DE19706540B4

DE19706540B4 - Steuersystem in einem Ultraschallsystem, das zwischen abbildenden und nicht-abbildenden Umgebungen unterscheidet

Info

Publication number: DE19706540B4
Application number: DE19706540A
Authority: DE
Inventors: Frank R. Methuen Miele; Ronald Westwood Mucci
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1996-05-08
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2017-02-20
Also published as: JPH1052428A; JP2009011854A; JP4219426B2; US5654509A; DE19706540A1

Abstract

Steuersystem für eine Ultraschalleinrichtung zum Beurteilen einer akustischen Umgebung, wobei das System folgende Merkmale aufweist:
einen Sender (24) zum Anlegen eines Treibersignals (18) an einen Wandler, wobei der Wandler in der Lage ist, ansprechend auf das Treibersignal (18) akustische Signale in die akustische Umgebung zu senden;
einen Empfänger (26) zum Empfangen eines empfangenen Signals von dem Wandler ansprechend auf akustische Antworten, die aus der akustischen Umgebung empfangen werden, und zum Erzeugen akustischer Daten aus dem empfangenen Signal;
einen Speicher (32), der mit dem Empfänger (26) gekoppelt ist, zum Speichern der akustischen Daten;
eine Steuerung (28) zum Auswählen eines ersten Satzes und eines zweiten Satzes aus akustischen Daten in dem Speicher (32), wobei der erste Satz von akustischen Daten einer akustischen Antwort (c) während einem ersten Zeitintervall entspricht, und wobei der zweite Satz von akustischen Daten der akustischen Antwort (c) während einem zweiten Zeitintervall entspricht, das...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf medizinische Ultraschallsysteme und insbesondere auf ein Steuersystem, das in einem Ultraschallsystem enthalten ist, das akustische Daten verwendet, um zwischen abbildenden und nicht-abbildenden Umgebungen zu unterscheiden. Verschiedene Betriebsparameter in dem Ultraschallsystem können gemäß der akustischen Umgebung gesteuert werden, die von dem Steuersystem beurteilt wird.
Medizinische Ultraschallsysteme werden von Ärzten und Technikern in einer Vielzahl von klinischen Situationen verwendet, um Organe und Gewebe innerhalb eines Körpers eines Patienten ultraschallmäßig zu betrachten. Obwohl die Ultraschallsysteme in einem Krankenhaus oder in einer anderen klinischen Umgebung sporadisch verwendet werden können, werden die Systeme oft eingeschaltet zurückgelassen, damit sie zur Verwendung von einem Arzt oder Techniker bereit sind.
Wenn das Ultraschallsystem eingeschaltet gelassen wird, ist ein Treibersignal mit einer hohen Amplitude vorhanden, das an den Wandler des Systems angelegt ist, wodurch die Leistungsdissipation in dem Wandler groß ist. Wenn die Dissipation der hohen Leistung für längere Zeitperioden andauert, verschlechtert sich das Verhalten des Wandlers, wodurch die Zuverlässigkeit des Wandlers verringert wird. Zusätzlich haben Ultraschallsysteme einen hohen Leistungsverbrauch, wodurch das System im Betrieb teuer ist. Wenn ein System ausgeschaltet wird, um den Leistungsverbrauch zu reduzieren, kann eine Zeitverzögerung resultieren, wenn das System wieder eingeschaltet wird, bevor das System wieder zur Verwendung bereit ist. Die Zeitverzögerung kann durch Hochfahren der Systemsoftware, durch Laufen von Selbstdiagnosetests oder durch das Warten auf Komponenten in dem System bewirkt werden, welche ansprechen, sobald Leistung angelegt worden ist.
Bei gegenwärtig verfügbaren Ultraschallsystemen kann die Leistungsdissipation in den Wandlern reduziert werden, indem die Amplitude des Treibersignals, das an den Wandler angelegt wird, reduziert wird. Die reduzierte Amplitude des Treibersignals liefert jedoch niedrigere akustische Antworten an dem Wandler, welche die Qualität der Ultraschallabbildungen verschlechtern, welche von dem Ultraschallsystem erzeugt werden.

Die DE 24 17 946 betrifft ein ein Verfahren zum Speichern und Auswerten von Informationen, die mittels Ultraschalluntersuchungen zu unterschiedlichen Zeiten erhalten wurden. Ein Ultraschallwandlerkopf strahlt Ultraschallenergie in ein zu untersuchendes Objekt und empfängt die reflektierte Energie. Die auf den empfangenen Ultraschallsignalen basierenden Informationen werden in dem Speicher entsprechend dem geometrischen Ort ihrer Entstehung abgespeichert, wobei der jeweilige Speicherort abhängig von einem Abstrahl- bzw. Empfangswinkel der Ultraschallenergie gegenüber einer Bezugsebene und der Schall-Laufzeit ermittelt wird. Vor der Speicherung eines neuen Informationswertes an einer zugeordneten Adresse in dem Speicher wird dieser nach einem bereits vorhandenen Speicherwert abgefragt, und aus dem Informationswert und dem vorhandenen Speicherwert wird ein neuer Speicherwert ermittelt.

Die US-A-4,945,767 betrifft ein Verfahren und System zum Steuern des Betriebs eines Ultraschallwandlers. Zur Festlegung, wieviele Wandler betrieben werden sollen, wird ein empfangendes Echosignal untersucht. Ein erstes Befehlssignal wird ausgegeben, wenn das empfangene Echosignal ein sog. Multi-Echosignal enthält, welches von einer akustischen Linse reflektiert wird. Ein zweites Befehlssignal wird ausgegeben, wenn das empfangene Echo-Signal das Multi-Echosignal und ein Objekt-Echosignal, welches durch einen inneren Abschnitt eines Objekts reflektiert wird, enthält. Abhängig von dem ausgegebenen Befehlssignals wird die Anzahl der betriebenen Wandlerelemente eingestellt, wobei bei Empfang des ersten Befehlssignals weniger Elemente als bei Empfang des zweiten Befehlssignals in Betrieb sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Probleme bezüglich der Zuverlässigkeit von Wandlern und des Leistungsverbrauchs eines Ultraschallsystems zu eliminieren, wenn das Ultraschallsystem eingeschaltet gelassen wird, wenn dasselbe jedoch nicht für diagnostische Zwecke verwendet wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Steuersystem gemäß Anspruch 1 oder 11 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst.

Bei der vorliegenden Erfindung verbessert ein Steuersystem die Zuverlässigkeit von Wandlern. Ferner reduziert ein Steuersystem den Leistungsverbrauch in Ultraschallsystemen und versetzt ein Ultraschallsystem in die Lage, Abbildungen mit hoher Qualität zu erzeugen. Das Steuersystem verwendet akustische Daten, die von einem Ultraschallsystem erzeugt werden, um zu beurteilen, ob die akustische Umgebung, die dem Wandler präsentiert wird, eine abbildende Umgebung, wie z.B. der Körper eines Patienten, oder eine nicht-abbildende Umgebung, wie z.B. Luft, ist.

Sobald die akustische Umgebung beurteilt worden ist, können verschiedene Betriebsparameter des Ultraschallsystems gemäß der beurteilten akustischen Umgebung gesteuert werden. Bei der nicht-abbildenden Umgebung reduziert das Steuersystem beispielsweise wesentlich die Amplitude des Treibersignals, das an den Wandler des Ultraschallsystems angelegt wird. Dies reduziert den Leistungsverbrauch und die Erwärmung des Wandlers. Wenn die Verwendung des Ultraschallsystems wieder aufgenommen wird, erfaßt das Ultraschallsystem die abbildende Umgebung und bringt das Treibersignal wieder auf die Amplitude zurück, die bei der vorherigen abbildenden Umgebung verwendet worden ist. Wenn die nicht-abbildende Umgebung länger als eine vorbestimmte Zeitdauer andauert, leitet das Steuersystem eine Warte-Modus oder "Standby-Modus", welcher den Leistungsverbrauch des Ultraschallsystems wesentlich reduziert, ein.

Die Leistungsdissipation in dem Wandler wird bei der nichtabbildenden Umgebung wesentlich reduziert, wodurch die Zuverlässigkeit und die Leistung des Wandlers verbessert werden. Bei der abbildenden Umgebung kann die Treibersignalamplitude maximiert werden, wodurch das Ultraschallsystem in die Lage versetzt wird, Abbildungen mit hoher Qualität zu erzeugen. Das Steuersystem wird ohne weiteres in den Abbildungsstrom eines Ultraschallsystems integriert, ohne die Herstellungskosten des Ultraschallsystems oder des Wandlers zu erhöhen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter erläutert. Es zeigen:
1 ein bekanntes medizinisches Ultraschallsystem und einen bekannten Wandler;
2 ein Steuersystem, das gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist; und
3 ein Flußdiagramm einer Entscheidungsstruktur, die von dem Steuersystem von 2 verwendet wird.
1 zeigt ein bekanntes medizinisches Ultraschallsystem 10. Ein Kabel 11 koppelt einen Ultraschallwandler 12 mit dem Ultraschallsystem 10. Der Wandler 12 erzeugt einen akustischen Strahl B als Reaktion auf ein elektrisches Treibersignal 16, das von dem Ultraschallsystem 10 geliefert wird.
Der akustische Strahl B wird wiederholt in der Richtung des Pfeils A über ein akustisches Medium, wie z.B. einen Sektor eines Körpers 17 eines Patienten hin- und hergewobbelt. Der Wandler 12 wird in Kontakt mit dem Körper 17 eines Patienten plaziert, wobei der gewobbelte akustische Strahl B entlang einer Serie von Trajektorien oder akustischen Linien 19 in den Körper 17 des Patienten eintritt. Der akustische Strahl B wird von verschiedenen Strukturen innerhalb des Körpers 17 des Patienten teilweise reflektiert, wodurch eine akustische Antwort C gebildet wird, welche sich wieder zurück zu dem Wandler 12 hin ausbreitet. Der Wandler 12 erfaßt die akustische Antwort C und erzeugt ein empfangenes elektrisches Signal 15 als Reaktion auf die akustische Antwort C. Das empfangene elektrische Signal 15 wird an einen Empfänger (nicht gezeigt) in dem Ultraschallsystem 10 angelegt, wo dasselbe als akustische Daten verarbeitet wird. Diese akustischen Daten werden dann in einem Speicher (nicht gezeigt) gespeichert. Die akustischen Daten entsprechen der akustischen Antwort C entlang jeder der akustischen Linien 19, wobei die akustischen Daten gemäß der akustischen Antwort, die von dem akustischen Medium empfangen wird, aktualisiert werden. Die akustischen Daten werden in dem Ultraschallsystem 10 weiterverarbeitet und abtastumgewandelt, um Ultraschallabbildungen auf einer Anzeige 8 zu erzeugen. Der abbildende Strom des Ultraschallsystems umfaßt den Empfänger, den Speicher, einen Abtast-Umwandler und die Anzeige 8.
An dem Ende einer Abbildungssequenz oder aufgrund einer Unterbrechung der Abbildungssequenz wird der Wandler 12 unvermeidlich vom Kontakt mit dem Körper 17 des Patienten ent fernt und in einem Halter 6 oder in einer anderen nichtabbildenden Umgebung gelagert, in der das akustische Medium, wie z.B. Luft, wesentlich weniger zeitlich-variierende akustische Daten erzeugt, als die akustischen Daten, die von dem Körper 17 eines Patienten erfaßt worden sind. Die Amplitude des Treibersignals 16, welche unter Verwendung eines Verstärkungssteuerungsknopfs 9 eingestellt werden kann, wird oft auf der hohen Amplitudeneinstellung gelassen, die bei der vorherigen abbildenden Umgebung verwendet wurde. Da die akustische Impedanz des Wandlers 12 an biologisches Gewebe Impedanz-angepaßt ist, welches sich wesentlich von der Impedanz von Luft unterscheidet, wird der größte Teil der akustischen Leistung in dem akustischen Strahl B an der Wandler-Luft-Grenzfläche zurück in den Wandler 12 reflektiert. Die akustische Leistung wird in dem Wandler 12 dissipiert, was in einer unnötigen Erwärmung des Wandlers resultiert.
2 zeigt ein Steuersystem, das gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Das Steuersystem 20 kann unter Verwendung von Hardware oder Software implementiert werden, und dasselbe ist ohne weiteres in dem Abbildungsstrom von gegenwärtig verfügbaren Ultraschallsystemen 10 enthalten. Eine Steuerung 28 innerhalb des Steuersystems 20 verwendet akustische Daten, die von dem Ultraschallsystem erzeugt werden, welche der akustischen Antwort C, die von dem Wandler 12 empfangen wird, entsprechen, um zu beurteilen, ob das akustische Medium 20 ein Körper 17 eines Patienten (eine abbildende Umgebung) oder Luft (eine nicht-abbildende Umgebung) ist.
Wenn eine nicht-abbildende Umgebung erfaßt wird, liefert die Steuerung 28 ein Sperrsignal auf einer Leitung 25 zu einem Sender 24 innerhalb des Ultraschallsystems 10. Als Reaktion auf das Sperrsignal reduziert der Sender 24 wesentlich die Amplitude des Treibersignals 16, das an den Wandler 12 angelegt wird. Die Amplitude des Treibersignals 16 wird ausreichend reduziert, damit die Leistungsdissipation in dem Wandler 12 vernachlässigbar ist, wodurch eine Erwärmung des Wandlers 12 vermieden wird. Obwohl dasselbe bezüglich seiner Amplitude wesentlich reduziert ist, erzeugt das Treibersignal 16 genug akustische Leistung, um eine akustische Antwort C zu schaffen, welche ausreichend ist, damit die Steuerung 28 Übergänge von einer nicht-abbildenden Umgebung zu einer abbildenden Umgebung erfaßt.
Wenn der Wandler 12 in Kontakt mit dem Körper 17 eines Patienten plaziert wird, erfaßt die Steuerung 28 die abbildende Umgebung und liefert ein Freigabesignal auf der Steuerleitung 25 zu dem Sender 24. Als Reaktion auf das Freigabesignal bringt der Sender 24 das Treibersignal 16 auf die Amplitudeneinstellung zurück, die bei der vorherigen abbildenden Umgebung verwendet worden ist.
Wenn die nicht-abbildende Umgebung länger als eine vorbestimmte Zeitdauer andauert, liefert die Steuerung 28 ein Standby-Signal 29, was bewirkt, daß das Ultraschallsystem in einen Standby-Modus geht. In dem Standby-Modus wird das Standby-Signal 29 von einer Leistungsverteilungsschaltungsanordnung innerhalb des Ultraschallsystems verwendet, um die Leistung zu den meisten Komponenten des Ultraschallsystems 10 zu unterbrechen. Genug Komponenten in dem Ultraschallsystem 10 werden jedoch weiterhin mit Leistung versorgt, um sicherzustellen, daß das Ultraschallsystem 10 zu den Betriebseinstellungen zurückkehren kann, die bei der vorherigen abbildenden Umgebung verwendet wurden, und zwar in einer wesentlich geringeren Zeit, als das gesamte Ultraschallsystem 10 benötigt, um hochzufahren. Somit wird die Software des Ultraschallsystems 10 in dem Standby-Modus im Betrieb gehalten, um zu vermeiden, daß die Software gebootet oder hochgefahren werden muß, wenn der Standby-Modus verlassen wird. Der Standby-Modus reduziert den Leistungsverbrauch in dem Ultraschallsystem 10, wobei der reduzierte Leistungsverbrauch die Zuverlässigkeit des Ultraschallsystems erhöht. Einstellungen an dem Verstärkungssteuerungsknopf 9 oder an anderen Einstellungsparametern des Ultraschallsystems 10 "erwecken" das Ultraschallsystem 10 aus dem. Standby-Modus und bringen die Betriebseinstellungen des Ultraschallsystems 10 zu denen zurück, die bei der vorherigen abbildenden Umgebung verwendet wurden.
Um das akustische Medium 22 oder eine akustische Umgebung, die dem Wandler 12 präsentiert wird, zu beurteilen, verwendet das Steuersystem 20 die akustischen Daten, die den akustischen Antworten C entsprechen, die von dem Wandler 12 eingefangen werden. Ein erster Datensatz wird gebildet, indem ein Teilsatz der akustischen Daten verwendet wird. Der erste Datensatz enthält akustische Daten von der akustischen Antwort C, die einer oder mehreren der akustischen Linien 19 innerhalb eines Wobbeldurchgangs des akustischen Strahls B entspricht.
Ein zweiter Datensatz wird gebildet, wobei ebenfalls ein Teilsatz der akustischen Daten verwendet wird, wobei die akustischen Daten des zweiten Satzes jedoch von einer akustischen Antwort C stammen, die aus einem folgenden Wobbeldurchgang des akustischen Strahls B resultieren. Der zweite Datensatz wird ausgewählt, um akustische Daten zu enthalten, die einer oder mehreren akustischen Linien 19 entsprechen, die in dem ersten Datensatz dargestellt sind, jedoch zu einem späteren Zeitpunkt. Damit die akustischen Linien 19 von dem ersten und von dem zweiten Datensatz bei äquivalenten Positionen zusammenfallen, damit sie jedoch innerhalb unterschiedlicher Wobbeldurchgänge des akustischen Strahls B sind, werden der erste und der zweite akustische Datensatz von den akustischen Antworten C abgeleitet, und zwar von den akustischen Antworten C bei Zeitintervallen, die zeitmäßig um Vielfache der Wobbelperiode T des akustischen Strahls B beabstandet sind. Wenn der erste Datensatz beispielsweise aus der akustischen Antwort C in dem Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt t₁ und dem Zeitpunkt t₂ erhalten wird, wird der zweite akustische Datensatz aus der akustischen Antwort C in dem Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt t₁ + XT und dem Zeitpunkt t₂ + XT erhalten, wobei X eine positive Ganzzahl ist. Der erste und der zweite Da tensatz werden durchgehend aktualisiert, während neue akustische Daten in einem Speicher 32 durchgehend gespeichert werden. Damit das Steuersystem 20 ohne weiteres in den Abbildungsstrom von gegenwärtig verfügbaren Ultraschallsystemen 10 integriert werden kann, umfassen der erste und der zweite Datensatz einen Teilsatz der akustischen Daten, welche an einen Abtast-Umwandler (nicht gezeigt) innerhalb des Ultraschallsystems 10 eines Ultraschallsystems angelegt werden, und welche verwendet werden, um Ultraschallabbildungen auf der Anzeige 8 zu erzeugen.
Unterschiede zwischen dem ersten und dem zweiten Datensatz können der Zeit-Variabilität des akustischen Mediums 22 oder der Bewegung des Wandlers 12 zugeschrieben werden, die zwischen unterschiedlichen Wobbeldurchgängen des akustischen Strahls B auftreten. Diese Zeit-Variabilität des akustischen Mediums 22, wie sie durch die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Datensatz dargestellt ist, liefert die Basis, um zu erfassen, ob der Wandler 12 in einer abbildenden Umgebung, bei der das akustische Medium 22 ein Körper 17 eines Patienten ist, oder in einer nicht-abbildenden Umgebung, bei der das akustische Medium Luft ist, arbeitet.
In der abbildenden Umgebung sind Unterschiede zwischen dem ersten und dem zweiten Datensatz einer relativen Bewegung innerhalb des Abschnitts des Körpers 17 des Patienten zuweisbar, der ultraschallmäßig betrachtet wird. Das akustische Medium 22 kann sehr stark zeitlich variierend sein, wodurch große Unterschiede in den Datensätzen erzeugt werden, wie es beispielsweise der Fall ist, wenn das schlagende Herz eines Patienten ultraschallmäßig betrachtet wird. Wenn sich langsam bewegende Organe, wie sie beispielsweise in dem Bauchbereich eines Patienten gefunden werden, wie z.B. die Leber oder die Gallenblase, ultraschallmäßig betrachtet werden, resultieren moderate Unterschiede zwischen den Datensätzen.
Im Gegensatz zu der abbildenden Umgebung erzeugt die nicht abbildende Umgebung kleine Unterschiede zwischen dem ersten und dem zweiten Datensatz. Wenn der Wandler 12 in einem Halter 6 abgelegt oder gelagert wird, ist das akustische Medium 22 typischerweise Luft. In Luft wird der größte Teil des akustischen Strahls 8 an der Wandler-Luft-Grenzfläche reflektiert, wodurch kleine Variationen zwischen den Datensätzen erzeugt werden. Andere akustische Umgebungen, die statisch oder wesentlich weniger zeitlich variierend als der Körper 17 eines Patienten sind, erzeugen ebenfalls kleine Unterschiede zwischen den Datensätzen.
Die Steuerung 28 subtrahiert den ersten und den zweiten Datensatz auf einer Punkt-um-Punkt-Basis und nimmt den Betrag der Differenzen oder die absolute Differenz, um einen Differenzsatz zu bilden. Der Differenzsatz wird dann mit einem Entscheidungskriterium von der Steuerung 28 verglichen, um eine vorläufige Beurteilung der akustischen Umgebung durchzuführen. Ein empirisch eingerichtetes Entscheidungskriterium kann verwendet werden, und zwar basierend auf dem Kategorisieren von Differenzsätzen, die von einer Vielzahl von Versuchs-Abbildungsumgebungen und Versuchs-Nicht-Abbildungsumgebungen erhalten werden. Die Versuchs-Abbildungsumgebungen können das Plazieren des Wandlers 12 in Kontakt mit dem Körper 17 eines Patienten umfassen, um den Bauchbereich, die Niere, die Leber, das Herz und Blutgefäße bei verschiedenen Verstärkungseinstellungen des Senders 24 und des Empfängers 26 ultraschallmäßig zu betrachten. Die Versuchs-Nicht-Abbildungsumgebungen können die Situationen umfassen, bei denen der Wandler 12 bei einer Vielzahl von Verstärkungseinstellungen des Senders 24 und des Empfängers 26 in der Hand gehalten oder über das Ultraschallsystem 10 und in einen Halter 6 gelegt wird, und zwar mit und ohne ein Impedanzanpassungsgel, das auf dem Wandler aufgebracht ist. Die Differenzsätze von den verschiedenen Versuchs-Abbildungs- und Versuchs-Nicht-Abbildungsumgebungen werden verwendet, um Entscheidungskriterien einzurichten, welche dann verwendet werden, um zu erfassen, ob dem Wandler 12 eine abbildende Umgebung oder eine nicht-abbildende Umgebung präsentiert wird.
Die Entscheidungskriterien, die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden, umfassen eine untere Schwelle, eine obere Schwelle und eine Durchschnitts-gewichtete Schwelle. Die Steuerung 28 vergleicht jeden Differenzsatz mit den Entscheidungskriterien, um eine Beurteilung der akustischen Umgebung durchzuführen. Differenzsätze, welche Werte unter der unteren Schwelle aufweisen, werden als nicht-abbildende Umgebungen betrachtet, während Differenzsätze, welche Werte über der oberen Schwelle aufweisen, als abbildende Umgebungen beurteilt werden. Eine Durchschnittsgewichtung der Werte des Differenzsatzes wird für Zwischendifferenzsätze verwendet, deren Werte über der unteren Schwelle, jedoch unter der oberen Schwelle liegen. Für diese Zwischendifferenzsätze wird jeder Wert in dem Differenzsatz durch den Durchschnitt der Werte in den Datensätzen geteilt, um einen Durchschnitts-gewichteten Differenzsatz zu bilden. Der Durchschnitts-gewichtete Differenzsatz wird dann mit einer Durchschnitts-gewichteten Schwelle verglichen, um eine Beurteilung der akustischen Umgebung durchzuführen. Die Durchschnitts-gewichtete Schwelle wird empirisch durch Kategorisieren von Differenzsätzen hergestellt, die aus den Versuchs-Abbildungsumgebungen und aus den Versuchs-Nicht-Abbildungsumgebungen Durchschnittsgewichtet worden sind. Die Durchschnitts-Gewichtung reduziert die Auswirkungen der Verstärkungseinstellungen des Senders 24 und des Empfängers 26 auf die Zwischendifferenzsätze.
Abbildungs-formatierte akustische Daten, die an dem Ausgang des Abtast-Umwandlers (nicht gezeigt) des Ultraschallsystems 10 erzeugt worden sind, oder akustische Daten an anderen Positionen innerhalb des Abbildungsstroms des Ultraschallsystems 10 können ebenfalls verwendet werden, um den ersten und den zweiten Datensatz zu bilden. Eine Beobachtung der Abbildungs-formatierten akustischen Daten aus den verschiedenen Versuchs-Abbildungs- und Versuchs-Nicht-Abbildungsum gebungen würden verwendet werden, um die Entscheidungskriterien einzurichten. Die Abbildungs-formatierten akustischen Daten würden dann mit den Entscheidungskriterien verglichen werden, um die akustische Umgebung zu beurteilen.
Die Zuverlässigkeit der Entscheidungskriterien, die verwendet werden, um die vorläufige Beurteilung der akustischen Umgebung durchzuführen, wird durch Messen der Fehlerrate oder des Prozentsatzes von unkorrekten Beurteilungen durch die Steuerung 28 bestimmt, während der Wandler 12 in einer Vielzahl von akustischen Umgebungen und Abbildungsanwendungen verwendet wird. Um die Fehlerrate bei der Beurteilung der akustischen Umgebung zu reduzieren, wird eine hierarchische Entscheidungsstruktur verwendet, um eine abschließende Beurteilung der akustischen Umgebung durchzuführen.
3 zeigt ein Flußdiagramm 100 der hierarchischen Entscheidungsstruktur, die von dem Steuersystem 20 verwendet wird. Fehler in der Endbeurteilung der akustischen Umgebung werden minimiert, indem die Endbeurteilung auf eine Serie von vorläufigen Beurteilungen basiert. In einem Schritt 102 des Flußdiagramms 100 wird der erste Datensatz aus akustischen Daten erzeugt, die von dem empfangenen elektrischen Signal 15, das der akustischen Antwort C entspricht, abgeleitet werden. Der erste Datensatz wird in einem Schritt 104 in dem Speicher 32 gespeichert. In einem Schritt 106 wird der zweite Datensatz aus akustischen Daten erzeugt, die von dem empfangenen elektrischen Signal 15 abgeleitet werden, das der akustischen Antwort C von einem folgenden Wobbeldurchgang des akustischen Strahls B entspricht. In einem Schritt 108 werden der erste und der zweite Datensatz auf einer Punkt-um-Punkt-Basis subtrahiert, und der Betrag der Differenz oder die absolute Differenz wird genommen, um einen Differenzsatz zu erzeugen. In einem Schritt 110 wird der Differenzsatz mit Entscheidungskriterien verglichen, und es wird eine vorläufige Beurteilung der akustischen Umgebung basierend auf dem Vergleich durchgeführt. Die Beurteilung, ob die akustische Umgebung die abbildende Umgebung oder die nicht-abbildende Umgebung ist, wird ebenfalls in dem Schritt 110 aufgezeichnet. Der erste Datensatz, der zweite Datensatz und die resultierenden Differenzsätze, die in den Schritten 102 bis 108 erzeugt worden sind, werden periodisch aktualisiert, sobald neue akustische Daten in dem Abbildungsstrom des Ultraschallsystems 10 erzeugt werden, während der akustische Strahl B wobbelt, und es wird eine vorläufige Beurteilung der akustischen Umgebung basierend auf dem Vergleich durchgeführt. Die Beurteilung, ob die akustische Umgebung die abbildende Umgebung oder die nicht-abbildende Umgebung ist, wird ebenfalls in dem Schritt 110 aufgezeichnet. Der erste Datensatz, der zweite Datensatz und die resultierenden Differenzsätze, die in den Schritten 102 bis 108 erzeugt worden sind, werden periodisch aktualisiert, sobald neue akustische Daten in dem Abbildungsstrom des Ultraschallsystems 10 erzeugt werden, während der akustische Strahl B wobbelt.
In einem Schritt 112 wird eine Endbeurteilung der akustischen Umgebung unter Verwendung der Ergebnisse aus einer Serie von vorläufigen Beurteilungen durchgeführt, welche in dem Schritt 110 durchgeführt und aufgezeichnet wurden. Die Anzahl von früheren vorläufigen Beurteilungen, die verwendet werden, um eine Endbeurteilung der akustischen Umgebung durchzuführen, hängt von der gegenwärtigen akustischen Umgebung ab. Bei der Abbildungsumgebung werden N (N ist eine positive Ganzzahl) der früheren vorläufigen Beurteilungen verwendet. Wenn M (M ist eine positive Ganzzahl, die kleiner oder gleich N ist) oder mehr der N vorläufigen Beurteilungen, die in dem Schritt 110 aufgezeichnet werden, die abbildende Umgebung anzeigen, wird die Endbeurteilung in dem Schritt 114 durchgeführt, derart, daß die akustische Umgebung die abbildende Umgebung ist. Wenn weniger als M der N vorläufigen Beurteilungen die abbildende Umgebung anzeigen, dann wird die Endbeurteilung in einem Schritt 116 durchgeführt, derart, daß die akustische Umgebung die nichtabbildende Umgebung ist.
In dem Schritt 112 werden L (L ist eine positive Ganzzahl) der vorherigen vorläufigen Beurteilungen verwendet, wenn die nicht-abbildende Umgebung vorhanden ist. Wenn K oder mehr (K ist eine positive Ganzzahl, die kleiner oder gleich L ist) der L vorherigen vorläufigen Beurteilungen, die in dem Schritt 110 aufgezeichnet worden sind, die abbildende Umgebung anzeigen, wird die Endbeurteilung in einem Schritt 114 derart durchgeführt, daß die akustische Umgebung die abbildende Umgebung ist. Wenn weniger als K der L früheren vorläufigen Beurteilungen die abbildende Umgebung anzeigen, wird in einem Schritt 116 die Endbeurteilung derart durchgeführt, daß die akustische Umgebung die nicht-abbildende Umgebung ist. Sobald die Endbeurteilung der akustischen Umgebung in den Schritten 114 oder 116 durchgeführt wird, kann eine Vielzahl der Betriebsparameter des Ultraschallsystems 10 gemäß der Beurteilung gesteuert werden. Wenn beispielsweise die nicht-abbildende Umgebung in dem Schritt 116 beurteilt worden ist, kann die Amplitude des Treibersignals 16, das an den Wandler 12 angelegt wird, wesentlich verringert werden, um die Leistungsdissipation und die Erwärmung in dem Wandler 12 zu reduzieren, wodurch die Zuverlässigkeit des Wandlers verbessert wird. Wenn die abbildende Umgebung in dem Schritt 114 beurteilt worden ist, kann die Amplitude des Treibersignals 16, das an den Wandler 12 angelegt wird, erhöht werden, um die Abbildungsqualität des Ultraschallsystems 10 zu optimieren. Wenn die Endbeurteilung der nichtabbildende Umgebung in dem Schritt 116 durchgeführt worden ist, und wenn die nicht-abbildende Umgebung länger als eine vorbestimmte Zeitdauer andauert, kann der Leistungsverbrauch des Ultraschallsystems 10 wesentlich reduziert werden, indem in den Standby-Modus eingetreten wird. Der Standby-Modus verbessert die Zuverlässigkeit des Ultraschallsystems 10, wobei der reduzierte Leistungsverbrauch ferner das Ultraschallsystem 10 im Betrieb weniger teuer macht.
Die Endbeurteilung der akustischen Umgebung, die in dem Schritt 114 oder in dem Schritt 116 durchgeführt wird, kann ebenfalls verwendet werden, um festgelegte Standards oder Richtlinien zu erfüllen, die eingerichtet worden sind, um die Zeitdauer zu begrenzen, während der eine akustische Leistung an einen Patienten angelegt werden kann, und um den Temperaturanstieg zu begrenzen, den das Patientengewebe aushalten kann, oder um andere Einschränkungen zu erfüllen, die auf die Verwendung von Ultraschallsystemen 10 bezogen sind. Die Endbeurteilung der akustischen Umgebung kann in Verbindung mit thermischen Modellen verwendet werden, die aus dem Wandler 12 und dem Patientengewebe, das den Wandler 12 umgibt, entwickelt werden, um eine "Betriebshistorie" der akustischen Leistung zu schaffen, die an den Körper des Patienten angelegt worden ist.
Typischerweise wird L, d.h. die Anzahl von vorläufigen Beurteilungen, die bei der nicht-abbildenden Umgebung verwendet wird, derart ausgewählt, daß es kleiner als N ist, wobei N die Anzahl von vorläufigen Beurteilungen ist, die bei der abbildenden Umgebung verwendet werden. Dies ermöglicht es, daß die Steuerung 28 Übergänge von der nicht-abbildenden Umgebung in die abbildende Umgebung in einer kürzeren Zeitdauer erfaßt, als wenn dieselbe Übergänge von der abbildenden Umgebung in die nicht-abbildende Umgebung erfaßt. Wenn das System in dem abbildenden Zustand ist, dann kann es wünschenswert sein, daß die Steuerung 28 viele Sekunden oder sogar Minuten braucht, um die nicht-abbildende Umgebung zu erfassen, und um die Parameter des Ultraschallsystems 10 gemäß der Endbeurteilung einzustellen. Wenn dasselbe jedoch in dem nicht-abbildenden Zustand ist, dann kann es nicht akzeptierbar sein, daß die Steuerung 28 mehr als eine Sekunde benötigt, um die abbildende Umgebung zu erfassen, und um die Betriebsparameter des Ultraschallsystems 10 gemäß der Endbeurteilung einzustellen, wenn ein Arzt oder Techniker versucht, das Ultraschallsystem 10 zu verwenden. Somit ist N, d.h. die Anzahl von vorläufigen Beurteilungen, die bei der abbildenden Umgebung verwendet werden, größer als L, wobei L die Anzahl von vorläufigen Beurteilungen ist, die bei der nicht-abbildenden Umgebung verwendet werden. Die Fehlerrate in der Endbeurteilung der akustischen Umgebung nimmt im allgemeinen ab, wenn N und L zunehmen. Die Endbeurteilung der akustischen Umgebung kann mehr oder weniger immun gegenüber gelegentlichen Variationen der vorläufigen Beurteilungen gemacht werden, die in dem Schritt 110 aufgezeichnet werden, wenn K bezüglich L, und wenn M bezüglich N eingestellt werden.
Wenn das Ultraschallsystem 10 für einen spektralen Doppler-Ultraschall verwendet wird, wird der akustische Strahl B, der in 1 gezeigt ist, nicht in der Richtung des Pfeils A gewobbelt, sondern derselbe wird wiederholt entlang einer einzigen akustischen Linie 19 gesendet. Die akustischen Daten werden aus der akustischen Antwort C entlang der akustischen Linie 19 gebildet und gemäß jedem Sendevorgang des akustischen Strahls B aktualisiert. Statt des Bildens eines ersten und zweiten Datensatzes aus den akustischen Daten wird eine statistische Analyse des Spektrums der akustischen Daten, die der akustischen Antwort C entlang der akustischen Linie 19 entsprechen, durchgeführt, um die akustische Umgebung zu beurteilen. Zuerst werden der Durchschnitt und die Varianz des Rauschspektrums der akustischen Daten unter Verwendung bekannter Techniken abgeschätzt. Dann wird das Signalspektrum der akustischen Daten gemessen. Ein Vergleich des Signalspektrums mit dem Durchschnitt und der Varianz des Rauschspektrums wird verwendet, um eine vorläufige Beurteilung der akustischen Umgebung durchzuführen. Die Schritte 112 bis 116 der hierarchischen Entscheidungsstruktur, die in 3 gezeigt ist, werden dann verwendet, um eine Endbeurteilung der akustischen Umgebung durchzuführen.
Zusammengefaßt ist das Steuersystem 20 ohne weiteres in dem Abbildungssystem eines Ultraschallsystems 10 enthalten. Datensätze werden ohne weiteres aus den akustischen Daten oder aus Daten irgendwo anders in dem Abbildungsstrom erhalten, welcher die Daten empfängt, speichert, abtastumwandelt und verarbeitet, um Ultraschallabbildungen auf der Anzeige 8 zu bilden. Die Steuerung 28 kann den Mikroprozessor des Ultraschallsystems umfassen, der programmiert ist, um den ersten und den zweiten Datensatz zu bilden, um die Differenzsätze aus den Datensätzen zu berechnen, und um das Flußdiagramm 100 der hierarchischen Entscheidungsstruktur auszuführen, um eine Endbeurteilung der akustischen Umgebung durchzuführen. Alternativ kann bei dem spektralen Doppler-Ultraschall die Steuerung 28 programmiert sein, um das Mittel und die Varianz des Rauschspektrums der akustischen Daten abzuschätzen, und um das Flußdiagramm 100 der hierarchischen Entscheidungsstruktur auszuführen, um eine Endbeurteilung der akustischen Umgebung durchzuführen.
Das Steuersystem 20 reduziert den Leistungsverbrauch in den Wandlern 12 und reduziert den Leistungsverbrauch in den Ultraschallsystemen 10. Die Abbildungsqualität in den Ultraschallsystemen 10 wird optimiert, indem ein Treibersignal 16 mit hoher Amplitude bei der abbildenden Umgebung geliefert wird, ohne daß die Herstellungskosten des Ultraschallsystems 10 oder des Wandlers 12 erhöht werden.

Claims

Steuersystem für eine Ultraschalleinrichtung zum Beurteilen einer akustischen Umgebung, wobei das System folgende Merkmale aufweist: einen Sender (24) zum Anlegen eines Treibersignals (18) an einen Wandler, wobei der Wandler in der Lage ist, ansprechend auf das Treibersignal (18) akustische Signale in die akustische Umgebung zu senden; einen Empfänger (26) zum Empfangen eines empfangenen Signals von dem Wandler ansprechend auf akustische Antworten, die aus der akustischen Umgebung empfangen werden, und zum Erzeugen akustischer Daten aus dem empfangenen Signal; einen Speicher (32), der mit dem Empfänger (26) gekoppelt ist, zum Speichern der akustischen Daten; eine Steuerung (28) zum Auswählen eines ersten Satzes und eines zweiten Satzes aus akustischen Daten in dem Speicher (32), wobei der erste Satz von akustischen Daten einer akustischen Antwort (c) während einem ersten Zeitintervall entspricht, und wobei der zweite Satz von akustischen Daten der akustischen Antwort (c) während einem zweiten Zeitintervall entspricht, das bezüglich des ersten Zeitintervalls zeitlich verschoben ist, und zum Vergleichen von Werten in dem ersten akustischen Datensatz mit Werten des zweiten akustischen Datensatzes, um ein Steuersignal (25) basierend auf dem Vergleich zu erzeugen, wobei das Steuersignal (25) eine akustische nicht-abbildende Umgebung oder eine akustische abbildende Umgebung anzeigt.
Steuersystem gemäß Anspruch 1, bei dem das Steuersignal (25) vorgesehen ist, um zu bewirken, daß der Sen der (24) eine Amplitude des Treibersignals (18) wesentlich reduziert, wenn eine akustische nichtabbildende Umgebung erfaßt wird, oder zu bewirken, daß der Sender (24) die Amplitude des Treibersignals (18) wesentlich erhöht, wenn eine akustische abbildende Umgebung erfaßt wird.
Steuersystem gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Steuerung (28) ein Standby-Signal erzeugt, das verwendet wird, um den Leistungsverbrauch der Ultraschalleinrichtung zu reduzieren, wenn das Steuersignal (25) eine akustische nicht-abbildende Umgebung für eine Dauer anzeigt, die größer ist als eine vorbestimmte Zeitperiode.
Steuersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Steuerung (28) ausgebildet ist, eine Differenz von Werten in dem ersten akustischen Datensatz und Werten in dem zweiten akustischen Datensatz auf einer Punkt-für-Punkt-Basis zu berechnen, um einen Differenzsatz zu bilden.
Das Steuersystem gemäß Anspruch 4, bei dem das Steuersignal (25) einen Sperrzustand aufweist, der eine akustische nicht-abbildende Umgebung anzeigt, wenn absolute Werte in dem Differenzsatz kleiner sind als eine untere Schwelle.
Steuersystem gemäß Anspruch 4 oder 5, bei dem das Steuersignal (25) einen Freigabezustand aufweist, der eine akustische abbildende Umgebung anzeigt, wenn absolute Werte in dem Differenzsatz größer sind als eine obere Schwelle.
Steuersystem gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Steuerung (28) ausgebildet ist, eine Division von Werten in dem Differenzsatz durch einen Durchschnitt der Werte in den Datensätzen zu berechnen, um einen durchschnittsgewichteten Differenzsatz zu bilden, und bei dem das Steuersignal (25) den Freigabezustand aufweist, wenn absolute Werte in dem durchschnittsgewichteten Differenzsatz kleiner sind als eine durchschnittsgewichtete Schwelle.
Steuersystem gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die Steuerung (28) ausgebildet ist, eine Division von Werten in dem Differenzsatz durch einen Durchschnitt der Werte in den Datensätzen zu berechnen, um einen durchschnittsgewichteten Differenzsatz zu bilden, und bei dem das Steuersignal (25) den Freigabezustand aufweist, wenn absolute Werte in dem durchschnittsgewichteten Differenzsatz größer oder gleich zu der durchschnittsgewichtete Schwelle sind.
Steuersystem gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem die Steuerung (28) ausgebildet ist, Werte in N Differenzsätzen zu vergleichen und eine Vorbeurteilung der akustischen Umgebung für jeden der N Differenzsätze basierend auf dem Vergleich zu machen, und bei dem das Steuersignal (25) folgende Merkmale aufweist: einen Sperrzustand, der eine akustische nichtabbildende Umgebung anzeigt, wenn weniger als M der N-Vorbeurteilungen die abbildende Umgebung anzeigen; und einen Freigabezustand, der eine akustische abbildende Umgebung anzeigt, wenn mehr als M der N-Vorbeurteilungen die abbildende Umgebung anzeigen, wobei M und N Ganzzahlen sind, und M kleiner als N ist.
Steuersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die akustische Antwort zumindest einem akustischen Strahl entlang einer akustischen Linie entspricht.
Steuersystem zum Beurteilen einer akustischen Umgebung, wobei das System folgende Merkmale aufweist: einen Sender (24) zum Anlegen eines Treibersignals (18) an einen Wandler, wobei der Wandler in der Lage ist, akustische Signale als akustische Strahlen entlang akustischer Linien in die akustische Umgebung ansprechend auf das Treibersignal (18) zu übertragen; einen Empfänger (26) zum Empfangen eines empfangenen Signals von dem Wandler ansprechend auf akustische Antworten, die aus der akustischen Umgebung entlang der akustischen Linien empfangen werden, und zum Erzeugen akustischer Daten aus dem empfangenen Signal; einen Speicher (32), der mit dem Empfänger (26) gekoppelt ist, zum Speichern der akustischen Daten; eine Steuerung (28) zum Schätzen eines Durchschnitts und einer Varianz eines Rauschspektrums der akustischen Daten, zum Messen eines Signalspektrums der akustischen Daten und zum Vergleichen des Signalspektrums mit dem Durchschnitt und der Varianz des Rauschspektrums, um ein Steuersignal (25) basierend auf dem Vergleich zu erzeugen, wobei das Steuersignal (25) eine akustische nicht-abbildende Umgebung oder eine akustische abbildende Umgebung anzeigt.
Steuersystem gemäß Anspruch 11, bei dem das Steuersignal (25) eine Amplitude des Treibersignals (18) wesentlich reduziert, wenn die Amplitude des Signalspektrums innerhalb eines vorbestimmten Prozentsatzes der Varianz über dem Durchschnitt des Rauschspektrums ist.
Verfahren zum Beurteilen einer akustischen Umgebung des Wandlers einer Ultraschalleinrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Anlegen eines Treibersignals (18) an den Wandler, wobei der Wandler ausgebildet ist, akustische Signale in die akustische Umgebung ansprechend auf das Treibersignal (18) zu übermitteln; Empfangen eines empfangenen Signals von dem Wandler ansprechend auf akustische Antworten, die aus der akustischen Umgebung empfangen werden; Erzeugen akustischer Daten aus dem empfangenen Signal; Vergleichen eines ersten Satzes und eines zweiten Satzes aus akustischen Daten, wobei der erste Satz von akustischen Daten einer akustischen Antwort (c) während einem ersten Zeitintervall entspricht, und wobei der zweite Satz von akustischen Daten der akustischen Antwort (c) während einem zweiten Zeitintervall entspricht, das bezüglich des ersten Zeitintervalls zeitlich verschoben ist; und Erzeugen eines Steuersignals (25) basierend auf dem Vergleich, wobei das Steuersignal (25) eine akustische nicht abbildende Umgebung oder eine akustische abbildende Umgebung anzeigt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, das ferner einen Schritt zum Einstellen einer Amplitude des Treibersignals (18) abhängig von der Tatsache aufweist, daß eine akustische nicht-abbildende Umgebung oder eine akustische abbildende Umgebung erfaßt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, das ferner einen Schritt zum Erzeugen eines Standby-Signals aufweist, das verwendet wird, den Leistungsverbrauch der Ultraschalleinrichtung zu reduzieren, wenn das Steuersignal (25) eine akustische nicht-abbildende Umgebung für eine Dauer anzeigt, die größer ist als eine vorbestimmte Zeitperiode.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, das ferner einen Schritt zum Berechnen einer Differenz von Werten in dem ersten akustischen Datensatz und Werten in dem zweiten akustischen Datensatz auf einer Punkt-für-Punkt-Basis aufweist, um einen Differenzsatz zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem das Steuersignal (25) einen Sperrzustand aufweist, der eine akustische nicht-abbildende Umgebung anzeigt, wenn absolute Werte in dem Differenzsatz kleiner sind als eine untere Schwelle.
Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, bei dem das Steuersignal (25) einen Freigabezustand aufweist, der eine akustische abbildende Umgebung anzeigt, wenn absolute Werte in dem Differenzsatz größer sind als eine obere Schwelle.