses Verfahren vom Stand der Technik, der die Fokussierung nur durch Zeitsteuerung der Anregung der Wandlerelemente 110 durchführte. Die Breitstrahltechnologien ermöglichen auch, dass ein Bild über einen Bereich unter Verwendung eines einzelnen Sende/Empfangs-Zyklus erzeugt wird. Die Breitstrahltechnologien beseitigen den Bedarf, einen fokussierten Strahl allmählich über eine Fläche abzutasten oder zu lenken, um ein zweidimensionales Bild zu erzeugen. Die Auflösung der unter Verwendung der Breitstrahltechnologien erzeugten Bilder ist vom Abstand oder der Anzahl von Wandlerelementen, die ein Ultraschallanregungsimpuls zwischen Sende/Empfangs-Zyklen verschoben wird, unabhängig.
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5 zeigt ein Ultraschallsystem 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Ultraschallsystem 500 umfasst einen Abtastkopf 510 mit einer Wandlermatrix 310 mit Wandlerelementen 110A–110H, die verwendet werden, um Ultraschallsignale an ein zu untersuchendes Material anzulegen. In verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist die Wandlermatrix 310 eine lineare Anordnung, gekrümmte Anordnung, phasenabgeglichene Anordnung, EV-Anordnung, EC-Anordnung oder dergleichen. Vom Abtastkopf 510 erzeugte Daten laufen durch den Sende/Empfangs-Schalter 515 und werden vom Flächenformer 520 verarbeitet, um eine Positionsinformation zu erzeugen. Da eine Flächenformung verwendet wird, können die zweidimensionalen Positionsdaten, die eine Fläche darstellen, erzeugt werden, selbst wenn diese Fläche von nur einem Ultraschallstrahl abgedeckt wird. Die Positionsinformation wird anschließend vom Bildabtastwandler 530 verwendet, um x-y-Daten zu erzeugen, die sich zur Betrachtung als Bild eignen. Das Ultraschallsystem 500 umfasst auch einen Computercode 540, der dazu ausgelegt ist, das Ultraschallsystem 500 zu verwalten, sowie den Sende/Empfangs-Schalter 515, den Strahlsender 150, den Flächenformer 520 und den Bildabtastwandler 530 zu steuern. Der Sende/Empfangs-Schalter 515 anfasst wahlweise einen Multiplexer 517. In einem typischen Ausführungsbeispiel ist der Multiplexer 517 ein Blockschalt-Multiplexer, der vom Computercode gesteuert wird.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Teilmengen 320A, 320C und 320E der Wandlermatrix 310 nacheinander angeregt, so dass die Teilmenge 320C die einzige Teilmenge 320 der Wandlerelemente 110A–110H ist, die zwischen einer Zeit, in der die Teilmenge 320A wirksam ist, und einer Zeit, in der die Teilmenge 320E wirksam ist, wirksam ist. Jede der nacheinander angeregten Teilmengen 320A, 320C und 320E wird durch eine Verschiebung von mehr als einem Wandlerelement 110 verschoben. Somit unterscheidet sich jede Teilmenge 320A, 320C und 320E durch das Hinzufügen von mehr als einem Wandlerelement 110 und das Entfernen von mehr als einem Wandlerelement 110. Das Verfahren zum Verschieben von nacheinander angeregten Teilmengen 320A, 320C und 320E durch eine Verschiebung von mehr als einem Wandlerelement 110 wird ”Blockschalten” genannt, und ein Sende/Empfangs-Schalter 515, der dazu ausgelegt ist, dieses Verfahren auszuführen, wird ”Blockschalt-Schalter” genannt.
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6A bis 6C zeigen ein Ausführungsbeispiel, das drei aufeinanderfolgende Zustände der Schalter 410A–410H ausübt, die derart ausgelegt sind, dass die Teilmengen 320A, 320C und 320C, die während einer Abtastung nacheinander angeregt werden, um mindestens zwei der Wandlerelemente 110A–110H verschoben werden. Jede Teilmenge 320 unterscheidet sich folglich in der Position um mindestens fünfzig Prozent der Anzahl von Wandlerelementen in der Teilmenge 320C. Der Zustand (offen oder geschlossen) jedes Schalters 410 legt fest, welches der Wandlerelemente 110A–110H mit dem Strahlsender 150 gekoppelt und folglich angeregt wird. In 6A sind beispielsweise die ersten vier Schalter 410A–410D geschlossen und die letzten vier Schalter 410E–410H sind offen. Dieser Zustand der Schalter 410A–410D führt zur Anregung der Teilmenge 320A der Wandlermatrix 310 mit den Wandlerelementen 110A–110D. Die nächste Schalteranordnung ist in 6B gezeigt. Die ersten zwei Schalter 410A–410B und die letzten zwei Schalter 410G–410H sind offen und die mittleren vier Schalter 410C–410F sind geschlossen. Zwei (110A und 110B) der Wandlerelemente 110A–110D, die in der vorherigen Anordnung angeregt wurden, werden nicht mehr angeregt. Wie in 6C gezeigt, wird in der nächsten Anordnung die Gruppe von geschlossenen Schaltern wieder um zwei Wandlerelemente 110A–110H verschoben. Dieser Prozess wird für jede Abtastung, die zum Erzeugen eines Bildes verwendet wird, wiederholt.
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In dem in 6 gezeigten Schaltschema wird die Mitte jeder Teilmenge 320 von der Mitte der anderen Teilmengen 320A, 320C oder 320E um einen Abstand größer als die oder gleich der Breite von zwei Wandlerelementen 110A–110H verschoben. Die Überlappungen zwischen den Teilmengen 320A, 320C und 320E sind wahlweise geringer als siebenundachtzig, vierunddreißig oder dreizehn Prozent der Breite der Teilmenge 320C und können alternativ geringer sein als die Breite von drei Wandlerelementen 110. Da Breitstrahltechnologien verwendet werden, ist die Auflösung des erzeugten Bildes von der Anzahl von Ultraschallelementen, die jeder Teilmenge gemeinsam sind, im Wesentlichen unabhängig.
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7A bis 7C zeigen Ultraschallstrahlen 710A–710C, die durch die Anordnungen der Schalter 410, die in 6 gezeigt sind, erzeugt werden. In 7A wird der Ultraschallstrahl 710 durch die Teilmenge 320A mit den ersten vier Wandlerelementen 110A–110D erzeugt und entspricht somit der Anordnung der Schalter 410 von 6A. In 7B wird der Ultraschallstrahl 710B durch die Teilmenge 320C mit den mittleren vier Wandlerelementen 110C–110F erzeugt. Und in 7C wird der Ultraschallstrahl 710C durch eine Teilmenge 320E mit den letzten vier Wandlerelementen 110E–110H erzeugt. Die erzeugten Strahlen 710A–710C überlappen um einen kleinen Bruchteil ihrer Breite. (Die Überlappung wird an der Wandleroberfläche gemessen.) Die Mitten der erzeugten Strahlen 710A–710C sind um die Breite von zwei oder mehr Wandlerelementen 110 getrennt.
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Die Teilmengen 320A, 320C und 320E der Wandlermatrix 310, die zum Erzeugen jedes Ultraschallstrahls 710A–710C verwendet werden, sind wahlweise um eine Verschiebung gleich einer oder größer als eine Anzahl von Wandlerelementen 110A–110H in jeder Teilmenge 320A, 320C oder 320E verschieden. In verschiedenen Ausführungsbeispielen beträgt diese Verschiebung mehr als vier oder mehr als acht Wandlerelemente. Wenn jedoch die Verschiebung (Verlagerung) größer ist als die Anzahl von Elementen in jeder Teilmenge 320A, 320C oder 320E, kann die Bildauflösung, -gleichmäßigkeit und -kontinuität verschlechtert werden.
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Die vorstehend beschriebenen Blockschaltverfahren sind repräsentativ. Das Ultraschallsystem 500 sollte nicht als durch oder auf die Anzahl von Wandlerelementen 110A–110H, die in irgendeiner von 6–10 gezeigt sind, begrenzt aufgefasst werden. Aber die Gesamtzahl von Wandlerelementen 110 und die Anzahl von Wandlerelementen 110A–110H innerhalb jeder Teilmenge 320, die zum Erzeugen der Ultraschallstrahlen 710A–710C verwendet wird, sind wahlweise größer oder kleiner als die gezeigten. Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren werden auch mit einer Vielzahl von Geometrien der Wandlermatrix 310 verwendet, einschließlich linearer und gekrümmter Systeme.
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Das Blockschalten verringert die Komplexität des Sende/Empfangs-Schalters 515 und des Multiplexers 517 im Vergleich zum Stand der Technik. Diese verringerte Komplexität tritt in Ausführungsbeispielen auf, bei denen jeder Ausgang des Strahlsenders 150 nicht mit irgendeinem Wandlerelement 110 der Wandlermatrix 310 gekoppelt ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird jedes Wandlerelement 110 wahlweise verwendet, um nicht mehr als zwei Ultraschallstrahlen 710A–710C zu erzeugen. In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird jeder Ausgang aus dem Sende/Empfangs-Schalter 515 mit weniger als drei oder weniger als acht Eingängen in den Sende/Empfangs-Schalter 515 gekoppelt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird jeder Ausgang aus dem Sende/Empfangs-Schalter 515 mit weniger als siebenundachtzig Prozent der Eingänge in den Sende/Empfangs-Schalter 515 gekoppelt.
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In einem Ausführungsbeispiel überlappt jede der angeregten Teilmengen 320A–320E um eine kleine Anzahl der Wandlerelemente 110A–110H. Diese Überlappung ist typischerweise geringer als fünfzig Prozent und manchmal geringer als dreiunddreißig Prozent der Größe der Teilmengen 320A–320E und ist wahlweise nicht größer als ein oder zwei der Wandlerelemente 110A–110H. Eine kleine Überlappung ermöglicht einen Vergleich zwischen Daten, die unter Verwendung von verschiedenen Ultraschallstrahlen 710A–710C erzeugt werden. Erfindungsgemäß umfasst dieser Vergleich eine Kreuzkorrelationsberechnung, die zum Erfassen von korrelierten Änderungen in den Echopositionen, die sich aus einer relativen Bewegung zwischen dem Abtastkopf 510 und dem zu untersuchenden Material ergeben, verwendet wird. Diese Änderungen in den Echopositionen verursachen potentiell Bildfehler in Bildern, die unter Verwendung von verschiedenen Ultraschallstrahlen 710A–710C erzeugt werden. Die Kreuzkorrelationsergebnisse werden vom Computercode 540 verwendet, um die Auswirkung der relativen Bewegung auf die Qualität des resultierenden Bildes zu verringern.
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10 zeigt Schritte, die in einem Verfahren zur Ausführung einer Abtastung. In einem Teilmengenauswahlschritt 1010 wird die Teilmenge 320A der Wandlerelemente 110A–110H zur Anregung unter Verwendung der Schalter 410A–410D ausgewählt. In einem Schritt 1020 zum Erzeugen eines Ultraschallstrahls 710 wird ein Sende/Empfangs-Zyklus ausgeführt. Dieser Zyklus umfasst das Anregen einer ausgewählten Teilmenge 320A, das Senden des Ultraschallstrahls 710 in das zu untersuchende Material und das Erfassen von dadurch erzeugten Echos. In einem Abtastung-Beendet-Schritt 1030 stellt der Computercode 540 fest, ob die aktuelle Abtastung beendet ist. Wenn nicht, fährt der Prozess zu einem Schritt 1040 zum Auswählen einer neuen Teilmenge fort, der eine neue Teilmenge 320 auswählt. Die neue Teilmenge 320 unterscheidet sich hinsichtlich der Position von der vorher ausgewählten Teilmenge 320 durch eine Verschiebung von mehr als einem Wandlerelement 110. Die neue Teilmenge 320, die in Schritt 1040 ausgewählt wird, umfasst wahlweise null, ein oder zwei Wandlerelemente 110A–110H gemeinsam mit der Teilmenge 320, die vorher in Schritt 1010 oder Schritt 1040 ausgewählt wurde. Im Anschluss an den Schritt 1040 wird Schritt 1020 erneut wiederholt. Wenn in Schritt 1030 der Computercode 540 feststellt, dass die aktuelle Abtastung beendet ist, fährt der Prozess zu einem Schritt 1050 der Abfrage nach einer weiteren Abtastung fort. Schritt 1050 verwendet den Computercode 540, um festzustellen, ob eine weitere Abtastung ausgeführt werden soll. Wenn ja, kehrt der Prozess zu Schritt 1010 zurück, und wenn nicht, wird der Prozess beendet.
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11 zeigt Schritte in einem Verfahren zum Erzeugen eines Bildes. In einem Schritt 1110 zum Erzeugen eines Ultraschallstrahls 710 wird ein Sende/Empfangs-Zyklus ausgeführt. Dieser Sende/Empfangs-Zyklus erzeugt Echodaten, die wahlweise gefiltert und anderweitig verarbeitet werden. Die Echodaten werden anschließend in einem Schritt 1115 zum Liefern von Echodaten zum Flächenformer 520 geliefert. Der Flächenformer 520 verwendet die Echodaten zum Erzeugen von Positionsdaten in einem Positionsdatenerzeugungs-Schritt 1120. Die Positionsdaten umfassen eine Information über die Orte von Echoquellen innerhalb des untersuchten Materials. Da Breitstrahltechnologien verwendet werden, erzeugt ein einzelner Ultraschallstrahl 710, der unter Verwendung einer einzelnen Teilmenge 320 gesandt wird, Positionsdaten über eine zweidimensionale Fläche. In einem Schritt 1125 zum Liefern von Positionsdaten zum Bildabtastwandler 530 werden die Positionsdaten zum Bildabtastwandler 530 geliefert, der die Daten in ein x-y-Koordinatensystem umwandelt, das sich zur Bildbetrachtung eignet. Die x-y-Positionsdaten werden in einem Positionsdatenspeicher-Schritt 1130 gespeichert. In einem Abtastung-Beendet-Schritt 1135 wird der Computercode 540 verwendet, um festzustellen, ob die aktuelle Abtastung beendet ist. Wenn nicht, kehrt der Prozess zu Schritt 1110 zurück, um einen weiteren Sende/Empfangs-Zyklus auszuführen, möglicherweise unter Verwendung eines neuen Ultraschallstrahls 710. Wenn die Abtastung beendet ist, dann geht der Prozess zu einem Kreuzkorrelationsausführungs-Schritt 1140 weiter, bei dem eine Kreuzkorrelation an den in Schritt 1130 gespeicherten Positionsdaten durchgeführt wird. Die in Schritt 1130 gespeicherten Positionsdaten umfassen Daten, die unter Verwendung einer Vielzahl von Ultraschallstrahlen 720A–720C erzeugt werden, die wiederum unter Verwendung einer Vielzahl von Teilmengen 320A, 320C und 320E erzeugt werden. Die Kreuzkorrelation wird insbesondere auf Daten angewendet, die überlappende Positionen abdecken und sich aus verschiedenen Sende/Empfangs-Zyklen ergeben. In einem Aspekt der Kreuzkorrelation werden beispielsweise Daten, die unter Verwendung der Teilmengen 320A und 320C erzeugt werden, korreliert. Die Kreuzkorrelation erfasst korrelierte Verschiebungen in den Positionen von Merkmalen innerhalb der Daten. Wenn sich der Abtastkopf 510 beispielsweise einen Millimeter in bezug auf das zu untersuchende Material bewegt, erfasst und ermittelt die Kreuzkorrelation die Größe dieser Bewegung. Die Kreuzkorrelation ist ein Mittel zum Vergleichen von Daten und beinhaltet wahlweise einen Bruchteil der Daten, die unter Verwendung jeder Teilmenge 320 erzeugt werden. Die Kreuzkorrelation kann beispielsweise weniger als fünfzig Prozent oder weniger als vierunddreißig Prozent der Daten beinhalten, die unter Verwendung einer speziellen Teilmenge 320 erzeugt werden. Alternativ werden andere gut bekannte Verfahren zum Vergleich verwendet. In einem Schritt 1145 zum Feststellen von räumlichen Einstellungen wird die Positionseinstellung, die erforderlich ist, um die Wirkungen von irgendeiner Bewegung zu verringern, aus den Kreuzkorrelationsergebnissen ermittelt. In einem wahlweisen Positionsdateneinstell-Schritt 1150 wird die Positionseinstellinformation verwendet, um die Positionsdaten bezüglich der räumlichen Ausrichtung von Bereichen im Bild, das unter Verwendung der Teilmengen 320A, 320C und 320E erzeugt wird, einzustellen. In einem Positionsdatenkombinations-Schritt 1160 werden die Positionsdaten kombiniert, um einen zusammengesetzten Satz von Positionsdaten, wahlweise ohne Bildfehler, die sich aus der relativen Bewegung des untersuchten Materials und des Abtastkopfs 510 ergeben, zu bilden. In einem Bilderzeugungsschritt 1165 wird der zusammengesetzte Satz von Daten verwendet, um ein Bild zu erzeugen, das in einem Bildanzeigeschritt 1170 angezeigt wird. Alternativ werden die Kreuzkorrelation von Schritt 1140 und/oder die Einstellungen von Schritt 1150 vor der Umwandlung der Positionsdaten in ein x-y-Koordinatensystem in Schritt 1125 durchgeführt.
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Das Kreuzkorrelationsverfahren und die Bildfehlerverringerungsverfahren, die unter Verwendung von 11 offenbart sind, werden durch Breitstrahltechnologien ermöglicht. Da bei diesen Technologien die Breite des Ultraschallstrahls 710 nicht mehr durch seitliche Auflösungsanforderungen begrenzt ist, stellt das Ultraschallsystem 500 in einem Ausführungsbeispiel wahlweise die Breite und Position des Ultraschallstrahls 170 ein, um eine Überlappung zwischen Strahlen zu erzielen, die zur Kreuzkorrelation ausreicht. Gleichzeitig ist die Breite des Ultraschallstrahls 170 groß genug, so dass Überlappungsbereiche ein Bruchteil der Gesamtbreite des Ultraschallstrahls 170 sind. Ein Überlappungsbereich kann beispielsweise geringer als vierunddreißig Prozent der Gesamtbreite sein. In einigen Ausführungsbeispielen ist der Überlappungsbereich geringer als zehn Prozent der Gesamtbreite des Ultraschallstrahls 170, während sie dennoch für die Zwecke der Durchführung einer Kreuzkorrelation und Bildfehlerverringerung ausreicht.
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Aus der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Vorrichtung, die hierin dargelegt sind, ist für einen üblichen Fachmann ersichtlich, dass Veränderungen und Zusätze an den Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Wandlerelemente 110A–110H können beispielsweise gegen alternative Ultraschallerzeugungselemente ausgetauscht werden; der Sende/Empfangs-Schalter 515 kann gegen separate Sende- und Empfangsschalter ausgetauscht werden; und die Teilmengen 320 können verwendet werden, um Ultraschallstrahlen 710 in verschiedenen Sequenzen zu erzeugen.
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In anderen Ausführungsbeispielen wird die hierin offenbarte Vorrichtung auf zweidimensionale Wandlermatrizes angewendet. In diesen Ausführungsbeispielen umfasst ein ”Block” wahlweise eine eindimensionale oder eine zweidimensionale Teilmenge der zweidimensionalen Wandlermatrix. Das Blockschaltverfahren kann auf drei- und vierdimensionalen Abbildungssysteme erweitert werden, wie z. B. Systeme, die Volumenformungs- und mehrdimensionale Formungsverfahren beinhalten.
