DE19527779A1 - Ultraschallabbildungsgerät und Verfahren zu dessen Ansteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Ultraschall-Doppler-Diagnosegeräte mit einem kontinuierli­ chen Doppler-Betrieb (Doppler-Modus mit kontinuierlichem Signal, CW = Continuous Wave) und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für die benutzerseitige Auswahl eines Doppler-empfindlichen Abschnitts eines abgebildeten Bereichs und für eine nachfolgende Steuerung des kontinuierlichen Doppler-Betriebs (CW-Doppler-Modus) für die Erlangung von Doppler-Information aus dem benutzerseitig gewählten Bereich.

Das Ultraschall-Doppler-Verfahren wird in breitem Umfang für die nicht-invasive Erfas­ sung und Messung einer Bewegung innerhalb eines Körpers eingesetzt und findet breite Anwendung bei medizinischen Ultraschall-Abtasteinrichtungen (Ultraschall-Scanner) für die nicht-invasive diagnostische Analyse einer Blutströmung innerhalb eines Patienten, z. B. für die Erfassung und Messung einer Blutströmung in dem Herzen, den Blutgefäßen usw. eines Patienten.

Es gibt zwei grundlegende Betriebsarten für Doppler-Ultraschall, nämlich den Betrieb mit kontinuierlichem Signal (kontinuierliche Welle bzw. Dauersignal CW) und den gepulsten Betrieb (PW). Der gepulste Betrieb ist insbesondere für die Gewinnung von Geschwindig­ keitsdaten nützlich, die zur Bildung eines zweidimensionalen Blutströmungsbilds (Farb­ strömungsbild) eingesetzt werden. Da jedoch die Impulswiederholrate (PRF = Pulse Repetition Rate) von gepulsten Doppler-Systemen die maximale Strömungsgeschwindigkeit begrenzt, die ohne fehlerhafte Erfassung ermittelt werden kann, hat sich der kontinuierli­ che Betrieb als besonders nützlich für die Gewinnung von Geschwindigkeitsdaten zur genauen Bestimmung relativ hoher Strömungsgeschwindigkeiten herausgestellt.

Ferner wird in diagnostischen Ultraschallgeräten herkömmlicherweise ein sogenanntes B- Modus-Bild gebildet, das bekanntlich im Grundsatz ein zweidimensionales tomographisches Bild ist. Das B-Modus-Bild wird unter Einsatz eines Wandlers erzeugt, der einen Bereich abtasten kann und herkömmlicherweise bekanntlich mit einer von mehreren Arten von Mehrfachelement-Wandleranordnungen wie etwa einer linearen Anordnung aus 64 oder 128 Wandlerelementen arbeitet. Auf der anderen Seite erfordert der kontinuierliche Doppler-Betrieb allgemein den Einsatz einer speziellen Wandlersonde, die zwei Wandler besitzt, von denen einer für das Senden und der andere für den Empfang dient (dies ist gleichfalls bekannt, eine solche Sonde wird üblicherweise als eine Stiftsonde bezeichnet). Aus Gründen der Einfachheit ist es erwünscht, eine einzige Sonde und ihre zugehörige Empfangssignalverarbeitungsschaltung für die Bildung von Daten zu benutzen, die nicht nur für den Doppler-Betrieb, sondern auch für den B-Betrieb (B-Modus) nützlich sind. Eine Methode, dies zu erreichen, ist in der US-4,915,115 (Titel "Ultrasonic Imaging Apparatus for Displaying B-Mode and Doppler-Mode Images", Ausgabetag 10. April 1990, Sasaki et al.) beschrieben. Wie dort erläutert ist, werden Daten dadurch erhalten, daß zunächst die Wandleranordnung mittels einer herkömmlichen Sende-Empfangs-Steuer­ schaltung derart betrieben wird, daß eine Lenkung (Richtungssteuerung) und Fokussierung der gesendeten Ultraschallimpulse erreicht wird und den empfangenen Signalen geeignete individuelle Verzögerungen aufgeprägt werden, so daß ein herkömmlicher Strahlformer und Bildprozessor das B-Modus-Bild erzeugen kann. Danach kann der Benutzer das B- Modus-Bild betrachten und das Bild unter Benutzung eines Cursors und unter Angabe der Strahlrichtung und der Tiefe entlang dieser Strahlrichtung, aus der man dem gepulsten Doppler-Betrieb entsprechende Daten erhalten möchte, markieren. Danach wird der Wandler in dem gepulsten Doppler-Betrieb derart betrieben, daß von diesem Doppler- Signale unter Einsatz von Bereichssteuerungsmethoden bzw. Entfernungsbereichsmethoden (Range-Gating Techniques) empfangen werden und hieraus in der Folge Doppler-Daten gebildet werden. Es ist anzumerken, daß der kontinuierliche Doppler-Betrieb in der US- 4,915,115 nicht beschrieben ist. Statt dessen befaßt sich diese Druckschrift mit dem Empfangswirkungsgrad des Wandlers, wenn es erwünscht ist, diesen sowohl im Doppler- Betrieb als auch im B-Modus zu betreiben, und löst dieses Problem durch Schaffung eines Ultraschallwandlers, der zwei Spitzen in seinen Empfangswirksamkeits-Kernlinien besitzt, von denen die eine mittig bei der für die B-Modus-Abbildung eingesetzten Frequenzen positioniert und die andere bei der Frequenz zentriert ist, die für die Gewinnung von Daten beim gepulsten Doppler-Betrieb eingesetzt wird.

Der Einsatz einer mehrere Elemente aufweisenden Wandleranordnung bei dem kontinuier­ lichen Doppler-Betrieb ist vorteilhaft, da die Fähigkeit zur Steuerung der Sendestrahllen­ kung und -fokussierung sowie der Empfangsstrahllenkung und -fokussierung zu einem verbesserten Signal/Rausch-Verhalten (Störabstand S/N) sowie zu der Möglichkeit führt, das Doppler-Abtastvolumen (die Überlappungsbereiche zwischen den kontinuierlichen Sende- und Empfangsstrahlen) besser auswählen zu können. In US-4,598,589 (Titel "Method of CW Doppler Imaging Using Variably Focused Ultrasonic Transducer Array", Ausgabetag 8. Juli 1986, Riley et al.) ist eine Schaltung zur Ansteuerung einer solchen, mehrere Elemente aufweisenden Wandleranordnung derart, daß beim kontinuierlichen Doppler-Betrieb erhaltene Bilder mit verbessertem Störabstand erzielt werden, beschrieben, wobei sich jedoch keine Angabe dazu findet, wie ein Benutzer des Geräts die Lenkung und/oder Fokussierung des kontinuierlichen Doppler-Strahls auswählen oder steuern könnte. Die bei gepulstem Doppler-Betrieb eingesetzten, herkömmlichen Methoden, wie sie etwa in der vorstehend angegebenen US-4,915,115 oder in der US-4,416,286 (Titel "Ultrasound Blood Flow Measuring Apparatus", Ausgabetag 22. November 1983, Iinuma et al.) beschrieben sind, sind nicht einsetzbar, da beim kontinuierlichen Doppler-Betrieb keine Entfernungsbereichssteuerung (Entfernungstor) eingesetzt werden und daher eine Auswahl der "Tiefe" entlang einer gegebenen Empfangsstrahllinie nicht gegeben ist.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Einsatz eines kontinuierlichen Doppler-Betriebs bei einem Ultraschallabbildungsgerät, das mit einer mehrere Elemente aufweisenden Wandleranordnung arbeitet, zu erleichtern.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Benutzersteuerung für die Auswahl eines für kontinuierlichen Doppler-Betrieb empfindlichen Bereichs innerhalb eines angezeigten, zweidimensionalen Ultraschallbilds bereitzustellen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine derartige Benutzersteuerung bei einer einfachen und kostengünstigen Anordnung sowie in einer solchen Weise bereitzustellen, daß sie durch den Benutzer in einfacher Weise gesteuert werden kann.

Diese und weitere Zielsetzungen der Erfindung und ihre Lösungen, wie sie insbesondere in den beigefügten Ansprüchen angegeben sind, werden aus der nachstehenden Beschrei­ bung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ersichtlich.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Ultraschallabbildungsgeräts derart, daß durch kontinuierliches Signal (Dauersignal, CW) erzielte Doppler-Daten aus einem vom Benutzer gewählten Bereich erhalten werden, geschaffen, die die Maßnahme des derartigen Ansteuerns einer mehrere Elemente aufweisenden Wandleranordnung und ihrer zugehörigen Verzögerungs- und Signalverarbeitungsschaltung, daß im wesentlichen in Echtzeit ein zweidimensionales Ultraschallbild gebildet und angezeigt wird, die Maßnahme des Betreibens einer durch einen Benutzer steuerbaren Einrichtung derart, daß eine Anzeige von zumindest einer steuerbaren Positionsmarkierung innerhalb des dargestellten zweidimensionalen Ultraschall­ bilds im wesentlichen in Echtzeit erzeugt wird, wobei die Markierung einen Empfindlich­ keitsbereich (-fläche) innerhalb des Ultraschallbilds, für den CW-Dopplerdaten erhalten werden sollen, auswählt, die Maßnahme der Ansteuerung der mehrere Elemente auf­ weisenden Wandleranordnung und ihrer zugehörigen Verzögerungs- und Signalverarbei­ tungsschaltung auf der Grundlage der Position des gewählten Bereichs derart, daß

• 1. eine gegebene Anzahl der Mehrzahl von Elementen der Wandleranordnung zum Aussenden eines gelenkten, kontinuierlichen Ultraschallstrahls (CW- Ultraschallstrahl) durch den ausgewählten Bereich eingesetzt werden, und
• 2. eine gegebene Anzahl der Mehrzahl von Elementen der Wandleranordnung zum Empfangen eines gelenkten Empfangsstrahls, der gleichfalls durch den ausgewählten Bereich hindurchgeht, benutzt werden, und die Maßnahme des derartigen Verarbeitens des Empfangsstrahls enthält, daß eine Doppler­ anzeige aus dem Empfangsstrahl erzeugt wird, die eine Bewegung in dem ausgewählten Bereich repräsentiert.

In Übereinstimmung mit einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird die gegebene Anzahl aus der Mehrzahl von Elementen der Wandleranordnung, die zum Aussenden und Empfangen von jeweiligen, gelenkten, kontinuierlichen Ultraschallstrahlen durch den ausgewählten Bereich eingesetzt werden, auch zur Fokussierung der gelenkten Sende- und Empfangsstrahlen in dem ausgewählten Bereich benutzt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines medizinischen Ultraschallsystems, bei dem die vor­ liegende Erfindung eingesetzt werden kann,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Abschnitts des frontseitigen Endes des in Fig. 1 dargestellten, medizinischen Ultraschallsystems,

Fig. 3 eine Veranschaulichung der Auswahl eines für kontinuierlichen Doppler-Be­ trieb empfindlichen Bereichs in Übereinstimmung mit den Grundlagen der Erfindung und unter Benutzung des Geräts gemäß Fig. 1, und

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Demodulator- und Doppler-Prozessor-Abschnitte des in Fig. 1 dargestellten Ultraschallsystems.

Fig. 1 zeigt in Form eines Blockschaltbilds ein medizinisches Ultraschall-Abbildungs­ system, bei dem die vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann. Das System enthält eine Ultraschallsonde 6 mit einem mehrere Elemente aufweisenden Ultraschallwandler, in dem eine Mehrzahl von piezoelektrischen Wandlerelementen, beispielsweise eine lineare Anordnung, angeordnet ist, einen Sendestrahlformer 7, einen analogen Vorverstärker­ abschnitt 8 und eine Analog/Digital-Wandlerstufe 10. Zusätzlich enthält das System einen digitalen Empfangsstrahlformer 12, einen Demodulator 14, einen Abtastwandler 16, einen Doppler-Prozessor 18 und eine Systemsteuereinrichtung 20. Bekanntlich weist der Sende­ strahlformer 7 eine steuerbare Verzögerungseinrichtung für die Erzielung einer steuerbaren Fokussierung und Richtungssteuerung (Lenkung) von Ultraschallstrahlen, die in den Patienten über die Sonde 6 gesendet werden, auf. Der Empfangsstrahlformer 12 enthält eine steuerbare Verzögerungseinrichtung für die Bildung von Empfangsstrahlen aus empfangenen Echos, die von Reflexionen der in den Patienten gesendeten Ultraschall­ strahlen herrühren, mittels einer steuerbaren Fokussierung und Lenkung, wobei alle diese Vorgänge unter Steuerung durch die Systemsteuereinrichtung 20 erfolgen.

Die Systemsteuereinrichtung 20 weist eine Schnittstelleneinrichtung 21 auf, die Vorrichtun­ gen wie etwa eine Tastatur, einen Trackball, Schalter usw. (nicht im einzelnen gezeigt) enthält, mittels derer ein Benutzer des Systems dieses in einen B-Abbildungsmodus (sogenannter Helligkeitsmodus), einen gepulsten Doppler-Betrieb, einen gleichzeitigen B- Abbildung/gepulsten Doppler-Betrieb oder einen kontinuierlichen Doppler-Betrieb (Betrieb mit kontinuierlicher Welle, d. h. Dauersignal) versetzen kann. Bei dem B-Abbildungsmodus erzeugt der Strahlformer 12 Hochfrequenzsignale an seinem Ausgang, die die Stärke der Ultraschallechos repräsentieren, die entlang einer Reihe von Abtastlinien, die über einen Querschnitt des Patientenkörpers hinweg aufgeteilt sind, empfangen werden. Diese Hoch­ frequenzsignale werden durch den Demodulator 14 demoduliert, wobei der Demodulator im wesentlichen die Hochfrequenzsignale, die während des B-Abbildungsbetriebs erzeugt werden, einer Detektionsfunktion (Demodulationsfunktion oder Gleichrichtfunktion) unterzieht. Das resultierende, an dem Ausgang des Demodulators 14 bereitgestellte, demodulierte Bildsignal wird an den Abtastwandler 16 weitergeleitet. Bekanntlich akkumu­ liert der Abtastwandler Echodaten von einer Mehrzahl von Abtastzeilen, die ein einzelnes Vollbild (frame) des Bilds bilden. Bei einem Sektorabtastformat wandelt der Abtastwandler diese Daten auch in ein rechteckförmiges Rasterabtastformat um, das für die Anzeige auf einem Videomonitor geeignet ist. Aufeinanderfolgende Vollbilder werden dann in Echtzeit auf einer Videobildanzeige 22 dargestellt.

Wenn das System durch den Benutzer in einen gepulsten Doppler-Betrieb (PW-Doppler- Betrieb) versetzt wird, markiert der Benutzer die Position eines Abtastvolumens bzw. Probenvolumens, aus dem die Daten des gepulsten Dopplerbetriebs zu gewinnen sind, in­ dem das B-Modus-Bild untersucht und markiert wird. Das markierte Volumen wird mit einer Probenzelle eines ausgewählten Bereichs entlang einer ausgewählten Abtastzeile korreliert, wohingegen das doppler-empfindliche Volumen bei einem kontinuierlichen Doppler-Betrieb herkömmlicherweise zylindrisch ist und sich entlang der Länge der Abtastzeile erstreckt. Bei dem offenbarten, bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem eine Wandleranordnung mit einer Mehrzahl von Elementen eingesetzt wird, sind jedoch fokussierte und gesteuerte bzw. gelenkte kontinuierliche CW-Doppler-Strahlen möglich und es besteht daher bei geeigneter Steuerung der Sende- und Empfangsverzögerungen die Möglichkeit, ein für kontinuierlichen Doppler-Betrieb empfindliches Volumen zu errei­ chen, das eine Überlappung zwischen den fokussierten und gelenkten kontinuierlichen Sende- und kontinuierlichen Empfangsstrahlen besitzt. Der Empfangsstrahlformer 12 erzeugt dann eine kontinuierliche Hochfrequenz-Strahllinie, die die Echosignale repräsen­ tiert, die aus der Strahlrichtung, die das ausgewählte doppler-empfindliche Volumen enthält, empfangen werden. Der Demodulator 14 wandelt die während des Doppler- Betriebs erzeugten Hochfrequenz-Strahlzeilensignale in das Basisband oder eine Zwischen­ frequenz um und erzeugt an seinem Ausgang demodulierte In-Phase-(I)-und-Quadratur-(Q)- Signale, die an den Doppler-Prozessor angelegt werden. Diese Signale I und Q werden gemeinsam als das "Dopplersignal" bezeichnet.

Der Doppler-Prozessor 18 verarbeitet das Dopplersignal und gibt Signale an eine Doppler- Anzeige 24 ab, die eine Videoanzeige zur Darstellung eines Videoausgangssignals der räumlichen Eigenschaften des Dopplersignals (d. h. ein Doppler-Bild) auf einer Video­ anzeige enthalten kann, sowie ein Audioausgangssignal ab, das durch eine Doppler- Audiodarstellung bzw. -Audioeinrichtung wie etwa Lautsprecher (nicht speziell gezeigt) in einen hörbaren Ton umgewandelt wird. Der Aufbau und die Betriebsweise eines wesentli­ chen Abschnitts jeder einzelnen, vorstehend beschriebenen Komponente sind dem Fach­ mann bekannt und es entfällt daher eine weitere Beschreibung von deren Aufbau und Arbeitsweise mit Ausnahme derjenigen, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung benötigt wird. Beispielsweise offenbart die vorstehend erwähnte US-4,598,589, die hiermit durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt vorliegender Anmeldung eingegliedert wird, eine solche herkömmliche Steuerung zur Bildung von durch kontinuierlichen Doppler- Betrieb erhaltenen Bildern (CW-Doppler-Bilder), wobei jedoch analoge Signalverarbei­ tungsmethoden eingesetzt werden.

Fig. 2 zeigt Einzelheiten des Aufbaus von Abschnitten des Ultraschallgeräts gemäß Fig. 1, wobei ein digitaler Strahlformer eingesetzt ist. Ein digitaler Strahlformer ist für die vorliegende Erfindung insbesondere deshalb nützlich, weil er eine relativ geradlinige Mikroprozessorsteuerung der Strahllenkung und Fokussierung ermöglicht. Soweit ange­ bracht, sind die gleichen Bezugszeichen für die Bezeichnung derselben Abschnitte des Ultraschallgeräts verwendet. Aus Gründen der Klarheit sind lediglich die Empfangsab­ schnitte des medizinischen Ultraschallgeräts dargestellt, wobei die Sendeabschnitte nicht gezeigt sind, da sie herkömmliche digitale Gestaltung und Betriebsweise haben. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, enthält die Sonde eine Mehrzahl von einzelnen Wandlerelementen 202. Jedes Wandlerelement 202 ist mit einem Signalverarbeitungskanal verbunden, der einen analogen Vorverstarker 204 und einen Analog/Digital-Wandler 206 enthält, der ein digitalisiertes, empfangenes Ultraschallechosignal an den digitalen Strahlformer 12 abgibt. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 bereits erwähnt, verleiht der Empfangs­ strahlformer 12 jedem der empfangenen und digitalisierten Ultraschallechosignale eine geeignete Verzögerung, so daß sie zur Bildung einer Ultraschallstrahllinie 22 kohärent zusammengefaßt (kombiniert) werden können.

Eine Dithersignalquelle 208 erzeugt ein gemeinsames Dithersignal (Zittersignal) D, das jedem empfangenen Echostrahlsignal vor der Digitalisierung durch die Analog/Digital- Wandler 206 mittels eines Addierers 210 hinzugefügt wird, der in jedem Kanal unmittelbar vor dem Analog/Digital-Wandler 206 enthalten ist. Die Methode des Ditherns der Analog/- Digital-Wandler erhöht deren Fähigkeit zur Erfassung eines Signals mit niedrigerer Amplitude, wodurch effektiv der dynamische Bereich der Analog/Digital-Wandler ver­ größert wird. Auch wenn diese Vergrößerung insbesondere beim Betrieb des Geräts im kontinuierlichen Doppler-Modus nützlich ist, kann sie auch beim Betrieb des Geräts im gepulsten Doppler-Betrieb zum Einsatz kommen.

Wie es dem mit Analog/Digital-Wandlern vertrauten Fachmann bekannt ist, bewirkt das Dithersignal zusätzliche Übergänge des Bits geringster Wertigkeit (LSB) des digitalen Signals, das durch die Analog/Digital-Wandler 206 erzeugt wird. Die Dithersignalquelle 208 erzeugt ein Dithersignal mit einer Amplitude, die das Bit geringster Wertigkeit LSB zur Variation um +/- 0,5 LSB veranlaßt. Als Ergebnis einer Mittelwertbildung, die vorzugsweise bei einem Punkt nahe bei dem Ausgang des Signalverarbeitungsgeräts stattfindet (wird in Verbindung mit den "Frachtwaggon"- bzw. "Box car"-Filtern gemäß Fig. 4 erläutert), ergibt sich eine scheinbare Vergrößerung der Auflösung der Analog/- Digital-Wandlung.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Dithersignal in sinusförmige Form gebracht, so daß es durch Filter, die in dem Doppler-Prozessor 18 bereits vorhanden sind, wie etwa Wandfilter, leicht entfernt werden kann, was im weiteren Text beschrieben wird. Auf diese Weise bewirkt das Dithersignal selbst keine Verschlechterung des Störabstands der Analog/Digital-Wandler, während ein zufallsverteiltes Dithersignal (Zufallsrauschen- Dithersignal) das Signal/Stör-Verhältnis verschlechtern würde.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält die Sonde 6 128 Wandlerelemente 202, von denen 64 benachbarte Elemente und ihre jeweiligen Sende- und Empfangssignalver­ arbeitungskanäle zum Aussenden eines fokussierten und gelenkten (richtungsgesteuerten), kontinuierlichen Ultraschallstrahls (mit beispielsweise 4 MHz) in den Körper eines Patien­ ten benutzt werden und die nächsten 64 Kanäle zum steuerbaren Empfang eines fokussier­ ten, kontinuierlichen Dopplerstrahls eingesetzt werden, der derart gelenkt ist, daß er sich mit dem gesendeten Strahl in dem Patientenkörper bei einer gegebenen Tiefe schneidet, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.

In Übereinstimmung mit den Grundlagen der Erfindung kann ein Benutzer des Geräts eine steuerbare Schnittstelleneinrichtung 21 wie etwa einen Trackball betätigen, während er ein angezeigtes, zweidimensionales Echtzeit-Ultraschallbild betrachtet, um einen für kon­ tinuierlichen Doppler-Betrieb empfindlichen Bereich (Fläche) 300 aus dem dargestellten Bild auszuwählen, aus dem Doppler-Daten erhalten werden sollen. Sobald der Bereich gewählt ist, stellt die Systemsteuereinrichtung 20 geeignete Verzögerungen für den Sende- und Empfangsstrahlformer 7 und 12 bereit, um die Richtungssteuerung und vorzugsweise auch das Fokussieren der Sende- und Empfangsstrahlen 203 bzw. 204 derart zu steuern, daß sie sich in dem ausgewählten Bereich überlappen und hierdurch Doppler-Daten erhalten werden, die eine Bewegung in diesem Volumen des Körpers repräsentieren. Die Bildung der kontinuierlichen Dopper-Daten (CW-Doppler-Daten) wird vorzugsweise im Zeitmultiplex bei B-Betrieb und/oder Farbströmungsabbildung durchgeführt.

Da sowohl die Sende- als auch die Empfangsstrahlen derart fokussiert sind, daß sie sich in dem gleichen Volumen im Körper überlappen, ist der Empfangsstrahlformer bezüglich dieses Bereichs sehr viel empfindlicher als gegenüber anderen Volumina in dem Körper. Dieses Überlappungsvolumen wird daher als ein doppler-empfindliches Volumen bezeich­ net (oder als ein doppler-empfindlicher Bereich, wenn er als ein ausgewählter Abschnitt einer zweidimensionalen Darstellung eines Ultraschallbilds betrachtet wird). Diese Metho­ de verbessert nicht nur das üblicherweise bei konventioneller Doppler-Abbildung mit kontinuierlichem Doppler-Betrieb anzutreffende Problem der Positionsunsicherheit, sondern ist auch einfach zu realisieren und durch einen Benutzer leicht zu steuern.

Während des Betriebs wird das Ultraschallgerät dazu veranlaßt, ein herkömmliches B- Modus-Bild eines Blutgefäßes und/oder eines anderen anatomischen Bereiches zu bilden. Der Benutzer betätigt dann eine steuerbare Einrichtung 21 wie etwa einen Trackball, um ein "x" oder eine andere Markierung in einen interessierenden Bereich in dem Gefaß zu bewegen. Die beiden Arme des "x" repräsentieren jeweils die Richtung des Sende- bzw. Empfangsstrahls in dem ausgewählten Bereich. Daher verändert sich der Winkel zwischen den beiden Armen des "x" in Abhängigkeit von der Position des "x" relativ zu den Sende- und Empfangsaperturen der Sonde. Die vorliegende Erfindung erlaubt dem Benutzer die Justierung der Position der Sonde und/oder der Markierung "x" zur Optimierung des Winkels des kontinuierlichen Doppler-Betriebs, während gleichzeitig die Gefäß-Anatomie und die Sende- und Empfangsstrahlrichtungen betrachtet werden können.

Zusätzlich kann der Benutzer in Übereinstimmung mit einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung das Fokussieren eines der oder beider Sende- und Empfangsstrahlen einstellen, um die Größe des ausgewählten doppler-empfindlichen Bereichs (Fläche) besser steuern zu können. Bei jeder Fokusveränderung ergibt sich eine entsprechende Änderung der Größe des angezeigten "x" (je breiter die Fokussierung ist, desto größer ist der doppler-empfindli­ che Bereich bzw. die doppler-empfindliche Fläche und desto größer ist das dargestellte "x"). Aufgrund dieser Methode kann das Signal/Rausch-Verhältnis bei einem durch den Benutzer auswählbaren Volumen innerhalb des Körpers maximiert werden.

Folglich steuert die Systemsteuereinrichtung 20 das Ultraschallgerät in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung derart, daß der Richtungswinkel und die Fokussierung bzw. der Fokuspunkt für beide Sende- und Empfangsstrahlen entsprechend der benutzersei­ tigen Auswahl der doppler-empfindlichen Fläche gesteuert wird.

Fig. 4 zeigt die Demodulator- und Doppler-Prozessor-Abschnitte des in Fig. 1 dargestell­ ten Ultraschallsystems, die durch die Systemsteuereinrichtung 20 zur Verarbeitung der kontinuierlichen Doppler-Signale und zum Bilden von Doppler-Daten aus diesen für die Anzeige konfiguriert sind. Genauer gesagt, enthält der Demodulatorabschnitt 14 Mischer (Mischstufen) 402 und 404, die durch sinusförmige Quadratur-Signale, die die Frequenz des gesendeten, kontinuierlichen Doppler-Ultraschallsignals (beispielsweise 4 MHz) haben, zur Bildung von demodulierten Quadratur-I- und Q-Dopplersignalen angesteuert werden. Eine Tiefpaßfilterung der Signale I und Q ist herkömmlicherweise erforderlich, um die Frequenzkomponenten 2f₀ zu beseitigen, wobei die Tiefpaßfilter bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch "Box car"-Filter 406 und 408 gebildet sind, die die durch die Mischer 402 und 404 jeweils erzeugten digitalen Signale akkumulieren und dezimieren bzw. zahlenmäßig verringern. Dem mit Digitalsignal-Verarbeitungsmethoden vertrauten Fachmann ist bekannt, daß eine "Box car"-Filterung im wesentlichen die Akkumulierung oder Aufsummierung einer Vielzahl von digitalen Signalabtastwerten und eine nachfolgen­ de Mittelwertbildung der Abtastwerte durch Division der akkumulierten Summe durch die Anzahl von akkumulierten Abtastwerten sowie die abschließende Verringerung (Dezimie­ rung) für die Erzeugung eines einzelnen digitalen Worts mit mehreren Bit (z. B. 24 Bit) an dem Ausgang ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden 504 digitale Signal­ abtastwerte zur Erzeugung jeweils eines digitalen, von den "Box car"-Filtern abgegebenen Worts eingesetzt. Jedes digitale Wort repräsentiert daher einen von beispielsweise 128 Punkten entlang einer ausgewählten Strahllinie.

Die Ausgangssignale I und Q werden dann an den Doppler-Prozessor 18 angelegt, der bekanntlich eine Wandfilterverarbeitung der Signale I und Q unter Einsatz von Wandfiltern 410 und 412 durchführt und als eine Möglichkeit der Bildung von Spektrumsinformation das Ausgangssignal der Wandfilter an einen Prozessor 414 für schnelle Fourier-Trans­ formation (FFT) anlegt. Der FFT-Prozessor 414 erzeugt an seinem Ausgang ein Signal, das das Frequenzspektrum des Doppler-Signals repräsentiert, das an Audiolautsprecher für die "Darstellung" der Dopplerdaten oder an eine Hälfte eines Videoschirms für eine Darstellung des Dopplerbilds zusammen mit bzw. seitlich von einem B-Modus-Bild angelegt werden kann. Bekanntlich können die Wandfilter 410, 412 Hochpaßfilter enthal­ ten, die die unerwünschten niedrigeren Frequenzen einschließlich des vorstehend erwähn­ ten sinusförmigen Dithersignals abschneiden. Das Dopplersignal an dem Ausgang des FFT-Prozessors 414 wird dann an die Doppler-Anzeige angelegt, die einen Videomonitor und Audiolautsprecher für die Darstellung der Dopplerinformation für den Systembetreiber enthält.

Die Länge der "Box car"-Filter 406, 408 ist derart festgelegt, daß die "Box car"-Länge (Akkumulationsintervall) eine ganze Zahl, multipliziert mit der Anzahl von Abtastwerten des Festzeichensignal/Zyklus (clutter signal/cycle), enthält. Falls zum Beispiel die Ab­ tastrate des Analog/Digital-Wandlers 36 MHz und die Frequenz des kontinuierlichen Dopplersignals 4 MHz ist, gibt es 9 Analog/Digital-Abtastwerte/Zyklus des Dopplersi­ gnals. Daher sollte die Anzahl von Abtastwerten, die durch die "Box car"-Filter für die Bestimmung jedes Doppler-Datenpunkts gemittelt werden, d. h. die "Box car"-Länge eine ganze Zahl multipliziert mit 9, sein, wie etwa 504, was 56×9 entspricht. Dies ist deshalb wichtig, weil das Festzeichensignal (clutter signal) das Auftreten einer Periodizität in dem Quantisierungsfehler des Analog/Digital-Wandlers bewirkt, der aufgrund der relativ hohen Amplitude des Festzeichensignals leicht eine Amplitude haben kann, die eine Größen­ ordnung größer als die Amplitude des Dopplersignals ist, das das Gerät zu erfassen versucht. Durch Festlegung der Länge der "Box car"-Filter auf ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl von Analog/Digital-Abtastwerten/Zyklus der Ultraschallfrequenz wird der Fehler über die "Box car"-Länge zu einer Konstanten und behindert daher nicht länger die Erfassung des Dopplersignals niedrigen Pegels.

Die beschriebene und gezeigte, neuartige Methode und Vorrichtung zur Bereitstellung einer in steuerbarer Weise erhaltenen kontinuierlichen Doppler-Information (CW-Doppler- Information) bei einem Ultraschallabbildungsgerät erfüllen somit alle Zielsetzungen und angestrebten Vorteile. Abänderungen, Modifikationen, Variationen, andere Anwendungen und Einsätze der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich. Beispielsweise, kann, auch wenn bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Betrach­ tung eines B-Modus-Bilds durch den Benutzer zur Auswahl des doppler-empfindlichen Bereichs erläutert wurde, auch ein Farbströmungsbild oder eine Überlappung sowohl des B-Modus-Bilds als auch des Farbströmungsbilds eingesetzt werden. Zusätzlich können andere Formen und Größen, die mit einer "x"-Markierung gleichwertig sind, wie etwa ein Parallelogramm-Kasten mit steuerbar bemessenen Abmessungen benutzt werden.

Bezugszeichenliste

Fig. 1
6 Sonde
7 Sendestrahlformer
8 Vorverstärker
10 Analog/Digital-Wandler
12 Empfangsstrahlformer
14 Demodulator
16 Abtastwandler
18 Doppler-Prozessor
20 System-Steuereinrichtung
22 Bildanzeige
24 Doppler-Anzeige

Fig. 2
206 Analog/Digital-Wandler
208 Dithersignalquelle
Beamformer 12 = Strahlformer 12

Fig. 3
Bloodvessel = Blutgefäß
2 D Image = 2 D Bild

Fig. 4
From 12 = Von 12
406 "Box car"-Tiefpassfilter
408 "Box car"-Tiefpassfifter
410 Wandfilter
412 Wandfilter

Claims (16)

1. Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallabbildungsgeräts für die Erzielung von Dauersignal-Dopplerdaten (CW-Dopplerdaten) aus einem von einem Benutzer gewähl­ ten Bereich, bei dem
eine eine Mehrzahl von Elementen aufweisende Wandleranordnung und eine zugeordnete, steuerbare Verzögerungs- und Signalverarbeitungsschaltung derart angesteuert werden, daß ein zweidimensionales Ultraschallbild im wesentlichen in Echtzeit gebildet und angezeigt wird,
eine durch einen Benutzer steuerbare Vorrichtung derart betätigt wird, daß eine Anzeige von mindestens einer steuerbaren Positionsmarkierung im wesentlichen in Echtzeit in dem angezeigten zweidimensionalen Ultraschallbild hervorgerufen wird, wobei die Markierung einen Empfindlichkeitsbereich bzw. eine Empfindlichkeitsfläche in dem Ultraschallbild auswählt, aus dem bzw. der der Erhalt von Dauersignal-Dopplerdaten gewünscht ist,
die die Mehrzahl von Elementen enthaltende Wandleranordnung und ihre zugeordnete Verzögerungs- und Signalverarbeitungsschaltung auf der Grundlage der durch den Benutzer ausgewählten Position des Empfindlichkeitsbereichs derart angesteuert werden,

• 1) daß eine gegebene Anzahl aus der Mehrzahl von Elementen für das Senden eines richtungsgesteuerten Dauersignal-Ultraschallstrahls (kontinuierlicher Ultraschallstrahl) durch den ausgewählten Empfindlichkeitsbereich einge­ setzt werden,
• 2) eine gegebene Anzahl aus der Mehrzahl von Elementen der Anordnung zum Empfangen eines richtungsgesteuerten Empfangsstrahls, der ebenfalls durch den vom Benutzer ausgewählten Empfindlichkeitsbereich hindurch­ geht, eingesetzt werden, und

der Empfangsstrahl derart verarbeitet wird, daß eine Doppler-Bildanzeige aus dem Empfangsstrahl erzeugt wird, die für eine Bewegung in dem durch den Benutzer ausgewählten Empfindlichkeitsbereich repräsentativ ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an erster Stelle angegebene Ansteuerungsschritt zur Bildung und Anzeige eines B-Modus- Bilds führt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zuerst erwähnte Ansteuerungsschritt zur Bildung und Anzeige eines Farbströmungsbilds führt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der an erster Stelle angegebene Ansteuerungsschritt zur Bildung und Anzeige eines Farbströ­ mungsbilds führt, das das B-Modus-Bild überlappt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der an dritter Stelle angegebene Ansteuerungsschritt die Ansteuerung der Mehrzahl von Elementen und ihrer zugehörigen Verzögerungs- und Signalverarbeitungsschaltung derart beinhaltet, daß der gesendete, richtungsgelenkte Strahl ebenfalls auf der Grundlage der Position des vom Benutzer ausgewählten Empfindlichkeits­ bereichs fokussiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der an dritter Stelle angegebene Ansteuerungsschritt die Ansteuerung der Mehrzahl von Elementen und ihrer zugehörigen Verzögerungs- und Signalverarbeitungsschaltung derart beinhaltet, daß der empfangene, richtungsgesteuerte Strahl gleichfalls auf der Grundlage der Position des vom Benutzer ausgewählten Empfindlichkeitsbereichs fokussiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der an dritter Stelle angegebene Ansteuerungsschritt die Ansteuerung der Mehrzahl von Elementen und ihrer zugeordneten Verzögerungs- und Signalverarbei­ tungsschaltung derart beinhaltet, daß der empfangene, richtungsgesteuerte Strahl auf der Grundlage der Position des vom Benutzer ausgewählten Empfindlichkeitsbereichs fokuss­ iert wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die vom Benutzer steuerbare Vorrichtung derart arbeitet, daß die steuerbare, angezeigte Positionsmarkierung mindestens ein "X" enthält, wobei jeder Arm des "X" jeweils eine der Sende- und Empfangsstrahlrichtungen auf der Grundlage der Position des vom Benutzer ausgewählten Bereichs repräsentiert.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die vom Benutzer steuerbare Vorrichtung derart arbeitet, daß die steuerbare, angezeigte Positionsmarkierung einen Parallelogramm-Kasten aufweist, der gleichwertig wie ein "X" geformt ist, wobei der Kasten die Größe des vom Benutzer ausgewählten Bereichs, wie sie durch die Fokussierung und Richtungssteuerung des gesendeten und empfangenen Strahls bestimmt ist, repräsentiert.

10. Ultraschallabbildungsgerät zur Erzielung von Dauersignal-Dopplerdaten (CW-Dopplerdaten) aus einem von einem Benutzer ausgewählten Bereich eines unter­ suchten Körpers, mit
einer Ultraschallwandleranordnung (6) mit einer Mehrzahl von Elementen,
einer Verzögerungsschaltung, die mit der Ultraschallwandleranordnung für die Steuerung der Richtung von Sende- und Empfangs-Ultraschallenergiestrahlen, die in den Körper gesendet bzw. aus diesem empfangen werden, gekoppelt ist,
einer Signalverarbeitungsschaltung, die mit der Verzögerungsschaltung gekop­ pelt ist und auf die Empfangsstrahlen unter Erzeugung eines Bildsignals anspricht,
einer Anzeige (24), die mit der Signalverarbeitungsschaltung gekoppelt ist und auf das Bildsignal für die Anzeige eines zweidimensionalen Ultraschallbilds eines Ab­ schnitts des Körpers im wesentlichen in Echtzeit anspricht,
einer durch einen Benutzer steuerbaren Vorrichtung (21), die mit der Anzeige für die steuerbare Positionierung mindestens einer steuerbaren Positionsmarkierung gekoppelt ist, die im wesentlichen in Echtzeit in dem angezeigten, zweidimensionalen Ultraschallbild dargestellt ist, wobei die Markierung durch den Benutzer für die Auswahl eines Empfindlichkeitsbereichs bzw. einer Empfindlichkeitsfläche in dem Ultraschallbild, aus dem bzw. der Dauersignal-Dopplerdaten erhalten werden sollen, positioniert wird, und
einer Steuereinrichtung (20), die mit der Verzögerungsschaltung gekoppelt ist und auf die benutzerseitige Auswahl der Position des doppler-empfindlichen Bereichs mittels der durch den Benutzer steuerbaren Vorrichtung dadurch anspricht,

• 1) daß eine gegebene Anzahl aus der Mehrzahl von Elementen zur Aussen­ dung eines richtungsgesteuerten Dauersignal-Ultraschallenergiestrahls durch den vom Benutzer gewählten Empfindlichkeitsbereich und
• 2) eine gegebene Anzahl aus der Mehrzahl von Elementen der Anordnung für den Empfang eines richtungsgesteuerten Empfangs-Uftraschallenergie­ strahls, der gleichfalls durch den vom Benutzer gewählten Empfindlich­ keitsbereich hindurchgeht, angesteuert werden.

11. Ultraschallabbildungsgerät nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verzögerungsschaltung mit der Anordnung zur zusätzlichen Steuerung der Fokussierung des Sende- und/oder des Empfangsstrahls gekoppelt ist.

12. Ultraschallabbildungsgerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsschaltung den Empfangsstrahl derart verarbeitet, daß ein Doppler-Bildsignal erzeugt wird, das die Anzeige eines Doppler-Bilds auf der Anzeige bewirkt, das eine Bewegung in dem durch den Benutzer gewählten Empfindlichkeitsbereich repräsentiert.

13. Ultraschallabbildungsgerät nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die durch den Benutzer steuerbare Vorrichtung eine Anzeige der steuerbaren Positionsmarkierung mindestens als ein "X" bewirkt, wobei jeder Arm des "X" eine jeweilige Richtung des Sende- und Empfangsstrahls auf der Grundlage der Position des vom Benutzer ausgewählten Bereichs gemäß der Steuerung durch die vom Benutzer steuerbare Vorrichtung (21) repräsentiert.

14. Ultraschallabbildungsgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Benutzer steuerbare Vorrichtung die Anzeige der steuerbaren Positionsmarkierung als ein Parallelogramm-Kasten bewirkt, der gleichwertig wie ein "X" geformt ist, wobei der Kasten die Größe des vom Benutzer gewählten Be­ reichs gemäß der Festlegung durch die Fokussierung und Richtungssteuerung der Sende- und Empfangsstrahlen repräsentiert.

15. Ultraschallabbildungsgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Benutzer steuerbare Vorrichtung mit der Anzeige für die Bewirkung einer Änderung der Größe der angezeigten, steuerbaren Positions­ markierung in Übereinstimmung mit der Größe des vom Benutzer gewählten Bereichs gemäß deren Festlegung durch die Richtungssteuerung und/oder Fokussierung der Sende- und Empfangsstrahlen gekoppelt ist.