DE3542534A1

DE3542534A1 - Ultraschalldiagnosevorrichtung

Info

Publication number: DE3542534A1
Application number: DE19853542534
Authority: DE
Inventors: Yukio Ito; Shinji Kishimoto; Yutaka Sato; Satoshi Kashiwa Tamano
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1984-12-04
Filing date: 1985-12-02
Publication date: 1986-06-12
Anticipated expiration: 2005-12-03
Also published as: JPS61135639A; DE3542534C2; JPH0576302B2; US4840180A

Description

-S-

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Messung zur Ermittlung des Zustandes der Bewegung eines sich bewegenden inneren Teiles eines lebenden Körpers und betrifft insbesondere eine Ultraschalldiagnosevorrichtung zum Messen der im folgenden einfach als Geschwindigkeit bezeichneten Bewegungsgeschwindigkeit eines sich bewegenden inneren Teiles eines lebenden Körpers oder zum Messen der Geschwindigkeit und der im folgenden einfach als Geschwindigkeitsverteilung bezeichneten Bewegungsgeschwindigkeitsverteilung eines derartigen sich bewegenden Teiles.

Ein Ultraschallimpuls-Doppler-Verfahren wird in der Praxis dazu benutzt, die Geschwindigkeit eines sich bewegenden inneren Teiles eines lebenden Körpers, beispielsweise eines inneren Organes, wie beispielsweise des Herzens oder eines zirkulierenden Organes, das als Fluid zirkuliert, wie beispielsweise des Blutes oder der Körperflüssigkeit zu messen.

Eine bekannte Ultraschalldiagnosevorrichtung, die das Ultraschallimpuls-Doppler-Verfahren verwendet, ist beispielsweise in der JP-OS 58-188433 beschrieben. Bei dieser bekannten Vorrichtung dient ein Autokorrelator dazu, ein hochfrequentes Signal, das von dem sich bewegenden inneren Teil des lebenden Körpers reflektiert wird, in komplexe Signale umzuwandeln und dann die Autokorrelation zwischen den komplexen Signalen zu berechnen, und dient ein Ge-

schwindigkeitsoperator dazu, die Geschwindigkeit des sich bewegenden Teiles auf der Grundlage der berechneten Autokorrelation zu berechnen. Die Notwendigkeit, den Autokorrelator vorzusehen, macht jedoch einen komplizierten Schaltungsaufbau erforderlich, was zu einer erheblichen Gesamtgröße der Ultraschalldiagnosevorrichtung führt.

Bei der bekannten in der genannten JP-OS 58-188433 beschriebenen Ultraschalldiagnosevorrichtung werden zusammen mit dem Autokorrelator Laufzeitunterdrücker dazu verwandt, die Geschwindigkeit des sich bewegenden inneren Teiles des lebenden Körpers auf der Grundlage des hochfrequenten Signales zu ermitteln, das durch eine Ultraschallsonde empfangen wird und eine Doppler-Verschiebungsfrequenz enthält. Die numerischen Gleichungen, die dazu benutzt werden, eine Reihe von Signal-Verarbeitungen an dem empfangenen hochfrequenten Signal durch die Laufzeitunterdrücker und den Autokorrelator durchzuführen, enthalten keine Amplitudenausdrücke und die Geschwindigkeit des sich bewegenden Teiles wird unter der Annahme berechnet, daß die Amplitude des empfangenen hochfrequenten Signales konstant ist. Es sei als Beispiel im folgenden der Fall betrachtet, daß die Geschwindigkeit des Blutstromes ermittelt wird. In diesem Fall wird einschränkend angenommen, daß die zweite Potenz der Amplitude, d.h. die Energie dies Doppler-Verschiebungssignales proportional zur Anzahl der durch den Ultraschallstrahl abgetasteten Blutzellen ist/ und daß die Anzahl der durch den Ultraschallstrahl abgetasteten Blutzellen unabhängig vom Durchsatz des Blutstromes konstant ist.

Die Anzahl der vom Ultraschallstrahl abgetasteten Blutzellen ist jedoch nicht immer unabhängig vom Durchsatz des Blutstromes konstant. Der Grund dafür besteht darin, daß im Blutstrom

eine Turbulenz auftreten kann, und daß ein Konzentrationsunterschied zwischen den roten Blutzellen und den weißen Blutzellen besteht. Die Amplitude des Doppler-Verschiebungssignales ist somit nicht immer konstant. Obwohl weiterhin die Leistung des Ultraschallsignales gedämpft wird, da das Ultraschallsignal empfangen wird, nachdem es in den lebenden Körper übertragen wurde, ändert sich das Maß an Dämpfung in Abhängigkeit von der Gewebestruktur des abgetasteten Teiles des lebenden Körpers. Bei einem sich bewegenden Teil, wie beispielsweise dem Herzen, bei dem die Bewegungsenergie groß ist, ändert sich der Zustand der Gewebestruktur, durch die der Ultraschallstrahl hindurchgeht, unaufhörlich und ist es unmöglich, immer ein hochfrequentes Signal zu empfangen, das ein Doppler-Verschiebungssignal mit konstanter Amplitude enthält.

Das bekannte Verfahren der Signalverarbeitung, bei dem die mittlere Geschwindigkeit unter der Annahme berechnet wird, daß die Amplitude des empfangenen Signales immer konstant ist, ist daher insofern unzulänglich, als unvermeidlich im Rechenergebnis ein Fehler enthalten ist.

Durch die Erfindung soll eine Ultraschalldiagnosevorrichtung geschaffen werden, die die Geschwindigkeit eines sich bewegenden inneren Teiles eines lebenden Körpers trotz eines vereinfachten Schaltungsaufbaues ohne den bei den bekannten Vorrichtungen vorgesehenen Autokorrelator messen kann.

Durch die Erfindung soll insbesondere eine Ultraschalldiagnosevorrichtung geschaffen werden, die die Geschwindigkeitsverteilung zusätzlich zur Geschwindigkeit des sich bewegenden inneren Teiles des lebenden Körpers trotz eines vereinfachten Schaltungsaufbaues messen kann, der keinen Autokorrelator benötigt.

Gemäß der Erfindung wird ein Ultraschallstrahl, der zu einem sich bewegenden inneren Teil eines lebenden Körpers ansgesandt und von diesem reflektiert wird, empfangen und verstärkt und wird nach einer Umwandlung der reflektierten Welle in komplexe Signale die Geschwindigkeit des sich bewegenden Teiles sofort durch einen Geschwindigkeitsoperator auf der Grundlage der komplexen Signale berechnet. Zusätzlich zur Messung der Geschwindigkeit des sich bewegenden Teiles kann durch einen Geschwindigkeitsverteilungsoperator auch die Geschwindigkeitsverteilung berechnet werden. Der Geschwindigkeitsoperator und der Geschwindigkeitsverteilungsoperator arbeiten vorzuweise mit hoher Geschwindigkeit, so daß einzelne Punkte, die in Richtung der Tiefe des gerichteten Ultraschallstrahles liegen, in Echtzeit gemessen werden können.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ultraschalldiagnosevorrichtung beschrieben, das dazu geeignet ist, Informationen über einen sich bewegenden inneren Teil eines lebenden Körpers nach dem Ultraschallimpuls-Doppler-Verfahren zu liefern. Es zeigen:

Fig. 1 in einem Blockschaltbild den Grundaufbau des

bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ultraschalldiagnosevorrichtung,

Fig. 2 in welcher Weise die Geschwindigkeit und die bis 5 Geschwindigkeitsverteilung bei dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung berechnet werden,

Fig. 6 in einem Blockschaltbild im einzelnen den Aufbau eines Ausführungsbeispiels des in Fig. 1

dargestellten Geschwindigkeitsoperators,

Fig. 7 in einem Blockschaltbild im einzelnen den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels des in Fig. 1 dargestellten Geschwindigkeitsoperators , und

Fig. 8 in einem Blockschaltbild im einzelnen den

Aufbau eines Ausführungsbeispiels des in Fig. 1 dargestellten Geschwindigkeitsverteilungsoperators.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wird ein Ultraschallstrahl, der zu einem sich bewegenden inneren Teil eines lebenden Körpers ausgesandt wird, von einer Ultraschallsonde 1 über eine Sendeschaltung 2 erzeugt. Die Impulse des ausgesandten Ultraschallstrahles werden von dem sich bewegenden inneren Teil des lebenden Körpers reflektiert und von der Ultraschallsonde 1 empfangen. Das empfangene hochfrequente Signal, das eine interne Information über den lebenden Körper enthält, wird durch eine Hochfrequenzverstärkerschaltung 3 verstärkt. Ein Quarzoszillator 4 erzeugt ein hochfrequentes Synchronsignal. Dieses hochfrequente Synchronsignal wird über eine Synchronisierungsschaltung 5 in ein Bezugssignal mit einer Frequenz umgewandelt, die der Folgefrequenz der Ultraschallimpulse entspricht, die von der Ultraschallsonde 1 ausgesandt werden. Die Phase des Bezugssignales, das von der Synchronisierungsschaltung 5 erzeugt wird, wird durch einen Phasenschieber 6 um 90° verschoben. Das um 90° phasenverschobene Bezugssignal vom Phasenschieber 6 wird mit dem verstärkten empfangenen Signal in einem ersten Mischer 7 gemischt, der so arbeitet, daß er eine Information über die Bewegungsrichtung des sich bewegenden Teiles liefert, der beispielsweise der Blutstrom ist. Andererseits wird das Bezugssignal von der Synchronisierungsschaltung 5 direkt

■s-

mit dem verstärkten empfangenen Signal in einem zweiten Mischer 8 gemischt.

Ein erster Unterdrücker 14 und ein zweiter Unterdrücker 15 entnehmen den Ausgangssignalen des ersten und zweiten Mischers 7 und 8 jeweils nur die Doppler-Anteile, die eine Information über den sich bewegenden inneren Teil des lebenden Körpers tragen. Ein Geschwindigkeitsoperator 16 berechnet die Geschwindigkeit des sich bewegenden inneren Teiles des lebenden Körpers auf der Grundlage der die entnommenen Doppler-Anteile wiedergebenden Ausgangssignale der Unterdrücker. Ein Geschwindigkeitsverteilungsoperator 17 berechnet den Wert der Geschwindigkeitsverteilung auf der Grundlage des Wertes der durch den Geschwindigkeitsoperator 16 berechneten Geschwindigkeit. Das empfangene Signal wird 5 somit durch den Geschwindigkeitsoperator 16 und den Geschwindigkeitsverteilungsoperator 17 in ein Signal, das die Geschwindigkeit angibt,und in ein Signal umgewandelt, das die Geschwindigkeitsverteilung angibt. Es ist ein Operationswählschalter 18 vorgesehen, um zu bestimmen, ob nur die Geschwindigkeit zu berechnen ist oder ob sowohl die Geschwindigkeit als auch die Geschwindigkeitsverteilung zu berechnen sind. Dieser Operationswählschalter 18 wird unter der Steuerung einer Operationswähleinstellschaltung 19 umgeschaltet. Der Operationswählschalter 18 kann zwischen dem Geschwindigkeitsoperator 16 und dem Geschwindigkeitsverteilungsoperator 17 angeordnet sein. Ein Detektor 20 nimmt das empfangene Signal, das die interne Information des lebenden Körpers enthält und durch die Hochfrequenzverstärkerschaltung 3 verstärkt ist, auf, um ein Schnittbildsignal des sich bewegenden inneren Teiles des lebenden Körpers zu gewinnen. Das gewonnene Schnittbildsignal wird in einen digitalen Abtastwandler 21 eingeschrieben, der im folgenden als DSC bezeichnet wird.

Der hochfrequente Anteil des Ausgangssignales des ersten Mischers 7 wird über ein Tiefpaßfilter 10 entfernt und das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 10 liegt an einer Abtast- und Halteschaltung 11. Um den eindimensionalen Doppler-Verschiebungsanteil aus dem Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 10 in üblicher Weise zu gewinnen, liegt ein Tastimpulssignal/ das von einem Tastimpulsgenerator 9 erzeugt wird, an der Abtast- und Halteschaltung 11, wodurch das Signal, das die Doppler-VerSchiebung des sich bewegenden inneren Teiles des lebenden Körpers wiedergibt, gewonnen wird. Nach einer Glättung durch ein Bandpaßfilter 12 liegt das Doppler-Verschiebungssignal an einer Frequenzanalysierungsschaltung 13, wo das eindimensionale Doppler-Verschiebungssignal beispielsweise durch eine Schnell-Fourier-Transformation gewonnen wird. Dieses eindimensionale Doppler-Verschiebungssignal wird auch in den DSC 21 eingeschrieben.

Die Signale, die die interne Information des lebenden Körpers wiedergeben und in den DSC 21 eingeschrieben sind, werden in dem DSC 21 in ein Bildsignal umgewandelt und als ein Fernsehsignal zum Anzeigen an einer Anzeigeeinheit 22, beispielsweise an einem Kathodenstrahlröhrenmonitor oder einem Fernsehmonitor, ausgelesen.

Von der internen Information des lebenden Körpers werden die Geschwindigkeit und die Geschwindigkeitsverteilung nach später beschriebenen arithmetischen Gleichungen oder Ausdrücken berechnet.

Um die Geschwindigkeit und die Geschwindigkeitsverteilung zu berechnen, ist es notwendig, die Höhe der Doppler-Verschiebung aufzunehmen, die bei einer Vielzahl von Ultraschallwellen auftritt, die in einer gegebenen bestimmten Tiefe reflektiert werden. Der Einfachheit halber wird im folgenden ange-

'Mr'

nommen, daß die Anzahl der empfangenen Signale gleich 2 ist.

Der ültraschallstrahl wird von der Ultraschallsonde 1 zum sich bewegenden inneren Teil des lebenden Körpers in einem Zeitintervall At ausgesandt, und die vom sich bewegenden inneren Teil des lebenden Körpers reflektierten Ultaschallwellen werden von der Ultraschallsonde 1 empfangen. Wenn eine zeitabhängige Änderung jeder Reflexionsstelle in Betracht gezogen wird, so wird die Amplitude des aus jedem empfangenen Signal gewonnenen Doppler-Signales an der Reflexionsstelle durch einen Wert zu einem gegebenen Zeitpunkt einer periodischen Funktion wiedergegeben, die eine bestimmte Amplitude wiedergibt und eine Periode der Doppler-Verschiebung hat. Um die Amplitude, die durch die periodische Funktion wiedergegeben wird und aus der Doppler-Verschiebung resultiert, d.h. das kinetische Moment des sich bewegenden inneren Teiles des lebenden Körpers aufzunehmen, erzeugt die Kombination aus dem Phasenschieber 6 und den Mischern 7 und 8 Signale mit einem Phasenunterschied von 90° auf der Grundlage der empfangenen Signale. Diese Amplituden a, b, c und d der Doppler-Verschiebung in einer gegebenen Tiefe der insgesamt vier Signale sind durch die Phasen zu den Zeitpunkten t und t + At gegeben, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

D.h. mehr im einzelnen, daß die Amplituden a und c zum Zeitpunkt t der Funktionen mit einer Periode, d.h. Frequenz f, der Doppler-Verschiebung und einem Phasenunterschied von 90° in der folgenden Weise ausgedrückt werden!

a = i sin 2ΤΓ f t (1)

c = Ä cos 2ΤΓ f t (2)

- M-

wobei 1 der Absolutwert der Amplitude des zum Zeitpunkt t empfangenen Signales ist.

In ähnlicher Weise werden die Amplituden b und d zum Zeit punkt t + Δ t in der folgenden Weise ausgedrückt:

b = A sin 27Γ f (t - At) (3)

d = I cos 2tt f, (t - At) (4)

Auf der Grundlage dieser Ausdrücke 1 bis 4 lassen sich die absoluten Amplituden 1. und 1.. . . . der Funktionen zu den Zeitpunkten t und t+At in der folgenden Weise ausdrücken:

*_t- I.² t C²I¹'² (5)

Diese absoluten Amplituden 1. und 1, ,. sind proportional

t. It+ t;

dem Strömungsdurchsatz eines Fluides, beispielsweise des Blutes in einem lebenden Körper.

Im folgenden wird beschrieben, wie die Bewegungsgeschwindigkeit des Fluides im lebenden Körper berechnet wird.

Fig. 3 zeigt, daß zum Zeitpunkt t und t + At die Doppler-Wellen jeweilige Winkelversetzungen θ und <f haben, die in der folgenden Weise ausgedrückt werden:

-JlL

sin'¹ ML-) (7)

6 = sin"¹ (

Es ist zu beachten, daß die Werte θ und <f , die durch die Ausdrücke 7 und 8 gegeben sind, in den Bereichen -90° 4 θ < 90° und -90° 4 <T < 90° jeweils liegen. Um die Werte von θ und 6 so zu bestimmen, daß sie in den Bereichen von

0° < θ < 360°, 0° < δ < 360° (9),

liegen, wird der Wert von θ daher auf der Grundlage von a (= l sin 2tt f_flt) , σ (= I cos 2π f_dt) und c¹ [= SL cos (ir - ]

berechnet, wie es in Fig. 4 und 5 dargestellt ist. In ähnlicher Weise der Wert S auf der Grundlage von

b [= I sin 2tt f^ (t-At) ] und d [= I cos 2ir f. (t-At) ] .

D.h. mit anderen Worten, daß in Abhängigkeit davon, ob der Sinus- und der Kosinusanteil der Signale mit dem Phasenunterschied von 90° positiv oder negativ ist, der Wert von

_ -1

χ in sin χ in verschiedenen Bereichen liegt, wie es in der folgenden Tabelle 1 dargestellt ist.

- VC- Tabelle 1

Sinus anteil	Kosinus anteil	Be re	ich	von χ
Positiv	Positiv	0°	< X	< 90°
Positiv	Negativ	90°	< X	< 180°
Negativ	Negativ	180°	< X	< 270°
Negativ	Positiv	270°	< X	< 360°

Auf der Grundlage der Tabelle 1 werden die Werte von θ und <f , die durch die Ausdrücke 7 und 8 gegeben sind, jeweils berechnet. Der Versetzungswinkel Δ θ von Θ in der sehr kleinen Zeitspanne der Änderung At wird nach der folgenden Gleichung 10 auf der Grundlage der Ausdrücke 7 und 8 berechnet:

Δθ = θ - <5

(10)

Die Winkelgeschwindigkeit drücken :

ω = Δθ/At

läßt sich wie folgt aus-

(H)

Aus dem obigen Ausdruck 11 läßt sich die Frequenz f_d der Doppler-Verschiebung in der folgenden Weise ausdrücken:

2ττ

= 27T . (δ - θ)/At

■A-

Da diese Doppler-Verschiebungsfrequenz f, proportional zur Geschwindigkeit des Fluidstromes im lebenden Körper ist, können die Bewegungsrichtung des Fluides und die Geschwindigkeit des Fluidstromes im lebenden Körper auf der Grundlage der Doppler-Verschiebungsfrequenz f., berechnet werden.

Der in Fig. 1 dargestellte Geschwindigkeitsoperator 16 berechnet die Geschwindigkeit des Fluidstromes im lebenden Körper nach den oben angegebenen Geschwindigkeitsberechnungsausdrücken. In Fig. 6 ist im einzelnen der Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Geschwindigkeitsoperators 16 dargestellt.

Wie es in Fig. 6 dargestellt ist, werden die Werte des Sinusanteiles (a ist durch den Ausdruck 1 gegeben und b ist durch den Ausdruck 3 gegeben) der Signale, die zu den Zeitpunkten t und t + Δ t empfangen werden, der Reihe nach einer ersten Halteschaltung 101 zugeführt und dort kurzzeitig in dieser Reihenfolge gespeichert. In ähnlicher Weise werden die Werte des Kosinusanteiles (c ist durch den Ausdruck 2 gegeben und d ist durch den Ausdruck 4 gegeben) der Signale, die zu den Zeitpunkten t und t + Δ t empfangen werden, der Reihe nach einer zweiten Halteschaltung 102 zugeführt und dort kurzzeitig in dieser Reihenfolge gespeichert.

Eine erste Verzögerungsschaltung 103A ist mit dem Ausgang der ersten Halteschaltung 101 verbunden, um den Wert des Sinusanteiles des Signales, das aus der vorhergehenden Ultraschallwelle gewonnen wurde, die aus derselben Tiefe empfangen wurde, d.h. den Wert a zu liefern, der durch den Ausdruck 1 gegeben ist. Eine zweite Verzögerungsschaltung 103B ist mit dem Ausgang der zweiten Halteschaltung 102 verbunden, um den Wert des Kosinusanteiles des Signales, das von dem vorhergehenden Ultraschallstrahl gewonnen wurde, der aus der gleichen Tiefe empfangen wurde,

7*.

_ -1

d.h. den Wert zu liefern, der zur Berechnung von sin in Tabelle 1 verwandt wird. Ein Operator 104, der die Form eines Festspeichers ROM hat, weist eine Tabelle zum Berechnen des Absolutwertes (der Wert von 1. ist durch den Ausdruck 5 gegeben) der Amplitude des empfangenen Signales auf der Grundlage des Wertes des Sinusanteiles (a ist gegeben durch den Ausdruck 1) und des Wertes des Kosinusanteiles (c ist gegeben durch den Ausdruck 2) auf. Eine dritte Verzögerungsschaltung 105 ist mit dem Ausgang des Festspeichers ROM 104 verbunden, um den Absolutwert (der Wert von 1/+.+ A+-) ^^s^ durch den Ausdruck 6 gegeben) der Amplitude des Signales zu liefern, das aus dem vorhergehenden Ultraschallstrahl gewonnen wurde, der aus der gleichen Tiefe empfangen wurde. Ein zweiter Festspeicher ROM 106 weist eine Tabelle zum Berechnen des Wertes des Winkel <£ nach dem Ausdruck 8 und der Tabelle 1 auf der Grundlage der Ausgangsdaten der Halteschaltungen 101, 102 und des Festspeichers ROM 104 auf. Ein dritter Festspeicher ROM 107 weist eine Tabelle zum Berechnen des Wertes des Winkels θ nach dem Ausdruck 7 und der Tabelle 1 auf der Grundlage der Ausgangsdaten der Verzögerungsschaltungen 103A, 103B und 105 auf. Ein vierter Festspeicher ROM 108 weist eine Tabelle zum Berechnen des Wertes des Versetzungswinkels A θ nach dem Ausdruck 10 auf der Grundlage der Ausgangsdaten der Festspeicher ROM 106 und 107 auf.

Eine Zeitgebeschaltung 109 legt das Zeitintervall /4, t des Aussendens des Ultraschallstrahles von der Ultraschallsonde 1 fest. Ein fünfter Festspeicher 110 weist eine Tabelle zum Berechnen des Wertes der Winkelgeschwindigkeit to , die durch den Ausdruck 11 gegeben ist, auf der Grundlage der Ausgangsdaten des Festspeichers ROM 108 und des Wertes des festgelegten Zeitintervalles Δ t der Ultraschallaussendung auf.

Im folgenden wird anhand von Fig. 6 die Arbeitsweise des Geschwindigkeitsoperators 16 mit einem derartigen Aufbau beschrieben.

Die Daten b des Sinusanteiles des Signales, das aus der reflektierten Welle gewonnen wird, die zum Zeitpunkt t+ At empfangen wird, liegen vom Unterdrücker 14 in Fig. an der ersten Halteschaltung 101, während die Daten d des Kosinusanteiles des Signales, das von der empfangenen Welle gewonnen wird, vom Unterdrücker 15 an der zweiten Halteschaltung 102 liegen. Von den Halteschaltungen 101 und 102 liegen die Daten b und d des Sinus- und Kosinusanteiles des Signales am ersten Festspeicher ROM 104 und von diesem Festspeicher ROM 104 liegt der Absolutwert 1, der Amplitude des empfangenen Ultraschallstrahles am zweiten Festspeicher ROM 106. Da die Daten b und d des Sinus- und Kosinusanteiles des empfangenen Signales jeweils von der ersten und der zweiten Halteschaltung 101 und dem zweiten Festspeicher ROM 106 geliefert werden, der dazu dient, den Wert des Winkels <f nach dem Ausdruck 8 zu berechnen, liegt der Wert des Winkels 6 zum Zeitpunkt t+^t vom zweiten Festspeicher ROM 106 am vierten Festspeicher ROM 108. Die Ausgangsdaten des ersten Festspeichers ROM 104 liegen gleichfalls an der dritten Verzögerungsschaltung 105, um durch das festgelegte Zeitintervall j^t der Ultraschallaussendung verzögert zu werden. Gleichzeitig liegt der Absolutwert l_t der Amplitude des Signales, das von dem vorhergehenden empfangenen Ultraschallstrahl gewonnen wurde, am dritten Festspeicher ROM 107. Da die Daten a und c des Sinus- und Kosinusanteiles des Signales, das von dem vorhergehenden empfangenen Ultraschallstrahl gewonnen wurde, diesem Festspeicher ROM 107 von der ersten und der zweiten Verzögerungsschaltung 103Ά und 103B jeweils geliefert wurden, die dazu dienen, den Wert des Winkels θ

- 1/5 -

nach dem Ausdruck 7 zu berechnen, liegt der berechnete Wert des Winkels θ zum Zeitpunkt t vom dritten Festspeicher ROM 107 am vierten Festspeicher ROM 108, der dazu dient, den Versetzungswinkel ^ θ nach dem Ausdruck 10 zu berechnen. Dieser berechnete Werte νοηΔθ liegt zusammen mit dem Wert At von der Zeitgebeschaltung 109 am fünften Festspeicher ROM 110, der dazu dient, die Winkelgeschwindigkeit ω nach dem Ausdruck 11 zu berechnen, wobei der berechnete Werte von U> am Geschwindigkeitsverteilungsoperator 17 und am DSC 21 liegt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Geschwindigkeitsoperators 16 ist in Fig. 7 dargestellt. Der in Fig. 7 dargestellte Geschwindigkeitsoperator 16A weist einen Mikroprozessor 201, einen Festspeicher ROM 202, einen Speicher mit direktem Zugriff RAM 203 und eine Schnittstelle 204 auf, die alle gemeinsam mit einer Sammelleitung verbunden sind. In diesem Geschwindigkeitsoperator 16A werden die Ausdrücke 1 bis 11 nach einem Software-Programm berechnet.

Im folgenden wird anhand von Fig. 8 der Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Geschwindigkeitsverteilungsoperators 17 im einzelnen beschrieben.

Die Berechnung der Geschwindigkeitsverteilung (f , die in diesem Geschwindigkeitsverteilungsoperator 17 ausgeführt wird, läßt sich in der folgenden Weise ausdrücken:

η _

Σ (ν. - N) · (12)

η N = Σ i/n (13)

- ie -AV

wobei ν. (i : eine ganze Zahl von 1 bis n) die Bewegungsgeschwindigkeit, die durch den Geschwindigkeitsoperator 16 berechnet wird und ij die mittlere Geschwindigkeit bezeichnen.

Wie es in Fig. 8 dargestellt ist, speichern Puffer 300A bis 300H die Daten der Bewegungsgeschwindigkext v.. Diese Puffer 300A bis 300H sind beispielsweise derart ausgebildet, daß jeder eine ausreichende Kapazität zum Speichern der Geschwindigkeitsdaten hat, die von der reflektierten Welle eines Ultraschallstrahles gewonnen werden.

Ein Adressengenerator 301 erzeugt die Adressen der Puffer 300A bis 300H. Diese Puffer 300A bis 300H werden unter der Steuerung eines Steuerteiles 302 gewählt, der in der Steuervorrichtung zum Steuern des gesamten Systems enthalten ist. Ein üblicher Operator 303 führt die Berechnung der Geschwindigkeitsverteilung (T nach der Gleichung 12 aus. Ein üblicher Operator 304 berechnet die mittlere Geschwindigkeit N nach dem Ausdruck 13.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des gesamten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ultraschalldiagnosevorrichtung anhand von Fig. 1 beschrieben.

Der Ultraschallimpulsstrahl, der von der Ultraschallsonde 1 ausgesandt wird, wird von einer Sendeschaltung 2 erzeugt und an die Sonde 1 gelegt. Der ausgesandte Ultraschallimpulsstrahl wird von einem sich bewegenden inneren Teil eines lebenden Körpers reflektiert, wobei der reflektierte Ultraschallstrahl durch die Ultraschallsonde 1 empfangen wird. Das empfangene Signal, das die interne Information des lebenden Körpers enthält, wird durch die Hochfrequenzver-Stärkerschaltung 3 verstärkt. Ein stabiles hochfrequentes Signal, das vom Quarzoszillator 4 erzeugt wird, wird durch eine Synchronisierschaltung 5 in ein Bezugssignal umgewandelt,

dessen Frequenz der Folgefrequenz des Ulraschallimpulsstrahles entspricht, wobei das Bezugssignal am Mischer 8 liegt. Das empfangene durch die Hochfrequenzverstärkerschaltung 3 verstärkte Signal liegt am Mischer 8, um dort mit dem Bezugssignal gemischt zu werden.

Das Bezugssignal liegt auch am Phasenschieber 6, um in seiner Phase um 90° verschoben zu werden, und das Ausgangssignal des Phasenschiebers 6 wird mit dem Signal gemischt, das von der Ultraschallsonde T empfangen und durch die Hochfrequenzverstärkerschaltung 3 verstärkt wurde, um eine Information über die Bewegungsrichtung des sich bewegenden inneren Teiles des lebenden Körpers zu liefern. Damit nur die Doppler-Anteile, die die kinetische Information über den sich bewegenden inneren Teil des lebenden Körpers tragen, gewonnen werden können, liegen die Ausgangssignale der Mischer 7 und 8 jeweils an den Unterdrückern 14 und Die einzelnen Signale, die nur die Doppler-Anteile enthalten und durch die Unterdrücker 14 und 15 gewonnen werden, dienen zur Berechnung nach dem oben genannten Verfahren im Geschwindigkeitsoperator 16, um den Wert der Geschwindigkeit v. zu ermitteln. Der Geschwindigkeitsverteilungsoperator 17 führt die notwendige Berechnung nach dem oben beschriebenen Verfahren durch, um den Wert der Geschwindigkeitsverteilung C zu ermitteln. Die berechneten Werte der Geschwindigkeit

v. und der Geschwindigkeitsverteilung C werden im DSC 21 gespeichert. Durch die Operationswähleinstellschaltung 19 wird bestimmt, ob die Berechnung zur Ermittlung nur der Geschwindigkeit v. oder die Berechnung sowohl zur Ermittlung der Geschwindigkeit v_i als auch der Geschwindigkeitsverteilung O* auszuführen ist, und der Operationswählschalter 18 wird geöffnet oder geschlossen.

Der Detektor 20 nimmt weiterhin vom Signal vom lebenden Körper, das durch die Ultraschallsonde 1 empfangen und

durch die Hochfrequenzverstärkerschaltung 3 verstärkt wird, ein Signal auf, das das Schnittbild des sich bewegenden inneren Teiles des lebenden Körpers wiedergibt, wobei das Ausgangssignal des Detektors 20 gleichfalls im DSC 21 gespeichert wird.

Das Tiefpaßfilter 10 entfernt den hochfrequenten Anteil des Ausgangssignales des Mischers 7 und das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 10 liegt an der Abtast- und Halteschaltung 11. Um den Doppler-Verschiebungsanteil aus dem Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 10 zu gewinnen, liegt ein Tastimpulssignal, das vom Tastimpulsgenerator 9 erzeugt wird, an der Abtast- und Halteschaltung 11. Das hat zur Folge, daß das Signal, das die Doppler-Verschiebung des sich bewegenden inneren Teiles des lebenden Körpers angibt, in der Abtast- und Halteschaltung 11 gewonnen wird. Das Ausgangssignal der Abtast- und Halteschaltung 11 wird durch das Bandpaßfilter 12 geglättet und liegt dann an der Frequenzanalysierschaltung 13, die ein eindimensionales Doppler-Verschiebungssignal bildet. Dieses gebildete Doppler-Verschiebungssignal wird gleichfalls in dem DSC 21 gespeichert.

Die im DSC 21 gespeicherten Daten liegen an der Anzeigeeinheit 22, um daran angezeigt zu werden. Das Muster der an der Anzeigeeinheit 22 angezeigten Bildinformation wird unter der Steuerung der Systemsteuervorrichtung gewählt, die nicht dargestellt ist.

Alle Festspeicher ROM des Geschwindigkeitsoperators 16 können Tabellen der Ergebnisse der einzelnen Berechnungen aufweisen, die da hineingeschrieben sind, so daß die Geschwindigkeit ν ^ schneller berechnet werden kann. Der Geschwindigkeitsverteilungsoperator 17 kann gleichfalls eine Tabelle der Ergebnisse der Berechnung der mittleren Geschwindigkeit N haben, so daß die mittlere Geschwindigkeit,

-Vb-

die zur Berechnung der Geschwindigkeitsverteilung des sich bewegenden Teiles benutzt wird, schneller auf der Grundlage der in den Puffern gespeicherten Geschwindigkeitsinformation berechnet werden kann.

Aus dem Obigen ist ersichtlich, daß das in den Fig. 1 bis 8 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung die folgenden Vorteile bietet:

1 . Die Geschwindigkeit eines sich bewegenden innneren Teiles eines lebenden Körpers kann so berechnet werden, daß sie jederÄnderung in der Amplitude des von dem bewegenden Teil reflektierten Signales folgt, wie es durch die Ausdrücke 1 bis 11 dargestellt ist. Das Ergebnis der Berechnung der Geschwindigkeit gemäß der Erfindung ist daher genauer als das Ergebnis, das nach bekannten Verfahren erhalten wird.

Es können somit genauere Daten der Geschwindigkeit des sich bewegenden inneren Teiles des lebenden Körpers erhalten werden.

2. Zum Berechnen der Geschwindigkeit und der Geschwindigkeitsverteilung jeweils werden nur die Operatoren 16 und 17 benötigt, die Festspeicher ROM enthalten, so daß sich die Verwendung eines Autokorrelators erübrigt, der bei bekannten Diagnosevorrichtungen unbedingt benötigt wird. Die Größe der erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung ist daher wesentlich geringer und die Kosten können gleichfalls herabgesetzt werden.

3. Da die Operatoren 16 und 17, die Festspeicher ROM enthalten, wie es oben beschrieben wurde, dazu benutzt werden, die Geschwindigkeit und die Geschwindigkeitsverteilung jeweils zu berechnen, können die Geschwindigkeit und die Geschwindigkeitsverteilung schneller als bisher berechnet werden.

4. Aufgrund der Vorteile 1 bis 3 können die Geschwindigkeit oder sowohl die Geschwindigkeit als auch die Geschwindigkeitsverteilung eines sich bewegenden inneren Teiles eines lebenden Körpers, der von einem Ultraschallstrahl abgetastet wird, für jede Tiefe mit hoher Geschwindigkeit durch die Diagnosevorrichtung mit einfachem Aufbau gemessen und berechnet werden. Eine größere Menge an genauer Information kann daher für die Diagnose eines inneren Organes eines lebenden Körpers erhalten werden, so daß sich eine wesentlieh größere Genauigkeit der Diagnose erzielen läßt.

Aus der obigen detaillierten Beschreibung geht hervor, daß gemäß der Erfindung die Geschwindigkeit oder sowohl die Geschwindigkeit als auch die Geschwindigkeitsverteilung eines sich bewegenden inneren Teiles eines lebenden Körpers, der durch einen Ultraschallstrahl abgetastet wird, für jede Tiefe mit großer Geschwindigkeit durch eine Diagnosevorrichtung mit einfachem Aufbau gemessen und berechnet werden können, die nur einen Geschwindigkeitsoperator oder eine Kombination aus einem Geschwindigkeitsoperator und einem Geschwindigkeitsverteilungsoperator verwendet. Es kann daher eine größere Menge an genauer Information für die Diagnose eines inneren Organges eines lebenden Körpers gewonnen werden, so daß die Genauigkeit der Diagnose stark verbessert werden kann.

Claims

PATENTANWÄLTE STREHL SCHÜBEL-HOPF SCHULZ 3542534 WIDENMAYERSTRASSE 17, D-8000 MÜNCHEN 22 HITACHI MEDICAL CORP. DEÄ-27 420 2. Dezember 1985 ültraschalldiagnosevorrichtung PATENTANSPRÜCHE

1. ültraschalldiagnosevorrichtung, bei der ein Ultraschallimpulsstrahl mit konstanter Folgefreguenz zu einem sich bewegenden inneren Teil eines lebenden Körpers ausgesandt und die von dem sich bewegenden inneren Teil des lebenden Körpers reflektierte Welle empfangen und nach einer Verarbeitung angezeigt wird, gekennzeichnet durch eine Wandlereinrichtung (7, 8), die das empfangene hochfrequente Signal mit einer Gruppe von komplexen Bezugssignalen mischt, die eine Frequenz haben, die η mal so groß wie die Folge-

frequenz des ausgesandten Ultraschallimpulsstrahles ist, wobei η eine ganze Zahl ist, und die eine komplexe Beziehung zueinander haben, um dadurch das empfangene hochfrequente Signal in komplexe Signale umzuwandeln, eine Operationseinrichtung (16, 17) mit einem Geschwindigkeitsoperator (16), der die Bewegungsgeschwindigkeit des sich bewegenden inneren Teiles des lebenden Körpers auf der Grundlage der komplexen Signale berechnet,und eine Anzeigeeinrichtung (22), die in Echtzeit die durch den Geschwindigkeitsoperator (16) berechnete Bewegungsgeschwindigkeit anzeigt.

2. Ultraschalldiagnosevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationseinrichtung (16, 17) einen Geschwindigkeitsverteilungsoperator (17) zum Berechnen der Verteilung der durch den Geschwindigkeitsoperator

(16) berechneten Bewegungsgeschwindigkeit aufweist und eine Operationswähleinrichtung (19) der Operationseinrichtung (16, 17) zugeordnet ist, um zu wählen, ob die Berechnung der Geschwindigkeit durch den Geschwindigkeitsoperator (16) auszuführen ist oder ob die Berechnung der Geschwindigkeit durch den Geschwindigkeitsoperator (16) und die Berechnung der Geschwindigkeitsverteilung durch den Geschwindigkeitsverteilungsoperator (17) auszuführen sind.