DE3411135C2 - Phasengesteuertes Ultraschall-Abbildungssystem - Google Patents
Phasengesteuertes Ultraschall-AbbildungssystemInfo
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Abstract
Wenn bei Ultraschallübertragung und -empfang durch eine Feld- oder Reihensonde in einem phasengesteuerten Sonar ein Ultraschallstrahl im wesentlichen von der Feld- oder Reihensonde nach vorn gerichtet ist, wird eine Ultraschallwelle mit einer hohen Mittenfrequenz fO oder einer sich zu höheren Frequenzen erstreckenden Bandbreite zur Gewährleistung einer hohen Bildauflösung übertragen bzw. ausgesandt und/oder empfangen. Wenn der Ultraschallstrahl seitwärts geführt oder gesteuert wird, wird eine Ultraschallwelle einer niedrigeren Mittenfrequenz fO oder eines höheren, in Beziehung zu einem Steuerwinkel Θ abgeschnittenen (begrenzten) Frequenzbereichs übertragen und/oder empfangen, um einen Winkel, bei dem Gitter-Nebenzipfel entstehen, zu vergrößern und damit den Eintritt solcher Nebenzipfel in den Bereich eines Bild- oder Gesichtsfelds zu verhindern.
Description
dadurch gekennzeichnet, daß
33
- ein Bandpaßfilter (6) im Signalpfad der empfangenen
Echosignale und/oder im Signalpfad der Erzeugung der Ultraschallsignale angeordnet ist,
das einen variablen Frequenzgang hat, und
- eine Steuerschaltung (Teil von 7) das Bandpaßfilter
(6) derart steuert, daß der Durchlaßbereich zur niederfrequenten Seite verschoben wird,
wenn der Azimut der Ultraschallsignale zunimmt.
2. Ultraschall-Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandpaßfilter
(6) eine Mittenfrequenz besitzt, die mit sich vergrößerndem Azimut der Ultraschallstrahlen verkleinerbar
ist.
3. Ultraschall-Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandpaßfilter
(6) einen Durchlaßbereich besitzt, der mit sich vergrößerndem Azimut der Ultraschallstrahlen verschmälerbar
ist.
4. Ultraschall-Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die höhere oder
untere Grenzfrequenz des Bandpaßfilters (6) mit sich vergrößerndem Azimut der Ultraschallsignale
verringerbar ist.
5. Ultraschall-Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandpaßfilter
(6) zur Verarbeitung eines das empfangene Echosignal angebenden Signals unmittelbar der zweiten
Verzögerungsstufe (2b) nachgeschaltet ist.
6. Ultraschall-Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Buiidpaßfilter
(6) zur Verarbeitung aller das empfangene Echosignal von allen am Empfang des Echosignals beteiligten
Ultraschallwandlerelementen (4) angebenden Signale geschaltet ist.
7. Ultraschall-Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandpaßfilter
(6) zur Verarbeitung jedes Ausgangssignals von den Impulstreibem (3) geschaltet ist.
8. Ultraschall-Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandpaßfilter
(6) zur Verarbeitung des Ansteuersignals geschaltet ist.
Die Erfindung geht aus von einem phasengesteuerten Ultraschall-Abbildungssystem nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1. Ein solches Ultraschall-Abbildungssystem ist z. B. bei medizinischen oder Unterwasser-Abbildungssystemen
verwendbar.
Es sind phasengesteuerte Ultraschall-Abbildungssysteme mit einem auch als Reihen- oder Feldsonde
bezeichneten Ultraschallwandler aus einer Reihe bzw. einem Feld von Ultraschallwandlerelementen bekannt,
die mit einer Phasenbeziehung aktiviert werden, um Ultraschallwellen in einen Untersuchungsraum abzustrahlen
oder aus ihm zu empfangen, während die Strahlrichtung der Ultraschallwellen gesteuert wird.
Die bisherigen phasengesteuerten Ultraschall-Abbildungssysteme sind jedoch mit dem Problem der durch
Nebenkeulen, insbesondere Gitterseitenkeulen erzeugten Geisterbilder oder Artefakten behaftet.
Durch Nebenkeulen hervorgerufene Geisterbilder erscheinen in einer Richtung, die hauptsächlich durch
das Verhältnis des Teiiungsabstands zwischen den Wandlerelementen zur Wellenlänge der Obertragungsund
Empfangs-UltraschallwelLen bestimmt wird, und mit einem durch die Gesamtzahl ifer aktivierten Wandlerelemente
bestimmten Pegel. Diese Geisterbilder lassen sich grundsätzlich nicht durch Verbesserung der
Auflösung oder der Quantisierungsstufen einer Verzögerungsstufe für phasengesteuerte Wandlerelement-Erregung
und die Gleichförmigkeit der Verstärkung sowie die Ultraschallwellen-Sende- und -Empfangsleistung
vermindern. Ein Entfernen von Wandlerelementen resultiert lediglich in scharf geschnittenen Nebenkeulen
ML2 (vgl. Fig. 1) unter Beeinträchtigung der Breite einer Hauptkeule ML1, ist jedoch für Grundlinien
U0 (Fig· 1) oder Gitterseitenkeulen GSL nicht
wirksam. Die Grundlinien bestimmen sich durch die Gesamtzahl der Wandlerelemente und die Gleichförmigkeit
oder Abweichung, in jeder Bedeutung dieses Ausdrucks, von einem theoretischen oder idealen Wert.
Ein anderer, die Gitterseitenkeulen wesentlich beeinflussender Faktor ist eine für die Echoauswertung empfangene
Wellenform (oder ein Frequenzspektrum), wie dies anhand des Prinzips der Gitterseitenkeulenerzeugung
ersichtlich ist.
Fig. 2 veranschaulicht schematisch das Prinzip der Entstehung von Gitterseitenkeulen. Mit einem Teilungsabstand
d angeordnete Wandlerelemente TX-Td werden gleichzeitig aktiviert, um eine Hauptkeule vor
der Wandlerelementreihe zu erzeugen. Gleichzeitig sind Wellen, zusätzlich zur Vorderseite der Reihe, nach
der Bedingung d · sin θ Φ Α (λ = Wellenlänge) in
Richtungen ± θ in Phase gebracht, um eine starke Empfindlichkeit in diesen Richtungen hervorzurufen
und damit Nebenkeulen zu bewirken.
Wenn die ausgesandteii und empfangenen. Wellen
bessere Kohärenz besitzen, werden die Gitterseitenkeulen größer und schärfer. Wenn vollständige Impulswellenzüge
übertragen und empfangen werden, entsteht keine Gitterseitenkeule, doch heben die addierten WeI-lenformen
von allen betreffenden Wandlerelementen einander an den Grundlinien D0 nicht genügend auf und
verbleiben in erheblichem Maße als kontinuierliche Nebenkeulen.
Falls die Bandbreite der übertragenen und empfangenen Wellenformen zu weit ist oder sich bei einem phasengesteuerten
System in einen Hochfrequenzbereich erstreckt, neigen die Nebenkeulen dazu, in einer Winkelstellung,
kleiner als ein Winkel Θ, bei einer Mittenfrequenz /o der Ultraschallwellen aufzutreten. ■ is
Keinerlei Problem ergibt sich, wenn ein Ultraschallstrahl von der Reihe nach vorn gerichtet wird, indem
der Azimut einer möglichen Nebenkeule so gewählt wird, daß er geringfügig außerhalb (z. B. ±50°) eines
Gesichtsfeldbereichs oder eines zu erfassenden Azimutbereichs
(z. B. ±45°) liegt. Wenn jedoch ein Ültraschallstrahi
gesteuert und abgetastet wird, -erscheinen Nebenkeulen im Blick- oder Gesichtsfeld unter Erzeugung
von Geisterbildern.
Ein Kompromiß zur Lösung des genannten Problems besteht in der Regelung der Verstärkung einer Verstärkerschaltung
zum Abnehmen und Verstärken eines Echosignals. Auf diese Weise wird jedoch der Rauschabstand
nicht verbessert, und es werden auch keine Vorteile, keine Optimierung und keine beste Sichtbarkeit
erzielt.
Weiterhin ist aus der DE-OS 29 08 799 eine Sende-Empfangs-Wandleranordnung
bekannt, bei der zur Lösung des obigen Problems der Teilungsabstand im mittleren Bereich einer Wandlerelementreihe zwischen
zum Senden dienenden Wandlerelementen kleiner ist als im Restbereich der Wandlerelementreihe zwischen
zum Empfang dienenden Wandlerelementen, so daß die Nebenkeulen außerhalb des wirksamen Beobachtungsfeldes bei der Sektorabtastung erzeugt werden, wenn
ein Ultraschallsignal übertragen wird. Bei dieser Wandleranordnung müssen jedoch die einzelnen Wandlerelemente
mit speziellem Abstand vorgesehen werden, was den Aufwand bei der Fertigung beträchtlich erhöht.
Weiterhin ist der Verlauf der Gitterseitenkeulen nach der Fertigung der Wandleranordnung fest, so daß eine
nachträgliche Einstellung nicht mehr vorgenommen werden kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
azimutanpaßbares, phasengesteueres Ultraschall-Abbil- so
dungssystem zu schaffen, bei dem das durch Nebenkeulen hervorgerufene Problem auf elektrischem Wege
überwunden wird, so daß keine spezielle Anordnung der Wandlerelemente notwendig ist und eine Einstellung
des Verlaufs der Nebenkeulen nachträglich vorgenommen
werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem phasengesteuerten Ultraschall-Abbildungssystem nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnenden Teil enthaltenen Merkmale
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 8.
Die Verwendung eines steuerbaren Filters in einer Kompensationseinheit einer Ultraschallabbildungsvorrichtung
ist an sich aus der US-PS 40 16 750 bekannt. Die Durchlässigkeit dieses Filters wird durch einen
Funktionsgenerator entsprechend der Laufzeit der Ultraschallsignale gesteuert, so daß die seitliche und
longitudinale Auflösung der Ultraschallabbildungsvorrichtung verbessert wird.
Bei dem vorliegenden Ultraschall-Abbildungssystem wird dann, wenn ein Ultraschallstrahl von einer Reihe
von Wandlerelementen nach vorn gerichtet wird, die Mittenfrequenz/0 entweder eines Empfangssignals vonjedem
am Ultraschallempfang beteiligten Wandlerelement oder eines Übertragungssignals jedes an der
Ultraschallübertragung beteiligten Wandlerelsments oder eines Echosignals, in welchem die empfangenen
Signale in Phase kombiniert sind, so daß sie einen gewünschten Strahlwinkel besitzen, vergrößert, um eins
Bandbreite für höhere Auflösung in einen höheren Frequenzbereich zu erweitern. Wenn der Strahl zur Seite
geführt wird, wird die Mittenfrequenz /0 in bezug auf
einen Steuerwinkel verringert, oder eine höherfrequente Komponente wird abgeschnitten, um einen
NebenkepJen erzeugenden Winkel zu vergrößern, so daß keine Nebenkeule in den Berefcih eines Blick- oder
Gesichtsfelds eingeführt wird.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführusgsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine graphische Darstellung des Richtungsverhältnisses
einer Echoempfangsempfindlichkeit bei einem bisherigen phasengesteuerten Ultraschall-Abbildungssystem,
Fig. 2 eine graphische Darstellung des Prinzips der Entstehung einer Nebenkeule,
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines phasengesteuerten Ultraschall-Abbildungssystems gemäß der Erfindung,
Fig. 4 und 5 graphische Darstellungen der Art und Weise, auf weiche ein steuerbares Bandpaßfilter beim
erfindungsgemäßen phasengesteuerten Ultraschall-Abbildungssystem gesteuert wird,
Fig. 6 ein Blockschaltbild des Bandpaßfilters gemäß Fig. 3 und
Fig. 7 eine graphische Darstellung der Änderung der Grenzfrequenz von Filtern im Bandpaßfilter gemäß
Fijf. 6.
Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.
Fig. 3 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes phasengesteuertes Ultraschall-Abbildungssystem, das mit
Ausnahme eines steuerbaren Bandpaßfilters 6 und einer Steuerschaltung 7 denselben Aufbau besitzt wie die
bisherigen Ultraschall-Abbildungssysteme.
Untere und obere Grenzfrequenzen des Bandpaßfilters 6 werden durch die Steuerschaltung 7 eingestellt,
die ein Zeitsteuersignal zu einem Triggergenerator 1 und zu einer zeitabhängigen Verstärkungsregelungsscha*!uag
11 sowie ein Azimutsteuersignal zu einer ersten Verzögerungsstufe 2a und einer zweiten Verzögerungsstufe
2b zai Gewährleistung einer zweckmäßigen
Verzögerungsverteilung für die Bestimmung eines Azimuts für ausgesandte und empfangene Ultraschallsignale,
wie bei den bisherigen Ultraschall-Abbildungssystemen, liefert. Die Seuerschaltung 7 erzeugt zusätzlich
Steuersignale d, Cl zur Änderung der unteren und
oberen Grenzfrequenzen des Bandpaßfiltei/s 6 in Abhängigkeit vom Azimutwinkel des Strahls.
Im Betrieb wird ein vom Triggergenerator 1 erzeugtes, bezüglich des Takts von der Steuerschaltung 7
gesteuertes Triggersignal der ersten Verzögerungsstufe 2a aufgeprägt. Letztere enthält in diesem Fall Verzögerungsleitungen
in einer Zahl entsprechend den Wandlerelementen, in einer Wandlerreihe. Die durch die
Verzögerungsleitungen vorgegebenen Verzögerungen werden durch die Steuerschaltung 7 zur Bestimmung
einer Verzögerungszeitverteilung so geregelt, daß ein Steuerwinkel oder Azimut der ausgesandten und empfangenen
Ultraschallsignale einem vorbestimmten Win- s kel entspricht, wobei auch die Strahlfokussierung
berücksichtigt wird. Die verzögerten Ausgangssignale der Verzögerungsstufe la werden zu einem Impulstreiber
3 geliefert, der aus einzelnen Impulstreibern besteht, die jeweils an die betreffenden Wandlerele- ω
mente der Reihe 4 angeschlossen und durch die Ausgangssignale von den betreffenden Verzögerungsleitungen
ansteuerbar sind, um Ansteuerimpulse zum gleichzeitigen Aktivieren der Wandlerelemente zu erzeugen,
woraufhin die Wandlerreihe 4 eine Ultraschallwelle \5 zum vorbestimmten Azimut emittiert. Sodann werden
Echosignale von den Wandlerelementen der Reihe 4 abgenommen und durch diese in elektrische Signale
umgesetzt, die danach durch einen Verstärker 5~verstärkt
werden. Die verstärkten Signale werden durch eine zweite Verzögerungsstufe Ib geleiet, in welcher die
Signale einer Zeitverzögerung für gleichphasigen Empfang für einen gewünschten Strahlsteuerwinkel unterworfen
werden, und sie werden sodann zu einem einzigen Signal kombiniert, das zum Bandpaßfilter 6 geleitet
wird. Die durch die Steuerschaltung 7 dem Bandpaßfilter 6 zugeführten Steuersignale Cl, CZ werden entsprechend
dem Strahlsteuerwinkel variiert. Demzufolge wird der Frequenzgang des Bandpaßfilters 6 auf die in
Fig. 4 gezeigte Weise geändert, so daß sich die Mittenfrequenz und die Bandbreite mit sich vergrößerndem
Steuerwinkel θ zu niedrigeren Frequenzen hin verschieben.
Das vom Bandpaßfilter 6 erhaltene Echosignal wird durch eine logarithmische Verstärkerschaltung 8 und
ein Tiefpaßfilter 9 verarbeitet. Das verarbeitete Signal wird sodann einem Video-Verstärker 10 zugeführt, dessen
Steuereingang eine Vorspannung zeitabhängig durch die Verstärkungsregelungsschaltung 11 variiert
(normalerweise erhöht) wird. Der Video-Verstärker 10
Hefen ein Videosignal, in welchem von der Tiefe einer Echoquelle abhängig hervorgerufene Ultraschalldämpfungen
kompensiert sind. Da das Signal einen der logarithmischen Verstärkung unterworfenen Pegel besitzt,
ist die Hinzufügung der Vorspannung der Multiplikation des ursprünglichen Signals vor dessen logarithmischer
Verstärkung äquivalent, so daß eine zeitabhängige Verstärkungsregelung (TGQ bewirkt wird.
Der Frequenzgang des Bandpaßfilters 6 und seine Änderungen un'er der Steuerung der Steuerschaltung 7
lassen sich auf die in Fig. 5 dargestellte Weise wählen. Genauer gesagt: der Durchlaßbereich B ist gemäß
Fig. 5(a) verengt, die untere Grenzfrequenz ist praktisch
konstant, während die obere Grenzfrequenz unter gleichzeitiger Änderung der Mittenfrequenz/0 und der
Bandbreite B gemäß Fig. 5(b) verringert ist, und die untere Grenzfrequenz ist herabgesetzt, während die
höhere Grenzfrequenz gemäß Fig. 5(c) im wesentlichen konstant ist.
Das Bandpaßfilter 6 sollte gemäß Fig. 6 Vorzugsweise ein steuerbares Hochpaßfilter 61 mit einer durch
das Regelspannungssignal von der Steuerschaltung 7 geregelten Grenzfrequenz, einen an das Hochpaßfilter
angeschlossenen Breitband-Verstärker 62 und ein mit letzterem verbundenes steuerbares Tiefpaßfilter 63
mit einer durch das Regelspannungssignal von der Steuerschaltung 7 eingestellten Grenzfrequenz umfassen.
Dieses Tiefpaßfilter 63 ist speziell zur Gewährleistung einer scharfen Grenzfrequenzcharakteristik erforderlich.
Die Grenzfrequenzen fc , und fa des Tiefpaßfilters 63
bzw. des Hochpaßfilters 61 werden gemäß Fig. 7 in Abhängigkeit von | sin β | gesteuert. Wenn dabei der
Ultraschallstrahl von der Wandlerreihe nach vorn gerichtet (0 = 0) ist, bleibt somit die Mittenfrequenz f„
hoch bzw. bleibt der Durchlaßbereich in einem höheren Frequenzbereich, so daß Bilder mit hoher Auflösung
erhalten werden können. Wenn der Strahl seitwärts gesteuert wird, wird mit zunehmendem Steuerwinkel θ
die Mittenfrequenz /„ herabgesetzt oder der höhere Frequenzbereich abgeschnitten, mit dem Ergebnis, daß
sich der Winkel Θ, bei dem Nebenkeulen auftreten, vergrößert und damit verhindert wird, daß die Nebenkeulen
in den Gesichtsfeldbereich eintreten. Nebenkeulen-Artefakts werden somit effektiv an einer Beteiligung
in den erhaltenen Bildem gehindert.
Anstelle der oder zusätzlich zur Anordnung des Bandpaßfilters 6 unmittelbar hinter der Verzögerungsstufe Zb zum Wählen von Frequenzkomponenten aus
dem Signal können zahlreiche Bandpaßfilter mit den für die eineinen Wandler vorgesehenen Empfangs-Verstärkern
verbunden sein. Wenn das Bandpaßfilter 6 auf Ultraschallausstrahlen umgeschaltet wird, kann diese
Einrichtung zur Verarbeitung jedes Ausgangssignals vom Jinpulstreiber 3 geschaltet oder an den Triggergenerator
1, sofern die einzelnen Impulstreiber Linearverstärker sind, angeschlossen sein, um den Frequenzgang
der Treiber- oder AnsteuerweUcnform eines zu übertragenden
ursprünglichen Signale- zu ändern, so daß die Mittenfrequenz einer übertragenen Ultraschallwelle in
Beziehung zum Steuerwinkel 0 variiert wird.
Bei der beschriebenen Anordnung gemäß der Erfindung wird also ein steuerbares Bandpaßfilter verwendet,
dessen Mittenfrequenz verkleinert oder bei dem ein höherer Frequenzbereich abgeschnitten wird, wenn der
Strahlsteuerwinkel 0 vergrößert wird, während ein Untersuchungssektor nach einem Phasensteuerungsverfahren
abgetastet wird. Das Bandpaßfilter kann geschaltet sein zur Verarbeitung aller Echosignale oder
eines zusammengesetzten Echosignals, oder aber eines zu sendenden Signals oder von Ausgangssignalen des
Impulstreibers, zweckmäßig in ihrer Phase verschoben, zur Aktivierung der Wandler, und es kann bei Ultraschallübertragung
und/oder bei -empfang eingesetzt werden, um Nebenkeulen so zu steuern, daß sie nicht
im Winkelbereich eines Blick- oder Gesichtsfelds erscheinen.
Claims (1)
1. Phasengesteuertes Ultraschall-Abbildungssystem, mit s
- einer Sonde aus einer Reihe von mehreren Ultraschallwandlerelementen
(4), die Ultraschallsignale aussenden und Echosignale empfangen,
- einer ersten Verzögerungsstufe (2a), die abhängig to von einem, von einem Triggergenerator (1) gelieferten
Triggersignal mehrere Ansteuersignale mit jeweils einer der Senderichtung der Ultraschallsignale
entsprechenden Phasenbeziehung erzeugt,
- Impulstreibern (3), die die Ansteuersignale ver- is
stärken, um Ausgangssignale zu liefern, die die einzelnen Ultraschallwandlerelemente (4) ansteuern,
- Verstädtern (5) zum Verstärken der durch die
einzetsen Ultraschallwandlerelemente (4) erfaßten Echosignale,
- einer zweiten Verzögerungsstufe (2i>), die die jeweiligen
Ausgangssignale der Verstärker (5) zur Erzielung einer jeweils der Empfangsrichtung des
Echosignals entsprechenden Phasenbeziehung verzögert, und
- einer Steuerschaltung (T), die die Phasenbeziehung in der ersten Verzögerungsstufe (2a) und
der zweiten Verzögerungsstufe (2b) entsprechend der jeweiligen Senderichtung der Ultraschallgnale
bzw. Empfangsrichtung der Echosignale steuert,
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