DE19753508A1 - Ultraschallbildgebungssystemarchitektur unter Anwendung geschalteter Transducerelemente - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf medizinische Ultra­ schallbildgebungssysteme, in welchen die Anzahl von Wandler- bzw. Transducerelementen größer als die Anzahl von Kanälen für die Strahlbündelformung ist.

Herkömmliche Ultraschallbildgebungssysteme weisen eine Anordnung von Ultraschalltransducerelementen auf, welche dazu verwendet werden, ein Ultraschallstrahlbündel auszusenden und dann das reflektierte Strahlbündel von dem untersuchten Objekt zu empfangen. Für die Ultraschallbildgebung weist die Anordnung mehrere in einer Linie angeordnete und mit getrenn­ ten Spannungen betriebene Transducerelemente auf. Durch Wahl der Zeitverzögerung (oder Phase) und Amplitude der angelegten Spannungen können die einzelnen Transducerelemente so gesteu­ ert werden, daß sie Ultraschallwellen erzeugen, welche sich so kombinieren, daß sie eine Netto- bzw. Nutzultraschallwelle erzeugen, die sich entlang einer bevorzugten Vektorrichtung ausbreitet und an einem gewählten Punkt entlang des Strahls fokussiert ist. Es können mehrfache Auslösungen verwendet werden, um Daten zu gewinnen, welche dieselbe anatomische Information darstellen. Die strahlbündelformenden Parameter jeder Auslösung können variiert werden, um eine Veränderung im maximalen Fokus zu erzeugen oder um anderweitig den Inhalt der empfangenen Daten für jede Auslösung zu ändern, wie z. B. durch Aussenden aufeinanderfolgender Strahlbündel entlang derselben Abtastlinie, wobei der Fokuspunkt jedes Strahlbün­ dels gegenüber dem Fokuspunkt des vorhergehenden Strahlbün­ dels verschoben ist. Durch Verändern der Zeitverzögerung und Amplitude der angelegten Spannungen kann das Strahlbündel mit seinem Fokuspunkt in einer Ebene bewegt werden, um das Objekt abzutasten.

Dieselben Prinzipien treffen zu, wenn die Transducersonde dazu verwendet wird, den reflektierten Schall in einem Emp­ fangsmodus zu empfangen. Die an den empfangenden Transducer­ elementen erzeugten Spannungen werden so summiert, daß das Netto- bzw. Nutzsignal den von einem einzelnen Fokuspunkt in dem Objekt reflektierten Ultraschall anzeigt. Wie bei dem Sendemodus wird dieser fokussierte Empfang von Ultraschall­ energie erreicht, indem man dem Signal von jedem empfangenden Transducerelement eine getrennte Zeitverzögerung (und/oder Phasenverschiebungen) und Verstärkungen gibt.

Eine solche Abtastung umfaßt eine Serie von Messungen, in welcher die gerichtete Ultraschallwelle gesendet wird, das System nach einem kurzen Zeitintervall auf den Empfangsmodus schaltet, und die reflektierte Ultraschallwelle empfangen und gespeichert wird. Typischerweise sind der Sendevorgang und der Empfangsvorgang während jeder Messung in dieselbe Rich­ tung gerichtet, um Daten von einer Serie von Punkten entlang eines akustischen Strahlbündels oder einer Abtastlinie zu gewinnen. Der Empfänger wird dynamisch auf eine Aufeinander­ folge von Bereichen entlang der Abtastlinie fokussiert, wenn die reflektierten Ultraschallwellen empfangen werden.

Es sind Ultraschallbildgebungssysteme bekannt, in welchen jedem Transducerelement ein individueller analoger Kanal gefolgt von einem Analog/Digital-Wandler und einem Verzö­ gerungschip zugeordnet ist. Somit erfordert ein 128-Kanal­ system 128 Verzögerungschips und deren gesamten zugeordneten Speicher- und Buskomponenten.

In einigen Ultraschallbildgebungssystemen ist die Anzahl der Transducerelemente größer als die Anzahl der Zeitverzöge­ rungskanäle. Beispielsweise ist ein System mit einem 256-Seg­ mente-Transducer und einem 128-Kanal-Strahlbündelformer be­ kannt. Das System erfordert mehrfaches Auslösen und Multiple­ xieren der Transducersignale, um diese erweiterte Funktion bereit zustellen. Die wiederholten Auslösungen begrenzen jedoch die Anwendbarkeit dieses Verfahrens auf relativ bescheidene Steigerungen.

Bei den bald einzuführenden 1,5-dimensionalen und 2-di­ mensionalen Anordnungen werden Systeme gebraucht, welche für eine große Anzahl effektiver Kanäle tauglich sind. Dieses muß ohne einen gleichzeitigen Anstieg in der Leistung und dem Kostenbudget erfolgen. Es ist ein Architekturkonzept erfor­ derlich, welches diese Ergebnisse ohne die Anwendung mehr­ facher Auslösungen erreichen kann.

Ein Ultraschall-Bildgebungssystem, welches eine zweistu­ fige Strahlformungsarchitektur bestehend aus einem Vorprozes­ sorabschnitt mit fester Bandbreite gefolgt von einer redu­ zierten Anzahl dynamisch eingestellter Verzögerungschips besteht, wurde vor kurzem vorgeschlagen. Gemäß dieser vorge­ schlagenen Architektur weist der Vorprozessor einen Transfor­ mationsstrahlformer mit räumlicher Filterung gefolgt von einem Verzögerungsstrahlformer auf. Das vorgeschlagene System verwendet Sätze lokaler Transformationseinheiten, die jeweils nur wenige Kanäle bedienen. Jeder Transformationsvorprozessor liefert eine Transformation der Raumdaten der lokalen Anord­ nung in einen Strahlbündelraum. Eines oder Kombinationen die­ ser Strahlenbündel können dann gewählt und als Eingangsgrößen für eine inverse Transformation verwendet werden. Diese zweite Transformation wandelt die Strahlbündelraumdaten in eine reduzierte Richtungsansicht zurück. Da diese Daten in der Richtung eingeschränkt sind, kann eine inverse Transfor­ mation mit reduzierter Größe für die Rekonstruktion verwendet werden. Dieses ist zu einem Filterungs- und Dezimierungsvor­ gang äquivalent. Die Folge ist eine Reduzierung der Anzahl von Kanälen, die von dem Rest des Strahlformers benötigt werden.

Die reduzierte Anzahl von Kanälen wird genauso wie in dem herkömmlichen digitalen Basisbandbildgebungssystem mit einem Verzögerungschip pro Kanal verarbeitet. Der letzte Verzöge­ rungsprozessor stellt die breitbandige Verzögerung zur Verfü­ gung, die erforderlich ist, um den Satz der einzelnen Trans­ formationen in nur ein Gesamtstrahlbündel zu kombinieren, und stellt auch die zugehörigen Strahlbündelformungsmerkmale wie z. B. die dynamische Fokussierung und Apodisation zur Verfü­ gung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems, das einen Vorprozessorabschnitt 2 zum Reduzieren der Kanalan­ zahl eines Bildgebungssystems verwendet. In diesem System sind die Eingangssignale in Gruppen von jeweils M Signalen zusammengefaßt. Diese Signale werden an die Eingänge indivi­ dueller Transformationsvorprozessorabschnitte 4 angelegt, welche Strahlbündel in den gewünschten Richtungen formen. Von Multiplexern 6 gewählte Signale, welche die Strahlrichtungen darstellen, werden von inversen Transformationseinheiten 8 invertiert, um einen reduzierten Satz räumlicher Vorprozesso­ rausgangssignale zu erzeugen. Die Anzahl der in der Verzöge­ rungsprozessor 10 benötigten Kanäle 12 wird daher durch das Verhältnis von M zu der Anzahl von Ausgangssignalen des Vor­ prozessors 2 reduziert.

Der Umfang der durch den Vorprozessor erzielten Reduzie­ rung hängt von dem Verhältnis der Größenordnung der Ein­ gangstransformation zu der der inversen Ausgangstransforma­ tion ab. In dem Grenzfall, bei dem nur eine einzige Strahl­ bündelrichtung zu der inversen Transformationseinheit gesen­ det wird, wird die Strahlauswahl und die inverse Transforma­ tionseinheit lediglich zu einer Leitung. In einem derartigen System muß nur eine Strahlbündelrichtung während jeder Aus­ lösung des Transducers berechnet werden, wenn nur eine ver­ wendet wird. Der Reduktionsfaktor nimmt dann die Größe der Eingangstransformation M an.

Die sich ergebenden reduzierten Datenkanäle werden ebenso wie in dem herkömmlichen Bildgebungssystem verarbeitet. Der letzte Verzögerungsprozessor 10 stellt die breitbandige Ver­ zögerung bereit, die erforderlich ist, um den Satz einzelner Transformationen in nur ein Gesamtstrahlbündel zu verbinden. Wenn die von der Transformation spezifizierten Phasenver­ schiebungen als tatsächliche Verzögerungen und nicht als nur einfache Phasenverschiebungen bereitgestellt werden, bleibt die volle breitbandige Natur des Systems erhalten.

Fig. 2 stellt eine Bildgebungseinrichtung dieses Typs dar, in welcher jeder Transformationsvorprozessorabschnitt 4 vier Eingänge von der Transduceranordnung 20 und einen Aus­ gang, d. h. ein M = 4, aufweist. Ein einziger Leiter verbindet die mit vier Eingängen versehenen Vorprozessoren 4 mit dem Verzögerungsprozessor oder Strahlbündelformer 10. Daher benö­ tigt der Verzögerungsprozessor eines Bildgebungssystems mit 128 Transducerelementen nur 32 Verzögerungskanäle. Dieser Aufbau ist gegenüber einer Nichtübereinstimmung zwischen der in dem Vorprozessorabschnitt spezifizierten Strahlbündelrich­ tung und der in dem Kanalverzögerungsabschnitt spezifizierten Strahlbündelrichtung empfindlich. Wenn dieser Fehler auf­ tritt, werden zusätzliche unerwünschte Strahlbündel in Win­ keln von 45° zu der gewünschten Richtung geformt. Dieses wird zu einem besonders störenden Problem, wenn dynamische Fokus­ modifikationen die Richtung des Kanalverzögerungsstrahlbün­ dels während der Beobachtungszeit verändern.

Fig. 3 stellt eine M = 4 Transformationsvorprozessor­ struktur dar, die nur ein einziges Strahlbündelrichtungs­ ausgangssignal erzeugt. Jede Verzögerungszeit stellt eine Phasenverschiebung von 0 oder ± 90° abhängig von dem gewünschten Wert von m_s dar. Diese Struktur erzeugt ein gewünschtes Ausgangssignal X(m_s), wobei m₅ -1, 0, 1 oder 2 ist. Die Struktur ist jedoch nicht darauf beschränkt, daß m_s ein ganzzahliger Wert ist, wenn Verzögerungszwischenwerte bereitgestellt werden.

Die Quantisierung des Vorprozessors muß in Schritten erfolgen, die der vollständigen Anordnung entsprechen, und nicht in Schritten, die der Größe der Vorprozessor entspre­ chen. Der Vorprozessor muß deshalb N statt M Richtungen auf­ weisen. Mit einem Vorprozessor, der N Richtungen verarbeiten kann, kann das System von Fig. 2 den vollen Satz von Strahl­ bündelrichtungen k_s formen. Um dieses zu erreichen, wird die Struktur von Fig. 3 mit einem τ verwendet, das als eine Funk­ tion des Eingangsparameters m_s auf einen geeigneten Wert eingestellt ist.

Obwohl der Strahlbündelformer und der Vorprozessor am Be­ ginn des Strahlbündels auf dieselbe Richtung eingestellt wer­ den, trifft dieses im zeitverlauf nicht weiter zu. Die Rich­ tung des Strahlformers der letzten Verzögerung verändert sich mit der Zeit, wenn die Auswirkung der dynamischen Fokussie­ rung ins Spiel kommt. Dieses bewirkt eine Verschiebung, die mit einer Veränderung von vier Schritten in dem Wert von k_s vergleichbar ist. Dieser Versatz zwischen den Richtungen, mit welchem der Vorprozessor und der letzte Verzögerungsprozessor gesteuert werden, erzeugt ein Störstrahlbündel.

Der von der dynamischen Fokussierung in der Verzögerungs­ prozessor erzeugte Versatzfehler kann durch Zuführen gewich­ teter Anteile benachbarter Transducerelemente zu jedem Vor­ prozessorabschnitt korrigiert werden. Der Rest der Ausgangs­ signale aus solchen benachbarten Transducerelemente, d. h. die ursprünglichen Ausgangssignale minus aller zu anderen Vorprozessorabschnitten addierten gewichteten Abschnitte, werden in ihren jeweiligen Vorprozessorabschnitten verwendet. Diese Vorprozessorstruktur bildet ein räumliches Filter, wel­ ches die Empfindlichkeit des Strahlformers gegenüber Strahl­ bündelsteuerungsfehlern zwischen dem Vorprozessor und den Ka­ nalverzögerungsprozessoren begrenzt.

M = 4 Strukturen erzeugen Störsignale, die von k_s in Schritten von N/4 beabstandet sind. Diese Störsignale können wesentlich reduziert werden, indem eine vollständig symme­ trische Raumfilterstruktur gemäß Darstellung in Fig. 4 erzeugt wird. Diese Filterstruktur verwendet die Eingangs­ signale von sieben benachbarten Transducerelementen, um die vollständig symmetrische Vorprozessorfunktion bereitzustel­ len. Durch Einbeziehung dreier benachbarter Signale zusätz­ lich zu den vier Eingangssignalen der Gruppe wird ein Raum­ filter ausgebildet, das gegen den Steuerungswinkelversatz­ fehler unempfindlich ist. Dieses erlaubt, daß dynamische Fokussierungsverzögerungsänderungen gemacht werden können, während trotzdem die Verzögerungen des Vorprozessors festgehalten werden.

In Übereinstimmung mit der Ausführungsform in Fig. 4 ist der Wichtungsfaktor für das Ausgangssignal x(0) des Mitten­ elementes sieben benachbarter Transducerelemente gleich Eins. Die Ausgangssignale x(1) und x(-1) aus den Elementen neben dem Mittenelement werden in drei getrennte Ausgangssignale unter Anwendung entsprechender Richtungsfaktoren von 1/2, 1/4 und 1/4 unterteilt. Das letzte der drei getrennten Ausgangs­ signale erscheint nicht in Fig. 4, da es an den (nicht darge­ stellten) nächsten benachbarten Vorprozessorabschnitt gelie­ fert wird. Die Ausgangssignale x(2) und x(-2) aus den Elemen­ ten, welche zwei Elemente von dem Mittenelement entfernt sind, werden in zwei getrennte Ausgangssignale unter Verwen­ dung entsprechender Wichtungsfaktoren von 1/2 und 1/2 unter­ teilt. Das zweite von den zwei getrennten Ausgangssignalen wird an den nächsten benachbarten Vorprozessorabschnitt geliefert. Schließlich werden die Ausgangssignale x(3) und x(-3) von den Elementen, welche drei Elemente von dem Mit­ tenelement entfernt sind, in drei getrennte Ausgangssignale unter Verwendung von entsprechenden Wichtungsfaktoren von 1/2, 1/4 und 1/4 unterteilt. Das letzte der drei getrennten Ausgangssignale wird an den in Fig. 4 dargestellten Vorpro­ zessorabschnitt geliefert, während die anderen zwei Ausgangs­ signale an den nächsten benachbarten Vorprozessorabschnitt geliefert werden. Das Transformationsausgangssignal X(m_s) ist eine Summierung dieser Signale mit geeigneten Verzögerungen.

Jede Verzögerung in der symmetrischen Filterstruktur von Fig. 4 wird von ihrer negativen Verzögerung ausgeglichen. In einem realen System ist es jedoch nicht möglich, eine negati­ ve Verzögerung zu implementieren. Dieses Problem wird in üblicherweise Weise durch Bereitstellung einer festen Verzö­ gerung und Addition oder Subtraktion von diesem Wert gelöst. Die feste Verzögerung wird groß genug gewählt, so daß kein Ergebnis negativ ist.

Im allgemeinen werden M - 1 zusätzliche Nachbarsignale in jeden Vorprozessorabschnitt addiert. Diese gleichen Signale werden auch in ihren entsprechenden Abschnitten verwendet.

Dieses bewirkt keinen Anstieg der Anzahl der Gesamttrans­ ducerabschnitte außer an den Enden der Anordnung. Sowohl die symmetrischen Filter für M = 2 als auch für M = 4 erfordern zusätzliche Eingangssignale, um den Endeffekten der Filter zu genügen. Deshalb ist die Anordnungslänge N durch MQ + M - 1 gegeben, wobei Q die für den letzten Verzögerungsprozessor benötigte Anzahl von Kanälen ist. Für M = 2 wird ein zusätz­ licher Eingangskanal benötigt, während für M = 4 drei zusätz­ liche Eingangssignale benötigt werden.

Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Architektur kann ein wirtschaftliches Strahlformungssystem mit im Ver­ gleich zu herkömmlichen Ultraschallbildgebungssystemen redu­ zierter Kanalanzahl hergestellt werden. Ein wirtschaftliches System mit einem 65-Elemente-Transducer 20 und einem 32-Kanal-Verzögerungsprozessor 10 ist in Fig. 5 dargestellt. In dem wirtschaftlichen System in Fig. 5 wird eine analoge Im­ plementation des Vorprozessors und M = 2 verwendet. Dieses erfordert 32 analoge Vorprozessorverzögerungsstufen 4, die mit dem Analogabschnitt 16 verbunden sind, und führt zu einer Einsparung der Hälfte der Analog/Digital-Wandler (A/D-Wand­ ler) 18 und deren zugehörigen Filterbedarf und der Hälfte des digitalen Strahlbündelformerabschnittes. Der Strahlbündel­ former eines derartigen Systems weist ungefähr ein Drittel der Größe des eines herkömmlichen Bildgebungssystems auf.

Eine (nicht dargestellte) alternative Architektur ver­ tauscht die Positionen der A/D-Wandler- und Vorprozessorab­ schnitte. In dieser Alternative vergrößert sich die Anzahl der A/D-Wandler auf 35, aber die Anzahl der Vorprozessor­ abschnitte bleibt die gleiche. Diese Konfiguration erlaubt eine digitale Implementation des Vorprozessors.

Ein alternatives wirtschaftliches System mit einem 128-Elemente-Transducer 20 und einem 16-Kanal Vorprozessor­ abschnitt 10 ist in Fig. 6 dargestellt. Die bei jedem Auslö­ sevorgang verwendete Anzahl von Empfangskanälen ist von 64 auf 67 erweitert, um die Endeffektkanäle der Vorprozessorar­ chitektur zu berücksichtigen. Die 67 Transducerelemente wer­ den von einem Multiplexer 21 aus der gesamten Anordnung vol­ ler Breite mit 128 Elementen ausgewählt. Diese werden von 67 zu den AD-Wandlern führenden Analogkanälen verarbeitet. Die Ausgangssignale dieser Wandler werden 16 symmetrische Raum­ filter bildenden digitalen integrierten Vorprozessorschaltun­ gen des vorstehend beschriebenen Typs zugeführt. Die Aus­ gangssignale dieser Chips werden an 16 integrierte Zeitverzö­ gerungsschaltungen 12 geliefert, um die Strahlenbündelformung abzuschließen. Die Sendeausgangssignale der 16 integrierten Vorprozessorschaltungen liefern auch die notwendigen Zeit­ taktsignale für die Transducerauslösesequenz. Ein System dieses Typs kann an insgesamt 4 Strahlbündelformungsleiter­ platten angeschlossen werden.

Somit kann ein zweistufiger Ultraschallbildgebungs-Strahlbündelformer mit deutlichen Einsparungen bei der Hard­ ware im Vergleich zu dem üblichen einstufigen Strahlbündel­ former gebaut werden. Die erste Stufe kombiniert Signale in jedem von 4 Kanälen in nur ein Ausgangssignal, das von einem Verzögerungschip herkömmlicher Auslegung verarbeitet wird. Wenn diese Kanäle lediglich kombiniert werden, bewirkt jeder Fehler in den Anordnungsverzögerungen die Erzeugung störender Strahlbündel. Durch Bereitstellen eines Raumfilters, welches die Signale in den 4 ausgewählten Kanälen zusammen mit Sig­ nalen in benachbarten Kanälen kombiniert, wird dieses Problem stark reduziert. Dieses erlaubt den Bau von Systemen, bei denen die erste oder Vorprozessorstufe eine feste Verzögerung während der Berechnung jedes Strahlbündels aufweist. Die gesamte dynamische Verarbeitung erfolgt in der zweiten oder letzten Verzögerungsstufe.

Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen wirtschaft­ lichen Systemen, kann ein Vorprozessor, welcher eine räum­ liche Filterung durchführt, auch dazu verwendet werden, um 1,5-dimensionale und 2-dimensionale Systeme zu verbessern. Die vorliegende Erfindung ist ein verbessertes Ultraschall-Bildgebungssystem, welches eine Transformations-Strahlbündel­ formung in einem zweidimensionalen Zusammenhang anwendet. Das erfindungsgemäße Bildgebungssystem weist mehrere Transducer­ elemente, mehrere Gruppen lokaler Busse und mehrere Schalt­ einrichtungssätze auf. Jedes Transducerelement weist eine mit einer gemeinsamen Masse verbundene Masseelektrode und eine mit einem entsprechen Schalteinrichtungssatz verbundene Signalelektrode auf. Der entsprechende Schalteinrichtungssatz wird so gesteuert, daß das Ausgangssignal von der Signalel­ ektrode eines spezifischen Transducerelementes selektiv an einen Bus von der entsprechenden Gruppe lokaler Busse gelie­ fert wird. Jeder lokale Bus liefert ein Ausgangssignal, das von der Sonde zu der Konsole für jede Gruppe lokaler Busse über ein entsprechendes Koaxialkabel gesendet wird.

Erfindungsgemäß wird die Anzahl von Verbindungen, die notwendigerweise über jedes Koaxialkabel herzustellen sind, durch das Verhältnis der Anzahl der mit einem Satz lokaler Busse verbundenen Transducerelemente und der Anzahl der Busse in diesem Satz reduziert. Jeder Satz N lokaler Busse formt die Eingangstransformationssignale in einen Transformations­ block des Transformationsvorprozessors um. Wahlweise sind Puffer mit enthalten, um die Übertragung der Daten von der Sonde zu der Konsole zu verbessern, in welcher der Transfor­ mationsvorprozessor und der Verzögerungsstrahlformer unter­ gebracht sind. Alle Verzögerungselemente sind in der Konsole angeordnet.

Jeder Transducer innerhalb des Transformationssatzes kann betriebsmäßig mit einem seiner zugeordneten lokalen Busse verbunden werden. Welche offene Verbindung hergestellt wird, wird von einem in einem Speicher abgelegten Steuersignal bestimmt. Das Codemuster des Speichers spezifiziert daher die Muster offener Verbindungen der Transducerelemente zu den Koaxialkabeln. Tatsächlich bestimmt das Speichermuster, zu welchem von den lokalen Bussen jedes Transducerelement sein Signal beiträgt. Das in dem lokalen Steuerspeicher gespei­ cherte Muster kann daher die Richtung der räumlichen Trans­ formation jedes lokalen Bereiches der Transduceranordnung spezifizieren.

Die für neu erachteten Merkmale der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen beschrieben. Jedoch wird die Erfindung zusammen mit ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen am besten durch Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung in Verbin­ dung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in welchen:

Fig. 1 und 2 Blockdarstellungen bereits früher vorge­ schlagener Transformationsvorprozessorarchitekturen sind.

Fig. 3 eine Blockdarstellung einer Transformationsvorpro­ zessorstruktur mit vier Eingängen und nur einem Strahlbündel­ richtungsausgang (d. h. M = 4) in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der bereits früher vorgeschlage­ nen Architektur ist.

Fig. 4 eine Blockdarstellung eines mit einer symme­ trischen M = 4 Raumfilterung ausgestatteten 7-Elemente-Vor­ prozessors ist, welcher die Empfindlichkeit des Strahlbün­ delformers gegenüber Strahlsteuerungsfehlern zwischen dem Vorprozessor und den Kanalverzögerungsprozessoren begrenzt.

Fig. 5 eine Blockdarstellung eines Transformationsstrahl­ formungssystems mit einem 65-Elemente-Transducer und 32 Ver­ zögerungskanälen ist.

Fig. 6 eine Blockdarstellung eines Transformationsstrahl­ formungssystems mit einem 128-Elemente-Transducer und 67 Ver­ zögerungskanälen ist.

Fig. 7A eine schematische Draufsicht auf eine 912-Ele­ mente-Ultraschalltransduceranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

Fig. 7B eine Blockdarstellung eines Transformations­ strahlformungssystems mit einer Ultraschallsonde mit 912 gemäß Darstellung in Fig. 7A angeordneten Transducerelementen und mit 57 Verzögerungskanälen gemäß einer bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung ist.

Fig. 7C eine Darstellung ist, welche die Filterwichtungen des Vorprozessors in Übereinstimmung mit der bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung zeigt.

Fig. 7D eine Darstellung ist, welche die Sondenrichtungs­ muster in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Fig. 8 eine Blockdarstellung einer geschalteten Trans­ duceranordnung in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung ist.

Fig. 9 ein Schaltbild ist, das eine Hochspannungsschalt­ einrichtung in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 10 eine schematische Darstellung der Struktur einer optisch geschalteten Transduceranordnung in Übereinstimmung mit einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung ist.

Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Abschnittes einer zweidimensionalen optisch geschalteten Transduceranord­ nung in Übereinstimmung mit der in Fig. 10 dargestellten al­ ternativen bevorzugten Ausführungsform ist.

Fig. 7A bis 7D und 8 stellen eine Ultraschall-Bild­ gebungseinrichtung dar, welche die Formung von Strahlbündeln in Winkeln mit Schritten von 22,5° zuläßt. Gemäß der Darstel­ lung in Fig. 7A weist die Bildgebungssonde eine Wandler- bzw. Transduceranordnung 20 auf, die bevorzugt aus 57 Gruppen 22 mit jeweils 16 Wandler- bzw. Transducerelementen besteht, so daß die Gesamtanzahl der Transducerelemente in der Anordnung 20 gleich 912 ist. Die für die verschiedenen Strahlformungs­ richtungen erforderlichen Muster sind in Fig. 7D dargestellt. Diese Muster entsprechen jeweils von links nach rechts Strahlwinkeln von 0°, 22,5°, 45°, 67,5° und 90° gemessen von der Vertikalen.

Vier lokale Busse 24 sind in der Sonde 14 enthalten (siehe Fig. 8). Jeder einzelne der vier lokalen Busse 24 wird von jeweils einem entsprechenden mehrerer mit der Sonde ver­ bundener Koaxialkabel 26 bedient. Obwohl die gesamte Anord­ nung 912 Transducerelemente aufweist, werden daher nur 228 lokale Busse mit ihren 228 Koaxialkabelverbindungen benötigt.

Wie in Fig. 7B dargestellt, wird diese Anzahl weiter durch den Transformationsvorprozessorabschnitt 2 reduziert, welche einem Analogabschnitt 28 folgt. Die 57 Ausgänge des Transfor­ mationsvorprozessors 2 sind mit einer digitalen Strahlbündel­ formungseinrichtung 10 herkömmlicher Konstruktion verbunden. Diese Strahlbündelformungseinrichtung kann vorteilhafterweise eine dynamische Fokussierung, eine dynamische Abschattung und eine Apodisation auf diese zusammengesetzten Signale anwen­ den. Wie vorstehend beschrieben, verwendet der Transforma­ tionsvorprozessor 2 eine räumliche Filterung, um aus Nicht­ übereinstimmungen bzw. Fehlanpassungen zwischen den Verzöge­ rungen des Vorprozessors und der letzten Strahlbündel­ formungseinrichtung sich ergebende Störsignale zu reduzieren. Diese Filter werden durch Kombination der Signale von lokalen Bussen benachbarter Transformationsblöcke unter Abwendung von Wichtungsfaktoren gebildet.

Ein möglicher Satz von Wichtungsfaktoren, der zur Bildung der Raumfilter für den Transformationsvorprozessor 2 von Fig. 7B verwendet wird, ist in Fig. 7C dargestellt. Wenn die An­ ordnung in orthogonalen Richtungen gesteuert wird, folgen die Wichtungen denjenigen, die für die vorstehend beschriebene eindimensionale lineare Anordnung verwendet wurden. Filter mit Wichtungen von 1/4, 1/2, 3/4, 1, 3/4, 1/2, 1/4 sind auf der linken Seite von Fig. 7C dargestellt. Die ausgewählte Gruppe einer 4 × 4 Anordnung von Transducerelementen wird von dem fettgedruckten Quadrat dargestellt. Jedes gewichtete lokale Bussignal aus dem Inneren der gewählten Gruppe von 16 Transducerelementen oder von benachbarten Gruppen wird um einen von der Steuerungsrichtung der Anordnung benötigten Betrag verzögert und dann auf das Ausgangssignal dieser Gruppe addiert. Jede Gruppe erzeugt ein Ausgangssignal in ähnlicher Weise unter Verwendung gewichteter Signale aus dem Inneren der Gruppe und gewichteter Signale, die von benach­ barten Gruppen beigetragen werden. Insgesamt trägt jeder lokale Bus ein gleiches Gewicht zu dem Gesamtausgangssignal bei. Die zu verwendenden Gewichtungsfaktoren, wenn die Anord­ nung auf Winkel von 22,5° und 45° gerichtet wird, sind im mittleren bzw. rechten Diagramm von Fig. 7C dargestellt.

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung der gesamten Sonde 14. Verbindungen zu der Anordnung 20 sind in der her­ kömmlichen Weise mit jeweils einer Verbindung zu jeweils einem entsprechenden Transducerelement ausgeführt. Die Trans­ ducerelemente in jeder Elementgruppe sind selektiv mit loka­ len Bussen 24 über Schalter 23 verbunden. Jeder lokale Bus liefert ein Ausgangssignal, das über ein entsprechendes Koaxialkabel 26 zu der Konsole 42 zurückgesendet wird. Die Anzahl von Verbindungen, die über jedes Koaxialkabel herzu­ stellen sind, wird in dem Verhältnis der Anzahl von mit einem Satz lokaler Busse verbundener Transducerelemente zu der Anzahl von Bussen in diesem Satz reduziert. Jeder Satz N lokaler Busse liefert die Eingangstransformationssignale an einen Transformationsabschnitt 4 des Transformationsvorpro­ zessors 2 (siehe Fig. 2). Puffer 30 sind wahlweise enthalten, um die Übertragung der Daten von der Sonde 14 zu der Konsole zu verbessern, in welcher der Transformationsvorprozessor 2 und der Strahlbündelformer 10 (Fig. 7B) untergebracht sind.

Jeder Wandler bzw. Transducer 22 für einen gegebenen Transformationsabschnitt kann betriebsmäßig mit einem Bus des Satzes zugeordnet er lokaler Busse 24 für den gegebenen Transformationsabschnitt verbunden werden. Welche Verbindung hergestellt wird, wird von einem in einem Speicher 25 abgelegten Steuersignal bestimmt. Das Codemuster des Speichers spezifiziert daher die Muster offener Verbindungen des Transducerelementes zu den Koaxialkabeln. Tatsächlich bestimmt das Speichermuster, an welchen von den lokalen Bussen das Transducerelement sein Signal weitergibt. Das in dem lokalen Steuerspeicher abgelegte Muster bestimmt daher die Richtung des Raumfilters jedes lokalen Bereiches der Transduceranordnung.

Fig. 9 stellt mehr Details der selektiven Kopplung jedes Transducerelementes zu seinem lokalen Bus dar. Zur Verein­ fachung stellt Fig. 9 die Verbindung nur eines von den Trans­ ducerelementen 22a zu einem ausgewählten Bus von vier lokalen Bussen 24a bis 24d dar. Die Anzahl dieser Busse in der aktuellen Konfiguration hängt von der Ordnung N der gewünsch­ ten Transformation ab. Fig. 9 stellt schematisch einen Abschnitt einer integrierten Schaltung dar, welche für die Verbindung ausgewählter Transducerelemente mit den lokalen Bussen geeignet ist, und stellt auch einen optionalen Puffer 30 und einen Übertragungs-Bypass 32 dar, welche einen Teil desselben Chips bilden können.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden während des Sendeabschnittes des Bildgebungszyklus Impulse über jedes Kabel 26 zu dessen zugeordnetem Bus gesendet. Die Impulse werden an jeden Transducer 22a über dieselbe Schalteinrichtung angelegt, die den Transducer mit dem lokalen Bus während des Empfangsabschnittes des Zyklus verbindet. Hochspannungs-NMOS-Schalttransistoren Q1 bis Q4 erzeugen eine Verbindung zu dem lokalen Transducerelement 22a und erzeugen eine Trennung für andere Elemente sowohl während des Sende- als auch des Empfangsabschnittes des Bild­ gebungszyklus. Die Schalttransistoren Q1 bis Q4 weisen an ihren Gateknoten durch die Kondensatoren C1 bis C4 eine Mitkopplung (Bootstrapping) auf, um den Empfang des vollen Spannungsimpulses des Sendesignalimpulses an dem Transducer zu ermöglichen. Die gesamte Pulssteuerung des Satzes von über die Kabel 26 zu den lokalen Bussen gesendeten Signalen bestimmt die Steuerung der Senderichtung durch Ausrichten des gesendeten Strahlbündels in einem spezifizierten Winkel in einer Ebene in der Azimutrichtung, der von dem Muster der lokalen Busverbindungen der spezifiziert wird. Die Architek­ tur der Struktur von Fig. 8 und 9 funktioniert somit in zwei Dimensionen sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus des Ultraschallsignals.

Während des Empfangs der Signale ist jeder Transducer mit seinem Pufferverstärkerkabel verbunden. Die Transistoren Q21 bis Q24 erlauben ein Vorladen der Gateknoten der Transistoren Q1 bis Q4 vor ihrer Auswahl und vor der Auslösung der Trans­ ducerimpulse. Dieses wird durch einen Gateimpuls P erreicht.

Die Transistoren Q11 bis Q14 entladen alle nicht gewählten Knoten nach Masse. An die Gates der Transistoren Q11 bis Q14 angelegte Auswahlsignale S_n1 bis S_n4 bestimmen die zu entla­ denden Knoten. Diese Knoten werden für den gesamten Rest des Zyklus auf Massepotential gehalten, was eine Leckage des Hochspannungsimpulses zu den Gates nicht ausgewählter Durch­ laßeinrichtungen verhindert. Die Transistoren Q11 bis Q14 stellen daher eine Hochspannungsisolation bereit, um eine Interferenz des Hochspannungsimpulses mit dem Rest der Schal­ tung zu verhindern, wobei sie gleichzeitig auch das während des Empfangsabschnittes des Zyklus verwendete Verbindungs­ muster spezifizieren, da die zugeordneten Knoten des Musters während dieser Zeit geladen bleiben.

Fig. 10 zeigt einen Querschnitt einer alternativen bevor­ zugten Ausführungsform der Sonde, welche ein optisches Schaltverfahren anwendet. Diese Sonde weist eine Schicht eines in eine Anordnung von Transducerelementen 33 zerschnit­ tenen piezoelektrischen Keramikmaterials, eine elektrisch leitende Rückseitenschicht 34, eine mit der Rückseitenschicht verbundene Schicht 36 aus photoleitendem Material und eine Anordnung optisch transparenter Signalelektroden 38 auf. Obwohl es in der Zeichnung zwecks Vereinfachung und Klarheit nicht dargestellt ist, sind die Rückseitenschicht und die photoleitende Schicht zusammen mit der piezoelektrischen Keramikschicht in herkömmlicher Weise unterteilt, um mehrere laminierte bzw. geschichtete Elemente zu bilden. Diese laminierten Elemente sind in Gruppen aufgeteilt, wobei jeder Gruppe eine entsprechende Signalelektrode zugeordnet ist. Wenn Licht auf einen ausgewählten Photoleiter gerichtet wird, verbindet der Photoleiter das zugeordnete Transducerelement elektrisch mit der Signalelektrode. Bei Fehlen von auftref­ fendem Licht bleiben die Transducerelemente unverbunden. Durch Ausbilden eines ausgewählten Musters auf der Photo­ leiteranordnung können ausgewählte Transducerelemente in einer spezifischen Gruppe mit der zugeordneten Signal­ elektrode verbunden werden. Dieses bildet eine Anordnung räumlicher Transformationseinheiten mit quantisierten Koeffizientenwerten von 1 und 0, ähnlich einer Fresnel-Platte. Das Transformationsmuster wird so gewählt, daß es die von der gewählten Richtung kommenden Signale verstärkt und Signale von anderen Richtungen zurückweist. Dieser Vorgang wird für jede Gruppe von Transducerelementen wiederholt.

Das Signal an jeder von den optisch transparenten Signal­ elektroden ist das Transformationsstrahlbündelraum-Ausgangs­ signal der lokalen Anordnung oder Gruppe von Transducerele­ menten, die von dieser Signalelektrode bedient werden. Es ist kein zusätzlicher Multiplexvorgang erforderlich. Eine inverse Transformation nullter Ordnung dieses Ausgangssignal ist lediglich dasselbe Signal. Es kann daher direkt zu einem Kanal eines Zeitverzögerungsstrahlbündelformers, bevorzugt eines digitalen Basisbandstrahlbündelformers herkömmlichen Typs, gesendet werden. Die von Fig. 1 durchgeführten Funktio­ nen können daher durch die in Fig. 10 dargestellte relativ einfache Struktur ausgeführt werden.

Fig. 11 zeigt einen Abschnitt einer Probe mit einer zwei­ dimensionalen Anordnung von Transducerelementen 33, die von durchgezogenen Linien dargestellt sind. Die optisch trans­ parenten Signalelektroden 38 sind durch gestrichelte Linien dargestellt. Jede Elektrode 38 besitzt einen Kontakt 40. Ein Lichtmuster spezifiziert sowohl die kx- als auch die ky-Raum­ richtung bei jeder Transformationsstelle.

Effizientere aber auch etwas komplexere Transformations­ strukturen sind möglich. Es können beispielsweise zusätzliche Busse durch Einfügen zusätzlicher optisch transparenter Sig­ nalelektroden erzielt werden. Es können übergreifende Elek­ troden verwendet werden, um einen Zugriff auf jedes Trans­ ducerelement der Gruppe über zwei lokale Busse zu schaffen. Licht verbindet dann ein entsprechendes Transducerelement entweder mit der einen oder der anderen Elektrode. Dieses er­ zeugt ein Signalpaar, das alle Transducerelemente nutzt. In ähnlicher Weise kann die Struktur erweitert werden, um vier lokale Busse zu schaffen, wobei optische Signale verwendet werden, um jedes Element mit einer von vier Elektroden zu verbinden. Die Verbindungsmuster von Fig. 7D werden dazu ver­ wendet, um die vorstehend beschriebenen Strahlrichtungen zu erzeugen.

Obwohl die in Fig. 10 dargestellte photoleitende Schicht selektive Verbindungen der Transducerelemente ermöglicht, sind noch weitere alternative Verfahren der Anwendung des Lichtsignals zum Steuern der Zwischenverbindungen möglich. Beispielsweise können Photodioden und Schalttransistoren, welche vollständiger zwischen den gewünschten Ein- und Aus-Zuständen unterscheiden, eingesetzt werden.

Claims (16)

1. Ultraschallsonde gekennzeichnet durch:
mehrere Gruppen (22) von Wandler- bzw. Transducer­ elementen, wobei jedes Transducerelement eine ent­ sprechende Signalelektrode aufweist;
mehrere Gruppen elektrischer Kabelleiter (26), wobei die Anzahl elektrischer Kabelleiter in jeder Gruppe elek­ trischer Kabelleiter kleiner ist als die Anzahl von Transducerelementen in jeder Gruppe von Transducerelemen­ ten ist und die Anzahl von Gruppen elektrischer Kabellei­ ter gleich der Anzahl von Gruppen von Transducerelementen ist;
mehrere Gruppen lokaler Busse (24), wobei die Anzahl lokaler Busse in jeder Gruppe lokaler Busse gleich der Anzahl elektrischer Kabelleiter in jeder Gruppe elektri­ scher Kabelleiter ist und die Anzahl von Gruppen lokaler Busse gleich der Anzahl von Gruppen elektrischer Kabel­ leiter ist, und jeder lokale Bus in einer Gruppe lokaler Busse elektrisch mit einem elektrischen Kabelleiter einer entsprechenden Gruppe elektrischer Kabelleiter verbunden ist; und
mehrere Gruppen von Schaltelementen (23), wobei die Anzahl von Schaltelementen in jeder Gruppe von Schalt­ elementen gleich der Anzahl lokaler Busse in jeder Gruppe lokaler Busse ist und die Anzahl von Gruppen von Schalt­ elementen gleich der Anzahl von Transducerelementen ist, wobei jedes Schaltelement einer spezifischen Gruppe von Schaltelement selektiv betreibbar ist, um eine Signal­ elektrode eines spezifischen Transducerelementes mit einem entsprechenden lokalen Bus einer entsprechenden Gruppe lokaler Busse zu verbinden.

2. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß jedes Schaltelement (23) einen Transistor aufweist.

3. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere Puffer (30) vorgesehen sind, wobei jeder einzelne dieser Puffer in Reihe zwischen einen ent­ sprechenden lokalen Bus und einen entsprechenden elektrischen Kabelleiter geschaltet ist.

4. Ultraschallsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere Sende-Bypasspfade vorgesehen sind, wobei jeder von den Sende-Bypasspfaden dazu dient, einen Verbindungspunkt zwischen einem entsprechenden Puffer und einem entsprechenden elektrischen Kabelleiter mit einem Verbindungspunkt zwischen dem entsprechenden Puffer und einem entsprechenden lokalen Bus während des Sendemodus zu verbinden.

5. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schaltelemente so angepaßt sind, daß sie gemäß einem vorbestimmten Muster, das einer gewünschten Strahlbündelrichtung entspricht, eingeschaltet werden können.

6. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schaltelemente (23) optisch gesteuerte Elemente aufweisen.

7. Ultraschallsonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder lokale Bus (24) eine optisch transparente Elektrode aufweist.

8. Ultraschall-Bildgebungssystem gekennzeichnet durch:
eine Ultraschallsonde mit mehreren Transducerelemen­ ten;
eine Konsole mit einem Raumfilterungsvorprozessor und einem Zeitverzögerungsstrahlbündelformer;
mehrere elektrische Kabelleiter zum Übertragen von Signalen aus der Sonde an die Raumfiltervorprozessorein­ richtung, um die räumlich gefilterten Signale aus dem Vorprozessor an den Zeitverzögerungsstrahlbündelformer zu übertragen, wobei der Strahlbündelformer mehrere Kanäle aufweist, die Anzahl der mehreren Transducerelemente größer als die Anzahl der mehreren elektrischen Kabellei­ ter ist und die Anzahl der mehreren elektrischen Kabel­ leiter größer als die Anzahl der mehreren Kanäle ist; mehrere lokale Busse in gleicher Anzahl wie die meh­ reren elektrischen Kabelleiter, wobei jeder einzelne der mehreren lokalen Busse elektrisch mit einem entsprechen­ den von den mehreren elektrischen Kabelleitern verbunden ist; und
mehrere Gruppen von Schaltelementen, wobei die Anzahl von Gruppen von Schaltelementen gleich der Anzahl der mehreren Transducerelementen ist, jede einzelne dieser Gruppen von Schaltelementen mit einem entsprechenden von den mehreren Transducerelementen verbunden ist, die Schaltelemente jeder spezifischen Gruppe von Schaltele­ menten selektiv betreibbar sind, um das entsprechende eine von den mehreren Transducerelementen mit jeweils einem entsprechen von mehreren lokalen Bussen zu verbin­ den.

9. Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Schaltelement einen Transistor aufweist.

10. Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Puffer vorgesehen sind, wobei jeder einzelne dieser Puffer in Reihe zwischen einen entsprechenden lokalen Bus und einen entsprechenden elektrischen Kabelleiter geschaltet ist.

11. Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sende-Bypasspfade vorgesehen sind, wobei jeder der Sende-Bypasspfade dazu dient, einen Verbindungspunkt zwischen einem entsprechenden Puffer und einem entsprechenden elektrischen Kabelleiter mit einem Verbindungspunkt zwischen dem entsprechenden Puffer und einem lokalen Bus während des Sendemodus zu verbinden.

12. Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente so angepaßt sind, daß sie gemäß einem vorbestimmten Muster, das einer gewünschten Strahlbündelrichtung entspricht, eingeschaltet werden können.

13. Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente optisch steuerbar sind und jeder lokale Bus eine optisch transparente Elektrode aufweist.

14. Ultraschallsonde gekennzeichnet durch:
ein Transducerelement mit einer Signalelektrode;
mehrere elektrische Kabelleiter;
mehrere lokale Busse, wobei jeder einzelne der loka­ len Busse mit jeweils einem der elektrischen Kabelleiter verbunden ist; und
mehrere Schaltelemente, wobei jedes einzelne von den Schaltelementen selektiv betreibbar ist, um die Signal­ elektrode des Transducerelementes mit elektrisch mit einem entsprechenden von den mehreren lokalen Bussen zu verbinden.

15. Ultraschallsonde nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß jedes Schaltelement einen Transistor aufweist.

16. Ultraschallsonde nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schaltelemente optisch steuerbare Elemente aufweisen.