DE3025628A1

DE3025628A1 - Echtzeit-ultraschall-abbildungssystem

Info

Publication number: DE3025628A1
Application number: DE3025628A
Authority: DE
Inventors: Weston Arthur Anderson
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Diasonics Inc
Priority date: 1979-07-09
Filing date: 1980-07-07
Publication date: 1981-01-29
Also published as: CA1141855A; DE3025628C2; GB2053476B; US4290310A; FR2461265A1; GB2053476A; FR2461265B1; JPS5615738A

Description

einrichtungen in jedem der Kanäle zu empfangen und diese Daten so zu kombinieren und zu verarbeiten, daß ein Echtzeitbild des untersuchten Körperteils entsteht. Zeitgeneratoreinrichtungen in jedem der Kanäle, die mit der Sender- und der Speichereinrichtung verbunden sind, die diesem Kanal zugeordnet sind, aktivieren die jeweiligen Wandler zu vorbestimmten Zeitpunkten, um die Wandler zu phasen, um auf diese Weise eine Lenkung und Fokussierung der Anordnung zu ermöglichen. Die Zeitgeneratoreinrichtung funktioniert auch in der Weise, daß Daten in den Speicher gegattert werden und zu einem späteren Zeitpunkt die Daten aus dem Speicher (in vorbestimmten Intervallen) herausgegattert werden, so daß die Körperteilen kontrolliert werden, von denen die rückgestrahlte Schallenergie empfangen wird, und um ein Lenken und Fokussieren der Wändleranordnung während des Empfangsbetriebes der Anordnung zu ermöglichen. Steuer-Logikeinrichtungen sind mit den Zeitgeneratoreinrichtungen verbunden, um den ersteren zu ermöglichen, Signale für die Speichereinrichtungen und Sender in jedem der Kanäle zu schaffen.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen und die Methodologie zur Durchführung einer medizinischen Diagnose und insbesondere ein System und eine Methodologie, in der Ultraschalltechniken für solche Zwecke verwendet werden.

Im Laufe der letzten zwei oder drei Jahrzehnte hat die Ultraschalltechnologie eine immer größere Rolle in der medizinischen Diagnose gespielt. Solche Techniken finden Anwendung bei der Diagnose von verschiedenen medizinischen Leiden, bei denen es nützlich ist, innere Körperorgane mit dem Ziel zu untersuchen, daß Merkmale oder Aspekte solcher Organe lokalisiert werden, die eine Krankheit, eine AbnormaHtät oder dergl. anzeigen können.

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Die ersten Systeme dieser Art hatten nur sehr beschränkte Möglichkeiten und Anzeigefunktionen, kürzlich sind jedoch sehr fortschrittliche Geräte in Gebrauch gekommen, die in der Lage sind, Echtzeit-Bilder oder aufgezeichnete Bilder mit ausgezeichneten Details und guter Auflösung von gewünschten Teilen von untersuchten Körperorganen zu erzielen. In einem typischen Gerät dieser Art besteht der mit dem System benutzte Wandler aus einer Phasenanordnung, die aus einer Vielzahl von Wandlerelementen besteht, die in einer kompakten, linearen Anordnung angeordnet sind. Jedes Wandlerelement ist mit einem geeigneten Sender und Empfänger verbunden, und die Sendeimpulse werden phasenmäßig so beeinflußt, daß der emittierte Schallstrahl in die gewünschte Richtung gelenkt und in dieser auch fokussiert wird. Einstellbare Verzögerungen in jedem Empfängerkanal verbessern den Empfang aus der gewünschten Tiefe und aus der gleichen Richtung wie der Sendeschallstrahl. Durch geeignete Kontrolle der Zeitgabe der Spannungen, die an die Wandlerelemente angelegt werden, und durch Kontrolle der einstellbaren Verzögerungen der getrennten Empfängerkanäle kann der Strahl auf jeden gewünschten Winkel eines fächerförmigen Sektors gelenkt werden und zu jeder gewünschten Tiefe fokussiert werden. Die Arbeitsweise der gelenkten Anordnung 1st derart, daß eine Vielzahl von Radiallinien, die den fächerförmigen Sektor definieren, nacheinander erzeugt werden, wobei eine relativ hohe Anzahl von solchen Radiallinien oder Radialzeilen, typischerweise in der Größenordnung von 128 Linien oder Zeilen, bei der Erzeugung des ganzen Sektors benutzt wird.

Der Satz von solchen Radialzeilen wird innerhalb einer kurzen Periode erzeugt, typischerweise in der Größenordnung von 1/30 Sekunde, so daß die entsprechende Darstellung auf der Kathodenstrahlröhre des Systems im wesentlichen ein Echtzeit-Bild hoher Auflösung der untersuchten Körperorganteile ist. Die sichtbare Darstellung ist in der in der einschlägigen Technik eingeführten Terminologie eine sog. B-Modus-Abtastung, d.h. eine, bei der Variationen der akustischen Impedanz des Gewebes in HelligkeitsVariationen auf dem Bildschirm umgesetzt werden.

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Details der bekannten Signal Verarbeitungstechniken, die in Vorrichtungen der erwähnten Art benutzt werden, um das erwähnte Fächer-Sektorbild zu erzeugen, sind an einer Anzahl von Stellen zu finden, beispielsweise US-PS 4 005 382.

Eine Betrachtung der bekannten Systeme zeigt, daß die Verzögerungsmechanismen, die gewöhnlich dazu verwendet werden, um das Lenken und Fokussieren der empfangenen Signale zu bewirken, auf Verzögerungsleitungen beruhen, wobei verschiedene Arten von Schaltmechanismen dazu verwendet werden, eine selektive Schaltung unter diesen Verzögerungsleitungen zu ermöglichen. Diese Lösung ist zwar in vernünftigem Rahmen für die interessierenden Zwecke wirksam, leidet jedoch unter einer Anzahl von wichtigen Nachteilen. Dazu gehören die hohen Kosten von Verzögerungsleitungen, insbesondere in so weit, als das Zeit-Bandbreite-Produkt, aufgrund dessen Verzögerungsleitungen bewertet werden und mit denen die Kosten von Verzögerungsleitungen entsprechend korreliert sind, die einen relativ wichtigen Faktor bei Systemen dieser Art bilden. Insbesondere für Systeme mit großer Apertur, die erforderlich ist, um außerordentlich hohe Auflösung zu erhalten, erfordern diese bekannten Systeme Verzögerungsleitungen mit großen Verzögerungszeiten; als Folge davon ist das Produkt Zeit-Bandbreite notwendigerweise sehr hoch.

In Anbetracht der erwähnten Tatsache, daß für Systeme mit großer Apertur die Daten notwendigerweise durch eine Anzahl von solchen Verzögerungsleitungselementen wandern müssen, und anderen Dingen, ergibt sich eine entsprechende Forderung für eine beträchtliche Anzahl von solchen Verzögerungsleitungselementen, mit entsprechend höherer Schaltungskomplexität.

Es kann deshalb als Ziel der Erfindung angesehen werden, ein Ultraschallabbildungssystem zu schaffen, bei dem eine digitale Steuerung und Speichereinrichtung verwendet wird, zum Lenken und Fokussieren der Sende- und Empfangs-Teile des Systems, bei dem auf diese Weise die Verwendung der erwähnten Verzögerungsleitungen und die mit deren

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Verwendung zusammenhängenden Probleme eliminiert sind.

Weiter soll durch die Erfindung ein Ultraschallabb-ildungssystem dieser Art verfügbar gemacht werden, bei dem die gleiche digital gesteuerte Verzögerungseinrichtung dazu verwendet wird. Sende- und Empfangs-Zeitsignaie zu erzeugen, so daß ein einfaches und wenig aufwendiges System möglich ist.

Wetter soll durch die Erfindung ein UTtraschall-Abbildungssystem dieser Art verfügbar gemacht werden, das dank der digitalen Steuerung mit genormten, handelsüblichen Teilen aufgebaut werden kann sowie mit einer beträchtlichen Flexibilität in den Elementen, beispielsweise den Speichereinrichtungen, die in das System eingebaut sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Ultraschall-Abbildungssystem beschrieben, das eine Anordnung aus Wandlern aufweist, die dazu geeignet sind, Ultraschall energie in einen durch Ultraschall zu untersuchenden Körper zu schicken und rückgestrahlte Schall energie von Stellen innerhalb des Körpers aufzunehmen. Die Anordnung arbeitet mit einer Vielzahl von Signalkanälen zusammen, die Sendezweige und Empfangszwei ge aufweisen. Die Sendezweige aktivieren Wandler, um Schallenergie abzugeben; die Empfangszwei ge empfangen elektrische Signale von Wandlern, die der rückgestrahlten Energie entsprechen. Speichereinrichtungen sind in jedem der Empfängerzweige vorgesehen, um Daten zu empfangen und zu speichern, die den Signalpegel der rückgestrahlten Energie anzeigen, die vom Empfangszweig aufgenommen worden ist.

Bildeinrichtungen erhalten die Daten von den Speichereinrichtungen in jedem der erwähnten Kanäle und kombinieren und verarbeiten die Daten in der Weise, daß eine bildliche Darstellung des untersuchten Körperteils erhalten wird.

Zeitgeneratoreinrichtungen in jedem Kanal sind mit dem Sendezweig und den Speichereinrichtungen verbunden, die diesem Kanal zugeordnet sind, um die Wandler zu vorgegebenen Zeitpunkten zu aktivieren, um die Wandler einzuphasen, um auf diese Weise ein Lenken und Fokussieren der Anordnung zu ermöglichen; und weiter dazu, die Daten in den Speicher zu Zeitpunkten einzugattem, die gegen die Aktivierung der Wandler um vorgegebene Intervalle verzögert sind; auf diese Weise werden die Körpersteilen kontrolliert, aus denen die rückgestrahlte Schallenergie empfangen wird, und dazu, die Daten aus dem Speicher zu Zeitpunkten auszugattern, die gegen die Eingatterzeiten verzögert sind, wodurch eine Lenkung und Fokussierung der Wandleranordnung während des Empfangsbetriebes möglich ist. Steuerlogikeinrichtungen sind mit dem Zeitgenerator verbunden, um die Signale für die Speichereinrichtungen und die Sendezweige in jedem der Kanäle vorzubereiten.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann die Speichereinrichtung aus einem seriellen Analogspeicher (Serial Analog Memory = SAM) bestehen. Bei einer solchen Einrichtung vom Hybridtyp wird das analoge Eingangssignal, das durch den erwähnten Empfangszweig eines bestimmten Kanals wandert, zeitlich abgefragt, und eine Vielzahl (beispielsweise 64) solcher Abfrageresultate kann auf der Basis erster Eingang = erster Ausgang (first-in,.first-out = FIFO) gespeichert werden. Der Zeitgenerator, bei dem es sich um einen Festwertspeicher (read-only memory = ROM) in Verbindung mit einem voreingestellten Zähler handeln kann, aktiviert die Sender wie erwähnt und liefert dann in richtiger Beziehung stehende Zeitsignale an den SAM, um das Einlesen von Signaldaten mit entsprechender Verzögerung gegen die Aktivierung des Wandlers vorzubereiten, und deren Auslesen zu einem entsprechenden späteren Zeitpunkt, um eine entsprechende Verzögerung fllr das empfangene Signal zu erhalten.

Bei einer anderen AusfUhrungsform der Erfindung kann die Speichereinrichtung aus einem Ladungstransportspeicher (charge coupled device = CCD)

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bestehen. Die Zeitgeneratoreinrichtung liefert gesteuerte Taktsignale an den CCD-Speicher , so daß das Analogsignal, das im Empfängerζweig eines bestimmten Kanals läuft, wieder zeitlich abgefragt wird und eine Vielzahl solcher Abfrageergebnisse im CCD-Speicher fllr eine ausgewählte, vorbestimmte Zeitspanne gespeichert werden. Die auf diese Weise durch den CCD eingeführte Verzögerungsperiode kann dadurch gesteuert werden, daß der CCD sequentiell mit zwei unterschiedlichen getaktet wird, derart, daß, nach der Anzahl von Taktimpulsen, die dazu erforderlich sind, ein Signal durch den CCD durchzuschieben, sich die ganze Impulsfolge wiederholt. Jedes analoge Bit, das in den CCD eintritt, erfährt also die gleiche Gesamtverzögerung wie jedes andere Bit, wobei jedoch die Verzögerung von der relativen Anzahl von Taktimpulsen mit der jeweils unterschiedlichen Frequenz abhängt.

Bei noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Speichereinrichtung aus einem Erster Eingang - Erster Ausgang - Speicher (FIFO) bestehen, wobei die Analogsignal eingänge vom Kanal mittels eines Analog-Digital-Converters (ADC) einem FIFO zugeführt werden. Ein Festwertspeicher (ROM) und zugehörige Zähler- und Gattereinrichtungen können wieder bei dieser AusfUhrungsform dazu verwendet werden, die Wandler in jedem Kanal zu aktivieren,und zur Zeitgabe des Einlesens und Auslesens in die bzw. aus den FIFOs.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:

Fig. 1 ein schematiches Blockschaltbild eines Ultraschallabbildungssystems nach den Prinzipien der Erfindung;

Fig. 2 ein schematisches elektrisches Blockschaltbild, bei dem für eine erste Ausführungsform der Erfindung die Hauptelemente dargestellt sind, die in einem der Kanäle der Fig. 1 vorhanden sind;

Fig. 3 ein schematisches elektrisches Blockschaltbild der prinzipiellen Elemente, die bei einer zweiten AusfUhrungsform

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der Erfindung vorhanden sind;

Fig. 4 ein vereinfachtes, schematisches Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines weiteren Systems entsprechend den Prinzipien der Erfindung; und

Fig. 5 ein weiteres schematisches Blockschaltbild fUr Details eines der Kanäle, die in der AusfUhrungsform nach Fig. 4 vorgesehen sind.

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild, das den Betrieb eines Ultraschall abbildungssystems IO nach den Prinzipien der Erfindung illustriert.

Das Abbildungssystem 10 arbeitet aufgrund von Ultraschallprinzipien und ist hauptsächlich gedacht zur Verwendung bei der Diagnose von Körpersystemen und -organen, d»h. für medizinische Zwecke, obwohl es für den einschlägigen Fachmann ersichtlich ist, daß das System auch bei anderen Anwendungsfällen nützlich ist, beispielsweise bei der zerstörungsfreien Untersuchung von mechanischen Teilen und Werkstoffen.

Zwei Wandlerkanäle 12 und 14 sind in Fig. 1 dargestellt. Jeder Kanal weist einen Sendezweig und einen Empfangszweig 20 auf, die entweder mit einem einzigen Sende-/Empfangs-Wandler 16 verbunden sind, wie für Kanal 12 dargestellt, oder statt dessen mit einem Sende-Wandier 16A bzw. einem Empfangs-Wandler 16B, wie für Kanal 14 dargestellt. Die beiden Kanäle 12 und 14 stellen nur einen Teil einer Vielzahl von solchen Kanälen dar, in einem typischen System können 32 oder mehr solche Kanäle tatsächlich vorhanden sein. Alle Kanäle sind normalerweise identisch, und das System 10 weist normalerweise nur eine der alternativen Wandleranordnungen auf, die in Verbindung mit Kanälen und 14 dargestellt sind.

Es sind zwar verschiedene Wandlerkonfigurationen bekannt und brauchbar in Verbindung mit der Erzeugung von zweidimensionalen Bildern und können auch bei der Erfindung verwendet werden, die Wandler 16 bilden jedoch vorzugsweise Teil eines Phasenarrays, das beispielsweise aus

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eines Vielzahl solcher Elemente 16 besteht, beispielsweise 32 solche Elemente, die in einer kompakten Linearanordnung angeordnet sind.

Unter Bezug auf einen einzigen Kanal 12 wird ein Sender 22 Über Steuerleitung 24 Über eine Zeitgeneratoreinrichtung 26 periodisch aktiviert. Der letztere wird wiederum von einer Hauptsteuerung 28 aktiviert, die eine Gesamtsteuerung und -logik für das System enthält, und zwar Über Lenk - und Fokussier-Steuerung 30. Die Elemente 28 und 30 sind selbstverständlich in ähnlicher Welse mit entsprechenden Elementen in jedem der vielen Kanäle verbunden. Die Sender, wie 22, werden auf diese Welse so aktiviert, daß sie Impulse mit der gewünschten.Ultraschall frequenz aussenden. Die Aktivierung und resultierende Erzeugung der Impulse wird damit durch die Zeitfolge der Spannungen phasenmäßig gesteuert, die an die einzelnen Wandler 16 angelegt werden, um den abgegebenen Schall strahl in die gewünschte Richtung zu lenken.

Schallenergie wird dann von verschiedenen Stellen des Körpers oder Organsystems reflektiert, das untersucht werden soll. Die reflektierten Impulse werden vom Wandler 16 detektiert und das resultierende Analogsignal läuft durch den Empfangszweig 20, wo es 1m Vorverstärker 32 verstärkt wird und dann zu einer Speichereinrichtung 34 läuft. Die Speichereinrichtung 34 dient effektiv als Puffer oder Speicherelement, in dem die 1m Empfangszweig 20 laufenden Signale durch entsprechendes Einlesen in den und Auslesen aus dem Speicher für gewünschte Perlöden mit Bezug auf den Sendeimpuls verzögert werden können, dessen Echoreflektionen vom System betrachtet werden. Ersichtlich liefert also der erwähnte Zeitgenerator 26 auch Zeitsignale über Leitung 36 zur Speichereinrichtung 34. Diese Ze1ts1gnale kontrollleren das Einlesen und Auslesen von Information, die 1m Empfangszweig 20 zur Speichereinrichtung 34 fließt. Durch geeignete Einstellung der Zeitsignale werden entsprechend einstellbare Verzögerungen 1n den verschiedenen Empfangskanälen ermöglicht, so daß die Wandleranordnung so gephast wird, daß während des Abbildungsprozesses Lenken und Fokussieren auf einen interessierenden Bereich des untersuchten Körpers möglich ist.

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Die Ausgänge von den Spei ehereinrichtungen 34 in jedem der Kanäle 12, 14 usw. werden einer Summierschaltung 37 zugeführt, deren summierter Ausgang an einen Videoverstärker 38, einen Videodetektor 40 und von dort einer Bildschirmeinrichtung 42 zugeführt wird. Die erwähnte Hauptsteuerung 28 gibt Signale an Ablenkschaltung 44, um den Aufbau des Video-Bildes mit dem Modulationssignal zu synchronisieren, das von der Summierschaltung 37 kommt. In einer typischen Bilddarstellung wird eine Anzahl von Radialzeilen, die einen fächerförmigen Sektor definieren, nacheinander auf der Bilddarstellung erzeugt, wobei eine relativ hohe Anzahl von solchen Radialzellen, typischerweise im Bereich von 64 bis 256,im Laufe der Erzeugung des ganzen Sektors verwendet wird.

Weitere Details hinsichtlich der Signal Verarbeitungstechniken, die in Verbindung mit der Wandleranordnung verwendet werden, um den erwähnten fächerförmigen Sektor zu erzeugen, sind in der US-PS 4 005 382 enthalten.

Fig. 2 zeigt mit näheren Einzelheiten eine erste AusfUhrungsform der Erfindung, wobei diese Figur einen der Kanäle, beispielsweise Kanal 12, des Systems nach Fig. 1 enthält und zeigt.

Entsprechend der Erfindung und unter Steuerung von der Hauptsteuerung 28 wird ein Lenk- und Fokussier-Wort von der Lenk- und Fokussier-Steuerung

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30 zum ROM 46 über Leitung/gegeben, bei dem es sich um ein Mehrleiterkabel handeln kann. Typ1scherweise kann das Lenk- und Fokussier-Wort beispielsweise aus zehn Binärstellen bestehen, von denen sieben die Lenkrichtung für die Wandleranordnung und drei die Fokusslertiefe repräsentieren. Das ROM wandelt dieses Bitmuster in eines um, das direkter von den Sende- und Empfangs-Steuerschaltungen Interpretiert werden kann. Insbesondere werden die Ausgangsleitungen 48 vom ROM 46 an die voreingestellten Dateneingangsanschlllsse 49 eines voreingestellten Zählers 50 gekoppelt. Der letztere kann beispielsweise ein 6-Bit-Zähler sein, der sechs voreingestellte Bits Über Leitung 48 erfordert.

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Ein Haupttaktgeber 52 liefert Taktimpulse an alle Teile des Systems, in denen diese erforderlich sind, einschließlich über Leitung 54 an den voreingestellten Zähler 50. Der Zähler 50 zählt diese Impulse, der Zähler 50 wird von einer Lokal steuerung 56 gesteuert, die ersichtlich Kontrollsignale Über Leitungen 58 und 60 an die Vorbereitungs- und Lade-Kontrollen des Zählers 50 liefert.

Aufgrund eines Befehls von der Hauptsteuerung 28, der über Leitung zur Lokal steuerung 56 kommt, wird das Bit-Muster vom ROM 46 in die Voreinstelleingänge 49 des Zählers 50 geladen. Genauer gesagt wird das durch einen Befehl auf Leitung 60 erreicht. Unmittelbar danach aktiviert die Lokal steuerung 56 Leitung 58, so daß der Zähler 50 vorbereitet wird, vom durch den voreingestellten Wert gesetzten Originalwert zu starten, nach oben zu zählen. Wenn der Zähler 50 die Maxima!zählung erreicht, erscheint ein Impuls auf der Obertragleitung 74, die mit der Lokalsteuerung 56 und zwei UND-Gattern 76 und 78 gekoppelt 1st. Der erste Obertragimpuls wird dazu verwendet, die Aktivierung des Senders 22 zu kontrollieren, d.h. durch den Ausgang des UND-Gatters 76 auf Leitung 80. Der zweite und folgende Impulse werden vom Sender 22 mittels UND-Gatter 76 blockiert und werden statt dessen über UND-Gatter 78 zur Empfangs-Verzögerungseinrichtung gekoppelt.

Wie bereits erwähnt, bildet die Verzögerungseinrichtung nach der Erfindung eine Speichereinrichtung, die 1n der vorliegenden AusfUhrungsform die Form eines seriellen Analogspeichers 82, d.h. eines sog. SAM hat.

Der erwähnte SAM, d.h. der serielle Analogspeicher, gehört zu einer Klasse von Festkörpergeräten, die 1n der Welse arbeiten, daß ein analoges Eingangssignal zeitlich abgefragt wird und eine Speicherung auf der Basis Erster Eingang » Erster Ausgang für eine bestimmte Anzahl von Abfragewerten liefert, 1m vorliegenden Beispiel für 64 solche Abfragewerte. Der Speicher 82 kann beispielsweise ein SAM 64 der Fe. Reticon Corporation, Sunnyvale, CaI., USA, sein.

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Die Empfangs-Verzögerungszeit, die durch diese Technik erreicht werden kann, 1st gleich der Zeitdifferenz zwischen dem Start-Eln-Impuls, der über UND-Gatter 78 und Leitung 84 zum SAM 82 kommt, und dem Start-Aus-Impuls, der Über Leitung 70 zum SAM 82 kommt. Diese Zeitdifferenz 1st damit durch die Zeit bestimmt, die dazu erforderlich ist, eine volle Zählung 64 des Zählers 68 nach Aktivierung durch das Vorbereitungssignal über Leitung 59 von der Hauptsteuerung 28 zu erreichen, und der Zelt, die dazu erforderlich ist, eine volle Zählung des voreingestellten Zählers 50 zu erhalten. Diese Zeitdifferenz wird damit als Folge der Werte kontrolliert, die vom ROM 46 auf die Dateneingänge 48 gesetzt sind, was, wie bereits erwähnt, eine Funktion des gewünschten Lenkwinkels und der Fokusslertiefe 1st, die von der Lenk- und Fokussier-Steuerung 30 befohlen ist. Es ist also klar, daß dieser gleiche Mechanismus dazu verwendet wird, die Aktivierung des Senders 22 in geeigneter Welse zu verzögern, um den gleichen Lenkwinkel und die gleiche Fokussiertlefe zu erreichen. Der in geeigneter Weise verzögerte Ausgang vom SAM 82 wird damit auf S1gnalausgangsle1tung 86 vorbereitet und der Summlerschaltung .37 für die oben besprochenen Zwecke zugeleitet.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser AusfUhrungsform werden die Empfangssignale in einem CCD-Speicher (charge-coupled device = Ladungstransportspeicher) gespeichert.

In Fig. 3 ist ein Signalkanal 100 dargestellt, mit einem Sendezweig 102, einem Empfangszweig 104 und einer Zeltgeneratoreinrichtung 106. Der Wandler 108 ist mit Wandler 110 und Vorverstärker 112 gekoppelt, wie in Verbindung mit Fig. 1 und 2 diskutiert. Der Ausgang des Vorverstärkers 112 ist mit einer Speichereinrichtung 114 gekoppelt, bei der es sich bei dieser AusfUhrungsform um einen CCD-Speicher handelt, beispielsweise ein Bit-analoges Schieberegister, das von der Fa. Fairchild Camera and Instrument Corporation Mountain View, CaI., USA, unter der Typenbezeichnung CCD 321 hergestellt wird. Die Zeitgeneratoreinrichtung 106 wird dazu verwendet, die Signal Verzögerungszeit 1m CCD-Spe1cher

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zu steuern, und um die Aktivierung des Senders 110 zu kontrollieren, um auf diese Welse eine Lenkung und Fokussierung im Kanal 100 entsprechend der Hauptsteuerung 28 und der Lenk- und Fokussiersteuerung 30 zu erhalten. Die Ze1tgeneratore1nr1chtung 106 gibt entsprechend gezeitete Signale auf Leitung 116 ab, um den Sender 110 zu aktivieren, und liefert einen Zug von Taktimpulsen Über Leitung 118 an den CCD-Speicher 114. Der Haupttaktgeber 134, die Hauptsteuerung 28 und die Lenk- und Fokussier-Steuerung 30 liefern Identische Takt- und Steuersignale an alle Kanäle einschließlich Kanal 100. Beispielsweise kann ein Phasenarray-Ultraschall-Abbildungssystem insgesamt 16 oder 32 Kanäle enthalten, wie in Verbindung mit Flg. 1 besprochen.

Unter der Kontrolle von der Hauptsteuerung 28 wird ein Lenk- und Fokuss1er-Wort von der Lenk- und Fokussier-Steuerung 30 über Leitung 48 an ROM 120 gegeben. Die Lokal steuerung 122 wird über Leitung 124 von der Hauptsteuerung 28 initialisiert. Als erster Schritt in einer Folge von Operationen initialisiert die Lokal steuerung 122 Zähler 126, 128, 130 und Latch 132 (Verbindungen nicht dargestellt). In diesem Anfangszustand 1st der TJ-Ausgang des Latch 180 wahr und der Q-Ausgang falsch. Signale vom Haupttaktgeber 134 sind an den Takteingang des Zählers 126 gekoppelt. Dieser Zähler teilt die Takteingangsfrequenz durch einen Wert M oder M¹, Je nach dem Zustand des Latch 132. Die Q- und TJ-Ausgänge des Latch 132 sind 1n entsprechender Weise mit entsprechenden voreingestellten Eingangsleitungen 136 des Zählers 126 gekoppelt. Andere voreingestellte Eingangsleitungen können 1n geeigneter Weise entweder an positive Spannung oder an Masse angeschlossen sein, je nach den gewUnschten Teilern M oder M¹. In einem typischen Ausflihrungsbeispiel kann der Haupttaktgeber 134 eine Frequenz von 60 MHz erzeugen, und der Zähler 126 kann anfänglich mit Latch 132 und den voreingestellten Eingangsleitungen 136 so eingestellt sein, daß der Zähler 126 in der Lage 1st, durch M = 3 zu teilen, so daß sich auf der Leitung 138 eine Ausgangsfrequenz von 20 MHz ergibt. Diese Ausgangsfrequenz wird zu den Takteingängen der Zähler 128 und 130 gekoppelt, und kann auch durch UND-Gatter 140 an den Takteingang des CCD-Speichers 114 gekoppelt sein.

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Zähler 130 startet das Zählen von einem Wert, der durch die voreingestellte Eingangszahl bestimmt 1st, die über Leitung 142 vom ROM 120 angelegt wird. Wenn der Zähler 130 seinen Maximalwert erreicht, erscheint ein Signal auf der Obertragsieitung 144, der Latch 132 setzt, so daß der Q-Ausgang wahr wird, so daß eine positive Spannung auf der Q-Ausgangsleitung 146 erscheint. Der Wechsel der Logikpegel Q und $, die über Voreinsteilei ηgänge 136 zum Zähler 126 kommen, ändert den Divisor des Zählers 126 auf einen neuen Wert M', ein typischer Wert kann beispielsweise sein M¹ = 4, so daß sich eine Ausgangsfrequenz auf Leitung 138 von 15 MHz ergibt. Diese neue Frequenz auf Leitung 138 wird an die Zähler 126, 128 und 130 geliefert. Irgendwelche zusätzlichen Ausgangssignale vom Zähler 130 über Leitung 144 haben keinen weiteren Effekt, da das Latch 132 bereits gesetzt 1st.

Wenn der Zähler 128 seine Maximal zählung erreicht, erscheint ein Übertragssignal auf Leitung 148, das gleichzeitig Latch 132 zurücksetzt, so daß IJ wieder wahr wird und das Signal auf Leitung 148 auch Zähler mit einem neuen voreingestellten Wert vom ROM 120 lädt. Das erste Mal, daß das Signal auf Leitung 148 nach der Initialisierung von der Lokalsteuerung 122 erscheint, wird dieses Signal Über UND-Gatter 150 zum Sender 102 gekoppelt. Dieses Gatter wird durch ein Signal auf Leitung von der Lokal steuerung 122 betrieben. In allen folgenden Zyklen 1st das Signal auf Leitung 152 nicht vorhanden, sondern es 1st ein Signal auf Leitung 154 vorhanden. Das Signal auf Leitung 154 erlaubt es dem UND_ Gatter 140, die Ausgangsfrequenz auf Leitung 138 zum CCD-Speicher 114 zu koppeln.

Die Zeitaktivierung des Senders 102 1st damit durch die beiden Taktfrequenzen bestimmt, die auf der Leitung 138 am Ausgang des Zählers 126 erscheinen, und den Wert des voreingestellten Eingangs am Zähler 130 (sowie die maximale Zählung der Zähler 128 und 130). Wenn die beiden Taktfrequenzen auf Leitung 138 f und f sind, η die Anzahl von Impulsen, die dazu erforderlich sind, den Zähler 130 zu füllen, wenn dieser vom voreingestellten Wert startet, der vom ROM 120 eingegeben 1st, und N

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die Anzahl von Impulsen 1st, die den Zähler 128 füllen, dann 1st die gesamte Verzögerungszelt λ zwischen der Initialisierung durch die Lokäl steuerung 122 und dem Ausgangsimpuls auf Leitung 148 gegeben durch

Im Betrieb wird dafür gesorgt, daß der Zähler 128 eine Gesamtzählung N hat, die gleich der Anzahl der Verzögerungsstufen 1m CCD-Speicher 114 1st, d.h. N Taktimpulse müssen an die Takteingangsleitung 118 angelegt werden, um ein Signal von der E1ngangsKlemmel56 zur Ausgangs klemme 158 des CCD-Speichers 162 zu verschieben. Da, wie oben erwähnt, η durch den Wert des Ausgangs des ROM 120 festgelegt 1st, kann man also die relative ZUndzeit der Sender und die Gesamtverzö'gerungszeiten der Signale, die durch die CCD-Kanäle durchlaufen, 1n Schritten von ( 1/f - 1/f¹ | variieren. Wie erwähnt, sind typische Werte fUr f und f 15 und 20 MHz, so daß Verzögerungsschritte von 16 2/3 Nanosekunden In diesem Beispiel möglich sind. Der CCD-Speicher 114 kann beispielsweise ein analoges Schieberegister Fairchild Type 321 sein. Dieser CCD hat eine maximale Taktfrequenz von 20 MHz und besteht aus zwei 455-Bit-Analogschieberegistem. Die maximale Schrittverzögerung, die in diesem Ausführungsbe1sp1el erreicht werden kann, 1st also gleich 455 mal 16 2/3 Nanosekunden, oder 7,583 MikroSekunden. Wenn größere Verzögerungsschrittwerte erwünscht sind, können zwei oder mehr Sektionen zusammengeschaltet werden, um größere Zeltverzögerungen zu erhalten.

Es 1st zu erwähnen, daß zwar der CCD-Speicher sequentiell mit zwei verschiedenen Frequenzen getaktet wird, während ein analoges Signal bit durch den Speicher durchläuft, fUr einen festen Wert von n, Jedoch Jedes analoge Signal bit die gleiche Anzahl von Impulsen bei Jeder Frequenz erfährt, und damit die gleiche gesamte Zeltverzögerung.

F1g. 4 zeigt ein schematiches Blockschaltbild einer weiteren Ausführungs· form der Erfindung. Bei diestr AusfUhrungsform werden die Empfangssignale, die in der Speichereinrichtung gespeichert werden, mit einem

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Analog-Digital-Converter in digitale Form gebracht und dann einem FIFO-Speicher zugeführt.

In Fig. 4 ist wieder ein Signalkanal 160 gezeigt, der mit einem Wandler 162 assoziiert ist, wie in Verbindung mit Fig. 1, 2 und 3 besprochen. Im vorliegenden Fall ist nur der Empfangszweig 164 des Kanals 1m Detail dargestellt. Zusätzlich 1st zu berücksichtigen, da3 eine Vielzahl von Kanälen, wie 160, tatsächlich vorhanden sind, von denen jeder mit einem Wandler assoziiert 1st. Um die Darstellung und die folgende Erläuterung zu vereinfachen, wird hauptsächlich auf die Operationen 1m Kanal 160 Bezug genommen, da in jedem Falle die Operationen in den verschiedenen Kanälen identisch sind.

Es soll deshalb angenommen werden, daß der Sender 166 anfänglich mit einem Signal 168 aktiviert worden ist, um den Wandler 162 zu aktivleren und damit einen Ul traschall Impuls zu erzeugen, der Wandler detektiert dann die rückkehrende Schall energie vom untersuchten Körper, und das resultierende elektrische Analogsignal läuft Über Empfangszweig 164 durch Vorverstärker 169.

An diesem Punkt wird das vom Vorverstärker 169 kommende Signal im ADC 170 digitalisiert, dessen Abfragerate mit der FIFO-VADC-Steuerung 172 gesteuert wird.

Der Ausgang des ADC 170 wird dann 1n digitale Verzögerungseinrichtungen gegeben, die in der dargestellten AusfUhrungsform der Erfindung aus einem FIFO-Digitalspeicher 174 (Digitalspeicher mit Erster Eingang = Erster Ausgang). Das Einlesen und Auslesen in den bzw. aus dem FIFO-Speicher 174 wird mit der Steuerung 172 gesteuert.

Das geeignet verzögerte Signal, das vom FIFO 174 ausgelesen wird, wird dann einer Summierschaltung 176 zugeführt, wo es mit den Signalen von den Empfangszwei gen der verschiedenen anderen Kanäle kombiniert wird (die in ähnlicher Weise mit der FIFO-/ADC-Steuerung 172 gesteuert werden) und das resultierende kombinierte Video-Ausgangssignal wird

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fUr Bilddarstellungszwecke verwendet, wie in Verbindung mit Fig. 1 und 2 besprochen.

Fig. 5 zeigt ein schematiches Blockschaltbild mit Details der Art und Weise, in der das Signal im Empfangszweig 164 des Kanals 160 in den FIF0-Spe1cher 174 eingelesen und aus diesem ausgelesen wird.

Vor der Aktivierung des Wandlers 162 1n der erwähnten Weise liefert die Steuerung 178 einen RucksteilImpuls auf Leitung 180, die die Zähler und 184sowie den FIFO 174 und die beiden Flipflops 186 und 188 zurücksetzt. Danach liefert die Steuerung 178 einen Startimpuls über Leitung 190, der über Leitung 192 fortläuft und die Zähler 182 und 184 vorbereitet. Dieser Startimpuls kann auch dazu verwendet werden, den Sender 162 zu zünden,oder die Zeltgabe des ZUndimpulses für den Sender kann mit diesem Startimpuls gesteuert werden.

Vorher war der RUcksteilimpuls auf Leitung 180 auch über Leitung 194 zum Zähler 184 gekommen, der entsprechend mit den zugehörigen Lenk- und Fokusslerdaten vom ROM 196 geladen 1st. Solche Daten gehen an die Voreins teil eingänge des Zählers 184, bei dem es sich um einen voreingestellten Zähler handelt. Taktimpulse werden von einem Taktgeber 195 an beide Zähler 182 und 184 geliefert. Wenn die Zählung 1m Zähler Ihren Maximalwert erreicht, erscheint ein Impuls auf Übertragsausgang 198 und geht an-Flipflop 188. Der Q-Ausgang des Flipflop 188 wird durch den Impuls vom Zähler 184 aktiviert und bereitet UND-Gatter 199 vor. Das UND-Gatter 199, das ebenfalls Taktimpulse vom Taktgeber 195 über Leitung 201 erhält, sendet nach Aktivierung die Taktimpulse über Leitung 200 an den Einstart-Eingang des FIFO 174. Diese Einstartimpulse erlauben ein Einlesen der digitalisierten Daten vom ADC 170 in den FIFO 174.

Der restliche Zähler 182 Tiefert nach Erreichung seiner maximalen Zählung einen Impuls im Obertragsausgang 202, der einen Ausgang auf

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Leitung 204 des Flipflop 186 ergibt. Dadurch wird das UND-Gatter vorbereitet, das Taktimpuls^ über Leitung 208 vom Taktgeber 195 erhält. Der resultierende getaktete Ausgang vom UND-Gatter 206 bereitet den FIFO 174 vor, so daß dieser startet, Impulse aus seinem Speicher zu takten. Das resultierende digitale Ausgangssignal wird auf diese Weise in geeigneter Weise durch den zeitlichen Unterschied zwischen dem Auftreten des Einstart- und Ausstart-Signals zum FIFO verzögert.

Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit speziellen AusfUhrungsformen erläutert worden, ersichtlich sind jedoch viele Varianten für den Fachmann möglich.

Beispielsweise sind die speziellen Speichereinrichtungen, die im vorangehenden beschrieben sind, lediglich Beispiele für eine Anzahl von erfindungsgemäß verwendbaren Speichereinrichtungen. Statt daß die beschriebenen SAM- oder FIFO-Speicher benutzt werden, können die im Empfangskanal laufenden Signale durch Speicherung in einem RAM (Speicher mit willkürlichem Zugriff) verzögert werden. In diesem Fall werden die Eingangs- und Ausgangs-Adressen der gespeicherten Daten durch Einlese- und Auslese-Adressenzähler getaktet, so daß die Zeit zwischen Einlesen und Auslesen der Daten der gewünschten Verzögerung entspricht. Der Einlese-Adressenzähler kann deshalb, wie bei der Besprechung der AusfUhrungsbeispiele mit Lenk- und Fokussier-Daten von einem ROM voreingestellt werden, so daß die Zeit des Einlesens mit solchen voreingestellten Daten korreliert ist, während die Auslese-Adressen aller Kanäle gleichzeitig getaktet werden. Die Zelt zwischen dem Zeltpunkt, an dem eine spezielle Adresse eingelesen und die gleiche Adresse ausgelesen wird, wird dann so gewählt, daß sie der geforderten Verzögerungszelt der Signal daten entspricht.

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Claims

Vl P514 D Pate η tan s.ρ r U c h e

1. Echtzeit-Ultraschall-Abbildungssystem, mit einer Anordnung von Wandlern» die dazu geeignet sind, Ultraschalienergie in einen mit Ultraschall zu untersuchenden Körper zu schicken und rückgestrahHe Schal!energie von Stellen Innerhalb des Körpers zu empfangen, eine Anzahl von Signalkana'len, die Sendezweige und Empfangszweige aufweisen, wobei diese Sendezweige die Wandler so aktivleren, daS sie die Schallenergie abgeben, und die Empfängerzweige elektrische Signale von den Wandlern entsprechend der rllckgestrahlten Energie erhalten, gekennzeichnet durch Speichereinrichtungen, die jedem der Empfangszweige assoziiert sind, um Oaten zu empfangen und zu speichern, die den Signal pegel der rückgestrahlten Energie anzeigen, die von dem Empfangszweig aufgenommen worden 1st, Anzeigeeinrichtungen, die Daten von den Speichereinrichtungen In jedem der Kanäle aufnehmen, und diese Daten kombinieren und verarbeiten, um eine bildliche Darstellung des untersuchten Körperteils zu erhalten, Zeltgeneratoreinrichtungen in jedem Signalkanal, die mit dem Sendezweig und den Speichereinrichtungen verbunden sind, die jedem Kanal assoziiert sind, um die Wandler zu vorgegebenen Zeltpunkten zu aktivleren, um diese so zu phasen, diß ein Lenken und Fokussleren der Anordnung ermöglicht wird* und um die Daten von den Speichereinrichtungen zu Zeltpunkten herauszugattem, die gegen die Aktivierung der Wandler um vorgegeben· Intervalle verzögert sind, so daß die Körperstellen kontrolliert werden, von denen rllckgestrahle Schal!energie entsprechend den Verzögerungen aufgenommen 1st, um auf diese Welse ein Lenken und Fokussleren der Wandleranordnung zu ermöglichen, und Steuerlogikeinrichtungen, die mit der Zeltgeneratoreinrichtung verbunden sind, um die Signale für

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die Speichereinrichtung und die Sendezweige in jedem der Kanäle vorzubereiten, so daß die bildliche Darstellung des untersuchten Körperteils 1n Echtzelt bewirkt wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung aus einem seriellen Analogspeicher besteht, der so geschaltet 1st, daß er das Analogsignal in dem Empfangszweig aufnimmt, und daß der Zeltgenerator aus Einrichtungen besteht, mit denen Einstart- und Ausstart-Impulse an den seriellen Analogspeicher mit einer vorgegebenen Verzögerung dazwischen gegeben werden, um ein Eintakten und Austakten des Empfangssignals mit der vorgegebenen Verzögerung zu ermöglichen.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitgenerator ein ROM und voreingestellte Zähler aufweist, Einrichtungen, mit denen der voreingestellte Zähler mit Daten vom ROM entsprechend der gewünschten Aktivierungszeit fllr den Sender und die vorgegebene Verzögerung zwischen den Einstart- und Ausstart-Impulsen geladen wird, und Einrichtungen, mit denen wenigstens das Einstart-oder das Ausstartsignal aktiviert wird, wenn die Zählung im voreingestellten Zähler ihren voreingestellten Wert erreicht.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangszweig einen Analog-Digital-Konverter aufweist, mit dem das Analogsignal in dem Zweig digitalisiert wird, die Speichereinrichtung aus einem FIFO-Digital spei eher besteht, um die digitalisierten Daten vom Analog-D1g1 ta!-Konverter, tufzunehmen, und daß der Zeltgenerator aus Einrichtungen besteht, mit denen Einstart- und Ausstart-Steuersignale an den FIFO gegeben werden, um die vorgegebene Verzögerung zwischen Eintakten und Austakten des digitalisierten Empfangssignais vorzubereiten.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeltgenerator ein ROM und einen voreingestellten Zähler aufweist, Einrichtungen, mit denen der voreingestellte Zähler mit Daten vom ROM

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entsprechend der gewünschten Akt1v1erungsze1t fllr den Sender und die vorgegebene Verzögerung zwischen den Einstart- und Ausstart-Impulsen geladen wird, und Einrichtungen, mit denen wenigstens das Einstart- oder das Ausstartsignal aktiviert wird, wenn die Zählung 1m voreingesteiiten Zähler ihren voreingestellten Wert erreicht.

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung aus einem Speicher mit willkürlichen Zugriff besteht.

7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung aus einem Ladungstransportspeicher (CCD-Speicher) besteht.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeltgenerator in jedem Signalkanal kontrollierte Taktsignale an den CCD-Speicher liefert, so daß Analogsignale fllr eine gewählte, vorbestimmte Zeltspanne in dem CCD-Speicher gespeichert werden.

9. System nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Kanal mit einem entsprechenden Wandler der Anordnung verbunden 1st, wobei sowohl der Sendezweig als auch der Empfangszweig des Kanals sich in den Wandler teilen.

10. System nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine Vielzahl von Sende-Wandlern und eine gleich große Vielzahl von Empfangs-Wandlern aufweist, und daß jeder der Sendezweige mit einem entsprechenden Sendewandler, und jeder der Empfangszweige mit einem entsprechenden Empfangswandler verbunden 1st.