DE3927308A1

DE3927308A1 - Ultraschallmikroskop

Info

Publication number: DE3927308A1
Application number: DE3927308A
Authority: DE
Inventors: Junichi Ishibashi; Masahiro Aoki
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1988-08-19
Filing date: 1989-08-18
Publication date: 1990-02-22
Also published as: US4980865A; DE3927308C2; JPH0255949A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschallmikroskop, das ein beliebiges Bild, wie beispielsweise ein B-Modus- Bild, C-Modus-Bild oder ein dreidimensionales (3D-) Bild lie fern kann.

Bei einigen Ultraschallmikroskopen, bei denen ein Ultra schallstrahl zu einem dünnen Fleck konvergiert, wird mit diesem dünnen Fleck eine Probe mit einer relativen Beziehung zwischen der Probe und dem Fleck abgetastet und ein von der Probe erhaltenes Echosignal verarbeitet, um die inneren Ver hältnisse der Probe zu beobachten.

Fig. 12 verdeutlicht den Aufbau eines Ultraschallmikrosko pes. Eine von einem Hochfrequenz-Übertragerabschnitt 101 er zeugte Ultraschalldruckwelle wird über einen Zirkulator 102 an einen piezoelektrischen Umformer (Ultraschallumformer) 103 angelegt. Der Umformer 103 wandelt ein elektrisches Hochfrequenzsignal in eine Ultraschallwelle um. Diese Ultra schallwelle wird durch eine akustische Linse 104 in eine konvergierte sphärische Welle umgewandelt und in einen fei nen Fleck konvergiert. Die konvergierte sphärische Welle tritt in eine Probe 105 ein, die in der Nähe der Fokussier ebene angeordnet ist.

Zwischen der akustischen Linse 104 und der Probe 105 wird eine Kopplungsflüssigkeit aufgefüllt, die zur Übertragung der Ultraschallwelle dient. Der in die Probe 105 einfallende Ultraschallimpuls verursacht verschiedene Wirkungen, wie beispielsweise Reflexion, Durchdringung, Streuung oder Ab sorption. Die von der Probe 105 reflektierte Ultraschall welle läuft wieder durch die Kopplungsflüssigkeit 106, geht durch die akustische Linse 104 und wird dann durch den pie zoelektrischen Umformer 103 in ein elektrisches Signal umge wandelt. Das elektrische Signal wandert durch den Zirkulator 102 zu einem Hochfrequenzverstärker 109 zur Verstärkung. Die nicht benötigten Signalkomponenten des verstärkten Signales werden durch ein Gatter 110 eliminiert, das von einer Steue rung 108 gesteuert wird. Als Ergebnis werden lediglich die notwendigen Echosignale von der Probe 105 extrahiert und ei nem Detektor 111 zugeleitet. Der Detektor 111 erfaßt das Echosignal und ermittelt die Intensität des Echosignales. Das resultierende Signal wird einer Signalverarbeitung in einem Videoprozessor 112 unterzogen und dann in einen Bild speicher 113 geschrieben.

Es wird beschrieben, welche Punktdaten der Probe 105 erhal ten werden. Es ist ein Scanner 107 vorgesehen, mit dem man zweidimensionale (2D-) Bilddaten erhalten kann. Der Scanner 107 führt mit einem Ultraschallimpuls auf der Probe 105 ein 2D-Abtasten durch, und Werte von jedem Punkt werden auf die gleiche Weise in dem Bildspeicher 113 gespeichert. Um das innere Bild der Probe 105 zu bestätigen oder anzusehen, wer den die Daten aus dem Bildspeicher 113 ausgelesen und auf einem Monitor 114 dargestellt.

Das auf diese Weise erhaltene Bild wird C-Modus (bzw. C- Feld)-Bild genannt. Unter der Annahme, daß die Senderichtung des Ultraschallimpulses in Richtung der z-Achse genommen wird, und die beiden senkrecht zur z-Achse angeordneten Ach sen die x- und y-Achsen sind, heißt das, daß das durch das x-y-Abtasten von dem Scanner 107 erhaltene Bild ein 2D-Bild einer Ebene der Probe 105 parallel zur x-y-Ebene ist. Dieser Modus kann keine Daten von verschiedenen inneren Abschnitten der Probe bei unterschiedlichen Tiefen liefern. Um innere Daten einer Probe bei unterschiedlichen Tiefen zu erhalten, ist es notwendig, ein weiteres C-Modus-Bild, welches zusätz lich zum x-y-Abtasten einem Abtasten in z-Richtung unterzo gen worden ist, zu erhalten, um über eine Tiefenbeziehung zwischen der Probe 105 und der Konvergenzposition des Ultra schallimpulses eine Aussage zu treffen. Dieses Verfahren verkompliziert das Abtasten.

Es wird eine Ultraschalltomographievorrichtung erwähnt, die ein Tomographiebild einer Ebene parallel zum ausgesandten Ultraschallimpuls liefert, d. h. ein B-Modus- (bzw. B-Feld) Bild. Dieser Vorrichtungstyp kann jedoch weder ein C-Modus- Bild, noch ein 3D-Bild liefern.

Die erwähnten Ultraschallmikroskop- und Tomographievorrich tungen sind beide für 2D-Bilddaten geeignet. Derzeit ist keine Vorrichtung realisiert worden, die Bilddaten über die akustischen Eigenschaften einer 3D-Struktur liefert. Um bei spielsweise die 3D-Verteilung von Defekten innerhalb einer Probe zu beobachten oder die Gestalt eines heterogenen Me diums oder dergleichen, ist es wünschenswert, daß nicht nur eine einzelne tomographische Ebene einer Probe, sondern auch ein 3D-Projektionsbild der Probe leicht erhalten werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ultraschallmikroskop zu schaffen, das ein Bild einer beliebigen geneigten Ebene in einer Probe und ein 3D-Bild davon, als auch B-Modus- und C- Modus-Bilder, durch Kombination einer einzelnen x-y-Abta stung und einer elektrischen Signalverarbeitung liefern kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Ultraschallmikroskop entspre chend dieser Erfindung gelöst, welches eine Schaltung zum Abtasten bzw. zum Bilden von Momentanwerten des Ausgangssi gnales einer Ultraschallimpulsübertragungs-Empfängerschal tung bei Intervallen zum Extrahieren einer Vielzahl von Echodaten-Signale aufweist, um Daten bei einer Vielzahl von Punkten in z-Richtung bei jeder Position (x, y) aus einem Echosignal von einer Probe, das durch 2D-Abtasten in x- und y-Richtungen erzeugt wurde, zu erhalten. Jedes durch diese Extraktionsschaltung erhaltene Echodatensignal wird über einen A/D-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt. Für einen vorgegebenen Abtastbereich in x-Richtung wird der Aus gang des A/D-Wandlers in einem ersten Speicher als B-Modus- Bildwert gespeichert. Das Ultraschallmikroskop weist ferner einen zweiten Speicher zum Speichern von mehreren Stücken von B-Modus-Bilddaten als 3D-Bilddaten auf, die nacheinander im ersten Speicher abgespeichert wurden und deren Positionen in y-Richtung sich voneinander unterscheiden. Das Ultra schallmikroskop weist ferner einen Bildprozessor zum Ausle sen von Daten aus dem zweiten Speicher und Unterziehen die ser Daten einer Bildverarbeitung, sowie eine Anzeigevorrich tung zum Anzeigen eines bestimmten Bildes, das der Bildver arbeitung unterzogen worden ist, auf.

Obwohl entsprechend dieser Erfindung die Probe zweidimensio nal (in x- und y-Richtung) mit einem Ultraschallimpuls bei einer relativen Beziehung zwischen der Probe und diesem Im puls abgetastet wird, können Echodaten der Probe bei vielen Punkten in z-Richtung durch Kombination der 2D-Abtastung und einer Signalverarbeitung der Abtastung des Ausgangssignales der Ultraschallimpulsübertragungs-/Empfängerschaltung bei In tervallen erhalten werden. Mit anderen Worten, es können 3D- Bilddaten einer Probe durch eine einzelne 2D-Abtastung er halten werden. Durch Verarbeiten des Inhalts des zweiten Speichers, der diese 3D-Bilddaten gespeichert hat, ist es auf einfache Weise möglich, ein Bild einer vorgegebenen ge neigten Ebene bzw. Scheibe innerhalb der Probe, ein Projek tionsbild davon und ein 3D-Bild davon, als auch ein B-Modus- Bild und ein C-Modus-Bild anzuzeigen.

Diese und weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfin dung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbei spielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Aufbaues eines Ultraschallmikroskopes entsprechend einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung;

Fig. 2 einen Zeitablaufplan zur Erläuterung der Betriebsweise des Ultraschallmikroskopes entsprechend dem Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung verschiede ner Bildanzeigemoden des Ultraschallmi kroskopes entsprechend dem Ausführungs beispiel;

Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Anordnung einer Impulssteuerung entspre chend einem weiteren Ausführungsbei spiel;

Fig. 5A bis 5D Zeitablaufpläne der jeweiligen Gatter steuersignale entsprechend diesem Aus führungsbeispiel;

Fig. 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispieles, bei dem ein va riabler Dämpfer eingeführt ist;

Fig. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels, bei dem ein Band paßfilter eingesetzt ist;

Fig. 8 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Frequenzcharakteristikeigenschaft des in Fig. 7 gezeigten Bandpaßfilters;

Fig. 9 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Frequenzcharakteristik eines Hochpaßfil ters, der anstatt dem in Fig. 7 gezeig ten Bandpaßfilter eingesetzt ist;

Fig. 10 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer weiteren Frequenzcharakteristik eines Hochpaßfilters;

Fig. 11 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines weiteren Ausführungsbeispieles, das eine Vielzahl von A/D-Wandlern verwendet; und

Fig. 12 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Aufbaues eines Ultraschallmikroskopes.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung beschrieben.

Fig. 1 veranschaulicht den Aufbau eines Ultraschallmikrosko pes entsprechend einem Ausführungsbeispiel. Eine Ultraschallimpulsübertragungs-/Empfängerschaltung weist einen Übertragungsimpulsgenerator 1 zum Erzeugen eines Hochspan nungsimpulses bei vorgegebenen Intervallen, einen piezoelek trischen Umformer (Ultraschallumformer) 2 zum Erzeugen eines Ultraschallimpulses nach Empfang des Hochspannungsimpulses vom Impulsgenerator 1, und eine akustische Linse 3 zum Kon vergieren des Ultraschallimpulses von dem Umformer 2 in einen feinen Fleck auf. Das Ziel der Beobachtung, die Probe 4, ist bei bzw. nahe einer Position, bei der der Ultraschallimpuls von der akustischen Linse 3 konvergiert, angeordnet. Zwischen die Probe 4 und die akustische Linse 3 ist eine Kopplungsflüssigkeit 5, wie beispielsweise Wasser, eingefüllt. Ein x-y-Scanner 8 dient zum zweidimensionalen Abtasten der Probe in einer Ebene (x-y-Ebene), die durch zwei Achsen x und y senkrecht zur Aussendungsrichtung (z- Richtung) eines Ultraschallimpulses aufgespannt ist. Der Scanner 8 wird beispielsweise durch einen Stufenmotor ange trieben. Eine x-Synchro-Schaltung 7 holt einen Ausgangstakt eines Taktgenerators 6 aufgrund eines Synchrosignales (x-Si gnal) zum Abtasten in x-Richtung, das vom x-y-Scanner 8 aus gegeben ist, und sendet ein Triggersignal an den Übertra gungsimpulsgenerator 1. Daraufhin erzeugt der Übertragungs impulsgenerator 1 einen Hochspannungsimpuls in Synchronisa tion mit dem Abtasten in x-Richtung.

Ein Echo von der Probe 4 läuft wiederum durch die akustische Linse 3 und wird vor der Eingabe an einen Vorverstärker in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 9 wird an eine Schaltung angelegt, die das Signal zur Extraktion von Echo-(Akustik-) Datensignalen bei einer Vielzahl von Punkten entlang der z-Richtung der Probe 4 abtastet. Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel sind n Verstärker 10 (10-1, 10-2, ..., 10-n) parallel mit einem Ausgangsanschluß des Vorverstärkers 9 verbunden. Jedes der Gatter 11 (11-1, 11-2, ..., 11-n) und jeder der Verstärker 12 (12-1, 12-2, ..., 12-n) und jeder der Spitzendetektoren 13 (13-1, 13-2, ..., 13-n) sind in Reihe mit dem zugehörigen der Verstärker 10 verbunden. Die Ausgänge der Verstärker 10 werden über die entsprechenden Gatter 11 an die jeweiligen Verstärker 12 erneut zur Verstärkung angelegt. Die verstärk ten Ausgänge werden dann an die entsprechenden Spitzendetek toren 13 angelegt. Eine Impulssteuerung 14, die aus einem Zähler ausgebildet sein kann, wird durch ein Übertragungs triggersignal rückgesetzt und gibt ein Gattersteuersignal nach einer vorgegebenen Zeit zum aufeinanderfolgenden Frei geben der Gatter 11 aus. Das Gattersteuersignal wird durch Steuerimpulse dargestellt, die zwar eine konstante Impuls weite, jedoch einen wenig verschobenen Zeitablauf aufweisen, und wird durch die x-Synchro-Schaltung 7 synchron mit dem x- y-Abtasten erzeugt. Akustische Datensignale bei einer Viel zahl von Punkten entlang der z-Richtung der Probe 4 können aus dem Echo von der Probe 4 unter Verwendung dieses Gatter steuersignales abgetastet werden. Ein Tiefeneinstellab schnitt 15 stellt extern einen Zeitablauf ein, bei dem die Erzeugung der Steuerimpulse von der Impulssteuerung 14 be ginnt, d. h. bei einem Zeitablauf, bei dem die Freigabe der Gatter 11 beginnt. Dieser Tiefeneinstellabschnitt 15 erlaubt lediglich den akustischen Daten innerhalb einem bestimmten Tiefenbereich in der Probe 4, als Daten geholt zu werden. Jeder Spitzendetektor 13 erfaßt ein abgetastetes Echosignal bei jeder Tiefe. Die Spitzendetektoren 13 erfassen und hal ten die Spitzenwerte der erhaltenen akustischen Datensi gnale. Das Triggersignal von der x-Synchro-Schaltung 7 wird als Rücksetzsignal an die Spitzendetektoren 13 angelegt. Mit anderen Worten, ein empfangenes Echosignal wird für jede Ko ordinatenposition des Abtastens in x-Richtung abgetastet und gehalten.

Das Ausgangssignal von jedem Spitzendetektor 13 wird aufein anderfolgend geholt und einem Ausgangsverstärker 17 als Zeitreihensignal durch einen Analogschalter 16, der durch die Impulssteuerung 14 gesteuert ist, zugeführt. Der Ausgang dieses Ausgangsverstärkers 17 wird aufeinanderfolgend durch einen A/D-Wandler 18, der ebenso von der Impulssteuerung 14 gesteuert ist, in einen Digitalwert umgewandelt. Das A/D-um gewandelte Echosignal wird aufeinanderfolgend in einen er sten Speicher (B-Modus-Speicher) 19 geschrieben. Dieser Speicher 19 speichert B-Modus-Bilder bei i Punkten in x- Richtung und bei n Punkten in z-Richtung für jeden Schritt bei der y-Abtastung der x-y-Abtastung unter der Steuerung des x-y-Scanners 8 und der Impulssteuerung 14. Der im B-Mo dus-Speicher 19 gespeicherte Wert wird für jeden Schritt bei der y-Abtastung auf einen zweiten Speicher (3D-Speicher) 20 übertragen und darin gespeichert. Unter der Annahme, daß bei der y-Abtastung j Punkte vorhanden sind, wird in dem 3D- Speicher 20 eine Gesamtzahl von n×i×j Teilen von 3D- Bilddaten der Probe 4 gespeichert.

Ein Bildprozessor 21 holt die Daten auf geeignete Weise von dem 3D-Speicher 20 aufgrund eines Befehles von einem Rechner 22 und verarbeitet diese für den Aufbau des gewünschten Bil des. Das so aufgebaute Bild wird auf einem CRT-Monitor 23 zur sichtbaren Bestätigung dargestellt.

Fig. 2 stellt einen Zeitablaufplan zu Erläuterung der Be triebsweise des Ultraschallmikroskopes mit dem obigen Aufbau dar. Die Betriebsweise des Ultraschallmikroskopes wird im folgenden unter Bezugnahme auf diesen Zeitablaufplan be schrieben. Zu Beginn eines Abtastvorganges werden die ersten und zweiten Speicher 19 und 20 gelöscht, und der x-y-Scanner 8 wird durch ein Befehlssignal vom Rechner 22 angetrieben. Dabei gibt der x-y-Scanner 8 ein x-Signal und ein y-Signal aus mit den in Fig. 2(a), (b) veranschaulichten zeitlichen Relationen. Die Probe 4 wird in x-Richtung relativ zur Ul traschallquelle mit dem x-Signal (von 1 bis i) abgetastet. Nach Vervollständigung der x-Abtastung wird die Probe 4 durch einen Schritt in y-Richtung durch das y-Signal bewegt und dasselbe x-Abtasten wird hier wiederholt. Die Zeitab laufpläne von Fig. 2(c) und folgende veranschaulichen die Signalformen der Signalverarbeitung bei einer einzelnen x- Abtastung, wobei die Zeitachse des x-Signales vergrößert ist. Zunächst werden das x-Signal und das Taktsignal (Fig. 2(d)) vom Taktgenerator 6 in die x-Synchro-Schaltung 7 ein gegeben, wodurch ein mit dem x-Signal synchrones Übertra gungstriggersignal (Fig. 2(e)) in den Übertragungsimpulsge nerator 1 eingegeben wird. Dies erlaubt dem Generator 1, einen Hochspannungsimpuls zu erzeugen, der den piezoelektri schen Umformer 2 zur Erzeugung eines Ultraschallimpulses an regt.

Das Echo von der Probe 4 wird durch den Umformer 2 in ein elektrisches Signal umgewandelt und herausgeholt (siehe Fig. 2(f)). Gemäß Fig. 2(f) stellt der synchron mit dem Übertra gungstriggersignal erhaltene negative Impuls ein Übertra gungsleck dar und geht nicht aus dem Echo hervor. Wie darge stellt, erhält man ein auf das Echo von der Probe 4 zurück gehendes Echosignal nach Verstreichen einer bestimmten Zeit aus dem Übertragungsimpuls. Durch den Tiefeneinstellab schnitt 15 wird eine Zeit t ₁ eingestellt, wobei die Zeit, die das Echo für das Erreichen des Umformers 2 benötigt, be rücksichtigt ist. Die Impulssteuerung 14 gibt aufeinander folgend die Gattersteuersignale wie in Fig. 2(g1) bis 2(gn) gezeigt aus, beginnend bei einem Punkt, der um die Zeit t ₁ von der Empfangszeit des Übertragungstriggersignales verzö gert ist. Diese Gattersteuersignale bewirken eine aufeinan derfolgende Freigabe der n Gatter 11, so daß das Echosignal abgetastet wird. Wie in den Fig. 2(h1) bis 2(hn) gezeigt, wird die Spitzenintensität vom Echosignal extrahiert und durch die Spitzendetektoren 13, die durch das Übertragungs triggersignal von der x-Synchro-Schaltung 7 zurückgesetzt sind, gehalten. Die Ausgangssignale der Spitzendetektoren 13 werden als Zeitreihesignal, wie in Fig. 2(i) gezeigt, durch ein Schaltsignal (S) geholt, das den Analogschalter 16 bei demselben Zeitablauf, wie das Gattersteuersignal erzeugt wird, verändert. Das Zeitseriensignal wird dann in den A/D- Wandler 18 eingegeben. Da eine Verzögerung im Spitzendetek tor 13 vorhanden ist, wird der durch den Impuls "1" des Gat tersteuersignales g ₁ gehaltene Abschnitt A des Erfassungssi gnales h ₁ an den A/D-Wandler 18 durch den Impuls "2" des Gattersteuersignales g ₂ ausgegeben. Der A/D-Wandler 18 führt die A/D-Umwandlung der empfangenen Signale bei Zeitabläufen durch, die jeweils um Δ T verzögert sind, wie in Fig. 2(j) gezeigt ist. Dieser der Tiefenrichtung zugehörige Bildwert wird bei demselben Zeitablauf wie bei der Durchführung der A/D-Umwandlung in den B-Modus-Speicher 19 geschrieben. Ein einzelnes Aussenden eines Ultraschallimpulses kann akusti sche Daten von n Punkten in z-Richtung bzw. n unterschiedli chen Tiefen der Probe 4 liefern. Der durch das Abtasten von x=1 bis i erhaltene B-Modus-Bildwert wird aufeinanderfol gend in den B-Modus-Speicher 19 geschrieben, wobei die Adresse des Wertes durch das x-Signal eingestellt ist. Bei der Übertragung des im Speicher 19 gespeicherten B-Modus- Bildwertes in den 3D-Speicher 20 wird dieser gelöscht. Das gleiche Abtasten wird für jeden Punkt von y=1 bis j durch geführt, und die B-Modus-Bilder bei den jeweiligen y-Koordi naten werden aufeinanderfolgend in den 3D-Speicher 20 über tragen und hier als 3D-Bilddaten gespeichert.

Das Schreiben der B-Modus-Bilddaten in den B-Modus-Speicher 19 und das Übertragen dieser Daten von hier in den 3D-Spei cher 20 kann gleichzeitig durchgeführt werden. Beispiels weise können in dem B-Modus-Speicher 19 eine Vielzahl von Speicherflächen gebildet sein, so daß die entsprechend den vielen Schritten des y-Abtastens zugehörigen B-Modus-Bildda ten Schritt für Schritt in den entsprechenden Speicherflä chen gespeichert werden können. Der während des x-Abtastens erhaltene B-Modus-Bildwert wird in den Speicher 19 geschrie ben, und dieser Wert wird jedesmal, wenn das y-Signal ausge geben wird, zurückgesetzt. Ein B-Modus-Bildwert für einige Schritte wird auf diese Weise geschrieben. Wenn das Schrei ben des B-Modus-Bildwertes für einige Schritte vervollstän digt ist, wird der Wert in den 3D-Speicher 30 übertragen, und ein neuerlich durch das x-Abtasten erhaltener B-Modus- Bildwert wird in einen weiteren Speicherbereich geschrieben.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird nun beschrieben, wie man verschiedene Bilder durch Verarbeiten der so geschriebenen 3D-Werte erhält. Fig. 3(a) veranschaulicht, daß der im 3D- Speicher 20 gespeicherte Wert in einem virtuellen 3D-Raum angeordnet ist. Falls der 3D-Wert mit Adressen (I, J, N) entsprechend den Raumkoordinaten (x, y, z) wie dargestellt angeordnet ist, wird es leicht, die Datenübertragung auf den Bildprozessor 21 zu steuern. Falls der 3D-Speicher 20 nicht entsprechend diesen x-y-z-Koordinaten strukturiert ist, kann eine Adressenliste durch die Hardware vorbereitet werden, oder eine Umwandlung über ein Programm zwischen dem Rechner 22 und dem Bildprozessor 21 kann durchgeführt werden.

Zur Anzeige eines B-Modus-Bildes müssen die durch das x-y- Abtasten erhaltenen Daten der A-Ebene aus Fig. 3(b) in den Bildprozessor 21 geholt, und dessen Ausgangsdaten auf dem CRT-Monitor 23 angezeigt werden. In diesem Fall wird der Wert mit der Adresse (I, J, N) durch den Rechner 22 durch Spezifikation von:

I=1 bis i,
J=irgendeiner von 1 bis j, und
N=1 bis n

ausgelesen. Ein 2D-Bildspeicher ist im Bildprozessor 21 als ein Pufferspeicher vorgesehen, um ein ebenes Bild mit ver schiedenen Dichten auf dem CRT-Monitor 23 zu erhalten. Ein ebenes Bild mit einer Variation in der Dichte kann auf dem CRT-Monitor 23 durch Übertragen von Daten in den 2D-Bild speicher angezeigt werden.

Dieses B-Modus-Bild kann angezeigt werden, bevor das x-y-Ab tasten vervollständigt ist. Nach Vervollständigung der x-Ab tastung bei einem bestimmten y-Punkt wird ein durch dieses x-Abtasten erhaltener B-Modus-Bildwert in den 3D-Speicher 20 übertragen. Die Adresse dieses B-Modus-Bildes wird durch den Rechner 22 bestimmt und durch den Bildprozessor 21 verarbei tet. Der verarbeitete Wert wird dann auf dem CRT-Monitor an gezeigt. Auf diese Weise kann ein gerade vorher geholtes B- Modus-Bild angezeigt werden. Für ein B-Modus-Bild wird im allgemeinen lediglich die A-Ebene aus Fig. 3(b) betrachtet; jedoch kann ein B-Modus-Bild für die B-Ebene auf ähnliche Weise angezeigt werden. Die Adresse (I, J, N) für diesen Fall kann durch folgende Spezifikation vorgegeben sein:

I= irgendeiner von 1 bis i,
J=1 bis j, und
N=1 bis n.

Zur Bildung eines C-Modus-Bildes wird lediglich ein Wert bei einer bestimmten Tiefe (Zeit) wie in Fig. 3(c) verwendet. Der Wert sollte mit einer Adresse (I, J, N) geholt werden, die durch folgende Spezifikation vorgegeben ist:

I=1 bis i,
J=1 bis j und
N=irgendeiner von 1 bis n.

Um ein Bild einer bestimmten geneigten Ebene wie in Fig. 3 (d) gezeigt zu bilden, sollte die Adresse (I, J, N) aufgrund einer bestimmten Gleichung im Zusammenhang mit dieser ge neigten Ebene spezifiziert sein. Das Bild kann leicht auf dem CRT-Monitor 23 durch Holen des spezifizierten Wertes in den Bildprozessor 21 und dann Senden des verarbeiteten Wer tes an den Monitor angezeigt werden.

Ein Projektionsbild eines B-Modus-Bildes, wie in Fig. 3(e1) bzw. 3(e2) gezeigt, wird durch Aufaddieren mehrerer Rahmen von B-Modus-Bildwerten der A-Ebene oder B-Ebene gebildet. Das gleiche gilt für ein Projektionsbild eines in Fig. 3(f) gezeigten C-Modus-Bild.

Um ein Projektionsbild in einer Richtung, die nicht parallel zu irgendeiner der x-, y- und z-Achsen liegt, wie in Fig. 3(g) gezeigt, zu liefern, ist eine Koordinatenumwandlung notwendig. Falls z. B. die Projektionsebene parallel zur z- x-Ebene liegt, wird ein Prozeß zur Drehung der x- und z-Ach sen der 3D-Speicherkoordinaten um α und α jeweils zur Um wandlung der Koordinaten in Koordinaten auf die Projektions ebene zusätzlich durchgeführt. Die anderen Prozesse sind dieselben wie die beim vorhergehenden Beispiel; mehrere Bildrahmenwerte werden zur Bildung eines 3D-Projektionsbil des in Projektionsrichtung mit dem gewünschten Winkel wie dargestellt aufaddiert.

Das Ultraschallmikroskop dieser Ausführungsform verwendet 3D-Bilddaten durch Ausführen einer 2D-Abtastung und Abta stung eines Echosignales. Der erhaltene 3D-Bildwert wird im 3D-Speicher 20 gespeichert; über die benötigte Bildverarbei tung kann ein Bild einer Ebene mit einer beliebigen Neigung oder ein 3D-Projektionsbild, als auch ein B-Modus-Bild oder C-Modus-Bild gebildet und auf dem CRT-Monitor angezeigt wer den. Mit anderen Worten, die Erfindung kann ein Ultraschall mikroskop liefern, das durch den Stand der Technik nicht er hältlich war. Das Ultraschallmikroskop kann wirksam zur Be obachtung der Verteilung von 3D-Defekten innerhalb einer Probe, Spezifizierung der Form eines heterogenen Mediums oder dergleichen verwendet werden. Bei bisher bekannten Lö sungen können 3D-Bilddaten im Prinzip beispielsweise durch mehrmalige Wiederholung der x-y-Abtastung gesammelt werden. Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung jedoch ist lediglich eine einzige x-y-Abtastung beteiligt, so daß 3D-Bilddaten bei einer hohen Geschwindigkeit geliefert wer den, ohne den Abtastvorgang zu verkomplizieren.

Im folgenden wird ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Erfindung beschrieben.

Fig. 4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem die im ersten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 1 gezeigt, ver wendete Impulssteuerung 14 modifiziert ist. Diese Steuerung besteht aus zwei Stufen von Impulssteuerungen. Die erste Stufenimpulssteuerung 14 a besteht aus einem Zähler und ist mit dem Tiefeneinstellabschnitt 15 verbunden. Durch diesen Tiefeneinstellabschnitt 15 wird die Zeit eingestellt, bei der das Holen eines Echosignales beginnt (siehe t ₁ in Fig. 2). Die Impulssteuerung 14 a der ersten Stufe beginnt das Zählen der Zeit bei derselben Zeit, bei der sie ein Übertra gungstriggersignal empfängt, und startet nach Verstreichen der eingestellten Zeit mit dem Liefern eines Taktes an die zweite Stufenimpulssteuerung 14 b. Die Impulssteuerung 14 b besteht aus Multivibratoren, die im Zusammenhang mit jedem der Gatter 11 vorgesehen sind. Die Multivibratoren sind mit Gatterpositions-/Weiteneinstellabschnitten 41-1 bis 41-n ver bunden. Nach Empfangen eines Taktes von der ersten Stufenim pulssteuerung 14 a ermöglicht die Impulssteuerung 14 b den einzelnen Multivibratoren, daß sie nacheinander ein Gatter steuersignal an die jeweiligen Gatter 11 ausgeben. Die Gat terposition und die Impulsweite für jeden Multivibrator ist vorher durch den Gatterpositions-/Weiteneinstellabschnitt 41 eingestellt.

Die Fig. 5A bis 5D veranschaulichen einige Beispiele von be stimmten Kombinationen der Position und Weite des Gatter steuersignales, mit anderen Worten, der Dauer und Intervalle des Abtastens. In Fig. 5A variiert die Weite des Gattersteu ersignales wie benötigt, während die Bedingung aufrechter halten wird, daß bei der führenden Flanke eines Gattersteu ersignales das nächste Gattersteuersignal ansteigt. In Fig. 5B besteht ein geringer Zeitverzug zwischen dem Auslauf des ersten Gattersteuersignales und dem führenden des zweiten Signales, wobei das dritte Gattersteuersignal teilweise mit dem zweiten überlappt. In Fig. 5C wird zwischen den benach barten Signalen eine konstante Verzögerung Δ t vorgegeben, während die Impulsweite der Signale dieselbe ist. Fig. 5D veranschaulicht einen Fall, bei dem sich die einzelnen Gat tersteuersignale, die dieselbe Impulsweite aufweisen, je weils um Δ t gegenseitig überlappen. Die Gatterpositi ons-/Weitensteuerung, wie in Fig. 5A und 5B veranschaulicht, ist besonders wirksam, falls Defekte in der Probe existieren oder die Positionen heterogener Medien nicht mit gleichblei bendem Abstand angeordnet sind und es notwendig ist, wirksam Daten zu sammeln. Es kann einen Fall geben, bei dem die Schallgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Abschnitten in der Probe variiert und die Ausbreitungszeit der Ultraschall wellen entsprechend variiert und dadurch eine Inkonsistenz bezüglich des Abstandes zwischen dem wirklichen Abstand in der Probe und dem Abstand auf dem Bild verursacht wird. Die erwähnte Gatterpositions-/Weitensteuerung ist ebenso bei solch einem Fall durch Vorsehen eines ungestörten Bildes, das den wirklichen Abstand wiedergibt, wirksam.

Falls die Position/Weite eines Gattersteuersignals geändert wird, ist es notwendig, den Zeitablauf bzw. die Weite eines Steuersignales an den Analogschalter und den A/D-Wandler zu variieren.

Fig. 6 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem va riable Dämpfungsglieder 51 (51-1, 51-2, ..., 51-n) zwischen den jeweiligen Gattern 11 und Verstärkern 12 bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen sind. Durch die Dämpfungsglieder 51 kann der Pegel in jedem Pfad eingestellt werden. Beispielsweise zeigt ein Echo aus einem tiefen Ab schnitt der Probe im allgemeinen eine große Dämpfung. Ent sprechend diesem Ausführungsbeispiel unterscheiden sich die Pegel der einzelnen Pfade voneinander, so daß ein hoher Kon trast sowohl bei einem Bild eines tiefen Abschnittes, als auch bei einem Bild eines flachen Abschnittes erreicht wer den kann.

Die Positionen der variablen Dämpfungsglieder 51 sind nicht auf die in Fig. 6 gezeigten Positionen beschränkt. Die Dämp fungsglieder 51 können irgendwo zwischen den Verstärkern 10 und dem Analogschalter 16 vorgesehen sein. Falls die Ver stärker selbst von einem Typ mit variablem Pegel sind, ist deren Pegelsteuerung verwendbar, ohne im einzelnen solche Dämpfungsglieder vorzusehen.

Fig. 7 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem Bandpaßfilter 71 (71-1, 71-2, ..., 71-n) zwischen den Ver stärkern 10 und den Gattern 11 bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen sind. Die Frequenzcharakteri stik der Filter 71 ist so eingestellt, daß die Mittenfre quenzen für die n Gatter, wie in Fig. 8 gezeigt, aufeinan derfolgend ansteigen. Bei der Extraktion eines Echosignales aus dem Inneren der Probe weist im allgemeinen eine Hochfre quenzkomponente des Echosignales aus der tiefsten Position die größte Amplitudendämpfung auf. Das heißt, das Frequenz spektrum des bestimmten Echosignales unterscheidet sich in Abhängigkeit von der Tiefe der Probe. Dementsprechend wird die tragende Auflösung bei einem tieferen Punkt im allgemei nen geringer. Durch die obigen Bandpaßfilter 71 kann eine Änderung im Frequenzspektrum kompensiert werden, womit die tragende Auflösung bei einem tiefen Punkt im wesentlichen auf demselben Pegel wie die bei einem flachen Punkt gehalten wird.

Alternativ können anstatt der Bandpaßfilter Hochpaßfilter mit der in Fig. 9 oder 10 gezeigten Frequenzeigenschaft ver wendet werden, mit demselben Effekt wie beim vorhergehenden Beispiel. Falls der Dämpfungsbereich der in Fig. 10 gezeig ten Filter in der Nähe der Betriebsfrequenz der Ultraschall wandler eingestellt wird, kann das Frequenzspektrum wirksam kompensiert werden.

Die zuvor erwähnten Filter können irgendwo zwischen den Ver stärkern und den Spitzendetektoren 13 angeordnet sein.

Fig. 11 veranschaulicht eine Modifikaton mit n A/D-Wandlern 18 anstatt dem Analogschalter 16 bei dem in Fig. 1 gezeigten Auführungsbeispiel. Bei diesem Beispiel werden die Ausgänge der Spitzendetektoren 13 gleichzeitig und parallel durch die A/D-Wandler 18 in digitale Signale umgewandelt. Bei dem Auf bau von diesem Beispiel kann der Betrieb des Erfassens und Aufnehmens eines akustischen Datensignales bei jeder Tiefe in einer beträchtlich kurzen Zeit durchgeführt werden. Damit erhält das Ultraschallmikroskop eine hohe Verarbeitungsge schwindigkeit.

Die Erfindung kann auf verschiedene Weise modifiziert wer den, ohne den Umfang und den Gedanken der Erfindung zu ver lassen. Obwohl bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbei spiel beispielsweise die Probe 4 mechanisch beim x-y-Abta sten angetrieben ist, kann stattdessen die Ultraschallquelle angetrieben sein, da das x-y-Abtasten der Probe relativ zur Ultraschallquelle durchgeführt wird. Falls keine hohe Auflö sung benötigt wird, kann eine Vielzahl von piezoelektrischen Umformern zweidimensional angeordnet sein, um das x-y-Abta sten der Probe elektrisch durchzuführen. Diese Erfindung ist natürlich auch bei solch einem Fall wirksam.

Obwohl bei den Ausführungsbeispielen eine Vielzahl von Gat tern verwendet wird, um Daten bei unterschiedlichen Tiefen von dem Ausgangssignal von der Ultraschallübertra gungs-/Empfängerschaltung zu erhalten, kann eine andere Schaltungskonfiguration verwendet sein, so daß das empfan gene Echosignal bei Intervallen abgetastet wird und die Spitzenwerte gehalten und extrahiert werden.

Claims

1. Ultraschallmikroskop, gekennzeichnet durch:
eine Ultraschallimpulsübertragungs-/Empfängereinrichtung zum Emittieren einer Ultraschallwelle, die in einen feinen Fleck konvergiert, auf eine Probe, und zum Emp fangen eines Echos von der Probe und Erzeugen eines Ausgangssignales;
eine Abtastvorrichtung zum Abtasten der Probe mit der Ultraschallwelle in einer x-y-Ebene mit einer relativen Beziehung zwischen der Probe und der Ultraschallwelle, wobei die Richtung der Aussendung der Ultraschallwelle auf die Probe eine z-Achse darstellt, und zwei Achsen senkrecht zur z-Achse die x- und y-Achsen darstellen;
eine Extraktionsvorrichtung zum Abtasten des Ausgangs signales der Ultraschallimpulsübertra gungs-/Empfängervorrichtung bei einer vorgegebenen Dauer und vorgegebenen Intervallen zum Extrahieren einer Vielzahl von Echodatensignalen entsprechend mehreren unterschiedlichen Punkten der Probe aus dem Ausgangssi gnal;
eine A/D-Wandlervorrichtung zum Umwandeln der Echoda tensignale von der Extraktionsvorrichtung in digitale Signale;
eine Speichervorrichtung zum Speichern eines Ausganges der A/D-Umwandlervorrichtung innerhalb eines vorgegebe nen Abtastbereiches in x-Richtung im Zusammenhang mit unterschiedlichen Positionen in der y-Richtung, als mehrere Rahmen von B-Modus-Bilddaten;
eine Bildverarbeitungsvorrichtung zum Auslesen von Da ten von der Speichervorrichtung und zum Verarbeiten der Daten zur Ausgabe vorbestimmter Bilddaten und
eine Anzeigevorrichtung zum Anzeigen der vorbestimmten Bilddaten von der Bildverarbeitungsvorrichtung als ein Bild.

2. Ultraschallmikroskop, gekennzeichnet durch:
eine Ultraschallimpulsübertragungs-/Empfängereinrichtung zum Emittieren einer Ultraschallwelle, die in einen feinen Fleck konvergiert, auf eine Probe, und zum Emp fangen eines Echos von der Probe und Erzeugen eines Ausgangssignales;
eine Abtastvorrichtung zum Abtasten der Probe mit der Ultraschallwelle in einer x-y-Ebene mit einer relativen Beziehung zwischen der Probe und der Ultraschallwelle, wobei die Richtung der Aussendung der Ultraschallwelle auf die Probe eine z-Achse darstellt, und zwei Achsen senkrecht zur z-Achse die x- und y-Achsen darstellen;
eine Extraktionsvorrichtung zum Abtasten des Ausgangs signales der Ultraschallimpulsübertra gungs-/Empfängervorrichtung bei einer vorgegebenen Dauer und vorgegebenen Intervallen zum Extrahieren einer Vielzahl von Echodatensignalen entsprechend mehreren unterschiedlichen Punkten der Probe aus dem Ausgangssi gnal;
eine A/D-Wandlervorrichtung zum Umwandeln der Echoda tensignale von der Extraktionsvorrichtung in digitale Signale;
eine erste Speichervorrichtung zum Speichern eines Aus ganges der A/D-Umwandlervorrichtung innerhalb eines vorgegebenen Abtastbereiches in x-Richtung, als B-Mo dus-Bilddaten;
eine zweite Speichervorrichtung zum Speichern, als 3D- Bilddaten, derjenigen mehreren Teile von B-Modus-Bild daten, die aufeinanderfolgend von der ersten Speicher vorrichtung ausgelesen sind und unterschiedlichen Posi tionen entlang der y-Richtung entsprechen;
eine Bildverarbeitungsvorrichtung zum Auslesen von Da ten von der zweiten Speichervorrichtung und zum Ausge ben vorbestimmter Bilddaten und
eine Anzeigevorrichtung zum Anzeigen der vorbestimmten Bilddaten von der Bildverarbeitungsvorrichtung als ein Bild.

3. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ultraschallimpulsübertra gungs-/Empfängervorrichtung aufweist:
einen Übertragungsimpulsgenerator zum Erzeugen eines Hochspannungsimpulses bei vorgegebenen Intervallen;
einen Ultraschallumformer zur Erzeugung der Ultra schallwelle nach Empfang des Hochspannungsimpulses von dem Impulsgenerator und
eine akustische Linse zum Konvergieren der Ultraschall welle von dem Ultraschallumformer in einen feinen Fleck.

4. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ultraschallimpulsübertra gungs-/Empfängervorrichtung einen Ultraschallumformer aufweist, der einen Ausgangsanschluß aufweist und ein Echo von der Probe in ein elektrisches Signal umwan delt, und die Extraktionsvorrichtung aufweist:
eine Vielzahl von Gattern, die parallel mit dem Aus gangsanschluß des Ultraschallumformers zum selektiven Abtasten der Echodatensignale verbunden sind;
eine Impulserzeugervorrichtung zum Anlegen eines Gat tersteuersignales an die Gatter zum aufeinanderfolgen den Freigeben der Gatter und
eine Vielzahl von Spitzendetektoren, die jeweils mit den Gattern verbunden sind, zum Halten von Spitzenwer ten der von den Gattern abgetasteten akustischen Daten signale.

5. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der zweite Speicher die B-Modus-Bilddaten speichert, die von dem ersten Speicher im Zusammenhang mit räumlichen Koordinaten der Probe übertragen sind.

6. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Impulserzeugervorrichtung eine erste Vorrichtung zum Einstellen einer Holstartzeit für die Echodatensignale und eine zweite Vorrichtung zum Ein stellen einer Abtastdauer für die Echodatensignale und zum Abtasten der Intervalle für die Echodatensignale aufweist.

7. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Extraktionsvorrichtung eine Vielzahl von variablen Dämpfungsgliedern aufweist, von denen je des einen Pegel von jedem der Echodatensignale, die von den Gattern abgetastet sind, steuert.

8. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß jedes der variablen Dämpfungsglieder zwi schen jedem der Gatter und jedem der Spitzendetektoren vorgesehen ist.

9. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Extraktionsvorrichtung Bandpaßfilter aufweist, die jeweils bei den Eingangsstufen der Spit zendetektoren vorgesehen sind.

10. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Bandpaßfilter Mittenfrequenzen auf weisen, die so eingestellt sind, daß sie sich voneinan der unterscheiden.

11. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Extraktionsvorrichtung Hochpaßfilter aufweist, die jeweils bei den Eingangsstufen der Spit zendetektoren vorgesehen sind, wobei jeder Hochpaßfil ter einen vorbestimmten Filterdämpfungsbereich auf weist.

12. Ultraschallmikroskop nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß der Filterdämpfungsbereich von jedem der Hochpaßfilter in der Nähe einer Betriebsfrequenz des Ultraschallumformers eingestellt ist.