DE19757211A1

DE19757211A1 - Verfahren und Einrichtung zum Kombinieren von topographischen Strömungsenergieabbildungen mit B-Modus-Anatomieabbildungen

Info

Publication number: DE19757211A1
Application number: DE19757211A
Authority: DE
Inventors: David John Muzilla; Edgar Joseph Alexander; Patricia Ann Schubert
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-12-30
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 1998-07-02
Also published as: US5735797A; JPH10309278A; IL122694A; IL122694A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall- Bildgebung unter Nutzung des Doppler-Effektes zur farbigen Strömungsdarstellung von Fluidströmungsfeldern. Insbeson dere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Abbildung von strömendem Blut im mensch lichen Körper durch Detektion der Doppler-Verschiebung der von dem strömenden Blut reflektierten Ultraschallechos.

Zu den gebräuchlichsten Modi diagnostischer Ultraschall-Bildgebung zählen der (zur Abbildung der inneren physikalischen Struktur verwendete) B- und M-Modus, der Doppler-, und der Farbströmungsmodus (wobei die beiden letzteren dazu genutzt werden, Strömungscharakteristiken wie z. B. in Blutgefäßen abzubilden). Der Farbströmungsmodus wird üblicherweise dazu genutzt, um die Geschwindigkeit von auf den Wandler bzw. den Transducer zu bzw. davon weg strö mendem Blut zu detektieren, und nutzt im wesentlichen das selbe Verfahren, wie es im Doppler-Modus angewendet wird. Während der Doppler-Modus die Geschwindigkeit über der Zeit für ein einzelnes selektiertes Abtastvolumen darstellt, stellt der Farbströmungsmodus Hunderte benachbarter Abtast volumina gleichzeitig und alle einer B-Modus-Abbildung überlagert und farbkodiert dar, um die Geschwindigkeit je des Abtastvolumens darzustellen.

Die Messung der Blutströmung im Herzen und in Blutge fäßen unter Anwendung des Doppler-Effektes ist allgemein bekannt. Während die Amplitude der reflektierten Wellen dazu verwendet wird, um Schwarz/Weiß-Abbildungen der Gewebe zu erzeugen, kann die Frequenzverschiebung rückgestreuter Wellen dazu genutzt werden, um die Geschwindigkeit der rückstreuenden Bestandteile von Gewebe oder Blut zu messen. Die rückgestreute Frequenz erhöht sich, wenn Blut auf den Transducer zu strömt, und verringert sich, wenn Blut von dem Transducer weg strömt. Farbige Strömungsabbildungen werden durch Überlagerung einer farbigen Abbildung der Ge schwindigkeit von sich bewegenden Material, wie z. B. Blut über einer Schwarz/Weiß-Anatomieabbildung erzeugt. Die bei jedem Pixel gemessene Strömungsgeschwindigkeit bestimmt dessen Farbe.

Der Vorteil der Darstellung von B-Modus-Anatomiedaten um kantenverbesserte topographische Strömungsenergiedaten herum besteht darin, daß dem Benutzer mehr nützliche Infor mation geboten wird, als wenn topographische Strömungsener giedaten nur mit einem dunklen Hintergrund dargestellt wer den. Ferner ist es dadurch für den Benutzer einfacher, die abzuscannende Anatomie zu finden, ohne daß die Darstel lungsmöglichkeit der topographischen Strömungsenergie aus geschaltet werden muß.

Die vorliegende Erfindung ist in einem Ultraschall- Bildgebungssystem enthalten, das aus vier Hauptsubsystemen besteht: einem Strahlbündelformer 2 (siehe Fig. 1), Pro zessoren 4, einer Scanwandler/Darstellungs-Steuerung 6 und einer Hauptsteuerung 8. Die Systemsteuerung ist in der Hauptsteuerung 8 zentriert, welche die Eingaben einer Bedienungsperson über eine (nicht dargestellte) Bedienungs schnitt stelle entgegennimmt und wiederum die verschiedenen Subsysteme steuert. Die Hauptsteuerung erzeugt auch den Systemzeittakt und die Steuersignale, welche über einen Systemsteuerbus 10 und einen (nicht dargestellten) Scansteuerbus verteilt werden.

Der Hauptdatenpfad beginnt mit den analogen HF- Eingangssignalen von dem Transducer zu dem Strahlbündelfor mer. Der Strahlbündelformer gibt zwei summierte digitale Basisbandempfangsstrahlbündel aus. Die Basisbanddaten wer den in die Prozessoren 4 eingegeben, wo sie gemäß dem Ge winnungsmodus verarbeitet und als verarbeitete akustische Vektor-(Strahlbündel)-Daten an den Scanwandler/Dar stellungs-Prozessor 6 ausgegeben werden. Die Scanwand ler/Darstellungs-Prozessor 6 nimmt die verarbeiteten akustischen Daten entgegen und gibt die Videodarstellungs signale für die Abbildung in einem Rasterscanformat an einen Farbmonitor 12 aus. Die Scanwandler/Darstellungs- Steuerung 6 formatiert auch in Zusammenarbeit mit der Hauptsteuerung 8 Mehrfachabbildungen für die Darstellung, Darstellungskommentare, graphische Überlagerungen und die Wiederholung von Filmschleifen und aufgezeichneter Zeitver laufsdaten.

Der B/M-Prozessor wandelt die Basisbanddaten aus dem Strahlbündelformer in eine logarithmisch komprimierte Ver sion der Signaleinhüllenden oder Signalhüllkurve um. Die B- Funktion bildet die zeitlich veränderliche Amplitude der Signalhüllkurve als eine Grauskala ab. Die Hüllkurve eines Basisbandsignals ist die Größe oder der Betrag des Vektors, welcher die Basisbanddaten repräsentiert. Der Phasenwinkel wird in der B/M-Darstellung nicht verwendet.

Die Frequenz von Schallwellen, die aus dem Inneren von Blutgefäßen, Herzhohlräumen, usw. reflektiert wird, ist proportional zu der Geschwindigkeit der Blutzellen verscho ben: positiv verschoben für sich auf den Transducer zu be wegende Zellen und negativ für diejenigen, welche sich da von weg bewegen. Der Doppler-Prozessor berechnet das Ener giespektrum dieser Frequenzverschiebungen für die visuelle Darstellung und synthetisiert auch ein Audiosignal aus den getrennten positiven und negativen Verschiebungen.

Der Farbströmungs-(CF)-Prozessor wird dazu verwendet, um eine zweidimensionale Echtzeitdarstellung der Blut geschwindigkeit in der Abbildungsebene zu erzeugen. Die Blutgeschwindigkeit wird durch Messen der Phasenverschie bung von Auslösevorgang zu Auslösevorgang bei einem spezi fischen Abstandstor gemessen. Anstelle der Messung des Doppler-Spektrums bei nur einem Abstandstor in der Abbil dung, wird die mittlere Blutgeschwindigkeit aus mehreren Vektorpositionen und von mehreren Abstandstoren entlang je des Vektors berechnet, und eine zweidimensionale Abbildung aus dieser Information erzeugt.

Der akustische Laufzeitspeicher 14 der Scanwandler/Dar stellungs-Steuerung 6 nimmt die verarbeiteten digitalen Da ten von den Prozessoren 4 entgegen und führt die Koordinatentransformation der Farbströmungs- und B-Modus- Daten aus dem Polarkoordinaten(R-θ)-Sektorformat oder aus einer Linearanordnung in Cartesischen Koordinaten in ent sprechend skalierte Darstellungspixel in Cartesischen Koor dinaten um, die in einem X-Y Darstellungsspeicher 18 ge speichert werden. Der X-Y Darstellungsspeicher 18 stellt eine Speicherung für bis zu drei X-Y Abbildungseinzelbil dern zur Verfügung.

Die M-Modus- und Doppler-Datentypen werden in beiden Dimensionen (in Abstand und Zeit für den M-Modus oder in Frequenz und Zeit für den Doppler-Modus) durch den in dem Zeitzeilen/Graphik-Prozessor- und in der Darstellungsspei cher-Leiterplatte 20 enthaltenen Zeitablaufprozessor inter poliert. Die graphischen Daten für die Erzeugung graphi scher Überlagerungen auf der dargestellten Abbildung werden ebenfalls auf der Zeitablauf/Graphik-Leiterplatte 20 er zeugt und gespeichert. Der Videoprozessor 22 stellt die sich ergebende Abbildung in einem Rasterscanformat auf ei nem Monitor 12 dar.

Für B-Modus-Abbildungen erfaßt und speichert der aku stische Laufzeitspeicher 14 die Basisbanddaten in einem Po lar- oder Cartesischen Vektorformat aus dem B/M-Prozessor und erzeugt Adressen, die zum Zuordnen der Information in einen Pixelwert bei einer gegebenen X-Y Koordinate zur Dar stellung gebraucht werden. Die Zuordnungsfunktion nutzt eine zweidimensionale Interpolation. Der akustische Laufzeitspeicher 14 (ALM) führt dieselbe Funktion für Farbströmungsabbildungen aus.

Der Videoprozessor 22 multiplext zwischen den Graphik daten, Abbildungsdaten, und Zeitablaufsdaten, um das endgültige Videoausgangssignal zu erzeugen. Zusätzlich er zeugt er verschiedene Grauskalen- und Farbzuordnungen und kombiniert auch die Grauskalen- und Farbabbildungen.

Die Filmleiterplatte 24 stellt eine residente digitale Bildspeicherung zur Betrachtung von Einzelabbildungen und zur Betrachtung mehrerer Abbildungen in einer Schleife und verschiedene Steuerfunktionen zur Verfügung. Der während einer Einzelabbildungs-Filmwiederholung dargestellte interessierende Bereich ist der während der Abbildungsge winnung genutzte Bereich. Der Filmspeicher arbeitet auch als ein Puffer zur Übertragung von Abbildungen an digitale Archivierungsgeräte über die Hauptsteuerung 8.

Zu den Prozessoren in dem in Fig. 1 dargestellten Ultraschallbildgebungssystem gehören ein B-Modus-Prozessor zur B-Modus-Bildgebung und ein Farbströmungsprozessor zur Strömungsenergiebildgebung. Der Farbströmungsprozessor er möglicht die Abbildung der Geschwindigkeit von rückstreuen den Bestandteilen, die hinter einem sich langsam bewegenden Gewebe strömen. Dieses System ist in der Lage, kantenver besserte topographische Strömungsenergiedaten darzustellen, die von B-Modus-Anatomiedaten umgeben sind. Das System hat jedoch den Nachteil, daß dann, wenn die topographischen Strömungsenergiedaten und die B-Modus-Anatomiedaten kombi niert werden, signifikante kantenverbesserte Strömungsener giedaten ausgeblendet werden, während signifikantes Strö mungsenergie-Hintergrundrauschen dargestellt wird.

Insbesondere hat ein herkömmlicher Farbströmungsprozes sor nur eine Strömungsenergiekompressionskurve in einem PROM gespeichert. In dem Farbenergiemodus ist diese einzige Kompressionskurve für die Detektion eines dynamischen Be reiches niedriger Strömung optimiert und wird zur Zeit für alle Überprüfungsarten, Strömungszustände und Sonden ange wendet. Er wird auch sowohl für Normalenergie- als auch To pographie-Submodi des Farbenergiemodus verwendet. Es gibt oft Scansituationen, die in dem Farbenergiemodus auftreten, bei denen der Großteil des Dynamikbereiches der Strömung am Eingang am Ausgang des Strömungsenergiekompressions-PROMs gekappt wird, was zu einer Datensättigung und einer flachen oder gesättigten Energieabbildung führt. Die Statusinforma tion hochenergetischer Strömung geht dann verloren, sofern nicht die Verstärkung des Systems signifikant zurückgedreht wird, wobei aber dann die niederenergetische Strömungsin formation unterhalb der Rauschgrenze des Systems verloren geht. Die gesättigten oder flachen oberen Bereiche sind insbesondere in dem Topographie-Submodus wegen der Kanten verbesserung dieses Submodus offensichtlich.

Die vorliegende Erfindung ist ein Ultraschall- Bildgebungssystem, welches mehr Flexibilität für unterschiedliche Strömungsenergiezustände für verschiedene Anwendungen zuläßt, indem mehrere Strömungsenergiekompres sionskurven zur Auswahl für jede Anwendung bereitgestellt werden. Der Farbenergiemodus wird insbesondere durch die Implementierung neuer Strömungsenergiekompressionen, neuer Farbzuordnungen (einen Satz von Farbzuordnungen für Energie und Topographie für jede Kompressionskurve) und eine aktua lisierte Einzelbildmittelung (d. h., durch neue Einzelbild mittelungskoeffizienten) verbessert. Insbesondere diese In novationen ermöglichen es dem System von B-Modus-Anatomie daten umgebene kantenverbesserte topographische Strömungs energiedaten ohne Verdeckung kantenverbesserter topographi scher Strömungsenergiedaten und ohne Darstellung signifi kanten Strömungsenergie-Hintergrundrauschens darzustellen. Der Lösungsweg für die Möglichkeit, B-Modus-Anatomiedaten um kantenverbesserte topographische Strömungsenergiedaten herum darstellen zu können, ist ein dreifacher.

Erstens wird ein verbessertes topographisches Hochpaß filter zum Verbessern der Strömungskanten in der dargestel lten Abbildung sowohl in der horizontalen (lateralen) als auch in der vertikalen (Abstands-)Richtung verwendet, d. h. das Topographiefilter ist zweidimensional statt ein dimensional. In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform ist das zweidimensionale Topographiefilter ein digitales Filter mit drei Abgriffen in jeder Dimension und ist in dem ALM enthalten.

Zweitens werden die Rohdaten der Strömungsenergie in einer Weise auf 7 Bit komprimiert, daß die Übertragungs funktion von der Eingangsenergie Null weg nach rechts verschoben wird. Auf diese Weise kann die Systemverstärkung so eingestellt werden, daß der größte Teil des Hinter grundrauschens wirksam unterdrückt wird. Nach dem Durchlauf der Strömungsenergiedaten durch das Hochpaßfilter werden sie Werten zwischen -128 und +127 (8 Bits) mit Null in der Mitte zugeordnet. Die Systemverstärkung wird so einge stellt, daß das Strömungsenergie-Hintergrundrauschen relativ gleichmäßig auf einen Wert innerhalb ±2 um Null nach dem Topographiefilter zugeordnet ist. Die Über tragungsfunktion der verschobenen Kompressionskurve nimmt die Form einer in dem Farbströmungsprozessor gespeicherten Strömungsenergiekompressions-Nachschlagetabelle an.

Schließlich wird die Mitte der Farbzuordnung (innerhalb ±2 um Null) ausgeblendet, so daß jede kantenverbesserte topographische Strömungsenergie, deren Zuordnung in diesem Bereich fällt, nicht dargestellt wird, und statt dessen die B-Modus-Abbildung dargestellt wird. Jede topographische Strömung außerhalb des Bereiches von ±2 wird dargestellt. Die Farbzuordnung nimmt die Form einer in dem Videoprozes sor gespeicherten Farbzuordnungs-Nachschlagetabelle an.

Das vor stehende Verfahren arbeitet wirksam bei kleine ren Gefäßen und bei größeren Gefäßen, bei denen die Strömungsenergie nicht extrem gleichförmig ist. Wenn keine Vorsorge getroffen wird, das Hintergrundrauschen auf einen relativ kleinen gleichförmigen Bereich (wie z. B. ±2) zu begrenzen, muß dann ein größeres Intervall ausgeblendet werden, um das Strömungsenergie-Hintergrundrauschen zu be seitigen und ein größerer Anteil realer topographischer Strömung wird dann ebenfalls ausgeblendet. Eine verrauschte Abbildung ergibt sich, wenn das Hintergrundrauschen nicht korrekt gehandhabt wird, während das Kompressionsverfahren der Erfindung eine gute Abbildung ergibt.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und den Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Blockdarstellung, welche die größeren Funktionssubsysteme innerhalb eines Echtzeit- Ultraschallbildgebungssystems zeigt.

Fig. 2 ist eine Blockdarstellung des Verarbeitungs pfades nur eines Kanals in dem in Fig. 1 dargestellten Strahlbündelformer.

Fig. 3 ist eine Blockdarstellung auf oberster Ebene ei nes herkömmlichen Farbströmungverarbeitungssystems.

Fig. 4 ist eine Blockdarstellung des in dem Farbströmungverarbeitungssystem vom Fig. 3 enthaltenen Farbprozessors.

Fig. 5 ist eine Blockdarstellung des in dem Farbprozes sors von Fig. 4 enthaltenen Wandschätzers, dessen Ab schnitte detaillierter in Fig. 5A dargestellt sind.

Fig. 6 ist eine Blockdarstellung des in dem Farbprozes sor von Fig. 4 enthaltenen Verzögerungs/Komplex-Mischers.

Fig. 7 ist eine Blockdarstellung des in dem Farbprozes sor von Fig. 4 enthaltenen Strömungsschätzers, dessen Ab schnitte detaillierter in Fig. 7A bis 7C dargestellt sind.

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung, die ein Bei spiel einer verschobenen Kompressionskurvenübertragungs funktion in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausfüh rungsform der Erfindung darstellt.

Fig. 9 ist eine Blockdarstellung, die den Aufbau des in dem Ultraschallbildgebungssystem von Fig. 1 enthaltenen akustischen Laufzeitspeichers darstellt.

Fig. 10 ist eine Blockdarstellung, die den Aufbau in dem akustischen Farblaufzeitspeicher von Fig. 9 enthaltenen Geschwindigkeitsstrahlbündelempfängers darstellt.

Fig. 11 ist eine schematische Darstellung, die den Datenstrom durch das Topographiefilter darstellt, das in dem in Fig. 10 dargestellten Medianfilter-Schwellenwert- FPGA enthalten ist.

Fig. 12 ist eine Blockdarstellung des in dem in Fig. 10 dargestellten Medianfilter-Schwellenwert-FPGA enthaltenen Topographiefilters.

Gemäß Fig. 2 ist der Strahlbündelformer 2 für die Strahlbündelformung beim Sende- und Empfangsvorgang verant wortlich. Er enthält einen Sondenauswahlschalter 26 für die Aktivierung eines von einer Vielzahl von Wandlern bzw. Transducern. Der Transducer-Multiplexer 28 ist für das Mul tiplexen der 128 Strahlbündelformerkanäle an bis zu 256 Transducerelemente verantwortlich.

Jeder Transducer enthält eine Anordnung getrennt ange steuerter Transducerelemente, wovon jedes ein Ultraschall- Pulsbündel oder sogenannten Burst erzeugt, wenn es durch eine von dem Sender 30 erzeugte gepulste Wellenform mit En ergie versorgt wird. Die von dem untersuchten Objekt an die Transduceranordnung reflektierte Ultraschallenergie wird von jedem empfangenden Transducerelement in ein elektri sches Signal umgewandelt und getrennt über einen Satz von Sende/Empfangs-Schaltern 32 (T/R) an analoge Empfangskanäle 34 angelegt. Der Sender 30, die Empfängerkanäle 34 und die Schalter 32 werden unter der Steuerung einer (nicht darge stellten) Eingangsteuerung in dem Strahlbündelformer be trieben. Ein vollständiger Scanvorgang wird durch Erfassen einer Serie von Echos durchgeführt, in welchem die Schalter 32 in ihre Sendeposition gebracht werden, der Sender 30 zur Versorgung jedes Transducerelementes mit Energie kurzzeitig eingeschaltet wird, die Schalter 32 dann in ihre Empfangs stellung gebracht werden, und die anschließend von jedem Transducerelement erzeugten Echosignale an die entsprechen den Empfängerkanäle 34 angelegt werden.

Die Empfangswellenform für jeden Kanal wird nach der Filterung zur Verhinderung des Alias-Effektes verstärkt und digitalisiert. Das digitalisierte Kanalsignal wird dann von der digitalen Kanal- und Strahlbündelformerschaltung 36 zur Erzeugung von I- und Q-Basisbandsignalen demoduliert und gefiltert. Diese Basisbandsignale werden durch eine Kombination von Zeitverzögerung und Phasendrehung geeignet verzögert, geeignet skaliert (verstärkt) und dann mit den geeignet verzögerten Signalen aus den anderen Kanälen pipe lineartig summiert, um die Steuerung und Fokussierung des Empfangsstrahls zu bewerkstelligen. Das I- und Q- Basisbandsignalpaar kann wahlweise mittels zwei unter schiedlichen Phasendrehungen vor der Summierung verzögert werden, um simultan zwei getrennt gesteuerte Empfangs strahlbündel von demselben Sendestrahlbündel zu erhalten. Diese zwei Strahlbündel sind als das rechte und linke Strahlbündel bekannt und werden anschließend summiert und getrennt verarbeitet. Die summierten linken und rechten I- und Q-Signale werden dann mittels der Entzerrungsleiter platte 39 digital verstärkt, beschnitten, frequenzverscho ben und gefiltert, um ein Signal mit optimaler Strahlbün delform zu erzeugen, welches an die Prozessoren, wie z. B. den Farbströmungsprozessor 40 ausgegeben wird.

Der Farbströmungsprozessor 40 wird dazu verwendet, eine zweidimensionale Echtzeitabbildung der Blutgeschwindigkeit in der Abbildungsebene zu erzeugen. Die Blutgeschwindigkeit wird durch Messen der Phasenverschiebung von Auslösevorgang zu Auslösevorgang bei einem spezifischen Abstandstor gemes sen. Anstelle der Messung des Doppler-Spektrums bei nur ei nem Abstandstor in der Abbildung, wird die mittlere Blutge schwindigkeit von mehreren Vektorpositionen und von mehre ren Abstandstoren entlang des Vektors berechnet, und eine zweidimensionale Abbildung aus dieser Information erzeugt.

Der Farbströmungsprozessor 40 ist für die Verarbeitung demodulierter I- und Q-Datenströme für das rechte und linke Strahlbündel in einen Schätzwert der Strömungsparameter für jede Abstandszelle (Kombination der Vektornummer und Tiefe, die einen Punkt in dem abgebildeten Objekt definiert) verantwortlich. Diese Information wird dann direkt in Form von B-Modus-Daten ausgegeben, oder über der Zeit akkumu liert, um Schätzwerte von Strömungsparametern für jede Ab standszelle für M-Modus-Daten zu erzeugen.

Gemäß Fig. 3 empfängt der Eingangsprozessor 52 die rechten und linken Strahlbündeldaten von den I- und Q-Bus sen und führt eine programmierbare nicht ganzzahlige Dezi mierung der ankommenden Daten durch. Die auf eine niedri gere Abtastrate umgesetzten Daten werden in einem Ecken drehspeicher 54 gespeichert, dessen Zweck es ist, Daten von möglicherweise verschachtelten Auslösevorgängen zu puffern und die Daten als Vektoren von Punkten über Auslösevorgänge hinweg bei einer gegebenen Abstandszelle auszugeben. Die Daten werden in "fast time" (Schnellmodus) oder sequentiell abwärtsschaltend (entlang eines Vektors) bei jedem Auslösevorgang erfaßt. Das Ausgangssignal des Ecken drehspeichers wird in "slow-time" (Langsammodus) aufge zeichnet oder sequentiell durch einen Auslösevorgang für jede Abstandszelle aufgezeichnet.

Der Farbströmungsprozessor 40 empfängt I- und Q-Daten und Steuersignale aus dem Eckendrehspeicher. In dem Farb prozessor filtert der Strömungsschätzer 64 die I- und Q-Si gnale um das Wandsignal (stationäre oder sich langsam bewe gende Signale) zu entfernen, und wandelt die Abstandszel leninformation in die Zwischenautokorrelationsparameter N, D und R(0) für jede Abstandszelle um. Für Studien bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann das Filter in dem Strö mungsschätzer das Wandsignal vor der Durchführung der Strö mungsschätzung entfernen. In Fällen niedriger Strömungsge schwindigkeit liegt das Strömungssignal sehr nahe an dem Wandsignal und kann teilweise von einem Wandfilter mit festgelegten Parametern entfernt werden. In diesem Falle wird der Wandschätzer 62 dazu verwendet, die Eigenschaften der Wand abzuschätzen. Die Wandsignalmittenfrequenz wird abgeschätzt, und dazu verwendet, um die Daten, welche durch die Verzögerung 58 verzögert wurden in dem Mischer 60 zu mischen, so daß das Wandsignal bei DC zentriert wird. Die ses erlaubt eine effektivere Wandsignalentfernung. Das Er gebnis dieser Einstellung besteht darin, daß eine bessere Schätzung von Strömungen mit niedrigerer Geschwindigkeit erfolgt. Die adaptiven Schätzungen können so oft erfolgen, wie Abstandszellen vorhanden sind. Dieser Abschnitt erzeugt auch R(0), einen Schätzwert der Energie, basierend auf ei ner Summierung von I² + Q² hinter dem Wandfilter. Die Ener gie wird durch Skalierung von R(0) durch den Betrag, der von dem Normiererblock angelegten Verschiebung abgeschätzt. Die Parameterschätzung verwendet einen Koordinaten- Transformationsprozessor und Nachschlagetabellen, um die Korrelationsenergie-, Geschwindigkeits-, und Turbulenzwerte für jede Abstandszelle in dem Vektor zu berechnen. Die Ge schwindigkeit wird aus der Phase der Autokorrelationsfunk tion und die Turbulenz wird aus der Varianz der mittleren Doppler-Frequenz abgeschätzt. Die Farbschätzungen werden zur weiteren Verarbeitung an die Ausgangslogik 56 gesendet. Getrennte Ausgangspfade sind für den B- und den M-Modus vorgesehen.

Die Ausgangslogik 56 wandelt die Energie-, Geschwindig keits-, und Turbulenzsignale in ein 8-Bit und ein 4-Bit- Ausgangssignal um. Eine Energieschwellenbewertung wird ebenfalls angewendet. Die Ausgangssignale können von dem Hauptprozessor zwischen Energie-, Geschwindigkeits- und Turbulenzschätzwerten gewählt werden. Die Übertragung von Daten erfolgt automatisch mit der Verarbeitung der Vek torinformation. Für den B-Modus werden die Daten an den (in Fig. 1 dargestellten) akustischen Farblaufzeitspeicher (CALM) 14 zur Scanumwandlung und Darstellung gesendet. Ein Medianfilter 138 (siehe Fig. 10) wird auf die Daten ange wendet. Die Übertragung der Daten ist mit der externen An forderung von der Zeitablaufspeicher-Leiterplatte synchro nisiert. Die M-Modus-Verarbeitung erfolgt immer in einem nicht-adaptiven Modus, da der M-Modus bei (Herz-) Untersu chungen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten verwendet wird.

Die Steuerung der Farbströmungsprozessors ist relativ komplex. Die Größe der Auslösungsgruppe kann über einen großen Bereich variieren, und die Pipelineverzögerung des Prozessors ist länger als die minimale Gruppengröße. Diese zwei Faktoren bedeuten, daß der Farbströmungsprozessor gleichzeitig mehrere Farbvektoren in verschiedenen Verarbeitungszuständen in der Pipeline haben kann. Dieses bedeutet ebenfalls, daß das Ausgangssignal signifikant ge genüber dem Eingangssignal verzögert ist.

Der Eckendrehspeicher 54 besteht aus einem Entscheider und drei Speicherbänken. Zusammen puffern und ordnen sie die ankommenden Daten so neu an, daß sie zu den Anforderun gen des Wandschätzers und Strömungsschätzers kompatibel sind. Der Entscheider ordnet die ankommenden Daten einer leeren Speicherbank zu.

Gemäß Fig. 4 besteht der Farbprozessor aus drei größe ren Blöcken: dem Wandschätzer 62, dem Mischer 60 und dem Strömungsschätzer 64. Zwei Grundbetriebsmodi werden von dem Farbprozessor unterstützt: ein nicht-adaptiver und ein ad aptiver Modus. Der nicht-adaptive Modus verarbeitet die an kommenden I- und Q-Daten in Schätzwerte der Strömungspara meter, wobei dieses von dem Strömungsschätzer durchgeführt wird. Der adaptive Modus wird in Fällen niedriger Strö mungsgeschwindigkeit angewendet, um eine stationäre oder sich langsam bewegende Wandinformation zu entfernen. Der Wandschätzer erzeugt eine Schätzung der Wandfrequenz, wobei die I- und Q-Daten verzögert werden, um eine Anpassung an die Verzögerung durch den Wandschätzer zu erreichen, und mit dem Wandfrequenzschätzwert gemischt werden. Das Ergeb nis besteht darin, daß die Wandinformation um die Frequenz Null herum zentriert ist. Der Strömungsschätzer arbeitet wie vorstehend beschrieben, um Schätzwerte der Strömungspa rameter zu erzeugen. Zusätzlich werden die Wandparameter dazu verwendet, um zu wählen, welcher Adaptivmodus akti viert werden sollte. Eine Variante des Adaptivmodus ist ebenfalls vorgesehen, wobei diese Variante die Detektier barkeit von Signalen mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit durch Korrelation über mehrere Zeitperioden verbessert.

Der Wandschätzer 62 verarbeitet die aus dem Eckendreh speicher ausgelesene Zellenabstandsinformation in Schätz werte der Wandparameter (Geschwindigkeit, Energie, Vari anz). Diese Werte werden von dem Strömungsschätzer im adap tiven Modus verwendet, um ein zusammengesetztes Farbströ mungsschätzwert-Ausgangssignal zu erzeugen.

Der Mischer 60 verarbeitet die Auslösungsrohdaten gemäß Auswahl durch die adaptive Logik des Wandschätzers. Im nicht-adaptiven Modus oder im adaptiven Modus mit abge schalteter Adaption werden die Daten ohne jede Änderung durchgelassen. Im adaptiven Modus mit eingeschalteter Adap tion wird die Wandfrequenz verwendet, um die Daten so zu mischen, daß die Wandkomponente bei DC liegt. Dieses er laubt die Filterung des Wandsignals mit einem realen, statt einem komplexen FIR-Filter.

Der Strömungsschätzer 64 filtert und verarbeitet die aus dem Eckendrehspeicher ausgelesenen Abstandszelleninfor mation in Schätzwerte der Strömungsparameter (Geschwindigkeit, Energie und Varianz). Diese Schätzungen erzeugen zusammen mit den von dem Wandschätzer abgeleiteten Wandparametern die endgültigen Geschwindigkeits-, Energie- und Varianzschätzwerte.

Der Autokorrelationsalgorithmus wird verwendet, um die mittlere Doppler-Verschiebung und Varianz direkt abzuschät zen. Die reale und komplexe Autokorrelation zwischen Daten von den benachbarten Auslösevorgängen wird berechnet und summiert.

Der Autokorrelator erhält die I- und Q-Daten aus dem Eckendrehspeicher. Man beachte, daß der I dem "Real"-Anteil und Q dem "Imaginär"-Anteil entspricht. Der Korrelator führt eine Autokorrelationsschätzung zum Erzeugen von N, D und R(0) durch. N und D sind der Zähler und Nenner für die Autokorrelationsgleichung gemäß nachstehender Darstellung:

wobei I_i und Q_i die demodulierten, auf das Basisband umge setzten Eingangsdaten für den Auslösevorgang i sind, und M die Anzahl der Auslösevorgänge in dem Paket ist. Das Kor relator-ASIC berechnet tatsächlich -N anstelle von N, wobei dieses zum späteren Berechnen der negativen Frequenz führt.

R(0) wird als eine begrenzte Summe über die Anzahl von Auslösevorgängen in einem Paket wie folgt angenähert:

Das Korrelator-ASIC berechnet tatsächlich 2R(0) anstelle von R(0), um die Berechnung des Normierers zu erleichtern.

Das Ausgangssignal des Autokorrelators wird normiert, um den maximalen Vorteil aus dem dynamischen Bereich des Pythagoras-Prozessors zu ziehen. Der Normierer prüft den Betrag des R(0)-Ausgangssignal und verwendet diesen zur Steuerung der Verschiebung aller drei Ausgangssignale. Der Betrag der Verschiebung wird kodiert, und später in dem Parameterschätzer verwendet. Um das Vorzeichen von N und D zu erhalten, wird eine arithmetische Verschiebung durchge führt.

Ein Pythagoras-Prozessor wandelt N und D in einen Be trag und in eine Phase für jede Abstandszelle um. Die Glei chungen werden wie folgt angewendet:

Ein Stapelprozessor wird dazu verwendet um die Genauig keit bei ±π/² (wenn D gleich 0 ist) sicherzustellen. Der Parameterschätzer verarbeitet die Betrags- und Phasenwerte in Schätzwerte der Energie, Geschwindigkeit und Turbulenz. Die Phase wird zur Berechnung der mittleren Doppler-Fre quenz verwendet, welche gemäß nachstehender Darstellung proportional zu der Geschwindigkeit ist; R(0) und |R(T)| (Betrag) werden zur Schätzung der Turbulenz verwendet.

Die mittlere Doppler-Frequenz in Hertz wird aus der Phase von N und D und der Pulswiederholungszeit T erhalten:

Die mittlere Geschwindigkeit wird unter Verwendung der nachstehenden Doppler-Verschiebungsgleichung berechnet. Da der Winkel θ zwischen Strömungsrichtung und der Abtastrich tung nicht bekannt ist, wird cos θ zu 1,0 angenommen.

Man beachte, daß der Parameterschätzer nicht die mittlere Doppler-Frequenz als ein Zwischenausgangssignal berechnet, sondern v direkt aus dem Phasenausgangssignal des Pythago ras-Prozessors unter Verwendung einer Nachschlagetabelle berechnet.

Die Turbulenz kann im Zeitbereich als eine Reihenentwicklung zweiter Ordnung der Varianz der mittleren Doppler-Frequenz berechnet werden. Der Zeitbereichsausdruck für die Turbulenz beinhaltet die Berechnung der Null-Nach eilungs- und Eins-Nacheilungs-Autokorrelationsfunktionen (R0) bzw. R(T). Die exakten Autokorrelationsfunktionen wer den durch begrenzte Summen über bekannte Daten in der An zahl von Auslösungen in einem Paket angenähert:

Das Mittelwertsignal Φ(R(T)) ist ein Schätzwert für die mittlere Doppler-Frequenzverschiebung der strömenden Reflektoren, welche wiederum proportional zu der mittleren Blutgeschwindigkeit ist. Das Varianzsignal σ² gibt die Fre quenzaufspreizung der Strömungssignalkomponente des Basis bandechosignals an. Dieser Wert gibt die Strömungsturbulenz an, da eine laminare Strömung einen sehr engen Geschwindig keitsbereich aufweist. Während eine turbulente Strömung ein Gemisch aus vielen Geschwindigkeiten ist. Zur Anzeige der Stärke des von den strömenden Reflektoren stammenden Si gnals gibt das Signal den Betrag der zurückgestrahlten En ergie in dem Doppler-verschobenen Strömungssignal an.

Alle Berechnungen und Parameterschätzungen mit Ausnahme der Pythagoras-Verarbeitung werden mit Hilfe festgelegter Nachschlagetabellen durchgeführt. Der Pythagoras-Prozessor ist ein im Handel erhältlicher Chip.

Der Wandschätzer 62 (siehe Fig. 4) arbeitet nur im adaptiven Modus. Dieser Schaltkreis verarbeitet die I- und Q-Signale aus dem Vorprozessor in einen Schätzwert der Wandsignalfrequenz. Dieser Schätzwert wird zum Mischen der Abstandszelleninformation auf DC im Mischer 60 verwendet, um die Effekte sich langsam bewegender Wandkomponenten zu beseitigen, wie sie durch eine Patienten- oder Transducer bewegung verursacht werden. Die Wandparameter werden eben falls zu dem Strömungsschätzer 64 gesendet, um die Schätz werte für das Resultat des Mischvorgangs zu korrigieren. Dieser Wandschätzer ist im Konzept dem Strömungsschätzer bis auf die Ausnahme ähnlich, daß kein Wandfilter erforder lich ist.

Der Wandschätzer ist im Detail in Fig. 5 dargestellt. Die I- und Q-Daten werden in einen Autokorrelator 76 und dann in einen ersten und zweiten Parameterschätzer 78 und 80 eingegeben. Die Blöcke 78 und 80 schätzen die Parameter des Wandsignals gemäß vorstehender Beschreibung. Die Fre quenz des Wandsignals wird zu dem komplexen Frequenzgenera tor in dem Mischer weitergeleitet, um zur Mischung des Wandsignals auf DC verwendet zu werden. Die Wandparameter werden auch dem Strömungsschätzer zur Verwendung in den Strömungsberechnungen, und auch der Ausgabelogik 56 (in Fig. 3) zur Darstellung zugeführt. Zum Speichern der Wand parameter werden FIFO-Speicher verwendet, um eine Verzögerungsanpassung mit den Daten bei ihrem Durchlauf durch den Strömungsschätzer zu ermöglichen.

Der Block 78 (siehe Fig. 5) für die Berechnung der Varianz, Energie und Geschwindigkeit der Wand besteht aus einem Pythagoras-Prozessor 120, einem Varianzdividierer 122 und einem Wandenergie-Denormierer 124 gemäß Darstellung in Fig. 5A. Der Pythagoras-Prozessor 120 wandelt die recht winkligen Koordinaten von N und D in Polarkoordinaten mit dem Betrag R(T) und der Phase (Geschwindigkeit) um. Der Varianzdividierer 112 erzeugt ein Wandvarianzausgangssignal gleich R(T)/(R(0). Dieser Dividierer wird durch einem Ganz zahl-Dividierer implementiert. Die Pipelineverzögerung für dem Pythagoras-Prozessors ist innerhalb des Korrelator- ASICs angepaßt. Die Pipelineverzögerung für den Ganzzahl- Dividierer ist innerhalb des ASICs mit zwei FIR-Filtern an gepaßt. Der Wandenergie-Denormierer 124 ist mittels einer PROM-Nachschlagetabelle implementiert.

Gemäß Darstellung in Fig. 6 werden die von dem Eckendrehspeicher 54 (siehe Fig. 3) erhaltenen I- und Q-Da ten durch einen komplexen Mischer 60 geführt. Der komplexe Mischer wird für die adaptive Schätzung (bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit) verwendet, bei der das Wandfil tersignal auf DC gemischt wird. Im nicht-adaptiven Falle wird die eingegebene Frequenz auf Null gesetzt, und der komplexe Mischer läßt das ankommende Signal einfach ohne Modifikation passieren.

Im adaptiven Modus nimmt der komplexe Frequenzgenerator 80 (siehe Fig. 5) ein Eingangssignal proportional zu der Frequenz entgegen und erzeugt I- und Q-Signale, welche die Wandfrequenz repräsentieren, welche an den Wandfrequenz-FIFO 92 (Fig. 6) ausgegeben wird. Dieses komplexe Signal wird in dem komplexen Mischer 60 mit den ankommenden Strömungsdaten gemischt, um I- und Q-Datensignale zu erzeugen, bei denen das Wandsignal auf DC gemischt ist. Die ankommenden I- und Q-Signale werden dann durch einen Über/Unter-Strömungsde tektor 90 geleitet, welcher den maximal und minimal zulässigen Betrag als Ersatz für jeden Betrag nimmt, wel cher diese zulässigen Grenzwerte überschreitet.

Der Mischerblock enthält auch eine getrennte kürzere Verzögerung 86 für die in die Steuerlogik 88 eingegebenen Steuersignale. Die kürzere Verzögerung 86 erlaubt ein Aus lesen der Wandfrequenz aus dem FIFO 92 und Laden bevor die entsprechende I- und Q-Datensignal den Mischer erreicht.

Dieses kompensiert Differenzen in den Pipelineverzögerungen für das Daten- und das Mischerfrequenz-Eingangssignal.

Der komplexe Mischer wird mittels eines numerisch gesteuerten Oszillators/Modulators implementiert. Die Ver zögerungen werden mittels programmierbaren Pipelineverzögerungsschieberegistern (vier für die Daten pfadverzögerung) und eine für die Steuerpfadverzögerung) implementiert.

Die auf dem I-Bus ankommende "reale" Datenkomponente geht an die "Eingänge des Mischers; die "imaginären" Komponenten (auf dem Q-Bus) gehen an die "realen" Eingänge des Mischers. Dieses beruht auf der Kom bination der Definition der Mischergleichungen und den in dem Farbprozessor definierten Signalpolaritäten.

Ein Buszugriff auf den Mischer wird zum Einstellen der Verzögerung des Verzögerungsanpassungsblocks angewendet.

Gemäß Fig. 7 verarbeitet der Strömungsschätzer die I- und Q-Signale in Schätzwerte der Strömungsparameter (Energie, Geschwindigkeit, Varianz usw.) Das Ausgangssignal des Über/Unter-Strömungsdetektors 90 (siehe Fig. 6) wird von einem Wandfilter 96 verarbeitet. Dieses ist ein FIR- Filter mit zwei Hochpässen, welches das Wandsignal ent fernt, ohne zuviel von dem Strömungssignal zu zerstören. Die Filterkoeffizienten werden in dem Koeffizientenspeicher innerhalb des Filterchips gespeichert. Zwei unterschiedli che Koeffizientensätze können gleichzeitig gespeichert wer den. Die gewünschte Koeffizientenbank wird als Funktion des Vektortyps, eines kurzen Nacheilungs- oder langen Nachei lungsmodus (nur Mehrfachnacheilung) und linken oder rechten Kanals ausgewählt. Die Koeffizienten werden über den loka len Bus in die Filterchips geladen.

Das Ausgangssignal des Wandfilters 96 steuert den Strö mungs-Autokorrelator/Normierer 98. Der Block 98 implemen tiert den in den Gleichungen (1) bis (3) beschriebenen Al gorithmus unter der Steuerung durch die Strömungsschätzer steuerung 94. Der Pythagoras-Prozessor und Parameterschät zer im Block 100 führt eine weitere Verarbeitung gemäß dem in den Gleichungen (4) bis (8) beschriebenen Algorithmus aus.

Der Zugriff über den lokalen Bus wird zum Laden der Wandfilterkoeffizienten und Diagnoselesevorgänge verwendet.

Das Wandfilter wird mittels eines programmierbaren FIR- Filters implementiert. Die Nachschlagetabellen werden an ders als bei dem Pythagoras-Prozessor mit EPROMs reali siert, um Energieverbrauch und Größe zu verringern.

Die Schaltung für das Wandfilter 96 in Fig. 7 ist detaillierter in Fig. 7A dargestellt. Der Wandfilterblock 102 erhält I- und Q-Daten von dem Mischer und wendet eine FIR-Filter mit 16 Abgriffen an. Die Koeffizienten des FIR- Filter sind programmierbar. Zwei Bänke sind für die Filterkoeffizienten vorgesehen. Die gewünschte Bank wird als eine Funktion des ankommenden Funktionskodes, einer Rechts/Links-Bankauswahl und eines Mehrfachnacheilungs schätzwertes für hohe oder niedrige Geschwindigkeiten ge wählt. Das Wandfilterausgangssignal wird innerhalb des Kor relator-ASIC's bezüglich Über/Unterlaufs begrenzt. Die Fil tersteuerung 104 erzeugt die erforderliche Rücksetzsequenz für den FIR-Filterchip, lädt die festgelegten Steuerbits in ein internes Steuerregister und aktiviert das Filter für den Normalbetrieb. Die Datensynchronisation wird von der Logik in der Strömungsschätzersteuerung aufrecht erhalten. Nach Abschluß dieses Vorgangs werden die Koeffizienten von dem lokalen Bus in das interne Koeffizienten-RAM geschrie ben. Die Ausgangssignale der Filtersteuerung 104 werden mittels Siliziumverzögerungsleitungen verzögert, um die Haltezeitanforderungen der Wandfilterchipeingänge zu erfül len.

Die Strömungsschätzersteuerung 94 in Fig. 7 ist detail lierter in Fig. 7B dargestellt. Die Strömungsschätzersteue rung empfängt die Steuer- und Markierungsbusse aus dem Mi scher und erzeugt die erforderlichen Steuersignale für den Korrelator und die übrige Logik. Das Filterkoeffizienten bank-Auswahlsignal für das Wandfilter wird ebenfalls hier erzeugt. Die ankommenden Signale werden um eine Anzahl von Taktzyklen verzögert, die zur Kompensation der Pipelinever zögerungen in dem Mischerabschnitt benötigt werden. Die verzögerten Signale werden dann zu dem Steuersignalgenera tor 106 gesendet, welcher die ankommenden Signale durch Verzögerung des Korrelationsstartes bis die Daten das Wand filter passiert haben, modifiziert. Die Anzahl der Abgriffe in dem Filter kann zwischen einem (keine Filterung) und 16 variieren. Die Filterausgangssignale können Anteile von ei ner oder mehreren Abstandszellen enthalten. Die Strömungs schätzersteuerung kann den Start gültiger Daten für den Korrelator verzögern bis das Filter vollständig mit Daten aus einer Abstandszelle gefüllt ist. Die Registerdatei 105 stellt zwei Strömungsenergietabellen-Auswahlbits bereit, die mit VEC_ACTIVE_RS synchronisiert sind. Diese Auswahl bits werden von der Registerdatei 105 verzögert, um eine Anpassung an den Zeittakt der Strömungsenergiedaten aus dem Korrelator-ASIC zu erreichen.

Der Strömungsvarianz-, Energie- und Geschwindigkeits- Berechnungsblock 100 in Fig. 7 ist detaillierter in Fig. 7C dargestellt. Zuerst werden die N- und D-Daten von dem Pythagoras-Prozessor 108 in Polarkoordinaten umgewandelt, um eine Strömungsrohenergie (Betrag) und Geschwindigkeit (Phase) zu erzeugen. Die Ausgangssignale werden um eine vorbestimmte Anzahl von Taktzyklen gegenüber den Eingangs signalen verzögert. Die R- und S-Ausgangssignale aus dem Korrelator werden um die Anzahl von Taktzyklen verzögert, die erforderlich sind, um eine Anpassung an diese Pipeline verzögerung zu erzielen. Die Strömungsgeschwindigkeitsad dierer-Nachschlagetabelle 110 addiert die Strömungsrohgeschwindigkeit auf die Wandgeschwindigkeit, um die von dem Mischer durchgeführte Sequenzsubtraktion zu kompensieren. In nicht-adaptiven Modi wird die Wandge schwindigkeit auf Null gesetzt, und der Addierer läßt die Strömungsrohgeschwindigkeit einfach passieren. Die ange paßte Strömungsgeschwindigkeit wird dann durch eine Nach schlagetabelle 112 geführt, um die Geschwindigkeit durch den Nacheilungswert (entweder 1, 2, 3 oder 4 für den Mehr fachnacheilungsmodus; und immer 1 für den Einzelnacheilungsmodus) zu dividieren. Im Mehrfachnacheilungsmodus wird der Schätzwert für die hohe Geschwindigkeit zuerst verarbeitet, da der erste in dem Wandgeschwindig keits-FIFO gespeicherte Wert der dividierten Wandgeschwin digkeit entspricht. Diese Berechnungen werden durch Anwen dung von Nachschlagetabellen implementiert. Alle Werte au ßer dem Strömungsgeschwindigkeitsdivisor sind in EPROM's festgelegt. Der Strömungsgeschwindigkeitsdividierer ist ein RAM, um falls erforderlich, eine nicht lineare Nachschlage tabelle zuzulassen.

Vier Strömungsenergiekompressions-Nachschlagetabellen 116 sind zur Verbesserung der Abbildungsoptimierung für Topographie- und Farbenergie-Modi vorgesehen. Die Auswahl einer der vier Nachschlagetabellen wird durch die zwei Strömungsenergietabellen-Auswahlbits aus der Registerdatei 105 (s. Fig. 7B) implementiert. Insbesondere werden die Strömungsenergierohdaten in einer Weise auf 7 Bit kompri miert, daß die Übertragungsfunktion nach rechts, von der Eingangsenergie Null weg verschoben wird. Auf die Weise kann die Systemverstärkung so eingestellt werden, daß der größte Teil des Hintergrundrauschens wirksam unterdrückt wird.

Eine verschobene Kompressionskurvenübertragungsfunktion in Übereinstimmung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt. Die komprimierten Energieausgangsdaten werden in einer der vier Nachschlage tabellen 116 gespeichert, während die Energieeingangsdaten die Adressen für die Nachschlagetabelle bereitstellen. Die komprimierten Strömungsenergiedaten werden dann an die Leiterplatte 14 des akustischen Farblaufzeitspeichers (siehe Fig. 1) über die Ausgabelogik 55 (siehe Fig. 3) ge sendet.

Der Ausgabelogikblock 56 (siehe Fig. 3) empfängt einen Schätzwert der Energie, Geschwindigkeit und Turbulenz von dem Farbprozessor. Die Ausgabelogik enthält eine anwenderprogrammierbare Gatteranordnung (FPGA), welches die darzustellenden Parameter auswählt. Für den B-Modus werden die Vektornummer und weitere Markierungsinformation den ausgewählten Parametern hinzugefügt, und zu der Leiter platte 14 des akustischen Farblaufzeitspeichers zur weite ren Verarbeitung gesendet. Eine Ausgabeaktivierung ist vor gesehen, um der Filmleiterplatte 24 zu ermöglichen, das Ausgangssignal des Farbströmungsprozessors zu deaktivieren und bereits zuvor erfaßte Filminformationen zur erneuten Wiedergabe einzuspeisen. Eine von der Ausgabelogikblock be reitgestellte Filterung umfaßt ein Medianfilter für M-Mo dus-Daten. Der B-Modus-"Lochfüller" ist in dem akustischen Farblaufzeitspeicher implementiert.

Der akustische Laufzeitspeicher 14 der Scanwandler/Dar stellungssteuerung 6 nimmt verarbeitete digitale Daten sowohl von dem Farbströmungsprozessor 40 als auch von dem (nicht dargestellten) B-Modus-Prozessor entgegen. Der in Fig. 9 im Detail dargestellte akustische Farblaufzeitspei cher weist ein Paar Strahlbündelempfänger 126A und 126B auf, welche die linken und rechten Farbströmungsdaten in einem Polarvektorformat von dem Farbströmungsprozessor aufnehmen. Jeder Datenstrom (links und rechts) besteht aus bis zu zwei Werten pro räumlichen Datenpunkt: nur einer 8- Bit-Geschwindigkeit, einer 8-Bit-Geschwindigkeit und einer 4-Bit-Turbulenz, einer 8-Bit-Geschwindigkeit und einer 4- Bit-Energie, oder nur einer 8-Bit-Energie. Ein Koordinaten transformationsfunktionsblock 120 erzeugt Adressen, die zur Zuordnung der Farbströmungsdaten in Pixelwerte bei gegebe nen X-Y (Darstellungs-) Koordinaten zur Darstellung verwen det werden. Die Zuordnungsfunktion verwendet eine bilineare Interpolation, die von Interpolatoren 124A und 124B durchgeführt wird. Wenn zwei Werte vorliegen, wie z. B. Ge schwindigkeit und Turbulenz, werden sie getrennt scan gewandelt, der primäre 8-Bit-Wert mit einer bilinearen Zuordnung (Interpolator 124B) und der sekundäre 4-Bit-Wert mit einer bilinearen oder "nächster Nachbar"-Zuordnung (Interpolator 124A). Der Speicher 122 ist der Hauptspeicher für die Speicherung der Abbildungsdaten, d. h., der Geschwindigkeits-, Energie- oder Varianzdaten. Die Steue rung 128 steuert das Takten des Hauptspeichers und der di gitalen Datenkanäle.

Der Geschwindigkeitsstrahlbündelempfänger 126A (siehe Fig. 9) enthält ein verbessertes Hochpaßtopographiefilter, welches dazu verwendet wird, Strömungskanten in der darge stellten Abbildung sowohl in der horizontalen (lateralen) als auch vertikalen (Abstands)-Richtung zu verbessern, d. h., daß das Topographiefilter zweidimensional statt ein dimensional ist. In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform ist das zweidimensionale Topographiefilter ein digitales Filter mit drei Abgriffen in jeder Dimension.

Gemäß Fig. 10 weist der Geschwindigkeitsstrahlbündel empfänger 126A zwei FIFOs 132A und 132B auf. Diese FIFOs werden parallel zueinander (1024 × 8) verwendet. Vektoren werden abwechselnd in die FIFOs 132A und 132B eingeschrie ben. Jeder FIFO wird vor dem Empfang irgendwelcher Daten zurückgesetzt. Auf diese Weise werden dann, wenn ein Vektor zusätzliche Daten erhält, die nachfolgenden Vektoren nicht beeinträchtigt (da die zusätzlichen Daten nicht aus dem FIFO ausgelesen werden).

Der Block 134 in Fig. 10 ist ein Videoschieberegister mit variabler Länge, welches mit einer von 11 bis 1035 rei chenden Länge arbeiten kann. Zwei Werte müssen von der Software zur Auswahl der richtigen Länge berechnet werden. Diese Ganzzahlen sind mit N und K bezeichnet, wobei N=(Länge-11)/4 und K(Länge-11) Modulo 4 ist.

Der Medianfilterschwellenwertblock 136 ist eine Entscheidungsschaltung, die dazu verwendet wird, die adap tive Medianfilterung im Medianschwellenwertmodus zu steuern. Ein von dem Hauptprozessor in der Medianschwellen wertlogik gesetzter Schwellenwertsatz bestimmt unter Ver wendung der Entscheidung aus dem Geschwindigkeitsdatenka nal, wann die 4-Bit-Varianzdaten einer Medianfilterung zu unterwerfen sind. Diese Steuerungen haben auch die Fähig keit, die Medianfilterung in beiden oder einem von den Pfa den (Geschwindigkeit und Varianz) unter Nutzung des Haupt prozessors zu umgehen. Alle Schwellenwertentscheidungen werden an entsprechenden Paaren von Geschwindigkeits- und Varianzdaten ausgeführt. Die Medianfilterschwel lenwertfunktion ist in einer anwenderprogrammierbaren Gat teranordnung (FPGA) implementiert.

Im Topographiemodus ist die Medianfilterschwellenwert- Entscheidungslogik deaktiviert. Die Topographiefilterungs funktion innerhalb des FPGAs 136 wird mittels Software eingeschaltet, was eine Hochpaßfilterfunktion an den Datenvektoren, die von dem Videoverschiebeblock 134 in der vertikalen und horizontalen Richtung empfangen werden, über den Vektor hinweg bzw. am Vektor entlang bewirkt. Gemäß Fig. 11 wird über die Vektoren hinweg die "A"-Datenpfadin formation invertiert und mit den "C"-Datenpfadinformationen summiert. Entlang dem Vektor wird nur die "B"-Datenpfadin formation N invertiert und mit der (N-2)-Information sum miert. Dann werden der Wert über die Vektoren und die Werte entlang den Vektoren auf einer Pixel-für-Pixel-Basis gemäß der Formel:

C(N-1)-A(N-1)+B(N)-B(N-2)

summiert. Das Ergebnis wird an den Ausgang des "B"-Daten pfades anstelle von B(N-1) geliefert, während der Daten strom an den Ausgängen des "A"- und "C"-Datenpfades erhal ten bleibt. Die funktionelle Implementation des zweidimen sionalen Topographiefilters in Übereinstimmung mit der be vorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 12 dargestellt. Die Blöcke 150A bis 150J stellen ge taktete Register dar; der Block 152 stellt einen Inverter dar; die Blöcke 154A bis 154C stellen Addierer dar; und der Block 156 stellt einen Multiplexer dar. Das Ausgangssignal B_DAT(7 : 0) ist der interpolierte Wert C(N-1)-A(N-1)+B(N) -B(N-2). Das Ausgangssignal Treshold_Dat(7 : 0) wird von der (nicht dargestellten) Medianfilterschwellenwert-Entschei dungslogik zum Steuern der adaptiven Medianfilterung im Medianschwellenwertmodus verwendet.

Das Medianfilter 138 ist ein Impulsrauschen- Entfernungsfilter, welches gewisse Sprenkel in einer Abbil dung entfernt, ohne die Kanten zu verschmieren. Es nimmt eine Gruppe benachbarter Pixel, sortiert sie in einer Rang werden an entsprechenden Paaren von Geschwindigkeits- und Varianzdaten ausgeführt. Die Medianfilterschwel lenwertfunktion ist in einer anwenderprogrammierbaren Gat teranordnung (FPGA) implementiert.

C(N-1)-A(N-1)+B(N)-B(N-2)

Das Medianfilter 138 ist ein Impulsrauschen- Entfernungsfilter, welches gewisse Sprenkel in einer Abbil dung entfernt, ohne die Kanten zu verschmieren. Es nimmt eine Gruppe benachbarter Pixel, sortiert sie in einer Rang ordnung nach ihrem Wert und gibt dem Mittelwert aus. Es wird eine 5-Punkt-Diamantkern-Teilmenge eines 3 × 3 Matrix medians verwendet. Das Medianfilter kann ausgeschaltet wer den, was eine Ausgabe ungefilterter Daten an den Speicher erlaubt. Es ist in einem ASIC implementiert. Ein Puffer 140 und ein Multiplexer 142 werden zur Lenkung des Datenstroms zwischen dem Hauptspeicher 122 und den Strahlbündelempfän gern 126A und 126B (siehe Fig. 9) verwendet. Eine Einrich tung 130 erlaubt das Lesen und Schreiben von Abbildungsda ten für Diagnosezwecke.

Im Topographiemodus werden die topographischen Strömungsdaten von dem akustischen Laufzeitspeicher 14 an den X-Y Speicher 18 ausgegeben (siehe Fig. 1). Die scange wandelten topographischen Strömungsdaten werden dann in den Videoprozessor 22 eingegeben. Der Videoprozessor 22 enthält eine in der Form einer Nachschlagetabelle gespeicherte Farbzuordnung. In Übereinstimmung mit der bevorzugten Aus führungsform der Erfindung, wird die Mitte der Farbzuord nung (innerhalb ±2 um Null) ausgeblendet, so daß alle kan tenverbesserten topographischen Strömungsenergiedaten, de ren Zuordnung in diesen Bereich fällt, nicht dargestellt werden, und statt dessen die B-Modus-Abbildung dargestellt wird. Alle topographischen Strömungsdaten außerhalb des Be reichs von ±2 werden dargestellt.

Die vorstehende bevorzugte Ausführungsform wurde zum Zwecke der Veranschaulichung offenbart. Varianten und Modifikationen dieses Konzeptes werden für den Fachmann auf dem Gebiet der Ultraschall-Farbströmungsbildgebung ohne weiteres offensichtlich sein. Alle derartigen Varianten und Modifikationen sollen daher von den nachstehend beschriebe nen Ansprüchen mit abgedeckt sein.

Claims

1. Einrichtung zum Abbilden der Geschwindigkeit von Streuelementen bzw. rückstreuenden Bestandteilen, die an sich langsam bewegenden Gewebe vorbeiströmen, enthaltend:
eine Einrichtung zum Liefern von in das Basisband umgesetzten Signalen, die von dem von den Streuelemen ten und von dem Gewebe reflektierten Ultraschall abge leitet sind;
einen Farbströmungsprozessor zum Verarbeiten der in das Basisband umgesetzten Signale zur Ausgabe von Farb strömungssignalen, welche geschätzte Strömungsenergie daten der Streuelemente darstellen, wobei der Farbströ mungsprozessor eine Einrichtung zum Komprimieren der Strömungsenergiedaten gemäß einer Kompressionskurven übertragungsfunktion aufweist, welche von der Null- Eingangsenergie weg verschoben ist;
einen B-Modus-Prozessor zum Verarbeiten der in das Basisband umgesetzten Signale zur Ausgabe von B-Modus- Signalen, welche die anatomischen Abbildungsdaten des Gewebes darstellen;
einen Darstellungsmonitor; und
eine Einrichtung zum Verknüpfen der B-Modus-Ana tomieabbildungsdaten und der geschätzten Strömungsener giedaten in ein Einzelbild von Abbildungsdaten zur Dar stellung auf dem Darstellungsmonitor, wobei die Verknüpfungseinrichtung aufweist:
eine Einrichtung für eine zweidimensionale kantenverbessernde Hochpaßtopographiefilterung der kom primierten Strömungsenergiedaten;
eine Farbzuordnungseinrichtung zum Ausblenden topo graphisch gefilterter Strömungsenergiedaten innerhalb eines vorbestimmten Bereiches um Null herum; und
eine Einrichtung zum Ausgeben der topographischen gefilterten Strömungsenergiedaten, welche nicht ausgeblendet wurden, zusammen mit B-Modus- Anatomieabbildungsdaten, die den ausgeblendeten topo graphischen gefilterten Strömungsenergiedaten entspre chen, an den Darstellungsmonitor.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strömungsener giedaten-Kompressionseinrichtung eine Nachschlageta belle aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Farbzuordnungseinrichtung eine Nachschlagetabelle auf weist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, wobei die Farbzuordnungseinrichtung topographisch gefilterte Strömungsenergiedaten in dem Bereich n ausblendet.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, wobei n gleich 2 ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kombinations einrichtung ferner einen Videoverschieber zum Ausgeben erster, zweiter und dritter Vektoren von Strömungsener giedaten in parallelen Strömen aufweist, jeder Strom sukzessive Abtastwerte von Strömungsenergiedaten des entsprechenden Vektors aufweist, die dem jeweiligen Be reich entsprechenden Abtastwerte gleichzeitig ausgege ben werden, die zweidimensionale kantenverbessernde Hochpaßtopographiefilterungseinrichtung einen interpo lierten Wert anstelle eines Abtastwertes des einem er sten Bereich entsprechenden zweiten Vektors ausgibt, der interpolierte Wert eine Funktion von Abtastwerten des zweiten Vektors ist, der zum ersten Bereich unter schiedlichen zweiten und dritten Bereichen entspricht, ein Abtastwert des ersten Vektors dem ersten Bereich entspricht, und ein Abtastwert des dritten Vektors dem ersten Bereich entspricht.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, wobei der interpolierte Wert gleich C(N-1)-A(N-1)+B(N)-B(N-2) ist, wobei B(N) den Abtastwert des dem zweiten Bereich entspre chenden zweiten Vektors repräsentiert, B(N-2) den Abtastwert des dem dritten Bereich entsprechenden zwei ten Vektors repräsentiert, A(N-1) den Abtastwert des dem ersten Bereich entsprechenden ersten Vektors reprä sentiert, und C(N-1) den Abtastwert des dem ersten Be reich entsprechenden dritten Vektors repräsentiert.

8. Verfahren zum Abbilden der Geschwindigkeit von Streue lementen bzw. rückstreuenden Bestandteilen, die an sich langsam bewegenden Gewebe vorbeiströmen, mit den Schritten:
Liefern von in das Basisband umgesetzten Signalen, die von dem von den Streuelementen und von dem Gewebe reflektierten Ultraschall abgeleitet werden;
Verarbeiten der in das Basisband umgesetzten Si gnale zur Ausgabe von Farbströmungssignalen, welche ge schätzte Strömungsenergiedaten der Streuelemente dar stellen;
Komprimieren der Strömungsenergiedaten gemäß einer Kompressionskurvenübertragungsfunktion, welche von der Null-Eingangsenergie weg verschoben ist;
Verarbeiten der in das Basisband umgesetzten Si gnale zur Ausgabe von B-Modus-Signalen, welche die ana tomischen Abbildungsdaten des Gewebes repräsentieren;
zweidimensionale kantenverbessernde topographische Hochpaßfilterung der komprimierten Strömungsenergieda ten;
Ausblenden topographischer gefilterter Strömungsenergiedaten innerhalb eines vorbestimmten Be reiches um Null herum;
Ausgeben der topographischen gefilterten Strömungsenergiedaten, welche nicht ausgeblendet wur den, zusammen mit B-Modus-Anatomieabbildungsdaten, die den ausgeblendeten topographischen gefilterten Strö mungsenergiedaten entsprechen; und
Darstellen der ausgegebenen B-Modus-Anatomieabbil dungsdaten und der topographischen gefilterten Strömungsenergiedaten als ein Einzelbild einer Abbildung.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Kompressions schritt der Strömungsenergiedaten durch Adressierung einer Nachschlagetabelle durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Ausblendungs schritt durch Adressierung einer Nachschlagetabelle durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei topographische gefilterte Strömungsenergiedaten in dem Bereich +n ausgeblendet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei n gleich 2 ist.

13. Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit den Schritten:
Ausgeben erster, zweiter und dritter Vektoren von Strömungsenergiedaten in parallelen Strömen, wobei je der Strom sukzessive Abtastwerte von Strömungsener giedaten des entsprechenden Vektors aufweist, die dem jeweiligen Bereich entsprechenden Abtastwerte gleich zeitig ausgegeben werden, wobei der Schritt der zweidi mensionale kantenverbessernde topographische Hochpaß filterung einen interpolierten Wert anstelle eines Ab tastwertes des einem ersten Bereich entsprechenden zweiten Vektors ausgibt, der interpolierte Wert eine Funktion von Abtastwerten des zweiten Vektors ist, der zum ersten Bereich unterschiedlichen zweiten und drit ten Bereichen entspricht, ein Abtastwert des ersten Vektors dem ersten Bereich entspricht, und ein Abtast wert des dritten Vektors dem ersten Bereich entspricht.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der interpolierte Wert gleich C(N-1)-A(N-1)+B(N)-B(N-2) ist, wobei B(N) den Abtastwert des dem zweiten Bereich entspre chenden zweiten Vektors repräsentiert, B(N-2) den Ab tastwert des dem dritten Bereich entsprechenden zweiten Vektors repräsentiert, A(N-1) den Abtastwert des dem ersten Bereich entsprechenden ersten Vektors repräsen tiert, und C(N-1) den Abtastwert des dem ersten Bereich entsprechenden dritten Vektors repräsentiert.

15. Einrichtung zum Abbilden der Geschwindigkeit von Streuelementen bzw. rückstreuenden Bestandteilen, die an sich langsam bewegenden Gewebe vorbeiströmen, ent haltend:
eine Einrichtung zum Liefern von in das Basisband umgesetzten Signalen, die von dem von den Streuelemen ten und von dem Gewebe reflektierten Ultraschall abge leitet werden;
einen Farbströmungsprozessor zum Verarbeiten der in das Basisband umgesetzten Signale zur Ausgabe von Farb strömungssignalen, welche geschätzte Strömungsenergie daten der Streuelemente darstellen, wobei der Farbströ mungsprozessor eine Einrichtung zum Komprimieren der Strömungsenergiedaten gemäß einer Kom pressionskurvenübertragungsfunktion aufweist, welche von der Null-Eingangsenergie weg verschoben ist;
einen B-Modus -Prozessor zum Verarbeiten der in das Basisband umgesetzten Signale zur Ausgabe von B-Modus- Signalen, welche die anatomischen Abbildungsdaten des Gewebes repräsentieren;
einen Darstellungsmonitor; und
eine Einrichtung zum Kombinieren der B-Modus-Ana tomieabbildungsdaten und der geschätzten Strömungsener giedaten in ein Einzelbild von Abbildungsdaten zur Dar stellung auf dem Darstellungsmonitor, wobei die Kombinationseinrichtung aufweist:
eine Farbzuordnungseinrichtung zum Ausblenden von Strömungsenergiedaten innerhalb eines vorbestimmten Be reiches um Null herum; und
eine Einrichtung zum Ausgeben der Strömungsenergie daten, welche nicht ausgeblendet wurden, zusammen mit B-Modus-Anatomieabbildungsdaten, die den ausgeblendeten Strömungsenergiedaten entsprechen, an den Darstellungs monitor.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, wobei die Strömungsener giedaten-Kompressionseinrichtung eine erste Nachschla getabelle aufweist, und die Farbzuordnungseinrichtung eine zweite Nachschlagetabelle aufweist.

17. Einrichtung nach Anspruch 15, wobei die Farbzuordnungseinrichtung Strömungsenergiedaten in dem Bereich n ausblendet.

18. Einrichtung zum Abbilden der Geschwindigkeit von Streuelementen bzw. rückstreuenden Bestandteilen, die an sich langsam bewegenden Gewebe vorbeiströmen, ent haltend:
eine Einrichtung zum Liefern von in das Basisband umgesetzten Signalen, die von aus dem von den Streuele menten und von dem Gewebe reflektierten Ultraschall ab geleitet werden; einen Farbströmungsprozessor zum Verarbeiten der in das Basisband umgesetzten Signale zur Ausgabe von Farb strömungssignalen, welche geschätzte Strömungsenergie daten der Streuelemente darstellen;
eine Einrichtung zum zweidimensionalen kantenverbessernden topographischen Hochpaßfiltern der komprimierten Strömungsenergiedaten;
einen Darstellungsmonitor; und
eine Einrichtung zum Ausgeben der topographisch ge filterten Strömungsenergiedaten an den Darstellungs monitor.

19. Einrichtung nach Anspruch 18, welche ferner einen Videoverschieber zum Ausgeben erster, zweiter und drit ter Vektoren von Strömungsenergiedaten in parallelen Strömen aufweist, wobei jeder Strom sukzessive Abtast werte von Strömungsenergiedaten des entsprechenden Vek tors aufweist, die dem jeweiligen Bereich entsprechen den Abtastwerte gleichzeitig ausgegeben werden, die zweidimensionale kantenverbessernde topographische Hochpaßfilterungseinrichtung einen interpolierten Wert anstelle eines Abtastwertes des einem ersten Bereich entsprechenden Vektors ausgibt, der interpolierte Wert eine Funktion von Abtastwerten des zweiten Vektors ist, der zum ersten Bereich unterschiedlichen zweiten und dritten Bereichen entspricht, ein Abtastwert des ersten Vektors dem ersten Bereich entspricht, und ein Abtastwert des dritten Vektors dem ersten Bereich ent spricht.

20. Einrichtung nach Anspruch 19, wobei der interpolierte Wert gleich C(N-1)-A(N-1)+B(N)-B(N-2) ist, wobei B(N) den Abtastwert des dem zweiten Bereich entspre chenden zweiten Vektors repräsentiert, B(N-2) den Ab tastwert des dem dritten Bereich entsprechenden zweiten Vektors repräsentiert, A(N-1) den Abtastwert des dem ersten Bereich entsprechenden ersten Vektors repräsen tiert, und C(N-1) den Abtastwert des dem ersten Bereich entsprechenden dritten Vektors repräsentiert.