DE60308495T2

DE60308495T2 - Tragbares 3d ultraschallsystem

Info

Publication number: DE60308495T2
Application number: DE60308495T
Authority: DE
Inventors: D. Marc POLAND; G. Martha WILSON
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2023-02-18
Also published as: JP2005517515A; KR20040084919A; CN100340867C; DE60308495D1; US20030158482A1; EP1488253B1; US7141020B2; EP1488253A1; WO2003071306A1; AU2003247479A1; ATE340365T1; CN1636151A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine tragbare Ultraschallvorrichtung und insbesondere auf eine in der Hand gehaltene oder getragene Ultraschallvorrichtung, die ein 3D-Bild anzeigt.
Um ein 3D-Ultraschallbild zu erzeugen, waren früher große Maschinen erforderlich. In diesen Maschinen wurden Wandler mit einem 1D-Array von Elementen eingesetzt, die komplizierte Schaltungen und eine komplexe Schwing- oder Vorwärts-/Rückwärtsbewegung des Wandlers erforderten, um das 3D-Bild zu erzeugen. Aufgrund ihrer Größe und Komplexität benötigten diese Maschinen große Stromversorgungen und schwere Stromversorgungskabel, die diese Maschinen noch weniger tragbar machten. Außerdem wurden in diesem Maschinen moderne Fortschritte der Computertechnologie nicht genutzt, die eine komplexe Signalverarbeitung mit kleinen Chipbauelementen möglich machen. Die früheren 3D-Ultraschallmaschinen waren daher entweder vollkommen stationär, auf einem Fahrwagen bewegbar, der 300 bis 400 Pfund wog, oder in einen großen Schrank eingebaut, der in einem Fahrzeugkasten transportiert wurde, waren aber zu schwer, um von Hand getragen zu werden. Diese Maschinen waren aufwändig zu bauen und zu bedienen, und aufgrund ihrer Größe konnte die Ultraschallanalyse nur an bestimmten Orten durchgeführt werden.
In der US-amerikanischen Patentschrift Nummer 6.126.602 wird ein 3D-Ultraschallsystem mit einem 2D-Wandlerarray mit einer Vielzahl von Wandlerelementen beschrieben, die mehreren Sende- und Empfangs-Teilarrays zugeordnet sind. Das 3D-Ultraschallbildgebungssystem umfasst gruppeninterne Empfangsprozessoren, die mit den Empfangs-Teilarrays verbunden sind, welche dafür eingerichtet sind, Wandlersignale zu empfangen und dafür konstruiert sind, die empfangenen Wandlersignale zu verzögern und zu summieren, einen Empfangs-Strahlformer, um die von den gruppeninternen Empfangprozessoren empfangenen Wandlersignale zu verzögern und zu summieren, und einen Bildgenerator, um ausgehend von den vom Empfangs-Strahlformer empfangenen Signalen ein 2D- oder 3D-Bild zu bilden.
Obwohl frühere tragbare Ultraschallvorrichtungen in der Lage waren, ein 2D-Bild zu erzeugen, waren die zum Durchführen der Strahlformung, der Wiedergabe und anderer für die Erzeugung eines 3D-Bildes erforderlicher Verarbeitungsvorgänge benötigten Schaltungen zu groß, um eine Tragbarkeit möglich zu machen.
In der US-amerikanischen Patentschrift Nummer 6.135.961 wird eine tragbare Ultraschallvorrichtung mit einem 1D-Wandlerarray beschrieben, das in einem in der Hand gehaltenen Gehäuse montiert ist, wobei ein Sende/Empfangs-ASIC mit Elementen des Wandlerarrays verbunden ist, um Echosignale zu empfangen, die an einen strahlformenden ASIC übertragen werden, welcher die Echos einer Strahlformung zu kohärenten Abtastliniensignalen unterzieht. Ein digitaler Signalverarbeitungs-ASIC verarbeitet die Abtastliniensignale, die durch ein Bildrasterwandlungs-ASIC zu Bildsignalen konvertiert werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät mit einer tragbaren Ultraschallvorrichtung, mit einem Emitter zum Emittieren von Ultraschallenergie, einem Empfänger zum Empfangen von Echos, die gemäß der emittierten Ultraschallenergie erzeugt wurden, einem Signalprozessor zum Umwandeln der erzeugten Echos zu einem 3D-Ultraschallbild, und mit einer Anzeigeeinheit zum Anzeigen des 3D-Ultraschallbildes.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Gerät mit einer tragba ren Ultraschallvorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Wandler mit einer Vielzahl von akustischen Elementen, um Ultraschallenergie zu senden und gemäß der Ultraschallenergie erzeugte Echos zu empfangen, und mit einer Vielzahl von teilarray-summierten akustischen Signalen von den erzeugten Echos; einen dynamischen Strahlformer mit einer Vielzahl von dynamischen Empfangsverzögerungen, um die teilarray-summierten akustischen Signale zu verzögern, und einem Vollarray-Summierer, um die verzögerten teilarray-summierten akustischen Signale zu summieren und einen vollen Satz strahlgeformter Daten zu erzeugen; einen Bilddetektor, um aus dem vollen Satz strahlgeformter Daten detektierte 3D-Daten zu erzeugen; einen Bildrasterwandler, um die detektierten 3D-Daten in ein 3D-Ultraschallbild umzuwandeln; und eine Anzeigeeinheit, um das 3D-Ultraschallbild anzuzeigen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin ein Verfahren, das Folgendes umfasst: Abtasten eines Körpers mit einer tragbaren oder in der Hand gehaltenen Vorrichtung; Senden von Ultraschallenergie von der tragbaren oder in der Hand gehaltenen Vorrichtung; Empfangen von Echos, die entsprechend der mit der tragbaren oder in der Hand gehaltenen Vorrichtung gesendeten Ultraschallenergie erzeugt werden; Umwandeln der Echos mit der tragbaren oder in der Hand getragenen Vorrichtung in ein 3D- Ultraschallbild; und Anzeigen des 3D-Ultraschallbildes auf der tragbaren oder in der Hand getragenen Vorrichtung.
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und werden anhand von diesen sowie unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Funktion einer erfindungsgemäßen tragbaren 3D-Ultraschallvorrichtung;
2A eine perspektivische Ansicht des Wandlers aus 1 gemäß der vorliegenden Erfindung;
2B eine Darstellung des 2D-Arrays aus 2A gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ein Blockschaltbild des Wandlers aus den 1, 2A und 2B gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ein Blockschaltbild der Teilarray-Strahlformer aus 3 gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 ein Blockschaltbild der PC-Karte aus 1 gemäß der vorliegenden Erfindung und die darin erzeugten Wellenformen;
6 eine perspektivische Ansicht der tragbaren Ultraschallvorrichtung aus 1 mit einem Laptop-Computer gemäß der vorliegenden Erfindung;
7A eine perspektivische Ansicht eines Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7B eine Draufsicht auf das 1D-Array aus 7A gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 ein schematisches Diagramm einer in der Hand gehaltenen 3D-Ultraschallvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
9 ein schematisches Diagramm einer tragbaren 3D-Ultraschallvorrichtung mit einem in der Hand gehaltenen PC, gemäß der vorliegenden Erfindung; und
10 ein schematisches Diagramm einer tragbaren 3D-Ultraschallvorrichtung mit einem einteiligen Instrumententwurf gemäß der vorliegenden Erfindung.
Es wird nun ausführlich Bezug genommen auf die vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, von denen Beispiele in der begleitenden Zeichnung veranschaulicht sind, in der gleiche Elemente durchgehend mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet wurden.
1 zeigt ein Blockschaltbild, das die Funktion einer tragbaren 3D-Ultraschallvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung einschließlich mit der Hand getragener, mit der Hand bedienter oder mit der Hand gehaltener Vorrichtungen veranschaulicht. Ein Wandler 10 emittiert Ultraschallsignale, die ein Echo von einem (nicht abgebildeten) Körper zurück an den Wandler 10 erzeugen. Der Wandler 10 sorgt auch für eine statische Strahlformung, um eine Vielzahl von teilarray-summierten akustischen HF-Signalen zu erzeugen, die von einem dynamischen Strahlformer 20 empfangen werden. Der dynamische Strahlformer 20 führt eine dynamische Strahlformung durch, um volles Array von strahlgeformten HF-Daten zu erzeugen, die durch einen Bilddetektor 30 empfangen werden, welcher daraus detektierte akustische Daten erzeugt. Der dynamische Strahlformer 20 und der Bilddetektor 30 sind auf einer PC-Karte (Personal Computer) 25 gebildet. Ein Bildrasterwandler 40 wandelt die detektierten akustischen Daten in ein 3D-Bild um, das auf einer Anzeigeeinheit 50 angezeigt wird.
2A zeigt eine perspektivische Ansicht des Wandlers 10 aus 1. Der Wandler 10 ist aus einer Vielzahl von in einem 2D-Array 14 angeordneten akustischen Elementen 12 und einem Sondenkabel 16 gebildet. Die akustischen Elemente 12 senden die Ultraschallsignale und empfangen die erzeugten Echos.
2B zeigt eine Draufsicht auf das 2D-Array 14 aus 2A, das zwischen 1000 und 6000 akustische Elemente 12 umfasst. Als Beispiel wird ein Wandler 10 mit ca. 3000 akustischen Elementen 12 beschrieben. Das 2D-Array 14 ist in 2B als eine quadratische Matrix dargestellt. Es können jedoch auch andere Formen, zum Beispiel ein rechteckiges, gekrümmtes, ovales oder kreisförmiges Array verwendet werden, und welche optimal ist, hängt hauptsächlich von dem zu analysierenden Objekt ab.
3 zeigt ein Blockschaltbild des Wandlers 10 aus den 1, 2A und 2B. Der Wandler 10 umfasst eine Vielzahl von Teilarray-Strahlformern 18, die sowohl das Aussenden als auch das Empfangen von akustischen Impulsen durch die Elemente 12 steuern und die durch das abgetastete Medium erzeugten akustischen Echos kombinieren, um die teilarray-summierten akustischen HF-Signale zu bilden, die dann von dem Wandler 10 über Signalleitungen 17 übertragen werden. Jede Signalleitung tritt aus einem Teilarray-Strahlformer 18 aus. Die Signalleitungen 17 sind innerhalb des Sondenkabels 16 in Gruppen zusammengefasst. In dem vorliegenden Beispiel gibt es 128 Signalleitungen 17. Es ist zu beachten, dass nicht alle Teilarray-Strahlformer 18 mit dem Kabel 16 verbunden zu sein brauchen. Einige Teilarrays können ausschließlich zum Senden, aber nicht zum Empfangen, benutzt werden, wodurch die Sendeapertur des Wandlers 10 vergrößert wird, ohne die Anzahl der Signalleitungen 17 zu erhöhen.
4 zeigt ein Blockschaltbild der Teilarray-Strahlformer 18 aus 3. Es gibt zwei Hauptphasen der Strahlformung, nämlich Senden und Empfangen. Während des Sendens werden von den Elementen 12 des Wandlers 10 akustische Impulse erzeugt. Während der Empfangsphase empfangen die Elemente 12 des Wandlers 10 Echos von diesen Impulsen im abgetasteten Medium, verstärken und kombinieren sie. Für die Strahlformung in der Sendephase erzeugen Sendeverzögerungen 11 und HS-Impulsgeber (Hochspannung) 13 verzögerte Hochspannungsimpulse. Die verzögerten Hochspannungsimpulse gehen zu T/R-Schaltern (Sende-/Empfangsschaltern) 9, die in 4 in einer Empfangsstellung dargestellt sind, aber zum Zeitpunkt der Signalübertragung mit den HS-Impulsgebern 13 verbunden wären. In 4 nicht abgebildet sind Steuerungen zum Einstellen einzelner Sendeverzögerungen und Sollspannungen der Sendeverzögerungen 11 und der HS-Impulsgeber 13. Die akustischen Elemente 12 senden akustische Impulse. Die akustischen Impulse werden relativ zueinander zeitgesteuert, um einen Fokus im Raum zu erzeugen.
In der Empfangsphase werden die zuvor gesendeten akustischen Impulse durch Strukturen im Körper reflektiert. Zwischen den Zeitspannen, in denen die akustischen Impulse gesendet und die erzeugten Impulse von den akustischen Elementen 12 empfangen werden, schalten die T/R-Schalter 9 auf die Empfangsstellung. Akustische Impulse werden durch die akustischen Elemente 12 von vielen Stellen am Körper empfangen, und Empfangsabtasteinheiten 15 tasten die resultierende Schallwelle periodisch ab, um analoge Abtastwerte zu erzeugen, die kleine Spannungen sind. Die analogen Abtastwerte werden dann durch Empfangsverzögerungen 19 verzögert. Die Empfangsverzögerungen 19 sind statische Verzögerungen, was bedeutet, dass sie im Laufe des akustischen Empfangs unverändert bleiben. Die Empfangsverzögerungen 19 können auch programmierbar sein.
Die separat verzögerten empfangenen Signale werden durch erste Summierer 7 summiert und nach dem Summieren führen Verstärker mit variabler Verstärkung 5 eine TGC (Time Gain Compensation) durch. Eine variable Verstärkung ist erforderlich, weil die durch die akustischen Elemente 12 empfangenen Signale von immer späteren Zeitpunkten immer tiefer gelegenen Stellen im Körper entsprechen und daher abgeschwächt werden. Die Verstärker mit variabler Verstärkung 5 kompensieren diese Abschwächung durch eine Erhöhung der Ausgabe. Die teilarray-summierten akustischen HF-Signale werden über die Signalleitungen 17 übertragen.
5 zeigt ein Blockschaltbild der PC-Karte 25 aus 1 und die darin erzeugten Wellenformen, wobei die PC-Karte 25 den dynamischen Strahlformer 20, bei dem es sich um ein FPGA (Field Programmable Gate Array) handelt, und den Bilddetektor 30 umfasst. Die teilarray-summierten akustischen HF-Signale werden an auf der PC-Karte 25 befindliche Analog-Digital-Umsetzer 22 übertragen, wo sie in einen Strom von digitalen Wörtern umgesetzt werden. Die Analog-Digital-Umsetzer 22 haben eine Eingangstaktung mit einer Rate von 10 MHz, um 10 Megabits teilarray-strahlgeformte Daten pro Sekunde zu erzeugen, die an den dynamischen Strahlformer 20 weitergeleitet werden, welcher dynamische Empfangsverzögerungen 24 umfasst. Die dynamische Empfangsstrahlformung justiert die Verzögerungen der digitalen Signalabtastwerte von den Analog-Digital-Umsetzern 22 während der gesamten Zeitdauer des Empfangs von akustischen Echos. Infolge der wiederholten Verzögerungsjustierungen wird der akustische Fokus des Wandlerelementarrays entlang der Linie bewegt, die von den durch Reflektionen im abgetasteten Medium erzeugten Echos gebildet wird. Die dynamischen Verzögerungen sind vorgegeben, um dem Weg der Echos bei ihrer Ausbreitung durch das Medium zur Stirnseite des Wandlers 10 zu folgen, wodurch die Auflösung des detektierten Signals an jedem Punkt maximiert wird. Dies steht im Gegensatz zu der statischen Strahlformung, die für die Teilarray-Elementgruppen durchgeführt wird, weil diese Verzögerungen konstant gehalten werden und somit die Fokusauflösung nur bei einer einzigen Tiefe im Echopfad maximieren. Während statische Verzögerungen vorzugsweise mit analogen Schaltungen wie Reihen von Sample-and-Hold-Verstäkern implementiert werden können, sind die dynamischen Empfangsverzögerungen 24 digital, und sie verzögern die teilarray-strahlgeformten Empfangssignale weiter und justieren jede Gesamtverzögerung relativ zu benachbarten Signalen, um den Fokus zu verbessern. Nach der Verzögerung durch die dynamischen Empfangsverzögerungen 24 werden alle teilarray-strahlgeformten Signale durch einen zweiten Summierer 26 zu einem einzigen vollen Satz von strahlgeformten HF-Daten summiert.
Der volle Satz strahlgeformter HF-Daten wird durch den Bilddetektor 30 empfangen, der einen HF-Filter 32 umfasst, welcher ein FIR-Filter (Finite Impulse Response) sein kann. Der HF-Filter 32 unterdrückt Teile des empfangenen Signals, die wahrscheinlich nicht von der beabsichtigten Sendesignalform stammen, und isoliert Frequenzen im empfangenen Signal, die bei der Detektion die meiste Auflösung der Gewebestrukturen bieten. Das gefilterte HF-Signal am Ausgang des Filters 32 enthält immer noch die Sendeträgerfrequenz, ist jedoch durch die Reflektionen von den abgetasteten Gewebestrukturen in der Amplitude moduliert. Das gefilterte Signal wird an einen Hüllkurvendetektor 34 weitergeleitet, der ein langsamer variierendes Signal erzeugt, das den maximalen Ausmaßen, oder der Hüllkurve, des sich schnell bewegenden gefilterten HF-Signals folgt. Das hüllkurvendetektierte Signal stellt nur die Intensität der empfangenen Echos dar, wobei die Sendeträgerfrequenz und andere durch die akustische Ausbreitung erzeugten Frequenzen entfernt wurden. Da in dem abgetasteten Medium an den Grenzen zwischen Gewebe und Flüssigkeiten mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen Echos gebildet werden, hat das hüllkurvendetektierte Signal an diesen Grenzen relativ hohe Intensitäten und kann durch den Bildrasterwandler und die Anzeige-Hardware und -Software verwendet werden, um ein anzeigbares Bild der Gewebe und Flüssigkeitsgrenzen selbst zu bilden. Der Bilddetektor 30 umfasst auch einen logarithmischen Kompressor 36, um einen Dynamikbereich der hüllkurvendetektierten Signale auf einen Bereich zu reduzieren, der durch das menschliche Auge verarbeitet werden kann. Dies ist erforderlich, weil die numerische Amplitude der Echos vor der logarithmischen Kompression im Vergleich zu ähnlichen in der Natur gesehenen oder gehörten Signalen erweitert ist.
Akustische detektierte Daten werden durch den Bilddetektor 30 ausgegeben und dann durch den Bildrasterwandler 40, bei dem es sich um einen PC bestehend aus mindestens einer CPU und einem Hauptspeicher handeln kann, einer Bildrasterwandlung von Polarkoordinaten in ein kartesisches 3D-Gitter unterzogen. Nach der Bildrasterwandlung und Wiedergabe (nicht abgebildet) wird das 3D-Bild erzeugt und durch die Anzeigeeinheit 50 angezeigt. Die Wiedergabe kann durch den PC-Hauptspeicher mit Hilfe von Wiedergabealgorithmen wie Sheer Warp, 3D-Textur-Mapping und Ray Casting, durchgeführt werden. Aufgrund der jüngsten Entwicklungen im Bereich der Computer ist die PC-Hardware jetzt leistungsfähig und klein genug, um diese Wiedergabealgorithmen und die Bildrasterumwandlung in einem tragbaren System durchzuführen.
Die detektierten Daten umfassen ein 3D-Volumen gemessen über die Zeit. Dieses 3D-Volumen wird durch die Verwendung der akustischen Elemente 12 in dem 2D-Array 14 und durch die Verzögerung des Sendens und Empfangens der Signale an und von jedem einzelnen Element möglich, wie zuvor beschrieben. Im Speziellen kombinieren sich die statischen Sendeverzögerungen 11 und die statischen Empfangsverzögerungen 19 mit der Programmierung der dynamischen Empfangsverzögerungen 24 und bestimmen zusammen die Richtung der akustischen Abtastlinien, die Echos entlang einer in dem 3D-Raum (durch das abgetastete Medium) ausgerichteten Linie erzeugen und empfangen können. Durch das Abtasten mehrerer durch den 3D-Raum verlaufender Linien wird der Satz von 3D-Bilddaten erzeugt, der dann durch bekannte 3D-Wiedergabeverfahren verarbeitet wird, um eine 3D-Anzeige der abgetasteten Strukturen zu bilden. Das 3D-Bild kann also in einem tragbaren oder in der Hand gehaltenen Ultraschallgerät erzeugt werden, und der Wandler 10 braucht nicht in eine Schwingbewegung versetzt oder vor und zurück bewegt zu werden. Das 3D-Bild kann zwei Ebenen darstellen (zwei Bilder des gleichen Objekts aus verschiedenen Winkeln, die gleichzeitig angezeigt werden), mehrere Ebenen darstellen (mehrere Bilder des gleichen Objekts in unterschiedlichen Tiefen), volumetrisch sein (es wird eine Datenpyramide angezeigt, wobei einige der Daten transparent sind), holographisch sein, oder es können mehrere Ebenen abgetastet werden, wobei eine ausgewählten Ebene oder alternativ eine Oberfläche mit einer vom Benutzer gewählten Form opak ist.
Außerdem wird das 3D-Bild in Echtzeit angezeigt. Mit Echtzeit ist gemeint, dass das Bild aus der Sicht eines Benutzer den aktuellen Zustand des Patienten zu jedem Zeitpunkt darzustellen scheint, obwohl das System eine sehr kurze, aber finite Zeitdauer benötigt, um die Information zu verarbeiten und anzuzeigen. So weit der Benutzer erkennen kann, zeigt das Ultraschallbild also gleichzeitig das zu analysierende Objekt an.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht der tragbaren 3D-Ultraschallvorrichtung 100 mit einem Laptop-Computer 142. Die PC-Karte 25 ist in den Laptop-Computer 142 eingeführt, um das System zusammenzustellen. Die PC-Karte 25 sorgt für die dynamische Strahlformung und Bilddetektion. Die CPU, der Hauptspeicher und ein ausführbares Programm (nicht abgebildet) des Laptop-Computers 142 sorgen für die Rasterwandlung und Wiedergabe, und die Anzeigeeinheit 50 ist der Bildschirm des Laptop-Computers 142. Auf diese Weise wiegt die tragbare 3D-Ultraschallvorrichtung 100 aus 6 nur ca. 10 lbs oder weniger.
7A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wandlers 210 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Wandler 210 umfasst eine Vielzahl von akustischen Elementen 212, die in einem 1D-Array 214 angeordnet sind.
7B zeigt eine Draufsicht des 1D-Arrays 214 aus 7A, die ca. 100 akustische Elemente 212 umfasst. Das 1D-Array 214 ist eine lineare Reihe von rechteckigen Elementen, in der Lage Abtaststrahlenbündel in nur einem begrenzten Satz von Win keln in einer einzelnen 2D-Ebene zu formen. Es muss also durch eine bewegliche Einheit 220 gedreht oder geschwungen werden, um die Vielzahl von Schichten in unterschiedlichen Winkeln zu erzeugen, die das 3D-Bild enthält. Der Wandler 210 umfasst auch ein Sondenkabel 216. Im Gegensatz zu früheren Entwürfen, die ein 1D-Array oder linear angeordnete Reihen von Elementen verwendeten, um eine 2D-Ultraschallbildanzeige zu erzeugen, ist die vorliegende Erfindung in der Lage, ein 3D-Ultraschallbild in einem tragbaren oder in der Hand gehaltenen Gerät zu erzeugen, und zwar aufgrund der vorliegenden Nutzung eines 1D-Arrays mit mechanischer Array-Bewegung kombiniert mit verbesserten Wiedergabealgorithmen und leistungsfähigeren Computern, wie oben beschrieben.
8 zeigt ein schematisches Diagramm einer in der Hand gehaltenen 3D-Ultraschallvorrichtung 110 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die in der Hand gehaltene 3D-Ultraschallvorrichtung 110 ähnelt in ihrer Erscheinung und ihrer Nutzung den in der Hand gehaltenen Videoaufnahmevorrichtungen. Der dynamische Strahlformer 20, der Bilddetektor 30 und der Bildrasterwandler 40 befinden sich innerhalb der in der Hand gehaltenen 3D-Ultraschallvorrichtung 110 und sind daher nicht abgebildet. Der Wandler 10 kann auf einer Haupteinheit 111 der in der Hand gehaltenen 3D-Ultraschallvorrichtung 110 aufbewahrt werden, wenn er nicht benutzt wird, und kann zur Verwendung bei einem Patienten von der Haupteinheit 111 abgenommen werden. Ein Handgriff 113 erleichtert den Transport und das Festhalten der in der Hand gehaltenen 3D-Ultraschallvorrichtung 110, und Bedienelemente 112 dienen zur Justierung des Bildes, das in 8 ein Zwei-Ebenen-Bild ist. Ein Scharnier 114 macht es möglich, die in der Hand gehaltene 3D-Ultraschallvorrichtung 110 zu schließen, wenn sie nicht benutzt wird, wodurch die Tragbarkeit gesteigert wird.
9 zeigt ein schematisches Diagramm einer tragbaren 3D-Ultraschallvorrichtung 120 mit einem in der Hand gehaltenen PC 124. Der in der Hand gehaltene PC 124 umfasst die Anzeigeeinheit 50 und Tasten 122 zum Justieren des Bildes, und führt die Bilddetektion, die Bildrasterumwandlung und die Wiedergabe durch. Ein Akkusatz 123 versorgt den in der Hand gehaltenen PC 124 mit Energie und kann auch die Schaltungen zur Durchführung der Bilddetektion enthalten. Der in der Hand gehaltene PC 124 kann von dem im Handel als PDA oder „Personal Digital Assistant" bezeichneten Typ sein.
10 zeigt ein schematisches Diagramm einer tragbaren 3D-Ultraschallvorrichtung 130 mit einem einteiligen Entwurf. In dem eigenständigen einteili gen Entwurf sind alle Elemente in einer einzigen Einheit enthalten, die eine Batterie 136 und Bedientasten 132 umfasst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine wirklich tragbare 3D-Ultraschallvorrichtung, die sich leicht tragen lässt und von Hand an jedem Ort benutzt werden kann. Aufgrund der vorliegenden Nutzung eines verbesserten Wandlerentwurfs, verbesserter Wiedergabealgorithmen und leistungsfähigerer Computer überwindet die vorliegende Erfindung die Einschränkungen der früheren Entwürfe.
Text in der Zeichnung
1

Generated responses – Erzeugte Echos
Emitted ultrasound signals – Emittierte Ultraschallsignale
Transducer (static beamforming) – Wandler (statische Strahlformung)
Sub-array summed RF acoustic signals – teilarray-summierte akustische HF-Signale
Dynamic beamformer – Dynamischer Strahlformer
Full array beamformed RF data – Volles Array strahlgeformter HF-Daten
Image detector – Bilddetektor
Detected data – Detektierte Daten
Scan converter – Bildrasterwandler
3D image – 3D-Bild
Display unit – Anzeigeeinheit

3

Sub-array beamformer – Teilarray-Strahlformer
Subarray summed RF acoustic signals – teilarray-summierte akustische HF-Signale

4

Receive sampler – Empfangsabtasteinheit
Receive delay – Empfangsverzögerung
HV pulser – Hochspannungs-Impulsgeber
Xmit delay – Sendeverzögerung
Sub-arrays summed RF acoustic signals – teilarray-summierte akustische HF-Signale

5

ADC – Analog-Digital-Umsetzer
Dynamic receive delay – Dynamische Empfangsverzögerung
Full array beamformed RF data – Volles Array strahlgeformter HF-Daten
RF filter – HF-Filter
Envelope detector – Hüllkurvendetektor
Logarithmic compressor – Logarithmischer Kompressor
Detected acoustic data – Detektierte akustische Daten
To scan converter (PC main memory) – Zum Bildrasterwandler (PC-Hauptspeicher)
Beamformed, unfiltered – Strahlgeformt, ungefiltert
RF filtered – HF-gefiltert
Envelope detected – Hüllkurvendetektiert
Log compressed – log-komprimiert

Claims

Tragbare Ultraschallvorrichtung (100), die Folgendes umfasst: – einen Wandler (10) mit: – einem 2D-Wandlerarray (14); – einem Emitter zum Emittieren von Ultraschallenergie; – einen Empfänger zum Empfangen von gemäß der emittierten Ultraschallenergie erzeugten Echos; – eine Vielzahl von Teilarray-Strahlformern mit einem Satz statischer Empfangsverzögerungen (19) zum Erzeugen einer Vielzahl von summierten akustischen Signalen; – einen Signalprozessor zum Verarbeiten der genannten Vielzahl von summierten akustischen Signalen, wobei der genannte Signalprozessor Folgendes umfasst: – einen dynamischen Strahlformer (20), um aus der genannten Vielzahl von summierten akustischen Signalen ein Array strahlgeformter Daten zu erzeugen; – einen Bilddetektor (30), um das Array strahlgeformter Daten zu empfangen und detektierte 3D-Daten zu erzeugen; – eine Bildrasterwandler (40), um die detektierten 3D-Daten in ein 3D-Ultraschallbild umzuwandeln; und – eine Anzeigeeinheit (50), um das 3D-Ultraschallbild anzuzeigen, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte tragbare Ultraschallvorrichtung (100) einen Laptop-Computer (142) und eine in den genannten Laptop-Computer (142) eingeführte Personal-Computer-Karte (25) umfasst, so dass der genannte dynamische Strahlformer (20) und der genannte Bilddetektor (30) auf der genannten Personal-Computer-Karte (25) gebildet werden, wobei der genannte Bildrasterwandler (40) durch ein auf einer CPU des genannten Laptop-Computers (142) laufendes ausführbares Programm gebildet wird und die genannte Anzeigeeinheit (50) der Bildschirm des genannten Laptop-Computers (142) ist.
Gerät nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Batterie (123, 136), um die tragbare Ultraschallvorrichtung (100) zu versorgen.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Teilarray-Strahlformern Folgendes umfasst: einen Satz statischer Sendeverzögerungen (11), um die erzeugten Echos zu verzögern; und einen Satz statischer Empfangsverzögerungen (19), um eine Vielzahl der erzeugten Echos zu verzögern; und einen ersten Summierer (7), um die Vielzahl von verzögerten erzeugten Echos zu summieren und die Vielzahl von summierten akustischen Signalen zu erzeugen.
Gerät nach Anspruch 1, wobei der dynamische Strahlformer (20) Folgendes umfasst: eine Vielzahl von dynamischen Empfangsverzögerungen (24), um die Vielzahl von summierten akustischen Signalen zu verzögern; und einen zweiten Summierer (26), um die Vielzahl von verzögerten akustischen Signalen zu summieren und das Array von strahlgeformten Daten zu erzeugen.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das 3D-Ultraschallbild ein Bild mit zwei Ebenen, ein Bild mit mehreren Ebenen, ein einzelnes Bild mit einer benutzerdefinierten Ausrichtung, ein volumetrisches Bild oder ein holographisches Bild ist.
Gerät nach Anspruch 3, wobei die detektierten 3D-Daten eine Vielzahl von Abtastlinien in drei Dimensionen umfassen und die statischen Sendeverzögerungen (11) die gesendete Ultraschallenergie fokussieren, um die Vielzahl von Abtastlinien in drei Dimensionen zu erzeugen, und/oder die dynamischen Empfangsverzögerungen (19) die empfangenen Echos fokussieren, um die Vielzahl von Abtastlinien in drei Dimensionen zu erzeugen.
Verfahren, das die folgenden Schritte umfasst: – Abtasten eines Körpers mit einer tragbaren oder in der Hand gehaltenen Vorrichtung (100), die ein 2D-Wandlerarray (14) umfasst, wobei der Schritt des Abtastens die folgenden Teilschritte umfasst: – Senden von Ultraschallenergie von der tragbaren oder in der Hand gehaltenen Vorrichtung (100), – Empfangen von gemäß der gesendeten Ultraschallenergie erzeugten Echos, – Verzögern einer Vielzahl von erzeugten Echos durch statische Empfangsverzögerungen (19) und Summieren der Vielzahl von verzögerten erzeugten Echos, um eine Vielzahl von summierten akustischen Signalen zu erzeugen, – Senden der Vielzahl von summierten akustischen Signalen von dem 2D-Wandlerarray (14) an einen Signalprozessor, – Verzögern der Vielzahl von summierten akustischen Signalen durch dynamische Empfangsverzögerungen (24) und Summieren der Vielzahl von verzögerten summierten akustischen Signalen, um ein Array aus strahlgeformten Daten zu erzeugen; – Erzeugen von detektierten 3D-Daten anhand des genannten Arrays strahlgeformter Daten; – Bildrasterumwandlung der detektierten 3D-Daten zu einem 3D-Ultraschallbild; – und Anzeigen des 3D-Ultraschallbildes auf der tragbaren oder in der Hand gehaltenen Vorrichtung (100); dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Schritt der Bildrasterumwandlung der detektierten 3D-Daten zu einem 3D-Ultraschallbild durch das Ausführen eines ausführbaren Programms auf einer CPU eines Laptop-Computers (142) gebildet wird, wobei der Schritt des Verzögerns der Vielzahl von summierten akustischen Signalen durch dynamische Empfangsverzögerungen (24) und des Summierens der Vielzahl von verzögerten summierten akustischen Signalen zum Erzeugen eines Arrays strahlgeformter Daten auf einer PC-Karte (25) gebildet wird, wobei die genannte PC-Karte (25) in den genannten Laptop-Computer (142) eingeführt wird und der genannte Schritt des Anzeigens des 3D-Ultraschallbildes auf einem Bildschirm (50) des genannten Laptop-Computers (142) durchgeführt wird.