DE69106933T2

DE69106933T2 - Gerät zur Festechounterdrückung für einen Ultraschallechograph.

Info

Publication number: DE69106933T2
Application number: DE69106933T
Authority: DE
Inventors: Odile Bonnefous
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1991-05-08
Publication date: 1995-08-17
Anticipated expiration: 2011-05-09
Also published as: JP2966969B2; DE69106933D1; FR2662265A1; US5156153A; JPH04231889A; EP0457396B1; EP0457396A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Festecho- Unterdrückung für einen Ultraschall-Echographen mit Aussendung wiederkehrender Pulse, die mit einer Korrelations- und Interpolationsschaltung für die Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen von sich bewegenden Umgebungen versehen ist und wenigstens ein Festecho-Unterdrückungsfflter des Bandpaß-Typs mit Verzögerungsleitungen umfaßt.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung dieser Vorrichtung besteht in der Messung von Geschwindigkeitsprofilen von Blutströmungen mittels Ultraschall-Echographie.
Die allgemeine technische Aufgabe, die bei jedem Ultraschall-Echographen gelöst werden muß, der zur Messung und, ergänzend, zur bildlichen Darstellung von Blutströmungsgeschwindigkeiten bestimmt ist, besteht darin, die Festechos infolge des großen Reflexionsvermögens von biologischen Geweben (hier von Gefäßwänden), die das Reflexionsvermögen von Blut (rote Blutkörperchen) um 40 dB übersteigen können, zu unterdrücken. Vor jeder Schätzung des Geschwindigkeitsprofils ist die Verwendung einer Vorrichtung zur Festecho-Unterdrückung daher unerläßlich, um die Dynamik der zu verarbeitenden Signale zu reduzieren und um die Strömungsgeschwindigkeiten über einen ganzen Gefäßabschnitt hinweg korrekt zu messen, vor allem die geringen Geschwindigkeiten, die in der Nähe von Gefäßwänden auftreten und die aus diesem Grunde von starken, von diesen Wänden herrührenden Signalen überdeckt werden.
Eine einfache Lösung dieser allgemeinen technischen Aufgabe besteht bei einer Vorrichtung zur Festecho-Unterdrückung für Ultraschall-Echographie beispielsweise darin, ein Filter des Verzögerungsleitungs-Typs einzusetzen, das aus einer um eine Folgefrequenzperiodendauer verzögerte Verzögerungsleitung parallel zu einer Leitung mit der Verzögerung null besteht. Auf diese Leitungen wirken Gewichtungskoeffizienten, die nach Gewichtung von einem Addierer addiert werden. Dieses bekannte Filter berücksichtigt so den Unterschied zwischen zwei aufeinanderfolgenden Echographielinien, was im Prinzip zu einer fast vollständigen Unterdrückung der von den festen Geweben produzierten Echos führt. Dieses Verfahren hat allerdings den großen Nachteil, daß auch die den geringen Strömungsgeschwindigkeiten entsprechenden Signale abgeschwächt werden. Als Beispiel kann angeführt werden, daß das Verhalten des obigen Filters als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit so ist, daß bei einer Folgefrequenz von 1/T = 5 kHz und einer Sendefrequenz von Nc = 5 MHz ein V = 5 cm/s entsprechendes Signal um 30 dB abgeschwächt wird.
Dies macht es schwierig, wenn nicht gar unmöglich, Strömungsgeschwindigkeiten dort zu messen, wo sie am geringsten sind, das heißt in der Nähe von Gefäßwänden. Die Kenntnis dieser Geschwindigkeiten ist jedoch sehr wichtig für die klinische Untersuchung und Diagnostik beispielsweise von Arterien.
Es ist außerdem bekannt, daß man die Steilheit des obenerwahnten Filters im Grenzfrequenzbereich erhöhen kann, indem man seine Ordnung erhöht. Wendet man dies auf die Messung von Geschwindigkeiten mittels Echographie an, so heißt dies, daß nicht mehr zwei aufeinanderfolgende Echographielinien verarbeitet werden sondern mehr, etwa M, mit Hilfe eines Filters des Typs mit Verzögerungsleitungen, das aus M parallelen Leitungen i mit einer jeweiligen Verzögerung (i-1)T zusammengesetzt ist. Um die Unterdrückung der Festechos zu gewährleisten, sind die M Leitungen durch Koeffizienten gewichtet, deren Summe Null ist. Dann werden alle Leitungen addiert, um danach von einer Geschwindigkeitsabschätzungsschaltung mittels Korrelation, Phasenverschiebung usw. verarbeitet zu werden. Mit diesem Filtertyp ist es jedoch schwierig, gleichzeitig eine genaue Messung des Geschwindigkeitsprofils der untersuchten Strömung und eine schnelle Bildfolge zu erhalten. Wenn N die Anzahl der zu verarbeitenden Leitungen ist (typischerweise N = 16 für die peripheren Gefäße und N = 8 für das Herz), und wenn M Leitungen für das Filter zur Festecho-Unterdrükkung verwendet werden, bleiben in der Praxis nur N-M+1 Leitungen für die Geschwindigkeitsabschätzung nutzbar, oder aber es müßte die Bildfolgefrequenz verringert werden, um über die gleiche Anzahl zu verarbeitender Leitungen zu verfügen.
Aus der französischen Patentanmeldung 2 617 982 der Anmelderin ist außerdem ein Vorrichtung zur Festecho-Unterdrückung für Ultraschall-Echographie bekannt, die wenigstens zwei parallel angeordnete Filter gleicher Struktur umfaßt, die zueinander um (M-1)T konjugiert und phasenverschoben sind, wobei jeder Filter erstens aus M parallelen Leitungen i (i = 1, ..., M) mit jeweiliger Verzögerung (i-1)T besteht, wobei T die Wiederholungsfrequenz des Echographen ist, und zweitens aus Gewichtungsmitteln für die M Leitungen i besteht, wobei die Summe der den genannten Leitungen zugewiesenen Koeffizienten Null ist, und schließlich aus einem Addierer für die so verzögerten und gewichteten Leitungen i, wobei dank dieser Vorrichtung vor allem in der Nähe von Organwänden eine zufriedenstellende Schätzung der geringen Geschwindigkeiten der Blutströmungen erhalten werden kann, und zwar ohne bedeutende Verringerung der zu verarbeitenden Leitungen und damit ohne Verringerung des Bildtaktes. Auf diese Weise werden zwei Filter der Ordnung M-1 mit als Modul gleichem Frequenzverhalten erhalten. Am Ausgang dieser Filter verfügt man daher über: 2(N-M+1) Signale zur Schätzung der Geschwindigkeit anstatt von N-M+1 Signalen. Diese Signale sind nicht völlig unabhängig, mit einem stromabwärts angeordneten Geschwindigkeitsschätzer, der eine nicht-lineare Operation verwendet (2-Bit- Korrelation, Phasenverschiebung,...) wird jedoch eine bedeutende Verbesserung erhalten. Eine genauere Korrelation als die 1-Bit-Korrelation würde allerdings die Effekte der so erhaltenen Verbesserung vermindern. Die durch die vorliegende Erfindung zu lösende technische Aufgabe besteht darin, unter Beibehaltung einer großen Anzahl von für die Geschwindigkeitsabschätzung verwendbaren Leitungen eine Filterung zur Festechodunterdrückung zu erhalten, die bei den zu messenden geringen Geschwindigkeiten korrekt ist und dabei bei den höheren Geschwindigkeiten nahe am Optimum bleibt.
Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Festecho-Unterdrückung zu verwirklichen, die eine korrekte Filterung für den gesamten Bereich von Geschwindigkeiten vornimmt, deren Messung von Nutzen ist und die typischerweise zwischen 0 und 100 cm/s liegen.
Diese Aufgabe wird erreicht und die Nachteile aus dem Stand der Technik werden abgeschwächt oder beseitigt dank der Tatsache, daß die Vorrichtung zur Festecho-Unterdrückung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet ist, daß sie mehrere parallel angeordnete Filter zur Festecho-Unterdrückung der eingangs genannten Art umfaßt, deren Durchlaßbereiche nebeneinander liegen, wobei Amplitudendetektoren jeweils mit dem Ausgang jedes der genannten Filter und dem Eingang eines Komparators verbunden sind und Verzögerungselemente zwischen den Ausgang jedes Filters und einen Multiplexer geschaltet sind, wobei letzterer ein aus dem genannten Komparator kommendes Befehlssignal empfängt, um am Ausgang des genannten Multiplexers dasjenige unter den Ausgangssignalen der genannten Filter zu selektieren, das die größte Amplitude aufweist.
So wird eine Mehrfachfilterung erhalten, wobei jedes Filter an einen bestimmten Bereich von Geschwindigkeiten angepaßt ist. Die Auswahl, die darin besteht, mittels des Multiplexers das Filter zu selektieren, das die Daten mit der größten Amplitude liefert, ist dadurch gerechtfertigt, daß man für das Nutzsignal mit unterdrückten Festechos eine Amplitude zu erhalten versucht, die deutlich oberhalb des Rauschpegels liegt, vor allem bei den langsamen Geschwindigkeiten. Außerdem ermöglicht die Verwendung mehrerer Filter, deren Durchlaßbereiche nebeneinander liegen, die Selektierung eines den niedrigsten Geschwindigkeiten zugeordneten Filters mit großer Steilheit, wobei für dieses Filter (und auch für die anderen parallelen Filter) eine niedrige Ordnung beibehalten werden kann. Was die Ordnung n der Filter betrifft, so hat sich experimentell herausgestellt, daß es nicht möglich ist, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Festecho-Unterdrückung durch Verwendung von Filtern mit 3 Koeffizienten bedeutend zu verbessern. Außerdem sind die Ergebnisse, die mit Filtern mit 5 Koeffizienten erhalten wurden, beinahe gleich den Ergebnissen, die mit Filtern mit 4 Koeffizienten erhalten wurden, auch wenn dies auf Kosten einer größeren Komplexität geht und bei manchen auf Mehrfachfilterung beruhenden Ausführungsformen auch mit dem größeren Risiko von in den gemessenen Geschwindigkeitsprofilen erscbeinenden Diskontinuitäten verbunden ist; aus diesem Grunde wurden diese Ausführungsformen, bei denen die Funktionen zur Festecho-Unterdrückung und Korrelation völlig getrennt sind, verworfen wurden. Die erfindungsgemäßen Filter zur Festecho-Unterdrückung sind vorzugsweise Filter mit 4 Koeffizienten, deren Summe null ist, wobei diese letzte Eigenschaft die erste bekannte Bedingung für die Festecho-Unterdrückung ist, also:
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Filter zur Festecho-Unterdrückung so selektiert und entworfen, daß sie die Funktion A( ) des Signal-Rausch-Verhältnisses zwischen Ausgang und Eingang der genannten Filter maximal werden lassen:
mit: = 4πNC VT/C
wobei:
NC: Frequenz des Echographiesignals während des Pulses,
V: dem selektierten Filter entsprechende Geschwindigkeit der Blutströmung,
T: Folgefrequenz des Echographiesignalpulses,
C: Geschwindigkeit des Schalls in der untersuchten Umgebung
bedeuten und die Summe der Quadrate der Koeffizienten normiert ist als:
wobei K eine Konstante darstellt.
Die Auswahl des Filters geschieht wie folgt: Für jede festgelegte Geschwindigkeit V versucht man, das Signal-Rausch-Verhältnis A( ) zu maximieren, indem man die Koeffizienten (ak) verändert und dabei die Bedingung (1) einhält. Für alle Koeffizienten wählt man eine Dynamik, das heißt einen regelmäßigen Veränderungsschritt zwischen einem (positiven) Maximalwert und einem (negativen) Minimalwert mit gleichem Betrag wie dem vorherigen, und man betrachtet alle möglichen Kombinationen der Koeffizienten ak (k [0,n]) so, daß die Bedingungen (1) und (3) erfüllt werden. Für jeden möglichen Geschwindigkeitswert behält man dann die Koeffizientenkombinationen zurück, die für A (∅) die höchsten Werte ergeben. Dann wird für einen betrachteten Geschwindigkeitsbereich unter den verschiedenen Kombinationen, die ebensovielen Geschwindigkeitspunkten des betrachteten Bereichs entsprechen, die Kombination zurückbehalten, die diesen verschiedenen Punkten gemein ist. Angesichts der geringen erforderlichen Koeffizientenanzahi der Filter (wie oben erwähnt vorzugsweise 4) ermöglicht diese Maßnahme die Auswahl einer geringen Anzahl von Filtern (in der Größenordnung von 3) für den Bereich nützlicher Geschwindigkeiten.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erflndungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß
sie die drei folgenden Festecho-Unterdrückungsfilter mit 4 Koeffizienten umfaßt:
- ein Filter für niedrige Geschwindigkeiten:
a&sub0;=2/ 10, a&sub1;=1/ 10, a&sub2;=-1/ 10, a&sub3;=-2/ 10
- ein Filter für mittlere Geschwindigkeiten:
a&sub0;=1/2, a&sub1;=-1/2, a&sub2;=-1/2, a&sub3;=1/2
- ein Filter für hohe Geschwindigkeiten:
a&sub0;=1/2, a&sub1;=-1/2, a&sub2;=1/2, a&sub3;=-1/2
Nicht-einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden zum besseren Verständnis im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 das Übersichtsschema eines Ultraschall-Echographen des Profilometer-Typs mit Aussendung von Pulsen, der eine erfindungsgemäße Festechounterdrückungsvorrichtung enthält,
Figur 2 das Übersichtsschema der erfindungsgemäßen Festechounterdrückungsvorrichtung in Verbindung mit einer Interpoiations- und Korrelationsschaltung, genannt Geschwindigkeitsmeßvorrichtung,
Figur 3 ein Zeitdiagramm, das der Erklärung bestimmter Funktionsfrequenzen der Vorrichtung aus Figur 2 dient,
die Figuren 4a und 4b eine Darstellung von Strukturen von erfindungsgemäßen Festecho-Unterdrückungsfiltern,
Figur 5 die Kurve des Verhaltens eines Filters nach dem Stand der Technik und von drei parallelen erfindungsgemäßen Filtern und
Figur 6 eine Darstellung von Geschwindigkeitsprofilen, die für die Kniekehlenarterie und in deren Nähe erhalten wurden, in 6a entsprechend dem Stand der Technik (einzelner Festecho-Unterdrückungsfilter mit drei Koeffizienten) und in 6b der Erfindung entsprechend.
Figur 1 zeigt in schematischer Form eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von sich bewegenden Organen und Blutströmungen. Diese als Profilometer bezeichnete Vorrichtung basiert auf dem Prinzip, kurze Pulse (in der Größenordnung von 1 us Breite) mit einer Folgefrequenz in der Größenordung von einigen kHz (Ni = 1/T, beispielsweise gleich 5 kHz) auszusenden. Im allgemeinen ist das Profilometer Teil eines komplexeren Gerätes zur Untersuchung mittels Utraschall-Echographie, das außerdem ein System zur zweidimensionalen bildlichen Darstellung der untersuchten Gewebe und Blutströmungen enthalten kann. In Figur 1 ist ein Ultraschallwandler 1 dargestellt, der bei jedem Puls eine Schallwelle aussendet (Pfeil 2), die beispielsweise um eine Mittenfrequenz NC von 5 kHz zentriert ist. Ein Echosignal aus verschiedenen Tiefen der untersuchten Gewebe wird während der gesamten Dauer T empfangen, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen liegt. Der Pulssender ist mit 4 dargestellt. Das Bezugszeichen 5 deutet eine bekannte Trennstufe an, die die Verwendung des gleichen Wandlers 1 beim Senden und Empfangen ermöglicht. Am Ausgang der Trennstufe 5 erhält man auf einem Leiter 6 ein analoges Signal Sa. Das Signal Sa wird von einer Empfangs- und Verarbeitungskette verarbeitet, die aus einem Verstärker mit veränderbarer Verstärkung 7 besteht, einem Abtaster 8, einer Festecho-Unterdrückungsvorrichtung 9 und einer Geschwindigkeitsmeßvorrichtung 11. Der Verstärker mit veränderbarer Verstärkung 7 funktioniert wie folgt: Wenn die Entfernung der Reflektoren zunimmt, nimmt die Amplitude der empfangenen Echos ab, hauptsächlich aufgrund der Absorption der Ultraschaliwellen durch die durchquerten Gewebe. Daher ist es notwendig, diese Abschwächung auszugleichen, um die Dynamik des dem Festecho- Unterdrücker 9 zugeführten digitalen Signals so weit wie möglich zu reduzieren. Das Gesetz für die Verstärkungsveränderung des Verstärkers 7 (bei 6 MHz in der Größenordnung von l dB/us) muß vollständig reproduzierbar sein, und zwar mit mehr als 0,01 dB. Nach Abtastung mit einer Frequenz Fsi, beispielsweise gleich 20 Mhz, in 8, was etwa einer zweifachen Überabtastung entspricht, erscheint das Signal in Form von Abtastungen Sk(t) am Eingang des Festecho-Unterdrückers 7. Die von den Elementen 9 und 11 gebildete Einheit, die den Kern der Erfindung darstellt, ist detaillierter in Figur 2 dargestellt.
Die Abtastung Sk(t) wird mehreren jeweils mit 13, 14 und 15 bezeichneten Filtern F1, F2, F3 zugeführt, von denen jedes ein Festecho-Unterdrückungsfilter des Bandpaß-Typs mit Verzögerungsleitungen darstellt, wie im folgenden anhand der Figuren 4a und 4b noch beschrieben werden soll. Die Durchlaßbereiche der Filter F1, F2 und F3 liegen nebeneinander, und man kann die Kurven für das Verhalten dieser Filter als Geschwindigkeit der zu messenden Doppler-Geschwindigkeiten V so entwerfen (siehe Figur 5), daß diese verschiedenen den Frequenzgangkurven homologen Verhaltenskurven sich im Bereich der niedrigen Geschwindigkeiten, der ungefähr zwischen 10 und 30 cm/s liegt, schneiden. Das Ausgangssignal der Filter 13,14 und 15 ist ein Signal, das mit der gleichen Frequenz Fsi abgetastet wird wie das Eingangssignal Sk(t), das jeweils mit D¹j, D²j und D³j bezeichnet wird. Jedes der Signale D¹j, D²j und D³j wird jeweils einem Amplitudendetektor A1(16), A2(17) und A3(18) sowie einein Verzögerungselement 19, 21, 22 zugeführt. Der Ausgang jedes Amplitudendetektors ist mit einem Komparator 23 verbunden und der Ausgang jedes Verzögerungselementes mit einem entsprechenden Eingang eines Multiplexers 24. Der Komparator 23 selektiert sequentiell die größte Amplitude unter den Signalen D¹j, D²j und D³j und im Multiplexer 24 mittels eines Befehlssignals CO auf einem Mehrfachleiter 25 das Signal dj mit der größten Amplitude, das aus diesem Grunde dem Ausgang 26 des Multiplexers 24 mit der Bezeichnung DR zugeführt wird. Außer dem Befehlssignal CO, das in 23 durch Schwellenschaltungen und Logikgatter erzeugt wird, deren Auswahl und Ausführung dem Fachmann geläufig sind, wird der von einem der Amplitudendetektoren A1, A2 oder A3 gelieferte maximale Amplitudenwert von dem Komparator 23 selektiert und in Form des Signals AR zu den im folgenden erläuterten Zwecken zur Meßv&rrichtung 11 übertragen. Die Verzögerungselemente 19, 21 und 22 werden beispielsweise in Form von Schieberegistern realisiert, die mit der Eingangsabtastfrequenz Fsi arbeiten; ihre Funktion besteht darin, die Ausgangssignale der Filter um eine Zeit zu verzögern, die wenigstens gleich der Schätzung der entsprechenden Amplituden ist, das heißt der Zeit, die zur Verarbeitung des die Amplitudendetektoren und den Komparator 23 durchlaufenden Signals notwendig ist.
Zum besseren Verständnis der Funktionsweise der elektronischen Schaltung aus Figur 2 ist ein Takterzeuger 27 dargestellt, der vier durch ihre Frequenzwerte dargestellte Taktsignale aussendet: Ni, Fsi, No, Fso, wobei diese Taktsignale in herkömmlicher Weise in der Technik des Ultraschall-Echographen verwendet werden. No ist die Ausgangsfolge, die als ein Vielfaches von Ni durch eins gewählt wird, das heißt:
No=Ni/N
wobei in dieser Beziehung N die Anzahl der ausgesendeten Pulse (oder Aktivierungen) ist, die zur Aufstellung eines Geschwindigkeitsprofils berücksichtigt werden. Die Korrelation zwischen aufeinanderfolgenden Signalpaaren wird durchgeführt, und die die N-M Korrelationsfunktionen werden, wie bereits im vorangegangenen gezeigt, gemittelt (bei dem hier betrachteten Beispiel ist M=4). Fso ist die Ausgangsabtastfrequenz, wobei die verschiedenen am Ausgang erhaltenen Abtastungen die aufeinanderfolgenden Geschwindigkeitspunkte des gesuchten Geschwindigkeitsprofils darstellen. Fso ist ein Vielfaches der Eingangsabtastfrequenz durch eins, zum Beispiel: Fso = Fsi/4 (siehe Figur 3). Unter diesen Bedingungen gewährleistet das Signal Fsi die Synchronisation mit der Eingangsabtastfrequenz in allen in Figur 2 dargestellten Elementen, mit Ausnahme des Multiplexers 24, bei dem die Synchronisation mit der Ausgangsabtastfrequenz Fso erfolgt, und mit Ausnahme des Komparators 23, der nicht direkt zur Verarbeitungskette für das als Echo erhaltene Informationssignal gehört. Die Zuführung des Signals Fsi an andere Elemente als 23 und 24 ist in Figur 2 der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Das Signal Ni am Eingang der Filter 13, 14 und 15 symbolisiert das Vorhandensein von mehrfachen Verzögerungen um 1/Ni (1/Ni = T), wie im folgenden anhand der Figuren 4a und 4b erklärt werden soll. Dieses Signal Ni, das auch am Eingang der Geschwindigkeitsmeßvorrichtung 11 auftritt, symbolisiert das Vorhandensein mehrfacher Verzögerungen 1/Ni in dieser Meßvorrichtung, die wie bereits beschrieben zur Mittelwertbildung bei N-M aufeinanderfolgenden Korrelationen erforderlich sind. Vorzugsweise erfolgt die Korrelation in 11 in bekannter Art und Weise so, wie es in der (hierin durch Nennung als aufgenommen betrachteten) Europäischen Patentanmeldung 0 225 667 beschrieben worden ist. Es handelt sich um eine 1- Bit-Korrelation. Für jede auf der Basis von zwei gegebenen aufeinanderfolgenden Pulsen zu bestimmende Geschwindigkeitsabtastung S'&sub1; (siehe Figur 3 dieser Anmeldung) wird ein Zeitfenster mit der Breite w definiert, das eine vorbestimmte konstante Anzahl, beispielsweise 32, von Eingangsabtastungen enthält, wobei die Korrelation bitweise zwischen den zwei Fenstern vorgenommen wird, die zueinander genau um die Dauer T verschoben sind, das heißt, die sich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen entsprechen. Für die folgende Geschwindigkeitsabtastung werden die zwei Fenster der zwei betrachteten Pulse um eine vorbestimmte Anzahl Eingangsabtastperioden verschoben, beispielsweise um 4, was eine starke Überlappung von einem zum folgenden Fenster impliziert. Dies wird durch die Zuführung des Taktsignals Fso zum Geschwindigkeitsabschätzer 11 symbolisiert. Die Amplitudendetektoren 16, 17 und 18, der Komparator 23 und der Multiplexer 24 werden ihrerseits durch das Taktsignal Fso so synchronisiert, daß die Sequenzierung des Komparators und danach des Multiplexers mit einer erhöhten Frequenz erfolgt, die gleich der Frequenz der Geschwindigkeitsabtastungen am Ausgang S'&sub1; ist. Diese erhöhte Frequenz ermöglicht es mittels der sich anschließenden herkömmlichen Operationen zur Korrelation, Mittelwertbildung und Interpolation Diskontinuitätsproblemen bei den Geschwindigkeitsprofilen, die sich bei der Umschaltung des Ausgangssignals von einem Filter zum anderen einstellen könnten, zu begegnen.
Jeder Amplitudendetektor berechnet die Energie AM(t&sub0;) während der Dauer eines Fensters entsprechend der folgenden Gleichung:
wobei D(t) das Ausgangssignal des betrachteten Filters ist.
Der Komparator führt ständig den Vergleich zwischen den Signalen AM1, AM2 und AM3 durch, die mit dem Takt Fso am Ausgang der Detektoren 16,17 und 18 erhalten werden, und liefert das Befehlssignal CO des Multiplexers und die resultierende Amplitude AR(t&sub0;), so daß:
AR(t&sub0;) = Max[AM1(t&sub0;), AM2(t&sub0;), AM3(t&sub0;)]
Die beiden Signale CO und AR werden mit der Ausgangsfrequenz Fso der Vorrichtung abgetastet; diese beiden Signale werden bei jeder Ausgangswiederholungsperiode 1/No der Vorrichtung berechnet. Die drei Amplitudendetektoren und der Komparator werden bei jeder Ausgangswiederholungsperiode 1/No in den Anfangszustand zurückgesetzt. Das in demselben Takt berechnete Signal CO wird dem Multiplexer bei jeder Eingangswiederholungsperiode 1/Ni zugeführt, damit die Multipiexierung während der Berechnung des Geschwindigkeitsprofils konstant bleibt. Das Signal AR wird in der Geschwindigkeitsmeßvorrichtung 11 in Verbindung mit Amplitudenschwellenschaltungen in bekannter Weise dazu verwendet, die Gültigkeit der berechneten Geschwindigkeitspunkte zu bestätigen oder aufzuheben, das heißt eine Segmentierungsoperation des gesuchten Geschwindigkeitsprofils durchzuführen. Man wird feststellen, daß jede durch die Verzögerungselemente 19, 21 und 22 herbeigeführte Verzögerung wenigstens gleich der Dauer w des Analysefensters sein muß, wobei diese Dauer auch die für die Abschätzung der Amplituden AMI, AM2 und AM3 benötigte Dauer ist. So werden die verzögerten Signale D¹j, D²j und D³j synchron mit dem Befehlssignal CO des Multiplexers 24 abgegeben.
Figur 4a zeigt in einer theoretischen Form die Struktur jedes der erfindungsgemäß verwendeten Filter F1, F2 und F3. Figur 4b zeigt eine praktische Ausführungsform dieses Filters. Es handelt sich um ein Festecho-Unterdrückungsfilter mit 4 Koeffizienten a&sub0;, a&sub1;, a&sub2;, a&sub3; (n = 4). Es sei daran erinnert, daß die von einem sich bewegenden Target reflektierten Signale von einer Wiederholungsperiode zur nächsten
Sk+1(t) = Sk(t-τ)
erfüllen, wobei τ die zeitliche Verschiebung zwischen aufeinanderfolgenden Signalen der Bewegung des Targets ist:
τ=2VT/C
V: Geschwindigkeit des Targets.
In komplexer Schreibweise erhält man:
Sk+1 = 5k e-j∅
∅ = 4π Nc VT/C
Das Ausgangssignal jedes Filters läßt sich ausdrücken als:
Wie es die herkömmliche Struktur der in den Figuren 4a und 4b dargestellten Filter zeigt. Es wird nachgewiesen, daß die Verhältnisse von Signal zu Eingangs- und Ausgangsrauschen dann die folgende Gleichung erfüllen:
Eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses zwischen Eingang und Ausgang jedes Filters F1, F2 und F3 erhält man, indem man das Verhältnis A(∅) maximal werden läßt und dabei die Bedingung zur Unterdrückung von Festechos erfüllt:
Um einen korrekten Amplitudenvergleich zwischen den gewünschten verschiedenen Filtern zur erhalten, ist es andererseits nützlich, die Ausgangsamplitude mittels der Konstante K festzulegen:
In gleichwertiger Weise genügt es, folgende Bedingung aufzuerlegen:
Eine andere Bedingung, die man zusätzlich zu den durch die Gleichungen (1) und (3) ausgedrückten Bedingungen gelten läßt, besteht darin, für die Suche nach den Koeffizienten ak eine Dynamik für die Koeffizienten aufzuerlegen, wie es bereits weiter oben beschrieben wurde. Während für jeden Geschwindigkeitspunkt des aufzustellenden Geschwindigkeitsprofils theoretisch ein unterschiedliches Filter zu bestimmen wäre, was sich für den Entwurf der Schaltung als nicht praktikabel herausstellen würde, führt die Erfüllung der drei obengenannten Bedingungen experimentell zu Gruppen von Filtern, deren Eigenschaften für jede Gruppe ähnlich sind, und es ist möglich, für jede Gruppe ein bestimmtes Filter zu wählen, dessen Koeffizienten sich einfach wiedergeben lassen, wobei dieses bestimmte Filter so gewählt wird, daß es einen bestimmten Geschwindigkeitsbereich abdeckt. Es liegt daher nahe, drei Filter zu wählen, deren kombinierte Kurve für das Verhalten der Amplitude als Funktion der Geschwindigkeiten in Figur 5 als durchgezogene Linie für eine Eingangswiederholungsfrequenz Ni von 5 kHz dargestellt ist. Dieses kombinierte Verhalten wird von als durchgezogene Linie dargestellten Kurventeilen gebildet, die sich paarweise aneinander anschließen: RF1, RF2 und RF3.
Das Filter F1 mit starrer Flanke wird vom Multiplexer 24 für die Messung der geringsten Geschwindigkeiten (bis 16 cm/s) selektiert; seine Koeffizienten sind:
a&sub0;=2/ 10, a&sub1;=1/ 10, a&sub2;=-1/ 10, a&sub3;=-2/ 10
Das Filter F2 wird für die Messung der Geschwindigkeiten zwischen 16 cm/s und 25 cm/s selektiert, seine Koeffizienten sind:
a&sub0;=1/2, a&sub1;=-1/2, a&sub2;=-1/2, a&sub3;=1/2
Das für die Messung von Geschwindigkeiten über 25 cm/s selektierte Filter F3 hat die Koeffizienten:
a&sub0;=1/2, a&sub1;=-1/2, a&sub2;=1/2, a&sub3;=-1/2
Für die drei Filter ergibt sich (siehe Gleichung (3)): K = 1.
In Figur 5 ist ebenfalls dargestellt, wie für einen bestimmten Geschwindigkeitspunkt PV die Selektion des Filters erfolgt, der am Ausgang das Signal mit der größten Amplitude liefert, im Falle von F2 geliefert vom Filter F2. Das kombinierte Verhalten der drei Filter RF1-RF2-RF3 zur Unterdrückung von Festechos kann mit der in Figur 5 als Punkt-Strich-Linie dargestellen Verhaltenskurve RF verglichen werden. Die Kurve RF zeigt das Verhalten eines herkömmlichen einzelnen Festecho-Unterdrückungsfilters mit drei Koeffizienten (a&sub0; = 2, a&sub1; = -1, a2 = -1), der weder bei den niedrigen Geschwindigkeiten zufriedenstellend ist (Fehlen einer starren Flanke) noch bei den höheren Geschwindigkeiten (geringe Amplituden).
In den Figuren 6a und 6b wurden Geschwindigkeitsproflle dargestellt, die für eine Kniekehlenarterie und in deren Nähe erhalten wurden; bei 6a unter Verwendung eines herkömmlichen einzelnen Filters mit drei Koeffizienten wie im vorgangegangenen Absatz angegeben und in Figur 6b entsprechend der Erfindung. Die Abszissen geben die Tiefe PR als Anzahl Punkte wieder, wobei die Abszisse 400 der Tiefe 15 mm entspricht. Die Profilabschnitte, die sich in der Nähe der Abszisse 280 befinden, geben Aufschluß über die Blutströmung in der Kniekehlenarterie und und der Abschnitt in der Nähe der Abszisse 100 über die Blutströmung in einer kleinen Arterie. Das Geschwindigkeitsprofil in Figur 6b, das im Gegensatz zu dem in Figur 6a keine Diskontinuitäten aufweist, entspricht der physischen Realität der Bewegungen in der untersuchten Umgebung besser als das in Figur 6a und zeigt die Überlegenheit des Filters F1 gegenüber dem Filter mit RF-Verhalten im Bereich kleinster Geschwindigkeiten. Die erflndungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es auch auf eine Art und Weise, die hier nicht dargestellt ist, brauchbare Geschwindigkeitsprofile für einen Geschwindigkeitsbereich von 0 bis 20 cm/s und mehr zu liefern, wie es beispielsweise bei der Blutströmung in der Halsschlagader der Fall ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Festecho-Unterdrückung für einen Ultraschall-Echographen mit Aussendung wiederkehrender Pulse, die mit einer Korrelations- und Interpolationsschaltung für die Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen von sich bewegenden Umgebungen versehen ist und wenigstens ein Festecho-Unterdrückungsfilter des Bandpaß-Typs mit Verzögerungsleitungen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere parallel angeordnete Festecho-Unterdrückungsfilter der obengenahnten Art umfaßt, deren Durchlaßbereiche nebeneinander liegen, daß Amplitudendetektoren jeweils mit dem Ausgang jedes der genannten Filter und dem Eingang eines Komparators verbunden sind und Verzögerungseiemente zwischen den Ausgang jedes Filters und einen Multiplexer geschaltet sind, wobei letzterer ein aus dem genannten Komparator kommendes Befehlssignal empfängt, um am Ausgang des genannten Multiplexers dasjenige unter den Ausgangssignalen der genannten Filter zu selektieren, das die größte Amplitude aufweist.

2. Vorrichtung zur Festecho-Unterdrückung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Festecho-Unterdrückungsfilter Filter mit 4 Koeffizienten, deren Summe null beträgt, sind.

3. Vorrichtung zur Festecho-Unterdrückung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Festecho-Unterdrückungsfilter, deren Summe der n Koeffizienten null beträgt, das heißt

so selektiert und entworfen werden, daß sie die Funktion A( ) des Signal-Rausch- Verhältnisses zwischen Ausgang und Eingang der genannten Filter maximal werden lassen:

mit: = 4πNc VT/C

wobei:

Nc: Frequenz des Echographiesignals während des Pulses,

V: dem selektierten Filter entsprechende Geschwindigkeit der Blutströmung,

T: Folgefrequenz des Echographiesignalpulses,

C: Geschwindigkeit des Schalls in der untersuchten Umgebung bedeuten und die Summe der Quadrate der Koeffizienten normiert ist als:

4. Vorrichtung zur Festecho-Unterdrückung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie die drei folgenden Festecho-Unterdrückungsfilter mit 4 Koeffizienten umfaßt:

- ein Filter für niedrige Geschwindigkeiten:

a&sub0;=2/ 10, a&sub1;=i/ 10, a&sub2;=-1/ 10, a&sub3;=-2/ 10

- ein Filter für mittlere Geschwindigkeiten:

a&sub0;=1/2, a&sub1;=-1/2, a&sub2;=-1/2, a&sub3;=1/2

- ein Filter für hohe Geschwindigkeiten:

a&sub0;=1/2, a&sub1;=-1/2, a&sub2;=1/2, a&sub3;=-1/2

5. Ultraschall-Echograph mit Aussendung von Pulsen, der eine Vorrichtung zur Festecho-Unterdrückung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfaßt.