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HINTERGRUND
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Weil
sich die Branche der Ultraschall-Diagnosegeräte von eindimensionalen
(1D) Ultraschallköpfen zur zweidimensionalen (2D) Bildgebung
in Richtung auf 2D-Ultraschallköpfe zur volumetrischen Bildgebung
bewegt, können Probleme mit der Größenordnung
auftreten. Wenn zum Beispiel ein herkömmlicher 1D-Schallkopf
N = 200 Elemente hat, hätte der entsprechende 2D-Schallkopf
N × N = 40.000 Elemente. Ultraschallsysteme haben herkömmlich
eine Anzahl von Kanälen gehabt, die grob der Anzahl von
Elementen in der Sonde entspricht. Die Kosten der Systemkanäle
sind jedoch deart, dass eine solche Übereinstimmung für
2D-Schallköpfe nicht geeignet ist.
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Bei
der 2D-Ultraschall-Bildgebung können ein kapazitiver Membran-,
mikrobearbeiteter, oder mikromechanisch hergestellter Ultraschallwandler (cMUT)
oder ein Wandler aus elektrostriktiven Materialien verwendet werden.
Kapazitive Wandler (wie cMUTs) und aus elektrostriktiven Materialien
hergestellte Wandler können sich darin ähneln,
wie sie das Anlegen einer Gleichspannungs-(DC)-Vorspannung zur Aktivierung
nutzen. Das Anlegen einer Vorspannung erlaubt die Ausführung
einer Transduktions-Operation. cMUTs können aus Halbleitermaterial oder
aus anderen Materialien ausgebildet sein. Eine Vielzahl von Membranen
oder anderen flexiblen Strukturen mit Elektroden führt
die Umwandlung zwischen akustischer und elektrischer Energie durch. Gruppen
der Membranen arbeiten als unterschiedliche Elemente. Auf dem cMUT
können verschiedene Anordnungen von Elementen vorgesehen
sein, wie mehr- oder zweidimensionale Arrays von Elementen. Zum
Betrieb eines cMUT wird an die Membranen eine Gleichspannung als
Vorspan nung angelegt. An die Elemente werden Wechselsignale angelegt,
um akustische Energie zu erzeugen. Von den Elementen empfangene
akustische Energie wird in elektrische Wechselsignale umgewandelt.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
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Einleitend
sei erwähnt, dass die unten beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele
Systeme und Verfahren zur Ultraschall-Bildgebung mit einem kapazitiven
mikromechanischen Ultraschallwandler (cMUT) oder einem elektrostriktiven
kapazitiven Ultraschallwandler umfassen. Eine isotrope volumetrische
Bildgebung kann mit Auswahl eines Vorspannungsleitungs-Elementes
und einer Vielzahl von Verfahren zur Apertursynthese realisiert
werden. Eine zweidimensionale Strahlformung kann durchgeführt
werden, indem ein Strahlformer verwendet wird, um entlang einer
Dimension zu fokussieren, und dann eine zweite ”offline” oder ”nachträgliche” Strahlformung
entlang der anderen Richtung durchgeführt wird.
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In
einem ersten Aspekt wird ein System zur volumetrischen Ultraschall-Bildgebung
vorgesehen, das einen Wandler enthält, der Elemente enthält,
die durch eine Vorspannung aktiviert werden. Ein Vorspannungs-Generator
ist mit dem Wandler gekoppelt und erzeugt ein Vorspannungssignal,
das ein erstes Vorspannungsmuster der Elemente bildet, und erzeugt
ein Vorspannungssignal zum Bilden eines zweiten Vorspannungsmusters
der Elemente. Ein Strahlformer ist mit dem Wandler gekoppelt, und
der Wandler sendet und empfängt Ultraschalldaten auf der
Basis des ersten Vorspannungs-Musters und sendet und empfängt
Ultraschalldaten auf der Basis des zweiten Vorspannungs-Musters.
Ein Bild wird auf der Basis einer Kombination der Ultraschalldaten vom
ersten Vorspannungs-Muster und der Ultraschalldaten vom zweiten
Vorspannungs-Muster erzeugt.
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In
einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Ultraschall-Bildgebung
mit einem Ultraschallwandler vorgesehen, der auf eine Vorspannung
zur Transduktion anspricht. Aussendungen vom Ultraschallwandler
finden mit einem ersten Vorspannungs-Muster und einem zweiten Vorspannungs-Muster
statt. Der Ultraschallwandler empfängt Daten als Reaktion
auf das Aussenden von dem ersten Vorspannungs-Muster und von dem
zweiten Vorspannungs-Muster. Ein Signal, das aus dem Senden und
Empfangen des ersten Vorspannungs-Musters resultiert, wird mit einem
Signal kombiniert, das aus dem Senden und Empfangen des zweiten
Vorspannungs-Musters resultiert.
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In
einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zur Ultraschall-Bildgebung
vorgesehen, bei dem ein elektrostriktives Material benutzt wird,
das auf eine Vorspannung reagiert. Ein erstes Vorspannungs-Muster
von Elementen auf dem Material wird aktiviert. Erste Ultraschall-Bildgebungs-Daten
werden mit dem ersten Vorspannungs-Muster gesendet und empfangen.
Ein zweites Vorspannungs-Muster von Elementen auf dem Material wird
aktiviert. Zweite Ultraschall-Bildgebungs-Daten werden mit dem zweiten
Vorspannungs-Muster gesendet und empfangen. Die ersten Ultraschall-Bildgebungs-Daten
und die zweiten Ultraschall-Bildgebungs-Daten werden kombiniert,
und ein Bild wird als Funktion der Kombination gebildet.
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In
einem vierten Aspekt wird ein System zur volumetrischen Ultraschall-Bildgebung
vorgesehen, das einen Wandler enthält, der Elemente enthält,
die durch eine Vorspannung aktiviert werden. Ein Strahlformer ist
mit dem Wandler gekoppelt und in der Lage, Sende- und Empfangsfunktionen
auszufüh ren. Ein Synthesizer ist mit dem Wandler gekoppelt.
Der Synthesizer ist in der Lage, eine Apertursynthese der Sende-
und Empfangs-Funktionen durchzuführen. Eine erste Sende-
und Empfangsfunktion wird auf Elementen durchgeführt, die
entsprechend einem ersten Vorspannungs-Muster mit einer Vorspannung versorgt
werden, und eine zweite Sende- und Empfangsfunktion wird auf Elementen
durchgeführt, die entsprechend einem zweiten Vorspannungs-Muster mit
einer Vorspannung versorgt werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Ansprüche
definiert, und nichts in diesem Abschnitt darf als Einschränkung
dieser Ansprüche genommen werden. Weitere Aspekte und Vorteile
der Erfindung werden unten in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen
erläutert und können später unabhängig
oder in Kombination beansprucht werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die
Komponenten und Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht,
stattdessen wurde die Betonung auf die Erklärung der Grundgedanken
der Erfindung gelegt. Außerdem bezeichnen in den Figuren
gleiche Referenznummern übereinstimmende Teile in den verschiedenen
Ansichten.
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1 ist
eine Darstellung eines Systems zur Ultraschall-Bildgebung;
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2 ist
eine Veranschaulichung eines 2D-Arrays;
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3 ist
eine grafische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Vorspannungs-Musters;
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4 ist
eine grafische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels
eines Vorspannungs-Musters;
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5 ist
eine grafische Darstellung eines Beispiels einer Apodisierungsfunktion;
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6 ist
ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens
zur Ultraschall-Bildgebung mit einer Vorspannung;
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7 ist
eine grafische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels
eines Vorspannungs-Musters;
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8 ist
eine grafische Darstellung eines Vorspannungs-Musters in 7;
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9 ist
eine Veranschaulichung eines Vorspannungs-Musters aus einer Gruppe
von Elementen; und
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10 ist
eine grafische Darstellung eines Vorspannungs-Musters in 9;
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GENAUE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG UND
DER ZURZEIT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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US-Patentanmeldungs-Veröffentlichung
Nr. 2007/0079658 mit dem Titel ”ROTATING APERTURE FOR ULTRASOUND
IMAGING WITH A CAPACITIVE MEMBRANE OR ELECTROSTRICTIVE ULTRASOUND
TRANSDUCER”, die hiermit durch Verweis mit aufgenommen
wird, beschreibt das Design einer Sonde, bei dem eine Eigenschaft
von cMUT-Wandlern benutzt wird und das es erlaubt, dass die Anzahl
der elektrischen Verbindungen zum Wandler 2 × N anstelle
von N × N ist. Alternativ kann die Anzahl elektrischer
Verbindungen M × N statt N × N sein, was zu M × N
Elementen führt. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich
auf die Verwendung von cMUT-Wandlern und elektrostriktiven Wandlern,
wie cMUT-Sonden mit M × N elektrischen Verbindungen in
einem Ausführungsbeispiel. Statt dass N × N Strahlformer-Kanäle
erforderlich sind, können mit einem seriellen, zweistufigen
Strahlformungs-Prozess N Strahlformer-Kanäle benutzt werden.
Der Prozess kann eine isotrope volumetrische Bildgebung ermöglichen.
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1 zeigt
das Ultraschall-System 100 zur Erzeugung von Bildern aus
Ultraschalldaten. Das Ultraschall-System 100 enthält
einen Wandler 102, einen Strahlformer 104, einen
Detektor 106, einen Prozessor 108 mit einem Speicher 110,
und ein Display 112. Zusätzlich können
andere oder weniger Komponenten vorgesehen sein. Zum Beispiel kann
der Prozessor 108 entweder eine Computer-Verarbeitungseinheit
(CPU) oder eine Grafik-Verarbeitungseinheit (GPU) sein, und der
Speicher 110 kann mit dem Prozessor 108 als eine
einzige Einheit kombiniert sein. Der Prozessor 108 konfiguriert
das System 100 und verarbeitet Ultraschalldaten oder führt
andere Funktionen aus. In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist
das System 100 eine Workstation oder ein Computer, die
Ultraschalldaten verarbeiten, die mit einer anderen Einrichtung
erhalten wurden.
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Der
Wandler 102 kann ein Array aus Elementen umfassen, wie
etwa ein zweidimensionales (2D) Array. Das Array von Elementen kann
für lineare, gekrümmte, Sektor-, Vektor®- oder andere Bildgebungskonfigurationen
konfiguriert sein. In einem Ausführungsbeispiel kann der
Wandler 102 ein elektrostriktives Material umfassen, das
Elemente enthält, die durch eine Gleichspannungs-Vorspannung aktiviert
werden. Zum Beispiel kann der Wandler 102 ein kapazitiver
mikromechanischer Ultraschallwandler (cMUT) oder eine Struktur mit
einem elektrostriktiven Material sein. Speziell ist ein cMUT ein
Array von Elementen, die dazu benutzt werden, Ultraschallwellen
zu erzeugen und zu erfassen. Ein cMUT-Bauelement umfasst im Allgemeinen
eine Zelle einer oberen Elektrode, die auf oder in einer Membran
angeordnet ist, eine untere Elektrode, die auf oder in einem Substrat
angeordnet ist, und einen Hohlraum zwischen der Membran und der
unteren Elektrode, was den cMUT zu einem Plattenkondensator mit
parallelen Platten macht, der zwei Elektroden hat. Die obere Elektrode
(z. B. metallisierte Membran) ist beweglich, und die untere Elektrode
auf oder im Substrat kann feststehend sein. Zwischen den Elektroden
befindet sich ein dielektrisches Medium (entweder Vakuum oder ein
Luftspalt).
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cMUT-Bauelemente
umfassen Gruppen von Zellen in Elementen, die auf eine angelegte
Gleichspannungs-Vorspannung reagieren, um akustische Energie in
elektrische Energie umzuwandeln und umgekehrt. Die Zellen arbeiten
zusammen, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln
und umgekehrt. Da cMUTs typischerweise sehr klein sind und sowohl
mechanische als auch elektrische Teile aufweisen, kann man sie als
mikroelektronische mechanische Systeme (microelectronic mechanical
Systems, ”MEMS”) bezeichnen. Herkömmlich
haben cMUTs im Allgemeinen eine Masseelektrode und eine spannungsführende
Elektrode. Die spannungsführende Elektrode kann dazu benutzt werden,
während der Ultraschall-Bildgebung akustische Ultraschallwellen
zu senden und zu empfangen. Wegen der unterschiedlichen Charakteristiken,
die mit dem Senden und Empfangen von Ultraschallwellen verbunden
sind, sind herkömmliche spannungsführende Elektroden
von cMUTs im Allgemeinen optimiert, Ultraschallwellen mit hoher
Empfindlichkeit zu empfangen oder zu senden, was möglicherweise
die maximale Sendeleistung beeinträchtigt.
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Ein
cMUT kann entweder in einem Sendermodus oder in einem Empfängermodus
betrieben werden. Ein Sendermodus eines cMUT kann dazu benutzt werden,
Ultraschallwellen zu erzeugen und ein Empfängermodus kann
die Ultraschallwellen erfassen. Wenn zwischen den beiden Elektroden
eine statische Spannung angelegt wird, wird die Membran durch Coulomb-Kräfte
zum Substrat gezogen. Wenn dem Gleichspannungs-Potential eine Wechselspannung überlagert
wird, wird sich die Membran als Reaktion auf das Signal bewegen,
und es wird eine Ultraschallwelle erzeugt und in die Umgebung abgegeben.
Wenn bei angelegter Gleichspannung eine Ultraschallwelle auf die
Membran trifft, vibriert die Membran, und eine Ausgangs-Wechselspannung
kann an den Elektroden der Einrichtung gemessen werden. Die angelegte
Gleichspannungs-Vorspannung liefert die Ladung, die durch die Bewegung
der Membran moduliert wird, um ein Wechselspannungssignal zu erzeugen.
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Der
Wandler 102 kann der in der US-Patentanmeldungs-Veröffentlichung
Nr. 2007/0079658 mit dem Titel ”ROTATING APERTURE FOR ULTRASOUND
IMAGING WITH A CAPACITIVE MEMBRANE OR ELECTROSTRICTIVE ULTRASOUND TRANSDUCER”,
die hier durch Verweis mit aufgenommen wird, beschriebene Wandler
sein. Insbesondere zeigt 2 ein Ausführungsbeispiel
eines Wandlers. Das Design basiert auf der Nutzung einer speziellen
Eigenschaft der Transduktion vom cMUT-Typ. Während piezoelektrische
Wandler das Anlegen eines Wechselspannungssignals zur Abstrahlung
benutzen, benutzen cMUTs ein Wechselspannungssignal und eine Gleichspannungs-Vorspannung.
Das in 2 gezeigte Array hat M Zeilen und N Spalten für
insgesamt M × N Elemente. M und N sind ganze Zahlen größer
als 1 und sind gleich oder nicht gleich. Die Vorspannung wird von
einem Vorspannungs-Generator mit M Kanälen geliefert. Jede
der M Zeilen, die die Vorspannung führt, ist horizontal
orientiert und versorgt jedes Element in der Zeile mit einer Vorspannung.
Jede der N Wechselspannungs-Signalleitungen ist im Gegensatz dazu vertikal
orientiert und führt ihr Signal an jedes Element in ihrer
Spalte. Um das (m, n)-te Element anzuregen oder zu aktivieren, wird
die Vorspannung an die m-te Vorspannungsleitung und das Wechselspannungssignal
an die n-te Signalleitung angelegt. Alle Elemente entlang der m-ten
Zeile werden durch die Vorspannung ”eingeschaltet”,
und alle Elemente entlang der n-ten Spalte werden mit einem Wechselspannungssignal
versorgt. Das einzige Element, das sowohl durch die Vorspannung
eingeschaltet wird, als auch mit einem Wechselspannungssignal versorgt
wird, ist jedoch das (m, n)-te Element. Folglich ist dieses das
Element, das abstrahlt. Zu einem festgelegten Zeitpunkt kann mehr
als ein Element abstrahlen.
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Wie
beschrieben, kann nicht für jedes Element ein unabhängiger
Systemkanal vorhanden sein. Obwohl ein unabhängiger Zugang
zu allen Elementen in einem 2D-Array vorgesehen ist, kann kein gleichzeitiger
Zugang vorhanden sein. Folglich können sich die Strahlformungs-Verfahren
von denen unterscheiden, die für die herkömmliche
Ultraschall-Bildgebung benutzt werden. In einem Ausführungsbeispiel
kann das hier beschriebene Strahlformungs-Verfahren die oben beschriebene
Wandler-Architektur benutzen, so dass die isometrische, volumetrische
Ultraschall-Bildgebung zweckmäßiger ist.
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Mit
Bezug zurück auf
1 ist der
Strahlformer
104 mit dem Wandler
102 verbunden,
um akustische Strahlen entlang eines akustischen Gitters zu erzeugen.
Akustische Da ten werden gesammelt, indem die Wandler durch mechanische
Bewegung erschüttert, gedreht oder verschoben werden, oder
indem eine elektronische Strahl-Steuerung benutzt wird. Der Strahlformer
104 kann
auch als Apertursynthese-Maschine bezeichnet werden, die eine 2D-Strahlformung über
Tausende von Elementen erlaubt, indem sie aus mehreren Empfangsereignissen eine
Apertur synthetisiert. Alternativ werden ein getrennter Prozessor
und ein Speicher vorgesehen, um die Apertur aus Signalen vor oder
nach der Strahlformung zu synthetisieren. In einem Ausführungsbeispiel
kann das Verfahren als Elevation Aperture Synthesis (EAS) bezeichnet
werden und benutzt die herkömmliche Ultraschall-Strahlformung
entlang einer Achse und ein Apertursynthese-Verfahren entlang der
anderen. Diese beiden Operationen können seriell ausgeführt
werden, um eine fokussierte Bildgebung über beide Achsen
vorzusehen. Ein Beispiel für eine Apertursynthese wird
in ”ULTRASOUND IMAGING TRANSDUCER ARRAY FOR SYNTHETIC APERTURE,”
US-Patent-Veröffentlichung 2007/0167752 ,
beschrieben, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Verweis mit
aufgenommen wird.
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2 veranschaulicht
ein zweidimensionales (2D) Array 202 mit M Zeilen, von
denen jede mit einem unabhängigen Kanal eines Vorspannungs-Generators 206 mit
M Kanälen verbunden ist, und N Zeilen, von denen jede mit
einem unabhängigen Kanal eines Ultraschall-Systems 204 mit
N Kanälen verbunden ist. Der Vorspannungs-Generator 206 ist eine
schaltbare Gleichspannungsquelle. Wenn eine Vorspannung ”eingeschaltet” und
an den Wandler angelegt wird, kann ein transienter Stromfluss auftreten,
aber im Zustand mit einer ständigen Vorspannung kann ein
minimaler Leckstrom vorhanden sein. Wenn der Vorspannungs-Generator 206 ”ausgeschaltet” ist,
ist im Wesentlichen kein Strom vorhanden. Wenn der Vorspannungs- Generator 206 ”eingeschaltet” ist,
ist ein vorher festgelegter Gleichstromwert vorhanden.
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Der
Vorspannungs-Generator 206 ist konfiguriert, ein bestimmtes
Muster vom Vorspannungen zu erzeugen, und das Ultraschallsystem 204 wird
angesteuert, um zu senden und zu empfangen wie bei der herkömmlichen
Ultraschall-Bildgebung für herkömmliche 1D-Ultraschall-Arrays.
Der Vorspannungs-Generator 206 kann ein FET-Netzwerk für hohe
Spannungen sein, das mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Es
können verschiedene Transistoren, Schalter, Spannungsteiler,
Transformatoren, Spannungsquellen oder andere Einrichtungen benutzt
werden. Jeder heute bekannte oder später entwickelte Vorspannungs-Generator 206 kann
benutzt werden. In einem Ausführungsbeispiel erzeugt der
Vorspannungs-Generator 206 alternierende Wellenformen mit
einer Frequenz, die kleiner ist als die Betriebsfrequenz des Wandlers 102 (Ultraschall-Frequenz),
um im Wesentlichen als Gleichspannungs-Vorspannung zu wirken. Eine
Frequenz der Vorspannung von weniger oder gleich 1/3 der Frequenz
des Wechselsignals kann ”im Wesentlichen Gleichspannung” sein.
Zum Beispiel wird eine Wellenform mit 500 kHz erzeugt. Durch Schalten
mit ungefähr 500 kHz kann eine sinusförmige Wellenform benutzt
werden, um die Vorspannung allmählich zwischen Sende- und
Empfangsereignissen zu erhöhen und zu verringern. Der allmähliche Übergang,
wie etwa über eine oder zwei Mikrosekunden, kann die Erzeugung
unerwünschter akustischer Übertragungen vermeiden.
Jeder unerwünschte Schall, der bei dem Übergang
erzeugt wird, kann aus dem empfangenen Signal herausgefiltert werden.
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Der
Vorspannungs-Generator 206 ist in der Lage, mindestens
zwei verschiedene Vorspannungspegel zu erzeugen, wie eine Vorspannung
von Null und eine Vorspannung ungleich Null, oder negative und positive
Vorspannungen, die für eine gewünschte Empfindlichkeit
des Wandlers 102 ausgewählt werden, wie zum Beispiel
10–120 Volt. Eine größere Anzahl von
Vorspannungspegeln kann benutzt werden, wie z. B. fünf
oder sieben Vorspannungspegel. Verschiedene Vorspannungspegel werden
an verschiedene Elektroden (nicht gezeigt) angelegt, die eine apodisierte
Apertur zur Verwendung während Sende- und/oder Empfangsereignissen
bilden. Beim Empfang können die Vorspannungspegel und/oder das
Fresnel-Vorspannungs-Muster über die Dauer des Empfangsereignisses
auf eine Weise schwanken, die auf der Grundlage der Phase dynamisch
fokussiert.
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Ein
fokussierter Strahl Ultraschall wird entlang einer Richtung gesendet.
Eine Standard-Fokussierungs-Strahlformungs-Operation wird mit den
resultierenden empfangenen Signalen durchgeführt. Der resultierende
Strom aus Ultraschall-Strahl-Daten wird dann für eine spätere
Verarbeitung gespeichert. Das Muster von Vorspannungen kann aktualisiert werden,
und der Prozess wird wiederholt. In einem Ausführungsbeispiel
wird der Prozess L mal wiederholt, wobei jedes L im Allgemeinen
mit verschiedenen Vorspannungs-Konfigurationen verbunden ist. Einmal
beendet, umfasst das Ergebnis L Sätze mit Ultraschall-Strahl-Daten.
Die Vorspannungs-Steuerung wird weiter in ”MICROFABRICATED
ULTRASONIC TRANSDUCER ARRAY FOR 3-D IMAGING AND METHOD OF OPERATING
THE SAME”, US-Patent-Veröffentlichung Nr. 2005/0119575,
beschrieben, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Verweis mit
aufgenommen wird.
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Die
Strahldaten sind fokussierte Ultraschall-Strahl-Daten, die entlang
einer Dimension fokussiert sind. Die Kanäle des Ultraschallsystems
entsprechen den Spalten des Arrays 202. Folglich verläuft
die vom Ultraschallsystem 204 durchgeführte Fokussierung über
die Spalten des Arrays 202. Diese Dimension kann als Azimut
bezeichnet werden, wie in 2 gezeigt.
Die entgegengesetzte Richtung kann als Elevation bezeichnet werden.
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3 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel eines Satzes von Vorspannungs-Mustern.
Der Wandler hat eine Anzahl von Zeilen, von denen jede mit einem
Kanal oder einer Leitung eines Vorspannungs-Generators verbunden
ist. Wie gezeigt werden die Vorspannungs-Leitungen durch den Apertur-Index 302 gekennzeichnet.
Für jede der durch den Apertur-Index 302 repräsentierten
Zeilen kann die Vorspannung ein- oder ausgeschaltet werden. Der
Apertur-Index 302 repräsentiert jede der verschiedenen
Vorspannungs-Leitungen, und der Zustand dieser Vorspannungs-Leitungen
bildet ein Vorspannungs-Muster. Der Apertur-Index 302 bezeichnet
die verfügbaren Aperturen für jedes der Elemente im
Element-Index 304. Die Vorspannung jedes der Elemente aus
dem Element-Index 304 kann durch die entsprechenden Zeilen
des Apertur-Index 302 ein- oder ausgeschaltet werden.
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Im
ersten Muster der Vorspannungs-Leitungen sind alle Vorspannungs-Leitungen
ausgeschaltet (in einem Beispiel auf ungefähr 0 Volt) mit
Ausnahme der ersten der Vorspannungs-Leitungen im Apertur-Index 302.
Die erste Vorspannungs-Leitung ist eingeschaltet (in einem Beispiel
auf z. B. 100 Volt). Im zweiten Muster, wo der Apertur-Index 302 gleich zwei
ist, sind alle Vorspannungs-Leitungen mit Ausnahme der zweiten ausgeschaltet.
Im dritten Muster sind alle Vorspannungs-Leitungen mit Ausnahme
der dritten ausgeschaltet, und so weiter. Jede Zeile in dieser grafischen
Darstellung repräsentiert das Muster von Vorspannungen,
die an den Wandler angelegt werden. Da die grafische Darstellung
L solche Zeilen zeigt, werden der Reihe nach L verschiedene Vorspannungs-Muster
an den Wandler angelegt. Folglich führt das Ultraschallsystem
L Erfassungen von Strahldaten aus. Als ein Beispiel ist das Element 310 mit
eingeschalteter Vorspannung gezeigt. Jeder der weißen Kästen
kann als Element 310 bezeichnet werden, und die weißen
Kästen repräsentieren die Elemente, deren Vorspannung
eingeschaltet ist. Wie gezeigt, kann jede Zeile das Vorspannungs-Muster für
ein Sende-/Empfangs-Ereignis sein. Für den in 3 gezeigten
Satz von Vorspannungs-Konfigurationen ist während des ersten
Sende-/Empfangs-Ereignisses die Vorspannung der Vorspannungs-Leitung
1 eingeschaltet. Beim zweiten Sende-/Empfangs-Ereignis ist die Vorspannung
der Vorspannungs-Leitung 2 eingeschaltet.
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Aus
den Vorspannungs-Mustern wird ein resultierender Satz von Strahldaten
erzeugt. Wie in 3 gezeigt, ist in jedem Vorspannungs-Zustand eine
einzelne Vorspannungs-Leitung eingeschaltet. Insbesondere wird die
Vorspannung eines einzelnen Elementes zu einem Zeitpunkt eingeschaltet,
der durch Nelsubap = 1 (306) gezeigt
ist. Nelsubap kann die Anzahl von Elementen
in jeder ”Sub-Apertur” sein, wie z. B. die Anzahl
von für jedes Sende-/Empfangs-Ereignis eingeschalteten
Vorspannungs-Leitungen. Nskip kann sein,
wie weit der Satz von Vorspannungs-Leitungen (d. h. Sub-Apertur)
mit jedem Sende-/Empfangs-Ereignis verschoben wird. Wie in 3 gezeigt,
ist Nelsubap = 1 und Nskip =
1, so dass für jedes Sende-/Empfangs-Ereignis eine einzelne
Vorspannungs-Leitung eingeschaltet ist, und mit nachfolgenden Sende-/Empfangs-Ereignissen
diese Vorspannungs-Gruppe (in diesem Fall eine einzelne Vorspannungs-Leitung)
in Einerschritten über die Apertur weiter verschoben wird.
Die Sende-/Empfangs-Vorspannungs-Muster können eine effektive Breite
haben, die größer oder gleich der Sprung-Größe
Nskip zwischen den Vorspannungs-Mustern
ist.
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Mit
anderen Worten wird eine Element-Zeile zu einem Zeitpunkt mit Vorspannung
versorgt. Außerdem bewegt sich die Abfolge der Element-Zeilen eine
nach der anderen zur nächsten Element-Zeile, wie durch
Nskip = 1 (308) gezeigt. Folglich
wird die Vorspannung einer einzelnen Zeile von Elementen eingeschaltet,
und sie strahlt einen akustischen Impuls während des Sendezyklus
ab und ist während des Empfangszyklus aktiv zum Empfang
des zurück gestreuten Ultraschalls. Da Wandler-Elemente
dieselbe Größenordnung haben wie die für
die Bildgebung benutzte akustische Wellenlänge, wird die
einzelne Zeile von Elementen ein breites ungerichtetes Schallfeld
erzeugen, das sich zylindrisch in der Elevation ausbreiten wird,
wenn es sich von der Zeile von Elementen weg ausbreitet. Ebenso
wird das Empfindlichkeitsmuster beim Empfang breit sein, sowie das
Muster der Hin-und-Zurück-Empfindlichkeit.
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Wie
in 3 gezeigt, enthält jedes Vorspannungs-Muster
im Satz von M Vorspannungs-Mustern eine einzelne eingeschaltete
Vorspannungs-Leitung. Jedes zugehörige Muster für
die Hin-und-Zurück-Empfindlichkeit ist daher gleich, mit
Ausnahme für die laterale Translation. Das Array ist ein
2D-Array mit einer Elevationsrichtung und einer Azimutrichtung.
Die empfangenen Daten können durch Strahlformung in Azimut-Richtung
fokussiert werden. Das Muster der Hin-und-Zurück-Empfindlichkeit
kann dem Einzel-Element-Ansprechverhalten eines 1D-Arrays (nur Elevation)
entsprechen. Dieser spezielle Satz von Vorspannungs-Mustern kann
das serielle Senden und Empfangen auf jedem Element des Arrays (nur
Elevation) vorsehen. Dies entspricht der beim ”Side-Scan-Sonar” für
Meeres-Sonar-Bildgebung benutzten Sende-Empfangs-Anordnung. Beim Side-Scan-Sonar
ist der Wandler ein einzelner Sender-Empfänger, der durch
das Meer geschleppt wird. Beim Schleppen sendet und empfängt
er ständig, jedes Mal von einem anderen Ort. Während
jedes dieser Sende-Empfangs-Zyklen wird der resultierende Datenstrom
gespeichert. Dies führt zu einem Satz von Datenströmen,
der mit einem Strahlformungs-Prozess analysiert wird, der allgemein
als Apertursynthese bekannt ist. Dieser Prozess dient dazu, nachträglich
die hin und zurück gelaufenen ”Einzelelement”-Daten
zu fokussieren, was zu einem fokussierten Bild führt.
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Das
Verfahren der Apertursynthese kann dazu benutzt werden, die hin
und zurück gelaufenen Daten vom 2D-Array zu fokussieren.
Die Daten sind in Azimut-Richtung bereits durch die erste Runde
der Strahlformung fokussiert, die vom Ultraschallsystem durchgeführt
wurde. Die zweite Runde der Strahlformung dient dazu, über
die Aperturen in der Elevationsrichtung zu fokussieren. Das Ergebnis
ist ein Bild, das sowohl in Azimut-, als auch in Elevationsrichtung für
eine synthetisierte Apertur fokussiert ist. Das Bild kann ein isometrisches
und volumetrisches Ultraschallbild sein.
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Wie
beschrieben bezieht sich 3 auf ein einzelnes Vorspannungsleitungs-Muster,
aber die Strahlung von einer einzelnen Zeile von Elementen kann übermäßig
breit sein. Diese Breite kann vom Standpunkt der lateralen Auflösung
ausreichend sein, kann aber vom Standpunkt des Signal-Rauschverhältnisses
(SNR) nicht ausreichen. Ferner kann der resultierende Datensatz
angesichts herkömmlicher Array-Element-Größen
im Hinblick auf die laterale räumliche Frequenz unterabgetastet
sein und kann Gitterkeulen unterworfen sein. Alternativ können
andere Vorspannungs-Muster benutzt werden, um unterschiedliche Ergebnisse
zu erzielen. Zum Beispiel kann statt für eine einzelne
Zeile von Elementen eine Vorspannung einzuschalten, die Vorspannung über
eine zusam menhängende Gruppe oder einen Satz von Elementen
angelegt werden, wodurch sich die effektive Elementgröße
erhöht. Durch die Erhöhung der effektiven Elementgröße kann
sich der Grad verringern, in dem sich das abgestrahlte akustische
Feld lateral ausbreitet, wodurch sich das SNR verbessern und die
Amplitude der Gitterkeulen verringern kann.
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4 veranschaulicht
ein alternatives Vorspannungsleitungs-Muster. Wie gezeigt, umfasst
jedes Vorspannungs-Muster eine Gruppe von drei benachbarten Vorspannungsleitungen,
die eingeschaltet sind, und diese Gruppe verschiebt sich von Muster
zu Muster um ein oder mehrere Elemente in Elevationsrichtung (Zeile).
Der Wandler hat eine Anzahl von Zeilen, von denen jede mit einem
Kanal oder einer Leitung eines Vorspannungs-Generators verbunden
ist. Wie gezeigt werden die Vorspannungsleitungen durch den Apertur-Index 402 gekennzeichnet. Der
Apertur-Index 402 bezeichnet die verfügbaren Aperturen
für jedes der Elemente im Element-Index 404. Die
Vorspannung jedes der Elemente aus dem Element-Index 404 kann
durch die entsprechenden Zeilen des Apertur-Index 402 ein-
oder ausgeschaltet werden. Zum Beispiel ist die Vorspannung der
Elemente 410 eingeschaltet. Die Elemente entsprechen drei
Zeilen von Elementen. Für die in 4 gezeigte Vorspannungs-Konfiguration
ist Nelsubap = 3 and Nskip = 1,
so dass für jedes Sende-/Empfangs-Ereignis drei benachbarte
Vorspannungs-Leitungen eingeschaltet sind, und bei nachfolgenden
Sende-/Empfangs-Ereignissen sich die Vorspannungs-Gruppe um eins verschiebt.
Insbesondere ist die Vorspannung von drei Element-Zeilen zu einem
Zeitpunkt eingeschaltet, wie durch Nelsubap =
3 (406) gezeigt. Die Abfolge der Elemente bewegt sich eine
nach der anderen zum nächsten Element, wie durch Nskip = 1 (408) gezeigt. Mit anderen
Worten wird die Vorspannung der ersten Element-Zeile und der nächsten
beiden Ele ment-Zeilen (2. und 3. Zeile von Elementen) eingeschaltet,
und weil Nskip 408 = 1, wird die
Vorspannung der zweiten Element-Zeile und der nächsten
beiden Element-Zeilen (3. und 4. Zeile von Elementen) als nächstes
eingeschaltet. Das Vorspannungs-Muster setzt sich durch die restlichen
N Elemente fort, indem eine Element-Zeile zu einem Zeitpunkt weitergezählt wird.
Für den in 4 gezeigten Satz von Vorspannungs-Konfigurationen
ist während des ersten Sende-/Empfangs-Ereignisses die
Vorspannung der Vorspannungs-Leitungen 1, 2 und 3 eingeschaltet.
Beim zweiten Sende-/Empfangs-Ereignis ist die Vorspannung der Vorspannungs-Leitungen
2, 3 und 4 eingeschaltet.
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Die
Apertursynthese-Verarbeitung kann als ein Verzögerungs-
und Summen-Strahlformungs-Prozess beschrieben werden. Wenn xm die Position des ”Schwerpunktes” der
Element-Gruppe repräsentiert, deren Vorspannung im m-ten
Vorspannungs-Muster eingeschaltet ist, und (x, z) die Koordinaten
eines Punktes im Bild repräsentiert, ist die Verzögerung,
die auf die Daten angewendet wird, gegeben durch t = 2[(xm – x)2 +
z2](1/2)/c0, wobei c0 die Schallgeschwindigkeit
ist. Die Verzögerung kann dazu dienen, die Signale abzugleichen,
um die kohärente Verstärkung in der Strahlsumme
und die laterale Auflösung zu verbessern. Während
die Verzögerung eine verbesserte kohärente Fokussierung
in allen Tiefen repräsentieren kann, kann eine tiefenunabhängige
Verzögerung den Rechenaufwand verringern (z. B. Strahlformung
mit fester Fokussierung). In einem Ausführungsbeispiel
kann die Summe eine gleichmäßig gewichtete Summe
sein. Alternativ kann vor der Summation eine nicht gleichmäßige
Gewichtung auf die Signale angewendet werden, um die Struktur der
Seitenkeulen zu verbessern. Mit anderen Worten kann die Strahlformung
eine Apodisierung enthalten, wie unten mit Bezug auf 5 be schrieben.
Die Apodisierung selbst kann für eine einfache Berechnung
statisch sein, oder kann alternativ variieren, um eine verbesserte
Kontrolle der Seitenkeulen mit dem Bereich zu erzielen.
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Weitere
Varianten der Strahlformung können möglich sein.
Zum Beispiel kann eine inkohärente Strahlformung oder eine
teilweise kohärente Strahlformung benutzt werden. Bei der
inkohärenten Strahlformung werden die HF-Strahldaten amplitudendemoduliert,
bevor die Strahl-Summe gebildet wird. Bei der teilweise kohärenten
Strahlformung wird die Strahlformungs-Operation mehrmals mit unterschiedlicher
Apodisierung auf den selben Datensatz angewendet, und der resultierende
Satz von Bildern wird inkohärent kombiniert.
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Zum
Beispiel kann ein Satz von Daten erfasst und mit dem Strahlformer
für die synthetische Apertur dreimal mit einem Satz von
Apodisierungsfunktionen, wie die in 5 gezeigten,
bearbeitet werden. Die Apodisierung 502 ist auf der y-Achse
gezeigt, wobei der Gruppen-Index 504 als x-Achse gezeigt
wird. Die Apodisierungsfunktionen können das Eingangs-Intensitätsprofil
der Daten ändern, um den Dynamikbereich der Daten zu verbessern.
Jede der drei Apodisierungsfunktionen kann die Daten von einem unterschiedlichen
Teil des Arrays hervorheben. Wenn die resultierenden apodisierten
Datensätze strahlgeformt werden, kann die Strahlformung
effektiv gesteuert werden.
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Mit
anderen Worten können als Folge der drei in 5 gezeigten
Apodisierungsfunktionen die Bilddaten aufgezeichnet werden, als
ob die physikalische Position des Wandlers bei drei aufeinander
folgenden Erfassungen unterschiedlich wäre. Demzufolge
können drei resultierende Bilder gleich sein, aber die
Specklemuster können etwas unterschiedlich sein. Wenn die
drei Bilder dann nach dem Detektionsprozess kombiniert (d. h. inkohärent
kombiniert) werden, kann die Speckle-Varianz verringert werden, wenn
auch möglicherweise auf Kosten der lateralen Auflösung.
Die teilweise kohärente Strahlformung kann eine Form der
nachträglichen räumlichen Zusammensetzung sein
und bietet ähnliche Vorteile, wie man sie bei der herkömmlichen
räumlichen Zusammensetzung findet.
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Alternative
Ausführungsbeispiele können möglich sein.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das
Vorspannungs-Muster angelegt, das Sende-Empfangs-Ereignis wird ausgelöst und
ausgeführt, und das nächste Vorspannungs-Muster
wird angelegt. Das Ändern des Vorspannungs-Musters zwischen
den Sende- und Empfangszyklen kann bestimmte Vorteile bieten. In
einem alternativen Ausführungsbeispiel können
die oben beschriebenen Vorspannungs-Muster während des Empfangszyklus
benutzt werden, aber während des Sendezyklus können
alle Vorspannungsleitungen eingeschaltet werden. In diesem Ausführungsbeispiel
kann das gesendete Feld eine ebene Welle sein und kann für
jeden Sende-Empfangs-Zyklus identisch sein, aber die Empfangs-Vorspannungs-Gruppe ändert
sich von Ereignis zu Ereignis. Folglich kann bei der Strahlformung
eine unterschiedliche Verzögerung benutzt werden, wie t
= {[(xm – x)2 +
z2](1/2) + z}/c0, wobei c0 die Schallgeschwindigkeit
ist, und die resultierende Strahlformung kann als eine Einweg-, Nur-Empfangs-Strahlformung
aufgefasst werden. Die Hin- und Zurück-Strahlformung kann
eine bessere laterale Auflösung aufweisen, es kann aber
sein, dass sie hinsichtlich des SNR nicht so stark ist. Ferner erlauben
solche Einweg-Verfahren die Verwendung von Aperturcodierungsverfahren,
wie Hadamard-Codierung, die weitere SNR-Vorteile vorsehen können
und unten mit Bezug auf die 7 und 8 gezeigt
sind.
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6 ist
ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Ultraschall-Bildgebung
mit Vorspannungs-Mustern, wie oben beschrieben. In Block 602 wird
eine Vorspannung entsprechend einem ersten Vorspannungs-Muster an
Elemente eines Wandlers angelegt, wie z. B. an Elemente eines cMUT.
Beispiele für Vorspannungs-Muster werden oben in den 3 und 4 beschrieben.
Auf der Grundlage des ersten Vorspannungs-Musters wird eine Sende-/Empfangs-Funktion
ausgeführt, um Ultraschall-Bilddaten zu erfassen, wie in
Block 604. Die Ultraschall-Bilddaten können zur
weiteren Verarbeitung aufgezeichnet oder gespeichert werden, wie
in Block 606. In Block 608 wird das Vorspannungs-Muster
angepasst, und Elemente des Wandlers werden entsprechend einem zweiten
Vorspannungs-Muster mit einer Vorspannung versorgt. In Block 610 wird eine
Sende-/Empfangs-Funktion ausgeführt, um Ultraschall-Bilddaten
auf der Grundlage des zweiten Vorspannungs-Musters zu erfassen.
Dieser zweite Satz von Ultraschall-Bilddaten kann zur weiteren Verarbeitung
aufgezeichnet oder gespeichert werden, wie in Block 612.
In Block 614 können die Ultraschall-Bilddaten
vom ersten Vorspannungs-Muster und vom zweiten Muster unter Verwendung
der Apertursynthese kombiniert werden. Zum Beispiel wird jeder Satz
von Daten entlang dem Array von Elementen in den Zeilen mit eingeschalteter
Vorspannung oder in Zeilen von Elementen durch elektronische Fokussierung
einer Strahlformung unterzogen (z. B. Strahlformung im Azimut).
Entlang der Richtung der Synthese (z. B. Elevation) wird keine Fokussierung vorgesehen.
Die strahlgeformten Abtastwerte aus mehreren Erfassungen werden
durch Synthese, wie z. B. durch Strahlformung, entlang der Richtung
der Synthese kombiniert (z. B. Auswahl von strahlgeformten Abtastwerten,
die zur gewünschten Verzögerung in Elevation gehören,
und Summation). Mit anderen Worten werden die Signale auf eine solche Weise kombiniert,
dass eine Apertur synthetisiert wird und die Daten strahlgeformt
oder fokussiert werden. Die kombinierten Ultraschalldaten werden
dazu benutzt, ein Ultraschallbild zu erzeugen, das aus jedem der
Sende-/Empfangs-Ereignisse zusammengesetzt ist, wie in Block 616.
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Alternative
Ausführungsbeispiele können für die oben
beschriebenen Ausführungsbeispiele zur Verfügung
stehen. In den oben beschriebenen Beispielen wird das Vorspannungs-Muster
angelegt, das Sende-Empfangs-Ereignis wird ausgelöst und
ausgeführt, und das nächste Vorspannungs-Muster
wird angelegt. Das Ändern des Vorspannungs-Musters zwischen
den Sende- und Empfangszyklen kann von Vorteil sein. In einem Ausführungsbeispiel
können die oben beschriebenen Vorspannungs-Muster während
des Empfangszyklus benutzt werden, aber während des Sendezyklus
werden alle M Vorspannungs-Leitungen eingeschaltet. In diesem Ausführungsbeispiel
ist das gesendete Feld eine ebene Welle und kann für jeden
Sende-Empfangszyklus identisch sein. Die Empfangs-Vorspannungs-Gruppe ändert
sich von Ereignis zu Ereignis. Bei der Strahlformung kann eine unterschiedliche
Verzögerung verwendet werden: t = {[(xm – x)2 +
z2](1/2) + z}/c0.
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Die
resultierende Strahlformung kann als Einweg-, Nur-Empfangs-Form
der Strahlformung betrachtet werden. Diese Strahlformung kann hinsichtlich
der lateralen Auflösung im Vergleich zu der oben beschriebenen
Hin-und-Zurück-Strahlformung alles andere als optimal sein,
sie kann aber hinsichtlich des SNR optimaler sein. Ein alternatives
Ausführungsbeispiel kann es sein, die Rollen des Sendens und
Empfangens umzuschalten. Mit anderen Worten werden die unterschiedlichen
Vorspannungs-Muster während des Sendezyklus an gelegt, und
beim Empfang wird an alle Elemente eine Vorspannung angelegt. Die
resultierende Strahlformung ist auch eine Einweg-Form der Strahlformung,
kann aber als Nur-Sende-Strahlformung bezeichnet werden.
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Entweder
beim Nur-Empfangs-, oder beim Nur-Sende-Verfahren kann es wünschenswert
sein, nur an einen Teil der Sende-(oder Empfangs-)Apertur eine Vorspannung
anzulegen anstatt an die gesamte Apertur. Zum Beispiel wird beim
Nur-Empfangs-Verfahren die Vorspannung an die gesamte Sende-Apertur
angelegt. Es kann wünschenswert sein, die Breite des Teils
der Apertur, an die eine Vorspannung angelegt ist, zu reduzieren,
um die Breite der ebenen Sende-Welle zu reduzieren und daher Seitenkeulen
und Bildstörungen zu verringern. Das resultierende Bild
kann schmaler sein, aber die aktive Apertur kann dann verschoben
werden.
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Weitere
Vorteile bezüglich des SNR können durch Verwendung
von Apertur-Codierungsverfahren erzielt werden, wie z. B. durch
die Hadamard-Codierung. Bei der Hadamard-Codierung wird eine Sequenz
von breiten, codierten Mustern angelegt. Betrachten wir den in 3 gezeigten
Satz von Vorspannungs-Mustern, bei dem jedes Vorspannungs-Muster
aus allen Vorspannungs-Leitungen mit Ausnahme einer einzelnen Leitung
besteht, an die eine Vorspannung angelegt ist. Wenn ein Hadamard-codiertes
Vorspannungs-Muster angelegt wird, wie in 7, und auf
den resultierenden Datensatz mit einer linearen algebraischen Decodierungs-Operation
eingewirkt wird, ist der resultierende decodierte Datensatz ähnlich
dem, der unter Verwendung der in 3 gezeigten
Vorspannungs-Muster erfasst würde, mit der Ausnahme, dass
das SNR größer als 20·log(√N)
sein kann, wobei N die Gesamtzahl von Vorspannungsleitungen ist.
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Die
Punkte in einer Hadamard-Matrix können von Null verschieden
sein und denselben Betrag haben, sich aber im Vorzeichen unterscheiden
(Element-Polarität). Ein Beispiel ist in 8 gezeigt,
in der das Vorspannungs-Muster dargestellt ist, das mit dem sechsten
Sende-/Empfangs-Ereignis des in 7 gezeigten
Vorspannungs-Musters verbunden ist. Man beachte, dass alle Vorspannungs-Leitungen von
Null verschieden sind, aber auf einen Vorspannungs-Wert von +v oder –v
gelegt werden, wobei v der Betrag der Vorspannung ist. Das Vorspannungs-Muster
in 7 ist für lineare Transduktionsverfahren
brauchbar, bei denen eine Umkehrung der Vorspannung zu einer Umkehrung
des gesendeten Signals führt. Alternativ kann mit Wandlern,
die eine weniger lineare Form der Transduktion nutzen, ein modifiziertes
Verfahren eingesetzt werden. Bei diesem modifizierten Verfahren
wird jedes Sende-/Empfangs-Ereignis in zwei getrennte Sende-/Empfangs-Ereignisse
aufgeteilt, von denen jedes Vorspannungen mit demselben Vorzeichen
nutzt. Zum Beispiel das in 8 gezeigte
Vorspannungs-Muster, welches das sechste Vorspannungs-Muster in dem
in 7 gezeigten Satz ist. Wir können dieses Vorspannungs-Muster
in zwei Schritten anwenden. Im ersten Schritt wird der positive
Vorspannungs-Teil des Satzes eingeschaltet, und der Rest wird ohne Vorspannung
gelassen. Das System wird dann veranlasst, ein Sende-/Empfangs-Ereignis
auszuführen. Das Vorspannungs-Muster wird dann umgeschaltet, und
nur die negative Spannungskomponente des Vorspannungs-Musters wird
angelegt, wird aber als positive Spannungen angelegt. Das System
wird veranlasst, ein Sende-/Empfangs-Ereignis auszuführen, und
das Ergebnis der beiden Ereignisse kann subtrahiert werden.
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In
den in den 3 und 4 gezeigten Vorspannungs-Mustern
ist Nskip ein Parameter, der die Güte
der Gitterkeulen beeinflussen kann. Größere Werte
von Nskip können mit schnelleren
Erfassungen, aber höheren Gitterkeulen und daher einem schlechteren
Störverhalten verbunden sein. Wie in den 3 und 4 gezeigt,
kann Nskip auf ganzzahlige Werte beschränkt
sein. Für Wandler mit grober Teilung kann es wünschenswert
sein, Werte von Nskip zu benutzen, die kleiner
als eins sind. Dies ist durch Benutzung von Apodisierung in den
Vorspannungs-Mustern möglich. Um eine Apodisierung der Vorspannungs-Muster
zu ermöglichen, kann ein Vorspannungs-Generator benutzt
werden, der in der Lage ist, eine Anzahl verschiedener Vorspannungen zu
erzeugen. Nskip ist ein Maß, wie
viel das Vorspannungs-Muster zwischen den Sende-/Empfangs-Ereignissen
verschoben wird.
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9 ist
eine Darstellung eines Vorspannungs-Musters aus einer Gruppe von
Elementen. 9 benutzt drei unterschiedliche
von Null verschiedene Vorspannungen (1/3, 2/3, 1). Vom Standpunkt
der Akustik ist die Lage des Vorspannungs-Musters der ”Schwerpunkt” der
Gruppe der Elemente, an die eine Vorspannung angelegt ist. Eine
Berechnung des Schwerpunktes macht deutlich, dass der Schwerpunkt
dieser Vorspannungs-Gruppen sich von Vorspannungs-Gruppe zu Vorspannungs-Gruppe
um den Wert Nskip = 1/3 verschiebt. Mit
anderen Worten weist die erste Vorspannungs-Gruppe 902 einen
Schwerpunkt auf, der um 1/3 zur zweiten Vorspannungs-Gruppe 904 verschoben
ist. Die zweite Vorspannungs-Gruppe 904 weist einen Schwerpunkt
auf, der um 1/3 zur dritten Vorspannungs-Gruppe 906 verschoben
ist. Die dritte Vorspannungs-Gruppe 906 weist einen Schwerpunkt auf,
der um 1/3 zur vierten Vorspannungs-Gruppe 908 verschoben
ist.
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10 ist
eine grafische Darstellung des Vorspannungs-Musters in 9.
Insbesondere zeigt 10 einen Satz von Vorspannungs-Mustern,
die in 9 dargestellt sind. Die aus einem solchen Vorspannungs-Satz,
wie in 10 gezeigt, ausgebildeten Bilder
können dazu tendieren, weniger anfällig gegen
Gitterkeulen-Artefakte zu sein.
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Obwohl
die Apertursynthese in der Elevation durchgeführt werden
kann und die herkömmliche Strahlformung im Azimut, kann
es möglich sein, ein volumetrisches Bild auszubilden, indem
die Apertursynthese in beiden Dimensionen durchgeführt
wird. Standardmäßige fortschreitende Vorspannungs-Muster
oder Hadamard-Codes können in der Elevation angewendet
werden, und eine Strahlformung mit festem Fokus und Zeitverzögerung
kann sowohl beim Senden als auch beim Empfangen im Azimut durchgeführt
werden, wobei die Sende- und Empfangs-Brennpunkte in derselben Tiefe
platziert werden. Empfangsdaten werden dann für eine Vielzahl
von Sende-Empfangs-Ereignissen erfasst und gespeichert, die elektronisch
verschoben werden, um ein Volumen abzustecken. Dann kann eine Apertur
in der Elevation synthetisiert werden, indem Wellenformen auf der
Grundlage des Abstandes zwischen der Mitte des Vorspannungs-Musters
und dem beabsichtigten Brennpunkt in der Elevations-Bereichs-Ebene
verzögert und aufsummiert werden. Gleichzeitig oder anschließend
wird eine Apertur im Azimut synthetisiert, indem ”virtuelle
Punktquellen” an dem festen Brennpunkt angenommen werden
und die Verzögerung und Summation von Wellenformen auf
der Grundlage des Abstandes zwischen diesen virtuellen Punkten und
dem beabsichtigten Brennpunkt in der Azimut-Bereichs-Ebene durchgeführt wird.
Zum Beispiel kann ein Verfahren zur volumetrischen Ultraschall-Bildgebung
einen mehrdimensionalen akustischen Wandler umfassen, der auf Vorspannungs-Transduktion
reagiert, wobei ein erstes Vorspan nungs-Muster in der Elevation
angelegt wird und ein erstes Sende-Empfangs-Ereignis stattfindet. Zum
Senden werden alternierende Signale mit einem Satz fester Zeitverzögerungen
im Azimut angelegt, und zum Empfangen werden alternierende Signale im
Azimut mit einem anderen Satz fester Zeitverzögerungen,
die sich nicht dynamisch mit der Zeit ändern, strahlgeformt.
Ein zweites Vorspannungs-Muster kann dann in der Elevation angelegt
werden, und ein zweites Sende-Empfangs-Ereignis wird ausgeführt.
Wellenformen von dem ersten und zweiten Ereignis werden ”offline” auf
eine Weise kombiniert, dass eine Apertur gleichzeitig sowohl in
der Elevation als auch im Azimut synthetisiert wird oder umgekehrt.
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Wie
beschrieben kann die Apertursynthese mit einem cMUT-2D-Array mit ”V3”-Form
durchgeführt werden, wobei die Vorspannung in der Elevation fest
ist, und die Zeitverzögerungs-Sende-/Empfangs-Strahlformung
im Azimut fest ist. In alternativen Ausführungsbeispielen
können andere Verfahren zur Apertursynthese benutzt werden,
die auf Wandler mit ”SV3”-Form und rotierender
Apertur anwendbar sind, wobei beim Senden die Zeitverzögerung
in der Elevation angewendet wird und das Vorspannungs-Muster im
Azimut angewendet wird, und beim Empfangen das Vorspannungs-Muster
in der Elevation angewendet wird, und die Zeitverzögerung im
Azimut angewendet wird. Zum Beispiel kann ein Verfahren zur volumetrischen
Ultraschall-Bildgebung einen 2D-Wandler umfassen, der auf eine Vorspannungs-Transduktion
reagiert, die im Apertur-Rotations-Modus betrieben wird (z. B. wie
in ”ULTRASOUND IMAGING TRANSDUCER ARRAY FOR SYNTHETIC APERTURE,”
US-Patent-Veröffentlichung
2007/0167752 beschrieben, deren gesamte Offenbarung hiermit
durch Verweis mit aufgenommen wird). Es werden zwei Sende-Empfangs-Ereignisse
erfasst, wobei ein erstes und ein zweites Sende-Zeitverzögerungs-Profil
in der Ele vation benutzt wird, und dann werden die Empfangs-Wellenformen von
den beiden Ereignissen auf eine Weise kombiniert, dass die Apertursynthese,
Anpassungs-Filterung und/oder die dynamische Sende-Fokussierung in
der Elevation implementiert wird.
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Elevations-Apertursynthese-Verfahren
im Modus mit nicht rotierender Apertur können eine gute isotrope
3D-Auflösung, aber ein nicht ideales SNR aufweisen. Die
Bildgebung im Modus mit rotierender Apertur weist auch eine isotrope
3D-Auflösung auf, kann aber wegen der von Null verschiedenen
Umschaltzeiten der Elektronik keine Bilder im Nahfeld erzeugen.
Mit einer Kombination dieser beiden Modi kann eine Lösung
zur Bildgebung des gesamten Bereichs erzielt werden. Zum Beispiel
kann ein Verfahren zur volumetrischen Ultraschall-Bildgebung es umfassen,
ein Volumen aus einer Kombination eines ersten Satzes von Elevations-Apertursynthese-Daten,
die mit dem Wandler erfasst wurden, der im Modus mit nicht rotierender
Apertur arbeitet, mit einem zweiten Satz von Daten, die mit dem
Wandler erfasst wurden, der im Modus mit rotierender Apertur arbeitet,
zu konstruieren, wobei im zweiten Satz die Apertursynthese einbezogen
sein kann oder nicht. Die Daten von den beiden Sätzen können
kohärent oder inkohärent kombiniert, miteinander
verbunden, zusammengefügt, verschachtelt oder Seite an
Seite oder von oben nach unten abgelegt werden.
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Wenn
eine Wandler-Apertur kleiner ist als die Basisfläche oder
die Fläche des bildlich darzustellenden oder abzufragenden
Volumens, kann es erforderlich sein, die Apertursynthese mit der
mechanischen Translation und Zusammenfügen zu kombinieren,
um das gesamte Volumen abzudecken. Zum Beispiel kann ein Verfahren
zur volumetrischen Ultraschall- Bildgebung es umfassen, ein Volumen
aus einem ersten und zweiten Satz von Elevations-Apertursynthesedaten
zu konstruieren, die mit dem Wandler erfasst wurden, der im Modus
mit nicht rotierender Apertur arbeitet, und wobei der Wandler zwischen dem
Erfassen des ersten und des zweiten Satzes mechanisch in der Elevation
oder im Azimut verschoben oder bewegt wird. Die Daten von den beiden
Sätzen können auf kohärente, inkohärente
oder teilweise kohärente Weise zusammengefügt
werden.
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Mit
Bezug zurück auf 1 ist der
Detektor 106 ein B-Modus-, Doppler-, Fluss- und/oder anderer Detektor
zur Erkennung der Intensität, Energie, Geschwindigkeit
oder anderer Informationen aus den Strahlformungs-Signalen. Die
Ultraschalldaten können beliebige aus B-Modus-, Doppler-Geschwindigkeits-Informationen
oder Doppler-Energie-Informationen sein.
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Das
System 100 kann einen optionalen Scan-Wandler (nicht gezeigt)
enthalten, der aus dem akustischen Koordinatennetz in ein kartesisches
Koordinatennetz umwandelt, wie das dem Display 24 zugeordnete. In
Ausführungsbeispielen, in denen einige Daten in einem kartesischen
Koordinatensystem formatiert sind, wandelt ein Scan-Wandler einige Daten
aus dem akustischen Koordinatennetz in das kartesische Koordinatennetz.
Zum Beispiel führt ein Scan-Wandler die Scan-Umwandlung
einer Vielzahl zweidimensionaler Bilder oder Ebenen aus einem akustischen
Koordinatennetz in ein kartesisches Koordinatennetz durch. Alternativ
wandelt ein Scan-Wandler, eine CPU, GPU oder ein anderer Prozessor
einige oder alle Daten des akustischen Koordinatennetzes in ein
kartesisches 3D-Koordinatennetz um.
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Der
Speicher 110 kann einen Video-RAM-Speicher, einen RAM-Speicher
oder eine andere Speichereinrichtung zum Speichern von Daten oder
Videoinformationen umfassen. Der Speicher 110 kann ein
computerlesbares Speichermedium oder ein Speicher sein, wie z. B.
ein Cache, Puffer, RAM, Wechsel-Speichermedium, eine Festplatte oder
andere computerlesbare Speichermedien. Computerlesbare Speichermedien
umfassen verschiedene Typen von flüchtigen und nichtflüchtigen Speichermedien.
Die in den Figuren veranschaulichten oder hier beschriebenen Funktionen,
Vorgänge oder Aufgaben werden als Reaktion auf einen oder mehrere
Sätze von Instruktionen ausgeführt, die in oder
auf computerlesbaren Speichermedien gespeichert sind. Die Funktionen,
Vorgänge oder Aufgaben sind unabhängig von dem
speziellen Typ des Instruktionssatzes, Speichermedien, Prozessor
oder Verarbeitungsstrategie und können durch Software,
Hardware, integrierte Schaltkreise, Firmware, Mikrocode und dergleichen
ausgeführt werden, die alleine oder in Kombination arbeiten.
Ebenso können Verarbeitungsstrategien Multiprocessing,
Multitasking, Parallelverarbeitung und dergleichen umfassen. In
einem Ausführungsbeispiel werden die Instruktionen auf
einer Wechsel-Speichermedien-Einrichtung gespeichert, um von lokalen
oder entfernten Systemen gelesen werden zu können. In anderen
Ausführungsbeispielen werden die Instruktionen an einem
entfernten Ort gespeichert, um sie über ein Computernetzwerk
oder über Telefonleitungen zu übertragen. In noch
anderen Ausführungsbeispielen werden die Instruktionen
in einem bestimmten Computer, einer CPU, GPU oder einem System gespeichert.
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In
einem Ausführungsbeispiel umfasst der Speicher 110 einen
Video-RAM-Speicher des Prozessors 108. In alternativen
Ausführungsbeispielen ist der Speicher 110 vom
Prozessor 108 getrennt, wie z. B. ein Cache-Speicher eines
Prozes sors, der Systemspeicher oder ein anderer Speicher. Der Speicher 110 ist
in der Lage, Ultraschalldaten, die in einem akustischen Koordinatennetz,
einem kartesischen Koordinatennetz, sowohl einem kartesischen Koordinatennetz
als auch einem akustischen Koordinatennetz formatiert sind, oder
Ultraschalldaten, die ein Volumen in einem 3D-Koordinatennetz repräsentieren,
zu speichern.
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In
einem Ausführungsbeispiel kann der Prozessor 108 eine
GPU sein, die einen Grafikbeschleuniger-Chip, einen Prozessor, einen
anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis, einen Schaltkreis oder
eine Beschleuniger-Karte umfasst. In einem zweiten Ausführungsbeispiel
ist der Prozessor 108 eine Grafikbeschleuniger-Karte oder
-Komponente eines Personal-Computers, zum Beispiel hergestellt von
nVidia (z. B. Quadro4 900XGL oder andere), ATI (z. B. Radeon 9700
oder andere), oder Matrox (z. B. Parhelia oder andere). Der Prozessor 108 sieht
Hardwareeinrichtungen zum Beschleunigen der Volumen-Bildsynthese-Prozesse
vor, wie die Verwendung von Schnittstellen zur Anwendungsprogrammierung
für die dreidimensionale Textur-Abbildung. Beispiel-APIs
umfassen OpenGL und DirectX, aber andere APIs können unabhängig
oder mit dem Prozessor 108 benutzt werden.
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Der
Prozessor 108 und/oder der Speicher 110 können
im System 100 als Teil einer einzelnen Ultraschallsystemkomponente
enthalten sein, wie z. B. ein Ultraschallsystem auf einem Einschub
im selben Gehäuse. In alternativen Ausführungsbeispielen werden
der Prozessor 108 und der Speicher 110 getrennt
von einem Ultraschall-Datenerfassungssystem vorgesehen, wie z. B.
in einer Workstation oder einem Personal-Computer. Die Ultraschalldaten
können drahtlos, über ein Com puternetzwerk oder über ein
tragbares Speichermedium zum Prozessor 108 übertragen
werden.
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Das
Display 24 ist eine Kathodenstrahlröhre, ein LCD, Flachbildschirm,
Plasmabildschirm, Videoprojektor oder eine andere Einrichtung zur
Anzeige eines zweidimensionalen Bildes eines dreidimensionalen Volumens
oder einer Darstellung. Das Display 24 kann konfiguriert sein, die
Ausgabe eines Ultraschallbildes darzustellen.
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Obwohl
die Erfindung oben mit Bezug auf verschiedene Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass viele Änderungen
und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang
der Erfindung abzuweichen. Es ist daher beabsichtigt, dass die obige
detaillierte Beschreibung als erläuternd und nicht als
Einschränkung betrachtet wird, und dass verstanden wird,
dass es die folgenden Ansprüche einschließlich
aller Äquivalente sind, die bezwecken, den Erfindungsgedanken
und den Umfang dieser Erfindung zu definieren.
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Zusammenfassung
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Ein
Ultraschall-Bildgebungssystem (100) kann einen kapazitiven
Membran- oder einen elektrostriktiven Ultraschallwandler (102)
benutzen, um eine isotrope volumetrische Bildgebung mit Vorspannungsleitungs-Element-Auswahl
und einer Vielzahl von Verfahren zur Apertursynthese (614)
zu realisieren. Eine zweidimensionale Strahlformung kann durchgeführt
werden, indem ein Strahlformer (104) verwendet wird, um
entlang einer Dimension zu fokussieren, und dann eine zweite ”offline” oder ”nachträgliche” Strahlformung
entlang der anderen Richtung durchgeführt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 2007/0167752 [0027, 0056]