DE3045766C2

DE3045766C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Darstellung von Ultraschall-Schnittbildern

Info

Publication number: DE3045766C2
Application number: DE19803045766
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dipl.-Ing. 8521 Marloffstein Hönig; Robert Dipl.-Ing. 8521 Hessdorf Schwarz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-12-04
Filing date: 1980-12-04
Publication date: 1984-03-08
Also published as: DE3045766A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Darstellung von Ultraschall-Schnittbildern, bei dem ein UntersuchiJingsobjekt zeilenweise mit Ultraschall-Sendesignalen einer Ultraschall-Sendeantenne abgetastet und die aus einer Ultraschall-Zeile jeweils anfallenden Echosignale mittels Ultraschall-Empfangsantenne empfangen und auf einer BiMaufzeichnungsvorrichtung zu einem Echosichtbild aufgezeichnet werden, wobei das Echosichtbild im Vergleich mit der Zahl der Abtastzeilen einer Ultraschall-Abtastung die doppelte Anzahl an Bildzeilen aufweist, wobei die zusätzliche Anzahl an Bildzeilen durch Schreiben von Zwischenzeilen zwischen den normalen Bildzeilen gewonnen wird, deren Bildinformation sich zusammensetzt aus einem geometrischen oder arithmetischen Mittelwert aus den Echoinformationen von jeweils zwei benachbarten normalen Bildzeilen. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Schaltungsanordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens mit einer Ultraschall-Sendeantenne und einer Ultraschall-Empfangsantenne sowie einer Bildaufzeichnungsvorrichtung für ein Echosichtbild, das gegenüber der Zahl der Abtastzeilen einer Ultraschall-Abtastung die doppelte Anzahl an Bildzeiien aufweist.

Bei der Darstellung von Ultraschallbildern werden bekanntermaßen die Ultraschall-Sende- bzw. Empfangsantennen bevorzugf lurch Wandlerelemente eines Ultraschall-Wandlerkammes (eines sogenannten Ultraschall-Arrays) gebildet, die einzeln oder auch in Gruppen nach Wahl auf Senden oder Empfang schaltbar sind. Aufgrund elektronischer Strahlfortschaltung ergibt sich die Möglichkeit der zeilenweisen Abtastung eines > Untersuchungsobjektes. Die aus den Tiefen einer jeden Zeile empfangenen Echosignale können entsprechend zeilenweise an der Bildaufzeichnungsvorricntung zu einem Echo-Schnittbild aufgezeichnet werden. Die Bildaufzeichnungsvorrichtung ist in bevorzugter Aus-"> gestaltung eine Kathodenstrahlröhre; ebensogut ist aber auch der Einsatz rascher Schreiber, z. B. Tintenstrahlschreiber, möglich.

Verfahren zur Darstellung von Ultraschall-Schnittbildern sind vielfach bekannt Jedem dieser Verfahren liegt i"> der Wunsch zugrunde, bei möglichst geringem Aufwand an einzelnen Wandlerelementen eine möglichst hohe ZaM an Abbildungszeilen an der Abbildungsvorrichtung zu erhalten. Damit soll ein Bild möglichst hoher Zeilendichte bei gleichzeitig guter Lateralauf- -" lösung des darzustellenden Objekts erreichbar sein.

Aus Gründen des technischen Aufwandes wird nun die Breite der Elementarschwinger in der Array-Technologic* gerade so groß gewählt, daß sich noch gute Abbildungseigenschaften, insbesondere eine gute Late- -'"> ralauflösung, ergibt. Gewöhnlich ist diese Breite größer als der eigentlich gewünschte Zeüenabstand auf der Bildaufzeichnungsvorrichtung, der gerade noch einen Bildeindruck ohne störende Zeilenstruktur gewährt.

Um dennoch zu einer möglichst hohen Zeilendichte i" des Sichtbildes gelangen zu können, wurde ursprünglich das Verfahren der Doppelschreibung angewendet. Hierbei wird zweimal hintereinander an der gleichen Stelle gesendet und empfangen und das Empfangssignal auf zwei benachbarten Zeilen auf der Bildaufü Zeichnungsvorrichtung aufgezeichnet. Das Verfahren der Doppelschreibung, wie es z. B. auf der Seite 10, erster Absatz der DE-OS 2743 514 beschrieben ist, führt jedoch häufig zu einem grob digitalisiert wirkenden Bild ohne weiche Übergänge. ■"' Eine elegantere Lösung bietet das Verfahren der Halbierung des Zeilenabstandes, wie es z. E. aus der DE-AS 26 28 492 oder auch DE-AS 2733 920 vorbekannt ist. Hier wird bei der Verschiebung der wirksamen Elementgruppe jeweils in einer ersten Ultra- « schallzeile eine Elementgruppe angesteuert, dann in einer zweiten Ultraschallzeile das in Abtastrichtung vorderste Wandlerelement zugeschaltet, und in einer dritten Ultraschallzeile wird das hinterste Wandlerelement weggeschaltet. Damit ergibt sich also pro Zeile eine Ver- >^(| Schiebung um die halbe Elementbreite. Allerdings läßt sich das genannte Verfahren nur dann sinnvoll einsetzen, wenn die Zahl aller Elemente einer aktiven Antennenkonfiguration nicht zu klein ist. Würde beispielsweise die kleinste aktive Antennenkonfiguration ϊ5 aus nur zwei Elementen bestehen, so würde sich eine allzu große Änder-ng des Schallfeldes bei der Erhöhung um ein Element auf drei angesteuerte Elemente ergeben. Die regelmäßige Wiederholung dieser Intensitätsänderung würde zu einem Streifenmuster auf dem so Bildschirm führen. Auch ist festzuhalten, daß bei dem Bilderzeugungsverfahren nach Fig. 3 der DE-AS 26 28 492 nur der Aussendevorgang (oder nur der Empfangsvorgang) betrachtet wird.

Ein Verfahren, das mit kleinen aktiven Antennenkon- ·>"> figurationen arbeitet, ist beispielsweise aus der DE-AS 26 43 918 vorbekannt; hier ist zum Zwecke der dynamischen Fokussierung die Empfangsantenne im Verlaufe eines Sende/EmpfanKszvklus stufenweise ie nach Tie-

fenlage in Aktivflächen mit zwei bis zwanzig Einzelelementen umschaltbar.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 28 54 749 bekannt. Bei diesem Verfahren zur Darstellung von Ultraschallschnittbildern werden Zwischenzeilen erzeugt, die aus dem Mittelwert aus den Echoinformationen von zwei benachbarten Abtastzeilen der normalen Ultraschallabtastung zusammengesetzt sind. Bei dem bekannten Verfahren kann man die zusätzlichen Zeilen dadurch gewinnen, daß die Bei- n> träge der vorausgehenden und der nachfolgenden tatsächlich erzeugten Bildlinien in geeigneter Weise gewichtet und vereinigt werden Eine Art der Wichtung ist dort besonders herausgestellt, nämlich die Mittelwertbildung.

Bekanntlich kann man in vielen Fällen von einem

51.inill.tl !.-»t.llt.11 1/Ul.l Ul !UIIIIl.tl3t.llt»!! lVllllt.irVt.lt llUr gehen. Zur Durchführung des Verfahrens wird in der Druckschrift eine »Interpolationsschaltung« verwendet. Diese ist mit Hilfe eines Speichers für das voran- -'" gegangene Videosignal und mit Hilfe von Addierschaltungen verwirklicht. Weitere Realisierungsmöglichkeiten sind in dieser Druckschrift nicht angegeben.

Die vorliegende Erfindung basiert demgegenüber auf der Überlegung, daß man aus Kostengründen bei der .'5 Erzeugung von Zwischenzeilen von der Verwendung eines Speichers absehen sollte.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, einen Weg aufzuzeigen, wie unabhängig von der Zahl von Einzelelementen in einer angesteuerten Gruppe )o auf einfache Weise ein optimal auflösendes Bild erzeugt werden kann, ohne daß ein aufwendiger elektronischer Speicher zur Speicherung von Echosichtbildern aus benachbarten Ultraschallzeilen erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird hei einem Verfahren der eingangs r> genannten Art nach einer ersten Ausführung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der geometrische Mittelwert während der L'ltraschallabtastung dadurch gebildet wird, daß die Sendeantenne und die Empfangsantenne aus ihrer Normalstellung, in der sie bei norma- ^4|> ler I hraschall-Abtastung beide an derselben Stelle liegen, in eme Stellung gebracht werden, in der beide relativ zueinander um den Abstand zweier benachbarter Ultraschall-Abtastzellen gegeneinander versetzt sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren dereingangs « genannten Art nach einer weiteren Ausführungsform auch erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der arithmetische Mittelwert dadurch gebildet wird, daß bei normaler Ultraschall-Abtastung, bei der die Sendeantenne und die Empfangsantenne an derselben Stelle liegen, jede empfangene Ultraschallzeile in dem Echosichtbiid auf der Biidaufzeichnungsvorrichtung in an sich bekannter Weise doppelt geschrieben wird, und daß in zwei aufeinanderfolgenden Abtastgängen zwei solche Echosichtbilder aufgezeichnet werden, wobei die Aufzeichnung des zweiten Echosichtbildes gegenüber dem ersten Echosichtbiid um den Abstand einer Zwischenzeile zu den beiden benachbarten normalen Bildzeilen versetzt erfolgt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Ietztgenann- «> ten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß aus den B idinformationen von zwei benachbarten Zeilen, d^;e durch geometnsche \! uelwertbildung aus jeweils zwei benachbarten Zeilen des normalen Ultraschallbiides gewonnen sind, der arithmetische Mittelwert ge- ·>■> bildet wird.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Durchführung der genannten Verfahren, also mit einer Ultraschall-Sendeantenne und einer Ultrischall-Empfangsantenne sowie einer Bildaufzeichnungsvorrichtung für ein Echosichtbiid. das gegenüber der Zahl der Abtastzeilen einer Ultraschall-Abtastung die doppelte Anzahl an Bildzeilen aufweist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Biidaufzeichnungsvorrichtung zum Schreiben von Zwischenzeilen zwischen den normalen Bildzeilen wahlweise zugeordnet ist:

a) eine Einrichtung zur Verschiebung von Sendeantenne und Empfangsantenne aus ihrer Nurmalstellung, in der sie bei normaler Ultraschall-Abtastung beide an derselben Stelle liegen, in eine Mittelwertstellung, in der beide relativ zueinander um den Abstand zweier Ultraschall-Abtastzeilen gegeneinander versetzt sind, durch eine Einrichtung zur Bildung eines geometrischen Mittelwertes der Ultraschall-Abtastung in der Mittelwertstellung von Sende- und Empfangsantenne, und durch eine Einrichtung zur Einblendung des geometrischen Mittelwertes als Zwischenzeile zwischen jeweils zwei Normalzeilen im Echosichtbiid, oder

b) eine Einrichtung zur Doppelschreibung von Ultraschall-Abtastzeilen auf der Bildaufzeichnungsvorrichtung, durch eine Einrichtung zur Bildung eines arithmetischen Mittelwertes zwischen zwei benachbarten Normalzeilen dadurch, daß in zwei Abtastgängen zwei Bilder mit Doppelzeilen aufgezeichnet werden, wobei jedoch die Aufzeichnung des zweiten Bildes gegenüber dem ersten Bild auf der Bildaufzeichnungsvorrichtung um den Abstand von Zwischenzeilen zu benachbarten Normalzeilen versetzt erfolgt, und durch eine Einrichtung zur Einblendung des arithmetischen Mit telwertes als Zwischenzeile zwischen jeweils zwei Normaizeiien im Echosichibiid, oder

c) eine Kombination von Einrichtungen gemäß den Punkten a) und b) in dem Sinne, daß aus zwei benachbarten Zeilen, die durch geometrische Mittelwertbildung aus jeweils zwei benachbarten Zeilen des normalen Ultraschallbildes gewonnen werden, der arithmetische Mittelwert gebildet wird, wobei eine Einrichtung vorhanden ist, die die so gewonnene Kombination aus geometrischer und arithmetischer Mittelwertbildung in ein entsprechendes Bildzeilenfeld an der Bildaufzeichnungsvorrichtung umsetzt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausfuhrungsbeispiele anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprüchen.

Es zeigt

Fig. 1 das Abbildungsergebnis von zwei Punktreflektoren bei Halbierung des Stützstellenabstandes,

Fig. 2 das Abbildungsergebnis zweier benachbarter Punktreflektoren bei der Doppelschreibung,

F i g. 3 das Prinzip der Erzeugung von Zwischenwerten durch geometrische Mittelwertbildung,

F i g. 4 das Abbildungsergebnis von zwei Punktreflektoren bei geometrischer Mittelwertbildung,

Fig. 5 das Prinzip der Erzeugung von Zwischenwerten durch arithmetische Mittelwertbildung,

F i g. 6 das Abbildungsergebnis von zwei Punktreflektoren bei arithmetischer Mittelwertbildung.

F i g. 7 das Prinzip einer Quasi-Interpolation durch geometrische und arithmetische Mittelwertbildung,

Fig. 8 das Abbildungsergebnis von zwei Punktrefiektoren bei Quasi-Interpoiation gemäß Fig. 7.

Fig. 9 bis 17 Quasi-lnterpolation bei Systemen mit unterschiedlicher Sende- und Empfangskonfiguration in verschiedenen Versionen,

Fig. 18 das Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung einer Quasi-lnterpolation,

F.6. 19 bis 21 zum Prinzipschaltbild der Fig. 18 gehörige Impulspläne.

Bei den klassischen B-Scan-Verfahren wird im x.y.z-Koordinatensystem der Reflexionskoeffizient r(x, z) abgebildet, wobei man voraussetzt, daß

r(y) = konstant

(D

ist innerhalb des Signaleinzugsbereiches. Da diese Abbildung nur mit einer endlichen Auflösung möglich ist, erhält man eine ortsfrequenzbegrenzte Abbildung r(x.z). Für eine bestimmte Tiefe ζ = ζ, kann die Abbildung durch das Faltungsintegral

r,(x) = r,(A-

(2)

beschrieben werden. Dabei stellt s,(x) die Abbildung eines Punktreflektors (Dirac-Impuls) bei kontinuierlicher.v-Verschiebung der Ultraschall-Antenne von χ = a bis χ = b dar.

Di, Array-Technologie erlaubt nun keine kontinuierliche Antennenverschiebung, sondern sie liefert eine ortsdiskrete Abbildung

Der Abstand dieser / Stützsteüen beträgt:

. b-a

Ax = x_k~x_k.1 = —— .

(3)

Die Abbildung 7,(x) kann jedoch durch eine anschließende Interpolation (ideale Tiefpaßfilterung) aus T,(x) rekonstruiert werden, sofern die Abtastfrequenz/, mindestens doppelt so groß ist wie die Ortsgrenzfrequenz^ des Spektrums der Funktion s(x), also

(4)

Die Abbildung eines Punktreflektors s(x) kann recht gut approximiert werden durch die Funktion

s(x)

5(1 -cosIkx/B); 0<x< B

; sonst.

(5)

mit B = Gesamtbreite der Schallkeulc.

Mit der Zuordnung s(x) ο · S(if) liefert die Fourier-Transformation von Gleichung (5).

S(if\ = JL

2 nJB{\ -

sing/B

(6)

Es zeigt sich praktisch eine ideale Ortsfrequenzbegrenzung durch die kontinuierliche Abbildung. Definiert man den -6 dB-Wert des Betrags-Spektrums als die reale Grenzfrequenz, so erhält man

(7)

Aus meßtechnischen Gründen wird die Funktion s(x) meistens durch die -6 dB-Breite, also die Halbwertsbreite B₁₁. charakterisiert. Mit dem Funktionsverlauf der Gleichung (S) und Gleichung (4) folgt damit für den maximalen Stützstellenabstand

Ax₁=^B₁₁.

Bei den sogenannten schnellen B-Scan-Verfahren gibt es meistens keine nachfolgende Interpolation, sondern man behilft sich durch eine quasi-kontinuierliche Abbildung, also mit einem Stützstellenabstand

Ax <

Lier minimale Stützsteiienabstand wird einerseits durch das Produkt aus Bildwiederholungsfrequenz und Bildformat und andererseits durch den technischen Aufwand, z. B. an Schaltern, begrenzt. Eine echte Interpolation ist zwar immer mit Hilfe eines Speichers möglich, bei dem die Information orthogonal zu den Ultraschallzeilen zur Verfügung steht; im Falle der vorliegenden Erfindung stellt sich jedoch die Frage nach Quasi-Interpolationen, bei denen schnelle B-Bilder erzeugt werden können, ohne daß Speicher benötigt werden.

Hierzu werden die folgenden Überlegungen angestellt, die von einem Stützstellenabstand entsprechend Cleichung (8) ausgehen:

Das Ziel der folgenden Überlegungen ist es, die auf dem Sichtschirm eines Bildgerätes dargestellte Zeilendichte gegenüber der akustisch erzeugten Zeilendichte zu verdoppeln.

Das beste Ergebnis erhält man, wenn nach Fig. 1 der Stützstellenabstand Ax der Stützstellen ST gegenüber dem Normalabstand halbiert wird. In diesem Falle werden beide Reflektoren R,, R₁,, deren Abstand gerade der Auflösungsgrenze entspricht in 7 (x), in gleicher Weise mit drei von Null verschiedenen Amplitudenwerten abgebildet und die Halbwertsbreite B₁₁ stimmt mit der kontinuierlichen Abbildung überein.

Ebensogut kann die Zeilendichte BZ bei normalem, also nicht halbiertem Stützstellenabstand Ax auch in einfacher Weise durch Doppelschreibung erhöht werden, wie in der Fig. 2 dargestellt ist. Im Falle der Doppelschreibung enthalten zwei benachbarte Zeilen BZ auf dem Sichtschirm die bezüglich einer Stützstelle ST gewonnene Information. Ist der maximale Stützstellenabstand jedoch erreicht, so führt die Methode der Doppelschreibung zu einem digitalisiert wirkenden Bild mit gewissen Abbildungsfehlern. Die F i g. 2 zeigt oben wieder die ortskontinuierlichen Abbildungen 7 (x) zweier Punktreflektoren A₁ und R_n, deren Abstand wieder der Auflösungsgrenze entspricht (die gepunktete Linie stellt die Summenkurve dar). Bei^ der darunter dargestellten ortsdiskreten Abbildung 7 (x) liegt nun für den linken Reflektor der günstige Fall vor, daß die x-Lage mit einer Stützstelle zusammenfallt. Für den rechten Reflektor erhält man den ungünstigen Fall, daß er sich genau zwischen zwei Stützstellen befindet. Es ergibt sich also nur eine ganz schwache bzw. gar keine Amplitudenabstufung, Obwohl beide Reflektoren gleichartig sind, unterscheiden sich die Halbwertsbreiten der beiden Abbildungen um den Faktor 2 und die Maximalamplituden um 3 dB.

Die Methode der Doppelschreibung von Zeilen ist im Ergebnis also weniger gut als die Methode der Halbie-

rung des Stützstellenabstandes. Letztere hat aber wieder den Nachteil, daß die Zahl der Schwinger am Ultraschall-Array verdoppelt werden muß.

Die Methode der Halbierung des Stützstellenabstandes bringt allerdings das bisher beste Ergebnis; jede weitere Method's der Quasi-Interpolation, die nach den Voraussetzungen vorliegender Erfindung arbeitet, muß am Ergebnis der Stützstellenhalbierung gemessen werden, auch wenn tatsächlich nur normaler, d. h. nicht halbierter, Stützstellenabstand verwendet wird.

Eine erste Möglichkeit zu einer Verbesserung bietet das Verfahren der geometrischen Mittelwertbildung.

Die Abbildung eines Punktreflektors s(x) entsteht durch Multiplikation einer Wirkung bezüglich der Sendephase s_s(x) und einer der Empfangsphase s_E(x). Sind nun die dazugehörigen Antennenkonfigurationen identisch, so eilt:

s_s(x) = Se(x) = VsJxJ.

Damit lassen sich nun Zwischenwerte bilden, die genau dem geometrischen Mittel zweier benachbarter Abtastwerte entsprechen, wie in Fig. 3 dargestellt. Gilt beispielsweise an den Stützstellen k und Jt+1:

s(xj

so folgt mit Gleichung (10):

= Se(XiJ = Va.
= s_E(x_k.J = Vb.

(11)

Liegen Sende- und Empfangsantenne an den Stützstellen jeweils genau übereinander, so erhält man dort die Werte entsprechend Gleichung (11). Wird nun die Sendeantenne um eine Stützstelle gegenüber der Empfangsantenne verschoben und dieser Wert genau zwischen den Stützstellen dargestellt, so kommt man zu einem interpolierten Zv^rchenwert.

= VaF.

(13)

Dieses Verfahren auf die beiden Punktreflektoren von Fig. 2 angewendet, liefert das Ergebnis nach Fig. 4. In dem sogenannten »günstigen Fall« ergibt sich eine sehr schöne Amplitudenabstufung, im »ungünstigen Fall« dagegen überhaupt keine. Die beiden Halbwertsbreiten stimmen schon fast überein und sind in beiden Fällen nicht größer als die der kontinuierlichen Abbildung. Der Amplitudenfehler ist etwa so groß wie bei der Methode der Doppelschreibung entsprechend Fig. 2; die Summenkurve zeigt eine leichte Trennbarkeit der beiden Punktabbildungen.

Eine zweite Möglichkeit zur Verbesserung bietet das Verfahren der arithmetischen Mittelwertbildung.

Grundlage dieser Interpolation bildet die Doppelschreibung. Wird sie allerdings in der Weise modifiziert, daß jeweils zwei aufeinanderfolgende Bilder um eine Anzeigezeile gegeneinander verschoben sind, wie in Fig. 5 dargestellt, so bildet das System Sichtschirm/ Auge (bzw. Sichtschirm/Fotodokumentation) den arithmetischen Mittelwert zweier benachbarter Abtastwerte.

Wird nun dieses Verfahren auf die beiden Punktreflektoren von Fig. 2 angewendet, so erhält man das Ergebnis von Fig. 6. Sowohl im »günstigen« als auch »ungünstigen Fall« liefert die arithmetische Mittelwert-

bildung eine Amplitudenstufe mehr als die geometrische, allerdings auch eine gewisse Verbreiterung gegenüber dieser. Der Amplitudenfehler ist unverändert geblieben.

Die dritte, im Ergebnis beste Möglichkeit zur Verbesserung bietet ein Verfahren, das beide Mittelwertbildungen miteinander kombiniert.

Bei der geometrischen und bei der arithmetischen Mittelwertbildung wird die Abbildung eines Punktreflektors durch seine Lage bezüglich der Stützstellen beeinflußt. Die F i g. 4 und 6 zeigen den jeweils größtmöglichen Unterschied, der dabei entstehen kann. Dieser Unterschied kann praktisch völlig bereinigt werden, wenn nicht die Stützstellenwerte und die entsprechenden Mittelwerte direkt angezeigt werden, sondern wiederum durch Mittelwertbildung erzeugte Zwischenwerte. Dieses Verfahren ist in F i g. 7 dargestellt. Hierbei wird zunächst ein Bild / erzeugt, dessen Zwischenwerte dem geometrischen Mittel zweier benachbarter Abtastwerte entsprechen. Das folgende Bild ;' + l wird nun um eine Anzeigezeile verschoben und das System Sichtschirm/Auge (bzw. Sichtschirm/Fotodokumentation) bildet den arithmetischen Mittelwert. Die so gebildete Information entspricht nun genau den arithmetischen Mittelwerten der Anzeigewerte des Bildes / bzw. / + 1, jeweils um eine halbe Anzeigezeile nach links bzw. rechts verschoben. Diese Verschiebung ist natürlich völlig unerheblich, da sie nur die räumliche Zuordnung zwischen dem Gesamtobjekt und Gesamtbild betrifft. Wird nun dieses Verfahren auf die beiden Punktreflektoren von Fig. 2 angewendet, so erhält man das Ergebnis von Fig. 8. Beide Reflektoren werden hierbei mit gleicher Amplitude und gleicher Halbwertsbreite abgebildet, wobei letztere außerdem mit der kontinuierlichen Abbildung übereinstimmt. Der Unterschied besteht nur im Vorhandensein bzw. Fehlen einer niedrigen Amplitudenstufe. Die Summenkurve deutet eine gewisse Trennbarkeit der beiden Punktabbildungen an.

Alle bisherigen Überlegungen bezogen sich auf Systeme mit gleicher Sende- und Empfangskonfiguration. Die vorstehend beschriebene Quasi-Interpolation läßt sich jedoch verallgemeinern für den Fall, daß die Abbildung des Punktreflektors bezüglich der Sendephase anders ist als die der Empfangsphase.

Gleichung (10) ist jetzt nicht mehr erfüllt und man muß stattdessen schreiben:

S(X) = S_S(X)

(14)

·,<> Gilt weiterhin an den Stützstellen k und A + l Gleichung (11), so folgt aus Gleichung

(15)

S_S(Xk+\) =

Liegen Sende- und Empfangsantenne an den Stützstellen jeweils genau übereinander, so erhält man dort die Werte entsprechend Gleichung (11). Wird nun die Sendeantenne um eine Stützstelle gegenüber der Empfangsantenne nach rechts verschoben und dieser Wert genau zwischen den Stützstellen dargestellt, so kommt man zu einem interpolierten Zwischenwert

s'(x_k+\n) = s_s(x_k+i) ■

= a_Eb_s

(16)

Dieser Wert entspricht nun im allgemeinen Fall nicht dem geometrischen Mittel der Stützwerte α und b, sondern er liegt entweder näher bei α oder näher bei b. Da

Il

diese Abweichung bei einer Rechtsverschiebung der Sendeantenne immer in die gleiche Richtung ejfolgt, würde dieses Verfahren zu unsymmetrischen diskreten Abbildungen einzelner Punktreflektoren führen. Diese Unsymmetrie läßt sich bereinigen, wenn nach einer Rechtsverschiebung der Sendeantenne im Bild / eine Linksverschiebung im Bild / + 1 erfolgt, wie in Fig. 9 dargestellt ist.

Da bei der vorgeschlagenen Quasi-Interpolation nicht die Stützwerte selbst und deren Zwischenwerte dargestellt werden, sondern die dazwischenliegenden arithmetischen MiHelwerte, beinhaltet die in Fig. 9 dargestellte Version noch immer einen Fehler. Setzt man z. B.

s_sM =1- (17)

so folgt aus Gleichung (14):

s(x) = s_E(x)
und aus Gleichung (16):

s'(Xk+\n) ⁼ a_Eb_s - a.

Damit erhält man für den Anzeigewert links neben dem Stützwert b in Fig. 9:

b +

b + a

Der Anzeigewert entspricht also in diesem Extremfall dem um eine halbe Zeile nach links verschobenen Wert. Setzt man nun:

s_E(x) = 1,
so folgt aus Gleichung (14):

s(x) = s_s(x)
und aus Gleichung (16):

(18)

Damit erhält man für den Anzeigewert links neben dem Stützwert b:

b + b_sa_E

= b.

Der Anzeigewert entspricht also in diesem Extremfall dem um eine halbe Zeile nach rechts verschobenen Wert.

Es läßt sich nun gemäß der Fig. 10 eine dazu duale Version angeben, bei der dieser Fehler jeweib in entgegengesetzter Weise auftritt Hierbei erfolgt zunächst eine Rechtsverschiebung der Empfangsantenne im Bild / zur Erzeugung eines interpolierten Zwischenwertes

s'(x_k+\n) =

s_E(x_k+l) = a_sb_E

(19)

■6yfl£ b + b_Ea_s\ _ 2b + b_s-a_f + b_Ea_s

(20)

Hier tritt der oben besprochene Fehler nicht mehr auf und man erhält für die beiden Extremfälle entsprechend den Gleichungen (17) und (18):

2 b

3b + a

(21)

und anschließend eine Linksverschiebung der Empfangsantenne im Bild /+1.

Werden nun beide Versionen in einer dritten Version überlagert, so erhält man beispielsweise für den oben besprochenen Anzeigewert links neben dem Stützwert b:

Liefert also entweder der Sender oder der Empfänger keinen Beitrag bei der Abbildung, so geht die allgemeine Quasi-Interpolation in eine reine arithmetische Mittelwertbildung über.

Die Anwendung der drei Versionen auf die beiden Punktreflektoren zeigen die Fig. 11 bis 13. Die Abbildung bezüglich der Sendephase wurde hier genau doppelt so breit angenommen wie die der Empfangsphasc. Die Halbwertsbreite der Gesamtabbildung ist identisch mit den vorherigen. Der Stützstellenabstand entspricht auch hier dem Maximaiwert nach Gleichung (8) und der Abstand der beiden Punktreflektoren stellt wieder die Auflösungsgrenze dar.

Die beiden Versionen gemäß den Fig. 11 und 12 liefern zwar symmetrische diskrete Einzelabbildongen, aber doch erhebliche Unterschiede bezüglich der Reflektorlage. Version gemäß Fig. 12 liefert etwas schmalere Abbildungen als die Version gemäß Fig. 11, demzufolge auch eine bessere Trennbarkeit der beiden Einzelabbildungen, dafür aber auch eine schlechtere Amplitudenabstufung.

Erst die Überlagerung dieser beiden Versionen in Version gemäß Fig. 13 liefert praktisch von der Rcflcktorlage unabhängige diskrete Abbildungen. Es ergibt sich eine sehr gleichmäßige Amplitudenabstufung und die Trennbarkeit der beiden Einzelabbildungen wird schwach angedeutet.

Die Version gemäß Fig. 13 stellt sicher bezüglich Unabhängigkeit von der Reflektorlage und / -Tiplitudenabstufung ein gewisses Optimum dar. Ein Nachteil besieht darin, daß über vier Bilddurchläufe gemittelt werden muß. Toleriert man nun geringfügige Verschlechterungen gegenüber diesem Optimum, so lassen sich zwei weitere Versionen angeben, die wiederum nur zwei Bilddurchläufe für eine Mittelung benötigen. Diese Versionen sind in den Fig. 14 und 15 dargestellt. Der formale Ablauf ist identisch mit dem in Fig. 7 angegebenen, also dem für gleiche Sende- und Empfangskonfiguration. Da es im allgemeinen Fall nicht gleichgültig ist, ob der interpolierte Zwischenwert durch Rechtsverschiebung des Senders oder Empfängers bestimmt wird, ergeben sich die beiden dualen Versionen. Die Überlagerung der beiden Versionen gemäß den Fig. 14 und 15 ergibt natürlich wieder die Version gemäß Fig. 13, wobei nur die Reihenfolge der Bilder anders ist als bei der Überlagerung dsr Bilder gemäß Fig. 11 und 12.

Die Anwendung der Versionen der F i g. 14 und 15 auf die beiden Punktreflektoren zeigen die Fig. 16 und 17. Beide Versionen sind als gleichwertig zu betrachten, denn die diskreten Abbildungen der einzelnen Punktreflektoren gehen durch Achsenspiegelung ineinander über. Die Abbildungen sind zwar unsymmetrisch und außerdem von der Reflektorlage abhängig, aber es ergeben sich trotzdem akzeptable Amplitudenabstufen und auch Draktisch eleiche Halhwe.rtshrp.iten Oer

Amplitudenfehler ist wesentlich gemildert gegenüber dem der Fig. 2. Die Trennbarkeit der Einzelabbildungen ist durchaus vergleichbar mit der Version der Fig. 13. Der wesentliche Vorteil der Versionen der Fig. 14 und 15 besteht darin, daß nur zwei Bilddurchläufe für die Mittelung benötigt werden.

Die Fig. 18 zeigt das Prinzipschaltbild zur Durchführung einer Quasi-Interpolation gemäß der Erfindung. Ein Zeilenimpulsgenerator 1 erzeugt Zeilenimpulse Ul, die einem Büdimpulsgeber2 zugeleitet werden, der nach einer vorgebbaren Zahl angefallener Zeilenimpulse einen Bildimpuls Ul liefert. Die Zeilenimpulse des Zeilenimpulsgenerators 1 sowie die Bildimpulse des Bildimpulsgenerators 2 steuern außerdem Taktgeneraioren 4 uni 5. Die Ausgangssignale U5 des Taktgenerators 4 wirken direkt und indirekt (i/3) über ein Einstellglied 6 zur Einstellung der Sendebreite auf ein Sendeschieberegister 8 (SSR). Entsprechend wirken auch die Ausgangssignale UA des Taktgenerators 5 direkt und indirekt (i/3) über ein Stellglied 7 zur Einstellung der Empfangsbreite auf ein Empfangsscaieberegister 9 (ESR).

Das Empfengsschieberegister 9 definiert also die Breite sowie die Position der aufzubauenden Bildzeile im Empfangsfall. Es steuert eine Schaltermatrix 10, die in der üblichen Weise die Empfangswege für Echosignale von Ultraschallwandlern des Ultraschall-Arrays 11 zur Echosignalverarbeituiigseinrichtung 12 freigibt. Zu Beginn jedes Ultraschallbildes wird dabei über das Einstellglied 7 ein der Breite der Empfangsfläche entsprechender Satz von Einsen linksrandbündig in das Schieberegister 9 eingeschoben. Der Taktgenerator 5 taktet diesen Block mit jeder zweiten Zeile um einen Platz nach rechts.

Entsprechendes gilt auch für das Sendeschieberegister 8, welches im Zusammenspiel mit dem Taktgenerator 4 und dem Einstellglied 6 die Sendelbreite und die Position des Sendestrahles bestimmt Der Block 13 ist dabei der -Sendegenerator, dessen Hochfrequenzimpulse wieder in üblicher Weise über Schalter der Schalterbank 10 den auf Senden geschalteten Wandlerelementen des Arrays ll· zu deren Erregung zugeleitet werden.

Sende- und Empfangsantenne sied also auf diese Weise je nach Art der zeitlichen Zuordnung der Taktsignale der Taktgeber 4 und 5 auch gegeneinander verschiebbar. Es ergibt sich somit die geometrische Mittelwertbildung.

Durch die Verschiebung zweier aufeinanderfolgender Bilder auf dem Bildschirm des Bildgerätes 3 um eine Bildzeile läßt sich eine arithmetische Mittelwertbildung durchführen. Die Taktsignale zur Bildverschie'-bung nach einem vorgebbaren Zeitplan werden dabei von einem Bildverschiebungs-Taktgenerator 14 erzeugt Entsprechend der von ihm erzeugten Taktsignale wird der Bildableakspannsing am Sichischinn des Biidgerä-

.'0 tes 3 über einen Summierverstärker 15 eine der Verschiebung um eine Bildzeile entsprechende Zusatzspannung aufaddiert

Die Fig. 19 zeigt in den oberen zwei Zeilen den Anfangszustand des Empfangs- und Sendeschieberegisters bei ungleicher Sende- und Empfangsantenne, nachdem von den Stellgliedern 6 und 7 erstmal Einsen eingeschoben worden waren.

Die unteren beiden Zeilen zeigen die Anfangszustände des Empfangs- und Sendeschieberegisters bei

ro gleicher Sende- und Empfangsantenne.

Die Fig. 20 zeigt einen Impulsplan zu einer QuasiInterpolation bei gleicher Sende- und Empfangsfläche, so wie sie in der Fig. 7 dargestellt ist. Die Interpolation erfolgt über insgesamt zwei Bilder.

J5 Die F i g. 21 zeigt einen ähnlichen Impulsplan für eine Interpolation über vier Bilder entsprechend den Fi g. 9 und 10.

Hierzu 19 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Darstellung von Ultraschall-Schnittbildem, bei dem ein Untersuchungsobjekt zeilenweise mit Ultraschall-Sendesignalen einer Ultraschall-Sendeantenne abgetastet und die aus einer Ultraschallzeile jeweils anfallenden Echosignale mittels Ultraschall-Empfangsantenne empfangen und auf einer Bildaufzeichnungsvorrichtung zu einem Echosichtbild aufgezeichnet werden, wo- ι ο bei das Echosichtbild im Vergleich mit der Zahl der Abtastzeilen einer Ultraschall-Abtastung die doppelte Anzahl an Bildzeilen aufweist, wobei die zusätzliche Anzahl an Bildzeilen durch Schreiben von Zwischenzeilen zwischen den normalen Bildzeilen gewonnen wird, deren Bildinformation sich zusammensetzt aus einem geometrischen Mittelwert aus den Echo-fnformationen von jeweils zwei benachbarten normalen Biidzeiien, die gewonnen werden, wenn die Sendeantenne und die Empfangsantenne an derselben Stelle liegen, dadurch gekennzeichnet, daß der geometrische Mittelwert während der Ultraschallabtastung dadurch gebildet wird, daß die Sendeantenne und die Empfangsantenne aus ihrer Normalstellung, in dersie bei normaler Ultrasehäliabtastung beide an derselben Stelle liegen, in eine Stellung gebracht werden, in der beide relativ zueinander um den Abstand zweier benachbarter Ultraschall-Abtastzeilen gegeneinander versetzt sind (Fis. 3). jo

2. Verfahren zur Darstellung von Ultraschall-Schnittbildern, bei dem ein l-'qtersuchungsobjekt zeilenweise mit Ultraschall-Sendesignalen einer Ultraschall-Sendeantenne abgetastet und die aus einet Ultraschallzeile jeweils anfallenden Echo- r> signale mittels Ultraschall-Empfangsantenne empfangen und auf einer Bildaufzeichnungsvorrichtung zu einem Echosichtbild aufgezeichnet werden, wobei das Echosichtbild im Vergleich mit der Zahl der Abtastzeilen einer Ultraschall-Abtastung die dop- ->o pelte Anzahl an Bildzeilen aufweist, wobei die zusätzliche Anzahl an Bildzeilen durch Schreiben von Zwischenzeilen zwischen den normalen Bildzeilen gewonnen wird, deren Bildinformation sich zusammensetzt aus einem arithmetischen Mittelwert aus ■») den Bildinformationen von jeweils zwei benachbarten normalen Bildzeilen, dadurch gekennzeichnet, daß der arithmetische Mittelwert dadurch gebildet wird, daß bei normaler Ultraschall-Abtastung, bei der die Sendeantenne und die Empfangsantenne an w derselben Stelle liegen, jede empfangene Ultraschallzeile (a, b, c,...) in dem Echosichtbild auf der Bildaufzeichnungsvorrichtung (3) in an sich bekannter Weise doppelt geschrieben wird, und daß in zwei aufeinanderfolgenden Abtastgängen zwei solche V5 Echosichtbilder aufgezeichnet werden, wobei die Aufzeichnung des zweiten Echosichtbildes gegenüber dem ersten Echosichtbild um den Abstand einer Zwischenzeile zu den beiden benachbarten normalen Bildzeilen versetzt erfolgt (Fig. 5). M)

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Bildinformationen von zwei benachbarten Zeilen, die durch geometrische Mittelwertbildung aus jeweils zwei benachbarten Zeilen des normalen Ultraschallbildes gewonnen sind, tvi der arithmetische Mittelwert gebildet wird.

4. Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Ultraschall-Sendeantenne und einer Ultraschall-Empfangsantenne sowie einer Bildaufzeichnungsvorrichtung für ein EchosichtbDd, das gegenüber der Zahl der Abtastzeilen einer Ultraschall-Abtastung die doppelte Anzahl an Bildzeilen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildaufzeichnunfsvorrichtung (3) zum Schreiben von Zwischenzeilen zwischen den normalen Bildzeilen wahlweise zugeordnet ist:

a) eine Einrichtung (4, S) zur Verschiebung von Sendeantenne und Empfangsantenne aus ihrer Normalstellung, in der sie bei normaler Ultraschall-Abtastung beide an derselben Stelle liegen, in eine Mittelwertstellung, in der beide relativ zueinander um den Abstand zweier Ultraschall-Abtastzeilen gegeneinander versetzt sind, durch eine Einrichtung (6, 8; 7, 9) zur Bildung eines geometrischen Mittelwertes der Ultraschall-Abtastung in der Mittelwertstellung von Sende- und Empfangsantenne, und durch eine Einrichtung (10,12) zur Einblendung des geometrischen Mittelwertes als Zwischenzeile zwischen jeweils zwei Normalzeilen im Echosichtbild, oder

b) eine Einrichtung (4 bis 9) zur Doppelschreibung von Ultraschall-Abtastzeilen auf der Bildaufzeichnungsvorrichtung, durch eine Einrichtung (14,15) zur Bildung eines arithmetischen Mittelwertes zwischen zwei benachbarten Normalzeilen dadurch, daß in zwei Abtastgängen zwei Bilder mit Doppelzeilen aufgezeichnet werden, wobei jedoch die Aufzeichnung des zweiten Bildes gegenüber dem ersten Bild auf der Bildaufzeichnungsvorrichtung um den Abstand von Zwischenzeilen zu benachbarten Normalzeilen versetzt erfc-'gt, und durch eine Einrichtung (10,12) zur Einblendung des arithmetischen Mittelwertes ah Zwischenzeile zwischen jeweils zwei Normalzeilen im Echosichtbild, oder

c) eine Kombination von Einrichtungen (4 bis 9; 14, 15) gemäß den Punkten a) und b) in dem Sinne, daß aus zwei benachbarten Zeilen, die durch geometrische Mittelwertbildung aus jeweils zwei benachbarten Zeilen des normalen Ultraschalloildes gewonnen werden, der arithmetische Mittelwert gebildet wird, wobei eine Einrichtung (10, 12) vorhanden ist, die die so gewonnene Kombination aus geometrischer und arithmetischer Mittelwertbildung in ein entsprechendes Bildzeilenfeld an der Bildaufzeichnungsvorrichtung umsetzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Echosichtbildern mit Zwischenzeilen auf der Basis der geometrischen Mittelwertbildung an der Bildaufzeichnungsvorrichtung (3) wenigstens zwei Echoteilbilder im hai= ben Abstand zweier aufeinanderfolgender Zeilen eines Einzelbildes ineinander verschachtelt dargestellt werden, von denen das erste Teilbild aus einer Ultraschall-Abtastung resultiert, bei der Sendeantenne und Empfangsantenne an derselben Stelle liegen, und von denen das zweite Teilbild aus einer Ultraschall-Abtastung resultiert, bei der Sendeantenne und Empfangsantenne relativ zueinander um den Abstand zweier Abtastzeilen verschoben sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Echosichtbildes auf der Bildaufzeichnungsvorrichtung (3) mit Zwischenzeilen auf der Basis der arithmetischen Mittelwertbildung zuerst zwei Teilbilder auf der Basis der Doppelzeilenschreibung erzeugt werden, wobei Sendeantenne und Empfangsantenne immer an derselben Stelle liegen, und wobei jedoch diese beiden Teilbilder im Halbzeilenabstand auf der Bildaufzeichnungsvorrichtung ineinander verschachtelt dargestellt werden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bildung des geometrichen Mittelwertes einen ersten Taktgenerator (4) für ein Sendeschieberegister (8) sowie einen zweiten Taktgenerator (5) für ein Empfangsschieberegister (9) umfaßt, welche Taktgeneratoren (4. 5) zur gegenseitigen Verschiebung von Sende- und Empfangsantenne durch wechselweises Takten von Sende- und Empfangsschieberegister (8 bzw. 9) steuerbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bildung des arithmetischen Mittelwertes einen BiIdverschiebungs-Taktgenerator (14) für die Bildverschiebung sowie einen Summierverstärker (15) umfaßt, der der Bildablenkspannung am Sichtschirm der Bildaufzeichnungsvorrichtung (3) eine der Verschiebung um eine Bildzeile entsprechende Zusatzspannung aufaddiert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sendeschieberegister (8) ein Einstellglied (6) für die Einstellung der Sendebreite und dem Empfangsschieberegister (9) ein Einstellglied (7) zur Einstellung der Empfangsbreite zugeordnet ist.