DE2855888A1

DE2855888A1 - Anlage und verfahren zur ultraschall- abbildung mit verbesserter seitlicher aufloesung

Info

Publication number: DE2855888A1
Application number: DE19782855888
Authority: DE
Inventors: Charles Edmund Thomas
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1978-12-23
Publication date: 1979-06-28
Also published as: NL186834C; FR2413669A1; US4180790A; FR2413669B1; GB2011075B; NL7812494A; DE2855888C2; GB2011075A; NL186834B; JPS54100178A

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y., VStA

Anlage und Verfahren zur Ultraschall-Abbildung mit verbesserter seitlicher Auflösung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage und ein Verfahren zur Ultraschall-Abbildung mit verbesserter seitlicher Auflösung und befaßt sich insbesondere mit einer dynamischen elektronischen Apertursteuerung in Kombination mit einer dynamischen Fokussierung zur Verbesserung der seitlichen Auflösung in Sektorabtastern und anderen B-Abtast-Ultraschall-Abbildungsanlagen.

Einer der wichtigsten Parameter bei der Betrachtung der Ultraschall-Bildqualität ist die seitliche Auflösung oder Seitenauflösung, die sich auf die minimale Trennung oder den minimalen Abstand bezieht, der erforderlich ist, damit zwei Ziele in der Richtung der Längsachse der linearen Wandlergruppe voneinander unterschieden werden können. Bei Fernfeldbedingungen verbessert sich die seitliche Auflösung bei Zunahme der Wandlergruppenapertur. Unter Nahfeldbedingungen verbessert sich die seitliche Auflösung bei Abnahme der Wandlergruppenapertur. Es ist bekannt, daß man durch Fokussierung im Nahfeld theoretisch Fernfeldbedingungen erstellen kann, so daß eine große Apertur für alle Entfernungen von Vorteil ist. Es ist allerdings schwierig, die Fokussierung bei Entfernungen aufrechtzuerhalten, die kleiner als die Gruppenapertur sind, selbst wenn man eine elektrische dynamische Fokussierung anwendet. Bei tomographischen Herzabbildungen mit B-Abtastung sind die Entfernungen oft kleiner als die Gruppenapertur. Es gibt somit wichtige Anwendungen, bei denen sich die optimale Apertur mit der Tiefe beim Überstreichen des Bildfeldes änderte

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Der Einzelsektorabtaster ist eine Realzeit-Abbildungsanlage mit einer linearen Wandleranordnung oder linearen Wandlergruppe, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist. Dazu wird auf die Beschreibung eines Herzabtasters von Thurstone und von Ramm ^HA New Ultrasonic Imaging Technique Employing Two-Dimensional Electronic Beam Steering¹¹, Acoustical Holography, Vol. 5, 1974, Plenum Press, New York, Seiten 249-259, verwiesen. Um eine Sektorabtastung vorzunehmen, werden die einzelnen Wandler in einer linearen zeitlichen Sequenz angeregt, um akustische Strahlen zu erzeugen, die in bezug auf die Normale der Wandlergruppe bei deren Mittelpunkt unter zahlreichen Winkeln verlaufen. Echos, die von den Zielen in der Richtung der ausgesendeten akustischen Strahlen zurückkehren, kommen bei den Wandlerelementen zu unterschiedlichen Zeiten an, so daß eine relative Verzögerung der aus den empfangenen Echos gewonnenen elektrischen Echosignale um unterschiedliche Beträge erforderlich ist, und zwar derart, daß alle Signale von einem vorgegebenen Punktziel gleichzeitig summiert werden. Zusätzlich zu Strahlsteuerungsverzögerungen wird zur Verbesserung der Bildqualität eine dynamische elektronische Fokussierung unter Einführung von zusätzlichen Kanal-zu-Kanal-Verzögerungsdifferenzen ausgeführt, um Laufzeitverzögerungsdifferenzen von einem Brennpunkt zu den verschiedenen einzelnen Gruppenelementpositionen zu kompensieren. Die Strahlsteuerungsverzögerungen und die elektronischen Fokussierverzögerungen können zusammenaddiert werden. Der Brennpunkt kann dynamisch verändert werden, um die Entfernung, aus der Echos während einer Empfangsperiode empfangen werden, schrittweise zu ändern· Bei den üblichen Sektorabtastern ist die gesamte Gruppe von Empfangselementen während einer Echoempfangsperiode aktiv, und die empfangenen Signale von allen Empfangselementen werden verzögert und anschließend summiert, um ein fokussiertes Echosignal oder Videosignal zu gewinnen. Das bedeutet, daß die Gruppenapertur während jeder Echoempfangsperiode unverändert bleibt, und stets die

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maximal mögliche Apertur vorhanden ist. Bei Entfernungen, die kleiner als die maximale Apertur sind, muß man die dynamischen Fokussierverzogerungen so schnell ändern, daß es nahezu unmöglich ist, diese Änderungen zu bewerkstelligen.

Um in einer Ultraschall-Abbildungsanlage mit einer linearen Gruppe von Wandlerelementen eine verbesserte seitliche Auflösung zu erzielen, und zwar insbesondere in Entfernungen, die kleiner als die volle Gruppenapertur sind, wird die Gruppenapertur vergrößert, wenn die Entfernung, aus der Echos empfangen werden, zunimmt. Die Erhöhung der Gruppenapertur geschieht durch schrittweises Zuschalten von weiteren Gruppenwandlerelementen während Jeder Echoempfangsperiode. Die dynamische Apertursteuerung zum Erzielen einer bestmöglichen Bildqualität wird mit einer dynamischen Fokussiersteuerung zur Einstellung der Zeitverzögerung in den Echosignalverarbeitungskanälen zwecks Fokussierung der Echos bei einer Vielzahl von Brennpunkten für unterschiedliche Entfernungen kombiniert. Bei großen Entfernungen, die ein Vielfaches der vollen Gruppenapertur betragen,'sind alle Gruppenelemente und Echoverarbeitungskanäle eingeschaltet oder aktiv, um die bestmögliche seitliche Auflösung zu erzielen.

Die erläuterten erfindungsgemäßen Maßnahmen finden bevorzugt Anwendung bei einem Einzelsektorabtaster zum Gewinnen von Realzeit-Abbildungen für medizinische Zwecke. Zum Austasten oder Ausblenden einzelner Empfangskanäle ist zwischen federn Wandlerelement und dem zugeordneten Empfangskanal ein Schalter oder ein damit äquivalenter Mechanismus vorgesehen. Anfangs sind lediglich die mittleren Wandlerelemente und entsprechenden Empfangskanäle während der Echoempfangsperiode aktiv. Wenn die Entfernung zunimmt, werden schrittweise jeweils zwei weitere Wandlerelemente und Empfangskanäle symmetrisch zuge-

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schaltet, und zwar jeweils einer auf jeder Seite der mittleren Gruppe, bis alle Wandlerelemente und Empfangskanäle aktiv sind und die maximale Apertur erreicht ist. Änderungen in der Aperturgröße werden während des Intervalls vorgenommen, bei dem die Entfernung kleiner als die maximale Apertur ist, bis die Entfernung einen mehrfachen Wert der maximalen Apertur erreicht. Es wird wenigstens eine Einstellung der Fokussierzeitverzögerung in den Empfangskanälen gemacht, und die SteuerZeitverzögerungen bleiben die gleichen· Die verzögerten Echosignale von den unterschiedlich vielen aktiven Empfangskanälen werden summiert, um das fokussierte Echosignal oder ein Rohvideosignal zu gewinnen, das als sichtbares Bild des beschallten Objektbereiches auf der Katodenstrahlröhre eines Monitors dargestellt wird. Die dynamische Apertur- und Fokussiersteuerung ist auch auf Mehrsektorabtaster und digitale geradlinige Abtaster anwendbar.

Nach der Erfindung wird somit eine dynamische Gruppenapertur- und Fokussiersteuerung für Ultraschall-Abbildungsanlagen geschaffen. So ist eine B-Abtast-Ultraschall-Abbildungsanlage,' beispielsweise ein Einzelsektorabtaster, mit einer dynamischen Apertur- und Fokussiersteuerung ausgerüstet, um eine Verbesserung der seitlichen Auflösung zu erzielen, insbesondere bei Entfernungen, die kleiner als die maximale Gruppenapertur sind. Wenn die Entfernung, von der Echos empfangen werden, sich ausweitet, wird die Gruppenapertur während jeder Echoempfangsperiode schrittweise erhöht, und zwar dadurch, daß weitere Wandlerelemente schrittweise der Wandlergruppe zugeschaltet werden. Es wird wenigstens eine Einstellung von Empfangskanalzeitverzögerungen vorgenommen, um die Echos bei verschiedenen Brennpunkten dynamisch zu fokussieren.

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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Einzelsektor-Ultraschall-Abbildungsanlage mit gesteuertem Strahl,

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Zeitverzögerungssteuerung und Fokussierung empfangener Echosignale einer Empfangsgruppe von Wandlerelementen,

Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltbild eines Empfangskanals für eine Anordnung mit dynamischer Apertur- und Fokussiersteuerung und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Einzelsektor-Abtaster-Abbildungsanlage mit dynamischer Apertur- und Fokussiersteuerung.

Die Einrichtung zur dynamischen Steuerung der Apertur der Wandleranordnung oder Wandlergruppe während jeder Echoempfangsperiode einer B-Abtast-Ultraschall-Abbildungsanlage kann man theoretisch in Verbindung mit irgendeiner Abbildungsanlage verwenden, die eine Anordnung oder Gruppe aus Wandlerelementen zum Echoempfang aufweist, unabhängig davon, ob die Anlage ohne Fokussierung arbeitet oder eine mechanische Fokussierung,, eine feste elektronische Fokussierung oder eine dynamische elektronische Fokussierung benutzt. Die Kombination aus einer dynamischen Gruppenapertursteuerung und einer dynamischen Fokussiersteuerung hat jedoch gewisse Vorteile, insbesondere hinsichtlich des medizinischen Instrumentariums zur Cardiologie und Schichtenaufnahme, wo man gute Bilder mit verbesserter seitlicher Auflösung im Nahfeldbereich benötigt, und hinsichtlich der Ultraschall-Abbildung für ähnliche in-

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dustrielle Anwendungen. Die dynamische Gruppenapertur- und Fokussiersteuerung kann man sowohl bei geradlinigen als auch Sektor-Abtast-Anlagen sowie bei Anlagen verwenden, die eine Anordnungs- oder Gruppenaufgliederung (array apodization) haben oder nicht. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist ein Einzelsektor-Abtaster zur Abbildung des schlagenden Herzens in Realzeit.

Die in der Pig. 1 dargestellte Einzelsektor-Ultraschall-Abbildungsanlage mit gesteuertem Strahl weist eine lineare Wandleranordnung oder Wandlergruppe 10 mit gleichmäßig voneinander beabstandeten Wandlerelementen 11 auf, die durch Anregungsimpulse 12 in einer linearen zeitlichen Sequenz angesteuert werden, um einen Ultraschall-Strahl 13 zu bilden und dem Strahl eine vorgewählte Azimutrichtung zu geben, so daß ein entsprechender Ultraschall-Impuls ausgesendet wird. Die lineare Wandlergruppe wird auch phasengesteuerte Gruppe genannt. Um den Strahl elektronisch gegenüber der Normalen der Längsachse der Wandlergruppe auf einen Winkel θ zu steuern, wird federn i-ten Signal beim Voranschreiten in der Wandlergruppe vom einen Ende (1 = 1) zum anderen Ende (i = N) ein Zeitverzögerungsinkrement oder Zeitverzögerungsschritt

T₁ m (i-1) d sin θ (1)

aufeinanderfolgend hinzuaddiert, um eine genaue Kompensation für die Ausbreitungsweg-Zeitverzögerungsdifferenzen vorzunehmen, die für die Bedingungen einer ebenen Welle (Fraunhofer) existieren. Durch fortschreitende Änderung der Zeitverzögerung zwischen den aufeinanderfolgenden Anregungsimpulsen wird der Winkel θ auf der einen Seite der Normalen um Schritte oder Inkremente geändert. Um den Strahl auf der anderen Seite der Normalen auszubilden und zu steuern, wird die Zeitgabe der Anregungsimpulse 12 umgekehrt, so daß der untere Wandler in der Fig. 1 zuerst

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angeregt und der obere Wandler zuletzt angeregt wird. Der gesamte Sektorabtastwinkel beträgt etwa 60° bis 90°. Echos, die von Zielen 14 in der Richtung des ausgesendeten Strahls zurückkehren, kommen bei den Wandlerelementen zu unterschiedlichen Zeiten an, die eine relative Verzögerung der empfangenen elektrischen Echosignale um unterschiedliche Beträge bedingen, und zwar in einer solchen Weise, daß alle Signale von einem vorgegebenen Zielpunkt von allen Elementen der Gruppe gleichzeitig summiert werden. Innerhalb des Brennbereiches im Nahfeld erscheint der akustische Strahl tatsächlich so, als ob er sich im Fernfeld wie in Fig. 1 befände. Diese Umstände sind näher erläutert in einem Aufsatz mit dem Titel "Electronic Scanning of Focussed Arrays", von V.G. Welsby, Journal of Sound Vibration, 1968, Vol. 8_f Nr. 3, Seiten 390-394. Die Beträge der Zeitverzögerung für die einzelnen elektrischen Echosignale sind die gleichen wie während des Sendevorganges, um akustische Ausbreitungsweg-Verzögerungsdifferenzen zu kompensieren. Diese werden Strahl.steuerungszeitverzögerungen oder einfach Steuerungsverzögerungen genannt.

Bei der B-Abtastung ist eine Fokussierung nicht erforderlich, verbessert jedoch die Bildqualität, da die Auflösung erhöht wird und Schwierigkeiten mit einigen Arten von Artefakten vermindert wird. Die elektronische Fokussierung wie die Strahlsteuerung wird durch die Einführung von Verzögerungsdifferenzen für das elektronische Signal von Kanal zu Kanal erreicht, um Ausbreitungswegzeitverzögerungsdifferenzen vom Brennpunkt zu den verschiedenen einzelnen Gruppenelementpositionen zu kompensieren. Das elektronische Fokussierverzpgerungsinkrement für jede Unteranordnung ist durch die folgende Gleichung gegeben:

a 2fc

(2)

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Dabei gilt:

a β Halbaperturabstand der Unteranordnung f = Brennpunktabstand

c = Schallgeschwindigkeit

x_fc = Abstand vom Mittelpunkt der Unteranordnung

zum k-ten Element
T_k a dem k-ten Element zugeordnete Zeitverzögerung.

Es ist gezeigt worden, daß die Strahlsteuerungsverzögerung und die Fokussierzeitverzögerung additiv sind. Wenn man somit die Zeitverzögerung anwendet, die zur Steuerung des Strahls in der Richtung eines Winkels θ erforderlich ist, und dann die Zeitverzögerung hinzuaddiert, die zur Fokussierung in einem Abstand oder in einer Entfernung R erforderlich ist, befindet sich der Brennpunkt in einem Abstand R gemessen längs einer Achse, die um den Winkel θ gegenüber der Normalen zur Längsachse der Unteranordnung geneigt ist. Der Empfangsbrennpunkt kann anders als der Sendebrennpunkt dynamisch geändert werden, um dem Abstand oder der Entfernung nachzulaufen, von der aus Echos während der Echoempfangsperiode empfangen werden, und zwar durch eine Einzelschritt- oder MehrSchrittannäherung. Die additive Natur der Steuerungs- und Fokussierzeitverzögerungseinstellungen ist eine Annäherung, die mit Ausnahme sehr kurzer Abstände oder Entfernungen gut ist.

In der Fig. 2 sind die Steuerungs- und Fokussierzeitverzögerungen in Form von rechteckförmigen Blöcken mit unterschiedlicher Länge von Kanal zu Kanal getrennt in den Empfangskanälen dargestellt, die den Gruppenwandler elementen 11 zugeordnet sind. Um eine kohärente Summierung der Beiträge von allen aktiven Empfangselementen zu bewirken, werden die verzögerten Echosignale von diesen Empfangskanälen einem Sumraierverstärker 15 zugeführt, an dessen Ausgang dann ein fokussiertes Echosignal auftritt, das Rohvideodaten darstellt. Nach der Verarbeitung in einem Abtastumsetzer, der das Sektorabtastformat

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in ein Rasterformat umsetzt, steuert das fokussierte Echosignal die Elektrodenstrahlintensität einer Katodenstrahlröhre oder eines Fernsehmonitors beim zeilenweisen Aufbau des Bildes. Dies wird noch im einzelnen an' Hand der Fig. 4 erläutert. Die Steuerzeitverzögerungen bleiben die gleichen während jeder Echoempfangsperiode für einen ausgesendeten und gesteuerten ültraschallimpuls und werden zwischen Echoempfangsperioden geändert, um der Winkellage des nächsten ausgesendeten akustischen Strahls zu entsprechen. Andererseits werden die Fokussierzeitverzögerungen dynamisch während jeder Echoempfangsperiode geändert, um die empfangenen Echos bei einer Vielzahl von Brennpunkten zu fokussieren, wenn sich der Abstand oder die Entfernung ausbreitet. Eine typische Betriebsweise zur Abtastung des Objektes für einen Bildrahmen besteht darin, daß die Wandlerelemente der Gruppe 10 in Aufeinanderfolge mit Verzögerungen angesteuert werden, die anfangs so eingestellt sind, daß ein ausgesendeter akustischer Strahl bei der im Uhrzeigersinn weitest möglichen Stelle erzeugt wird, und daß die empfangenen Echosignale in der gleichen Reihenfolge verzögert werden, um zur Fokussierung der Echos die Kanalsignale mit zusätzlichen relativen Verzögerungen zu beaufschlagen. In nachfolgenden Sendeempfangszyklen oder Sendeempfangsperioden werden die relativen Kanal-zu-Kanal-Zeitverzögerungen fortschreitend geändert, um den erzeugten akustischen Strahl um kleine Winkelinkremente im Gegenuhrzeigersinn in Richtung auf die weitest mögliche Gegenuhrzeigerstellung zu drehen. Während jedes Sendeempfangszyklus werden die zusätzlichen relativen Kanalverzögerungen, die den Brennbereich steuern, dynamisch geändert, so daß der Trennbereich dem Echoerzeugungsbereich nachläuft. Diese monotone Gegenuhrzeigerbewegung der akustischen Strahlrichtung ist nicht wesentlich. Die Strahlsteuerungsverzögerungen können so eingestellt werden, daß man Strahlrichtungen beliebiger Folge auswählen kann. Eine Bildfrequenz mit etwa 30 Rahmen pro Sekunde

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wird benötigt, um "bei einem auf einem Fernsehschirm dargestellten Bild von einem Teil des Herzens Unscharfen zu vermeiden.

Zusätzlich zu der wenigstens einmaligen Änderung der Fokussierungsverzögerungen während jeder Echoempfangsperiode wird eine verbesserte seitliche Auflösung des Bildes durch dynamische Steuerung der Gruppenapertur als Funktion des Abstands oder der Entfernung erreicht, und zwar in einer solchen Weise, daß die Apertur um Schritte bei Entfernungen erhöht wird, die kleiner als die maximale Gruppenapertur sind, und normalerweise auf Entfernungen ausgedehnt wird, die einigemal der maximalen Gruppenapertur entsprechen. Bei größeren Entfernungen oder Reichweiten, die sich dem Fernfeld nähern oder im Fernfeld liegen, wird die seitliche Auflösung verbessert, wenn die Wandlergruppenapertur zunimmt. In diesem Fall ist es von Vorteil, die maximal mögliche Gruppenapertur zu verwenden. Unter Fernfeldbedingungen sind die Wellenfronten der reflektierten Echos, die an der Wandlergruppe ankommen, eben oder nahezu eben. Durch Fokussierung kann man theoretisch Fernfeldbedingungen im Nahfeld erstellen, so daß eine große Apertur bei allen Entfernungen oder Reichweiten von Vorteil wäre. In der Praxis ist es allerdings schwierig, den Fokus bei Bereichen aufrechtzuerhalten, die kleiner als Gruppenapertur sind, und zwar selbst bei dynamischer elektronischer Fokussierung. Eine Apertursteuerung zur Verbesserung der seitlichen Auflösung bei kleinen Abständen oder Entfernungen wird dadurch erreicht, daß der Empfänger derart ausgebildet wird, daß die einzelnen Kanäle mit der möglichen Ausnahme einer zentralen Gruppe von Empfangskanälen elektronisch ausgeblendet oder ausgetastet werden können. Die Anzahl der aktiven Empfangselemente und Empfangskanäle wird dann symmetrisch um Schritte erhöht, bis die maximale Gruppenapertur erreicht ist, wobei alle Empfangselemente und Empfangskanäle aktiv sind.

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Die dynamische Apertursteuerung ist in der Fig. 2 schematisch dargestellt. Es werden Paare von Empfangskanalschaltern 16a bis I6e verwendet, die während der Echoempfangsperiode in Aufeinanderfolge paarweise geschlossen werden. Zu einer Zeit wird somit jeweils nur ein Schalterpaar geschlossen. Die Ansteuerung der Schalter erfolgt über eine Apertursteuerschaltung 17. Die Empfangskanalschalter 16a bis 16e arbeiten mit einer sehr hohen Geschwindigkeit und sind in Wirklichkeit elektronische Schalter. Die mit den Schaltern erreichte Funktion, nämlich die Austastung der Kanäle, kann aber auch in anderer Weise vorgenommen werden, beispielsweise durch Verminderung des Verstärkungsfaktors in den betreffenden Kanälen. Bei den kürzesten Entfernungen gut innerhalb der maximalen Gruppenapertur sind lediglich die vier mittleren Wandlerelemente der Gruppe mit ihren Empfangskanälen verbunden, und es werden lediglich die verzögerten Echosignale dieser vier Kanäle summiert, um das fokussierte Echosignal zu bilden. Wenn die Entfernung zunimmt, werden die beiden Empfangskanalschalter 16a zu beiden Seiten der vier mittleren Wandlerelemente geschlossen. Im Anschluß daran wird das nächste Schalterpaar aus den Empfangskanalschaltern 16b geschlossen. Entsprechendes gilt für die übrigen Empfangskanalschalter 16c bis I6e, die in Aufeinanderfolge geschlossen werden. Auf diese Weise wird in Schritten die Größe der Empfangsunteranordnung und die Anzahl der aktiven Empfangskanäle erhöht, deren verzögerte Echosignale vom Summierverstärker 15 summiert werden· Als Faustregel gilt im Nahfeld, daß die Strahlbreite etwa gleich der Größe der Apertur ist, wobei sich die seitliche Auflösung mit der Größe der Apertur ändert und somit am besten ist, wenn die Apertur klein ist.

Zur Herzabtastung kann die lineare Wandlergruppe typischerweise eine Länge von 40 mm haben, und die Breite des einzelnen Wandlers oder Wandlerelements kann zwischen

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0,5 und 1,0 ram betragen. Es können mehr Empfangselemente als Sendeelemente vorhanden sein, und der Abstand zwischen den Wandlerelementen braucht nicht gleichmäßig zu sein· Mit den obigen Abmessungen beträgt die maximale Gruppenapertur 4 cm. Einzelheiten des Herzens, die in Bereichen von weniger als 4 cm liegen, sind oft von Interesse. Der maximale Bereich oder die maximale Entfernung beträgt 25 cm. Es ist erwünscht, die Apertursteuerung bis zu etwa der Hälfte des maximalen Bereiches bzw. bis zu 12 cm vorzunehmen. Das entspricht dem dreifachen Wert der vollen Apertur. Die Frequenz, mit der in Übereinstimmung mit dem Ziel einer guten Bildqualität Änderungen in den Fokussierzeitverzögerungen vorgenommen werden müssen, um die Brennweite zu ändern, nimmt bei einer Zunahme der Entfernung ebenfalls ab. Die dynamische Apertur- und Fokussiersteuerung ist in der Fig. 3 in allgemeiner Form erläutert, wobei auch Einzelheiten der Apertursteuerschaltung angegeben sind. Die dargestellte Anordnung enthält einen Analogschalter 18 und eine veränderbare Zeitverzögerungseinrichtung 19-1 oder 19-2 in jedem Empfangskanal von jeweils einem der Wandlerelemente 11-1 oder 11-2. Bei den Zeitverzögerungseinrichtungen 19-1 oder 19-2 kann es sich um Verzögerungsleitungen mit wählbarer Verzögerungszeit handeln. Die Steuerungs- und Fokussierungsverzögerungen für einen Einzelsektor-Steuerstrahl-Abtaster kann man in dem gleichen Bauelement vereinen, beispielsweise in einer aus ladungsgekoppelten Elementen aufgebauten Verzögerungsleitung, die aus zwei oder mehreren Unterverzögerungsleitungen besteht, deren Verzögerungszeiten getrennt steuerbar sind. Der Sendeimpulstrigger setzt einen Zeitgeber 20 in Gang, dessen Funktion darin besteht, die Gruppenwandlerelemente für ein kurzes Intervall bei Entfernungen auszutasten, die der Wandlergruppe sehr dicht sind, um Nachhallerscheinungen abklingen zu lassen. Am Ende eines Intervalls beginnt ein Echolaufdistanzrechner 21 mit der Berechnung der Entfernung und der erforderlichen Zeitver-

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zögerungen, und zwar auf der Grundlage der abgelaufenen Zeit für eine Zweiwegausbreitung des Schalls und auf der Grundlage der Schallgeschwindigkeit im Gewebe von etwa 1540 m/s. Die Rechnerausgangssignale, die für vorbestimmte Entfernungen gewonnen werden, steuern sowohl ein Analogschalter-Einstellgerät 22 als auch ein Verzögerungseinstellgerät 23. Wenn sich die Entfernung, von der Echos empfangen werden, ausweitet, wird die Gruppenapertur in Schritten durch Einschalten von weiteren Wandlerelementen der gesamten Wandlergruppe erhöht. Kurz bevor die mittlere Gruppe von Wandlern 11-1 gepulst wird, werden die zugeordneten Analogschalter 18 geschlossen, um diese Wandlerelemente mit den Empfängskanälen zu verbinden, und die Verzögerungseinrichtungen 19-1 werden für eine Brennweite von f.j eingestellt, wobei die Echos aus einer Entfernung von r^ kommen. Wenn der Echolaufdistanzrechner 21 anzeigt, daß Echos von einer Entfernung r₂ empfangen werden, werden die Wandlerelemente 11-2 und die Verzögerungseinrichtungen 19-2 in der Empfangsschaltung zugeschaltet und die Verzögerungen werden so eingestellt, daß jetzt die Brennweite einen Wert von f₂ hat. Wenn "array apodization" angewendet wird, ist es erwünscht, Wandlerelementgewichte einzustellen, wenn die Apertur eingestellt wird. Für den Fall, daß mehr Elemente in der gesamten Wandleranordnung vorhanden sind, wird die Apertur symmetrisch in Schritten von zwei erhöht. Eine zentrale oder mittlere Gruppe von Wandlern enthält im allgemeinen zwei oder vier Wandlerelemente.

In der Fig. 4 ist das Blockschaltbild einer Einzelsektor-Abtaster-Ultraschall-Abbildungsanlage mit Einrichtungen zur dynamischen Apertur- und Fokussiersteuerung bei kurzen Entfernungen im Nahfeld zur Verbesserung der seitlichen Auflösung dargestellt. Von der linearen Wandlergruppe oder Wandleranordnung sind lediglich vier Wandlerelemente 25a bis 25d gezeigt. In der Praxis kann die Gruppe aus einer großen Anzahl von Wandlerelementen bestehen.

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Einige der Wandlerelemente können lediglich Empfangselemente sein. Vier Sende- und Empfangskanäle 26a bis 26d enthalten jeweils eine Pegel- und Zeitsteuerschaltung 27, die alle von einem digitalen Hauptsteuergerät 28 angesteuert werden, um den Pegel und die Zeit eines Impulses zu bestimmen, der jeweils von einem Sendeimpulsgeber 29 erzeugt und an eines der Wandlerelemente gelegt wird. Der Empfangskanal zur Verarbeitung der empfangenen elektrischen Echosignale enthält jeweils einen Analogschalter 30, einen Vorverstärker 31 mit einem Begrenzer, um die empfindlichen Vorverstärkereingänge gegenüber den hohen Sende spannungen zu schützen, und einen Kompressionsverstärker 32, um den großen dynamischen Akustikbereich auf einen kleineren Bereich zu reduzieren, den eine Katodenstrahlröhre handhaben kann. Das verstärkte Echosignal gelangt dann zu einer digital ausgewählten analogen Verzögerungseinrichtung 33, der eine Verzögerungsauswahlschaltung 34 zugeordnet ist. Die Verzögerungsauswahlschaltung 34 arbeitet ebenfalls unter der Steuerung des digitalen Hauptsteuergerätes 28. Die Verzögerungsauswahlschaltung 34 stellt die Verzögerung ein, um das Echosignal in dem betreffenden Kanal zu steuern und zu fokussieren. Die einzelnen Empfangskanäle sind identisch aufgebaut, mit der Ausnahme, daß unterschiedliche Werte für die Zeitverzögerungen verwendet werden können. Das Steuergerät 28 kann in mannigfacher Weise verwirklicht werden· Es kann sich um eine festverdrähtete Logikschaltung handeln. Vorzugsweise wird jedoch ein geeignet programmierter Mikrorechner oder Minirechner benutzt, der auch die Funktionen der Apertursteuerung (Zeitgeber, Echolaufzeitdistanzrechner und Steuergeräte) nach der Fig. 3 übernimmt. Beim Betrieb werden die Wandleranregungsimpulse in den vier Sendekanälen in zeitlicher Aufeinanderfolge erzeugt, um den erzeugten Ultraschall-Strahl zu steuern und den Abtastwinkel einzustellen. Während der Echoempfangsperiode werden die beiden mittigen Analogschalter 30 nach einem kurzen Inter-

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vail, um Nachhall zu vermeiden, geschlossen, und die empfangenen Echosignale, die von den Elementen 25b und 25c gewonnen werden, werden um unterschiedliche voreingestellte Beträge verzögert, um die Echos bei einem ersten Brennpunkt zu steuern und zu fokussieren. Bei einer vorbestimmten Entfernung werden die beiden äußeren Schalter 30 geschlossen, um durch Zuschalten der Wandlerelemente 25a und 25d die Gruppenapertur zu erhöhen. Die Fokussierzeitverzögerungen werden so eingestellt, daß die Echos bei einem zweiten Brennpunkt fokussiert werden. Die verzögerten Echosignale von allen aktiven Empfangskanälen, entweder zwei oder vier, werden einem Summierverstärker 35 zugeführt, um das fokussierte Echosignal zu gewinnen, das dann an einen Abtastumsetzer 36 gelegt wird, bevor es sichtbar dargestellt wird. Als Abtastumsetzer kann man eine analoge Speicherröhre verwenden. Es können auch andere Arten von Abtastumsetzern eingesetzt werden. Die Abtastumsetzer steuert auch Ablenktreiber 37 und die erzeugten X- und Y-Ablenksignale für eine Katodenstrahlröhre 38, auf deren Schirm in Realzeit ein Einzelsektorbild dargestellt wird. Während jeder nachfolgenden Echoempfangsperiode, die der Erzeugung eines akustischen Strahls mit unterschiedlichem Abtastwinkel folgt, wird die Gruppenapertur dynamisch in Kombination mit der Einstellung der Fokussierzeitverzögerungen und des Brennpunktes erhöht.

Die dynamische Apertur- und Fokussiersteuerung kann in anderen Ultraschall-Abbildungsanlagen mit einer linearen Gruppe oder Anordnung von Wandlerelementen benutzt werden. Sie ist anwendbar auf Abbildungs-Anlagen, die von keinen Abtastumsetzern Gebrauch machen und statt dessen veranlassen, daß die Bewegung des,Strahls auf der Katodenstrahlröhre direkt der Bewegung des akustischen Echobereiches in dem Ausbreitungsmedium in Realzeit folgt. Die erläuterte Steuerung ist auch direkt ohne weitere Erläuterung auf Vielfachsektorabtaster anwendbar. Eine digitale geradlinige Ultraschall-Abbildungsanlage ist in einer älteren Anmel-

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dung der Anmelderin mit der Bezeichnung "Anlage und Verfahren zur digitalen geradlinigen Ultraschall-Abbildung" erläutert. Diese neuartige Ultraschall-Äbbildungsanlage weist eine lineare Wandleranordnung oder Wandlergruppe auf, bei der die Wandlerelemente in bezug auf die Zeit einzeln gepulst werden und die empfangenen Echosignale abwechselnd in einem langen, unterteilten digitalen Verzögerungsleitungsspeicher gespeichert werden, der zahlreiche Verzögerungsleitungen aufweist, deren Anzahl gleich der Anzahl der Wandlerelemente in einer Empfangsunteranordnung oder Empfangsuntergruppe ist. Nach N Impulsen sind N Wandler in der Gruppe ausgewählt worden. Ihre Ausgangssignale sind gleichzeitig an N Abgriffen der unterteilten Verzögerungsleitung vorhanden. Beim Verschieben der Empfangselement-Echodaten von einer Verzögerungsleitung zur nächsten werden die aus allen Verzögerungsleitungen ausgelesenen Echodaten auch in parallelen Kanälen verarbeitet, in denen die Daten Fokussierverzögerungen unterworfen werden und dann zur kohärenten Summierung einem Summierverstärker zugeführt werden. In diesem Fall wird eine Gruppenapertursteuerung dadurch bewirkt, daß vor der kohärenten Summierung Verarbeitungskanäle ausgetastet oder ausgeblendet werden, so daß die Anzahl der Kanäle, von denen Signale zum Summierverstärker gelangen, und die Anzahl der Empfangselemente, die zu dem fokussierten Echosignal beitragen, in Schritten in Abhängigkeit von der Entfernung erhöht wird.

Das Verfahren zur Ultraschall-Abbildung mit verbesserter seitlicher Auflösung und verbesserter Bildqualität besteht zusammenfassend darin, daß die Echosignale von getrennten Empfangselementen in parallelen Kanälen verarbeitet werden, um die Echosignale um veränderbare Beträge in den verschiedenen Kanälen so zu verzögern, daß die empfangenen Echos fokussiert werden, daß die Anzahl der aktiven Signalverarbeitungskanäle und damit die Anzahl

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der effektiv wirksamen Empfangselemente als Funktion der Entfernung während der Echoempfangsperiode verändert wird, um die Gruppenapertur in Schritten zu vergrößern, daß die Verarbeitungskanalzeitverzögerung wenigstens einmal während der Echoempfangsperiode eingestellt werden, um die Echos dynamisch zu fokussieren, und daß die verzögerten Echosignale aller aktiven Signalverarbeitungskanäle fortlaufend summiert werden.

Die Baueinheiten und Bauelemente eines Ultraschall-Abtasters mit dynamischer Apertur- und Fokussiersteuerung können übliche integrierte Schaltungen sein. Weitere Informationen über Sektorabtaster mit Realzeitabbildung findet man in den angegebenen Druckschriften und in der genannten älteren deutschen Patentanmeldung der Anmelderin, die der US-Anmeldung Serial No. 863 882, eingereicht am 23. Dezember 1977, entspricht.

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Claims

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y₀, VStA

Patentansprüche

1/ Anlage zur Ultraschall-Abbildung mit verbesserter seitlicher Auflösung,
gekennzeichnet durch

eine lineare Gruppe (10) von Wandlerelementen (11; 11-1, 11-2; 25a bis 25d), die während abwechselnder Sende- und Echoempfangsperioden selektiv wirksam sind, um sequentiell Ultraschall-Impulse zur Abtastung eines Objektbereiches zu erzeugen und aus den empfangenen Echos elektrische Echosignale zu gewinnen,

eine Vielzahl von Sendekanälen (26a bis 26d, 27, 28, 29) zum Erzeugen von Anregungsimpulsen für ausgewählte Gruppenelemente und eine Vielzahl von Empfangskanälen (26a bis 26d, 21, 32), die mit den Gruppenelementen verbunden sind und die empfangenen Echosignale um veränderbare vorbestimmte Zeitverzögerungen verzögern, um die empfangenen Echos zu fokussieren,

Apertursteuereinrichtungen (16a bis 16e, 17; 18, 20, 21, 22; 28, 30) zum Erhöhen der Anzahl der aktiven Gruppenelemente und der aktiven Empfangskanäle als Funktion der Entfernung während jeder Echoempfangsperiode, und zwar in einer solchen Weise, daß die Gruppenapertur in Schritten wenigstens während des Intervalls, in dem die Entfernung die maximale Apertur nicht überschreitet, größer gemacht wird,

Einrichtungen (19-1, 19-2, 21, 23; 28, 33, 34) zum Einstellen der Empfangskanalzeitverzögerungen wenigstens einmal während jeder Echoempfangsperiode, um die empfangenen Echos an einer Vielzahl von Brennpunkten für unterschiedliche Entfernungen dynamisch zu fokussieren, und

eine Einrichtung (15; 35) zum Summieren der verzögerten Echosignale aller aktiven Empfangskanäle, um ein fokussiertes Echosignal zu gewinnen.

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2. Anlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die Apertursteuereinrichtungen auszeichnen durch jeweils einen Schalter (16a bis 16e; 18; 30) zwischen jedem Gruppenelement und dem zugeordneten Empfangskanal und sich weiterhin auszeichnen durch Mittel zum anfänglichen Schließen einer mittleren Gruppe von Schaltern und zum nachfolgenden Schließen aufeinanderfolgender Schalterpaare, wobei sich jeweils ein Schalter auf jeder Seite der mittleren Schaltergruppe befindet, um die Gruppenapertur schrittweise symmetrisch zu ändern,
3. Anlage nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schalterpaare (16a bis I6e; 18; 25a bis 25d) aufeinanderfolgend in Abhängigkeit von der Entfernung während des Intervalls, bei dem die Entfernung kleiner als die maximale Gruppenapertur ist, geschlossen werden, bis der Bereich einigemal größer als die maximale Gruppenapertur ist,
4. Anlage zur Ultraschall-Abbildung mit verbesserter seitlicher Auflösung für eineri Einzelsektorabtaster, gekennzeichnet durch

eine lineare Gruppe von Wandlerelementen (11; 11-1, 11-2; 25a bis 26d), die während abwechselnder Sende- und Echoempfangsperioden selektiv wirksam sind, um winkelmäßig gesteuerte akustische Strahlen zur Abtastung eines Objektbereiches unter zahlreichen Winkeln sequentiell zu erzeugen und aus den empfangenen Echos elektrische Echosignale zu gewinnen,

eine Vielzahl von Sendekanälen (26a bis 26d, 27, 29) zum Erzeugen von Anregungsimpulsen in zeitlicher Aufeinanderfolge für ausgewählte Gruppenelemente und eine Vielzahl an die Gruppenelemente angeschlossener Empfangskanäle (26a bis 26d, 31, 32) zum Verstärken und Verzögern der Echosignale um vorbestimmte Steuerungs- und Fokussierungszeitverzögerungen zwecks Fokussierung der empfangenen Echos,

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Apertursteuereinrichtungen (16a bis I6e, 17; 18, 20, 21, 22; 28, 30) zum symmetrischen Einschalten und Erhöhen der Anzahl von aktiven Gruppenelementen und Empfangskanälen in Abhängigkeit von der Entfernung während jeder Echoempfangsperiode, bis die Gesamtanzahl der Empfangskanäle aktiv ist,

Einrichtungen (19-1, 19-2, 20, 21, 23; 28, 33, 34) zum Einstellen der Empfangskanalfokussierzeitverzögerungen wenigstens einmal während jeder Echoempfangsperiode, um die Echos bei einer Vielzahl von Brennpunkten für unterschiedliche Entfernungen dynamisch zu fokussieren, und

Einrichtungen (15; 35, 36, 37, 38) zum Summieren der verzögerten Echosignale aller aktiver Empfangskanäle, um ein fokussiertes Echosignal zu gewinnen, und zum Darstellen der fokussierten Echosignale als sichtbares Bild des beschallten Obj ektbereiches·
5. Anlage nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Apertursteuereinrichtungen (16a bis I6e, 17; 18, 20, 21, 22; 28, 30) wirksam sind, um die Anzahl der aktiven Gruppenelemente und der Empfangskanäle während des Intervalls, bei dem die Entfernung kleiner als die maximale Gruppenapertur ist, zu verändern, bis die Entfernung ein Vielfaches der Gruppenapertur ist,
6. Anlage nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die Apertursteuereinrichtungen auszeichnen durch jeweils einen Schalter (30) zwischen dem Empfangselement und dem zugeordneten Empfangskanal und durch weitere Einrichtungen zum anfänglichen Schließen einer mittleren Gruppe von Schaltern und zum nachfolgenden Schließen aufeinanderfolgender Paare von Schaltern, von denen sich jeweils einer auf jeder Seite der mittleren Schaltergruppe befindet, um die Gruppenapertur schrittweise zu vergrößern.

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7. Anlage nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die Einrichtungen zum Schließen der Schalter auszeichnen durch einen Zeitgeber (20), der von einem Sendeimpulstrigger gestartet wird, durch einen Echolaufdistanzrechner (21), der von dem Zeitgeber betätigt wird, und durch ein Schaltereinstell-Steuergerät (22), das auf die Ausgangssignale des Rechners (21) anspricht»
8. Verfahren zur Ultraschall-Abbildung mit verbesserter seitlicher Auflösung, .

dadurch gekennzeichnet,

daß eine lineare Gruppe von Wandlerelementen angeregt wird, um zum Abtasten eines Objektbereiches Ultraschall-Impulse sequentiell zu erzeugen, wobei die Wandlerelemente während nachfolgender Echoempfangsperioden als Empfangselemente betätigbar sind, um aus empfangenen Echos elektrische Echosignale zu gewinnen,

daß die Echosignale in parallelen Kanälen verarbeitet werden, um die Echosignale um veränderbare Beträge in den verschiedenen Kanälen zu verzögern und auf diese Weise die empfangenen Echos zu fokussieren,

daß die Anzahl der aktiven Signalverarbeitungskanäle und der effektiv aktiven Empfangselemente in Abhängigkeit von der Entfernung während Jeder Echoempfangsperiode in einer solchen Weise verändert wird, daß die Gruppenapertur schrittweise vergrößert wird,

daß die Signalverarbeitungskanalzeitverzögerungen wenigstens einmal während Jeder Echoempfangsperiode eingestellt werden, um die Echos bei einer Vielzahl von Brennpunkten für verschiedene Entfernungen dynamisch zu fokussieren, und

daß die verzögerten Echosignale aller aktiven Signalverarbeitungskanäle summiert werden, um ein fokussiertes Echosignal zu gewinnen.

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9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Anzahl der aktiven Kanäle in Abhängigkeit von der Entfernung die Gesamtanzahl der aktiven Kanäle während des Intervalls, bei dem die Entfernung kleiner als die maximale Gruppenapertur ist, symmetrisch erhöht wird, bis die Entfernung ein Vielfaches der maximalen Apertur beträgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Kanalzeitverzögerungen zur Fokussierung der Echos gleichzeitig mit der schrittweisen Änderung der Gruppenapertur vorgenommen wird.

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