DE3720407C2

DE3720407C2 -

Info

Publication number: DE3720407C2
Application number: DE3720407A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hachioji Jp Ikeda; Shinichiro Urbana Ill. Us Umemura; Shizuo Kanagawa Jp Ishikawa; Kageyoshi Tokio/Tokyo Jp Katakura; Noriyoshi Ibaraki Jp Ichikawa; Tsuyoshi Nagareyama Jp Mitake
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1986-06-25
Filing date: 1987-06-19
Publication date: 1993-09-02
Also published as: DE3720407A1; US4803993A; JPS633844A; JPH07112473B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschalldiagnosevorrichtung, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, die insbesondere mit einem digitalen Signalprozessor versehen ist, der sich dazu eignet, den Umriß eines Ultraschallbildes dadurch deutlich zu begrenzen, daß die hochfrequenten Anteile eines Hüllkurvensignals hervorgehoben werden.

Bei einer herkömmlichen Schaltung zum Betonen des Umrisses, wie sie in der gattungsbildenden WO 82/04 183 A1 oder der JP-A-55-1 20 859 beschrieben ist, wird ein hochfrequenter Teil eines Hüllkurvensignals abgeschnitten und über einen Umkehrverstärker umgekehrt. Das erhaltene Signal wird dem ursprünglichen Hüllkurvensignal zuaddiert, um dessen hochfrequente Anteile hervorzuheben. Die herkömmliche Schaltung verarbeitet somit ein Hüllkurvensignal in analoger Weise. Der Schaltungsaufbau für das in der JP-A-55-1 20 859 beschriebene analoge Signalverarbeitungsverfahren ist in Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung dargestellt.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, besteht die Schaltung aus einer Sonde 201, einer Übertragungssteuerschaltung 202, einer Empfangssteuerschaltung 203, einer Phaseneinstellschaltung 204, einem Verstärker 205, einer Detektorschaltung 206, einer Schaltung 207 zum Hervorheben der hochfrequenten Anteile eines Hüllkurvensignals, die im folgenden als FTC-Schaltung bezeichnet wird, einem Analog-Digital- Wandler 208, einem Bildspeicher 209 und einer Ultraschallbildanzeigeeinheit 210.

Bei der oben beschriebenen Schaltungsanordnung wird ein Ultraschallsignal, das von der Sonde 201 übertragen und empfangen wird, den Schaltungsbauelementen 203 bis 206 zugeführt, um dessen Hüllkurvensignal zu erfassen, dessen hochfrequente Anteile durch die FTC-Schaltung 207, d. h. eine Differenzierschaltung mit kurzer Zeitkonstanten hervorgehoben werden. Das Signal mit den hervorgehobenen hochfrequenten Anteilen wird in ein digitales Signal durch den Analog-Digital-Wandler 208 umgewandelt, um im Bildspeicher 209 gespeichert zu werden. Ein Ultraschallbild wird nach Maßgabe der im Bildspeicher 209 gespeicherten Information an der Ultraschallanzeigeeinheit 210 angezeigt. Wie es oben beschrieben wurde, ist die Hüllkurvensignalverarbeitung vor dem Analog-Digital-Wandler 208 insbesondere an der FTC-Schaltung eine analoge Verarbeitung. Da die Arbeit der Schaltung in Abhängigkeit von der Verteilung der Toleranzen der Schaltungsbauelemente variiert, ist eine Feineinstellung erforderlich, die einen erheblichen Arbeits- und Zeitaufwand benötigt, was zu hohen Kosten führt. In Hinblick darauf ist es weiterhin schwierig, die Arbeit oder Funktion der Schaltung ohne weiteres zu ändern.

Es sind weiterhin keine Maßnahmen gegen eine Änderung der Funktion der Schaltung aufgrund der Streuung der Toleranzen der Schaltungsbauelemente getroffen. Es tritt beispielsweise die Schwierigkeit auf, daß bei Verwendung einer Vielzahl von Signalprozessorschaltungen zum Verarbeiten einer Vielzahl von empfangenen Ultraschallsignalen jedes angezeigte Bild aufgrund des Unterschiedes in der Funktion jeder Schaltung eine nicht gleichförmige Helligkeit haben kann.

DE 33 21 269 A1 offenbart eine Ultraschalldiagnosevorrichtung mit einem einzelnen Signalverarbeitungskanal, der einen mit der digitalen Datenverarbeitung arbeitenden Filtervorgang mit der Möglichkeit einer Änderung der Filterkennlinie aufweist.

DE 34 04 852 A1 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der gleichzeitig mehrere Bildsignale unter Verwendung unterschiedlicher Laufzeitmuster gewonnen werden.

Ausgehend von dem aufgezeigten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Ungleichmäßigkeiten in einer über zwei Verarbeitungskanäle gewonnenen bildlichen Gesamtdarstellung des Ultraschallbildes mit möglichst geringem Schaltungsaufwand zu beseitigen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der Verarbeitung eines digitalen Hüllkurvensignals durch ein digitales Filter können der Filterkoeffizient und die Filterordnung, die als Verarbeitungsparameter benutzt werden, in Form von binären Daten zugeführt werden. Weiterhin kann die Fensterbreite auf der Zeitachse für die Filterung leicht geändert werden. Es kann der gleiche Parameter für eine Vielzahl von Schaltungen dadurch vorgegeben werden, daß zum gleichen Zeitpunkt ein digitaler Wert benutzt wird, um dadurch den Aufwand der Schaltungseinstellung zu verringern und eine leichte Änderung in der Funktion der Schaltung möglich zu machen.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt

Fig.1 das Blockschaltbild einer herkömmlichen Ultraschalldiagnosevorrichtung,

Fig. 2 das Blockschaltbild des Hauptteils eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ultraschalldiagnosevorrichtung,

Fig. 3 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ultraschalldiagnosevorrichtung mit zwei Signalprozessorschaltungen,

Fig. 4 die Beziehung zwischen der Fensterbreite auf der Zeitachse und dem Betonungsfaktor für die Verarbeitung durch das digitale Filter, wobei

Fig. 4A die Beziehung zwischen dem Verzögerungselement des digitalen Filters und den Filterkoeffizienten,

Fig. 4B und 4C die Filterkoeffizienten bezüglich der Fensterbreite T₀ auf der Zeitachse und

Fig. 4D die Beziehung zwischen dem Betonungsfaktor (Amplitudenverhältnis) und der Frequenz zeigen, und

Fig. 5 in einem Blockschaltbild eine Schaltungsanordnung, mit der das Auflösungsvermögen des Analog-Digital- Wandlers gleich dem Intensitätsauflösungsvermögen der Ultraschallanzeigeeinheit gemacht wird.

Fig. 2 zeigt den Grundschaltungsaufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ultraschalldiagnosevorrichtung.

Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, besteht der Grundschaltungsaufbau aus einem Detektor 101, einem Analog/Digital- Wandler 102, einer digitalen Filterschaltung 103, einem Bildspeicher 104 und einer Filtersteuerschaltung 105.

In der oben beschriebenen Grundschaltung wird ein Hüllkurvensignal, das durch den Detektor 101 aufgenommen wird, durch den Analog/Digital-Wandler 102 in ein digitales Signal umgewandelt, das an der digitalen Filterschaltung 103 liegt. Der Koeffizient, die Ordnung, die Fensterbreite auf der Zeitachse für die Filterung und weitere Parameter der digitalen Filterschaltung 103 werden über die Filtersteuerschaltung 105 gesteuert. Die digitale Filterschaltung 103 führt eine Filterung durch, um die hochfrequenten Anteile des Hüllkurvensignals hervorzuheben, wobei das Ausgangssignal der digitalen Filterschaltung im Bildspeicher 104 gespeichert wird.

Die in Fig. 3 dargestellte Ultraschalldiagnosevorrichtung besteht aus einer Sonde 401, einer Übertragungssteuerschaltung 402, einer Empfangssteuerschaltung 403, zwei Schaltungsblöcken 412 und 413, einer Filtersteuerschaltung 409, einem Bildspeicher 410 und einer Ultraschallbildanzeigevorrichtung 411. Der Schaltungsblock 412 enthält eine Phaseneinstellschaltung 404, einen Verstärker 405, einen Detektor 406, einen Analog/Digital-Wandler 407 und eine digitale Filterschaltung 408. Der Schaltungsblock 413 ist in ähnlicher Weise wie der Schaltungsblock 412 aufgebaut. Diese beiden Schaltungsblöcke verarbeiten gleichzeitig zwei Signale von der Empfangssteuerschaltung 403, um verarbeitete Signale in den Bildspeicher 410 einzuschreiben. Die Filtersteuerschaltung 409 bezeichnet die Parameter für die Filterung durch die beiden Schaltungsblöcke.

Mit der in den Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung ist es möglich, jeden für die Filterung benutzten Parameter, beispielsweise den Digitalfilterkoeffizienten, die Digitalfilterordnung und ähnliche Parameter, in Form von binären Daten zu bezeichnen, was einen erheblich geringeren Aufwand an Schaltungseinstellungen zur Folge hat. Weiterhin ist es für die Bedienungsperson möglich, die Funktion der Schaltung in der gewünschten Weise zu ändern und ein Ultraschallbild zu erhalten, das in Abhängigkeit vom diagnostizierten Bereich oder vom diagnostizierten Symptom in seiner Qualität verschieden ist.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist insbesondere insofern vorteilhaft, als die Parameter für die Filterung, die für die beiden Schaltungsblöcke benutzt werden, gleichzeitig unter Verwendung einer einzigen Filterschaltung bezeichnet werden können und daß eine Ungleichmäßigkeit in der Bildintensität aufgrund einer Streuung der Schaltungsfunktion der beiden Schaltungsblöcke oder ähnlicher Ursachen ausgeschlossen werden kann.

Fig. 4 zeigt Beispiele der Beziehungen zwischen der Fensterbreite auf der Zeitachse für die Filterung durch die digitale Filterschaltung und dem Betonungs- oder Hervorhebungsfaktor (Frequenzgang).

In Fig. 4 bezeichnen h₁ bis h_n einen Filterkoeffizienten, T ein Datenübertragungsintervall an jeder Eingangsklemme des digitalen Filters, T₀ die Fensterbreite auf der Zeitachse für die Filterung, wobei die Fensterbreite T₀ gleich der Zeit ist, die benötigt wird, um die Daten vom ersten Abgriff x bis zum n-ten Abgriff x_n zu übertragen, wenn angenommen wird, daß die Filterordnung gleich n ist, d. h. wobei T₀ gleich der Summe der Verzögerungszeiten t₁ bis t_n-1 jedes Verzögerungselementes ist, und bezeichnet f die höchste Frequenz eines Hüllkurvensignals.

Fig. 4A zeigt ein Beispiel einer digitalen Filterschaltung, Fig. 4B zeigt die Fensterbreite T₀ auf der Zeitachse, Fig. 4C zeigt die Beziehung zwischen dem Filterkoeffizienten in einem reellen Raum und Fig. 4D zeigt die Beziehung zwischen dem Hervorhebungs- oder Betonungsfaktor und der Frequenz in einem Frequenzraum.

Der Frequenzgang für die Filterung kann im allgemeinen über eine Fourier-Transformation der zugehörigen Beziehung im reellen Raum verstanden werden. Die folgende Gleichung (1) wird über eine Fourier-Transformation der in Fig. 4C dargestellten Beziehung erhalten.

F(jw) = h₁-h_ne^-jwTo (1)

wobei w = 2πf.

Der Einfluß der Änderung in der Fensterbreite T₀ auf der Zeitachse für die Filterung auf den Hervorhebungs- oder Betonungsfaktor hängt von seinem relativen Wert ab. Der Einfachheit halber wird daher der absolute quadratische Wert der obigen Gleichung (1) eingeführt, der gegeben ist durch:

|F(jw)|² = (h₁²+h_n²)-2 h₁h_ncos(wT₀) (2)

Fig. 4D zeigt die Ergebnisse der Gleichung (2) für h₁ = 1, h_n = -0,2, T₀ = 1/f, ½ f und ¼ f. Aus Fig. 4D ist ersichtlich, daß bei einer Fensterbreite T₀ = ¼ f auf der Zeitachse für die Filterung die Änderung im Hervorhebungs- oder Betonungsfaktor etwa bei der höchsten Frequenz f eines Hüllkurvensignals am größten ist. Bei einer Fensterbreite T₀ = 1/f (Kurve A) wird der Umriß des Ultraschallbildes effektiv nicht verbessert, da der Hervorhebungs- oder Betonungsfaktor etwa bei der Hälfte der höchsten Frequenz f am größten ist. Bei einer Fensterbreite T₀ = ½ f auf der Zeitachse für die Filterung wird der Hervorhebungs- oder Betonungsfaktor relativ zu dem bei der niedrigsten Frequenz am größten. Wenn die Fensterbreite größer als T₀ = ½ f wird, wird der Hervorhebungs- oder Betonungseffekt kleiner. Die Fensterbreite T₀ auf der Zeitachse für die Filterung sollte folglich auf einen Wert kleiner als der Hälfte der Hüllkurvensignalperiode (1/f) festgelegt werden. Der Umriß wird allmählich in Richtung auf die höchste Frequenz f im Fall der Kurve B (T₀ = ½ f) von Fig. 4D betont, während im Fall der Kurve C (T₀ = ¼ f) der Umriß nur an der Frequenz f betont wird, was für die Hervorhebung des Bildumrisses zweckmäßig ist.

In den Fig. 4C und 4D wird ein digitales Filter zweiter Ordnung beschrieben. Die Wirkung der erfindungsgemäßen Ausbildung ist jedoch nicht nur derartigen digitalen Filtern zuzuschreiben, sondern kann auch bei digitalen Filtern erzielt werden, die einen Filterkoeffizienten und eine Ordnung haben, die für den oben beschriebenen Hervorhebungs- oder Betonungsfaktor spezifisch sind. Bei der Ultraschallsignalverarbeitung ist weiterhin das Hüllkurvensignal eines Ultraschallsignals relativ zu dem Zeitpunkt, an dem das Hüllkurvensignal seine maximale Amplitude hat, asymmetrisch. Die erfindungsgemäße Ausbildung zeichnet sich daher dadurch aus, daß die Anordnung der Filterkoeffizienten in Richtung der Zeitachse asymmetrisch ist, wie es in Fig. 5B dargestellt ist, und daß sich das Vorzeichen der Filterkoeffizienten abwechselnd für jede geradzahlige und ungeradzahlige Nummer ändert.

Die Verwendung der Fensterbreite auf der Zeitachse für die Filterung oder der Filterkoeffizienten und ihrer Anordnung bei diesem Ausführungsbeispiel setzt in vorteilhafter Weise die Filterordungszahl der Hardware herab, während die hochfrequenten Anteile hervorgehoben werden.

Fig. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ultraschalldiagnosevorrichtung, bei der das Auflösungsvermögen eines Analog/Digital- Wandlers gleich dem Intensitätsauflösungsvermögen einer Ultraschallbildanzeigeeinheit gemacht ist.

Die in Fig. 5 dargestellte Ultraschalldiagnosevorrichtung besteht aus einem Analog/Digital-Wandler 601, einem digitalen Filter 602, einer Adressenbezeichnungsschaltung 603 zum Bezeichnen einer Adresse einer Filterordnung des digitalen Filters, einer Bezeichnungsschaltung 604 zum Bezeichnen eines Filterkoeffizienten des digitalen Filters, einer Bit- Wählschaltung 605 zum Wählen eines Signals, das die Anzeige eines Bildes aus den Ausgangssignalen des digitalen Filters bewirkt, einem Bildspeicher 606, einer Ultraschallbildanzeigeeinheit 607 und einer Filtersteuerschaltung 608 zum Steuern der Schaltungsbauelemente 601 bis 605.

Es sei angenommen, daß das Intensitätsauflösungsvermögen der Ultraschallbildanzeigeeinheit 607 5 Bit beträgt (d. h. 32 Halbtöne). Um das Maximum an Anzeigevermögen der Anzeigeeinheit 607 auszunutzen, muß der Analog/Digital-Wandler vor der Filterung ein Auflösungsvermögen von wenigstens 5 Bit haben. Das versteht sich ohne weiteres aus dem folgenden Beispiel. Wenn nämlich ein Analog/Digital-Wandler mit einem Auflösungsvermögen von 4 Bit ein maximales Ausgangssignal "1111" erzeugt, dann gibt das digitale Filter 602 mit der Filterordnung 1 und dem Filterkoeffizienten 1000 ein Signal "000001111000" aus. In diesem Fall ist ersichtlich, daß das maximale Anzeigevermögen der Anzeigeeinheit 607 selbst dann nicht effektiv ausgenutzt wird, wenn die Bit-Wählschaltung 605 beliebige 5 Bit aus dem Ausgangssignal des Filters auswählt.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Auflösungsvermögen des Analog/Digital-Wandlers gleich dem Intensitätsauflösungsvermögen der Ultraschallbildanzeigeeinheit gemacht. Die erfindungsgemäße Ausbildung ist jedoch darauf nicht beschränkt, sie ist ersichtlich auch in dem Fall anwendbar, in dem das Auflösungsvermögen des Analog/Digital- Wandlers größer als das Intensitätsauflösungsvermögen der Ultraschallbildanzeigeeinheit ist.

Bei den obigen Ausführungsbeispielen der Erfindung wurde eine Schaltungsanordnung mit Analog/Digital-Umwandlung des Ausgangssignals von einem Detektor verwandt. Darauf ist die erfindungsgemäße Ausbildung jedoch nicht beschränkt. Die erfindungsgemäße Ausbildung umfaßt auch beispielsweise eine Schaltungsanordnung mit einem digitalen Detektor, die statt der Schaltungsbauelemente 406 und 407 in Fig. 3 einen Hochgeschwindigkeits- Analog/Digital-Wandler zum Analog/Digital- Umwandeln eines phasenabgeglichenen Ultraschallsignals und einen 90°-Phasenverschiebungsdetektor verwendet, der ein Liniensegment einer Hüllkurve des digitalisierten Signals abtastet.

Aus dem obigen ist ersichtlich, daß gemäß der Erfindung die Nichtgleichförmigkeit der Schaltungsfunktion aufgrund der Streuung der Toleranzen der Bauelemente ausgeschlossen werden kann, die bisher ein Problem darstellte, das bei dem herkömmlichen analogen Signalverarbeitungsverfahren auftrat. Die erfindungsgemäße Ausbildung hat somit den Vorteil, daß die für die Schaltungseinstellung benötigte Zeit und daher die Arbeitskosten verringert werden können.

Die Verwendung einer digitalen Schaltung erlaubt weiterhin eine leichte Änderung in der Qualität des anzuzeigenden Ultraschallbildes.

Claims

1. Ultraschalldiagnose-Vorrichtung mit
einer Ultraschallsonde (401) zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen,
einer Sendesteuerstufe (402) zur Steuerung der Aussendung von Ultraschallsignalen durch die Sonde (401),
einer von der Sonde (401) empfangene Ultraschallsignale aufnehmenden Empfangsstufe (404),
einer Detektorstufe (406) zur Erzeugung eines Hüllkurvensignals der empfangenen Ultraschallsignale,
einem Analog/Digital-Umsetzer (407),
einer Filterstufe (408), die die Hochfrequenzanteile des Hüllkurvensignals hervorhebt,
einer Speicherstufe (410) zur Speicherung des so verarbeiteten Hüllkurvensignals als Bildsignal, und
einem Sichtgerät (411) zur bildlichen Darstellung des gespeicherten Signals,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Signalverarbeitungsschaltungen (412, 413), deren jede eine an die gemeinsame Ultraschallsonde (401) angeschlossene Empfangsstufe (404), eine Detektorstufe (406), einen Analog/ Digital-Wandler (407) und eine dem Analog/Digital-Wandler (407) nachgeschaltete und mit der gemeinsamen Speicherstufe (410) verbundene Filterstufe (408) aufweist, zur Erzeugung eines gemeinsamen Bildes vorgesehen sind, und
daß die Filterstufen (408) in beiden Signalverarbeitungsschaltungen (412, 413) durch eine gemeinsame Steuerschaltung (409) zur Vorgabe der gleichen Filterparameter für die Signalverarbeitung steuerbar sind.

2. Ultraschalldiagnose-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterstufe (408) eine Filterkennlinie mit zwei Filterkoeffizienten 1 und -0,2 aufweist und eine Filterung mit einer auf der Zeitachse definierten Fensterbreite (T₀) durchführt, die kleiner ist als die halbe Periode des Hüllkurvensignals.

3. Ultraschalldiagnose-Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fensterbreite (T₀) auf eine Viertelperiode des Hüllkurvensignals eingestellt ist.