DE2900950A1 - METHOD AND DEVICE FOR ULTRASONIC IMAGING WITH DYNAMIC FOCUSING AND ELECTRONIC SCANNING - Google Patents

METHOD AND DEVICE FOR ULTRASONIC IMAGING WITH DYNAMIC FOCUSING AND ELECTRONIC SCANNING

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DE2900950A1
DE2900950A1 DE19792900950 DE2900950A DE2900950A1 DE 2900950 A1 DE2900950 A1 DE 2900950A1 DE 19792900950 DE19792900950 DE 19792900950 DE 2900950 A DE2900950 A DE 2900950A DE 2900950 A1 DE2900950 A1 DE 2900950A1
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Richard B Bernardi
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    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
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Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet elektronisch abgetasteter Ultraschallabbildungssysteme für medizinische Diagnose und Überwachung, und insbesondere betrifft die Erfindung eine dynamische Fokussierungsschaltung zur Verbesserung der Aufnahmeeigenschaften eines solchen Systems.The invention relates to the field of electronically scanned ultrasound imaging systems for medical diagnosis and use Surveillance, and more particularly, the invention relates to a dynamic focus circuit for enhancing shooting characteristics such a system.

Die Erfindung bezieht sich dabei allgemein auf Ultraschallabbildungsverfahren, bei denen Ultraschallenergie zur Erzeugung eines Abbildes der inneren Struktur eines Körpers, beispielsweise eines Patienten benutzt wird.The invention relates generally to ultrasonic imaging methods, where ultrasonic energy is used to create an image of the internal structure of a body, for example used by a patient.

Bei einer Art solcher Ultraschallabbildesysteme wird eine aus vielen Elementen bestehende Sende/Empfangseinheit {im folgenden Transduktoreinheit genannt), ein Anzeigegerät und eine zwischen diese geschaltete elektronische Bildverarbeitungsschaltung benutzt. Die Transduktoreinheit erzeugt Ultraschallenergie-Impulse, die längs eines einzelnen ifbertragungsweges ausgesandt werden und in den Körper hineingerichtet werden können. Die Transduktoreinheit erzeugt auch Signale, die die charakteristischen Eigenschaften von Ultraschall-Echosignalen repräsentieren, welche durch die auffallende Energie an Trennflächen zwischen unterschiedlichen Körpergeweben hervorgerufen werden. Die elektronische Bildverarbeitungsschaltung verarbeitet die von dem Transduktor erhaltenen, die Ultraschall-Echosignale darstellenden elektrischen Signale so, daß diese mit dem Anzeigegerät, beispielsweise einem Kathodenstrahl-Osζilloskop zur Darstellung des inneren Körperaufbaus verwendet werden können.In one type of such ultrasound imaging system, a Transmitter / receiver unit consisting of many elements (hereinafter referred to as transducer unit), a display device and an electronic image processing circuit interposed therebetween. The transducer unit generates Pulses of ultrasonic energy traveling along a single transmission path be sent out and directed into the body can be. The transducer unit also generates signals that have the characteristics of ultrasonic echo signals represent which by the striking energy at interfaces between different Body tissues are evoked. The electronic image processing circuit processes the electrical signals obtained from the transducer and representing the ultrasonic echo signals Signals so that they can be displayed with the display device, for example a cathode ray osζilloscope internal body structure can be used.

Eine bekannte Betriebsart eines solchen Systems wird "B Scanning" genannt. Bei dieser Betriebsart richtet der Transduktor Ultraschallenergieimpulse in den Körper. Synchron mit der Abgabe jedes Impulses läßt die Bildverarbeitungsschaltung im Anzeigeoszilloskop einen Bildpunkt seinen Weg über einen Bildschirm beginnen, wobei der Weg des Bildpunktes (die Bildzeile} eineOne known mode of operation of such a system is called "B scanning". In this mode of operation, the transducer directs pulses of ultrasonic energy in the body. The image processing circuit in the display oscilloscope leaves synchronous with the delivery of each pulse a pixel begin its path across a screen, the path of the pixel (the image line) being a

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Funktion der Ausrichtung des Impulsweges des Ultraschallimpulses ist.Function of the alignment of the pulse path of the ultrasonic pulse is.

Wenn der Ultraschallimpuls eine Trennfläche zwischen Körpergeweben mit unterschiedlichen akustischen Eigenschaften überquert, wird ein Ultraschall-Echosignal erzeugt und dieses wird dazu benutzt, die Intensität des Bildpunkts zu modulieren, so daß eine Sichtanzeige auf dem Bildschirm erhalten wird, die die Lage und die Intensität des erfaßten Echosignals repräsentiert.When the ultrasound pulse creates an interface between body tissues with different acoustic properties crossed, an ultrasonic echo signal is generated and this is used to modulate the intensity of the pixel so that a visual display on the screen which represents the position and the intensity of the detected echo signal.

Mit Hilfe einer solchen B-Scanning-Vorrichtung kann durch Veränderung der Ausrichtung der Transduktoreinheit in einer gemeinsamen Ebene ein Bild auf dem Bildschirm entworfen werden, äa.s der Innenstruktur des Körpers in der Bewegungsebene des Transduktors entspricht.With the help of such a B-scanning device, by changing the orientation of the transducer unit in a common plane, an image can be designed on the screen that corresponds to the internal structure of the body in the plane of movement of the transducer.

Es ist bekannt, bei dem B-Scanning-Verfahren Verzögerungsmethoden bei der Erregung der vielfachen Elemente einer Transduktoreinheit zu verwenden, durch die jeweils ein Ultraschallstrahl erzeugt wird; dadurch wird die Wirkung der Ultraschall-Echosignale verstärkt, die von einem Bereich in dem Patienten ausgesandt werden. Es ist auch bekannt, die ausgesandten Ultraschall-Impulse in einem vorbestimmten Abstand von der Transduktoreinheit zu fokussieren. «It is known, in the B-scanning method, delay methods in the excitation of the multiple elements of a To use a transducer unit, each of which generates an ultrasonic beam; this will make the effect which amplifies ultrasonic echo signals transmitted from an area in the patient. It is also known to focus the emitted ultrasonic pulses at a predetermined distance from the transducer unit. «

Bei einer Fokussierungsart der Strahlen wird eine Transduktoreinheit benutzt, die entweder linear angeordnete oder in konzentrischen Ringen angeordnete Transduktorelemente besitzt. Die Transduktorelemente sind einzeln mit der Bildelektronik oder Bildverarbeitungselektronik so verbunden, daß sie unabhängig voneinander zur Erzeugung des ausgesandten Ultraschallstrahles erregt werden können. Oi,e einzelnen Transduktorelemente sind auch deshalb elektrisch voneinander getrennt,One type of focusing of the beams uses a transducer unit which has transductor elements either linearly arranged or arranged in concentric rings. The transducer elements are individually connected to the image electronics or image processing electronics in such a way that they can be excited independently of one another to generate the emitted ultrasonic beam. Oi, e individual transducer elements are therefore electrically separated from one another,

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damit die beim Empfang der Ultraschall-Echosignale von ihnen erzeugten elektrischen Signale getrennt verarbeitet werden können.so that the electrical signals generated by them when receiving the ultrasonic echo signals are processed separately can.

Eine Verstärkung der Transduktorempfindlichkeit für Echosignale von einem vorbestimmten Bereich kann dadurch erreicht werden, daß in angemessener Weise die von den verschiedenen Transduktorelementen erhaltenen Signale gegeneinander verzögert werden. Diese Verzögerung wird durch die Verwendung und durch die Steuerung getrennter variabler Verzögerungsschaltgruppen bewirkt, die in den jeweiligen verschiedenen elektrischen Schaltkreisen zwischengeschaltet sind, welche mit den jeweiligen Transduktorelementen verbunden sind. Um den ausgesandten Strahl zu fokussieren, werden die Transduktorelemente nach einem vorbestimmten Zeitfolgeschema erregt. Eine derartige Anordnung ist in der US-PS 3 090 030 beschrieben.An amplification of the transducer sensitivity for echo signals of a predetermined range can be achieved by appropriately selecting from the various Signals received from transductor elements are delayed from one another. This delay is caused by the Use and caused by the control of separate variable delay switching groups in the respective various electrical circuits are interposed, which are connected to the respective transductor elements are. In order to focus the emitted beam, the transductor elements are according to a predetermined time sequence scheme excited. Such an arrangement is described in US Pat. No. 3,090,030.

Derartige Systeme werden in der medizinischen Diagnose und auf anderen Gebieten in beachtlichem Ausmaß verwendet. Die Zeit, die ein solches System braucht, um ein vollständiges Bild zu erzeugen, schließt jedoch ihre Verwendung für sog. "dynamische" Untersuchungen aus. Dynamische Untersuchungen werden in Echtzeit ausgeführt, um eine Reihe von im wesentlichen zeitgleichen Bildern eines Abschnitts eines Körpers des Patienten zu erzielen. Solche in Echtzeit entwickelte Bilder sind sehr nützlich bei der Erzeugung einer Abbildung eines tatsächlichen Bewegungsvorgangs in dem untersuchten Körper. Einzelne solche Echtzeitbilder können zu "Zeitlupen"- oder "Standbild"-Darstellungen eines sich bewegenden Organs benutzt werden. Beispielsweise können solche Echtzeitsysteme bei Herzuntersuchungen verwendet werden, ob nun die Gestalt des Herzens in einem bestimmten Zeitpunkt relevant ist oder ob eine überwachung der Herzbewegung gewünscht wird.Such systems are used extensively in medical diagnosis and other fields. the However, the time that such a system needs to produce a complete image excludes its use for so-called "dynamic" examinations. Dynamic examinations are carried out in real time to a number of essentially to achieve simultaneous images of a portion of a patient's body. Such images developed in real time are very useful in generating an image of actual motion in the body being examined. Individual such Real-time images can be used to "slow motion" or "still image" representations of a moving organ. For example Such real-time systems can be used in cardiac examinations, whether the shape of the heart in one specific point in time is relevant or whether monitoring of the heart movement is desired.

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Eine Art des Echtzeit-Ultraschallbildsystems ist das elektronisch abgetastete (electronically scanned) lineare Anordnungssystem. Ein solches System benutzt eine Transduktoreinheit, die aus einer Anzahl in Reihe angeordneter Ultraschalltransduktorelemente besteht, welche im wesentlichen koplanare Energiesendeflächen besitzen. Bei einem solchen System sendet die Transduktoreinheit eine Folge von Ultraschallstrahlen mit gleichförmigem Abstand aus, während sie stationär in der Nähe des zu untersuchenden körpers während der Untersuchung gehalten wird. Die Transduktoreinheit wird nicht wie im Falle eines B-Scanners bewegt.One type of real-time ultrasound imaging system is the electronically scanned linear array system. Such a system uses a transducer unit, that of a number of ultrasonic transducer elements arranged in series consists, which have substantially coplanar energy transmission surfaces. With such a system sends the transducer unit emits a series of uniformly spaced ultrasonic beams while stationary in the Is kept close to the body to be examined during the examination. The transducer unit will not be as in the case of a B-scanner.

Es wird eine Schaltung benutzt, die so ausgelegt ist, daß sie zyklisch aufeinanderfolgende Gruppen von Transduktorelementen in einer vorbestimmten Reihenfolge oder Ordnung erregt, um immer wieder die Folge von Ultraschallenergieimpulsen längs paralleler, mit Abstand voneinander versehener Wege auszusenden. Die Empfangsschaltung erzeugt elektrische Signale, die die von den Transduktorelementen erfaßten Ultraschall-Echosignale repräsentieren. Eine Bildverarbeitungselektronik wird benutzt, um ein Kathodenstrahlanzeigesystem abhängig von den empfangenen elektrischen Signalen so zu steuern, daß ein Sichtbild der Innenstruktur des Körpers erzeugt wird. Ein solches System ist in der US-PS 3 919 683 beschrieben. Es wird jedes Mal, wenn eine zyklische Erregung aller Transduktorelementgruppen abgelaufen XSt7 ein vollständiges durch Ultraschall abgeleitetes Bild erzeugt. Eine Koordinate jedes Bildpunktes wird durch die Stelle längs der entsprechenden Achse des Weges des Ultraschallimpulses bestimmt, an der das Echosignal, von dem der Punkt abgeleitet ist, erzeugt wird. Die andere Koordinate wird durch die Zeit bestimmt, die von der Aussendung des Impulses bis zur Erfassung des rückkehrenden Echosignals verstreicht, wodurch die Tiefe des EntstehungsortsA circuit is used which is designed to cyclically energize successive groups of transducer elements in a predetermined sequence or order in order to repeatedly transmit the series of ultrasonic energy pulses along parallel, spaced-apart paths. The receiving circuit generates electrical signals which represent the ultrasonic echo signals detected by the transducer elements. Image processing electronics are used to control a cathode ray display system in response to received electrical signals to produce a visual image of the internal structure of the body. Such a system is described in U.S. Patent 3,919,683. A complete ultrasound derived image is generated every time a cyclic excitation of all transducer element groups has expired XSt 7. A coordinate of each image point is determined by the location along the corresponding axis of the path of the ultrasonic pulse at which the echo signal from which the point is derived is generated. The other coordinate is determined by the time that elapses from the emission of the pulse to the detection of the returning echo signal, which determines the depth of the place of origin

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des Echos im Körper angezeigt wird.of the echo is displayed in the body.

Es wurde vorgeschlagen, bei elektronisch abgetasteten oder gescannten linearen Anordnungssystemen die Erregung oder Einschaltung der Transduktorelemente in jeder Gruppe so zeitlich gegeneinander zu versetzen, daß der sich ergebende Ultraschallstrahl effektiv bei einem vorbestimmten Abstand von der Transduktoreinheit fokussiert wird. Es wurde weiter vorgeschlagen, die während des Empfangszeitraums empfangenen Signale ebenfalls zeitlich zu versetzen, um die Empfindlichkeit zu vergrößern und die Auflösung des Systems für Echosignale, die von einer besonderen festliegenden Tiefe innerhalb des Körpers kommen, zu verbessern.It has been suggested to use electronically scanned linear array systems to reduce excitation or activation of the transducer elements in each group offset in time so that the resulting ultrasonic beam is effective at a predetermined distance is focused by the transducer unit. It was further suggested that the received during the reception period To offset signals in time in order to increase the sensitivity and the resolution of the system for echo signals, that come from a particular fixed depth within the body.

Obwohl das Linearanordnungssystem,mit dem man Augenblicksbilder anfertigen kann, in mancher Hinsicht eine Verbesserung gegenüber dem B-Scanner darstellt, besitzt es noch manche Nachteile. Ein Nachteil besteht darin, daß in Folge der Festfokus-Empfangscharakteristik die Selektivität und die azimuth ale Auflösung der Aufnahmefähigkeit weniger als optimal ist. Bei dem linearen Anordnungssystem sind die einzigen Echosignale, für die das System selektiv empfindlich ist und für die es eine optimale Auflösung besitzt, die Signale, die in der Nähe der festen Fokustiefe entstehen. Das System bewirkt tatsächlich eine Unterscheidung gegen Echos, die aus anderen tiefen Lagen des Körpers kommen und begrenzt damit die Qualität von Bildern, die von derartigen anderen Echos, zu erhalten wären.Although the linear arrangement system with which one can take instant images can make, in some respects an improvement over the B-scanner, it still has some disadvantages. A disadvantage is that as a result of the fixed focus reception characteristic the selectivity and the azimuth ale resolution of the receptivity is less than optimal. In the linear array system, the only echo signals to which the system is selectively sensitive are and for which it has an optimal resolution, the signals that arise in the vicinity of the fixed depth of focus. The system actually causes a differentiation against echoes that come from other deeper layers of the body and thus limited the quality of images that would be obtained from such other echoes.

Die vorliegende Erfindung überwindet die genannten Nachteile dadurch, daß ein Ultraschallsystem mit elektronischer Abtastung geschaffen wird, daß sowohl Augenblicksbilder fertigen kann als auch eine verbesserte Echoempfangseigenschaft besitzt. Der letztgenannte Vorteil wird dadurch erreicht, daß ein Echoempfangsverfahren mit dynamischer Fokussierung verwendet wird und daß eine Vorrichtung mit Echtzeit-Verarbeitung benutzt wird.The present invention overcomes the aforementioned disadvantages in that an ultrasound system with electronic scanning is created that can both produce instantaneous images and has an improved echo reception property. The latter advantage is achieved by using an echo receiving method with dynamic focusing and that an apparatus with real-time processing is used.

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Die Vorrichtung nach der Erfindung besteht aus einem Echtzeit-Ultraschallbildsystem mit elektronischer Abtastung, das für die Erzeugung einer Information ausgelegt ist, das den Innenaufbau eines Untersuchungsgegenstandes wie eines Körpers eines Patienten beschreibt und zwar durch die Verwendung von Ultraschallenergie, die in den Gegenstand hinein ausgesandt wird. Das System enthält eine Einheit aus einer Anordnung von einzelnen Ultraschall-Transduktorelementen, die nebeneinander längs eines besonderen Elementweges gehalten sind. Eine Impulsgeberschaltung schaltet Gruppen von Transduktoren nach einer bestimmten Abfolge, um eine Folge von entstehenden Ultraschall-Energieimpulsen in den Körper des Patienten längs jeweiliger, voneinander getrennter Sendewege hineinzusenden. Die Impulse schreiten von dem Transduktorelernentenweg mit Schallgeschwindigkeit in dem Körper des Patienten in Querrichtung fort..The device according to the invention consists of a real-time ultrasound imaging system with electronic scanning, that is designed to generate information about the internal structure of an object of investigation such as a Describes a patient's body through the use of ultrasonic energy that penetrates into the object is sent out. The system contains a unit consisting of an arrangement of individual ultrasonic transducer elements, the are held next to each other along a special element path. A pulse generator circuit switches groups of Transductors follow a certain sequence in order to generate a series of ultrasonic energy pulses into the body of the patient along respective separate transmission paths. The impulses proceed from the transductor element path at the speed of sound in the patient's body in the transverse direction ..

Eine Empfangsschaltung oder Aufnahmeschaltung ist mit den Transduktoren gekoppelt, um elektrische Signale zu erzeugen, die Charakteristiken der Ultraschall-Echosignale darstellen, die durch die ausgestrahlten Impulse verursacht werden. Eine Anzeige- und Darstellungsvorrichtung mit einem Anzeigegerät, das eine Kathodenstrahlosζillographenröhre sein kann, erzeugt in Abhängigkeit von den elektrischen Signalen eine Anzeige, die den inneren Aufbau des Körpers des Patienten repräsentiert. Die Empfangsschaltung ist mit dem Anzeige- und Abbildungsgerät durch eine Schaltung zur dynamischen Fokussierung verbunden. Die dynamische Fokussierungsschaltung arbeitet so, daß sie die "Hör"- oder Empfangsfähigkeit des Systems fokussiert, in dem sie ausgewählt das Ansprechvermögen des Systems auf elektrische Signale anhebt,die Echos repräsentieren, die von bestimmten fokussierten Aufnahmezonen in dem zu untersuchenden Körper herkommen. Dabei liegen die Zonen nacheinander in den Ultraschall-Übermittlungswegen. Die dynamische Fokussierungsschaltung verändert die Lage der jeweiligen Empfangs-A receiving circuit or recording circuit is with the Transducers coupled to produce electrical signals representative of characteristics of the ultrasonic echo signals, caused by the emitted pulses. A display and presentation device with a display device, which can be a cathode rayless illograph tube as a function of the electrical signals, a display that represents the internal structure of the patient's body. The receiving circuit is connected to the display and imaging device through a dynamic focusing circuit. The dynamic focus circuit works to focus the "listening" or receiving capability of the system, in which it selectively increases the responsiveness of the system to electrical signals representing echoes emanating from specific focussed recording zones in the subject to be examined Body come from. The zones lie one after the other in the ultrasonic transmission paths. The dynamic focus circuit changes the position of the respective receiving

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fokussierungszone so, daß diese Lage dem entsprechenden Ultraschallenergieimpuls folgt.focusing zone so that this position corresponds to the corresponding ultrasonic energy pulse follows.

Diese dynamische Fokussierungsvorrichtung erhöht wesentlich die Empfangsempfindlichkeit und azimutale Auflösung dieses vielstrahligen Echtzeitsystems für Ultraschallechosignale und verbessert damit seine Bildqualität.This dynamic focusing device significantly increases the reception sensitivity and azimuthal resolution of this multi-beam real-time system for ultrasonic echo signals and thus improves its image quality.

Nach einem besonderen Aspekt der Erfindung bewirkt die dynamische Fokussierungsschaltung ein Hervorheben der elektrischen Signale, die den Zonen entsprechen, dadurch, daß die den jeweiligen Fokussierungszonen entsprechende Signale additiv gleichphasig gemacht werden. Diese Gruppen von Signalen werden dadurch additiv gleichphasig gemacht, daß angemessene Relativverzögerungen in den elektrischen Signalen, die durch die jeweiligen Einzelempfänger erzeugt werden, angebracht werden.According to a particular aspect of the invention, the dynamic focusing circuit brings about a highlighting of the electrical Signals corresponding to the zones, in that the signals corresponding to the respective focusing zones are additive be made in phase. These groups of signals are made additively in phase by adding appropriate relative delays attached in the electrical signals that are generated by the respective individual receivers will.

Nach einem weiteren besonderen Aspekt der Erfindung ist der durch die Anordnung der einzelnen Transduktorelemente bestimmte Weg im wesentlichen linear und die Transduktoren besitzen koplanare Ultraschallenergie-Ausstrahlungsflächen. Nach einem zusätzlichen Aspekt wird die Impulsschaltung mit den Transduktorelementen gekoppelt und enthält eine Schaltung, die eine Fokussierung jeder ausgesandten Ultraschallimpuls schar bei einem festen Fokussierungssendeabstand von der Transduktoranordnung bewirkt. Durch die Eigenschaft wird die Konzentration der Ultraschallenergie an einer besonderen Tiefe ermöglicht, die für die Untersuchung besonders interessant ist, so daß die Ultraschall-Echosignale von dieser Tiefe gegenüber denen von anderen Stellen verstärkt werden.According to a further special aspect of the invention, the arrangement of the individual transducer elements certain path is essentially linear and the transducers have coplanar ultrasonic energy emitting surfaces. According to an additional aspect, the pulse circuit is coupled to the transducer elements and contains a circuit the one focusing of each emitted ultrasonic pulse sharply at a fixed focusing transmission distance from the transducer arrangement causes. The property enables the concentration of the ultrasonic energy at a particular depth, which is particularly interesting for the investigation, so that the ultrasonic echo signals from this depth compared to those of other bodies are reinforced.

Eine weitere spezifische Eigenschaft der Erfindung betrifft die Fähigkeit der Impulsschaltung, die Transduktorgruppen in wiederholter zyklischer Abfolge einzuschalten. Damit wirdAnother specific feature of the invention relates to the ability of the pulse circuit to convert the transductor groups into to switch on repeated cyclical sequence. So that will

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die Erzeugung einer raschen Reihe von im wesentlichen Augenblicksaufnahmen ermöglicht, welche zusammen ein im wesentlichen kontinuierliches Bild ergeben, durch das die Bewegung von inneren Organen des Körpers abgebildet wird.the generation of a rapid series of essentially instantaneous shots allows, which together give a substantially continuous image through which the movement mapped by internal organs of the body.

Zum optimalen Betrieb des Systems enthält die dynamische Fokussierungsschaltung nach der Erfindung Einrichtungen, durch die die Lage der Aufnahmefokussierungszonen in Axialrichtung von der Transduktoranordnung wegbewegt werden kann mit einer Geschwindigkeit, die annähernd der Schallgeschwindigkeit in dem zu untersuchenden Gegenstand für Ultraschallimpulse gleich ist. Durch eine Synchronisierung der Bewegung jeder Aufnahmefokussierungszone mit dem Beginn des entsprechenden Ultraschallenergie-Impulses oder der Impulsgesamtheit kann erreicht werden, daß die Fokussierungszonen in dem zu untersuchenden Körper gleichzeitig mit den Wellenfronten fortschreiten, die durch die Ultraschallenergie verursacht werden. Auf diese Weise können die Zonen,in die das System am schärfsten "hineinhört" mit den fortschreitenden Ultraschallenergieimpulsen zusammenfallend gehalten werden, wodurch die Selektivität und die azimutale Auflösung der Empfangsfähigkeit des Systems gesteigert werden.For optimal operation of the system, the dynamic focusing circuit according to the invention contains devices, by means of which the position of the recording focusing zones can be moved away from the transducer arrangement in the axial direction at a speed which is approximately the speed of sound in the object to be examined for ultrasonic pulses is equal to. By synchronizing the movement of each exposure focusing zone with the beginning of the corresponding one Ultrasonic energy pulse or the whole of the pulse be achieved that the focusing zones in the to be examined Bodies progress simultaneously with the wavefronts caused by the ultrasonic energy. In this way, the zones into which the system “listens” most sharply can be identified with the advancing pulses of ultrasonic energy are kept coincident, thereby increasing the selectivity and azimuthal resolution of the system's reception capability can be increased.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:The invention is explained in more detail below, for example with reference to the drawing; in the drawing shows:

Fig. 1 eine allgemeire Darstellung des erfindungsgemäßen Systems, teilweise figürlich und teilweise als Blockschaltbild gezeigt,Fig. 1 is a general representation of the system according to the invention, partly figuratively and partly as Block diagram shown

Fig. 2 ein mehr ins einzelne gehende BlockschaltbildFigure 2 is a more detailed block diagram

mit einigen Bestandteilen des in Fig. 1 gezeigten Systems,with some components of the system shown in Fig. 1,

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Fig. 3 ein Blockschaltbild einiger Komponenten des Blockschaltbildes in Fig. 2.FIG. 3 shows a block diagram of some components of the block diagram in FIG. 2.

Das Ultraschallsichtsystem 10 in Fig. 1 stellt ein Echtzeit-Ulträschallbildsystem mit elektronischer Abtastung dar, in dem die vorliegende dynamische Fokussierung enthalten ist. Das System 10 sendet Ultraschallenergie-Impulse in den Körper eines Patienten 11 aus und erzeugt im wesentlichen Augenblicks-Abbilder des inneren Körperaufbaus des Patienten aus den Ultraschallechosignalen, die durch die ausgesandten Ultraschallimpulse verursacht werden.The ultrasound vision system 10 in FIG. 1 represents a real-time ultrasound imaging system with electronic scanning, in which the present dynamic focus is included. The system 10 sends pulses of ultrasonic energy into the body of a Patient 11 and creates essentially instantaneous images of the patient's internal structure from the Ultrasonic echo signals caused by the transmitted ultrasonic pulses caused.

Das System 10 enthält eine Ultraschalltransduktoreinheit 12 zur Aussendung der Ultraschallenergie, eine allgemein durch den Inhalt des mit unterbrochenen Linien umschlossenen Gebiets dargestellte Anzeigevorrichtung 16 zur Erzeugung der Bilder und eine dazwischengeschaltete Bildelektronik 18, die durch ein vieladriges Kabel 20 mit der Transduktoreinheit. 12 verbunden ist. Die Bildelektronik schaltet oder betätigt die Anzeigevorrichtung 16 so, daß diese entsprechende Sichtanzeigen in Abhängigkeit von den durch die Transduktoreinheit 12 erfaßten Ultraschallechosignalen erzeugt.The system 10 includes an ultrasonic transducer unit 12 to emit the ultrasonic energy, generally through the contents of the area enclosed with broken lines Display device 16 shown for generating the images and an intermediate image electronics 18, which by a multi-core cable 20 with the transducer unit. 12 connected is. The image electronics switches or operates the display device 16 so that these corresponding visual displays generated as a function of the ultrasonic echo signals detected by the transducer unit 12.

Die Transduktoreinheit 12 mit bekannter Auslegung enthält, eine Anzahl einzelner Transduktorelemente 22, die nebeneinander in im wesentlichen linearer Anordnung gehalten sind. Eine gebräuchliche Transduktoreinheit besitzt eine Reihe von 68 einzelnen Transduktorelementen. Die Transduktorelemente besitzen insgesamt koplanare Ultraschallenergie-Aussendeflachen.The transducer unit 12 of known design contains a number of individual transducer elements 22 held side by side in a substantially linear arrangement. A common transducer unit has a number of 68 individual transducer elements. The transductor elements have a total of coplanar ultrasonic energy emission surfaces.

Im Betrieb wird die Transduktoreinheit stationär gegen einen Abschnitt des Körpers des Patienten 11 angelegt. Dabei wird die akustische Kopplung dadurch verbessert, daß ein gelartiges Mittel zwischen den Aussendeflächen der Transduktoren und dem Körper des Patienten aufgetragen wird.In operation, the transducer unit is placed stationary against a section of the body of the patient 11. It will the acoustic coupling is improved in that a gel-like agent between the outer surfaces of the transducers and applied to the patient's body.

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Jedes Transduktorelement enthält ein piezoelektrisches Bauelement. Jedes Element ist für sich durch Einzeladern des Kabels 20 mit der Bildelektronik 18 verbunden. Auf diese Art können die Transduktorelemente einzeln geschaltet werden und die in Folge von ültraschallechosignalen, die von den einzelnen Transduktorelementen erfaßt wurden, erzeugten Signale können getrennt verarbeitet werden.Each transducer element contains a piezoelectric component. Each element is connected to the image electronics 18 by individual wires of the cable 20. In this manner the transductor elements can be switched individually and the ultrasonic echo signals generated by the individual Transductor elements were detected, generated signals can processed separately.

Das Anzeige- oder Sichtgerät 16 enthält einen Kathodenstrahloszillograph 24 und ein Bildschirmaufnahmegerät 26, das zur Herstellung von Aufnahmen vom Oszillographen-Bildschirm angeordnet ist. Wahlweise kann ein Abtastwandler 28 mit der Bildelektronik 18 verbunden sein. Ebenso wahlweise kann ein Videorecorder 30 angeschlossen sein, der die Ausgangssignale des Abtastkonverters empfängt und gleichfalls kann ein Monitorgerät 32 vorgesehen sein. Eine zweite Bildschirmkamera 34 kann zur Aufnahme der Sichtanzeige des Monitorgeräts vorgesehen sein.The display device 16 includes a cathode ray oscillograph 24 and a screen recording device 26, which is arranged for the production of recordings from the oscilloscope screen is. Optionally, a scan converter 28 can be connected to the image electronics 18. A video recorder can also be used as an option 30, which receives the output signals of the scanning converter, and a monitor device can also be connected 32 may be provided. A second video camera 34 can be provided to record the visual display of the monitor device be.

Im Betrieb senden die Transduktorelemente eine Reihe von im wesentlichen parallelen Ultraschallenergie-Impulsen längs jeweiliger, einen Abstand voneinander aufweisender Aussendewege aus. Dabei werden die Transduktorelementgruppen-zyklisch geschaltet nach einer bestimmten Gruppen-Reihenfolge. Auf diese Weise wird ein Folgemuster von sich ergebenden, gegenseitig einen Abstand aufweisenden, sich parallel fortpflanzenden akustischen Impulsen erzeugt. Die Elementgruppen erzeugen akustische Energieimpulse mit einer hohen Frequenz von etwa 1 MHz bis 10 MHz.In operation, the transducer elements longitudinally transmit a series of substantially parallel pulses of ultrasonic energy respective, spaced-apart emission paths. The transducer element groups become cyclic switched according to a specific group sequence. To this Way becomes a follow-up pattern of resulting, mutually spaced, parallel propagating ones acoustic impulses generated. The element groups generate acoustic energy pulses with a high frequency of about 1 MHz to 10 MHz.

Die von inneren Trennflächen im Körper des Patienten erzeugten Echosignale werden durch die Transduktorelemente erfaßt. Die Bildelektronik 18 schaltet in Abhängigkeit von den erfaßten Impulsen die Anzeige- oder Sichtvorrichtung so, daß die entsprechenden Bilder oder Sichtanzeigen erzeugt werden.The echo signals generated by internal interfaces in the patient's body are detected by the transducer elements. the Image electronics 18 switches depending on the detected Pulses the display device to produce the appropriate images or displays.

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Die Bildelektronik 18 ist als Blockschaltbild in Fig. 2 dargestellt und ist wirksam mit der Transduktoreinheit 12 mit ihren einzelnen Transduktorelementen 22 verbunden. Die Bildelektronik steuert den Einschaltzustand der Transduktorelemente, d.h. die Impulsabgabe und verarbeitet die Signale, die die Transduktorelemente auf das Erfassen der Ultraschall-Echosignale hin erzeugen. Die verarbeiteten Signale werden dann an das Anzeige- oder Sichtgerät 16 weitergegeben, wo eine Sichtanzeige der inneren Struktur des Körpers des Patienten gebildet wird.The image electronics 18 is shown as a block diagram in FIG. 2 and is effective with the transducer unit 12 connected to their individual transductor elements 22. The image electronics control the switch-on state of the transducer elements, i.e. the pulse output and processes the signals that the transductor elements respond to the detection of the Generate ultrasonic echo signals. The processed signals are then passed on to the display or viewing device 16, where a visual indication of the internal structure of the patient's body is made.

Die Bildschaltung, die in dem mit gestrichelten Linien umschlossenen Gebiet 18 in Fig. 2 dargestellt ist, stellt nur einen von etlichen, beispielsweise vier bis acht identischen Kanälen der Gesamtschaltung dar. Für die Beschreibung genügt die Erklärung eines solchen Kanals.The picture circuit included in the dashed line Area 18 shown in FIG. 2 represents only one of a number, for example four to eight, identical ones Channels of the overall circuit. An explanation of such a channel is sufficient for the description.

Im Betrieb wird die Reihe von Bildschaltungskanälen iterativ verbunden, um zusammen die Transduktorelemente einzuschalten und Signale von jeder der einander folgenden Gruppen von Transduktorelementen zu verarbeiten. Die Bildschaltung betätigt auch den Schaltkreis 42, damit dieser zyklisch die Bildschaltungs-Kanalreihe mit jeder der vorbestimmten Folge von Elementgruppen zum Einschalten verbindet, bis jede Gruppe eingeschaltet wurde. Darauf wird der Vorgang so lange wie nötig wiederholt mit einer Folgefrequenz von etwa 30 Hz. Mit jedem Zyklus wird ein Einzelbild einer durch Ultraschall abgeleiteten Bildfolge erzeugt.In operation, the series of image circuit channels are iteratively connected to together turn on the transductor elements and process signals from each of the successive groups of transducer elements. The picture switching operated also circuit 42 to cycle the image switching channel series connects to each of the predetermined sequence of power-up element groups until each group is powered-up became. The process is then repeated as long as necessary with a repetition frequency of around 30 Hz. With each cycle, a single image of an ultrasound-derived image sequence is generated.

Dieses iterative Verfahren ist dem Fachmann wohl bekannt und wird beispielsweise durch den Linearscanner Modell Nr. 595 der Picker Corporation in Northford, Connecticut, USA, ausgeführt .This iterative method is well known to those skilled in the art and is used, for example, by the linear scanner model no by Picker Corporation in Northford, Connecticut, USA.

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Die weitere Beschreibung bezieht sich, wie bereits gesagt, nur auf einen Kanal der Bildelektronik oder Bildschaltung.As already stated, the further description relates only to one channel of the image electronics or image circuit.

In jedem Kanal ist ein Impulsgeber 40 vorgesehen, um die Transduktorelemente, mit denen er iterativ verbunden ist, einzuschalten. Die Transduktorelemente werden durch den Schaltkreis 42 mit den Impulsgebern verkoppelt. Der Impulsgeber 40 erzeugt elektrische Energieimpulse, die über den Schaltkreis 42 zur Einschaltung der angeschlossenen Transduktorelemente geleitet werden, welche die elektrischen Energieimpulse in Impulse von Ultraschallenergie verwandeln, welche in einem Aussendungsweg in den Körper des Patienten geschickt werden.A pulse generator 40 is provided in each channel in order to activate the transductor elements to which it is iteratively connected. to turn on. The transductor elements are coupled to the pulse generators by the circuit 42. The pulse generator 40 generates electrical energy impulses, which via the circuit 42 are used to switch on the connected transductor elements which convert the electrical energy impulses into impulses of ultrasonic energy, which be sent in a broadcast channel into the patient's body.

Die Systemsteuerschaltung 44 steuert und beeinflußt den Betrieb des Schaltkreises 42,von Teilen der Bildelektronik 18 und von anderen Komponenten des Systems 10. Die Systemsteuerschaltung schaltet die einzelnen Elemente der Gruppen von Transduktorelementen 22 nach einer VerzögerungsZeitbeziehung ein, durch die die Fokussierung der sich ergebenden Ultraschallimpulse bei einem feststehenden Aussendungs-Fokusabstand von der linearen Transduktoranordnung erzeugt wird. Der Aussendungs-Fokusabstand kann von annähernd drei auf annähernd zehn Zentimeter verändert werden.The system control circuit 44 controls and affects the operation of the circuit 42, parts of the image electronics 18 and from other components of the system 10. The system control circuit switches the individual elements of the groups of transducer elements 22 for a delay-time relationship through which the focusing of the resulting ultrasonic pulses is generated at a fixed emission focus distance from the linear transducer array. The emission focus distance can be changed from approximately three to approximately ten centimeters.

Der Impulsgeber 40 arbeitet bei einem niedrigen Lastzyklus. Er wird durch die Systemsteuerschaltung zur Erzeugung wiederholter Energieimpulse erregt und bleibt während "Hör-" oder Aufnahmeintervallen zwischen der Abgabe von Energieimpulsen inaktiv. Während dieser Zeit können die durch die ausgesandten Ultraschallenergieimpulse erzeugten Ultraschallechosignale zu den Transduktorelementen zurückkehren, sie werden dort in elektrische Signale umgewandelt, die wiederum durch die Empfangs- oder Aufnahmeschaltung 46 und daraufhin durch die Bildelektronik und die übrigen Bestandteile des Systems 10 verarbeitet werden.The pulse generator 40 operates at a low duty cycle. It is repeated by the system control circuit to generate Energy pulses excite and remain inactive during "listening" or recording intervals between the delivery of energy pulses. During this time, the ultrasonic echo signals generated by the transmitted ultrasonic energy pulses can reach the transducer elements return, they are converted into electrical signals there, which in turn are transmitted by the receiving or recording circuit 46 and then processed by the image electronics and the remaining components of the system 10.

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Eine bekannte Abschwächer- oder Dämpferschaltung 41 ermöglicht die Einstellung der durch den Impulsgeber 40 an die Transduktorelemente angelegten Leistung.A known attenuator or attenuator circuit 41 enables the setting of the pulse generator 40 to the transductor elements applied power.

Die elektrischen Signale von der Empfangsschaltung 46 werden durch einen (wahlweise umgehbaren) logarithmischen Verstärker 50 weitergeleitet, der die Signalinformation komprimieren soll, um die azimutale Auflösung der Bilder, die das System erzeugt, zu verbessern.The electrical signals from receiving circuit 46 are passed through an (optionally bypassable) logarithmic amplifier 50, which is to compress the signal information in order to obtain the azimuthal resolution of the images generated by the system. to improve.

Eine zeitabhängige Verstärkungsregelung 48 ist zwischen die Systemsteuerschaltung 44 und die Empfangsschaltung 46 geschaltet. Bei der zeitlichen Verstärkungsregelung (TGC) wird die Verstärkung der Empfangsschaltung 46 zeitabhängig während des "Hörintervalls" erhöht, so daß von entfernteren Stellen stammende Echosignale in Bezug auf die von weniger entfernten Stellen stammendei/verstärkt werden. Dadurch wird der Amplitudenverlust ausgeglichen, der durch die zunehmende Tiefe der Echoentstehung in dem Körper des Patienten erzeugt wird.A time-dependent gain control 48 is connected between the system control circuit 44 and the receiving circuit 46. With the temporal gain control (TGC), the gain of the receiving circuit 46 is time-dependent during the "listening interval" so that echo signals originating from more distant places i / amplifies with respect to those originating from less distant places will. This compensates for the loss of amplitude caused by the increasing depth of the echo generation in the patient's body is produced.

Das Ausgangssignal des logarithmischen Verstärkers 50 wird an eine Fokussierungs-Verzögerungsschaltung 52 angelegt. Die Fokussierungs-Verzögerungsschaltung 52 verzögert unter Beeinflussung durch die Systemsteuerschaltung 44 den Durchgang von Signalen, die von der Empfangsschaltung 46 herkommen, nach einem vorbestimmten Programm. Das Programm wird so ausgewählt, daß es mit anderen Verzögerungsprogrammen in den anderen Kanälen für die Signale von anderen Empfangsschaltungen zusammenwirkt. Die Signale von der Empfangsschaltung 46 werden so verzögert, daß bei der Vereinigung dieser zeitverzögerten Signale mit den anderen, von anderen Transduktoren stammenden und zusammenwirkend durch andere Kanäle verzögerten Signalen diese Verzögerung eine Empfangs-Fokussierungszone ergibt. Die Empfangs-Fokussierungszone wird so errichtet, daß Signale, die aus Echosignalen stammen, die innerhalb der Zone erzeugt werden, additiv gleichphasig gemacht werden, wodurch eine konstruktive Interferenz erzeugt wird. Die Empfangsempfindlichkeit des Systems wird so selektiv verbessert für Signale aus der bestimmten Zone.The output of the logarithmic amplifier 50 is sent to a Focus delay circuit 52 is applied. The focus delay circuit 52, under the influence of the system control circuit 44, delays the passage of signals from the Receiving circuit 46 come from, according to a predetermined program. The program is selected to be compatible with other delay programs in the other channels for the signals from other receiving circuits cooperates. The signals from the receiving circuit 46 are delayed so that when these time-delayed signals are combined with the others, from other transducers originating and interacting delayed signals by other channels, this delay results in a receiving focus zone. The receiving focus zone is established so that signals which originate from echo signals that are generated within the zone, are made additively in-phase, creating a constructive Interference is generated. The reception sensitivity of the system is selectively improved for signals from the specific zone.

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"20" 1900950" 20 " 1900950

Darüberhinaus werden die verschiedenen Verzögerungsprogramme für die durch die Echosignale erzeugten Signale so ausgewählt, daß die Empfangsfokussierungszonen in die Tiefe des Patientenkörpers hine;in im wesentlichen zusammenfallend und synchron mit den erzeugten ausgesandten Ultraschallimpulsen fortschreiten.In addition, the various delay programs for the signals generated by the echo signals are selected so that the receiving focussing zones in the depth of the patient's body in; in essentially coincident and synchronous with the generated the transmitted ultrasonic pulses progress.

Die auf diese Weise durch die Fokussierungsverzögerungsschaltung 52 verzögerten Signale werden an eine bekannte Gewichtungsschaltung 54 angelegt, die die von zentral gelegenen Transduktorelementen in Beziehung auf die gerade eingeschaltete Elementengruppe stammenden Signale schwerer gewichtet. Bekannte Gewichtungsverfahren, die für den Anwendungsfall geeignet sind, sind das Gauss'sehe und das Hamming's ehe Gewichtungsverfahren.The in this way through the focus delay circuit 52 delayed signals are applied to a known weighting circuit 54, which is the from centrally located transductor elements signals originating in relation to the element group that has just been switched on are weighted more heavily. Known weighting methods that are suitable for the application, the Gausses and the Hamming's marriage weighting method.

Die gewichteten Signale werden dann an einen Eingang eines Addierverstärkers 56 angelegt* Der Addierverstärker empfängt auch Signale von den anderen Gewichtungsschaltungen 54 der anderen Kanäle und erzeugt ein Gesamtsignal, das eine Funktion all dieser eingegebenen Signale ist.The weighted signals are then fed to an input of an adding amplifier 56 applied * The adding amplifier also receives signals from the other weighting circuits 54 of the other channels and produces a total signal that is a function of all of these input signals.

Die Signale des Addierverstärkers 56 bilden einen Eingang für einen Detektorverstärker 60, der gleichzeitig die Bandbreite der Hochfrequenzsignale verringert und sie gleichrichtet. Das Ausgangssignal des Detektorverstärkers wird an den Kathodenstrahloszillographen 24 und, wenn vorhanden, an den Abtastwandler 28 angelegt. Im Kathodenstrahl — Oszillographen 24 wird in bekannter Weise die Amplitude des Oszillographensignals gesteuert.The signals from the adding amplifier 56 form an input for one Detector amplifier 60, which at the same time reduces the bandwidth of the high frequency signals and rectifies them. The output signal of the detector amplifier is applied to the cathode ray oscilloscope 24 and, if present, to the scan transducer 28. The cathode ray oscilloscope 24 is used in a known manner controlled the amplitude of the oscilloscope signal.

Diese Signale werden durch das bereits besprochene Anzeige- oder Sichtgerät gewandelt, um eine Sichtanzeige der internen Struktur des Patienten zu erhalten.These signals are converted by the display or viewing device already discussed to provide a visual display of the internal structure of the patient.

Die Systemsteuerschaltung ergibt gleichzeitig Signale zur Steuerung des Betriebs des Oszillographen 24. Insbesondere betätigt die Systemsteuerschaltung die Ablenkplatten des Oszillographen, umThe system control circuit provides signals for control at the same time of the operation of the oscilloscope 24. In particular, the actuates System control circuitry the oscilloscope baffles to

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den Oszillographen-Bildpunkt an eine Stelle in einer Achse zu richten, die der Stelle auf dem Weg des jeweiligen ausgesandten Ultraschallimpulses entspricht, der gerade erzeugt und/oder verarbeitet wird. Darüberhinaus triggert die Systemsteuerschaltung die Oszillographenkippung an der anderen Achse synchron mit dem Beginn des entsprechenden ültraschallimpulses. Dazu wird ein Verfahren und eine Vorrichtung benutzt, die in dem bereits angeführten Linearscanner Modell Nr. 595 112 enthalten sind. Der angeführte Linearscanner enthält auch Bestandteile, die den besprochenen Impulsgebern, Abschwächern, Empfängerschaltungen, logarithmischen Verstärkern, Gewichtungsschaltungen, TGC-Schaltungen und der Addierschaltung entsprechen.to direct the oscilloscope image point to a point in an axis that corresponds to the point on the path of the particular emitted Corresponds to the ultrasonic pulse that is being generated and / or processed. In addition, the system control circuit triggers the oscilloscope tilting on the other axis synchronously with the start of the corresponding ultrasonic pulse. To do this, a The method and apparatus included in the Model No. 595 112 linear scanner mentioned above are used. Of the The listed linear scanners also contain components that correspond to the discussed pulse generators, attenuators, receiver circuits, logarithmic amplifiers, weighting circuits, TGC circuits and correspond to the adding circuit.

Die Fokussierungs-Verzögerungsschaltung 52 ist im einzelnen als Blockschaltbild in Figur 3 gezeigt. Diese Schaltung enthält ein CCD-Verzögerungselement 7Oy um steuerbar Signale zu verzögern, die von dem logarithmischen Verstärker empfangen und an die Gewichtungsschaltung weitergegeben werden. Insbesondere verzögert das CCD-Verzögerungselement durchlaufende Signale in einem Zeitplan, der eine Funktion einer eingegebenen Taktfrequenz ist, die an dem Verzögerungsgerät anliegt. Ein programmierter Frequenz-Synthesizer 72 gibt ein genau frequenzgesteuertes Programm von Signalen an das Verzögerungselement 70, gesteuert durch binäre Eingangssignale, ab, welche die verschiedenen vorbestimmten Programmfrequenzen repräsentieren. Ein geta_kteter Festwertspeicher (ROM) 74 liefert eine vorbestimmte Folge von Binärzahlen, die die programmierten Frequenzen darstellen, an den programmierten Frequenzsynthesizer. Ein Taktgeber 76 treibt den ROM 74 so an, daß die vorbestimmte Folge von binären, jeweils Frequenzen darstellenden Signalen erzeugt wird. Der Taktgeber und der programmierter Frequenzsynthesizer werden durch die Systemsteuerschaltung gesteuert. The focus delay circuit 52 is shown in detail as a block diagram in FIG. This circuit contains a CCD delay element 7O y to controllably delay signals that are received by the logarithmic amplifier and passed on to the weighting circuit. In particular, the CCD delay element delays signals passing through in a schedule that is a function of an input clock frequency applied to the delay device. A programmed frequency synthesizer 72 outputs a precisely frequency-controlled program of signals to the delay element 70, controlled by binary input signals, which represent the various predetermined program frequencies. A clocked read-only memory (ROM) 74 supplies a predetermined sequence of binary numbers which represent the programmed frequencies to the programmed frequency synthesizer. A clock 76 drives the ROM 74 to generate the predetermined sequence of binary signals each representing frequencies. The clock and the programmed frequency synthesizer are controlled by the system control circuit.

Die Systemsteuerschaltung und das Verzögerungselement 70, der programmierte Frequenzsynthesizer 72, der Festwertspeicher 74 und der Taktgeber 76 sind in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung P (internes Aktenzeichen P 3078) beschrieben. Darin ist die Systemsteuerschaltung in Figur 9 bis 11 undThe system control circuit and the delay element 70, the programmed frequency synthesizer 72, the read only memory 74 and the clock generator 76 are described in the simultaneously filed patent application P (internal file number P 3078). Therein is the system control circuit in Figures 9-11 and

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dem zugehörigen Beschreibungsteil gekennzeichnet, das Verzögerungselement ist insbesondere in Figur 6, der programmierte Frequenzsynthesizer, der Festwertspeicher und die Taktschaltung in Bezug auf Figur 4 bis 8 der bezeichneten Anmeldung beschrieben.the associated part of the description, the delay element is particularly shown in Figure 6, the programmed frequency synthesizer, the read-only memory and the clock circuit are described with reference to FIGS. 4 to 8 of the designated application.

Bei Bestimmung des jeweils erforderlichen Frequenzprogramms für das jeweilige Verzögerungselement 70, um die erforderliche Verzögerungsverteilung in den jeweiligen Bildelektronikkanälen zu schaffen, wird eine Reihe von mathematischen Berechnungen in der später beschriebenen Weise durchgeführt, um die jeweilige Verzögerungszeit-Verteilung für jeden Kanal zu bestimmen. Wenn dies erledigt ist, wird das Frequenzprogramm für das jeweilige Verzögerungselement in jedem Kanal routinemäßig bestimmt und zwar in Abhängigkeit von den besonderen Eigenschaften des verwendeten CCD-Verzögerungselementes, um die erforderliche Verzögerungsverteilung zu bewirken. Der Festwertspeicher 74 des jeweiligen Kanals wird so ausgewählt und/oder programmiert, daß er auf das Taktsignal hin eine Folge von zeitlich genau abgestimmten Binärsignalen entsprechend den Frequenzwerten abgibt, die zur Ausführung des vorgeschriebenen Frequenzprogramms erforderlich sind.When determining the frequency program required in each case for the respective delay element 70, in order to obtain the required delay distribution To create in the respective picture electronics channels, a series of mathematical calculations is carried out in the manner described later performed to the respective delay time distribution to be determined for each channel. When this has been done, the frequency program for the respective delay element in each channel is routinely determined as a function of the special properties of the CCD delay element used in order to effect the required delay distribution. The read-only memory 74 of the respective channel is selected and / or programmed in such a way that, in response to the clock signal, a sequence of emits precisely timed binary signals corresponding to the frequency values required for executing the prescribed frequency program required are.

Die Auswahl der genauen Verzögerungsverteilung für die verschiedenen Kanäle der Bildelektronik hängt von den Parametern des jeweiligen erfindungsgemäßen Systems und seiner beabsichtigten Verwendung ab. Die Auswahl der Verteilung hängt auch von der Schallgeschwindigkeit in dem zu untersuchenden Körper oder Gegenstand ab, und von der maximalen Tiefe, bis zu der die fokussierten Empfangszonen sich bewegen sollen. Die Auswahl hängt auch von der Anzahl der Transduktoren in jeder Gruppe, von ihrem Abstand und von der Anzahl der Kanäle der Bildelektronik ab. Ein verallgemeinertes geeignetes Verfahren für die mathemtische Berechnung der verschiedenen Verzögerungsverteilungen, aus denen die erforderlichen Frequenzwerte für das jeweilige Verzögerungselement 70 routinemäßig bestimmt werden können, wird in der folgenden Veröffentlichung dargelegt, die hier ausdrücklich zum Offenbarungsgehalt der Anmeldung gemacht wird:Choosing the exact delay distribution for the various The channels of the image electronics depend on the parameters of the particular system according to the invention and its intended use. The selection of the distribution also depends on the speed of sound in the body or object to be examined, and on the maximum depth to which the focused reception zones should move. The choice also depends on the number of transducers in each group, on their spacing and on the number of channels of the image electronics. A generalized suitable procedure for the mathematical calculation of the various delay distributions, from which the required frequency values for the respective delay element 70 are routinely determined is set out in the following publication, which is here expressly made the disclosure content of the application:

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Walker, J. T. u.a. "A Digitally Controlled CCD Dynamically Focused Phased Array" 1975 ultrasonics Symposium Proceedings, I.E.E.E. Cat. No. 75 CHO 994-USU.Walker, J. T. et al. "A Digitally Controlled CCD Dynamically Focused Phased Array" 1975 ultrasonics Symposium Proceedings, I.E.E.E. Cat. No. 75 CHO 994-USU.

Damit wird ein Echtzeit-Ultraschallbildsystem mit elektronischer Abtastung für medizinische Diagnoseuntersuchungen erhalten. Das System enthält eine lineare Anordnung von Ultraschall-Transduktoren. Eine Impuls-Abtastschaltung schaltet aufeinanderfolgend eine Reihe von Transduktorengruppen und durch das Einschalten jeder Gruppe wird eine Reihe von entsprechenden Ultraschallenergieimpulsen längs jeweiliger Aussendewege in den Körper eines Patienten ausgesendet. Eine Empfangsschaltung erzeugt elektrische Signale aufgrund der durch die Ultraschallenergieimpulse erregten Ultraschall-Echosignale, die durch die Transduktoren erfaßt werden. Eine Bildelektronik verarbeitet die elektrischen Signale so, daß sie an ein Anzeige- und Sichtgerät weitergegeben werden und dieses betätigen, so daß ein sichtbares Abbild der internen Struktur des Körpers des Patienten erzeugt wird.A real-time ultrasound imaging system with electronic scanning for medical diagnostic examinations is thus obtained. That System includes a linear array of ultrasonic transducers. A pulse sampling circuit successively switches a series of groups of transducers and by turning them on Each group will generate a series of corresponding pulses of ultrasonic energy along respective pathways into a patient's body sent out. A receiving circuit generates electrical signals based on the ultrasonic echo signals excited by the ultrasonic energy pulses, which are detected by the transducers. Image electronics process the electrical signals so that they are passed on to a display and viewing device and operate it so that a visible image of the internal structure of the Body of the patient is generated.

Bei der Einschaltung jeder Gruppe von Transduktoren schaltet die Impulsgeberschaltung einzelne Transduktoren der Gruppe in einem zeitlichen Ablauf, wodurch die entsprechend erzeugten Ultraschallimpulse in einem ausgewählten Aussende-Fokussierungsabstand von der Transduktoranordnung fokussiert werden. Eine Verzögerungsschaltung und eine dynamische Fokussierungsschaltung, die mit der Empfangsschaltung verbunden ist, ergibt eine additive Gleichphasensteuerung, um jene elektrischen Signale hervorzuheben, die durch Echosignale erzeugt werden, die von ausgewählten Fokussierungsempf angszonen im Körper des Patienten entstehen. Jede Fokussierungs-Empfangszone wird so ausgewählt, daß sie einen Abschnitt des Aussendeweges umgibt, längs dem ein entsprechender Ultraschallimpuls sich fortpflanzt.When each group of transducers is switched on, the Pulse generator circuit individual transducers of the group in a time sequence, whereby the correspondingly generated ultrasonic pulses be focused at a selected emitting focusing distance from the transductor assembly. A delay circuit and a dynamic focus circuit associated with connected to the receiving circuit results in an additive in-phase control, to highlight those electrical signals generated by echo signals received from selected focus receivers Anxiety zones arise in the patient's body. Any focus receiving zone is selected to surround a portion of the transmission path along which a corresponding ultrasonic pulse reproduces.

Die dynamische Fokussierungsschaltung ändert die Verzögerungseigenschaften, die durch die Verzögerungsschaltung erzeugt werden, so, daß der Ort jeder Fokussierungsempfangszone in vorbestimmbarerThe dynamic focus circuit changes the delay characteristics, generated by the delay circuit so that the location of each focus receiving zone in a predeterminable

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Weise mit der Zeit verändert wird. Insbesondere läuft durch die Einwirkung der dynamischen Fokussierungsschaltung jede Empfangsfokussierungszone dem entsprechenden voranschreitenden Ultraschallenergieimpuls nach, während dieser sich von der Transduktoranordnung in den Körper des Patienten fortpflanzt, um damit wahlweise Way is changed over time. In particular, each receiving focusing zone runs through the action of the dynamic focusing circuit following the corresponding advancing pulse of ultrasonic energy as it moves away from the transducer assembly reproduced in the patient's body to make it optional

1. die Empfangsempfindlichkeit für die durch den sich fortpflanzenden Impuls erzeugten Echosignale zu verbessern und1. the reception sensitivity for those procreated by the Impulse generated echo signals and improve

2. die azimutale Auflösung des Systems zu erhöhen.2. to increase the azimuthal resolution of the system.

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Claims (17)

Verfahren und.Vorrichtung für Ultraschallabbildungen mit dynamischer Fokussierung und elektronischer AbtastungMethod and device for ultrasound imaging with dynamic focusing and electronic scanning PatentansprücheClaims Echtzeit-Ultraschallabbildungssystem mit elektronischer Abtastung zur Erzeugung einer Information, die den Innenaufbau eines zu untersuchenden Körpers durch Verwendung von in den Körper ausgesandter Ultraschallenergie darstellt, dadurch gekennzeichnet.Real-time ultrasound imaging system with electronic scanning to generate information about the internal structure represents a body to be examined by using ultrasonic energy emitted into the body, characterized. a) daß eine Transduktoreinheit (12) mit einer Reihe von Ultraschall-Transduktorelementen (22) vorgesehen ist, wobei die Transduktorelemente gegenseitig feststehend nebeneinander angeordnet sind und einen Elementweg bestimmen,a) that a transducer unit (12) with a number of Ultrasonic transducer elements (22) is provided, the transductor elements being mutually fixed are arranged next to each other and define an element path, 9098AO/05I29098AO / 05I2 MANITZ ■ FINSTERWAL - HEYN MORGAN 8000 MÜNCHEN 22 ROBERT-KOCH-STRASSE 1 TEL (083) 2242 It TELEX 05-29672 PATMFMANITZ ■ FINSTERWAL - HEYN MORGAN 8000 MUNICH 22 ROBERT-KOCH-STRASSE 1 TEL (083) 2242 It TELEX 05-29672 PATMF . b) daß eine Impuls- und Abtastschaltung (40, 42, 44) vorgesehen ist, um aufeinander folgend Gruppen von Transduktoren zur Aussendung einer Folge von sich dadurch ergebenden, auf den Körper (11) einfallenden Ultraschallenergieimpulsen quer zu dem Elementenweg längs jeweiliger Aussendewege mit akustischer Geschwindigkeit anzuregen,. b) that a pulse and sampling circuit (40, 42, 44) is provided to successively groups of transducers for emitting a sequence of resulting ultrasonic energy pulses incident on the body (11) across the element path along respective emission paths with acoustic speed to stimulate c) daß eine auf die von den Transduktoren erzeugten Signale reagierende Empfangsschaltung (46) zur Erzeugung elektrischer Signale vorgesehen ist, die die durch die ausgesandten Ultraschallimpulse verursachten Ultraschallechosignale repräsentieren,c) that a responsive to the signals generated by the transducers receiving circuit (46) for generating electrical Signals are provided, which are the ultrasonic echo signals caused by the emitted ultrasonic pulses represent, d) daß eine Abbilde- und Anzeigeanordnung (16) vorgesehen ist, die auf die elektrischen Signale hin eine Darstellung des Innenaufbaus des Körpers (11) erzeugt,d) that an image and display arrangement (16) is provided which shows a representation in response to the electrical signals the internal structure of the body (11) is generated, e) daß eine Signalübertragungsschaltung (50, 52, 54, 56, 60) zwischen die Empfangsschaltung (46) und die Abbilde- und Anzeigeeinrichtung (16) geschaltet ist, welche eine Schaltung (70) zur Erzeugung einer einstellbaren Zeitverzögerung beim Signaldurchgang enthält, unde) that a signal transmission circuit (50, 52, 54, 56, 60) is connected between the receiving circuit (46) and the imaging and display device (16), which one Includes circuit (70) for generating an adjustable time delay in the signal passage, and f) daß eine dynamische Fokussierungsschaltung (72, 74, 76) zur Steuerung der Größe der durch die Verzögerungsschaltung (70) erzeugten Zeitverzögerung vorgesehen ist, um wahlweise die Empfangsempfindlichkeit und die azimutale Auflösung des Systems (10) in Bezug auf von ausgewählten Aufnahmefokussierungszonen ausgehende Echosignale repräsentierende elektrische Signale zu erhöhen und um die tage der Aufnahmefokussierungszonen zeitabhängig zu verändern.f) that a dynamic focus circuit (72, 74, 76) for controlling the size of the delay circuit (70) generated time delay is provided to selectively set the reception sensitivity and the azimuthal Resolution of the system (10) with respect to echo signals representing echo signals emanating from selected recording focusing zones to increase electrical signals and to change the days of the exposure focusing zones depending on the time change. 909840/0512909840/0512 OFHGfNAL INSPECTEDOFHGfNAL INSPECTED 28009502800950 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Fokussierungsschaltung eine Schaltung (54) zur Schaffung einer additiven Phasenübereinstimmung von einigen der elektrischen Signale enthält, wodurch eine konstruktive Interferenz erzeugt wird.2. System according to claim 1, characterized in that that the dynamic focusing circuit includes a circuit (54) for creating an additive phase match of some of the electrical signals, thereby creating constructive interference. 3. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet ,3. System according to claim 1, characterized in that a) daß der Elementenweg im wesentlichen linear ist, unda) that the element path is essentially linear, and b) daß die Transduktoren im wesentlichen koplanare Ultraschallenergie-Aussendeflächen besitzen·b) that the transducers have essentially coplanar ultrasonic energy emission surfaces 4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Übertragungsschaltung (41) vorgesehen ist, um die Transduktoren so zu betreiben, daß jeder der entstehenden ausgesandten Ultraschallimpulse fokussiert ist.4. System according to claim 1, characterized in that that a transmission circuit (41) is provided to operate the transducers so that each of the resulting emitted ultrasonic pulses is focused. 5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Impulsgeberschaltung eine Einrichtung (42) zum Einschalten der Gruppen von Transduktoren (22) in zyklischer wiederholter Abfolge enthält.5. System according to claim 1, characterized in that that the pulse generator circuit has a device (42) for switching on the groups of transducers (22) in a cyclically repeated sequence. 6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die dynamische Fokussierungsschaltung Einrichtungen (72, 74, 76) enthält, um den Ort der Aufnahmefokussierungszonen in Axialrichtung von dem durch die Transduktoren (22) bestimmten Elementenweg mit annähernd Schallgeschwindigkeit und im wesentlichen zusammenfallend mit den Ultraschallenergieimpulsen wegzubewegen.6. System according to claim 1, characterized in that that the dynamic focus circuit includes means (72, 74, 76) to determine the location of the receiving focus zones in the axial direction of the element path determined by the transducers (22) at approximately the speed of sound and move away substantially coincident with the pulses of ultrasonic energy. 7. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Aussende-Fokussierungsschaltung (41) jeden entstehenden ausgesandten Ultraschallimpuls im wesentlichen mit einem feststehenden Aussendungs-Fokusabstand quer zu dem7. System according to claim 4, characterized in that that the emission-focusing circuit (41) essentially with each resulting emitted ultrasonic pulse a fixed emission focus distance across the 909840/0512909840/0512 durch die Transduktoren bestimmten Weg fokussiert.focused by the transductors specific path. 8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,8. System according to claim 1, characterized in that anderenothers a) daß jede Empfangsfokussierungszone einem entstehendena) that each receiving focussing zone is an emerging ausgesandten ültraschallenergieimpuls entspricht, undtransmitted ultrasonic energy pulse corresponds, and b) daß die dynamische Fokussierungsschaltung eine Bewegung der Lage jeder Aufnahmefokussierungszone derart verursacht, daß diese sich allgemein mit dem entsprechenden Ultraschallimpuls zusammenfallend in den Körper (11) hineinbewegt.b) that the dynamic focusing circuit causes a movement of the position of each recording focusing zone in such a way that that these generally coincide with the corresponding ultrasonic pulse in the body (11) moved in. 9. Verfahren zur Überprüfung des Innenaufbaus eines Körpers durch die Verwendung elektronisch geschalteter Ultraschallenergie, die in den Körper von einer im allgemein linearen Transduktoranordnung ausgesandt wird, dadurch gekennzeichnet, 9. Procedure for checking the internal structure of a body through the use of electronically switched ultrasonic energy that enters the body from a generally linear Transductor arrangement is sent out, characterized in that a) daß eine Folge von auftreffenden Ultraschallimpulsen in den Körper (11) mit einer Eindringgeschwindigkeit und längs jeweiliger Aussendungswege erzeugt wird,a) that a sequence of incident ultrasonic pulses into the body (11) with a penetration speed and is generated along the respective transmission paths, b) daß aus xn dem Körper durch die auffallenden Energieimpulse erzeugten Echosignalen elektrische Signale erzeugt werden,b) that from xn the body by the incident energy pulses generated echo signals electrical signals be generated, c) daß ausgewählte elektrische Signale, die Echosignale entsprechen, welche von ausgewählten Empfangsfokussierungszonen in dem Körper her stammen, hervorgehoben werden, wobei jede Empfangsfokussierungszone einen Teil eines Aussendeweges eines entsprechenden Energieimpulses umgibt,c) that selected electrical signals, the echo signals corresponding, which originate from selected receiving focussing zones in the body, are highlighted, each receiving focusing zone surrounding a part of a transmission path of a corresponding energy pulse, d) daß die Lagen der Empfangsfokussierungszonen zeitabhängig verändert werden mußd) that the positions of the receiving focusing zones must be changed as a function of time 909840/0512909840/0512 e) daß auf die elektrischen Signale hin eine Anzeige erzeugt wird, die den Innenaufbau des Körpers beschreibt.e) that in response to the electrical signals, a display is generated which describes the internal structure of the body. 10. Verfahren nach Anspruch S1 dadurch gekennzeichnet, daß die ausgesandten Ultraschallimpulse so erzeugt werden, daß eine Reihe von Ultraschallimpulsen längs im wesentlichen paralleler in Linearrichtung voneinander mit Abstand versehener Aussendewege ausgesendet werden.10. The method according to claim S 1, characterized in that the emitted ultrasonic pulses are generated in such a way that a series of ultrasonic pulses are emitted along substantially parallel transmission paths spaced apart from one another in the linear direction. 11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Hervorheben bestimmter elektrischer Signale die elektrischen Signale additiv gleichphasig gemacht werden.11. The method according to claim 9, characterized in that that to emphasize certain electrical signals, the electrical signals are made additively in-phase will. 12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der ausgesandten Ultraschallimpulse bei einem feststehenden Übertragungs-Fokusabstand von der Transduktoranordnung fokussiert wird.12. The method according to claim 9, characterized in that that each of the transmitted ultrasonic pulses at a fixed transmission focus distance from the Transductor assembly is focused. 13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aussendung die Aussendung der Folge von ausgesandten Ultraschallimpulsen zyklisch wiederholt wird.13. The method according to claim 9, characterized in that that during the transmission, the transmission of the sequence of transmitted ultrasonic pulses is repeated cyclically. 14. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei der zeitlichen Veränderung die Lage jeder Empfangsfokussxerungszone zum Zurückweichen in den Körper mit annähernd der Ausbreitungsgeschwindigkeit und allgemein zu-14. The method according to claim 9, characterized in that that with the temporal change the position of each reception focus zone to recede into the body with approximately the speed of propagation and generally satnnenfallerd mit dem entsprechenden Ultraschallenergieimpuls gebracht wird.satnnenfallerd with the corresponding ultrasonic energy pulse is brought. 15. Linear angeordnetes elektronisch geschaltetes Echtzeit-Ultraschallabbild-System, dadurch gekennzeichnet, 15.Linearly arranged, electronically switched real-time ultrasound imaging system, characterized, 9098A0/0S129098A0 / 0S12 a) daß eine Transduktoreinheit (12) mit linear angeordneten Transduktoren (22) vorgesehen ist,a) that a transducer unit (12) with linearly arranged Transducers (22) is provided, b) daß eine Bildschaltung (18) mit der Transduktoreinheit (12) zur Aussendung aufeinanderfolgender, voneinander einen Abstand aufweisender und paralleler Ultraschallstrahlen und zur Umwandlung von Energie aus Ultraschallechosignalen in Bilddarstellungssignale während eines "Horch-"Zeitraums verbunden ist,b) that a picture circuit (18) with the transductor unit (12) for transmitting successive, from each other spaced and parallel ultrasonic beams and for converting energy from ultrasonic echo signals is connected in image display signals during a "listening" period, c) daß eine dynamische Fokussierungsschaltung (52) mit der Bildschaltung verbunden zur Fokussierung der Aufnahmeempfindlichkeit des Systems in Aufnahmefokussierungszonen und zur Erzeugung einer Lageveränderung der Zonen in Verfolgung der Ultraschallenergie vorgesehen ist, undc) that a dynamic focusing circuit (52) with connected to the image circuit to focus the recording sensitivity of the system in recording focusing zones and for generating a change in position of the zones in pursuit of ultrasonic energy is provided, and d) daß eine Anzeigeanordnung (16) vorgesehen ist, die aus den Bilddarstellungssignalen ein aus Ultraschallenergie abgeleitetes Bild erzeugt.d) that a display arrangement (16) is provided which consists of generates an image derived from ultrasonic energy for the image display signals. 16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (41) zur Fokussierung der Ultraschallstrahlen vorgesehen ist.16. System according to claim 15, characterized in that that a circuit (41) is provided for focusing the ultrasonic beams. 17. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildschaltung eine Einrichtung (41) enthält, die die Transduktoreinheit (12) zur Erzeugung einer wiederholten Abfolge voneinander mit Abstand versehener paralleler Ultraschallstrahlen betätigt.17. System according to claim 15, characterized in that that the image circuit contains a device (41) which the transducer unit (12) for generating a repeated Actuated sequence of spaced parallel ultrasonic beams. 909840/0512909840/0512
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