DE3025628C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Echtzeit-Ultraschall-Abbildungssystem, das Ultraschallsignale in einen zu untersuchenden Körperteil schickt und rückgestrahlte Ultraschallsignale empfängt.

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 Abnormität oder dergleichen anzeigen können.

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, Echtzeitbilder 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 ist 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 Echtzeitbild hoher Auflösung der untersuchten Körperorganteile ist. Die sichtbare Darstellung ist in der in der einschlägigen Technik eingeführten Terminologie eine sogenannte B-Modus- Abtastung, d. h. eine, bei der Variationen der akustischen Impedanz des Gewebes in Helligkeitsvariationen auf dem Bildschirm umgesetzt werden.

Details der bekannten Signalverarbeitungstechniken, die in Vorrichtungen der erwähnten Art benutzt werden, um das erwähnte Fächer-Sektorbild zu erzeugen, sind an einer Anzahl von Stellen zu finden, beispielsweise in der US-PS 40 05 382.

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 insoweit, als das Zeit-Bandbreite- Produkt, aufgrund dessen Verzögerungsleitungen bewertet werden, mit den 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.

Aus der Fachzeitschrift "Ultrasonics Symposium Proceedings IEEE" Cat. No. 75 CHO 994-4SU (1975), Seiten 80 bis 83, ist ein elektronisch fokussier- und abtastbares Ultraschall-Abbildungssystem bekannt, das aus mehreren Kanälen besteht. Jeder Kanal besitzt im wesentlichen einen Ultraschallwandler, der mit einem Sender, einem Empfänger und einem als Verzögerungsleitung verwendeten Ladungsverschiebungsbaustein (CCD) verbunden ist. Um eine winkelabhängige Abtastung sowie eine dynamische Fokussierung des bekannten Systems zu ermöglichen, können die einzelnen CCD-Speicher mit Hilfe von spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCO) phasengesteuert aktiviert werden, d. h. mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten beaufschlagt werden.

Die US-PS 41 59 462 offenbart einen Ultraschall-Mehrsektorabtaster, der aus mehreren Kanälen besteht. Zu jedem Kanal gehört ein Ultraschallwandler, ein Sender, ein Empfänger und eine Zeitverzögerungsschaltung. Damit der bekannte Abtaster den Sendestrahl lenken und die empfangenen Echos fokussieren kann, besteht der bekannte Abtaster beispielsweise aus zwei Sätzen von Ladungsverschiebungsbausteinen (CCD) unterschiedlicher Länge, die jeweils mit unterschiedlichen Frequenzen getaktet werden. Auf diese Weise ist es möglich, in jedem Kanal eine bestimmte Verzögerungszeit einzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Echtzeit-Ultraschall- Abbildungssystem zu schaffen, das auf einfache und reproduzierbare Weise ermöglicht, die Signalverzögerungszeit in definierten und kleinen Schritten umzuschalten.

Die Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dem Unteranspruch zu entnehmen.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Ultraschallabbildungssystems und

Fig. 2 ein schematisches elektrisches Blockschaltbild der prinzipiellen Elemente, die bei einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden sind.

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild, das den Betrieb eines Ultraschallabbildungssystems 10 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 18 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 Sendewandler 16A bzw. einem Empfangswandler 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 solcher Kanäle vorhanden sein. Alle Kanäle sind normalerweise identisch, und das System 10 weist normalerweise nur eine der alternativen Wandleranordnungen auf, die in Verbindung mit Kanälen 12 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 den Teil eines Phasenarrays, das beispielsweise aus einer Vielzahl solcher Elemente 16 besteht, beispielsweise 32 solcher 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 eine Lenk- und Fokussiersteuerung 30. Die Elemente 28 und 30 sind selbstverständlich in ähnlicher Weise mit entsprechenden Elementen in jedem der vielen Kanäle verbunden. Die Sender, wie 22, werden auf diese Weise so aktiviert, daß sie Impulse mit der gewünschten Ultraschallfrequenz 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 Schallstrahl 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 im Vorverstärker 32 verstärkt wird und dann zu einer Speichereinrichtung 34 läuft. Die Speichereinrichtung 34 dient effektiv als Puffer oder Speicherelement, in dem die im Empfangszweig 20 laufenden Signale durch entsprechendes Einlesen in den das Auslesen aus dem Speicher für gewünschte Perioden 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 Zeitsignale kontrollieren das Einlesen und Auslesen von Informationen, die im Empfangszeig 20 zur Speichereinrichtung 34 fließt. Durch geeignete Einstellung der Zeitsignale werden entsprechend einstellbare Verzögerungen in 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.

Die Ausgänge von den Speichereinrichtungen 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 die Ablenkschaltung 44, um den Aufbau des Videobildes 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 Radialzeilen, typischerweise im Bereich von 64 bis 256, im Laufe der Erzeugung des ganzen Sektors verwendet wird.

Weitere Details hinsichtlich der Signalverarbeitungstechniken, die in Verbindung mit der Wandleranordnung verwendet werden, um den erwähnten fächerförmigen Sektor zu erzeugen, sind in der US-PS 40 05 382 enthalten.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform werden die Empfangssignale in einem CCD-Speicher (charge-coupled device = Ladungstransportspeicher) gespeichert.

In Fig. 2 ist ein Signalkanal 100 dargestellt mit einem Sendezweig 102, einem Empfangszweig 104 und einer Zeitgeneratoreinrichtung 106. Der Wandler 108 ist mit dem Sender 110 und Vorverstärker 112 gekoppelt, wie in Verbindung mit Fig. 1 diskutiert. Der Ausgang des Vorverstärkers 112 ist mit einer Speichereinrichtung 114 gekoppelt, bei der es sich bei dieser Ausführungsform um einen CCD-Speicher handelt, beispielsweise ein bitanaloges Schieberegister, das von der Fa. Fairchild Camera and Instrument Corporation, Mountain View, Kalifornien, USA, unter der Typenbezeichnung CCD 321 hergestellt wird. Die Zeitgeneratoreinrichtung 106 wird dazu verwendet, die Signalverzögerungseinheit im CCD-Speicher 114 zu steuern, und um die Aktivierung des Senders 110 zu kontrollieren, um auf diese Weise eine Lenkung und Fokussierung im Kanal 100 entsprechend der Hauptsteuerung 28 und der Lenk- und Fokussiersteuerung 30 zu erhalten. Die Zeitgeneratoreinrichtung 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 Fokussiersteuerung 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 Fig. 1 besprochen.

Unter der Kontrolle der Hauptsteuerung 28 wird ein Lenk- und Fokussierwort von der Lenk- und Fokussiersteuerung 30 über Leitung 48 an ROM 120 gegeben. Die Lokalsteuerung 122 wird über Leitung 124 von der Hauptsteuerung 28 initialisiert. Als erster Schritt in einer Folge von Operationen initialisiert die Lokalsteuerung 122 Zähler 126, 128, 138 und Latch 132 (Verbindungen nicht dargestellt). In diesem Anfangszustand ist der -Ausgang des Latch 132 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 M′, je nach dem Zustand des Latch 132. Die Q- und -Ausgänge des Latch sind in entsprechender Weise mit entsprechenden voreingestellten Eingangsleitungen 136 des Zählers 126 gekoppelt. Andere voreingestellte Eingangsleitungen können in geeigneter Weise entweder an positive Spannung oder an Masse angeschlossen sein, je nach den gewünschten Teilern M oder M′. In einem typischen Ausführungsbeispiel 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 ist, 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. Zähler 130 startet das Zählen von einem Wert, der durch die voreingestellte Eingangszahl bestimmt ist, die über Leitung 142 vom ROM 120 angelegt wird. Wenn der Zähler 130 seinen Maximalwert erreicht, erscheint ein Signal auf der Übergangsleitung 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 Voreinstelleingänge 136 zum Zähler 126 kommen, ändert den Divisor des Zählers 126 auf einen neuen Wert M′, ein typischer Wert kann beispielsweise M′=4 sein, so daß sich eine Ausgangsfrequenz auf Leitung 138 von 15 MHz ergibt. Diese neue Frequenz auf Leitung 138 wird an die Zähler 128 und 130 geliefert. Irgendwelche zusätzlichen Ausgangssignale vom Zähler 130 über Leitung 144 haben keinen weiteren Effekt, da das Latch 132 bereits gesetzt ist.

Wenn der Zähler 128 seine Maximalzählung erreicht, erscheint ein Übertragssignal auf Leitung 148, das gleichzeitig Latch 132 zurücksetzt, so daß wieder wahr wird und das Signal auf Leitung 148 auch Zähler 130 mit einem neuen voreingestellten Wert vom ROM 120 lädt. Wenn das Signal auf Leitung 148 nach der Initialisierung von der Lokalsteuerung 122 das erste Mal erscheint, wird dieses Signal über UND-Gatter 150 zum Sender 110 gekoppelt. Dieses Gatter wird durch ein Signal auf Leitung 152 von der Lokalsteuerung 122 betrieben. In allen folgenden Zyklen ist das Signal auf Leitung 152 nicht vorhanden, sondern es ist 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 110 ist 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, n die Anzahl von Impulsen, die dazu erforderlich sind, den Zähler 130 zu füllen, wenn dieser vom voreingestellten Wert startet, der vom ROM 120 eingegeben ist, und N die Anzahl von Impulsen ist, die den Zähler 128 füllen, dann ist die gesamte Verzögerungszeit zwischen der Initialisierung durch die Lokalsteuerung 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 im CCD-Speicher 114 ist, d. h. N Taktimpulse müssen an die Takteingangsleitung 118 angelegt werden, um ein Signal von der Eingangsklemme 156 zur Ausgangsklemme 158 des CCD- Speichers 114 zu verschieben. Da, wie oben erwähnt, n durch den Wert des Ausgangs des ROM 120 festgelegt ist, kann man also die relative Zündzeit der Sender und die Gesamtverzögerungszeiten der Signale, die durch die CCD-Kanäle durchlaufen, in Schritten von |1/f-1/f′| variieren. Wie erwähnt, sind typische Werte für f und f′ 15 und 20 MHz, so daß Verzögerungsschritte von 16²/₃ Nanosekunden in diesem Beispiel möglich sind. Der CCD-Speicher 114 kann beispielsweise ein analoges Schieberegister Fairchild Typ 321 sein. Dieser CCD hat eine maximale Taktfrequenz von 20 MHz und besteht aus zwei 455-Bit- Analogschieberegistern. Die maximale Schrittverzögerung, die in diesem Ausführungsbeispiel erreicht werden kann, ist also gleich 455× 16²/₃ Nanosekunden, oder 7,583 Mikrosekunden. Wenn größere Verzögerungsschritte erwünscht sind, können zwei oder mehr Sektionen zusammengeschaltet werden, um größere Zeitverzögerungen zu erhalten.

Es ist zu erwähnen, daß zwar der CCD-Speicher sequentiell mit zwei verschiedenen Frequenzen getaktet wird, während ein analoges Signalbit durch den Speicher läuft, jedoch jedes analoge Signalbit für einen festen Wert von n die gleiche Anzahl von Impulsen bei jeder Frequenz erfährt, und damit die gleiche gesamte Zeitverzögerung.

Claims (2)

1. Echtzeit-Ultraschall-Abbildungssystem
mit einer Anordnung von Wandlern (108), die Ultraschallsignale in einen zu untersuchenden Körperteil schicken und rückgestrahlte Ultraschallsignale empfangen,
mit einer Anzahl von Signalkanälen (100), die jeweils einen Sende- (102) und einen Empfangszweig (104) aufweisen,
mit einer Speichereinrichtung (114) in jedem der Empfangszweige (104) zur Aufnahme der Empfangssignale,
mit einer Anzeigeeinrichtung (42), die Signale aus den Speichereinrichtungen (114) aller Signalkanäle (100) kombiniert und verarbeitet, um eine bildliche Darstellung des zu untersuchenden Körperteils zu erhalten,
mit einer Zeitgeneratoreinrichtung (26, 106) in jedem Signalkanal (100), die mit dem jeweiligen Sendezweig (102) und der jeweiligen Speichereinrichtung (114) verbunden ist, um die Wandler (108) zu vorgegebenen Zeitpunkten phasengesteuert so zu aktivieren, daß ein fächerartiges Lenken und Fokussieren der abgestrahlten Ultraschallsignale möglich wird, und um die Signale aus den Speichereinrichtungen (114) zu Zeitpunkten auszulesen, die gegen die Aktivierung der Wandler (108) um vorgegebene Intervalle verzögert sind,
wobei jede Zeitgeneratoreinrichtung (26, 106) eine Schaltung (126, 128, 130, 132) zur Erzeugung von Taktimpulsen mit einer ersten (f) und einer zweiten (f′) Folgefrequenz aufweist und die Schaltung (126, 128, 130, 132) jeweils nach einer vorwählbaren Anzahl n von Taktimpulsen mit der ersten Folgefrequenz (f) auf die zweite Folgefrequenz (f′) zur Erzeugung einer weiteren, vorgegebenen Anzahl (N-n) von Taktimpulsen umgeschaltet wird und jeweils folgende Bauteile aufweist:
einen ersten, über einen Steuereingang (S) in seinem Taktteilverhältnis umschaltbaren Zähler (125, 132),
einen an den Ausgang des ersten Zählers (126, 132) angeschalteten zweiten Zähler (130), der von einem durch ein ROM (120) voreinstellbaren Stand auf seinen maximalen Zählstand zählt und dann einen Ausgangsimpuls an den Steuereingang (S) des ersten Zählers (126, 132) gibt,
einen dritten Zähler (128), der an den Ausgang des ersten Zählers (126, 132) angeschlossen ist und jeweils bei Erreichen seines maximalen Zählstandes (N) den ersten und zweiten Zähler (126, 130) zurückstellt, wobei die Ausgangsimpulse des ersten Zählers (126, 132) zum Einstellen einer Signalverzögerungszeit dienen.

2. Echtzeit-Ultraschall-Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Speichereinrichtungen (114) ein CCD-Speicher ist, dem die Ausgangsimpulse des ersten Zählers (126, 132) als Taktimpulse zugeführt sind, wodurch eine Verzögerungszeit von eingestellt wird.