DE19524505C2 - Verfahren und Vorrichtung zur digitalen Strahlformung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen im Zeitbereich arbeitenden Empfangsstrahlformer, bei dem digitale Signalverarbeitungstechniken, d. h. Analog/Digital-Wandler, digitale Speicher, Addierer, Multiplizierer, Filter usw., eingesetzt werden, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur digitalen Empfangsstrahlformung in einem medizinischen Ul­ traschall-Diagnosesystem.

Die Zielsetzung der Strahlformung in einem System besteht darin, einen schmalen Strahl zur Verbesserung des Empfangs eines von einer gewünschten Stelle ankommenden Signals bei Vorhandensein von Rauschen und störenden Signalen von anderen Stellen zu bilden. Die Strahlformung kann während des Sendens oder des Empfangs von Energie durchgeführt werden. Die Erfindung bezieht sich auf die Bildung von Strahlen während des Empfangs.

Die Strahlformung ist bei einer Reihe von Anwendungen, d. h. bei Radar, Sonar, Kom­ munikationen, Geophysik, Astrophysik usw. nützlich. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Strahlformung bei Ultraschallabbildung. Bei Einsatz von medizinischen Ultraschall­ abbildungsgeräten können anatomische Strukturen innerhalb eines Körpers eines Patienten angezeigt und analysiert werden. Das Gerät sendet Schallwellen sehr hoher Frequenz (typischerweise 2 MHz-10 Mhz) in den Patienten und verarbeitet dann die Echos, die von Strukturen in dem untersuchten Körper reflektiert werden. Der Zweck des Geräts besteht in der Darstellung und/oder Analyse der rückkehrenden Echos. Es gibt viele Arten von Anzeigen, die in medizinischen Ultraschall-Diagnosegeräten benützt werden, wobei jedoch das wahrscheinlich am häufigsten benutzte ein zweidimensionales Bild eines ausgewählten Querschnitts der untersuchten anatomischen Struktur ist. Diese Betriebsart wird Echo- Betriebsart oder B-Modus genannt. Bei Benutzung dieser Betriebsart kann eine Reihe von anatomischen Mißbildungen in einem Patienten erfaßt werden. Weiterhin kann die Größe dieser Mißbildungen mehr oder weniger genau bestimmt werden. Bei dieser Betriebsart werden alle von einem ausgewählten Querschnitt stammenden Echos verarbeitet und ange­ zeigt. Der kritischste Betriebsparameter bezüglich des Leistungsvermögens bei dieser Betriebsart ist die Größe der Auflösungszelle. Die Größe der Auflösungszelle kann ver­ ringert werden (wodurch die Auflösung verbessert wird), indem eine dynamische Fokussie­ rung und eine dynamische (angepaßte) Filterung eingesetzt werden. Diese Methoden sind bei einem digitalen Strahlformer leichter zu realisieren als bei einem analogen Strahlformer.

Bei manchen klinischen Anwendungen können anatomische Mißbildungen relativ klein und von Echos überschattet sein, die von größeren anatomischen Strukturen reflektiert werden. Jedoch kann eine kleine anatomische Mißbildung in oder nahe bei einem Blutgefäß sich dadurch manifestieren, daß sie eine relativ große Änderung der Geschwindigkeit der Blutströmung in dem Gefäß verursacht. Es ist bekannt, eine Doppler-Verschiebungs-Echo­ verarbeitungsmethode zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts zusetzen. Die Anzeige der Dopplerverschiebung bei der Blutströmung ermöglicht eine einfachere Erfassung relativ kleiner anatomischer Abnormalitäten. Diese Betriebsart, die nun allgemein als Farbströmung (Color Flow) bezeichnet wird und die zum Beispiel in der US 4,800,891 beschrieben ist, ermöglicht die Gewinnung einer Dopplerinformation bezüglich der Blutgeschwindigkeit aus großen, ausgewählten Querschnitten der anatomischen Struktur. Es ist jedoch schwierig, in ausreichendem Umfang Ultraschalldaten für die Erzeugung eines genauen Blutströmungsbilds hoher Auflösung mit ausreichend hoher Bildrate zu erhalten. Zur Erlangung einer genaueren Dopplerinformation bezüglich der Blutströmungsgeschwin­ digkeit aus einer Fläche kleinen Querschnitts kann eine Doppler-Verarbeitungsmethode eingesetzt werden, wie sie zum Beispiel aus einem Aufsatz von Halberg und Thiele, ver­ öffentlicht in Hewlett-Packard Journal, Seiten 35 bis 40, Juni 1986, bekannt ist. Bei Einsatz dieser Methode ist es möglich, einem ausgewählten kleinen Bereich mehr Zeit zu widmen. Die Dopplerdaten werden üblicherweise mittels FFT-Methoden (schnelle Fourier-Trans­ formation) verarbeitet und mit Hilfe eines Spektrums angezeigt. Die Dopplerdaten werden auch als ein hörbares Signal (Audiosignal) dargeboten.

Die Qualität der Strahlformung hat ihren größten Einfluß hinsichtlich der Genauigkeit, Auflösung und weiterer Parameter der vorstehend erwähnten Betriebsarten des Ultraschall­ abbildungsgeräts. Ein herkömmlicher Strahlformer erzeugt in elektronischer Weise Zeitver­ zögerungen für die Anpassung an die Signalausbreitungsverzögerungen des Ultraschall- Druckfelds, das auf den Ultraschall-Strahlformer aus einer bestimmten Richtung einwirkt. Diese Zeitverzögerung (oder räumliche Verarbeitung) betont die Amplitude der kohärenten Wellenfront gegenüber dem Hintergrundrauschen und gerichteten Interferenzen bzw. Störungen. Bei einem analogen Strahlformer erfolgt dies unter Einsatz von analogen Ver­ zögerungsleitungen und Summiernetzwerken. Diese analogen Komponenten beschränken moderne Ultraschall-Diagnosegeräte in vielfacher unterschiedlicher Weise und sind daher unerwünscht. Sie relativ teuer, nicht stabil und werden durch Umgebungsbedingungen und Alterung beeinflußt. Analoge Komponenten erfordern auch eine sorgfältige Herstellung und Montage. Die Verwendung von analogen Verzögerungsleitungen beschränkt weiterhin die gewünschte Flexibilität eines modernen Ultraschallgeräts. Viele Kompromisse müssen bei einem analogen Strahlformer getroffen werden, um die vorstehend erwähnten, hauptsächli­ chen Betriebsarten zu unterstützen. Weiterhin ist eine Parallelverarbeitung, die zur Ver­ größerung der Bildraten von Echtzeit-Ultraschallgeräten notwendig ist, sehr kostenintensiv, falls der Strahlformer unter Einsatz von analogen Verarbeitungstechniken realisiert wird.

Die Vergrößerung des Leistungsvermögens und der Zuverlässigkeit sowie die Abnahme der Kosten digitaler Komponenten führt dazu, daß eine digitale Strahlformung eine günstigere Alternative, verglichen mit einer klassischen analogen Strahlformung, ist. Genauigkeit, Stabilität und Flexibilität sind die hauptsächlichen Vorteile von digitalen Signalverarbeitungs­ methoden. Die aktuelle Standard-Digitalschaltung kann mit Nyquist-Raten oberhalb von 30 MHz arbeiten. Diese Abtastfrequenzen sind für Hochfrequenz-Abtastungen und zeitliche Verarbeitung von modernen Ultraschallsignalen ausreichend hoch. Jedoch ist die für eine korrekte Anpassung an die Ausbreitungsverzögerungen erforderliche Abtastrate bei einem digitalen Strahlformer um ein Mehrfaches größer als die Nyquist-Rate für genaue Signal­ nachbildungen und liegt bei mehr als 100 MHz. Diese Verarbeitungsgeschwindigkeiten liegen in Verbindung mit der geforderten Präzision noch oberhalb des Leistungsvermögens von gegenwärtig verfügbaren Analog/Digital-Wandlern (A/D-Wandler). Die übrigen digita­ len Funktionen (d. h. solche mit Ausnahme der Analog/Digital-Wandler) können bei diesen Geschwindigkeiten durch Parallelverarbeitung unter Benutzung von digitalen Standard- Komponenten durchgeführt werden.

Ein von Pridham und Mucci vorgeschlagenes Verfahren (veröffentlicht in Proceedings of the IEEE, Vol. 67, Nr. 6, Seiten 904-919, Juni 1979) verringert die Hochgeschwindigkeits- Abtastanforderungen an Analog/Digital-Wandler bei einer digitalen Strahlformung aufgrund des Einsatzes einer digitalen Interpolation. Die empfangenen Echosignale müssen lediglich mit einem Intervall abgetastet werden, das der Nyquist-Frequenz f₀ genügt oder diese überschreitet. Der Preis für diese Verringerung der Abtastrate der Analog/Digital-Wandlung besteht in der entsprechenden Erhöhung der Anforderungen an die digitale Verarbeitung. Die für eine Strahlformung notwendigen feinen Verzögerungs-Inkremente werden unter Einsatz einer digitalen Interpolation gebildet. Bei der digitalen Interpolation werden die Daten zunächst mit Nullen versehen (d. h. zwischen den Daten werden Nullen verteilt eingefügt), was die Datenrate effektiv vergrößert. Bei einem späteren Verarbeitungspunkt werden digitale Filter zu Verringerung der Datenrate auf ihren ursprünglichen Datenwert benutzt. Pridham und Mucci haben zwei alternative Ansätze vorgeschlagen. Bei dem ersten Ansatz, bei dem eine Interpolation vor der Strahlformung vorgeschlagen wird, werden die Schaltung zur Einfügung von Nullen und die Interpolationsfilter für jeden Empfangskanal nach dem Analog/Digital-Wandler, aber vor der Strahlformungsschaltung angeordnet. Bei dem zweiten Ansatz, bei dem eine Interpolation nach der Strahlformung vorgeschlagen wird, wird das Interpolationsfilter nach der Strahlformung angeordnet. Eine Filterung nach der Strahlfor­ mung ist möglich, da die Strahlformung eine lineare Operation ist. Bei dem ersten Ansatz sind die Anforderungen an die Signalverarbeitung nicht optimal, da ein Interpolationsfilter für jeden Empfangskanal erforderlich ist. Bei dem zweiten Ansatz ist die für die Interpola­ tionsfilterung erforderliche digitale Verarbeitung verglichen mit der erforderlichen Ver­ arbeitung bei dem ersten Ansatz verringert, da eine Filterung lediglich einmal statt für jeden Kanal erfolgt. Die digitalen Verarbeitungsanforderungen können noch weiter dadurch verringert werden, daß das Interpolationsfilter in die digitalen Filter der Empfängerschaltun­ gen, die dem digitalen Strahlformer nachfolgen, eingefügt wird. Jedoch ist die Strahlfor­ mungs-Signalverarbeitung immer noch nicht optimal, da die Strahlformer-Verarbeitungsraten (d. h. die zur Erzeugung der erforderlichen Zeitverzögerungen erforderlichen Raten) sehr viel größer sind als die Nyquist-Signalrate.

Aus der EP 0 559 419 A1 ist ein Ultraschall-Strahlformer bekannt, der eine Mehrzahl von parallelen Empfangskanälen enthält, in denen jeweils Modulatoren und Addierer enthalten sind. Die Addierer der einzelnen Empfangskanäle sind über Verzögerungsglieder mitein­ ander verbunden, so daß sich ein Summierpfad aus Addierern und zwischengeschalteten Verzögerungsgliedern ergibt. Der Ausgang des Summierpfads wird einem Datenverringe­ rungsfilter als digitalisiertes, aufsummiertes Abtastsignal zugeführt.

Die EP 0 523 455 A1 betrifft ein Ultraschallgerät, das eine Mehrzahl von Verzögerungs­ einrichtungen zur Erzielung von Feinverzögerungen sowie einen Addierer und eine Schalt­ einrichtung je Abtastpfad enthält. Die von dem Addierer eines Empfangskanals erzeugten Summendaten werden über eine Feinverzögerungseinrichtung in diesem Empfangskanal geleitet, und dann über die Schalteinrichtung entweder zum vorhergehenden oder zum nachfolgenden Empfangskanal geleitet, in dem sie an einen Eingang des dortigen Addierers angelegt werden. Durch diese Gestaltung läßt sich somit festlegen, in welche Richtung das Summensignal fließen soll.

Aus "Real-Time Digital Dynamic Focussing System", Ultrasonics, März 1990, Vol. 28, Seiten 124 bis 126, ist es bekannt, in den einzelnen Empfangskanälen FIFO-Speicher vorzusehen, deren Ausgänge mit einem gemeinsamen Addiererbaustein verbunden sind.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und einen Strahlformer zur A digitalen Strahlformung zu schaffen, bei denen die Signalverarbeitungsraten minimiert sind, so daß ein System mittels digitalen Schaltkreisen aufgebaut werden kann, die bei der Nyquist-Signalrate arbeiten können.

Diese Aufgabe wird mit dem Strahlformer gemäß Anspruch 1 bzw. mit dem im Anspruch 6 angegebenen Verfahren gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Einfügung eines solchen Verfahrens oder eine Vorrichtung in ein Ultraschall-Diagno­ sesystem bietet sämtliche Vorteile der digitalen Strahlformung, d. h. Flexibilität hinsichtlich unterschiedlicher Betriebsarten, Parallelkanal-Strahlformung, dynamische Fokussierung, angepaßte Filterung usw., während die Signalverarbeitungs-Datenrate auf ein Minimum verringert ist.

Da die Signalverarbeitung parallel für eine Mehrzahl von Abtast-Strahlzeilen (Strahllinien) durchgeführt wird, wird eine Mehrzahl von Strahlen parallel gebildet. Bei einer gegebenen Signalverarbeitungs-Datenrate vergrößert dies die effektive Datenrate des Strahlformers.

Bei der vorliegenden Erfindung wird vorteilhafterweise die Tatsache ausgenutzt, daß die Arbeitsgeschwindigkeit der digitalen Hardware-Schaltungen in einem digitalen Strahlformer dadurch verringert werden kann, daß mehrfache Phasen der Signaldaten bereitgestellt und dann die Mehrfachphasen-Daten in N parallelen Summierzweigen verarbeitet werden. Bei dieser Methode wird die Arbeitsgeschwindigkeit der einzelnen digitalen Schaltungen für die Erzeugung der erforderlichen Strahlformungs-Verzögerungen im Vergleich zu herkömm­ lichen Methoden der Interpolation nach der Strahlformung nicht vergrößert, so daß die effektive Datenrate hierdurch um einen Faktor N erhöht wird und sich als Ergebnis eine Verringerung des Verzögerungs-Quantisierungsfehlers um den Faktor N ergibt. Zusätzlich wird das Filter zur Interpolationsverringerung an der vorteilhaftesten Stelle in den Strahlfor­ mer eingegliedert, nämlich nach der teilweisen Strahlformung einer Gruppe von Empfangs­ kanälen und vor der Bildung des letztendlichen Strahls in die Strahlformer-Verarbeitung eingefügt. Dieser Ansatz ermöglicht eine abschließende Strahlformung in einfacher Weise und mit einer relativ niedrigen Datenrate. Weiterhin können bei geeigneter Auswahl der gruppierten Empfangskanäle die Mehrfachphasen-Datenverarbeitung und die nachfolgende Interpolation vorteilhafterweise auf eine einzige integrierte Schaltung oder Schaltplatine be­ schränkt werden.

Zusätzlich ist der Strahlformer mit gesteuerten Leseschaltungen in jedem Empfangskanal versehen, was das mehr als einmalige Auslesen eines gegebenen Signaldatenblocks in einem gewählten Kanal mit mehreren unterschiedlichen Zeitpunkten sowie eine Verarbeitung derselben zusammen mit Signaldaten in anderen Empfangskanälen ermöglicht. Dies erlaubt dem Strahlformer die gleichzeitige Verarbeitung von Signaldaten in mehreren Abtaststrahl­ zeilen in paralleler Weise, wodurch die effektive Datenrate usw. vergrößert wird.

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der nachfol­ genden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Ansprüchen noch näher. Die Erfin­ dung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in Form eines funktionellen Blockschaltbilds ein Ultraschallabbildungsgerät in Übereinstimmung mit einer früheren Ausführungsform, das einen digitalen Strahlformer und eine serielle Summation von Datenabtastwerten von jedem Empfangskanal aufweist,

Fig. 2 als funktionelles Blockschaltbild die serielle Summation von Datenabtastwerten in dem digitalen Strahlformer gemäß Fig. 1, der derart modifiziert ist, daß er eine eingebaute Testschaltung enthält,

Fig. 3 in Form eines funktionellen Blockschaltbilds ein neuartiges Mehrphasen-Par­ allelverarbeitungsschema eines digitalen Strahlformers, das bei Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 eine neuartige Vorrichtung zur Ver­ dopplung der Genauigkeit der Strahlformung veranschaulicht.

Fig. 4 in Form eines Blockschaltbilds Einzelheiten einer neuartigen, dynamischen Verzögerungszeit-Steuereinrichtung für einen gemäß der Darstellung in Fig. 3 aufgebauten digitalen Strahlformer, jedoch mit Vier-Phasen-Daten und vier parallelen Summierpfaden,

Fig. 5 in graphischer Form die Zuordnung von N aufeinanderfolgenden Datenabtast­ werten für drei benachbarte Empfangskanäle zu jeweils unterschiedlichen Phasen der in Fig. 4 gezeigten vier Phasen zur Erzielung der Strahlformung,

Fig. 6 in Form eines Blockschaltbilds Einzelheiten eines FIR-Filters (Filter mit endlicher Impulsantwort bzw. nicht rekursives Filter), das in Übereinstimmung mit den Grundlagen der Erfindung aufgebaut ist und für die Ausrichtung, Interpolation und Verringerung der Datenabtastwerte bei dem in Fig. 4 darge­ stellten digitalen Strahlformer benutzt wird,

Fig. 7 in Form eines Blockschaltbilds einen digitalen Strahlformer, der in Überein­ stimmung mit einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung aufgebaut ist und aus partiellen Strahlformern und serieller Summation der Signalabtastwerte von jedem partiellen Strahlformer besteht,

Fig. 8 in Form eines Blockschaltbilds eine Abänderung der Schaltung gemäß Fig. 1 zur Erzeugung einer parallelen Strahlformung der Signaldaten aus unterschied­ lichen Empfangskanälen, wobei die Signaldaten in strahlgeformte Daten bzw. Strahlformungsdaten für unterschiedliche Abtaststrahlzeilen umgeformt werden,

Fig. 9 in Form eines Blockschaltbilds den Aufbau eines Speichers 24 in einem in Fig. 8 dargestellten Empfangskanal,

Fig. 10 in Form eines Blockschaltbilds eine alternative Version des Aufbaus des Speichers 24 in einem in Fig. 9 dargestellten Empfangskanal, und

Fig. 11 in Form eines Blockschaltbilds ein weiteres Ausführungsbeispiel des Aufbaus des Speichers 24 in einem in Fig. 9 dargestellten Empfangskanal.

Moderne medizinische Ultraschallsysteme benutzen Sonden mit mehreren Wandlerelemen­ ten und haben daher Strahlformer mit mehrfachen Signalverarbeitungskanälen. Die Anzahl der Kanäle kann 64, 128 oder sogar 256 betragen. Im allgemeinen ist es nicht praktisch, alle Strahlformer-Signalverarbeitungskanäle auf einer einzigen Schaltplatine auszubilden. Daher ist der Empfangsstrahlformer üblicherweise in mehrere Gruppen unterteilt. Jede Gruppe stellt einen partiellen Strahlformer dar, der eine Anzahl von Empfangskanälen enthält (z. B. 8 oder 16 Kanäle). Das Echosignal von einem Ziel wird durch die Wandler­ elemente einer Sonde empfangen. Jedes Element ist mit einem unterschiedlichen Emp­ fangskanal verbunden. In jedem Empfangskanal wird das von einem Wandlerelement stammende Signal verstärkt und dann mit gleichförmiger Rate f₀ digitalisiert.

In Fig. 1 ist eine elektronische Ultraschall-Abtast-Diagnosevorrichtung mit einem Strahl­ former dargestellt, der einen seriellen Datensummierpfad enthält. Eine Ultraschallsonde 1 besteht aus einer Anordnung aus Wandlerelementen T1 bis TM. Zur Vereinfachung der Beschreibung sei angenommen, daß M = 4 ist, obwohl es auch, wie vorstehend angegeben wurde, sehr viel größer sein kann. Vier Impulsgeneratoren 10 bis 13 erzeugen bekanntlich herkömmliche Treiberimpulse mit Hilfe von Triggersignalen, um die Elemente T1 bis T4 zur Aussendung von Ultraschallsignalen in das Gewebe eines untersuchten Körpers zu veranlassen. Ultraschall-Echosignale, die aus dem Inneren des untersuchten Gewebes zurückreflektiert werden, werden durch die gleichen Wandlerelemente T1 bis T4 empfan­ gen. Das von jedem Element als Reaktion auf die Echos erzeugte Signal wird durch einen jeweiligen Verstärker 14 bis 17 verstärkt und dann durch einen jeweiligen Analog/Digital- Wandler 20 bis 23 mit gleichförmiger Rate f₀ in parallelen Empfangskanälen 2 bis 5 digitalisiert. Die von den parallelen Empfangskanälen stammenden, empfangenen digitalen Daten werden jeweils in Speichern 24 bis 27 gespeichert. Die aus den Speichern 24 bis 27 ausgelesenen Daten werden seriell zu den Daten von einem vorhergehenden parallelen Empfangskanal mit Hilfe eines seriellen Summationspfads, der Addierer 30 bis 33 enthält, hinzuaddiert. Die Summen an den Addierer-Ausgängen werden zeitweilig durch Zwischen­ speicher 34 bis 37 gespeichert, bevor sie an den nächsten Kanal gegeben werden. Zur Berücksichtigung und Kompensation der Signalverarbeitungs-Zeitverzögerungen, die durch die serielle Summation der Daten durch die Addierer 30 bis 34 hervorgerufen werden, werden Zeitverzögerungen durch Verzögern des Auslesens oder Einschreibens aus den bzw. in die Speicher 24 bis 27 gebildet. Die serielle Summation vereinfacht die Signalver­ arbeitungs-Datenpfade. Das an dem Ausgang des letzten Addierers 33 erzeugte, geformte Strahlsignal wird durch einen Detektor 6 detektiert. Zur Darstellung der Daten auf einer Anzeige 9 ist es notwendig, das digitale Datensignal in ein Videosignal unter Einsatz eines digitalen Abtastwandlers (DSC = Digital Scan Converter) 7 in bekannter Weise umzuwan­ deln.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist für jede Gruppe der parallelen Empfangskanäle eine eingebau­ te Testeinrichtung vorgesehen. Ein Datensender 44 ist an dem Beginn des Datensummier­ pfads angeschlossen und ein Datenempfänger 45 ist mit dem Ende des Datensummierpfads verbunden. Die Steuereinrichtung 8 legt ein vorbestimmtes Muster aus digitalen Testdaten für den Datensender 44 fest, das dann durch den Datensummierpfad verarbeitet und durch den Datenempfänger 45 empfangen wird. Die Steuereinrichtung 8 analysiert dann die empfangenen Daten zur Ermittlung, ob sie mit den nach der Datensummierung erwarteten Daten übereinstimmen. Bei der Strahlformungsbetriebsart werden Nullen durch den Datensender 44 erzeugt, damit die serielle Summation der Daten aus den Speichern 24 bis 27 nicht gestört wird.

Zur Erzielung eines kleineren Quantisierungsfehlers bei der dynamischen Fokussierungs­ verzögerung ist in Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der Erfindung eine neuartige Strahlformer-Interpolationsanordnung vorgesehen. Falls die Datenrate bei einer herkömm­ lichen Strahlformer-Interpolation um einen Faktor N erhöht wird, vergrößern sich, wie vorstehend erwähnt, die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Addierer und die Taktfrequenz um den gleichen Faktor. Zur Vermeidung der Benutzung von höherfrequenten Takten und Hochgeschwindigkeitsaddierern wird bei der neuartigen Strahlformer-Interpolationsanord­ nung ein Multiphasen-Speicher-Ausleseschema benutzt, das 1) den Quantisierungsfehler verringert und 2) die Benutzung der gleichen Taktfrequenz f₀ während der gesamten Strahlformer-Verarbeitung erlaubt. Bei dieser Anordnung können Gruppen der Empfangs­ kanäle unter Einsatz eines einzigen Interpolationsverringerungsfilters zusammengefaßt werden, wodurch ein partieller Strahl unter Einsatz jeder Empfangskanalgruppe gebildet wird.

In Fig. 3 ist der neuartige Strahlformer mit einer mehrphasigen Speicherausleseanordnung dargestellt. Die in die Speicher 24 bis 27 einzuschreibenden Daten werden mit der gleichen Rate wie die Abtastrate, d. h. mit f₀, getaktet. Der Auslesetakt beträgt gleichfalls f₀, ist jedoch nicht gleichförmig. Das Auslesen kann bei manchen Takten angehalten werden, wenn eine zusätzliche Zeitverzögerung benötigt wird. Dies führt zu einer Einstellung der Verzögerungszeit um 1/f₀, was nachstehend als eine grobe Verzögerungseinheit bezeichnet wird. Um den Quantisierungsfehler der Verzögerungszeit noch weiter zu verringern, werden die Auslesedaten in N parallele Summierpfade P1 und P2 sortiert bzw. aufgeteilt (n = 2 in Fig. 3), um die Verzögerungszeit auf (n - 1)/N der groben Verzögerungszeit­ einheit fein abzustimmen, wobei n = 1, ..., N ist. Jeder parallele Summierpfad repräsen­ tiert eine unterschiedliche Phase der Auslesedaten. Daher erfolgt bei Verschiebung der Auslesedaten in die nächste Phase eine Einstellung der Verzögerung auf 1/(Nf₀), was im folgenden als eine feine Verzögerungseinheit bezeichnet wird. Durch Benutzung der mehrphasigen Auslesung kann die dynamische Empfangsfokussierung mit feinen Ver­ zögerungseinheiten eingestellt werden. Jeder von einem gegebenen bzw. bestimmten Kanal stammende Abtastwert wird zu lediglich einer der Phasen bzw. Pfade P1 und P2 gerichtet. Jedoch ist es vor der Zuleitung der Daten zu dem gewählten parallelen Summierpfad notwendig, diese zu dem Datenabtastwert von einem benachbarten Kanal hinzuzuaddieren. Wähler 70 bis 77, 50 bis 53, Addierer 30 bis 33 und Zwischenspeicher 60 bis 67 führen die Richtung bzw. Zuteilung und die serielle Summation für die Datenabtastwerte, die für die parallelen Summierpfade bereitgestellt werden, durch. Falls z. B. Daten vom Speicher 25 zur Phase bzw. zum Pfad P1 gerichtet werden sollen, werden Daten von dem Zwi­ schenspeicher 60 außerhalb der Phase P1 über den Wähler 51 zum Addierer 31 geleitet. Zur gleichen Zeit bringt der Wähler 75 Daten von der Phase P2 aus dem Zwischenspei­ cher 64 zum Zwischenspeicher 65. Nachfolgend wählt der Wähler 71 Daten von dem Addierer 31 und leitet diese Daten zum Zwischenspeicher 61. Steuereinrichtungen 80 bis 83 entscheiden, in welche der N Phasen die Daten aus den Speichern 25 bis 27 geleitet werden sollen, und steuern die hiermit verknüpften Wähler und Zwischenspeicher ent­ sprechend. Ein Filter 90 zur Interpolationsdezimierung bzw. Interpolationsverringerung faßt die mehrphasigen Daten zusammen und gibt dann die zusammengefaßten Daten mit der Systemtaktrate f₀ an die übrigen Bestandteile des Ultraschallsystems ab.

In Fig. 4 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Strahlformers mit Vier-Phasen- Daten (P1 bis P4) und demzufolge vier parallelen Summierpfaden für die Echodaten und eine dynamische Verzögerungszeit-Steuereinrichtung 80 dargestellt. Die dynamische Verzögerungszeit-Steuereinrichtung 80 gibt die für jeden Kanal bei jedem Takt benötigte Phaseninformation über ein Speicher-Auslese-Steuersignal R und Wähler-Steuersignale S1 bis S4 ab. Falls z. B. angenommen wird, daß die Speicherauslesephase für einen gegebenen Kanal zu einem bestimmten Zeitpunkt die Phase P2 ist, werden Daten in dem Summierp­ fad P2 von den vorhergehenden Kanälen durch den Wähler 50 hindurchgeleitet und zu den neuen Daten vom Kanal i (wenn diese aus dem FIFO-Speicher 28 ausgelesen werden) über den Addierer 30 hinzuaddiert. Die durch den Addierer 30 gebildete Summe läuft dann über den Wähler 171 zu dem nächsten parallelen Empfangskanal (i + 1) weiter. Die verbleiben­ den parallelen Summierpfade (P1, P3 und P4) sind über Wähler 170, 172 und 173, Zwischenspeicher 160, 162 und 163 direkt verbunden, was gleichwertig ist wie die Einfügung von Nullen in die i-ten Kanal-Echodaten in diesen anderen Phasen. Folglich steuert die Verzögerungszeit-Steuereinrichtung 80 die Phase für jede Auslesung von Datenabtastwerten aus jedem Kanalspeicher. Ein Verzögerungsdatenspeicher 85, der eine Nachschlagetabelle 86 für die Speicherung von Fokussier-Verzögerungsdaten für alle Kanäle in dem Strahlformer, einen Übergangspunktschalter 87 und ein Schieberegister 88 (ein Schieberegister für jeden Kanal) enthalten kann, gibt für jeden Kanal einen 1-Bit- Datenstrom ab. Eine von dem Verzögerungsdatenspeicher 85 abgegebene "1", die als ein Phasenverschiebungsimpuls bezeichnet wird, zeigt an, daß eine zusätzliche feine Ver­ zögerungszeiteinheit benötigt wird, und bewirkt eine Phasenverschiebung. Ein 5-Bit-Schie­ beregister 89 (ein Register für jeden parallelen Empfangskanal) erzeugt die Phaseninforma­ tions-Wähler-Steuersignale S1 bis S4, und es wird ein Speicher-Auslese-Sperrsignal R über ein ODER-Glied 91 und ein mit der Frequenz f₀ getaktetes UND-Glied 92 erzeugt. In dem 5-Bit-Schieberegister 89 ist zu einem jeweiligen Zeitpunkt lediglich ein Bit auf "1" gesetzt, wodurch angezeigt wird, in welche der vier Phasen die Daten von dem i-ten Kanal zu leiten sind. Jedesmal wenn das Schieberegister einen solchen Phasenverschiebungsimpuls akzeptiert, wird die "1" nach rechts verschoben, wodurch die ausgewählte Phase von der Phase P1 zu der Phase P2, oder von der Phase P2 zu der Phase P3, oder von der Phase P3 zu der Phase P4 verschoben wird. Ein ODER-Glied 93 und ein UND-Glied 94 sind ebenfalls in der dargestellten Weise zwischen den Ausgang P4 des Schieberegisters und dessen Schiebeeingang geschaltet. Falls folglich kein Phasenschiebeimpuls von dem Verzögerungsdatenspeicher 85 vorliegt, verbleiben die Wähler-Steuersignal S1 bis S4 unverändert. Der Zustand 0 in dem Schieberegister ist ein vorübergehender Zustand. Wenn die Phase P4 ausgewählt wird, verschiebt ein Inkrement "1" das Schieberegister zeitweilig aus dem Zustand 4 in den Zustand 0. Der nächste Takt ändert den Zustand des Eingangs des Schieberegisters 89 aus dem Zustand 0 in den Zustand 1. Das Schieberegister 89 verbleibt in dem Zustand 1, bis der nächste Phasenschiebeimpuls "1" auftritt. Während der Taktperiode, während der der Zustand 0 ist, werden keine Daten aus dem Speicher 28 ausgelesen und es wird daher die Länge der Verzögerung für die Daten aus dem Speicher 28 um 1 vergrößert. Folglich können die vier feinen Verzögerungseinheiten durch diesen Mechanismus in eine grobe Verzögerungseinheit umgewandelt werden.

Die in dieser Weise aufsummierten Daten in den vier parallelen Summierpfaden gemäß Fig. 4 werden in paralleler Weise an den Eingang des Interpolationsverringerungs-Filters 90 angelegt. Das Filter 90 führt eine Ausrichtung, Interpolation und Verringerung der eingegebenen Daten durch. Aufgrund der mehrphasigen Natur des parallelen Eingangs ist die effektive Eingabedatenrate des Filters 90 viermal größer als die Datenrate des Aus­ gangs oder der von den parallelen Summierpfaden eingegebenen Daten.

In Fig. 5 ist lediglich als Beispiel die Zuordnung von 3 aufeinanderfolgenden Daten­ abtastwerten für drei benachbarte Empfangskanäle (1 bis 3) zu unterschiedlichen Phasen aus den vier in Fig. 4 dargestellten Phasen P1 bis P4 für drei aufeinanderfolgende Zeit­ intervalle t₁, t₂ und t₃ graphisch dargestellt. In Fig. 5 sind die aktuellen Datenabtastwerte mit einem X (diese treten lediglich mit der Rate 1/f₀ auf) und die Nullwert-Abtastwerte zur Erzielung einer Null-Auffüllung mit einer Null (diese treten in gleichen Abständen zwi­ schen den aktuellen Datenabtastwerten mit der Raten 1/4f₀) bezeichnet, wobei die horizon­ tale Richtung die Zeitachse darstellt. Bei den drei dargestellten parallelen Empfangskanälen sind die Zeitverzögerungen, die während jeder Zeitperiode zur Erzielung der dynamischen Fokussierung des Strahlformers benötigt werden, in bekannter Weise durch die vertikal orientierten, gekrümmten Linien dargestellt. Es ist aus diesem Zeitdiagramm erkennbar, daß während des Zeitintervalls t₁ für den Kanal 1 lediglich ein aktueller Abtastwert (der zweite Abtastwert im Kanal 1) einer Zeitverzögerungskurve am nächsten benachbart ist, nämlich derjenigen unmittelbar nach der Phase P4, und es ist folglich der Summierpfad P4 der geeignetste zur Aufnahme dieses Abtastwerts. Für alle anderen Phasen (P1 bis P3) werden dem Datenpfad Nullen hinzugefügt (durch die Wähler- und Zwischenspeicher- Schaltung gemäß Fig. 4). Während der Zeitdauer zwischen den Zeitintervallen t₁ und t₂ werden die Daten aus allen vier parallelen Summierpfaden von dem Kanal 1 zu dem Kanal 2 durchgeleitet (durch die Wähler- und Zwischenspeicher-Schaltung gemäß Fig. 4). Während des Zeitintervalls t₂ wird ein aktueller Datenabtastwert aus dem Speicher für den Empfangskanal 2 ausgelesen und in den parallelen, die Phase P1 repräsentierenden Summierpfad geleitet, da dieser aktuelle Abtastwert der geforderten Zeitverzögerungskurve am nächsten liegt. Zur gleichen Zeit (t₂) gibt es beim Kanal 1 keinen aktuellen Abtastwert, der irgendeiner der Zeitverzögerungskurven am nächsten benachbart ist. Es sei angemerkt, daß der aktuelle Abtastwert (der dritte Abtastwert) tatsächlich näher bei der Phase P1 für die Zeitdauer t₃ liegt. Folglich werden während der Zeitdauer t₂ für den Kanal 1 alle vier Phasen mit Nullen aufgefüllt. Dieses "fehlende Bereitstellung von Daten" entspricht dem vorstehend erwähnten Zustand "0" des Schieberegisters 89. Nachfolgend werden Ab­ tastwertdaten zwischen den Zeiten t₂ und t₃ von dem Empfangskanal 2 zu dem Empfangs­ kanal 3 sowie von dem Empfangskanal 1 zu dem Empfangskanal 2 durchgeleitet. Während der Zeitdauer t₃ wird der dritte, aus dem Speicher des Kanals 1 ausgelesene Abtastwert in den parallelen, die Phase P1 repräsentierenden Summierpfad eingegeben (wie vorstehend angegeben), während der zweite, aus dem Speicher des Kanals 2 ausgelesene Abtastwert in den parallelen, die Phase P1 repräsentierenden Summierpfad eingegeben wird und der zweite, aus dem Speicher des Kanals 3 ausgelesene Abtastwert in den parallelen, die Phase P4 repräsentierenden Summierpfad eingespeist wird.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es zweckmäßig, ein Filter mit endlicher Impulsantwort (nicht rekursives Filter; FIR-Filter) aufgrund seiner kurzen Übergangsansprechzeit und inhärenten linearen Phase als das Interpolationsverringerungs­ filter 90 einzusetzen. Das in Fig. 6 dargestellte, nicht rekursive Filter weist (bei einem 4- Phasen-System) ein Tiefpassfilter mit 8 Abgriffen auf und verwendet vorteilhafterweise symmetrische Impulsantwort-Gewichtungskoeffizienten (a1, a2, a3, a4; a4, a3, a2, a1) zur Verringerung der erforderlichen Anzahl von Multiplizierern 201, 202, 203 und 204. Die "aktuellen" Phasendaten von den Summierpfaden, die die Phasen P1, P2, P3 und P4 repräsentieren, werden in den Zwischenspeichern 205, 206, 207 bzw. 208 zur Bildung "alter" Phasendaten gespeichert. Danach werden die "alten" Phasendaten in geeigneter Weise zu den "aktuellen", von den die Phasen P4, P3, P2 und P1 repräsentierenden Summierpfaden ankommenden Daten mittels Addierer 213, 212, 211 und 210 hinzuaddiert. Es wird ein abschließender Strahlformer-Ausgangswert durch Zusammenfassen der Ausgangssignale der Multiplizierer 201, 202, 203 und 204 mittels eines Summierers 214 erzeugt.

Wie vorstehend erwähnt, wurde von Pridham und Mucci vorgeschlagen, daß das Inter­ polations- und Verringerungs-Filter vor oder nach der Strahlformung angeordnet werden kann. Eine Realisierung dieses Filters durch Anordnung vor der Strahlformung erfordert, daß jeder Kanal sein eigenes Interpolationsverringerungsfilter besitzt. Auch wenn eine Realisierung bei Anordnung nach der Strahlformung dieses Problem löst, ist es erforder­ lich, daß die Strahlformung mit sehr hohen Abtastfrequenzen durchgeführt wird. In Übereinstimmung mit den Grundlagen der Erfindung wird dieses Filter während der Strahlformung, statt vor oder nach der Strahlformung, eingesetzt. Bei diesem Ansatz ist das Filter dort angeordnet, wo es hinsichtlich des Aufbaus des Strahlformers insgesamt am kostengünstigsten ist. Die Filterung und Verringerung der Datenrate wird nach einer teilweisen Strahlformung bei einer Gruppe von mehreren aus dem parallelen Empfangs­ kanälen durchgeführt. Die parallelen Empfangskanäle können z. B. zu Gruppen aus zwei, vier, acht oder mehr Kanälen zusammengefaßt werden. Das Filter kann dann physikalisch auf der gleichen Platine oder der integrierten Schaltung (IS), die für die partielle Strahlfor­ mung der gruppierten Kanäle benutzt wird, angeordnet werden. Durch diese Technik ist die Anzahl von Zwischenverbindungen und/oder die Datenrate, die zwischen den gruppier­ ten Kanälen, Schaltplatinen und IS's erforderlich ist, verringert. Die abschließende Addition der gruppierten Kanäle (d. h. der partiell geformten Strahlen) kann dann mit der Systemabtastrate unter Benutzung lediglich eines einzigen Datenpfads erfolgen.

Fig. 7 zeigt eine schematische Gesamtdarstellung des Empfangsstrahlformers, die den erfindungsgemäßen Gesichtspunkt der partiellen Strahlformung deutlicher veranschaulicht. In jeden Kanal wird das von einem Ziel stammende Echosignal durch die Wandlerelemente einer Sonde empfangen. Jedes Wandlerelement ist mit einem Impulsempfänger 102 herkömmlicher Gestaltung verbunden. Das durch jedes Wandlerelement erzeugte Signal wird mit Hilfe eines Analog/Digital-Wandlers 103 mit gleichförmiger Rate f₀, z. B. 36 MHz, digitalisiert. Gruppen aus benachbarten parallelen Empfangskanälen (z. B. 8) werden zur Bildung eines partiellen Strahlformers 113 zusammengefaßt. Im Unterschied zu herkömmlichen Verfahren stellt die vorliegende Erfindung ein Interpolationsverringerungs­ filter für jeden partiellen Strahlformer 113 bereit. Auch wenn es möglich ist, lediglich ein Interpolationsverringerungsfilter für das gesamte Strahlformersystem zu verwenden, besitzt die dargestellte Gestaltung ein Interpolationsverringerungsfilter für jede Gruppe von Empfangskanälen, was die Datenrate nach partieller Strahlformung auf die Abtastrate f₀ verringert. Dies bedeutet, daß die Signalverarbeitungsrate f₀ sowohl vor als auch nach der Strahlformung benutzt wird, während jedoch innerhalb des Strahlformers die effektive Rate das vierfache von f₀ beträgt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Vom Hardware-Standpunkt aus gesehen ist dies eine äußerst vorteilhafte Realisierung, da die hohen effektiven Signal­ frequenzen auf eine einzige Schaltplatine oder sogar auf eine einzige integrierte Schaltung beschränkt sind, wodurch die internen System-Zwischenverbindungen und der Komplexi­ tätsgrad verringert wird. Die Signale an den Ausgängen jedes partiellen Strahlformers 113 werden dann seriell unter Einsatz von Addierern 114 (die bei f₀ arbeiten) zur Bildung des endgültigen Strahl seriell addiert. Zur Berücksichtigung von Datenverzögerungen aufgrund der seriellen Addierer 114 besitzen die Verzögerungswerte, die an den Ausgängen der Speicher 24 bis 27 erzeugt werden, eine zusätzliche, zu Kompensationszwecken hin­ zugefügte Verzögerung. Das von dem letzten Addierer 114 abgegebene Strahlsignal wird dann einen Detektor 107 geleitet. Ein D.S.C. (Digitaler Abtastwandler) 108 bewirkt eine digitale Abtastumwandlung dieses Signals in ein Videosignal für die Wiedergabe mittels der Anzeige 109.

Fig. 8 veranschaulicht eine Abänderung der herkömmlichen Strahlformerschaltung gemäß Fig. 1 zur Ermöglichung einer parallelen Datenstrahlformung für zwei unterschiedliche Strahllinien oder Strahlzeilen, die in den Zeichnungen als "Strahlzeile (Strahllinie) 1" und "Strahlzeile (Strahllinie) 2'' bezeichnet sind. Wie in Fig. 4 sind bei der Schaltung vier Empfangskanäle dargestellt, die die Signale von den Wandlern T1 bis T4 verarbeiten; diese vier Empfangskanäle sind jeweils mit "2" bis "5" bezeichnet. Die Datensignale in dem Kanal 2 werden durch den Verstärker 14 verstärkt und dann durch den Analog/- Digital-Wandler 20 digitalisiert, bevor sie in den Speicher 24 für Speicherung und zeitver­ zögerte Weiterverarbeitung geleitet werden. Gleichartige Verstärker 15, 16 und 17, Analog/Digital-Wandler 21, 22 und 23 sowie Speicher 25, 26 und 27 sind jeweils in den weiteren Empfangskanälen 3, 4 und 5 vorhanden.

Das zeitverzögerte Auslesen von Daten aus dem Speicher 24 wird durch die dynamische Fokussiersteuereinrichtung 800 gemäß Fig. 8 über Steuersignalleitungen 801 und 802 gesteuert. Die verzögerten Daten werden an die Addierer 30 und 30' über Datenkanäle 241 bzw. 242 angelegt. Genauer gesagt steuern die Signal der dynamischen Fokussiersteuer­ einrichtung 800 auf der Steuersignalleitung 801 das Auslesen und Abgeben von Daten an den Addierer 30, während Signale auf der Steuersignalleitung 802 das Auslesen und Ausgeben von Daten an den Addierer 30' steuern. In gleichartiger Weise steuert die dynamische Fokussiereinrichtung 800 das Datenauslesen im Speicher 25 über Steuersignal­ leitungen 811, 812, das Datenauslesen im Speicher 26 über Steuersignalleitungen 821, 822 und das Datenauslesen im Speicher 27 über Steuersignalleitungen 831, 832. Die Daten vom Speicher 25 werden an die Addierer 31 und 31' über Datenkanäle 251 und 252 angelegt; die Daten vom Speicher 26 werden an die Addierer 32 und 32' über Datenkanäle 261 und 262 angelegt; und die Daten vom Speicher 27 werden an die Addierer 33 und 33' jeweils über Datenkanäle 271 bzw. 272 angelegt. Die vier Addierer 30, 31, 32 und 33 fassen Daten für die Strahlzeile 1 über Zwischenspeicher 34, 35, 36 und 37 für den Detektor 6 zusammen, wie zuvor erläutert. In gleicher Weise fassen die vier Addierer 30', 31', 32' und 33' Daten für die Strahlzeile 2 über Zwischenspeicher 34, 35, 36 und 37 für den Detektor 6' zusammen. Die Detektoren 6 und 6' geben die strahlgeformten Daten an den digitalen Abtastwandler (DSC) 7 für die Umwandlung in ein für die Anzeige 9 geeignetes Format ab.

Die Steuerung der Zeitverzögerungen für das Datenauslesen in jedem Kanal ist vorzugs­ weise unter Einsatz von sequentiellen Speichereinrichtungen mit Zufallslesezugriff (Read Random Access) für die Speicher 24, 25, 26 und 27 realisiert. Z. B. besitzt der Speicher 24 eine Folge von Positionen (Stellen) derart, daß jedes Inkrement der Signaldaten eine Position belegt. Bei einem gegebenen Systemtaktpuls wird ein Dateninkrement von dem Analog/Digital-Wandler 20 in den Speicher 24 eingeschrieben und dort in sequentieller Position gespeichert. Die dynamische Fokussiersteuereinrichtung 800 steuert die Ver­ zögerungszeit für jedes in dem Speicher 24 gespeichertes Dateninkrement durch Steuerung der Ausleseadresse. Falls beispielsweise die Einschreibeadresse 20 ist und die Auslese­ adresse 10 ist, ist eine Verzögerungszeit von 10 Taktzyklen für die in dem Speicher 24 gespeicherten Daten vorhanden (wenn angenommen wird, daß jeder Lese- und Schreibvor­ gang bei jedem Taktimpuls zu der nächsthöheren Adresse verschoben wird).

Zur gleichzeitigen Bildung zweier Strahlen sind zwei Verzögerungszeiten für jedes Daten­ inkrement erforderlich. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird dieses mit Hilfe der Schaltung erreicht, die in Fig. 9 für den Speicher 24 gemäß Fig. 8 gezeigt ist. Gemäß Fig. 9 werden sequentielle FIFO-Speicher benutzt, in denen statt der Lese- und Schreibadressen die Daten bei jedem Taktimpuls um eine Stelle verschoben werden. Moderne FIFO-Speicher (Speicher mit Ausgabe in der Reihenfolge der Eingabe) werden üblicherweise aus RAM-Speichern mit taktgesteuerter Adresslogik hergestellt. Daten für die beiden Strahlen werden durch einen langen FIFO-Speicher 804 und zwei kurze FIFO-Speicher 805 und 806 verarbeitet. Von dem Analog/Digital-Wandler 20 gemäß Fig. 8 abgegebene Daten werden in den langen FIFO-Speicher 804 eingeschrieben. Daten werden aus diesem FIFO-Speicher 804 ausgelesen und in die beiden kurzen FIFO-Speicher 805 und 806 eingelesen, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Die Daten aus dem kurzen FIFO- Speicher 805 werden in den Datenkanal 241 eingegeben, während die von dem kurzen FIFO-Speicher 806 ausgelesenen Daten in den Datenkanal 242 eingespeist werden. Die aus dem langen FIFO-Speicher 804 und den kurzen FIFO-Speichern 805 und 806 ausgewähl­ ten, ausgelesenen Daten werden durch Auslesetaktsignale des Dekodierers 803 als Reaktion auf die von der dynamischen Fokussiersteuereinrichtung stammenden Steuersignale auf den Steuersignalleitungen 801 und 802 bestimmt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Tatsache vorteilhaft ausgenutzt, daß die beiden Abtaststrahlzeilen einander benachbart sind und daß demzufolge die relativen Zeitver­ zögerungen zwischen den beiden Strahlen klein sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 sind die Verzögerungszeiten für die Dateninkremente in lange und kurze Ver­ zögerungen unterteilt. Die lange Verzögerungszeit wird durch den gemeinsamen, langen FIFO-Speicher 804 bereitgestellt, während die kurzen Verzögerungszeiten durch die kurzen FIFO-Speicher 805 und 806 erzeugt werden. Folglich ist die gesamte Verzögerungszeit für Dateninkremente bei der Strahlzeile 1 die Summe aus der Verzögerung für den langen FIFO-Speicher 804 und der Verzögerung für den kurzen FIFO-Speicher 805. In gleicher Weise ist die Verzögerung der Dateninkremente in der Strahlzeile 2 die Summe aus den Verzögerungen für den langen FIFO-Speicher 804 und den kurzen FIFO-Speicher 806. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Strahlen für die Strahlzeile um 132 Taktzyklen zu verzögern sind und daß die Daten für die Strahlzeile 2 eine Verzögerung um 135 Taktzy­ klen erfordern. Die dynamische Fokussiersteuereinrichtung 800 ist derart programmiert, daß sie eine Verzögerung von 128 Taktzyklen für den langen FIFO-Speicher 804 bereit­ stellt. Die Verzögerung in dem kurzen FIFO-Speicher 1 beträgt dann vier Taktzyklen und die Verzögerung in dem kurzen FIFO-Speicher 2 sieben Taktzyklen.

Die dynamische Fokussiersteuereinrichtung 800 steuert Auslesevorgänge aus jedem der anderen Empfangskanäle 3 bis 5 mit den korrekten Zeitverzögerungen in jedem Kanal in gleichartiger Weise, um diesen Strahl in der Strahlzeile 2 zu bilden. Kurz gesagt werden die Signaldaten aus den Empfangskanälen 2 bis 5 in den Speichern 24 bis 27 parallel zur Bildung von Strahlen in beiden Strahlzeilen 1 und 2 benutzt. Die Daten aus allen Emp­ fangskanälen werden durch die Detektoren 6 und 6' zur Bildung des Ausgangssignals verarbeitet, das die Bilder von Echosignalen entlang beider Abtaststrahlzeilen repräsentiert.

Auch wenn in Fig. 8 diese Verzögerungsschaltung für die beiden Abtaststrahlzeilen dargestellt ist, ist es aus der Figur klar ersichtlich, daß man Signale für zusätzliche Abtast­ strahlzeilen in der gleichen Weise durch Hinzufügung weiterer paralleler Schaltungskom­ ponenten, nämlich kurzer FIFO-Speicher, Addierer, Filter usw., verarbeiten kann. Die Anzahl von Empfangskanälen, die gleichzeitig verarbeitet werden können, ist nicht auf die elektronische Schaltung selbst beschränkt, sondern vielmehr durch das winkelmäßige Antwortverhalten der Strahlformer-Fokussierstruktur begrenzt. Da alle Abtaststrahlzeilen, die gleichzeitig verarbeitet werden, eine Folge von benachbarten Strahlzeilen sind und die relativen Verzögerungen zwischen diesen sich lediglich um einen kleinen Betrag unter­ scheiden, ist in jedem Empfangskanal lediglich eine Mehrzahl von kurzen FIFO-Speichern erforderlich. Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine erhebliche Verbesserung im Vergleich zu Speichern, die für die Daten in jeder Strahlzeile einen langen FIFO-Speicher voller Größe besitzen, dar, da der hier offenbarte Aufbau erheblich weniger Hardware erfordert.

Es gibt auch andere Datenspeichergestaltungen, die anstelle des vorstehend beschrieben und in Fig. 9 dargestellten Speichers benutzt werden können. Beispielsweise ist in Fig. 10 eine andere Gestaltung des Speichers 24 gezeigt, bei dem der lange FIFO-Speicher 804 und der kurze FIFO-Speicher 805 benutzt werden. Beide FIFO-Speicher werden durch von dem Dekoder 803 stammende Auslesetaktsignale gesteuert. Verzögerte Signale, die sowohl von dem langen FIFO-Speicher 804 als auch von dem kurzen FIFO-Speicher 805 abgege­ ben werden, werden an einen Kreuzstab- bzw. Kreuzschienen-Schalter 807 angelegt, der ebenfalls durch Signale von dem Dekodierer 803 gesteuert wird. Der Kreuzschienen­ schalter ermöglicht die Weiterleitung von verzögerten Signalen zu jedem der beiden Datenkanäle 241 oder 242. Bei diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel bestimmt der lange FIFO-Speicher die Zeitverzögerung der Signale für eine Abtaststrahlzeile, während der kurze FIFO-Speicher den Verzögerungsunterschied zwischen den beiden Strahlzeilen erzeugt. Der Kreuzschienenschalter ermöglicht dem System das Anlegen der kürzeren verzögerten, von dem langen FIFO-Speicher stammenden Signale an jede beliebige der Strahlzeilen in erforderlicher Weise.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, die in Fig. 11 gezeigt ist, ist der Speicher 24 ein Direktzugriffsspeicher RAM 809 mit drei Anschlüssen, wobei ein Anschluß der Einschreibanschluß von dem Analog/Digital-Wandler 20 ist und die anderen Anschlüsse die Ausleseanschlüsse für das Auslesen zu den Datenkanälen 241, 242 sind. Die dynami­ sche Fokussiersteuereinrichtung 800 sendet ausgelesene Signale über die Steuersignalzeilen 801 und 802 an einen Adressgenerator 808, der die Stellen bzw. Positionen in dem RAM 809 bestimmt, an denen Daten für die beiden Strahlzeilen auszulesen sind. Auch wenn dieses Ausführungsbeispiel für zwei Strahlzeilen bzw. Strahlleitungen gezeigt ist, kann es für zusätzliche Strahlzeilen durch Bereitstellung zusätzlicher, in Kaskadenform verschalte­ ter RAMs mit drei Anschlüssen ausgelegt werden.

Zusätzlich sind in Fig. 8 die Addierer 30 bis 31 als eine Gruppe von Addierern gezeigt, die die Strahlzeile bzw. Strahllinie in der Strahlzeile bzw. Strahllinie 1 durch Summation von ihren Inhalten mittels Zwischenspeichern 34 bis 37 in einem einzigen Datensummierp­ fad bilden. Ein gleichartiger Datensummierpfad ist in Fig. 8 für die Strahlzeile (Strahllinie) 2 dargestellt. Vorzugsweise wird die vorstehend beschriebene Mehrfach-Summierpfadge­ staltung bei beiden Strahlzeilen zur Maximierung der effektiven Gesamtrate der Datenver­ arbeitung eingesetzt.

Das vorstehend erläuterte Zeitgabesystem für die gleichzeitige Verarbeitung von Signalen für unterschiedliche Abtaststrahlzeilen ermöglicht eine weitere, erhebliche Vergrößerung der effektiven Signalverarbeitungsrate. Bei einem herkömmlichen Ultraschall-Strahlformer­ system werden ein oder mehrere akustische Impulse in den Körper eines Patienten ausge­ sandt und die fokussierten, von einer gegebenen Abtaststrahlzeile bzw. Abtaststrahllinie stammenden Echosignale werden zur Erzeugung von Anzeigesignaldaten verarbeitet. Der gesamte Prozeß wird für die nächste Abtastsignalzeile usw. wiederholt, bis das gesamte Untersuchungsfeld zur Erzeugung eines Vollbilds abgebildet wurde. Die effektive Voll­ bildrate ist daher durch die Sendeimpulsrate beschränkt. Bei dem vorliegenden System ist diese Beschränkung aufgrund der sofortigen Verarbeitung einer Mehrzahl von Abtast­ strahlzeilensignalen, nämlich aufgrund des Einsatzes des von jedem Empfängerkanal stammenden Signals zum Herausgreifen von Bildinformationen für Echos von unterschied­ lichen Abtaststrahlzeilen, die zu dem Signal beitragen, überwunden.

Es sind auch weitere Abänderungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele möglich.

Beispielsweise können weniger oder mehr als vier Datensummierpfade benutzt werden und es kann eine Verzögerungszeitsteuereinrichtung 80 unter Einsatz einer Vielzahl von unterschiedlichen Techniken aufgebaut sein.

In Übereinstimmung mit den Grundlagen der vorliegenden Erfindung wird somit vor­ teilhafterweise die Tatsache ausgenützt, daß die Arbeitsgeschwindigkeit der digitalen Hardware-Komponenten in einem digitalen Strahlformer dadurch verringert werden kann, daß zum Beispiel mehrfache Phasen der Datensignale erzeugt und die Mehrphasen-Daten dann in N parallelen Summierpfaden verarbeitet werden. Ein Interpolationsverringerungs­ filter empfängt die Mehrphasen-Daten von den N parallelen Summierpfaden und erzeugt an seinem Ausgang ein Signal mit einer verringerten Datenrate (1/N). In Übereinstimmung mit dieser Methode ist die Arbeitsgeschwindigkeit der einzelnen digitalen Schaltungen zur Erzeugung der erforderlichen Strahlformungsverzögerungen verglichen mit herkömmlichen Methoden der Interpolation nach der Strahlformung nicht vergrößert, so daß die effektive Datenrate hierdurch um einen Faktor N vergrößert wird und sich eine Verringerung des Verzögerungsquantisierungsfehlers um den Faktor N ergibt. In Übereinstimmung mit den Grundlagen der Erfindung ist das Interpolationsverringerungsfilter an der vorteilhaftesten Stelle in den Strahlformer eingegliedert. Es ist nämlich in die Strahlformerverarbeitung nach partieller Strahlformung einer Gruppe von Empfangskanälen und vor der Erzeugung des endgültigen Strahls eingefügt. Dieser Ansatz ermöglicht eine einfache abschließende Strahlformung und deren Durchführung mit relativ niedriger Datenrate, und erlaubt weiterhin eine Beschränkung der Signalverarbeitung mit höherer Frequenz auf einen Schaltkreis, der vorteilhafterweise auf einem einzigen Typ der integrierten Schaltung, die wiederholt in dem Strahlformer eingesetzt wird, vorhanden sein kann. Eine weitere Vergrößerung der effektiven Betriebsgeschwindigkeit ergibt sich durch Bereitstellung einer Zeitgabeschaltung, die eine parallele Verarbeitung von Signalen von einer Mehrzahl von Abtaststrahlzeilen ermöglicht.

Claims (8)

1. Strahlformer mit
einer Mehrzahl von parallelen Empfangskanälen zur Erfassung von Ultraschall­ echosignalen, die von einer Mehrzahl von Abtaststrahllinien stammen, und zum Erzeugen einer entsprechenden Anzahl von digitalen Abtastsignalen in Abhängigkeit von den Ul­ traschallechosignalen,
wobei jeder parallele Empfangskanal einen Speicher (24 bis 27) aufweist, der die digitalen Abtastsignale des zugehörigen Empfangskanals sequentiell empfängt und speichert,
Addierern (30 bis 33, 30' bis 33') für die parallelen Empfangskanäle, wobei die digitalen Abtastsignale als Reaktion auf ein Steuersignal an die Addierer weitergeleitet werden, und die Addierer sequentiell mit entsprechenden Addierern in den anderen parallelen Empfangskanälen in Kommunikationsverbindung stehen, wobei die Addierer zu Addierergruppen zusammengefaßt sind, die digitale Abtastsignale für eine gegebene Abtaststrahllinie verarbeiten,
einer Mehrzahl von Detektoren, die jeweils mit einer der Addierergruppen in Verbindung stehen und Daten von dieser empfangen, wobei jeder Detektor die empfange­ nen digitalen Abtastsignale der zugehörigen Addierergruppe filtert, um ein Strahlformersi­ gnal zu erzeugen, und
einer Steuereinrichtung (80 bis 83), die mit den Speichern und den Addierern in Verbindung steht und die Steuersignale erzeugt, derart, daß jeder Detektor ein Strahlfor­ mersignal erzeugt, das entlang einer aus einer Mehrzahl von Abtaststrahllinien fokussiert ist,
wobei die Abtastdaten auf eine Mehrzahl von Summierpfaden (P1, P2) aufge­ teilt werden, die jeweils unterschiedliche Phasen der digitalen Abtastdaten repräsentieren, und die von jeweils einem der Speicher (24 bis 27) abgegebenen digitalen Abtastdaten über eine Wähleinrichtung (50 bis 53, 70 bis 77) wahlweise zu einem der Summierpfade (P1, P2) über einen Addierer (30 bis 34), an dem das von einem der Summierpfade erhaltene, bei der vorhergehenden Stufe erzeugte Signal anliegt, zugeführt werden, und
wobei die Summierpfade ausgangsseitig gemeinsam mit einer die Datenmenge verringernden Filtereinrichtung (90) verbunden sind.

2. Strahlformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Speicher eine FIFO-Speichereinrichtung mit einer Ausleseeinrichtung aufweist, derart, daß Daten aus einer wählbaren Position in dem durch das Steuersignal bestimmten Speicher an einen der Addierer geleitet werden.

3. Strahlformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung die Zeitgabe der Datenübertragungen aus der jeweiligen FIFO-Speicher­ einrichtung zu dem Addierer steuert, und daß die Filtereinrichtung (90) für jede Mehrzahl von digitalen Abtastsignalen eine Mehrzahl von Strahlformersignalen erzeugt, wobei jedes Strahlformersignal entlang einer der Mehrzahl von Abtaststrahllinien fokussiert ist und der Strahlformer Strahlformersignale für eine Mehrzahl von Abtaststrahllinien durch parallele Verarbeitung erzeugt.

4. Strahlformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtaststrahllinien eine Gruppe von benachbarten Abtaststrahllinien bilden und daß jede FIFO-Speichereinrichtung
einen langen FIFO-Speicher zum sequentiellen Aufnehmen der digitalen Abtastsignale und zum Erzeugen einer langen Zeitverzögerung für die digitalen Abtastsi­ gnale, und
eine Mehrzahl von kurzen FIFO-Speichern für die Aufnahme von lang ver­ zögerten, digitalen, von dem langen FIFO-Speicher stammenden Abtastsignalen und zum Erzeugen einer kurzen Zeitverzögerung für die digitalen Abtastsignale aufweist, wobei jeder kurze FIFO-Speicher mit einem der Addierer in Verbindung steht und die kurzzeitig verzögerten digitalen Abtastsignale zum Addierer überträgt,
wobei das Auslesen von Signalen aus dem langen FIFO-Speicher und aus den kurzen FIFO-Speichern durch Steuersignale der Steuereinrichtung gesteuert wird.

5. Strahlformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Speicher einen Direktzugriffsspeicher mit mehreren Anschlüssen aufweist, der einen Einschreibanschluß und eine Mehrzahl von Auslesean­ schlüssen besitzt.

6. Verfahren zum Empfangen von digitalen Abtastsignalen aus einer Mehrzahl von Empfangskanälen in Abhängigkeit von der Erfassung von Ultraschall-Echosignalen von einer Mehrzahl von Abtaststrahllinien, und zur gleichzeitigen Erzeugung von Strahl­ formersignalen für die Mehrzahl von Abtaststrahllinien, mit den Schritten:
Übertragen der digitalen Abtastsignale von einem jeweiligen Empfangskanal zu einem Speicher (24 bis 27), der die digitalen Abtastsignale sequentiell empfängt und speichert,
Auslesen von digitalen Abtastsignalen aus dem jeweiligen Speicher und Anle­ gen an einen aus einer Mehrzahl von mit den Speichern in Verbindung stehenden Ad­ dierern, wobei jeder Addierer sequentiell mit Addierern in jedem der anderen Empfangs­ kanäle kommuniziert und die entsprechenden Addierer eine Addierergruppe bilden, die Signale für eine der Abtaststrahllinien verarbeitet,
wobei die Abtastdaten auf eine Mehrzahl von Summierpfaden (P1, P2) aufge­ teilt werden, die jeweils unterschiedliche Phasen der digitalen Abtastdaten repräsentieren, und die von jeweils einem der Speicher (24 bis 27) abgegebenen digitalen Abtastdaten über eine Wähleinrichtung (50 bis 53, 70 bis 77) wahlweise zu einem der Summierpfade (P1, P2) über einen der Addierer (30 bis 34), an dem das von einem der Summierpfade erhaltene, bei der vorhergehenden Stufe erzeugte Signal anliegt, zugeführt werden, und
die Ausgangssignale der Summierpfade gemeinsam durch eine die Datenmenge verringernde Filtereinrichtung (90) gefiltert werden, um ein Strahlformungssignal für jede der Abtaststrahllinien zu bilden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Auslesens von digitalen Abtastsignalen aus jedem Speicher den Schritt des derartigen Auslesens von digitalen Abtastsignalen aus Speicherstellen in dem Speicher enthält, daß effektiv eine Zeitverzögerung in jedem der Signale hervorgerufen wird, derart, daß das Strahlformersignal für eine der Abtaststrahllinien durch jede der entsprechenden Addierergruppen mittels paralleler Verarbeitung erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Auslesens von digitalen Abtastsignalen aus Positionen in dem Speicher die Schritte aufweist:
Auslesen von digitalen Abtastsignalen aus Positionen in einem langen FIFO- Speicher, die derart gesteuert werden, daß effektiv eine lange Zeitverzögerung in jedem der Signale hervorgerufen wird,
Einschreiben jedes digitalen Abtastsignals aus dem langen FIFO-Speicher in eine Mehrzahl von kurzen FIFO-Speichern, wobei jeder der kurzen FIFO-Speicher mit einem der Addierer in Verbindung steht, und
Zuführen der digitalen Abtastsignale aus Positionen in dem kurzen FIFO- Speicher zu jedem der entsprechenden Addierer, wobei diese derart gesteuert werden, daß effektiv eine kurze Zeitverzögerung in jedem der Signale hervorgerufen wird.