DE3211719C2

DE3211719C2 - Ultraschallecho-Untersuchungsgerät

Info

Publication number: DE3211719C2
Application number: DE3211719A
Authority: DE
Inventors: Takao Koganei Tokyo Higashiizumi; Shinichi Hino Tokyo Sano; Yasuhito Hachioji Tokyo Takeuchi; Keiki Fuchu Tokyo Yamaguchi
Original assignee: Yokogawa Hokushin Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1982-03-04
Filing date: 1982-03-30
Publication date: 1984-03-08
Also published as: US4445379A; GB2115928B; GB2115928A; JPS58152546A; DE3211719A1

Abstract

Ein Echosignalempfänger empfängt in einem Bereich höherer Frequenzen Echosignale höheren Pegels, die von starken Reflexionsquellen oder solchen in Bereichen nahe einer Sonde reflektiert werden, sowie in einem Bereich niedriger Frequenzen bzw. einem bis zu niedrigen Frequenzen herabreichenden Frequenzbereich Echosignale niedrigeren Pegels, die von starken Reflexionszonen oder solchen in weiter von der Sonde entfernten Bereichen reflektiert werden. Der Echosignalempfänger besteht beispielsweise aus einer mehrstufigen Verstärkerschaltung. Ausgangssignale von Verstärkern der vorderen bzw. vorgeschalteten Stufen werden über Filter mit Hochfrequenzbändern geliefert, deren Ausgangssignale von Verstärkern in den hinteren Stufen über Filter mit Niederfrequenzbändern geliefert werden. Nach dem Durchgang durch die Filter werden die Ausgangssignale zu einem einzigen, verarbeiteten Echosignal kombiniert. In anderer Ausgestaltung wird ein Videosignal, das von einem Echosignal abgeleitet worden ist, welches eine Schaltung zur Änderung des Frequenzgangs durchlaufen hat, durch einen Komparator mit einer Bezugsspannung verglichen, wobei der Komparator ein Ausgangssignal liefert, das durch Abtrennung von Hochfrequenzkomponenten in einem Tiefpaßfilter geglättet wird. Dieses Signal wird der Schaltung zur Änderung des Frequenzgangs zur Ansteuerung derselben zugeführt, um ihr Frequenzband zu ändern, während das Echosignal empfangen wird. In weiterer Ausgestaltung wird das Echosignal über ein Filter

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallecho-Untersuchungsgerät zur Ultraschalluntersuchung eines Körpers, insbesondere eines menschlichen Körpers sowie insbesondere zur Wiedergabe eines B-Abtast-Echogramms desselben, mit einer automatischen Anpassungseinrichtung, welche die Vefärbeitungschäfäkteristiken für das empfangene Echosignal stufenweise entsprechend dem jeweiligen Pegel des Echosignals verändert.

In der Ultrasonographie werden Ultraschallwellen zur Sichtbarmachung verschiedener Körperstrukturen für Diagnosezwecke verwendet. Beim Eindringen in

t>5 einen zu untersuchenden Körper, d. h. einen lebendigen menschlichen Körper, sind Ultraschallwellen einer vergleichsweise starken Dämpfung bis zu einem Grad unterworfen, bei dem die Ultraschallenergieverluste für

den einwandfreien Empfang der reflektierten Ultraschallwellen nicht mehr vernachlässigbar sind. Bei einer Form der Ultrasonographie, bei der Echos der Ultraschallimpulse aufgefangen werden, wird zunächst ein Echo empfangen, das von dem am nächsten gelgenen Bereich reflektiert wird und beim Eintritt der Ultraschallenergie in den Körper sowie ihrem Austritt aus diesem der geringsten Dämpfung unterworfen ist, während anschlieöend Impulsechos empfangen werden, die zunehmend gedämpft sind. Zur Vermeidung dieses Problems wird ein System (allgemein als »TGC« bezeichnet) angewandt, bei dem der Verstärkungsgrad eines Echoempfängefs zunächst reduziert und dann im Zeitverlauf zum Zeitpunkt der Ausstrahlung der Uitraschaliimpulse während des Empfangs der reflektierten Ultraschallwellen fortschreitend erhöht wird.

Nachteilig an diesem bisherigen TGC-Echoempfangssystem ist jedoch, daß somit die Energiestreuung im Medium nicht kompensiert werder, kann. Insbesondere können schwache Echosignale, d.h. solche niedrigen Pegel oder solche, die von tiefer liegenden Bereichen reflektiert werden, durch einfache Erhöhung des Verstärkungsgrads eines Verstärkers nicht voll empfangen werden. Bevorzugt werden Bereiche, die — von einer Sonde aus gesehen — schwache Ultraschallwellen reflektieren, mit niedrigeren Frequenzen untersucht, und zwar im Hinblick auf die Reflexionseigenschaften solcher Bereiche sowie die Streuung im Medium, die bei höheren Frequenzen größere Eneigieverluste herbeiführt.

Eine bisherige Vorrichtung, die diesem Erfordernis zu genügen vermag, ist in der US-PS 40 16 750 beschrieben. Dabei werden reflektierte Ultraschallwellen mittels eines Empfängers mit einem Filter empfangen, dessen Mittelfrequenz fortschreitend abnimmt, wenn der Empfänger Echosignale von weiter entfernten Reflexionsbireichen empfängt oder sich die Zeitspanne für den Empfang der Echosignale verändert. Diese bisherige Vorrichtung eignet sich vorteilhaft zur Verwendung bei einem Objekt, das durch Reflexionsbereiche oder -quellen gebildet ist, welche Echos zurücksenden, die mit Pegeln empfangen werden können, welche einfach mit zuiiehmender Entfernung zu den Reflexionsquellen niedriger werden. Die tatsächlich zu untersuchenden Objekte bzw. Körper enthalten jedoch verschiedene Gewebe unterschiedlicher Dämpfungseigenschafter, Streuungseigenschaften und Reflexionsleistungen. Diese bisherige Empfangsvorrichtung kanr daher als nicht zufriedenstellend für die Verwendung bei solchen Objekten angesehen werden, die keine konstante oder lineare Beziehung zwischen dem Abstand zu c/en Reflexionsbereichen und dem Pegel, mit dem die reflektierten Ultraschallwellen empfangen werden, besitzen.

Im folgenden sollen die Schwierigkeiten bei der bisherigen Vorrichtung anhand von F i g. 1 verdeutlicht werden, die ein Ultrasonographiesystem veranschaulicht, bei dem Ultraschallwellen mittels einer Sonde bzw. eines Wandlers 1 mit zwischen dieser bzw. diesem und dem zu untersuchenden Körper 3 angeordnetem Wasserbeutel 2 in den Körper 3 ausgesandt und von ihm empfangen verden. Bei einer derartigen Anordnung für Ultrasonographie empfängt das System auf einer wesentlich niedrigeren Frequenz als bei dem System ohne Wasserbeutel, wenn ein aktuelles Echo von dem Objekt, d. h. vom menschlichen Körper, zurückkommt. Das erklärt sich d£ 3us, daß dort die System-Mittenfrequenz gleichförmig mit einer vorbestimmten Rate erniedrigt wird, ohne Rücksicht auf die aktuelle Situation der gerade untersuchten Echoquellen. So ist nur eine schlechte Qualität der wiedergegebenen Bilder erreichbar, da generell die Bildqualität bezüglich Auflösung und Detaildarstellung umso besser ist, je mehr der niedrigfrequente Anteil unterdrückt werden kann.

Ein Ultraschallecho-Untersuchungsgerät der anfangsgenannten Art ist bereits aus der DE-OS 30 32 776 κι bekannt. Dort sind ein Verfahren sowie eine Anordnung zum Ausgleichen bei Ultraschalluntersuchungen beschrieben. Bei diesem bekannten Gerät zum Empfang reflektierter Ultraschallwellen in einem Ultrasonographen wird bereits der Abschvächungsgrad der Schallwellen in dem zu untersuchenden Körpergewebe berücksichtigt Je nachdem, von welchem Körpergewebe das Echosignal reflektier» wird, ergibt sich ein unterschiedlicher Pegel des Echosignals, und in Abhängigkeit von diesem Pegel wird oort die Steilheit der Verstärkungskurve des Systems verändert Auf diese Weise wird bei dem bekannten Gerät die Geschwindigkeit der Verstärkungsänderung des Verstärkers in Aohängigkeit von dem jeweils empfangenen Signalpegel eingestellt. Jedoch wird hier nichtberücksichtigt. daß >5 sich die Mittenfrequenz der empfangenen Echosignale mit fortschreitender Entfernung des reflektierenden Gewebes ändert so daß eine reine Verstärkung des empfangenen Signals aufgrund des empfangenen Pegels noch zu keiner optimalen Qualität des Abtast-Echojo gramrns bzw. des dargestellten Bildes ergibt

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Ultraschall-Untersuchungsgerät zum Empfangen von reflektierten Ultraschallwellen zu schaffen, mit welchem genauere Schnittbilder eines zu untersuchenden Körpers gewonnen werden, wobei Echosignale über einen sehr großen dynamischen Bereich ausgewertet werden können, d. h. Signale von Echoquellen mit dem höchsten Pegel bis hin zu Echoquellen mit einem niedrigsten Pegel. Insbesondere sollen dabei Echogramme mit ausgeglichener ■»ο Qualität mit möglichst guter Detail?uFlösung und mit möglichst großem Nutzsignal-Störabjtand erhalten werden.

Diese Aufgabe wird bei dem anfangs genannten Ultraschallecho-Untersuchungsgerät dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Frequenzcharakteristik eines die empfangenen Signale verarbeitenden Filterkreises entsprechend dem Pegel der Echosignale verändert wird, derart, daß die Bildauflösung und/oder die Detaildarstellung bei stark reflektierenden Echoquellen durch Auswahl von höherfrequenten Anteilen der Echosignale verbessert wird und daß das Signal-Rauschverhältnis und/oder die Erkennbarkeit füY schwach reflektierende Echoquellen durch Auswahl von niedrigfrequenten Anteilen der Echosignale verbessert wird.
Es ist somit der Frequenzgang einer Empfängerschaltung abhang! j· von den empfangenen Echosignalen, um diese Echosignale auszusondern. Echosignale hohen Pegels werden in einem Hochfrequenzband empfangen, während Echosignale niedrigen Pegels in einem Niederfrequenzband oder einem in die niedrigen Frequenzen hineinreichenden Frequenzband empfangen werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik t>5 anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schemaiische Darstellung eines bisherigen, unter Verwendung eines Wasserbeutels durchge-

führten UltrasonographieVerfahrens,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ultrasonographiesystems mit einem Echosignalempfänger gemäß der Erfindung,

F i g. 3 ein Blockschaltbild eines Filterkreises gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 4 ein Wellenformdiagramm für ein Treibersignal und Echosignale.

Fig.5 ein Blockschaltbild eines Filterkreises gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig.6 ein Blockschaltbild eines Filterkreises gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 ein Schaltbild einer Schaltung zur Änderung des Frequenzgangs,

F i g. 8 ein Schaltbild eines variablen bzw. regelbaren Kondensators,

Fig. 9 ein Blockschaltbild eines Filterkreises gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 ein Schaltbild eines variablen Filters mit niedriger Grenzfrequenz (low-cut filter),

Fig. Il eine graphische Darstellung der Kennlinie des Filters nach Fig. 10,

Fig. I2(a) eine schematische Darstellung eines Ultrasonographieverfahrens, und

Fig. I2(b) bis 12(d) graphische Darstellungen zur Veranschaulichung der Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Filterkreises und eines bisherigen Filterkreises.

Fig. 1 ist eingangs bereits erläutert worden.

Gemäß Fig. 2 umfaßt ein Ultrasonographiesystem eine Schwingereinheit 1 mit einer Reihe bzw. Anordnung von Ultraschallschwingern, einen Ultraschallsender und -empfänger 10. eine elektronische Bündelungsschaltung It, ein Filter 12, einen logarithmischen Verstärker 13. eine Regel- oder Steuereinheit 14 und eine Anzeigeeinheit 15 mit einer Anzeige- oder Wiedergabevorrichtung, beispielsweise einer Kathodenstrahlröhre. Die Sender/Empfängereinheit 10 dient zur jeweils getrennten Ansteuerung oder Aktivierung der Reihe von Ultraschallschwingern und zum Empfangen der Echosignale, die von der Schwingereinheit bzw. Sonde 1 abgenommen und in elektrische Signale umgewandelt werden. Die elektronische Bündelungsschaltung 11 dient zum Bündeln bzw. Fokussieren eines Ultraschallwellenbündels, das von der Sonde 1 emittiert und abgenommen wird. Die elektronische Bündelungsschaltung 11 aktiviert die Sender/Empfängereinheit 10 mit einer Zeitverzögerung zum Konvergieren eines Ultraschallstrahls. und sie verzögert die Echosignale von der Reihe der Ultraschallschwinger in der Weise, daß diese verzögerten Echosignale zu einem einzigen Echosignal zusammengesetzt werden. Das auf diese Weise erhaltene Echosignal wird durch das Filter 12 verarbietet, sodann durch den logarithmischen Verstärker 13 logarithmisch komprimiert bzw. gepreßt und unter der Steuerung der Steuereinheit 14 als sichtbares Bild auf der Anzeigeeinheit 15 wiedergegeben. Bei dieser Anordnung kann ein Strahl der Ultraschallenergie von der Sonde 1 emittiert und nach Reflexion von ihr abgenommen oder empfangen werden, während gleichzeitig (mit diesem Strahl) eine Abtastung senkrecht zur Laufrichtung des Ultraschallstrahls durchgeführt wird. Die empfangenen oder abgenommenen Ultraschallechos können ais B-Äbtast-Echogrammbüd auf der Anzeigeeinheit 15 wiedergegeben werden.

Fig.3 veranschaulicht in Einzelheiten einen Filterkreis 12, bei dem auf den logarithmischen Verstärker 13 verzichtet werden kann. Der Filterkreis 12 enthält logarithmische Verstärker 201 bis 204, Begrenzer 211 bis 213, Bandpaßfilter 221 bis 224 mit unterschiedlichen Mittelfrequenzen und übertragbaren Frequenzbändern, Detektoren 231 bis 234, Verzögerungsleitungen 241 bis 243 sowie einen Addierverstärker 25. Der logarithmische Verstärker 201 der ersten Stufe nimmt die von der Sonde bzw. vom Wandler 1 gelieferten Echosignale ab und verstärkt sie logarithmisch mit einem vorgegebenen Verstärkungsfaktor. Ein Ausgangssignal des logarithmisehen Verstärkers 201 der ersten Stufe wird dem ersten Bandpaßfilter 221 und über den Begrenzer 211 dem nächsten logarithmischen Verstärker 202 zugeführt. Letzterer liefert ein Ausgangssignal, das zum zweiten Bandpaßfilter 222 sowie über den Begrenzer 212 zum nächsten logarithmischen Verstärker 203 geleitet wird. Der Verstärker 203 erzeugt ebenfalls ein Ausgangssignal. das zum dritten Bandpaßfilter 223 und über den Begrenzer 213 zum logarithmischen Verstärker 204 der letzten Stufe übertragen wird. Ein Ausgangssignal dieses Verstärkers 204 wird dem vierten Bandpaßfilter 224 eingespeist. Die logarithmischen Verstärker 202 bis 204 und die zugeordneten Begrenzer 211 bis 213 bilden gemeinsam sequentiell sättigbare (sequentialsaturationtype) logarithmische Verstärkerschaltungen oder -kreise, die einen Hauptabschnitt eines Empfangssystems bilden. Der '-jejarithmische Verstärker 201 der ersten Stufe verarbeitet ein Echosignal eines maximalen Pegels, während der logarithmische Verstärker 204 der letzten Stufe ein Echosignal eines Mindest-Pegels verarbeitet. Die Bandpaßfilter 221 bis 224 besitzen Mittelfrequenzen f\, /j, /j und Λ, die entsprechend der Beziehung /i>/i>/j>/4 gewählt sind, sowie jeweils zweckmäßiggewählte Bandbreiten. Wechselstromsignale, welche die Bandpaßfilter 221 bis 224 durchlaufen haben, werden den Detektoren 231 bis 234 eingespeist, um durch diese erfaßt zu werden. Die Ausgangssignale der Detektoren 231 bis 234 werden durch den Addierverstärker 25 addiert und als Ausgangs-Videobzw. -Fernsehsignal übertragen. Die Ausgangssignale

■«ο der drei Detektoren 231 bis 233 werden dem Addierverstärker 25 über die Verzögerungsleitung 241 bis 243 zugeführt, wobei letztere diese Ausgangssignale verzögern, um die Zeitverzögerungen zu korrigieren, welche die Ausgangssignale in bezug auf das Ausgangs-

■•5 signal des Detektors 234 der letzten Stufe besitzen. Die durch die Verzögerungsleitungen 241 bis 243 eingeführten Zeitverzögerungen sind zur ersten Stufe hin zunehmend größer. Die von den Verzögerungsleitungen eingeführten Zeitverzögeningen sowie die Zeitverzögeso rangen aufgrund der Bandbreiten der Bandpaßfilter sind so bestimmt, daß die vier, dem Addierverstärker 25 eingespeisten Signale gleichzeitig addiert werden.

Für den Empfang von reflektierten Ultraschallwellen verschiedener Frequenzen, die über einen weiten Bereich von einer Vielzahl von Reffektionsbereichen oder -quellen verteilt sind, ist es wünschenswert, daß die Sonde 1 durch ein Signal mit einer stufenförmigen Wellenform (welche die Anstiegsflanke einer Dreiecksbzw. Sägezahnwelle sein kann) angesteuert wird, um möglichst impulsförmige Ultraschallwellen zu übertragen. Die Schaltung zum Empfangen der reflektierten Wellen sollte vorzugsweise einen weiten Frequenzbereich besitzen. Insbesondere sollte zumindest der erste iogarithmische Verstärker 201 einen weiten Frequenzbereich haben. Dem logarithmischen Verstärker 201 kann ein Vorverstärker vorgeschaltet sein, der ebenfalls einen ausreichend weiten Freuqenzbereich besitzen muß.

Der den vorstehend beschriebenen Aufbau besitzende Filterkreis zum Empfangen oder Abnehmen von reflektierten Ultraschallwellen arbeitet wie folgt: Die Sonde 1 wird mit einem stufenförmigen Treibersignal (vgl. F i g. 4a) angesteuert, um eine Ultraschallwelle (vgl. F i g. 4b) in einen zu untersuchenden Körper zu emittieren. Diese impulsförmige Ultraschallwelle wird durch eine Grenzfläche zwischen verschiedenen Geweben oder Medien im zu untersuchenden Körper teilweise reflektiert, so daß von der Sonde 1 eine reflektierte Ultraschallwelle oder ein Echosignal empfangen wird (vgl. F i g. 4c). Dieses Echosignal besteht aus einer hochpegeligen Echosignalkomponente A (mit vergleichsweise breitem Frequenzspektrum), die von einer starken Reflexionsquelle oder von einer solchen in einem näher an der Sonde 1 gelegenen Bereich reflektiert wird, sowie einem niedrigpcgeligen Echosignal B (das hauptsächlich ein Spektrum niedrigerer Frequenzen besitzt), welches von einer schwachen Reflexionsquelle bzw. von einer solchen in einem weiter von der Sonde 1 entfernten Bereich reflektiert wird. Das Echosignal wird durch die genannten sequentiell sättigbaren logarithmischen Verstärkerschaltungen sequentiell verstärkt. Da die reflektierte Welle A im wesentlichen aus höheren Frequenzkomponenten besteht, durchläuft sie das erstere bzw. vorgeschaltete Bandpaßfilter, dessen Frequenzband derartige Frequenzkomponenten enthält. Die nachgeschalteten logarithmischen Verstärker empfangen bei der Verstärkung des Echosignals A ein Sättigungssignal (saturated signal), das durch Begrenzung des Echosignals vorgegeben ist, und sie liefern daher vorbestimmte gesättigte Ausgangssignale unabhängig von den Frequenzgängen dieser Verstärker. Die reflektierte Welle B aus Nieuerfrequenzkumponenten bzw. -anieiien durchläuft das folgende Bandpaßfilter, das ein Niederfrequenzen enthaltendes Frequenzband besitzt. Die mit den Ausgangssignalen der vorgeschalteten Stufen beschickten Bandpaßfilter sperren die reflektierte Welle B aufgrund der unterschiedlichen Frequenzbänder. Auch *o wenn die reflektierte Welle B eine Frequenzkomponente besitzt, welche durch diese Bandpaßfilter hindurchläuft, besitzt ein derartiges Frequenzsignal einen so niedrigen Pegel, daß es die Detektor-Ausgangssignale nicht beeinträchtigt. Gemäß Fig.4d wird die Echosignalkomponente A durch das betreffende Bandpaßfilter zu einem Hochfrequenzsignal a geändert, während die Echosignalkomponente B durch das betreffende Bandpaßfilter in ein Niederfrequenzsignal b umgesetzt wird. Diese Signale a, b werden von den jeweiligen so Detektoren erfaßt. Wenn den Detektoren die Verzögerungsleitungen zugeordnet sind, werden die Signale durch diese verzögert Die Signale werden sodann durch den Addierverstärker 25 addiert der ein kombiniertes, logarithmisch gepreßtes Ausgangs-Videosignal liefert

Infolgedessen wird ein Echosignal niedrigeren Pegels in einer begrenzten Bandbreite niedrigerer Frequenzen abgenommen, während ein reflektiertes Echosignal höheren Pegels, das von einer Reflexionsquelle stammt die eine Ultraschallwelle mit höherem Pegel reflektiert, in einem Bereich höherer Frequenzen abgenommen wird, welcher kleinste Strukturen der Reflexionsquelle innerhalb seiner eigenen Frequenzbandbreite wiederzugeben vermag. ,

Während bei der dargestellten Ausführungsform vier Verstärkerstufen vorgesehen sind, kann gewünschtenfalls auch eine größere oder kleinere Zahl solcher Stufen vorgesehen sein. Für bestimmte Zwecke ist es in der Praxis zulässig, die Ausgangssignale der Detektoren einfach zu addieren, ohne sie auf die beschriebene Weise zu verzögern.

Fig.5 veranschaulicht einen Filterkreis gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, der sich von demjenigen nach F i g. 3 dadurch unterscheidet, daß die Bandbreite in den hinteren Stufen kleiner wird. Dabei sind, genauer gesagt, den logarithmischen Verstärkern 201 bis 204 Bandpaßfilter 501 bis 504 mit unterschiedlichen Frequenzgängen vorgeschaltet, wobei die Verstärker 201 bis 204 Ausgangssignale erzeugen, die unmittelbar den Detektoren 231 bis 234 zugeführt werden.

Die Bandpaßfilter 501 bis 504 besitzen Frequenzbandbreiten F\, Fi, Fi bzw. Ft, die zu den hinteren Stufen hin fortschreitend kleiner werden, so daß jedes Bandpaßfilter eine Frequenzwählcharakteristik besitzt, welche in derjenigen der vorgeschalteten Bandpaßfilter enthalten ist. Insbesondere liefert der logarithmische Verstärker der ersten Stufe ein Ausgangssignal, das dem Frequenzgang des Filters 501 unterworfen worden ist. Die Ausgangssignale des zweiten und der folgenden Verstärker werden den Frequenzgängen der vorgeschalteten (former) Filter unterworfen, multipliziert mit denen der die Ausgangssignale abnehmenden Filter. Der Verstärker der letzten Stufe Hefen daher ein Ausgangssignal, das allen multiplizierten Frequenzgängen der Filter 501 bis 504 unterliegt.

Die in Fig.5 dargestellte Vorrichtung enthält in Kaskade hintereinander geschaltete Filter für den effektiven Empfang von Echosignalen.

Die Bandpaßfilter 501 bis 504 gemäß F i g. 5 können teilweise oder ganz durch Tiefpaß- oder Hochpaßfilter ersetzt werden. In bestimmten Anwendun^sfällen können die Verzögerungsleitungen 24i bis 243 weggelassen werden.

Fig.6 veranschaulicht noch eine andere Ausführungsform der Erfindung zur Bestimmung des Pegels eines Echosignals zur Änderung des Impulsansprechens der Empfangsvorrichtung in Abhängigkeit vom bestimmten Pegel für den Empfang von Echosignalen. Die Anordnung gemäß Fig. 6 enthält logarithmische Verstärker 601 und 602, eine Schaltung 61 zur Änderung des Frequenzgangs, einen Detektor 62, einen Komparator 63 und ein Tiefpaßfilter 64. Im Betrieb wird ein Echosignal dem logarithmischen Verstärker 601 der ersten Stufe zugeführt, welcher das abgenommene Echosignal verstärkt. Sodann wird ein verstärktes Signal vom Verstärker 601 über die Schaltung 61 zum logarithmischen Verstärker 602 und zum Detektor 62 zur Verstärkung und Erfassung zugeführt wobei ein eine Gleichspannungskomponente enthaltendes Videosignal erzeugt wird. Letzteres wird im Komparator 63 mit einer Bezugsgröße, d. h. einer halbeinstellbaren Bezugsspannung V_n./, verglichen. Ein Ausgangssignal des Komparator 63 wird durch das Tiefpaßfilter 64 geschickt, um diesem Komparator-Ausgangssignal die Hochfrequenzkomponenten zu entziehen bzw. es zu glätten. Das Tiefpaßfilter 64 liefert sein Ausgangssignal für Rückkopplungsregelung oder -steuerung zur Schaltung 61. Die Schaltung 61 zur Änderung des Frequenzgangs spricht auf eine vom Tiefpaßfilter 64 gelieferte Regeispannung unter Änderung der Frequenzbereiche für die Signalverarbeitung an.

Fig.7 veranschaulicht eine Ausführungsform einer solchen Schaltung 61. Die dargestellte Schaltung umfaßt mit Anzapfungen versehene Verzögerungsleitungen 70, an die Verzögerungsleitungen 70 angeschlossene

Koppler 711 bis 71/? mit variablen Koeffizenten sowie einen Addierverstärker 72 zum Addieren der Ausgangssignale dieser Koppler; eine.solche Schaltungsanordnung ist als Transversal-Signalverarbeitungsschaltung bekannt. Die Verzögerungsleitungen 70 bestehen aus einer Spule L 70 mii einer Anzahl von Anzapfungen sowie einer Anzahl von variablen Kondensatoren Q bis C_n, die am einen Ende an einen testwiderstand Ri angeschlossen und die jeweils zwischen die Anzapfungen an der Spule und eine Sammelleitung eingeschaltet sind. Die Kondensatoren besitzen Kapazitäten, die in Abhängigkeit von einer externen Steuerspannung variabel sind. Wenn die elektrostatischen Kapazitäten der variablen Kondensatoren geändert werden, werden die Geschwindigkeiten, mit welchen die Signale über die Verzögerungsleitungen übertragen werden, entsprechend variiert, um dabei eine Einheits-Abtastrate auf einer Zeitbasis für die Verarbeitung von Signalen zu ändern. Mit dieser Anordnung kann daher der Maßstabsfaktor des Frequenzgangs bzw. des Impulsansprechens der gesamten Schaltungskonstruktion variert werde.

Gemäß F i g. 8 bestehl jeder der variablen Kondensatoren C\ bis C_n vorzugsweise aus zwei in Antireihenschaltung angeordneten, variablen Kapazität besitzenden Dioden Cn, Cn und einem Widerstand /?2, dessen eine Seite an die Verzweigung zwischen den Dioden angeschlossen ist und der einen vergleichsweise großen Widerstandswert besitzt. Die Kapazitäten dieser Dioden können durch Anlegung einer Steuerspannung an die andere Seite des Widerstands /?2 geändert werden, ohne daß eine Überbrückung für einen über die Dioden fließenden Signalstrom erforderlich wäre. Die Antireihenschaltung (anti-series connection) der Dioden ist insbesondere bei Hochgeschwindigksitsstsuerup.g zur Verhinderung einer Interferenz oder Störung zwischen einem zu verarbeitenden Signal und einer Steuerspannung vorteilhaft.

Für die Transversalsignalverarbeitung ist es nicht nötig, alle Anzapfungen auf den variablen Verzögerungsleitungen 70 zu benutzen, vielmehr können diejenigen, deren Koeffizienten sich Null annähern, vernachlässigt werden. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Transversal-Signalverarbeitungsschaltung beschränkt; die Signalverarbeitung einer Reihe abgetasteter Signale auf Zeitbasis kann (auch) mittels gewöhnlicher Digitalfilter erfolgen. Bei einer solchen Alternative kann der Maßstabsfaktor des Impulsansprechens bzw. des Frequenzgangs durch Änderung der Abtastfrequenz frei eingestellt werden.

Bei jeder Anordnung kann der Komparator 63 ein gewöhnlicher Komparator mit nominell unendlichem Verstärkungsgrad oder ein gewöhnlicher Differentialverstärker mit einem geeigneten, endlichen Verstärkungsgrad sein.

Das Tiefpaßfilter 64 kann einen Integrator bilden oder enthalten. Das Rückkopplungssystem sollte eine Ansprechzeit besitzen, die ausreichend langsamer ist als eine Schwingungsperiode der Wellenform einer reflektierten Welle. Falls jedoch die Ansprechzeit wesentlich langsamer ist als eine Einheit des Auflösungsvermögens, auf Zeitbasis bzw. die Richtung eines Ultraschallstrahls (z-axis) der gesamten Sender/Empfängeranordr.ung der Ultrasonographievorrichtung, kann sich die Güte der wiedergegebenen Bilder in unvorhersehbarer Weise ändern. Die Zeitverzögerang sollte so gewählt werden, daß sie einer Einheit des Auflösungsvermögens gleich ist

Mit der Anordnung nach Fig.6 kann dasselbe Ergebnis erzielt werden wie mit der Anordnung nach F i g. 3. Genauer gesagt: Ein Reflexionswellensignal höheren Pegels von einer Reflexionsquelle, welche Echos höheren Pegels reflektiert, oder von einer Reflexionsquelle in einem dicht an der Sonde befindlichen Bereich wird so verarbeitet, daß nur Signalkomponenten höherer Frequenzen ausgezogen werden. Beim Ultrasonographiesystem ist das Auflösungsvermögen

ίο um so größer, je höher die Frequenzen der Signale sind, wobei auch die Wiedergabe feinster Strukturen des Mediums auf der Anzeigeeinheit entsprechend besser wird. Andererseits wird ein Echosignal niedrigen Pegels, das von einer Reflexionsquelle, die Reflexionen niedrigeren Pegels zurücksendet, oder von einer weiter von der Sonde entfernten Reflexionsquelle reflektiert wird, so verarbeitet, daß ein niedrigerer oder tieferer Frequenzbereich angehoben wird, der mit einem Frequenzspektrum des Echosignals übereinstimmt, um einen Empfang mit verbessertem Rauschabstand zu gewährleisten.

Fig.9 zeigt eine weitere Ausführungsform, in welcher im Gegensatz zu dem Beispiel nach F i g. 6, eine Vorwärtskopplung zur Steuerung verwendet wird. In diesem Fall wird das Echosignal zu Beginn der Schaltung in zwei Wege verzweigt, nämlich einen Hauptweg mit einem veränderlichen Filter 91 und einen zweiten Weg zur spezieilen Signalbestimmung, welcher einen logarithmischen Verstärker 92, einen Spitzendetektor (-gleichrichter) 93 sowie eine Wellenformschaltung 94 enthält. Diese Wellenformschaltung umfaßt in typischer Weise ein geeignetes Glättungsfilter mit einer nicht linearen Schaltung nach Wahl.

Der zweite Weg ist ähnlich aufgebaut wie ein

Ά konventione!!-- EchociTipfängcr zum Empfang eines Echointensitäts-Videosignals, doch ist im vorliegenden Fall sein Ausgangssignal dazu verwendet, um die Frequenzauswahlcharakteristik des variablen Filters 91 einzustellen.

•»ο Entsprechend dem allgemeinen Konzept der Erfindung verstellt das Echointensitätssignal von diesem zweiten Weg das Filter nach oben, wenn ein starkes Echosignal hereinkommt, und nach unten, wenn ein schwaches Signal ankommt Das System beruht völlig auf der Vorwärtskopplung, so daß es völlig frei ist von irgendwelcher Bildverschiebung oder Instabilität, wie sie bei unrichtiger Auslegung der Rückkopplungspara-. meter im Fall des Rückkopplungssystems von Fig.6 beispielsweise auftreten können.

so Das variable Filter 91 ist in diesem Fall typischerweise ein in seiner Mittelfrequenz veränderbares Bandpaßfilter, doch könnte in anderer Ausführungsform ein Bandpaßfilter mit variabler unterer Grenzfrequenz und fester oberer Grenzfrequenz verwendet werden. In diesem Fall wird die untere Grenzfrequenz für starke Echosignale angehoben, während sie für schwache Signale gesenkt wird.

Das Filter 91 mit variabler unterer Grenzfrequenz kann verschiedenartig ausgebildet sein. Eine bevorzugte Ausführungsform eines solchen Filters ist in Fig. 10 dargestellt Die Schaltung gemäß Fig. 10 enthält variable Kondensatoren C und besitzt die Form eines Kor.siant-k-Filters, welches ein achtes Filter mit variabler unterer Grenzfrequenz ist Ein Impedanz-Widerstand Ro ist so ausgebildet, daß er der folgenden Beziehung genügt:

— £

Darin bedeutet: Cc= Mittelwert in einem Bereich, in welchem die Kapazitäten der variablen Kondensatoren änderbar sind. Eine Steuerspannung E wird von einer Wellenformschaltung über eine Induktivität an die variablen Kondensatoren Cangelegt. Das eine Ende der induktivität 2L, an welche die Steuerspannung angelegt wird, liegt über einen Kondensator Cs an Masse. Die Kapazitäten der variablen Kondensatoren C ändern sich in Abhängigkeit von Änderungen der Steuerspannung. Die Grenzfrequenz des Filters ist in Abhängigkeit von der Steuerspannung gemäß F i g. 11 entsprechend folgender Beziehung variabel:

fc

In-JLC

Das Filter 91 kann mit einem zweckmäßigen Filter mit hcher Grenzfrequenz (high-cut filter) kombiniert werden, so daß diese Filter gemeinsam ein Bandpaßfilter bilden, dessen Grenzfrequenz auf die vorher beschriebene Weise änderbar ist.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 10 in Verbindung mit einem Ultrasonographieverfahren der in Fig. 12(a) dargestellten Art beschrieben, bei dem ein Ultraschallenergiestrahl von einer Sonde bzw. einem Wandler 1 emittiert und nach der Reflexion empfangen wird, wobei ein Wasserbeutel 2 zwischen der Sonde 1 und einem zu untersuchenden, der Ultrasonographiediagnose unterzogenen Körper 3 angeordnet ist. Zur Vereinfachung der Darstellung ist das Ultraschallwellenbündel als einzige gestrichelte Linie dargestellt. Der Pegel eines empfangenen Echosignals ist in Fig. 12(b) veranschaulicht. Die von der Sonde 1 übertragenen Ultraschallwellen werden aufeinanderfolgend von der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers 3 sowie von seinen Innenbereichen reflektiert. Nach einer Zeitspanne fi ab dem Zeitpunkt, zu dem das Ultraschallbündel emittiert wird, wird eine starke Echowelle von der Oberfläche des Körpers 3 reflektiert, sodann werden reflektierte Ultraschallwellen von verschiedenen Gewebegrenzflächen in verschiedenen Tiefen im Körper 3 zurückgeschickt und von der Sonde 1 abgenommen. Die Intensitäten der reflektierten Ultraschallenergien, die von akustisch unterbrochenen Grenzflächen im Körper 3 zurückgeworfen werden, sind nicht eine einfache Funktion der Tiefe von der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers 3 aus, vielmehr sind sie von den akustischen Eigenschaften der Gewebe dieses Körpers 3 abhängig. Unter praktischen Bedingungen werden intensivere Energien von tie^feren Bereichen häufiger reflektiert als von flacheren, d. h. weniger tief liegenden Bereichen. Eine solche reflektierte Ultraschallwelle wird in ein entsprechendes elektrisches Signal (Spannungssignal) umgesetzt, das dem Filter 91 mit variabler unterer Grenzfrequenz als ein Signal zugeführt -vird, dessen Pegel gemäß Fig. 12(b) zeitabhängig variiert Gleichzeitig wird durch den logarithmischen Verstärker 92, den Spitzengleichrichter 93 und die Wellenformschaltung 94 eine Steuerspannung erzeugt, die dem Pegel des Echosignals gemäß F i g. 12(b) entspricht Die Grenzfrequenz des genannten Filters 91, das durch die so erzeugte Steuerspannung angesteuert wird, wird in zeitlicher Abhängigkeit vom Echosignalpegel gemäß Fig. 12(b) variiert. Wie aus den Fig. 12(b) und 12(c) hervorgeht, wird die Grenzfrequenz mit höheren? Pegel des Echosignals zunehmend höher, so daß das FHter 91 höhere Frequenzen durchzulassen vermag. Wenn andererseits das Echosignal einen niedrigeren Pegel hesitzt, wird die Grenzfrequenz niedriger, so daß das Filter 91 eine in den tieferen Frequenzbereich hineinreichende Frequenzbandbreite besitzt. Die Signa-Ie₁ welche das Filter 91 mit in Abhängigkeit vom Echosignalpegel variabler Grenzfrequenz passier¹ haben, vermögen eine Verteilung der akustischen Eigenschaften oder Kennlinien im zu untersuchenden Körper 3 besser wiederzugeben. Ein auf der Grundlage solcher Signale erhaltenes Echogrammbild besitzt eine hohe Güte und gibt ein Schnittbild des zu untersuchenden Körpers 3 mit hoher Wiedergabetreue bzw. Genauigkeit wieder.

Fig. 12(d) veranschaulicht die Grenzfrequenz eines bisherigen Filters, dessen Grenzfrequenz niedriger wird, wenn die Echosignale von tiefer gelegenen Bereichen reflektiert werden. Beim bisherigen Filter verringert sich seine Grenzfrequenz von einem Anfangswert fa auf eine Größe fb nach Ablauf einer Zeitspanne fi, welche der Tiefe von der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers entspricht, und zwar unabhängig davon, daß durch den Wasserbeutel 2 praktisch kein Verlust von Ultraschallenergie hervorgerufen wird. Die Grenzfrequenz verringert sich unabhängig von anschließenden Änderungen des Energieverlustes. Die durch ein solches Filter hindurchgelaufenen Signale unterscheiden sich erheblich von den tatsächlichen, von Schnittebenen des zu untersuchenden Körpers reflektierten Echosignalen, so daß die wiedergegebenen Schnittbilder sich von den tatsächlichen, ultrasonographisch untersuchten Strukturen des Körpers unterscheiden.

Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zum

Empfangen von reflektierten Ultraschallwellen werden somit Echosignale empfangen bzw. abgenommen, während möglichst niedrige Frequenzkomponenten aus einem Frequenzspektrum des empfangenen Echosignals entfernt und damit Wiedergabebilder nur mit den höheren Frequenzkomponenten erzeugt werden, so daß — wie Versuche gezeigt haben — eine bessere Bildgüte

-to erreicht wird.

Die Abtrennung der Niederfrequenz«omponenten sollte in einem Bereich erfolgen, in welchem das Rauschverhältnis die wiedergegebenen Bilder nicht beeinträchtigt wird. Diese Abtrennung sollte unmittelbar nach Maßgabe des Pegels eines Echosignals erfolgen, das dann zur Wiedergabe von Bildern hoher Güte herangezogen wird. Erfindungsgemäß werde, somit die zu entfernenden bzw. abzutrennenden Niederfrequenzkomponenten nach Maßgabe der Pegel von Echosignalen bestimmt, so daß Wiedergabebilder hoher Güte erzielt werden können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermag weiterhin

B-Abtast-Bilder zu liefern, die gleichmäßiger und genauer und außerdem weniger tiefenabhängig sind als die Bilder bei den bisherigen Empfängern, die ausschließlich nach dem TGC-Echoempfangssystem arbeiten, d.h. nach einem System, bei dem nur der Verstärkungsgrad des Empfängers in Abhängigkeit von der Tiefe der Reflexionsquellen gesteuert wird (was der

ω für das Zurückwerfen der Wellen erforderlichen Zeit entspricht).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit dem bisherigen TGC-Echoempfangssystem kombiniert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung benutzt einen Hochfrequenzbereich für die Verarbeitung der reflektierten Ultraschallwellen intensiver Pegel, weiche kleinste Strukturen eines Untersuchunssobiekts anee-

ben (d. h. reflektierte Wellen von Hochfrequenzkomponenten, die hauptsächlich kleinste Strukturen wiedergegeben); diese Struktrjen würden beim bisherigen TGC-System auch bei logarithmischer Pressung kontrahiert bzw. verdeckt werden, so daß sie nicht mehr sichtbar sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermag dagegen B-Abtast-Bilder zu liefern, die viele Informationen bezüglich kleinster Strukturen eines Untersuchungsobjekts enthalten und alle Einzelheiten von hellen Bereichen bis zu dunklen Flächen wiederge- to ben.

Beim System gemäß der US-PS 40 16 750 wird ein Objekt mit einem Hohlraum, welcher Schallwellen passieren läßt und die Schallenergie nicht wesentlich dämpft, in einer Weise sichtbar gemacht, die vollständig von der Sichtbarmachung bei einem Objekt ohne

solchen Hohlraum verschieden ist, weil sich dieses System auf linear korrigierte Frequenzgänge stützt. Zur Ausschaltung dieses Problems sollten die Signale auf der Grundlage einer Streuung verarbeitet werden, welcher Ultraschallwellen unter tatsächlichen Bedingungen unterworfen sind. Die Streuung, welcher Ultraschallwellen in einem Untersuchungsobjekt unterworfen sind, läßt sich bei Berücksichtigung der Dämpfungsgröße der Ultraschallwellen oder der Intensität der vom Untersuchungsobjekt zurückgeworfenen Echos besser verstehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermag substantivere Querschnittbilder zu liefern, und zwar unabhängig davon, ob ein Untersuchungsobjekt oder -körper-in einem der Ultrasonographiediagnose unterworfenen Bereich einen Hohlraum besitzt oder nicht

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschallecho-Untersuchungsgerät zur Ultraschalluntersuchung eines Körpers, insbesondere eines menschlichen Körpers sowie insbesondere zur Wiedergabe eines B-Abtast-Echogramms desselben, mit einer automatischen Anpassungseinrichtung, weiche die Verarbeitungscharakteristiken für das empfangene Echosignal stufenweise entsprechend dem jeweiligen Pegel des Echosignals verändert, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzcharakteristik eines die empfangenen Signale verarbeitenden" Filterkreises (12) entsprechend dem Pegel der Echosignale veränderbar ist, derart, daß die Bildauflösung und/oder die Detaildarstellung bei stark reflektierenden Echoquellen durch Auswahl von höherfreq«:nten Anteilen der Echosignale verbessert ist und daß das Signal-Rauschverhältnis und/oder die Erkennbarkeit für schwach reflektierende Echoquellen durch Auswahl von niedrigfrequenten Anteilen der Echosignale verbesserbar ist

Z Untersuchungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine variabia Filterschaltung (61) verwendet ist, um die Echosignal-Verarbeitungscharakteristiken einzustellen, wobei die Filterschaltung entsprechend dem jeweiligen Ausgangspegel des Echoempfängers, welcher die variable Filterschaltung einhält, durch Rückkopplung steuerbar ist.

3. Untersuchungsgerät narh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Fih Tschaltung ein spannungsgesteuertes Filter ist, welches seine Steuerspannung im wesentlichen von einem Ausgangspegel-Komparator (63) über eine Glättungsschaltung, mit einer ausreichend längeren Ansprechzeit als einem Einheitszyklus des Echosignals, erhält, wobei der Komparator (63) das gleichgerichtete Ausgangssignal des Echoempfängers einschließlich des spannungsgesteuerten Filters und eines Verstärkers mit einer vorgegebenen Referenzspannung vergleicht.

4. Untersuchungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionszeit der Rückkopplungsschleife gleich ist der Zeiteinheit des Auflösungsvermögens des Echo-Ultraschall-Systems.

5. Untersuchungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Echoempfänger eine in Folge nacheinander sättigbare logarithmische Verstärkerschaltung mit mehreren in Kaskadenschaltung angeordneten logarithmischen Verstärkerstufen (201—204) umfaßt, wobei von mehreren Bandpaßfiltern (221—224) mit voneinander abweichenden Durchlaßbereichen jeweils eines an einem Ausgang zwischen den Verstärkerstufen (201 —204) angeschaltet ist und von mehreren Detektoren (231-234) jeweils einer an einen Ausgang eines jeweiligen Bandpaßfilters (221-224) geschaltet ist und ein Addierverstärker (25) zur Zusammenfassung der Detektor-Ausgangssignale vorgesehen ist, um eine logarithmisch komprimierte, pegelabhängige Empfangscharakteristik des Echo-Videosignals zu erzeugen.

6. Untersuchungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Echoempfänger eine in Folge s?ttigbare logarithmische Verstärkerschaltung mit mehreren in Kaskadenschaltung angeordneten logarithmischen Verstärkerstufen (201 -204) umfaßt, wobei von mehreren Bandpaßfiltern (501—504) mit voneinander abweichenden Durchlaßbändern jeweils eines in die Verbindungsleitung zwischen den jeweiligen Verstärkerstufen geschaltet ist, mehrere Detektoren (231—234) zur Erfas;;jng der Ausgangssignale zwischen den Verstärkerstufen (201 —204) geschaltet sind und ein Addierverstärker (25) zur Zusammenfassung der Detektorausgangssignale vorgesehen ist, um eine logarithmisch komprimierte pegelabhängige Empfangscharakteristik des Echo-Videosignals zu erzeugen.

7. Untersuchungsgerät nach Anspruch 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanord-

nung für das frequenzvariable Filter im wesentlichen nach einem Datenabtastverfahren arbeitet und daß die Signalabtastrate von einer externen Steuerspannung abhängt.

8. Untersuchungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Filterschaltung

eine mit Anzapfungen versehene Verzögerungsleitung (70), mehrere zwischen die Anzapfungen der Verzögerungsleitung geschaltete Dioden (Ci-CN) mit variabler Kape^ität zur Erzielung variabler

Zeitverzögerungen, mehrere an die jeweiligen Anzapfungen oder an ausgewählte Anzapfungen angeschlossene Koppler (7U-71N) mit variablen Koeffizienten sowie einen Addierverstärker (25) zur Zusammenfassung der Ausgangssignale der Koppler

mit variablen Koeffizienten umfaßt, um ein Durchlauffilter zu bilden, dessen Zeitstufen entsprechend der externen Vorspannung für die Dioden mit variabler Kapazität variabel sind.

9. Untersuchungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Echoempfänger zwei Wege für das ankommende Echosignal aufweist, wobei der eine Weg zur Bilderzeugung dient und das variable Filter (91) nach der Verzweigungsstelle enthält und wobei der andere Weg zur Steuerung dient und

* einen logarithmischen Verstärker (92), einen Detektor (93) sowie eine Einrichtung (94) zur Erzeugung einer Steuerspannung für das variable Filter auf der Grundlage der Detektorausgangssignale enthält, wobei der erste Weg für das ankommende Signal zur Bilderzeugung eine durch Vorwärtskopplung gesteuerte, vom Echosignalpegel abhängige Frequenzcharakteristik zwischen dem Empfängereingang und dem Ausgang des variablen Filters aufweist.