DE60118837T2

DE60118837T2 - Auf Impulskomprimierung basiertes Ultraschall- Bilderzeugungsverfahren und Gerät mit Verwendung eines Spreizspektrumsignals

Info

Publication number: DE60118837T2
Application number: DE60118837T
Authority: DE
Inventors: Tai Kyong Seocho-gu Song; Yang Mo Youngdungpo-gu Yoo
Original assignee: Medison Co Ltd
Current assignee: Samsung Medison Co Ltd
Priority date: 2000-06-17
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2021-06-16
Also published as: EP1164385B1; US20020005071A1; US6622560B2; DE60118837D1; KR100350026B1; EP1164385A2; KR20010113215A; EP1164385A3; JP2002045359A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschall-Bilderzeugungsverfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Ultraschall-Bilderzeugungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8.
Üblicherweise erhält ein medizinisches Ultraschall-Abbildungssystem Informationen über einen menschlichen Körper durch Senden von kurzen Ultraschallpulsen in den Körper und durch Empfangen eines von innerhalb des Körpers reflektierten Signals. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines konventionellen Kurzimpuls-Ultraschall-Bilderzeugungsssytems 100, welches eine Umwandlerreihe 1 mit einer Vielzahl von Umwandlern, einen Impulsgeber 11, einen TX(Sende)-Fokus-Verzögerungs- bzw. Laufzeitspeicher 14, einen TX/RX(Empfangs)-Schalter 21, einen Empfänger 31, einen Strahlformer 37, eine RX-Fokus-Verzögerungs- bzw. Laufzeiteinstellvorrichtung 36, einen Signalprozessor 41 und einen Bildrasterwandler 42 aufweist.
Insbesondere wird ein Laufzeitmuster bzw. -bild von in ein Objekt, z.B. einen menschlichen Körper, zu sen denden Ultraschallpulsen von der Umwandlerreihe 1 zuerst in dem TX-Fokus-Laufzeitspeicher 14 gespeichert. Danach wird eine dem in dem TX-Fokus-Laufzeitspeicher 14 gespeicherten Laufzeitmuster entsprechende Binärsequenz erzeugt und dem Impulsgeber 11 zugeführt.
Als ein Verfahren zum Ermitteln des Laufzeitmusters für jeden der Umwandler wird üblicherweise eine Technik mit festem Fokus verwendet, welche die Energien der Ultraschallpulse auf einen vorbestimmten Punkt innerhalb des menschlichen Körpers fokussiert. In jüngster Zeit wurde, als eine der Bemühungen, das Problem der beschränkten Auflösung aufgrund der Übertragung mit festem Fokus verglichen mit dem Empfangen mit dynamischem Fokus zu lösen, eine Technik mit künstlicher Apertur untersucht. Mit der Technik der künstlichen Apertur können ein oder mehrere Umwandler zum Senden von Ultraschallpulsen verwendet werden und ein bidirektionales, dynamisches Fokussieren ist sowohl für die gesendeten als auch für die empfangenen Pulse möglich. Durch die Verwendung der Technik der künstlichen Apertur kann die Auflösung verbessert werden, während das SRV (Signal-Rausch-Verhältnis) verringert wird.
Der Impulsgeber 11 ist ein bipolarer Impulsgeber, welcher ein verstärktes Signal (z.B. +80 oder –80 Volt) zu der Umwandlerreihe 1 als Antwort auf die Binärfrequenz von dem TX-Fokus-Laufzeitspeicher 14 zuführt. Der Spannungsoutput des Impulsgebers 11, welcher eine vorbestimmte Amplitude aufweist, wird an jedem Umwand ler der Umwandlerreihe 1 zu einer durch das Laufzeitmuster bestimmten Zeit angewendet.
Die Umwandlerreihe 1 sendet die Ultraschallpulse als Antwort auf die ausgegebene Spannung des Impulsgebers 11 in das Objekt. Ein Teil der Umwandler in der Umwandlerreihe 1 kann wahlweise für eine einmalige Übertragung verwendet werden, auch wenn die Umwandlerreihe 1 N, z.B. 128, Umwandler aufweist. Zum Beispiel können nur 64 Umwandler innerhalb einer Apertur zur gleichzeitigen Übertragung der Ultraschallpulse verwendet werden.
Nach dem Senden der Ultraschallpulse in den Körper empfängt die Umwandlerreihe 1 ein Impulssignal, welches von dem Körper reflektiert wird.
Der TX/RX-Schalter 21 agiert als ein Duplexer bzw. eine Weiche zum Isolieren des Empfängers 31 von dem Impulsgeber 11, um zu verhindern, dass der hohe Spannungsoutput auf den Empfänger 31 angewendet wird. Der Schalter 21 verbindet die Umwandlerreihe 1 während des Sendemodus mit dem Impulsgeber 11 und während des Empfangsmodus mit dem Empfänger 31.
Der Empfänger 31 weist einen Vorverstärker zum Verstärken des empfangenen Signals, einen ZGK (Zeit-Gewinn-Kompensator) zum Kompensieren der Schwächung bzw. Dämpfung während der Ausbreitung der Ultraschallpulse und einen Analog-Digital-Konverter zum Umwandeln des verstärkten empfangenen Signals in ein entsprechendes digitales Signal auf.
Der Strahlformer 37 führt ein RX-Fokussieren für das entsprechende digitale Signal durch, welches von dem Empfänger 31 in Übereinstimmung mit dem Laufzeitmuster von der RX-Fokus-Laufzeiteinstellvorrichtung 36 zur Verfügung gestellt wird.
Der Signalprozessor 41 führt die Signalverarbeitung aus, wie zum Beispiel Hüllkurvenerkennung, Protokollausgleich, um ein B-Modus-Bildsignal zu erzeugen.
Der Bildrasterwandler 42 konvertiert das B-Modus-Bildsignal in ein Signal, welches auf einer Anzeigevorrichtung (nicht dargestellt) dargestellt werden kann.
Aufgrund der Abnahme der Leistung der Ultraschallpulse während der Ausbreitung in ein in hohem Maße dämpfendes Medium, wie zum Beispiel Gummi, weiches Gewebe und ähnliches, kann es passieren, dass das Kurzimpuls-Bilderzeugungssystem keine korrekten Informationen für ein Zielobjekt tief innerhalb des Körpers erhält.
Weil das medizinische Ultraschallbilderzeugungssystem 100 Schaden an dem Körper anrichten kann, falls es die Spitzenspannung der übertragenen Kurzimpulse erhöht, kann die Leistung des empfangenen Signals nicht durch Erhöhen der Leistung der Sendepulse erhöht werden.
Auf der anderen Seite ist eine Puls- bzw. Impulskompressionstechnik, welche in einer Radarvorrichtung verwendet wird, in der Lage, das SRV des Ultraschall-Bilderzeugungssystems durch Erhöhen der durchschnittlichen Leistung der gesendeten Pulse zu verbessern, anstatt die Spitzenspannung davon zu erhöhen. Bei einem Bilderzeugungssystem, welches eine solche Pulskompressionstechnik verwendet, wird üblicherweise ein Wellenformsignal von langer Dauer ("langer Impuls") anstatt des kurzen Impulses in den Körper gesendet, um das SRV zu erhöhen.
Bei dem medizinischen Bilderzeugungssystem 100, welches den konventionellen Kurzimpuls verwendet, hängt die Bildauflösung in der Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls von der Impulsantwort des Ultraschallumwandlers ab, welcher aufgrund der Verwendung von Kurzimpulsen mit einer hohen Spannung ausgewählt und verwendet wird. Bei dem Bilderzeugungssystem, welches die Pulskompressionstechnik verwendet, wird die Bildauflösung durch die Windung bzw. Biegung des Ultraschallumwandlers und des langen Impulses festgelegt.
Bei einem Pulskompressionstechnik verwendenden Bilderzeugungssystems ist es durch die Verwendung eines Pulskompressors mit einem FIR(begrenztes Impulsansprechverhalten)-Filter an dem Ultraschallempfänger in der Lage, das SRV durch Senden des langen Impulssignals mit einer geringeren Spannung als die Spitzenspannung in der Kurzimpulstechnik effektiv zu verbessern.
Bei dem Ultraschall-Bilderzeugungssystem, welches das lange Impulssignal verwendet, ist es bekannt, dass die Systemleistung von Eigenschaften des langen Impulssignals, welches dabei verwendet wird, abhängt. Insbesondere basiert die Bildqualität auf dem Verhältnis zwischen den Frequenzeigenschaften des langen Impulssignals und dem Ultraschallumwandler. Die Systemleistung hängt auch davon ab, wie der Impulskompressor oder der FIR-Filter implementiert wird.
Des weiteren hängt, weil der Impulskompressor zum dynamischen RX-Fokussieren für jeden Kanal verwendet werden sollte, die Komplexität der Hardware des Empfangsteils des Systems von einer Struktur des Impulskompressors ab.
Bei dem Ultraschall-Bilderzeugungssystem, welches das lange Impulssignal verwendet, kann als das lange Impulssignal ein gespreiztes Spektrumsignal, z.B. ein Zirpsignal (ein Linear, frequenzmoduliertes Signal), verwendet werden. Insbesondere weist das Zirpsignal eine Frequenzeigenschaft auf, die mit dem Spektrum des Umwandlers des Ultraschall-Bilderzeugungssystems zusammen passt, welches eine limitierte Bandbreite aufweist. Das Zirpsignal weist außerdem, nachdem es den konventionellen FIR-Filter durchlaufen hat, Nebenzipfel auf, welche –13 db unterhalb seinem Hauptzipfel liegen. Das konventionelle, gespreizte Spektrumsignal ist jedoch nicht zur Verwendung in dem medizinischen Ultraschall-Bilderzeugungssystem geeignet, weil die Nebenzipfel des Spektrums des Ausgabesignals von dem Impulskompressor –50 db oder mehr unterhalb des Hauptzipfels liegen sollten, um in dem medizinischen Bilderzeugungssystem verwendet zu werden.
Die US-A-5 964 706 beschreibt ein System zum Abschätzen und Anzeigen von Doppler-Frequenzverschiebungen, welche durch sich bewegende Ultraschall-Streueinrichtungen erzeugt werden. In dem System wird eine speziell konstruierte Codesequenz basierend auf einer Übertragungshäufung einer bestimmten Länge moduliert.
Aus der US-A-6 010 456 ist ein System zum Abbilden von Ultraschall-Streueinrichtungen bekannt, welches eine Ultraschall-Umwandlerreihe aufweist, mit welcher ein Sender und ein Empfänger verbunden sind.
In dem Dokument "Designing Multiplierless Digital Filters Using Genetic Algorithms" (XP 000449249) sind Möglichkeiten zur Verbesserung von FIR-Filtern beschrieben.
In ähnlicher Weise beschreibt das Dokument XP 010151542 "Efficient Genetic Algorithm Design for Power-Of-Two FIR Filters" bestimmte Verbesserungen an solchen Filtern.
Es ist eine vornehmliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ultraschall-Bilderzeugungsverfahren und -system basierend auf einer Pulskompressionstechnik zu schaffen, welches ein gespreiztes Spektrumsignal mit tolerierbaren Seitenzipfeln aufweist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen FIR-Filter, welcher eine effiziente Struktur aufweist, und ein Verfahren zum Ermitteln der Koeffizienten des FIR-Filters zur Verwendung in dem Ultraschall-Bilderzeugungssystems zu schaffen, welches das gespreizte Spektrumsignal verwendet.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird ein Ultraschall-Bilderzeugungsverfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird eine Ultraschall-Bilderzeugungsvorrichtung in Übereinstimmung mit Anspruch 8 zur Verfügung gestellt.
Die oben genannten und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen deutlicher, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen angegeben sind, in welchen:
1 ein Blockdiagramm eines konventionellen Ultraschall-Bilderzeugungssystems ist, welches Kurzimpulse verwendet;
2 ein Blockdiagramm eines Ultraschall-Bilderzeugungssystems basierend auf der Pulskompressionstechnik zeigt, welches ein gespreiztes Spektrumsignal in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet;
3 eine Kurve eines konventionellen Zirpsignals als ein Beispiel des gespreizten Spektrumsignals zeigt;
3b Kurven von beispielhaften Fenstern zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung darstellt;
3c ein durch ein Hanning-Fenster gewichtetes Zirpsignal darstellt;
4a einen konventionellen FIR-Filter darstellt;
4b einen FIR-Filter in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ein Flussdiagramm von genetischen Algorithmen ist, welches bei der Ermittlung der Filterkoeffizienten in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
6a den Filteroutput für fundamentelle Grundfrequenzkomponenten des durch das Hanning-Fenster gewichteten Zirpsignals zeigt;
6b den Filteroutput für die zweite harmonische Oberschwingung des durch das Hanning-Fenster gewichteten Zirpsignals darstellt;
7a ein empfangenes Signal darstellt, welches die Grundfrequenz und die zweite harmonische Oberschwingung beinhaltet;
7b den Filteroutput für die Grundfrequenz des in 7a dargestellten, empfangenen Signals darstellt; und
7c den Filteroutput für die zweite harmonische Oberschwingung des in 7a gezeigten, empfangenen Signals darstellt.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Blockdiagramm eines Ultraschall-Bilderzeugungssystems 200 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung angegeben. Obwohl in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während des Ultraschall-Sendens ein gewichtetes Zirpsignal verwendet wird, kann anstatt des gewichteten Zirpsignals jedes andere gespreizte Spektrumsignal, welches ähnliche Eigenschaften aufweist, verwendet werden. Das Ultraschall-Bilderzeugungssystem 200 der vorliegenden Erfindung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass eine Impuls- bzw. Pulskompression, die RF(Hochfrequenz)-Daten verwendet, vor dem Strahlformen durchgeführt wird. Die vorliegende Erfindung eliminiert Seitenzipfel in der Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls im nahen Feld, welche erzeugt werden würden, wenn die Pulskompression nach dem RX(Empfangs)-Fokussieren durchgeführt werden würde. Außerdem verhindert die vorliegende Erfindung, dass die Breite des Hauptzipfels sich vergrößert.
In 2 weist das Ultraschall-Bilderzeugungssystem 200 einen Impulsgeber 12, einen TX(Übertragungs)-Bildspeicher 13, einen TX-Fokusspeicher 14, eine Filterkoeffizienten Steuereinrichtung 15, einen Filterkoeffizientenspeicher 16, einen TX/RX-Schalter 21, einen Empfänger 31, einen Pulskompressor 32, eine RX-Fokus-Verzögerungseinstellvorrichtung 36, einen Strahlformer 37, einen Signalprozessor 41 und einen Bildrasterwandler 42 auf. Der Pulskompressor 32 weist einen HF-Speicher und einen FIR(Finite Impulsantwort)-Filter 34 auf.
Der TX-Bildspeicher 13 speichert ein TX-Signalbild und der TX-Fokus-Laufzeitspeicher 14 speichert ein Laufzeitmuster für das TX-Signal. Das TX-Signalbild, welches in den TX-Bildspeicher 13 gespeichert wird, wird auf den Impulsgeber 12 angewendet, dessen Pulse gemäß dem Laufzeitbild bzw. Verzögerungsmuster verzögert werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung speichern der TX-Bildspeicher 13 und der TX-Fokus-Laufzeitspeicher 14 jeweils ein vorbestimmtes TX-Signalbild und ein vorbestimmtes Laufzeitbild. Ein Schaltkreis oder eine Software können verwendet werden, um verzögerte TX-Signalbilder zu erzeugen.
Abhängig von einem verwendeten Fenster verstärkt der Impulsgeber 12 das von dem TX-Bildspeicher 13 empfangene TX-Signalbild. Wenn ein rechteckiges Fenster verwendet wird, kann ein bipolarer Impulsgeber als der Impulsgeber 12 verwendet werden, um bipolare Impulse auf die Umwandlerreihe 1 über den TX-RX-Schalter 21 aufzubringen. Wenn andere Fenster als das rechteckige Fenster verwendet werden, kann der Impulsgeber 12 einen bipolaren Impulsgeber und einen linearen Verstärker aufweisen, um verstärkte bipolare Pulse zu der Umwandlerreihe 1 auszugeben. Wie in Verbindung mit 1 beschrieben wird eine feste Fokustechnik oder eine syntethische Aperturtechnik zum Senden des Zirpsignals verwendet.
Wie der in 1 dargestellte Schalter wirkt der TX/RX-Schalter 21 als ein Duplexer, um den Empfänger 31 von der Wirkung der hohen Spannung von dem Impulsgeber 12 zu isolieren.
Ein von dem Empfänger 31 empfangenes Signal kann nicht direkt verwendet werden, um ein Bild zu formen, weil es hohe Seitenzipfel aufweist. Folglich wird der Pulskompressor 35 verwendet, um das empfangene Signal auf eine solche Art und Weise zu verarbeiten, dass die Auflösung des sich ergebenen Bildes vergleichbar mit demjenigen des konventionellen Bilderzeugungssystems ist, welches kurze Impulse sendet.
Zunächst wird in dem Pulskompressor 35 das durch den Empfänger 31 empfangene HF-Signal in dem HF-Speicher 33 gespeichert. Weil das HF-Signal für jeden Kanal in den Speicher 33 gespeichert wird, kann der FIR-Filter 34 unter Verwendung von Hardware oder Software selektiv konstruiert sein. Außerdem kann, wenn die konventionellen kurzen Pulse anstatt des gespreizten Spektrumsignals verwendet werden, das in 2 dargestellte System als ein konventionelles Ultraschall-Abbildungssystem funktionieren, indem der FIR-Filter 34 umgangen wird.
Der FIR-Filter 34 filtert das empfangene Signal von den Empfänger 31, welches in dem HF-Speicher 33 gespeichert ist, und zwar unter Verwendung von Filterkoeffizienten von der Filterkoeffizienten-Steuereinrichtung 15, um eine pulskomprimierte Version des empfangenen Signals zu erhalten. Das bedeutet, wenn ein langer Impuls gesendet wird, erzeugt der FIR-Filter 34 ein Ausgangssignal, welches dasselbe bewirkt wie wenn ein kurzer Impuls gesendet wird.
Der Filterkoeffizientenspeicher 16 speichert eine Anzahl von Sätzen der Filterkoeffizienten. Jeder der Sätze wird abhängig von den Eigenschaften des originalen Zirpsignals und der Fensterfunktion und der zur Bildung eines Ultraschall-Bildes verwendeten Frequenzkomponente, z.B. Grundfrequenz oder zweite harmonische Oberschwingung, vorbestimmt. Die Frequenzkomponente kann durch eine externe Eingabe von einem Benutzer (nicht dargestellt) ausgewählt werden.
Die Filterkoeffizienten-Steuereinrichtung 15 wählt einen ausgewählten Satz von Filterkoeffizienten von demjenigen aus, die in den Filterkoeffizienten-Speicher 16 gespeichert sind, und gibt ihn an den FIR-Filter 34 weiter.
Der Strahlformer 37 führt das RX-Fokussieren unter Verwendung der RX-Fokus-Verzögerung durch, die von der RX-Fokus-Verzögerungseinstelleinrichtung 36 zur Verfügung gestellt wird.
Nach dem RX-Fokussieren werden von dem Signalprozessor 41 eine Hüllkurvenerkennung und ein Protokollausgleich durchgeführt, um ein B-Modus-Bildsignal zu erzeugen. Der Bildrasterwandler 42 konvertiert das B-Modus-Bildsignal auf eine solche Art und Weise, dass es in einer Anzeigevorrichtung (nicht dargestellt) dargestellt werden kann.
Wie oben beschrieben verwendet eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein gewichtetes Zirpsignal zur Ultraschall-TX. Das Zirpsignal weist eine im wesentlichen konstante Amplitude und eine Frequenz auf, welche sich linear mit der Zeit über einen begrenzten Frequenzbereich verändert. Das Spektrum des Zirpsignals stimmt gut mit der Eigenschaft des in den medizinischen Ultraschall-Bilderzeugungssystem verwendeten Schmalbandumwandlers überein. Die Dopplerverschiebung verändert die Frequenz des Zirpsignals und diese Veränderung der Frequenz, unmittelbar durch einen FIR- Filter gemessen, zeigt die Geschwindigkeit des Zielobjekts an. Mit der Winkelfrequenz ω = ω_o + μt, welche sich über die Zeit verändert, kann das Zirpsignal wie folgt dargestellt werden:
wobei die Konstante A eine positive ganze Zahl ist, ω_o die mittlere Winkelfrequenz ist, die Konstante μ = Δω/T ist, die Veränderung in der Winkelfrequenz während des Zeitintervalls T und w₁(t) die Hüllkurve des übertragenen Zirpsignals ist.
Für das konventionelle Zirpsignal ist w₁(t) ein rechteckiges Wellenformsignal, d.h. w₁(t) = rect(t/T). Das konventionelle Zirpsignal ist für medizinische Ultraschall-Bilderzeugungssysteme nicht geeignet, weil es Spitzenseitenzipfel von ungefähr –13 db um den Hauptzipfel erzeugt. Dies bedeutet, die Auflösung, die für ein medizinisch nutzbares Bild erwünscht ist, kann durch die Verwendung eines solchen konventionellen Zirpsignals nicht erhalten werden.
Folglich beschreibt die vorliegende Erfindung ein System, in welchem die Hüllkurve eines Zirpsignals unter Verwendung einer Fensterfunktion gewichtet wird und Filterkoeffizienten modifiziert werden. Das Zirpsignal kann durch eine Fensterfunktion gewichtet werden, die unterschiedlich ist von der rechteckigen Fensterfunk tion in Gl. (1), solange sie so eingestellt ist, dass sie niedrige Seitenzipfel und einen schmalen Hauptzipfel aufweist.
3a stellt eine Kurve eines konventionellen Zirpsignals dar.
3b stellt ein Hanning-Fenster, ein Hanning-Fenster, ein Blackman-Fenster und ein Rechteck-Fenster zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung dar.
3c stellt ein mittels eines Hanning-Fenster gewichtetes Zirpsignal dar. In den 3b und 3c bezeichnet L die Anzahl der Filterkoeffizienten. Um das gewichtete Zirpsignal auf den Umwandler anzuwenden, wird ein Impulsgeber gebraucht, welcher das Signal wie oben beschrieben nicht diskret verstärken kann, und nicht ein Impulsgeber 11, welcher nur zwei diskrete Werte zur Verfügung stellt.
Das Filterausgangssignal des gewichteten Zirpsignals hängt von der Fensterfunktion w₁(t) zum Modifizieren des Zirpsignals und der Fensterfunktion w₂(t) zum Modifizieren der Filterkoeffizienten ab, wie in Gl. (2) dargestellt:
und die Filterkoeffizienten werden abhängig von den Eigenschaften der für den FIR-Filter und das originale Zirpsignal verwendeten Fensterfunktion berechnet und auch abhängig davon, ob die Grundfrequenz oder die harmonische Oberschwingung eines empfangenen Signals verwendet wird.
Obwohl die Effizienz der Übertragungsleistung abnimmt, weil das gewichtete Zirpsignal durch Modifizieren der Hüllkurve eines konventionellen Zirpsignals erhalten wird, wird sie nicht durch eine Erhöhung des SRV materialisiert, welcher durch die Pulskompressionstechnik erhalten wird. Folglich sollten die Fensterfunktionen unter Berücksichtigung des SLW (Sende-Leistungs-Wirkungsgrad) ausgewählt werden, welcher durch das Verhältnis der Ausgangsleistung des Umwandlers zu der Eingangsleistung des Umwandlers definiert ist. Des weiteren ist es, weil die Auflösung eines Ultraschallbildes von den Niveaus der Seitenzipfel und der Breite des Hauptzipfels des Pulskomprimierten Signals abhängt, wünschenswert, eine Fensterfunktion auszuwählen, welche die niedrigsten Seitenzipfel und den engsten Hauptzipfel anhebt. Mit anderen Worten, die bei dem medizinischen Ultraschall-Bilderzeugungssystem der vorliegenden Erfindung eingesetzten TX/RX-Fensterfunktionen sollten unter Berücksichtigung der Breite des Hauptzipfels und der Spitzenseitenzipfel des Filteroutputs und der TX-Leistungseffizienz ausgewählt werden.
Auf der anderen Seite sollte der FIR-Filter 34, wie er oben beschrieben ist, für jeden Kanal eingesetzt werden. Die Koeffizienten der FIR-Filter 34 weisen kontinuierliche Werte in dem Fall auf, dass ein gewichtetes Zirpsignal verwendet wird oder die modifizierten Filterkoeffizienten verwendet werden. Somit wird die Struktur des FIR-Filters 34, welcher Multiplikatoren und Addiereinrichtungen aufweist, kompliziert, was das gesamte Bilderzeugungssystem komplex macht.
4a repräsentiert einen konventionellen FIR-Filter, welcher in der Form eines konventionellen, angepassten Filters eingesetzt wird. Je länger die Dauer des gesendeten Signals ist, desto länger wird der FIR-Filter, was die Komplexität der Hardware des FIR-Filters erhöht.
4b zeigt eine Struktur des FIR-Filters 34 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Komplexität der Hardware des FIR-Filters 34 aufgrund des kontinuierlichen Wertes des Filterkoeffizienten wird hauptsächlich durch Multiplikatoren verursacht. Folglich reduziert die vorliegende Erfindung die Komplexität der Hardware des Empfangsteils, weil der konstruierte FIR-Filter 34, der einen genetischen Algorithmus verwendet, keine Multiplikatoren aufweist. Die zur Berechnung der Korrelation verwendeten Filterkoeffizienten werden entweder zu 2ⁿs oder einer Summe derselben gequantelt. Eine solche Quantelung erlaubt es, dass der FIR-Filter 34 nur unter Verwendung von Ad diereinrichtungen und Schalter konstruiert werden kann, wie in 4b dargestellt.
5 ist ein Flussdiagramm eines zum Ermitteln der Filterkoeffizienten in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten genetischen Algorithmus.
Der genetische Algorithmus ist ein Algorithmus zum Modellieren der biologischen Entwicklung, was eine Prozedur des Auswählens von Chromosomen unter einer Population in Abhängigkeit einer objektiven Funktion und Anwenden einer genetischen Operation ist, um die nächste Population zu produzieren (D. E. Goldberg, "Genetic algorithm in search, optimization, and machine learning", Addison-Wesley Company Inc., 1989). Bei dem genetischen Algorithmus ist die Population ein Satz von Chromosomen und im Allgemeinen ist das Chromosom ein Strang mit einer bestimmten Länge. Jeder der Sätze von Chromosomen, die anfangs zufälligerweise erzeugt werden, wird unter Verwendung der objektiven Funktion ausgewertet und dann werden einige der Chromosomen als Eltern der nächsten Population durch die Auswahlvorgänge ausgewählt, um in der nächsten Population bessere Chromosomen zu produzieren. Die ausgewählten Chromosomen erzeugen neue Chromosomen der nächsten Population durch Kreuzungs- und Mutationsvorgänge.
Zum Beispiel, wenn die Anzahl der Filterkoeffizienten 512 und die Länge des Koeffizienten 8-bit ist, ent spricht ein Strang von 4.096 Bits zum Repräsentieren der gesamten 512 Koeffizienten einem Chromosom. Das Chromosom wird durch eine objektive Funktion, wie z.B. MQF (mittlerer quadratischer Fehler) und Minimax (minimales lokales Maximum) ausgewertet, wie oben beschrieben. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der MQF in Gl. (3) verwendet:
wobei R_mm(i) der Filteroutput ist, wenn der konventionelle FIR-Filter verwendet wird, und R_md(i) der Filteroutput ist, wenn der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruierte FIR-Filter verwendet wird. Außerdem ist N die Anzahl der Filterkoeffizienten.
Unter Bezugnahme auf 5 werden Schritte zum Ermitteln der Filterkoeffizienten des FIR-Filters 34, welcher den genetischen Algorithmus verwendet, beschrieben.
Bei Schritt S101 werden die Anfangswerte eines Satzes von Bitsträngen zufällig erzeugt, wobei jedes Bit gequantelt wird, um Multiplikatoren mit Addiereinrichtungen und Schaltern zu ersetzen.
Bei Schritt S102 wird der MQF für jeden der erzeugten Bitstränge unter Verwendung von Gl. (3) berechnet.
Bei Schritt S103 wird für jeden Bitstrang ermittelt, ob der berechnete MQF für die medizinische Anwendung geeignet ist. Wenn der MQF als geeignet herausgefunden wird, wird der entsprechende Bitstrang als Korrelationskoeffizient ausgewählt.
Andererseits wird am Schritt S105 ein Teil des erzeugten Strangsatzes ausgewählt und, bei Schritt S106 und S107, werden Kreuzungsvorgänge und/oder Mutationsvorgänge an den ausgewählten Strängen ausgeführt und der MQF für den neuen Strang wird wieder bei Schritt S102 berechnet.
Wie oben beschrieben kann, wenn jeder der Filterkoeffizienten gequantelt wird, um einen Wert aufzuweisen, welcher entweder von 2ⁿs oder eine Summe davon repräsentiert werden kann, das System vereinfacht werden, weil der FIR-Filter 34 nur durch Addiereinrichtungen und Schalter konstruiert werden kann.
Andererseits sollte, immer wenn die Mittenfrequenz des TX-Signals verändert wird, der Filterkoeffizient die für die neue Mittenfrequenz berechneten Koeffizienten verwenden. Bei der vorliegenden Erfindung wird, um diesselben Koeffizienten für dasselbe TX-Signal zu verwenden, eine Abtastfrequenz, welche auf das TX-Muster von dem TX-Musterspeicher zu dem Impulsgeber 12 angewendet wird, geändert, wenn die Mittenfrequenz geändert wird. Dies bedeutet, das Verhältnis der Mittenfrequenz zu der Abtastfrequenz bleibt gleich, während die Geschwindigkeit des Zuführens des RX-Signals von dem HF-Speicher 33 zu dem FIR-Filter 34 basierend auf der Abtastfrequenz verändert wird.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann anstatt des Sendens eines kontinuierlich gewichteten Zirpsignals ein unter Verwendung des oben beschriebenen genetischen Algorithmus gequanteltes Signal gesendet werden. In diesem Fall kann der Impulsgeber 12 unter Verwendung eines Digital-Analog-Konverters anstatt eines teureren linearen Verstärkers ausgeführt werden.
In den 6a bis 7c sind die Mittenfrequenz, die Abtastfrequenz und die Bandbreite des originalen Zirpsignals jeweils 5 MHz, 40 MHz und 3 MHz. Außerdem wird das originale Zirpsignal zu einem 8-bit-Signal gequantelt und die Filterkoeffizienten werden unter Verwendung des Hanning-Fensters modifiziert. In den 6a bis 7c repräsentiert die Bezeichnung L die Anzahl der Filterkoeffizienten.
6a zeigt den Filteroutput von der Grundfreuquenz des Zirpsignals, welches durch das Hanning-Fenster gewichtet ist. Wie in 6a dargestellt, wurde die Breite des Hauptzipfels nicht verändert und auch das Niveau der Seitenzipfel ist für das medizinische Ultraschall-Bilderzeugungssystem geeignet. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, dass der FIR-Filter 34, bei dem die Multiplikatoren eliminiert sind, eine ge wünschte Systemleistung und eine erheblich verringerte Komplexität der Hardware ergibt.
6b repräsentiert den Filteroutput für die zweite harmonische Oberschwingung des Zirpsignals, welches durch das Hanning-Fenster gewichtet ist. Der in 6b dargestellte Filteroutput weist einen engeren Hauptzipfel und niedrigere Seitenzipfel als diejenigen auf, die in 6a dargestellt sind. Aus diesem Grund kann das Ultraschallbild mit einer besseren Qualität gebildet werden, falls die Filterkoeffizienten unter Berücksichtigung der harmonischen Schwingungen in einigen Fällen ausgewählt werden.
7a stellt ein beispielhaftes empfangenes Signal einschließlich der Grundfrequenz und der zweiten harmonischen Oberschwingung dar, welches auf den FIR-Filter 34 angewendet wird. Die harmonischen Schwingungen werden zum Beispiel aufgrund einer nicht linearen Ausbreitung erzeugt. Durch die Verwendung der harmonischen Schwingungen kann das Ultraschallbild mit einer besseren Qualität, abhängig von dem Zielobjekt, erhalten werden.
7b repräsentiert den Filteroutput für die Grundfrequenz des empfangenen Signals, welches in 7a dargestellt ist. In 7b ist es vorteilhaft, dass die Breite des Hauptzipfels und das Niveau der Seitenzipfel, welche von den Grundfrequenzen des empfangenen Signals erhalten werden, für ein medizinisches Bilderzeugungssystem geeignet sind. Obwohl die Seitenzipfel, die in dem rechten Ende der Kurve in 7b dargestellt sind, aufgrund der zweiten harmonischen Oberschwingung erzeugt werden, sind sie niedriger als –60 dB und vermindern die Leistung des Systems nicht erheblich.
7c präsentiert die Filterausgabe für die zweite harmonische Oberschwingung des in 6 dargestellten empfangenen Signals. In 7c ist vorteilhafterweise die Breite des Hauptzipfels und das Niveau des Seitenzipfels, welche von der zweiten harmonischen Schwingung des empfangenen Signals erhalten werden, für ein medizinisches Bilderzeugungssystem geeignet. Obwohl die Seitenzipfel, die in dem linken Ende der Kurve in 7c dargestellt sind, aufgrund der Grundfrequenz erzeugt werden, sind sie niedriger als –60 dB und verschlechtern die Leistung des Systems nicht erheblich.
Wie oben beschrieben ist das Pulskompressionssystem, welches das gewichtete, gespreizte Spektralsignal in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet, für ein medizinisches Ultraschall-Bilderzeugungssystem im Hinblick auf die Breite des Hauptzipfels und der spitzen Seitenzipfel geeignet. Insbesondere durch Gewichten eines gespreizten Spektrumsignals mit einer Fensterfunktion und Durchführen der Pulskompression vor dem RX-Fokussieren können die Seitenzipfel des empfangenen Signals verringert und die Qualität des Ultraschallbildes verbessert werden.
Des weiteren vereinfacht diese Erfindung die Hardwarekonstruktion des FIR-Filters 34, weil bei der Verwendung eines genetischen Algorithmus keine Multiplikatoren erforderlich sind.

Claims

Ultraschall-Bilderzeugungsverfahren zum Bilden einer Abbildung eines Objekts, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Konvertieren eines vorbestimmten ersten Spreizspektrumsignals in ein Ultraschallsignal und Übertragen des Ultraschallsignals zu dem Objekt; (b) Empfangen eines reflektierten Signals des von dem Objekt reflektierten Ultraschallsignals und Pulsverdichten des reflektierten Signals, um ein pulsverdichtetes Signal zu schaffen; und (c) Verarbeiten des pulsverdichteten Signals, um ein Empfangs-fokussiertes Signal zu produzieren, und Erzeugen eines Bilds des Objekts aus dem Empfangs-fokussierten Signal; dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (b) den Schritt des Filterns des reflektierten Signals mit voreingestellten Filterkoeffizienten aufweist, und dass das vorbestimmte erste Spreizspektrumsignals ein gewichtetes Spreizspektrumsignal ist, welches durch Aufbringen eines Fensters über ein vorbestimmtes zweites Spreizspektrumsignal produziert wird, und die voreingestellten Filterkoeffizienten durch Modifizieren von FIR-Filterkoeffizienten des zweiten Spreizspektrumsignals und Quanteln der modifizierten FIR-Filterkoffizienten ermittelt werden, um entweder 2ⁿs oder eine Summe der 2ⁿs zu haben, wobei n eine ganze Zahl ist, und zwar durch Aufbringen eines genetischen Algorithmus über die modifizierten FIR-Filterkoeffizienten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das vorbestimmte erste Spreizspektrumsignal an einem oder mehreren Umwandlern in das Ultraschallsignal konvertiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das vorbestimmte erste Spreizspektrumsignal durch Aufbringen einer ersten Fensterfunktion über ein Zirpsignal produziert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste Fensterfunktion eine eines Hamming-Fensters, eines Hanning-Fensters und eines Blackman-Fensters ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die FIR (Finite Impulsantwort) Filterkoeffizienten durch Aufbringen eines Fensters über die FIR-Filterkoeffizienten modifiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Spreizspektrumsignal ein gequanteltes Signal ist, welches durch Verwendung eines genetischen Algorithmus erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das pulsverdichtete Signal entweder für ein elementares Frequenzkomponentensignal oder ein harmonisches Komponentensignal des reflektierten Signals zur Verfügung gestellt wird.
Ultraschall-Bilderzeugungsvorrichtung zum Bilden einer Abbildung eines Objekts, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: einen oder mehrere Umwandler zum Übertragen eines Ultraschallsignals zu dem Objekt als Antwort auf ein vorbestimmtes Spreizspektrumsignal; eine Pulsverdichtungseinrichtung (35) zum Empfangen eines reflektierten Signals des übertragenen Ultraschallsignals von dem Objekt und zum Pulsverdichter des reflektierten Signals, um ein pulsverdichtetes Signal zur Verfügung zu stellen; und eine Abbildungsformeinrichtung zum Verarbeiten des pulsverdichteten Signals, um ein Empfangs-fokussiertes Signal zu produzieren und die Abbildung des Objekts von dem Empfangs-fokussierten Signal zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsverdichtungseinrichtung (35) eine Einrichtung (34) zum Filtern des reflektierten Signals durch Verwendung von Filterkoeffizienten aufweist, wobei die Filterkoeffizienten durch Berechnen von FIR-Filterkoeffizienten des Spreizspektrumsignals und Quanteln der FIR-Filterkoeffizienten ermittelt werden, um entweder 2ⁿs oder eine Summe der 2ⁿs zu haben, wobei n eine ganze Zahl ist, und zwar durch Aufbringen eines genetischen Algorithmus über die FIR-Filterkoeffizienten, wobei die Filtereinrichtung (34) durch Verwendung von Additionsbausteinen und Umschaltbausteinen konstruiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Spreizspektrumsignal ein gewichtetes Zirpsignal ist, welches durch Aufbringen eines Fensters über ein Zirpsignal produziert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Pulsverdichtungseinrichtung (35) eine Einrichtung (34) zum Filtern des reflektierten Signals mit vorbestimmten Filterkoeffizienten aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Spreizspektrumsignal ein gequanteltes Signal ist, welches unter Verwendung eines genetischen Algorithmus erhalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das pulsverdichtete Signal entweder für ein elementares Frequenzkomponentensignal oder ein harmonisches Komponentensignal des reflektierten Signals zur Verfügung gestellt wird.