DE3918815A1 - Verfahren und anordnung zur verarbeitung von echosignalen in einem kohaerenten abbildungssystem - Google Patents
Verfahren und anordnung zur verarbeitung von echosignalen in einem kohaerenten abbildungssystemInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf kohärente Abbildungssysteme,
die mit Schwingungsenergie wie Ultraschall- oder elektroma
gnetischen Wellen arbeiten, und betrifft insbesondere ein neu
es Verfahren und eine Anordnung zur digitalen Signalverarbei
tung der Schwingungsenergiesignale.
Es sind bereits verschiedene Signale und Anordnungen zum Ab
bilden von Objektpunkten mit Schwingungsenergie, zum Beispiel
mit mechanischen Ultraschallschwingungen, bekannt, bei denen
im allgemeinen wenigstens eine Matrix von Wandlerelementen
benutzt wird, um das gewünschte Bild zu erzeugen. In Ultra
schallabbildungssystemen werden die Wandlerelemente angeregt,
um Ultraschallwellen in das Objektgebiet zu senden, die außer
dem Echosignale empfangen, welche durch das Auftreffen der
gesendeten Energie auf wenigstens einen Objektpunkt in dem
Objektgebiet erzeugt werden. Ein Typ eines solchen Ultra
schallabbildungssystems, bei dem eine Basisbandfrequenzsignal
verarbeitungstechnik benutzt wird, ist in der US-PS 41 55 260
beschrieben und dient zur Echtzeitabbildung, die für verschie
dene analytische Zwecke, beispielsweise in der Medizin und
dgl., besonders nützlich ist. Das bekannte System beinhaltet
die kohärente Demodulation der Echosignale gefolgt von der
Verzögerung und die kohärente Summierung der demodulierten
Signale auf eine Weise, durch die die Genauigkeit, welche für
die Verzögerungen notwendig ist, beträchtlich reduziert wird.
Bei einem anderen Abbildungssystem dieses allgemeinen Typs,
welches den Gegenstand von weiteren deutschen Patentanmeldun
gen der Anmelderin bildet, für die die Prioritäten der US-Pa
tentanmeldungen, Serial No. 9 44 482, DE-A-37 42 550.1 vom 19. Dezember 1986,
und Serial No. 0 56 177, EP-A-8 81 08 471.9 vom 1. Juni 1987 in Anspruch genom
men worden sind, werden die Wandlerelemente mit einem Hoch
frequenz (HF)-Signal angeregt und erzeugen HF-Analogecho
signale zur Verarbeitung in der zugeordneten Schal
tungsanordnung. Auf die vorerwähnten weiteren Anmeldungen und
das US-Patent, die alle auf die Anmelderin zurückgehen, wird
bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen, da die hier be
schriebenen Verbesserungen der digitalen Signalverarbeitung
nicht nur bei beiden Arten von Systemen benutzt werden können,
sondern auch diejenigen Ultraschallabbildungssysteme verbes
sern, bei denen elektrische Signale auf eine Zwischenfrequenz
(ZF) demoduliert und mit einer zugeordneten digitalen Verar
beitungsschaltungsanordnung weiter verarbeitet werden.
Gewisse allgemeine Überlegungen gelten, wie oben angegeben,
bei dem Bilden eines Echtzeitbildes mit einer linearen Matrix
von Wandlerelementen, wie sie nun speziell bei den Ultra
schallabbildungssystemen üblicherweise eingesetzt werden, die
für medizinische Untersuchungen benutzt werden. Eine Kompensa
tion ist darin erforderlich, da das Echo von einem Objekt
punkt an den empfangenden Wandlerelementen aufgrund von Un
terschieden in der Zeit der Ausbreitung des Echos von dem Ob
jektpunkt zu den Wandlerelementen zu verschiedenen Zeiten an
kommt. In dem Phased-Array (phasengesteuerte Anordnung)-
Sektor-Abtaster (phased array sector scanner oder PASS)-System,
das in der oben erwähnten US-PS 41 55 260 beschrieben ist, er
folgt diese Kompensation mit Analogsignalverarbeitungstech
niken, um eine kohärente Summierung der Echosignale vorzuneh
men, welche an den verschiedenen Wandlerelementen empfangen
werden, die das Frontende des PASS-Systems bilden. Eine be
deutsame Verbesserung, die mit dem beschriebenen Ultraschall
abbildungssystem erreicht wird, resultiert aus einer Signal
verarbeitung bei niedrigeren Basisbandfrequenzen, wobei die
Phasengenauigkeit und die Verzögerungsgenauigkeit voneinander
entkoppelt sind, was die Anforderungen an die Schaltungen,
die zur Strahlbildung benutzt werden, beträchtlich reduziert.
Andererseits bleibt dieses PASS-System relativ unflexibel sowie
empfindlich für kleine Veränderungen in den Betriebskennda
ten der Analogschaltungen und ist relativ teuer (da 2N
einzelne Analogdemodulationsschaltungen und 2N einzelne und
vollständige Verzögerungsabschnitte für ein System mit N Ka
nälen erforderlich sind). Etwas reduzierte Analogsignalverar
beitungsforderungen gelten bei dem bereits bekannten Ultra
schallabbildungssystem, bei dem die Echosignale bei Frequen
zen verarbeitet werden, die zwischen einer Basisbandfrequenz
und HF-Frequenzen liegen. In dieser Art von System wird ein
einzelner Kanal für jedes einzelne Wandlerelement benutzt,
wobei das Analogechosignal zuerst demoduliert wird, dann band
paßgefiltert wird und schließlich digital verarbeitet wird
zur Verzögerung bei der Ausführung der erforderlichen kohären
ten Summierung. Die beträchtlichen Nachteile, die mit der Ver
wendung der Analogsignalverarbeitungstechniken in einem Echt
zeitabbildungssystem verbunden sind, können durch digitale
Strahlbildung vermieden werden, wie sie in den oben erwähnten
weiteren deutschen Patentanmeldungen der Anmelderin offenbart
ist. Gemäß der vorliegenden Offenbarung erfolgt eine vollkom
men digitale Strahlbildung in einem Phased-Array-Kohärentab
bildungssystem, zum Beispiel einem medizinischen Ultraschall
abbildungssystem, auf weit genauere, flexiblere und kostenspa
rende Weise. Die Echtzeitstrahlbildung wird darin mit einzel
nen Kanälen erreicht, die für die Wandlerelemente vorgesehen
sind und die Analogechosignale in Digitaldatenwörter nach ei
ner Vorverstärkung und ohne Umwandlung der HF-Frequenzsignale
in niedrigere Basisbandfrequenzen umwandeln. Weiter kann ge
mäß der vorliegenden Offenbarung bei der digitalen Strahlbil
dung die erforderliche kohärente Summierung an den einzelnen
Kanälen der Matrix anschließend mit digitalen Signalverarbei
tungseinrichtungen erfolgen, um eine Digitaldarstellung der
Objektpunkte zu schaffen, welche mit den Wandlerelementen
erfaßt werden. Die digitale Basisbandverarbeitung kann be
nutzt werden, um die Komplexität der begrenzten Analogschal
tungsanordnung weiter zu reduzieren, welche in solchen be
kannten Systemen benutzt wird, die eine digitale Strahl
bildung vornehmen. Verständlicherweise müssen die Analogschal
tungsteile von solchen digitalen Abbildungssystemen außer
dem eine richtige Signalverarbeitung über einem breiten Be
reich von Betriebsbedingungen gewährleisten.
Noch weitere wichtige Überlegungen gelten, wenn irgendeines
der Abbildungssysteme des vorerwähnten Typs für medizini
sche Untersuchungen benutzt wird. Der Dynamikbereich in Sol
chen Systemen sollte eine Erfassung von sämtlichen Objektpunk
ten in dem Patienten, der untersucht wird, aufgrund der rück
gestreuten Echosignale ermöglichen und unterschiedliche Ver
luste aufgrund von ungleichmäßiger Signalfortpflanzung be
rücksichtigen. Die größten Signale ergeben sich aus gerich
teten oder regelmäßigen Reflexionen, die in bezug auf ein
menschliches Herz dargestellt werden können. Daher beträgt
der Reflexionskoeffizient für eine Blut-Herz-Grenzfläche
etwa -30 dB, wogegen die Blut-Klappe-Grenzfläche beträcht
lich höhere Reflexionskoeffizienten haben kann. Außerdem
kann der Reflexionskoeffizient an der Oberfläche des Herzens,
die mit dem Brustraum in Kontakt ist, nahezu 0 dB betragen.
Weichgewebeechos, die aus einer Volumenrückstreuung inner
halb des Herzmuskels bei der Wandlersendemittenfrequenz von
2 bis 5 MHz resultieren, welche üblicherweise in Abbildungs
systemen dieses Typs benutzt wird, kann in dem Bereich von
- -55 dB liegen. Daraus folgt, daß die Dynamikbereichanforde rungen für die oben angegebenen Sendefrequenzen zum Erfas sen der kleinsten gerichteten Echos sowie der kleinsten Ge webeechos dadurch 60 dB übersteigen können. Ein geeignetes medizinisches Abbildungssystem sollte weiter zwischen Objekt punkten unterscheiden, die verschiedene Echointensitäten aufweisen und sich in einer gemeinsamen Entfernung von der Wandlermatrix befinden. Diese Forderung wird üblicherweise als "Augenblicksdynamikbereich" für das besondere Abbildungs system und mit der Forderung bezeichnet, die sich auf Objekt punkte bezieht, welche auf einem Kreisbogen angeordnet sind, dessen Mittelpunkt sich in dem Mittelpunkt der üblicherweise verwendeten linearen Wandlermatrix befindet. Dieser Augen blicksdynamikbereich muß unterschiedliche Verluste aufgrund von inhomogener Signalausbreitung innerhalb des Patienten oder der Probe, die untersucht wird, berücksichtigen. Die ses Problem kann für einen gesendeten Energiestrahl veran schaulicht werden, der weiches Gewebe durchquert, im Ver gleich zu dem Durchqueren eines Blutweges mit niedrigeren Verlusten. Die Größe von solchen unterschiedlichen Verlusten unter Berücksichtigung des benutzten Umlaufausbreitungsweges kann einen Augenblicksdynamikbereich von 60 dB bei einer Sendefrequenz von 3,3 MHz erfordern, wogegen ein Augenblicks dynamikbereich von 65-70 dB bei einem Betrieb mit einer Fre quenz von 5,0 MHz erforderlich sein kann, um zu gewähr leisten, daß alle interessierenden Echosignale erfaßt wer den.
Alle Abbildungssysteme der vorgenannten Art arbeiten üb
licherweise mit Analog/Digital-Wandlereinrichtungen zur
digitalen Verarbeitung der analogen Echosignale, um das
kohärente Bild zu bilden. Beispielsweise finden solche
Analog/Digital-Wandlereinrichtungen Verwendung bei der Er
zeugung der Phasenbeziehungs- und Verzögerungssignale, die
das Abbildungssystem dafür erfordert, das in der oben er
wähnten US-PS 41 55 260 beschrieben ist. Ebenso wandeln
beide Abbildungssysteme, die in den oben erwähnten weiteren
deutschen Patentanmeldungen der Anmelderin beschrieben sind,
das analoge Echosignal in Digitaldatenwörter zur Verarbei
tung mit Analog/Digital- oder A/D-Wandlereinrichtungen um,
wobei weiter zu berücksichtigen ist, daß das benutzte Ab
tastverhältnis eine relativ hohe Geschwindigkeit und sehr
teuere A/D-Vorrichtungen zusammen mit einer relativ großen
Menge an schnellen Speichereinrichtungen erfordern kann.
Gemäß den Angaben in den erwähnten beiden weiteren deutschen
Patentanmeldungen der Anmelderin wird eine 8-Bit-40 MHz-
A/D-Vorrichtung begleitet von wenigstens 400 Wörtern eines
sehr schnellen Direktzugriffsspeichers (RAM) für die er
forderliche Datenverzögerung in jedem Kanal der Wandler
matrix benutzt. Verständlicherweise wäre es erwünscht,
diese Forderungen bei der Verwendung von linearen A/D-
Standardvorrichtungen zu reduzieren, aber auf derartige
Weise, daß der Dynamikbereich des Abbildungssystems nicht
verschlechtert wird. Da die Anzahl der Bits in der A/D-
Vorrichtung deren Kosten überwiegend bestimmt, zusammen
mit den Kosten der dieser zugeordneten Verzögerungslei
tungen zum digitalen Verarbeiten der Signale in Abbildungs
systemen dieses Typs, wird es dadurch vorteilhaft, die
A/D-Wandler-Bit-Forderung zu reduzieren, ohne den Dynamik
bereich der modifizierten digitalen Verarbeitungseinrichtung
nennenswert zu reduzieren.
Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, ein neues kohärentes
Abbildungssystem zu schaffen, das mit Schwingungsenergie
arbeitet und die analogen Echosignale auf verbesserte Weise
digital verarbeitet.
Weiter soll durch die Erfindung ein neues, mit Schwingungs
energie arbeitendes, kohärentes Abbildungssystem geschaf
fen werden, welches eine nichtlineare Verarbeitung der
analogen Echosignale beinhaltet, um die Bildung des
kohärenten Bildes mit verzögerten digitalen Datensignalen
zu ermöglichen.
Ferner sollen durch die Erfindung die Schaltungserforder
nisse zur digitalen Verarbeitung von analogen Echosignalen
in einem kohärenten Abbildungssystem, das mit Schwingungs
energie arbeitet, vereinfacht werden.
Außerdem soll durch die Erfindung ein neues Ultraschall-
PASS-System zum schnellen und genauen Ablenken eines ge
bildeten Ultraschallstrahls geschaffen werden, welches die
nichtlineare Verarbeitung der zurückgekehrten analogen
Echosignale beinhaltet, um die Bildung des kohärenten
Bildes mit verzögerten digitalen Datensignalen zu ermög
lichen.
Weiter soll durch die Erfindung ein völlig digitales PASS-
System geschaffen werden, welches die analogen Echosignale
auf verbesserte Weise digital verarbeitet.
Schließlich soll durch die Erfindung ein neues Verfahren
zum Bilden eines Echtzeitbildes mit Schwingungsenergie ge
schaffen werden, das die Rückechosignale auf verbesserte
Weise digital verarbeitet.
Diese und weitere Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben
sich deutlicher aus der folgenden ausführlichen Beschrei
bung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Es ist
klar, daß die Erfindung zwar in Verbindung mit einer Energie
form, z.B. mechanischen Ultraschallschwingungen, beschrie
ben wird, daß jedoch andere Formen von Schwingungsenergie
benutzt werden können, wie beispielsweise kohärente elektro
magnetische Energie in Ladar(Laser-Radar)- und Radar-
Abbildungssystemen sowie anderen Arten von Schallenergie
systemen wie Sonar und dgl.
Gemäß der Erfindung werden die Analog/Digital-Wandlerein
richtungen für ein typisches kohärentes Abbildungssystem
auf eine Weise modifiziert, durch die die Ausgangssignale
eine nichtlineare Beziehung zu den Eingangssignalen auf
weisen. Zu diesem Zweck ist es zuerst erforderlich, daß
die analogen Echosignale, die in dem Abbildungssystem ver
arbeitet werden, nichtlinear komprimiert werden, um einen
zusätzlichen Augenblicksdynamikbereich zu schaffen, wo
durch im wesentlichen sämtliche Rückstreuer in dem Objekt
gebiet erfaßt werden und jede inhomogene Ausbreitung in
dem Objektgebiet berücksichtigt wird, wie es oben angegeben
worden ist. Diese Forderung kann auf bekannte Weise er
füllt werden, wodurch der gesamte Dynamikbereich in fester
Tiefe, der durch den vollen Sende-/Empfangsstrahlbildner
in einem typischen Abbildungssystem bestimmt wird, den
Dynamikbereich für den Empfangsstrahlbildner um ein vor
bestimmtes Ausmaß übersteigt. Beispielsweise sollte ein
repräsentatives Abbildungssystem, das einen 40-dB-Empfangs
strahlbildner-Dynamikbereich hat, einen Sende-/Empfangs
strahlbildner-Dynamikbereich von 70-80 dB haben, um diese
Forderung zu erfüllen. Die erforderliche Analogsignal
kompresssion kann mit bipolaren Verstärkereinrichtungen
erfolgen, die Ausgangssignale erzeugen, welche eine nicht
lineare Beziehung zu den Eingangssignalen haben. Durch
diese Einrichtungen wird es weiter möglich, Analogsignale,
die ursprünglich einen relativ großen Dynamikbereich haben,
in expandierte Digitaldatensignale mit herkömmlichen
Analog/Digital-Wandlereinrichtungen niedriger Bitdichte
umzuwandeln. Analogechosignale mit einem gesamten Dynamik
bereich von 17 dB oder mehr können, um es weiter zu veran
schaulichen, nun mit einer 7-Bit-A/D-Wandlervorrichtung
digital verarbeitet werden. Auf diese Weise wird die
Expansion der digitalen Datensignale erreicht, so daß die
digitalen Ausgangssignale der gewählten A/D-Wandlervorrich
tung auf eine nichtlineare Weise zu den analogen Eingangs
signalen in Beziehung stehen, die die Umkehrung der früher
benutzten Kompressionsfunktion ist. Eine geeignete Expansion
für die oben erwähnten 7-Bit-A/D-Wandlervorrichtungen er
gibt ein 11-Bit-Digitalausgangssignal, wodurch die Span
nungsquantisierung als eine Funktion des Eingangssignal
pegels verändert wird. Alternativ kann die Referenzleiter
des A/D-Wandlers selbst verändert werden, um für eine
variable Spannungsquantisierung als Funktion des Eingangs
signalpegels zu sorgen. Die Signalverarbeitung auf die
vorgenannte Weise erzeugt ein Minimum an Defekten und re
duziert den Augenblicksdynamikbereich für den digitalen
Strahlbildner nicht wesentlich. Ein kohärentes Bild kann
deshalb mit den expandierten Digitaldatensignalen auf her
kömmliche Weise gebildet werden, wodurch diese Signale um
ein vorbestimmtes Zeitintervall verzögert werden, das der
Distanz der betreffenden Wandlerelemente von den erfaßten
Objektpunkten entspricht, welche bewirkt, daß jedes Daten
signal im wesentlichen zur selben Zeit auftritt und mit der
Verzögerung die Signale zusammen summiert werden. In einer etwas
anderen Struktur wird das komprimierte Signal durch den
A/D-Wandler digitalisiert, verzögert und dann expandiert
und an der Matrix summiert. Die gesamte Bitdichte der digi
talen Verzögerungsstruktur kann auf diese Weise reduziert
werden, da nur der Ausgang niedriger Bitdichte des A/D-
Wandlers bei der Verzögerung beibehalten wird. Die Signale
müssen jedoch vor irgendwelchen Summierungen mit anderen
Kanälen in der Matrix expandiert werden, um das endgültige
Ausgangssignal des Strahlbildners zu erzeugen.
Schaltungseinrichtungen zum digitalen Verarbeiten der ana
logen Echosignale auf die oben beschriebene Weise können
auf verschiedenerlei Weise vorgesehen werden. Zum Beispiel
kann die Vorverstärkung ebenso wie die Kompression der vor
verstärkten Analogechosignale in einer einzelnen, nicht li
nearen, bipolaren Verstärkervorrichtung erfolgen, im Unter
schied zum sequentiellen Verwenden einer linearen Verstär
kereinrichtung für die Vorverstärkung und einer nichtlinea
ren Verstärkereinrichtung, die anschließend die Kompression
bewirkt. Außerdem kann die nichtlineare Kompression in dem
A/D-Wandler selbst ausgeführt werden, indem die Referenz
spannungen an der Widerstandsleiter des A/D-Wandlers im
Verhältnis zu dem Eingangssignalpegel verändert werden oder
indem eine nichtlineare Widerstandsleiter in dem A/D-Wand
ler hergestellt und feste Referenzspannungen an dieser Lei
ter aufrechterhalten werden. Entsprechend kann eine zufrie
denstellende nichtlineare Kompression gemäß verschiedenen
mathematischen Funktionen erreicht werden. Eine repräsenta
tive Kompression bezieht die Ausgangsanalogsignale auf die
Eingangsanalogsignale durch eine Potenzgesetzfunktion mit
einem Exponenten, der kleiner als eins ist. Eine andere re
präsentative Kompression kann mit einer verbundenen Reihe
oder einem stückweisen Aggregat von Geraden erfolgen, wel
che die gewünschte Signalbeziehung annähern. Das Expandie
ren der Spannungsquantisierung in der gewählten A/D-Wandler
einrichtung als Funktion des Eingangssignalpegels kann mit
verschiedenen herkömmlichen Schaltungseinrichtungen er
reicht werden. Eine ROM-Vorrichtung oder eine SRAM-Vorrich
tung kann der gewählten A/D-Wandlervorrichtung als "Such
tabelle" betriebsmäßig zugeordnet sein, während die Routi
neberechnungen zum Vornehmen einer nichtlinearen Expansion,
welche die Umkehrung der Kompressionsfunktion ist, ebenfalls
durch einen Computerchip ausgeführt werden kann. Eine re
lativ einfache Schaltungsanordnung für die auf hier be
schriebene Weise modifizierte gesamte Analog/Digital-Wand
lereinrichtung kann mit einer linearen Verstärkung versehen
werden, welche einer A/D-Wandlervorrichtung betriebsmäßig
zugeordnet ist, die ungleichmäßige Quantisierungswerte auf
weist. Weiter wird zwar eine logarithmische Signalverarbei
tung in der hier beschriebenen Analog/Digital-Wandlerein
richtung für ein Ultraschallabbildungssystem, bei dem mul
tiplikatives Rauschen zu erwarten ist, als optimal angese
hen, es können jedoch andere nichtlineare Übertragungsfunk
tionen benutzt werden, um zusätzliche Rauschfaktoren zu
kompensieren.
Aus der gesamten vorstehenden Beschreibung geht deshalb
hervor, daß Spannungen, welche die Analogechosignale dar
stellen, die durch die einzelnen Wandlerelemente in dem
kohärenten Abbildungssystem nach der Erfindung erfaßt wer
den, durch verschiedene Einrichtungen verarbeitet werden
können. Die Signalverarbeitungseinrichtung weist wenigstens
eine A/D-Wandlervorrichtung auf, so daß ein Strom von
Digitaldatensignalen zuerst geliefert wird, der eine mathe
matische Beziehung zu den Analogechospannungssignalen auf
weist, die eine nichtlineare Kompressionsfunktion ist. Diese
nichtlineare Signalkompression kann, wie oben dargelegt,
mit bipolaren Verstärkereinrichtungen ausgeführt werden,
welche Ausgangssignale liefern, die in nichtlinearer Be
ziehung zu den Eingangssignalen stehen, sowie mit der zu
geordneten A/D-Wandlervorrichtung allein durchgeführt wer
den. Die komprimierten Digitaldatensignale werden anschlie
ßend gemäß der Umkehrung der zuvor benutzten mathematischen
Funktion verarbeitet und ergeben expandierte Digitaldaten
signale, die in linearer Beziehung zu den Analogechospan
nungssignalen stehen. Diese nichtlineare Signalexpansion
kann, wie weiter oben dargelegt, durch verschiedene Ein
richtungen erfolgen, welche die Ausgangssignale verarbei
ten, die aus der zugeordneten A/D-Wandlervorrichtung er
halten worden sind. Die Suchtabelleneinrichtung und die be
reits bekannte computergesteuerte Schaltungsanordnung kön
nen, um das weiter zu veranschaulichen, alternative Ein
richtungen zum Erreichen der Signalexpansion bilden. Eine
weitere wesentliche Verzögerungseinrichtung ist erforder
lich, um den Strom von Digitaldatensignalen zu verzögern,
nachdem die Kompression erfolgt ist und bevor oder nachdem
die Signale expandiert worden sind. Es wird anschließend
lediglich wichtig, Schaltungseinrichtungen vorzusehen, durch
die die verzögerten expandierten Digitaldatensignale auf
herkömmliche Weise summiert werden.
Eine Ausführungsform einer repräsentativen Anordnung, wel
che eine verbesserte digitale Strahlbildung in einem kohä
renten Abbildungssystem nach der Erfindung ergibt, umfaßt
(a) eine Matrix von Wandlerelementen, welche einen Schwin
gungsenergiestoß mit vorbestimmter Anregungsfrequenz in das
Objektgebiet schickt und bipolare Analogechosignale empfängt,
die durch das Auftreffen des gesendeten Energiestrahls auf
wenigstens einen Objektpunkt in dem Objektgebiet erzeugt
werden, (b) bipolare Verstärkereinrichtungen zum Kompri
mieren der bipolaren Analogechosignale, so daß die Ausgangs
signale in nichtlinearer Beziehung zu den Eingangssignalen
stehen, (c) Analog/Digital-Wandlereinrichtungen zum Expan
dieren der komprimierten Analogeingangssignale in einen
Strom von Digitaldatensignalen, die eine umgekehrte nicht
lineare Beziehung zu den komprimierten Analogeingangs
signalen haben, (d) eine Einrichtung zum Verzögern der ex
pandierten Digitaldatensignale um vorbestimmte Zeitinter
valle, welche der Distanz des erfaßten Objektpunktes von
den betreffenden Wandlerelementen entsprechen, was bewirkt,
daß jedes Datensignal im wesentlichen zur selben Zeit auf
tritt, und (e) Einrichtungen zum Summieren der verzögerten,
expandierten Digitaldatensignale. Als eine ausführlichere
Darstellung einer digitalen Ausführungsform dieser Anord
nung in Verbindung mit einem PASS-System, in welchem die
Analogechosignale mit einer Frequenz von 20 MHz und unter
Verwendung einer 7-Bit-A/D-Wandlervorrichtung verarbeitet
wurden, sei angegeben, daß der Digitalwortstrom unter Ver
wendung einer SRAM-Tabelle auf 11 Bits expandiert wird.
Dabei approximiert der Kompressionsverstärker eine Potenz
gesetzfunktion, und das Ausgangssignal des SRAM oder sta
tischen RAM (statischen Schreib-Lese-Speichers) bewahrt
das Eingangssignalvorzeichen und erhebt die Größe in die
Potenz y, wobei gilt y=1/x. Der Übergang von einem 7- auf
ein 11-Bit-Wort führt zu x=0,6, so daß die Gesamtauswir
kung der Verarbeitung darin besteht, daß die Spannungsquan
tisierung als eine Funktion des Eingangssignalpegels ver
ändert wird, wobei der maximale Quantisierungspegel unge
fähr y-mal der Quantisierungspegel für ein lineares Verar
beitungssystem sein wird. Infolgedessen kann der Augen
blicksdynamikbereich des 7-Bit-Wandlers über einem viel
größeren Bereich von Analogechosignalen ausgenutzt werden.
In einer weiteren Schaltungsrealisierung der hier darge
stellten Ausführungsform der Anordnung für einen einzelnen
Kanal in der Wandlermatrix kann eine herkömmliche Vorver
stärkungseinrichtung benutzt werden, die eine Zeitverstär
kungs(TGC oder time gain control)-Schaltung umfaßt
sowie weiter eine Tiefpaßfiltereinrichtung enthält zum
Verarbeiten der empfangenen Analogechosignale vor deren
Kompression. Zur weiteren Veranschaulichung in Verbindung
mit dieser Ausführungsform sei angegeben, daß ein linearer
bipolarer Verstärker benutzt werden kann, der eine Verstär
kung hat, die ungefähr 12 dB nicht übersteigt, wogegen die
maximale Verstärkung in der TGC- ader Zeitverstärkungs
steuerschaltung 40 dB nicht übersteigen sollte. Eine Filter
einrichtung mit geeignetem Durchlaßband kann in der hier
dargestellten Ausführungsform eine untere Grenzfrequenz
von etwa 500 kHz und eine obere Grenzfrequenz von etwa
10-12,5 MHz haben. In dieser Ausführung kann die darge
stellte A/D-Wandlereinrichtung eine 2-Volt-Analogechosignal
veränderung verarbeiten.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann die erfin
dungsgemäß verbesserte Analog/Digital-Wandlereinrichtung
die herkömmliche lineare A/D-Wandlereinrichtung ersetzen,
die in allen bekannten kohärenten PASS-Abbildungssystemen
benutzt wird, welche in der oben angegebenen US-PS
41 55 260 sowie in den ebenfalls oben angegebenen weiteren
deutschen Patentanmeldungen der Anmelderin offenbart sind.
In diesen bekannten Abbildungssystemen wird zuerst ein
Paar Analogsignale (I und Q) in separaten Kanälen, welche
den einzelnen Wandlerelementen betriebsmäßig zugeordnet
sind, gebildet, die anschließend durch die linearen A/D-
Wandlereinrichtungen in Digitaldatensignale umgewandelt
werden können zur separaten Verzögerung und Summierung auf
bereits bekannte Weise. Die Analogechosignale, die auf die
se Weise verarbeitet werden, werden im allgemeinen mit
einer vorbestimmten Anregungsfrequenz und Phase demodu
liert, welche durch das Produkt aus der Referenzwinkel
frequenz (2π f) und dem vorbestimmten Zeitintervall be
stimmt wird, welches der Distanz zwischen den betreffenden
Wandlerelementen und den erfaßten Objektpunkten entspricht,
was bewirkt, daß jedes Datensignal im wesentlichen zur
selben Zeit auftritt. Demgemäß kann eine repräsentative
Ausführungsform einer Anordnung, welche eine verbesserte
Signalverarbeitung auf die vorstehend geschilderte allge
meine Weise gemäß der Erfindung bewirkt, umfassen: (a) eine
Matrix von Wandlerelementen, welche einen Ultraschallener
giestoß mit einer vorbestimmten Anregungsfrequenz in das
Objektgebiet sendet und bipolare Analogechosignale emp
fängt, die durch den Zusammenprall des gesendeten Ultra
schallstrahls mit wenigstens einem Objektpunkt in dem
Objektgebiet erzeugt werden, (b) zwei Demodulatoreinrich
tungen, welche jedem Wandlerelement betriebsmäßig zuge
ordnet sind, um demodulierte bipolare Analogechosignale
mit unterschiedlicher Relativphase zu liefern, wobei die
Demodulatoreinrichtungen mit einer vorbestimmten Anregungs
frequenz arbeiten und wobei die Phase durch das Produkt
aus der Referenzwinkelfrequenz und dem vorbestimmten Zeit
intervall bestimmte wird, welches der Distanz zwischen den
betreffenden Wandlerelementen und erfaßten Objektpunkten
entspricht, um zu bewirken, daß diese Datensignale im we
sentlichen mit derselben Phase auftreten, (c) zwei bipolare
Verstärkereinrichtungen zum Komprimieren der demodulierten
Analogechosignale, so daß die Ausgangssignale in nicht
linearer Beziehung zu den Eingangssignalen stehen, (d) zwei
Analog/Digital-Wandlereinrichtungen zum separaten Expandie
ren der komprimierten, demodulierten Analogeingangssignale
in einen Strom von Digitaldatensignalen, welche eine umge
kehrte nichtlineare Beziehung zu den komprimierten, demodu
lierten Analogeingangssignalen haben, (e) eine Einrichtung
zum separaten Verzögern jedes Stroms von expandierten Di
gitaldatensignalen um ein vorbestimmtes Zeitintervall,
welches der Distanz zwischen den betreffenden Wandler
elementen und erfaßten Objektpunkten entspricht, was be
wirkt, daß jedes Datensignal zur selben Zeit auftritt,
(f) eine Einrichtung zum separaten Summieren jedes Stroms
von verzögerten, expandierten Digitaldatensignalen, und
(g) Einrichtungen zum Erfassen des Signals als die Quadrat
wurzel der Summe der Quadrate der beiden summierten phasen
gleichen und um 90° phasenverschobenen Signale.Wie oben
mit Bezug auf eine geeignete Schaltungsrealisierung der
auf hier beschriebene Weise modifizierten nichtlinearen
Analog/Digital-Wandlereinrichtungen für die vorliegende
Erfindung bereits angegeben, kann eine lineare 7-Bit-A/D-
Wandlereinrichtung in jedem der Wandlerkanäle zusammen
mit geeigneten Speichereinrichtungen benutzt werden, um
die einzelnen Ströme von Digitaldatensignalen separat zu
expandieren, so daß die Ausgangssignale eine nichtlineare
Expansion darstellen, welche die Umkehrung der Kompressions
funktion ist. Eine Potenzgesetzdatenmanipulation kann für
diesen Zweck in der hier dargestellten Ausführungsform be
nutzt werden, wodurch der nichtlineare Kompressionsverstär
ker Ausgangssignale liefert, die zu den Eingangssignalen
durch eine Potenzgesetzfunktion in Beziehung stehen, wel
che einen Exponenten hat, der kleiner als eins ist, wo
gegen die Ausgangssignale der nichtlinearen A/D-Wandler
einrichtung durch die umgekehrte Potenzgesetzfunktion in
Beziehung zu deren Eingangssignalen stehen. Wiederum kann
bei der Realisierung der Schaltung der hier dargestellten
Ausführungsform der Anordnung herkömmliches Mischen der
Analogechosignale aus jedem Wandlerelement mit einer loka
lisierten Oszillatoreinrichtung vor der nichtlinearen Ver
stärkung und digitalen Umwandlung benutzt werden. Ebenso
kann wahlweise auch eine Tiefpaßfiltereinrichtung in der
einzelnen Kanalschaltungsanordnung vor der nichtlinearen
Datenmanipulationseinrichtung vorgesehen sein zum herkömm
lichen Begrenzen der Signale auf den Nyquist-Bereich des
Digitalsystems.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild ei
nes repräsentativen PASS-Ultraschall
abbildungssystems nach der Erfindung,
bei dem eine Digitalbasisbandsignal
verarbeitung benutzt wird, und
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild ei
nes anderen repräsentativen PASS-Ultra
schallabbildungssystems nach der Er
findung, bei dem eine Digitalverarbei
tung bei der Hochfreqenzerregung der
Wandlerelemente benutzt wird.
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden in
Verbindung mit einem PASS-Ultraschallabbildungssystem dar
gestellt, das ausführlicher in der eingangs erwähnten
US-PS 41 55 260 beschrieben ist. In Fig. 1 ist ein typi
sches Echtzeitultraschallabbildungssystem 10 gezeigt, wel
ches die kohärente Demodulation der Analogechosignale, die
mit einer phasengesteuerten Wandlermatrix erfaßt werden,
gefolgt von einer Verzögerung und einer kohärenten Sum
mierung der digital verzögerten Signale beinhaltet. Das
System enthält weiter eine Ausführungsform der verbesser
ten Digitalsignalverarbeitungseinrichtung nach der Erfin
dung, die im folgenden näher beschrieben wird. Gemäß der
Darstellung in dem Funktionsblockschaltbild enthält die
Anordnung 10 eine lineare, phasengesteuerte Matrix oder ein
Phased Array 12 aus einzelnen Wandlerelementen E 1-E N , die
einen gegenseitigen Mittenabstand "d" längs einer Mittel
linie 14 in der herkömmlichen Anordnung haben. Ein Objekt
punkt 16 in dem Objektgebiet, das mit der Wandlermatrix
abgetastet wird, bildet einen Winkel R mit der Mittellinie
14, und ein Ultraschallenergiestoß, der mit der Matrix er
zeugt wird, trifft auf den Objektpunkt auf und erzeugt ein
bipolares Analogechosignal, welches durch ein oder mehrere
Wandlerelemente in der Matrix erfaßt wird. Bipolare elek
trische Analogsignale werden durch die Wandlerelemente ge
bildet, welche die empfangenen Echosignale darstellen, und
durch die Verarbeitung der elektrischen Signale, die im
folgenden für zwei Wandlerelemente E 3 und E c beschrieben
wird, wobei klar ist, daß eine gleiche Signalverarbeitung
der anderen Signale erfolgt, die in den übrigen Wandler
elementen gleichzeitig erzeugt werden. Demgemäß werden
repräsentative elektrische Analogsignale aus den Wandler
elementen E 3 und E c in separaten I- und Q-Kanälen des dar
gestellten Systems verarbeitet, in denen eine Demodulation
benutzt wird, um die übliche 90°-Phasenverschiebung zu er
zeugen. Diese Demodulation kann durch Mischen jedes Ein
gangsanalogsignals 18-24 an der betriebsmäßig zugeordneten
Demodulatoreinrichtung 26-32 mit 90°-phasenverschobenen
Signalen, welche durch eine Überlagerungsoszillatoreinrich
tung (nicht dargestellt) mit der vorbestimmten Basisband
betriebsfrequenz erzeugt werden, erfolgen. Fakultative
Tiefpaßfiltereinrichtungen 34-40 sind in dem dargestellten
System vorgesehen, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu ver
bessern, wobei noch eine weitere Verstärkung der demodulier
ten I- und Q-Analogsignale (nicht dargestellt) als eine
Maßnahme erfolgen kann, um eine Sättigung der Analog/Digi
tal-Wandlervorrichtungen zu vermeiden, die anschließend zur
Umwandlung dieser Analogsignale benutzt werden. Die demodu
lierten und gefilterten Analogsignale 18-24 werden danach
jeweils an Kompressionsfiltereinrichtungen 42-48 angelegt,
in welchen die Ausgangssignale in eine nichtlineare Beziehung
zu den Eingangssignalen gebracht werden. Eine Potenzgesetz
signalkompression kann in den dargestellten nichtlinearen
Verstärkereinrichtungen 42-48 erfolgen, beispielsweise
mittels logarithmischer Signalverarbeitung, weshalb sich nun
herkömmliche lineare A/D-Wandlervorrichtungen relativ geringer
Bitdichte zum Ausführen der erforderlichen Digitaltransfor
mation als geeignet herausgestellt haben. Jedes komprimierte
Analogsignal 18-24 wird danach einzeln abgetastet, und die
Amplitude desselben wird in linearen A/D-Wandlervorrich
tungen 50-56 in ein Digitaldatenwort umgewandelt, welche mit
betriebsmäßig zugeordneten SRAM-Speichervorrichtungen 58-64
zusammenwirken, um die Ausgangsdigitaldatensignale auf
nichtlineare Weise zu expandieren. Die nichtlineare Digital
datenexpansion erfolgt auf die oben erläuterte Weise und
kann die Umkehrung der Potenzgesetzkompressionsfunktion
sein, welche oben zum Gewinnen der komprimierten Analog
signale benutzt worden ist. Um ein typisches Ergebnis weiter
zu veranschaulichen, das mit einer solchen Digitaldaten
expansion erzielt wird, sei angegeben, daß die Verwendung
von herkömmlichen 7-Bit-A/D-Wandlervorrichtungen in dem
dargestellten System eine Expansion auf 11-Bit-Digitalaus
gangswörter ergeben kann, wenn die geeignete Tabelle in
den zugeordneten SRAM-Speichervorrichtungen vorhanden ist.
Die nun expandierten Digitaldatensignale 18-24, welche
aufgrund der Analog/Digital-Wandlereinrichtungen gebildet
worden sind, werden nun jeweils für ein vorbestimmtes Zeit
intervall in einer der betriebsmäßig zugeordneten Digital
verzögerungseinrichtungen 66-72 separat verzögert, damit
verzögerte Basisband-I- und -Q-Signale gebildet werden. Alle
digitalisierten und verzögerten I- und Q-Signale aus
sämtlichen Wandlerelementen werden dann in Verstärkerein
richtungen 74 bzw. 76 separat summiert, indem das übliche
algebraische Additionsverfahren benutzt wird. Ein endgültiges
resultierendes Signal 78 wird in einer herkömmlichen Sum
mierschaltung 80 gebildet, das eine monotone Funktion der
Summe der Quadrate der summierten Signale ist, welche die
Verstärkereinrichtungen 74 und 76 liefern. Die Amplitude
des resultierenden Signals 78 ist proportional zu der
Quadratwurzel der Summe der Quadrate der summierten I- und
Q-Digitalverzögerungssignale, wie es in der Zeichnung weiter
dargestellt ist. Diese resultierenden Signale können dann
geeignet angezeigt werden, um eine optische Anzeige der
Objektpunkte zu liefern, welche in einem ausgewählten Objekt
gebiet durch bereits bekannte Maßnahme (nicht dargestellt)
erfaßt werden, beispielsweise für medizinische Echtzeitunter
suchungen des oben erläuterten Typs.
Fig. 2 zeigt ein Funktionsblockschaltbild eines anderen
repräsentativen PASS-Ultraschallabbildungssystems nach der
Erfindung. In dem dargestellten Echtzeit-Ultraschallab
bildungssystem 90 erfolgt eine Digitalverarbeitung bei der
HF-Anregungsfrequenz der Wandlerelemente, um wieder die
kohärente Abbildung von Objektpunkten, welche in dem Ob
jektgebiet erfaßt werden, vorzunehmen. Ein Vergleich
zwischen den Funktionsblockschaltbildern nach den Fig. 1
und 2 zeigt, daß in der Anordnung nach Fig. 2 keine Fre
quenzumwandlung oder Demodulation erfolgt, sondern ein
einzelner Verarbeitungskanal jedem Wandlerelement betriebs
mäßig zugeordnet ist. Die geringeren Forderungen an die
Schaltungsanordnung, die auf diese Weise erzielt werden,
beinhalten weiter die Elimination der Überlagerungsoszilla
tor-Signalgenerator- und Mischerschaltungseinrichtungen,
welche zuvor benutzt worden sind. Daher können die analogen
Ausgangssignale 92 und 94, welche Echosignale darstellen,
die durch zwei Wandlerelemente E 1 und E N in der darge
stellten Wandlermatrix 96 erfaßt worden sind, nach Vorver
stärkung in herkömmlichen bipolaren, linearen TGC-Verstärker
einrichtungen 98 bzw. 100 direkt an Kompressionsverstärker
einrichtungen 102 bzw. 104 angelegt werden. Die Verstärkung
in sämtlichen Kanälen, die mit solchen Vorverstärkungs
einrichtungen versehen sind, kann mit einem gemeinsamen
TGC-Steuersignal (nicht dargestellt) festgelegt werden.
Die vorverstärkten bipolaren Analogechosignale 92 und 94
werden danach an die Kompressionsverstärkereinrichtungen 102
bzw. 104 angelegt, in welchen die Ausgangssignale wieder
in nichtlineare Beziehung zu den Eingangssignalen gebracht
werden. Wie ebenfalls oben bereits dargelegt, wird eine
Potenzgesetzsignalkompression in den dargestellten nicht
linearen, bipolaren Verstärkereinrichtungen ausgeführt, die
herkömmliche lineare A/D-Wandlervorrichtungen 106 und 108
relativ niedriger Bitdichte zum Ausführen der erforderlichen
Digitaltransformation ermöglicht. In ähnlicher Weise ermög
lichen ROM-Speichervorrichtungen 110 und 112, welche den
A/D-Wandlervorrichtungen betriebsmäßig zugeordnet sind,
die Expansion der Ausgangsdigitaldatensignale, wenn sie mit
einer geeigneten Tabelle versehen sind. Diese Digitaldaten
expansion erfolgt auf nichtlineare Weise, welche wiederum
die Umkehrung der Potenzgesetzkompressionsfunktion sein
kann, welche benutzt wird, um die komprimierten Analog
signale zu bilden. Danach wird jedes der expandierten Di
gitaldatensignale, welche durch die Analog/Digital-Wandler
einrichtungen gebildet worden sind, an betriebsmäßig
zugeordnete Verzögerungseinrichtungen 114 bzw. 116 in den
Kanälen angelegt. Die digitalisierten und verzögerten Si
gnale 92 und 94 aus sämtlichen Kanälen werden daraufhin
durch eine Summierverstärkereinrichtung 118, die in dem
dargestellten System 90 vorgesehen ist, miteinander ad
diert, was ein kombiniertes resultierendes Signal 120 er
gibt, welches einen erfaßten Objektpunkt in dem Objekt
gebiet darstellt, das abgetastet wird. Die vorstehend be
schriebene Signalverarbeitung erzeugt ein Minimum an De
fekten und reduziert den Augenblickdynamikbereich für den
beschriebenen digitalen Strahlbildner nicht nennenswert.
Zusätzliche Signalverarbeitungseinrichtungen können in
den einzelnen Kanälen vorgesehen werden, um die gesamte
Systemleistung noch weiter zu verbessern. Beispielsweise
können Tiefpaßfiltereinrichtungen hinzugefügt werden, um
das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems zu verbessern, wo
bei diese Filtereinrichtungen die vorverstärkten Analogecho
signale vor der Kompression verarbeiten. Eine für diesen
Zweck geeignete Filtereinrichtung begrenzt die Signale auf
den Nyquist-Bereich des Digitalsystems. Andere Digitalsignal
verarbeitungsschaltungseinrichtungen können in die hier be
schriebene Ausführungsform des Systems eingefügt werden, um
die Echtzeitstrahlbildung zu verbessern, wie es in den
eingangs erwähnten weiteren Patentanmeldungen der
Anmelderin offenbart ist.
Es sind zwar nur manche bevorzugte Merkmale der Erfindung
zur Veranschaulichung dargestellt worden, im Rahmen der
Erfindung sind jedoch anhand der Beschreibung Modifizierungen
und Änderungen möglich. Beispielsweise können die HF-Echo
signale, welche in dem oben dargestellten HF-Signalverar
beitungssystem benutzt werden, in der Frequenz auf eine
Zwischenfrequenz (ZF) umgesetzt werden, bevor die Umwandlung
in Digitaldatensignale erfolgt, zur anschließenden Verar
beitung auf dieselbe Weise, wie es oben in Verbindung mit
dem erfindungsgemäßen HF-Signalverarbeitungssystem be
schrieben worden ist.
Claims (55)
1. System zum Erzeugen eines Stroms von digitalen Daten
signalen mit einem Schwingungsenergiestrahl, der wenigstens
einen Objektpunkt darstellt, welcher in einem Objekt
gebiet erfaßt wird, gekennzeichnet durch:
- a) eine Matrix von Wandlerelementen (E 1-E N ), welche einen Schwingungsenergiestoß vorbestimmter Erregungsfrequenz in das Objektgebiet sendet und bipolare Analogechospan nungssignale (18-24) empfängt, welche durch das Auftreffen des gesendeten Energiestrahls auf wenigstens einen Objekt punkt in dem Objektgebiet erzeugt werden,
- b) eine Einrichtung zum Verarbeiten der Analogechospannungs signale mit wenigstens einer Analog/Digital-Wandlervor richtung (50-56), so daß ein Strom von Digitaldatensig nalen aus der Analog/Digital-Wandlervorrichtung (50-56) erhalten wird, die in einer mathematischen Beziehung zu den Analogechospannungssignalen (18-24) stehen, welche eine nichtlineare Kompressionsfunktion ist,
- c) eine Einrichtung (58-64) zum nichtlinearen Verarbeiten des Stroms von komprimierten Digitaldatensignalen aus der Analog/Digital-Wandlervorrichtung (50-56) gemäß der Umkehrung der zuvor benutzten mathematischen Funktion, um dadurch expandierte Digitaldatensignale zu gewinnen, die in linearer Beziehung zu den Analogechospannungs signalen (18-24) stehen,
- d) eine Einrichtung (66-72) zum Verzögern des Stroms von Digitaldatensignalen nach der Kompression und vor oder nach der Expansion um vorbestimmte Zeitintervalie, welche der Distanz des erfaßten Objektpunktes von den zu geordneten Wandlerelementen entsprechen, was bewirkt, daß jedes Datensignal im wesentlichen zur selben Zeit auftritt, und
- e) eine Einrichtung (74, 76) zum Bilden der Summe (78) der verzögerten, expandierten Digitaldatensignale.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Analogechospannungssignale (18-24) in bipolaren Verstärker
einrichtungen (42-48) komprimiert werden, welche Ausgangs
signale liefern, die in nichtlinearer Beziehung zu den
Eingangssignalen stehen.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Analogechospannungssignale (18-24) in der Analog/Digital-
Wandlervorrichtung (50-56) komprimiert werden.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Analogechospannungssignale (18-24) mit linearen Widerstands
leitereinrichtungen komprimiert werden, indem die Referenz
spannung an den Widerstandsleitereinrichtungen im Verhält
nis zu dem Eingangssignalpegel verändert wird.
5. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Analogechospannungssignale (18-24) mit nichtlinearen
Widerstandsleitereinrichtungen komprimiert werden, indem
ein fester Referenzspannungspegel an den nichtlinearen
Widerstandsleitereinrichtungen aufrechterhalten wird.
6. System zum Erzeugen eines Stroms von Digitaldatensignalen
mit einem Schwingungsenergiestrahl, der wenigstens einen
Objektpunkt darstellt, welcher in einem Objektgebiet erfaßt
worden ist, gekennzeichnet durch:
- a) eine Matrix von Wandlerelementen (E 1-E N ), welche einen Stoß von Schwingungsenergie mit vorbestimmter Anregungs frequenz in das Objektgebiet sendet und bipolare Analog echosignale (92, 94) empfängt, die durch den Aufprall des gesendeten Energiestrahls auf wenigstens einen Objekt punkt in dem Objektgebiet erzeugt worden sind,
- b) bipolare Verstärkereinrichtungen (102, 104) zum Komprimie ren der bipolaren Analogechosignale (92, 94), so daß die Ausgangssignale in nichtlinearer Beziehung zu den Eingangs signalen sind,
- c) Analog/Digital-Wandlereinrichtungen (106, 108) zum Expan dieren der komprimierten Analogeingangssignale in einen Strom von Digitaldatensignalen, welche eine umgekehrte nichtlineare Beziehung zu den komprimierten Analogeingangs signalen (92, 94) haben,
- d) Einrichtungen (114, 116) zum Verzögern des Stroms von Digi taldatensignalen nach der Kompression und vor oder nach der Expansion um vorbestimmte Zeitintervalle, welche der Di stanz des erfaßten Objektpunktes von den zugeordneten Wand lerelementen entsprechen, was bewirkt, daß jedes Datensi gnal im wesentlichen zur selben Zeit auftritt, und
- e) eine Einrichtung (118) zum Bilden der Summe (120) der ver zögerten, expandierten Digitalsignale.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den ex
pandierten Signalen eine gemeinsame Potenzgesetzfunktion ist.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den ex
pandierten Signalen eine gemeinsame logarithmische Funktion ist.
9. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den ex
pandierten Signalen durch eine Reihe von miteinander verbundene
nen Geraden dargestellt werden kann, welche eine Potenzgesetz
funktion approximiert.
10. System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Signalexpansion in Analog/Digital-Wandler
einrichtungen (106, 108) mit einer Speichervorrichtung (110,
112) erfolgt.
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Speichervorrichtung (110, 112) eine Tabelleneinrichtung auf
weist.
12. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Si
gnalexpansion in den Analog/Digital-Wandlereinrichtungen (106,
108) unter Verwendung einer betriebsmäßig zugeordneten Compu
tereinrichtung erfolgt.
13. System nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß die expandierten Signale eine nichtlineare Ex
pansion darstellen, welche die Umkehrung der Kompressionsfunk
tion ist, die zum Gewinnen der komprimierten Analogsignale be
nutzt wird.
14. System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß wenigstens eine lineare Analog/Digital-Wandlervor
richtung (106, 108) mit einer Tabelleneinrichtung zum Erzielen
der Signalexpansion benutzt wird.
15. System nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Einrichtungen
(98, 100) zur linearen Vorverstärkung der Analogechosignale
(92, 94) vor der nichtlinearen Kompression.
16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorverstärkungseinrichtungen (98, 100) mit betriebsmäßig zuge
ordneten Zeitverstärkungssteuerschaltungseinrichtungen (TGC)
versehen sind.
17. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorverstärkung und die Kompression in einer einzelnen nichtli
nearen, bipolaren Verstärkervorrichtung erfolgen.
18. System nach einem der Ansprüche 6 bis 17, gekennzeichnet
durch eine Bandpaßfiltereinrichtung zum Verbessern des Signal-
Rausch-Verhältnisses des Systems.
19. System nach einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Verzögerung vor der digitalen Expansion er
folgt.
20. System zum Erzeugen eines Stroms von Digitaldatensignalen
mit einem Ultraschallenergiestrahl, welcher mehrere Objekt
punkte darstellt, die in einem Objektgebiet erfaßt werden, ge
kennzeichnet durch:
- a) eine Matrix von Wandlerelementen (E 1-E N ), welche einen Ul traschallenergiestrahl, der eine vorbestimmte Anregungs frequenz hat, in das Objektgebiet sendet und bipolare Ana logechosignale empfängt, welche durch das Auftreffen des ge sendeten Ultraschallstrahls auf wenigstens einen Objekt punkt in dem Objektgebiet erzeugt werden,
- b) lineare, bipolare Vorverstärkereinrichtungen (98, 100) zum Erhöhen der Amplitude der Analogechospannungssignale (92, 94) auf einen Wert, der das Erfassen von Objektpunkten im wesentlichen in dem gesamten Objektgebiet gestattet,
- c) Einrichtungen zum Verarbeiten der Analogechospannungssignale mit wenigstens einer Analog/Digital-Wandlervorrichtung (106, 108), so daß ein Strom von Digitaldatensignalen aus der Analog/Digital-Wandlervorrichtung (106, 108) erhalten wird, die eine mathematische Beziehung zu den Analogecho spannungssignalen (92, 94) aufweisen, welche eine nichtli neare Kompressionspotenzfunktion approximiert,
- d) Einrichtungen (110, 112) zum nichtlinearen Verarbeiten des Stroms von komprimierten Digitaldatensignalen aus der Ana log/Digital-Wandlervorrichtung (106, 108) gemäß der Umkeh rung der zuvor benutzten mathematischen Potenzfunktion, um dadurch expandierte Digitaldatensignale zu gewinnen, wel che in linearer Beziehung zu den Analogechospannungssigna len (92, 94) stehen,
- e) Einrichtungen (114, 116) zum Verzögern der expandierten Di gitaldatensignale nach der Kompression und vor oder nach der Expansion um ein vorbestimmtes Zeitintervall, welches der Distanz zwischen den betreffenden Wandlerelementen (E 1-E N ) und den erfaßten Objektpunkten entspricht, was be wirkt, daß jedes Datensignal im wesentlichen zur selben Zeit auftritt, und
- f) eine Einrichtung (118) zum Bilden der Summe (120) der verzö gerten, expandierten Digitaldatensignale.
21. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die
Analogechospannungssignale (92, 94) in einer bipolaren Verstär
kereinrichtung (102, 104) komprimiert werden, welche Ausgangs
signale liefert, die in nichtlinearer Beziehung zu den Ein
gangssignalen (92, 94) stehen.
22. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die
Analogechospannungssignale (92, 94) in der Analog/Digital-
Wandlervorrichtung (106, 108) komprimiert werden.
23. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die
Analogechospannungssignale (92, 94) mit einer linearen Wider
standsleitereinrichtung komprimiert werden durch Verändern der
Referenzspannung an der Widerstandsleitereinrichtung im Ver
hältnis zu dem Eingangssignalpegel.
24. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die
Analogechospannungssignale (92, 94) mit einer nichtlinearen
Widerstandsleitereinrichtung komprimiert werden durch Aufrecht
erhalten einer festen Referenzspannung an der nichtlinearen
Widerstandsleitereinrichtung.
25. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine
lineare Analog/Digital-Wandlervorrichtung (106, 108) mit ei
ner Tabelle zum Erzielen der Signalexpansion benutzt wird.
26. System zum Erzeugen eines Stroms von Digitaldatensignalen
mit einem Ultraschallenergiestrahl, der mehrere Objektpunkte
darstellt, die in einem Objektgebiet erfaßt werden, gekennzeich
net durch:
- a) eine Matrix von Wandlerelementen (E 1-E N ), welche einen Ultraschallenergiestrahl, der eine vorbestimmte Anre gungsfrequenz hat, in das Objektgebiet sendet und bipolare Analogechospannungssignale (18-24) empfängt, die durch das Zusammentreffen des gesendeten Ultraschallstrahls mit we nigstens einem Objektpunkt in dem Objektgebiet erzeugt wer den,
- b) ein Paar Demodulatoreinrichtungen (26-32), welche jedem Wandlerelement (E 1-E N ) betriebsmäßig zugeordnet sind, zum Erzeugen von demodulierten, bipolaren Analogechospannungs signalen mit unterschiedlicher Relativphase, wobei die Demodulatoreinrichtungen (26-32) mit einer vorbestimmten Anregungsfrequenz arbeiten und wobei die Phase durch das Produkt aus der Referenzwinkelfrequenz und dem vorbestimm ten Zeitintervall bestimmt wird, welches der Distanz zwi schen den Wandlerelementen und den erfaßten Objektpunkten entspricht, um zu bewirken, daß jedes Datensignal im we sentlichen mit derselben Phase auftritt,
- c) einzelne Einrichtungen, die jeweils wenigstens eine Analog/ Digital-Wandlervorrichtung (50, 56) haben zum separaten Komprimieren der demodulierten Analogechospannungssignale und zum Liefern von separaten Strömen von Digitaldatensi gnalen, die eine mathematische Beziehung zu den Analog echospannungssignalen aufweisen, welche eine nichtlineare Potenzfunktion approximiert,
- d) einzelne Einrichtungen (58-64) zum separaten Expandieren je des Stroms von komprimierten Digitaldatensignalen aus den Analog/Digital-Wandlervorrichtungen (50-56) gemäß der Um kehrung der zuvor benutzten mathematischen Potenzfunktion, um dadurch einzelne expandierte Digitaldatensignale zu ge winnen, welche in linearer Beziehung zu den Analogecho spannungssignalen stehen,
- e) Einrichtungen (66-72) zum separaten Verzögern jedes Stroms von expandierten Digitaldatensignalen nach der Kompression und vor oder nach der Expansion um ein vorbestimmtes Zeit intervall, das der Distanz zwischen den Wandlerelementen (E 1-E N ) und den erfaßten Objektpunkten entspricht, was be wirkt, daß jedes Datensignal im wesentlichen zur selben Zeit erscheint, und
- f) Einrichtungen (74, 76) zum separaten Summieren jedes Stroms von verzögerten, expandierten Digitaldatensignalen, um ein kombiniertes Signal (78) zu erzeugen, welches eine monotone Funktion des Quadrats der einzelnen summierten Digitalda tenströme ist.
27. System nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die
demodulierten Analogechospannungssignale (18-24) in bipolaren
Verstärkereinrichtungen (42-48) komprimiert werden, welche Aus
gangssignale liefern, die in nichtlinearer Beziehung zu den
Eingangssignalen (18-24) stehen.
28. System nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die
demodulierten Analogechospannungssignale (18-24) in den Ana
log/Digital-Wandlervorrichtungen (50-56) komprimiert werden.
29. System nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die
demodulierten Analogechospannungssignale (18-24) mit einer li
nearen Widerstandsleitereinrichtung komprimiert werden durch
Verändern der Referenzspannung an der Widerstandsleitereinrich
tung im Verhältnis zu dem Eingangssignalpegel.
30. System nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die
demodulierten Analogechospannungssignale (18-24) mit einer
nichtlinearen Widerstandsleitereinrichtung komprimiert werden
durch Aufrechterhalten einer festen Referenzspannung an der
nichtlinearen Widerstandsleitereinrichtung.
31. System nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß line
are Analog/Digital-Wandlervorrichtungen (50-56) mit Tabellen
einrichtungen zum Erzielen der Signalexpansion benutzt werden.
32. System nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die
Analogechospannungssignale (18-24) vor der Kompression mit
Empfängeroszillatorsignalen vermischt werden.
33. Verfahren zum Verarbeiten der bipolaren Analogechospan
nungssignale in einem kohärenten Schwingungsenergie-Abbil
dungssystem, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- a) Erzeugen von Analogechospannungssignalen mit einer phasenge steuerten Matrix von Wandlerelementen,
- b) Verarbeiten der Analogechospannungssignale mit Einrichtun gen, in denen wenigstens eine Analog/Digital-Wandlervor richtung benutzt wird, so daß ein Strom von Digitaldaten signalen aus der Analog/Digital-Wandlervorrichtung gewon nen wird, die eine mathematische Beziehung zu den Analog echospannungssignalen aufweisen, welche eine nichtlineare Kompressionsfunktion approximiert,
- c) Verarbeiten der komprimierten Analogechospannungssignale aus der Analog/Digital-Wandlervorrichtung gemäß der Umkeh rung der zuvor benutzten mathematischen Funktion, um da durch expandierte Datensignale zu gewinnen, welche in li nearer Beziehung zu den Analogechospannungssignalen ste hen,
- d) Verzögern der expandierten Digitaldatensignale nach der Kom pression und vor oder nach der Expansion um vorbestimmte Zeitintervalle, welche der Distanz eines erfaßten Objektpunk tes von dem betreffenden Wandlerelement entsprechen, was be wirkt, daß jedes Datensignal im wesentlichen zur selben Zeit erscheint, und
- e) Summieren der verzögerten, expandierten Digitaldatensignale.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß
die nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den
expandierten Signalen eine gemeinsame Potenzgesetzfunktion
ist.
35. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß
die nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den
expandierten Signalen eine gemeinsame logarithmische Funktion
ist.
36. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß
die nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den
expandierten Signalen durch eine Reihe von miteinander verbun
denen Geraden, welche eine Potenzgesetzfunktion approximiert,
dargestellt werden kann.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 36, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale in bipolaren
Verstärkereinrichtungen komprimiert werden, welche Ausgangssi
gnale abgeben, die in nichtlinearer Beziehung zu den Eingangs
signalen stehen.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 36, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale in der Ana
log/Digital-Wandlervorrichtung komprimiert werden.
39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß
die Analogechospannungssignale mit einer linearen Widerstands
leitereinrichtung komprimiert werden, indem die Referenzspan
nung an der Widerstandsleitereinrichtung im Verhältnis zu dem
Eingangssignalpegel verändert wird.
40. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß
die Analogechospannungssignale mit einer nichtlinearen Wider
standsleitereinrichtung komprimiert werden, indem ein fester
Referenzspannungswert an der nichtlinearen Widerstandsleiter
einrichtung aufrechterhalten wird.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 40, gekennzeich
net durch lineare Vorverstärkung der Analogechospannungssigna
le vor der nichtlinearen Kompression.
42. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die
lineare Vorverstärkung und die nichtlineare Kompression mit ei
ner einzelnen nichtlinearen, bipolaren Verstärkereinrichtung
erreicht werden.
43. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 42, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine lineare Analog/Digital-Wandlervorrich
tung mit einer Tabelleneinrichtung zum Erzielen der Signalex
pansion benutzt wird.
44. Verfahren zum Verarbeiten der bipolaren Analogechosignale
in einem kohärenten Ultraschall-Abbildungssystem, gekenzeich
net durch folgende Schritte:
- a) Erzeugen von Analogechospannungssignalen mit einer phasenge steuerten Matrix von Wandlerelementen,
- b) Demodulieren der Analogechospannungssignale, um demodulier te, bipolare Analogechospannungssignale unterschiedlicher Phase zu erzeugen, wobei die Demodulation bei einer vorbe stimmten Anregungsfrequenz erfolgt und wobei die Phase durch das Produkt der Referenzwinkelfrequenz und des vorbe stimmten Zeitintervalls, welches der Distanz zwischen den betreffenden Wandlerelementen und den erfaßten Objektpunk ten entspricht, bestimmt wird, um zu bewirken, daß jedes Datensignal im wesentlichen zur selben Zeit erscheint,
- c) Verarbeiten jedes demodulierten Analogechospannungssignals mit separaten Einrichtungen, die jeweils wenigstens eine Analog/Digital-Wandlervorrichtung haben, um die demodulier ten Analogechospannungssignale separat zu komprimieren und separate Ströme von Digitaldaten zu erzeugen, welche in ei ner mathematischen Beziehung zu den Analogechospannungs signalen stehen, die eine nichtlineare Potenzfunktion approximiert,
- d) separates Expandieren jedes Stroms von komprimierten Digi taldatensignalen aus den Analog/Digital-Wandlervorrich tungen gemäß der Umkehrung der zuvor benutzten mathemati schen Potenzfunktion, um dadurch einzelne expandierte Di gitaldatensignale zu gewinnen, welche in linearer Beziehung zu den Analogechospannungssignalen stehen,
- e) Verzögern jedes Stroms der expandierten Digitaldatensignale nach der Kompression und vor oder nach der Expansion um vorbestimmte Zeitintervalle, welche der Distanz eines er faßten Objektpunktes von den betreffenden Wandlerelementen entsprechen, was bewirkt, daß jedes Datensignal im wesent lichen zur selben Zeit auftritt, und
- f) separates Summieren jedes Stroms von verzögerten, expan dierten Digitaldatensignalen, um ein kombiniertes Signal zu erzeugen, welches eine monotone Funktion des Quadrats der einzelnen summierten Digitaldatenströme ist.
45. Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß die
nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den ex
pandierten Signalen eine gemeinsame Potenzgesetzfunktion ist.
46. Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß die
nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den ex
pandierten Signalen eine gemeinsame logarithmische Funktion ist.
47. Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß
die nichtlineare Beziehung zwischen den komprimierten und den
expandierten Signalen durch eine Reihe von miteinander verbun
denen Geraden dargestellt werden kann, welche eine Potenzge
setzfunktion approximiert.
48. Verfahren nach einem der Ansprüche 44 bis 47, dadurch ge
kennzeichnet, daß die demodulierten Analogechospannungssignale
durch bipolare Verstärkereinrichtungen komprimiert werden, wel
che Ausgangssignale liefern, die in nichtlinearer Beziehung zu
den Eingangssignalen stehen.
49. Verfahren nach einem der Ansprüche 44 bis 47, dadurch ge
kennzeichnet, daß die demodulierten Analogechospannungssignale
in den Analog/Digital-Wandlervorrichtungen komprimiert werden.
50. Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, daß die
demodulierten Analogechospannungssignale mit einer linearen
Widerstandsleitereinrichtung komprimiert werden, indem die Re
ferenzspannung an der Widerstandsleitereinrichtung im Verhält
nis zu dem Eingangssignalpegel verändert wird.
51. Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, daß
die demodulierten Analogechospannungssignale mit einer nichtli
nearen Widerstandsleitereinrichtung komprimiert werden, indem
ein fester Referenzspannungswert an der nichtlinearen Wider
standsleitereinrichtung aufrechterhalten wird.
52. Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß li
neare Analog/Digital-Wandlervorrichtungen mit Tabelleneinrich
tungen zum Erzielen der Signalexpansion benutzt werden.
53. Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß
eine lineare Vorverstärkung der Analogechospannungssignale vor
der nichtlinearen Kompression erfolgt.
54. Verfahren nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, daß die
lineare Vorverstärkung und die nichtlineare Kompression mit ein
zelnen nichtlinearen, bipolaren Verstärkereinrichtungen er
reicht werden.
55. Verfahren nach einem der Ansprüche 44 bis 54, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Analogechospannungssignale vor der Kom
pression mit Empfängeroszillatorsignalen vermischt werden.
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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Representative=s name: VOIGT, R., DIPL.-ING., PAT.-ANW., 6232 BAD SODEN |
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