TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Ultraschallbildformungssystem zum Sichtbarmachen der Struktur und der Bewegung
in einem lebenden Körper.
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Figur 1 zeigt einen Aufbau eines herkömmlichen
Ultraschallbildformungssystems. In Figur 1 wandelt eine Ultraschallsonde
51 ein Impulssignal in ein Ultraschallsignal um, überträgt
das umgewandelte Ultraschallsignal zu einem zu messenden
Objekt, empfängt ein Echosignal von dein zu messenden Objekt und
wandelt dieses in ein elektrisches Signal um. Eine
Ansteuereinrichtung 52 erzeugt das Impulssignal und führt es der
Ultraschallsonde 51 zu. Ein Verstärker 53 verstärkt das von dem
zu messenden Objekt zurückkehrende und durch die
Ultraschallsonde 51 empfangene Echosignal. Eine Einrichtung 54 zur
logarithmischen Umwandlung (Komprimierung) führt eine
logarithmische Umwandlung der Amplitude des durch den Verstärker 53
verstärkten Echosignals durch. Eine Detektoreinrichtung 55
führt eine AM-Erfassung des logarithmisch komprimierten
Echosignals aus und erfaßt eine Umhüllende des Echosignals. Eine
Abtastumwandlungseinrichtung 56, die aus einem A/D-Wandler
56a, einem Speicher 56b und einem D/A-Wandler 56c
zusammengesetzt ist, nimmt ein Erfassungsignal des Echosignals, das
durch die Detektoreinrichtung 55 AM-erfaßt wurde, auf, und
wandelt das Erfassungssignal gemäß einem TV-System, das durch
das NTSC-System dargestellt ist, in ein Bildsignal um, um ein
zweidimensionales tomographisches Bild zu formen. Eine
Anzeigeeinrichtung 57, wie etwa ein Fernsehgerat, zeigt ein
tomographisches Bild an, das innere Abschnitte des zu messenden
Objektes darstellt. Allgemein ist ein Tiefpaßfilter zum
Verhindern der Erzeugung eines Alias-Rauschens auf der Basis des
Abtasttheorems an einem Eingangsabschnitt des A/D-Wandlers
56a vorgesehen. Dieses Tiefpaßfilter unterscheidet sich
jedoch von der Filtereinrichtung der vorliegenden Erfindung und
ist hier nicht dargestellt, um die Erläuterung der
vorliegenden Erfindung zu vereinfachen.
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Unter Bezug auf den vorstehend beschriebenen Aufbau des
Systems nach dem Stand der Technik wird der Betriebsablauf
desselben nachfolgend beschrieben.
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Die Ultraschallsonde 51 wird durch ein Impulssignal
angesteuert, das durch die Ansteuereinrichtung 52 erzeugt wird, um
einen Übertragungs und einen Empfangsvorgang auszuführen,
indem ein Ultraschallimpuls übertragen wird und ein Abtast
vorgang mit dem übertragenen Ultraschallimpuls ausgeführt
wird, sowie durch Empfangen eines von einer tomographischen
Ebene in einem zu messenden Objekt zurückkehrenden
Echosignals. Das auf diese Weise erhaltene Echosignal wird durch
den Verstärker 53 verstärkt und seine Amplitude wird einer
logarithmischen Umwandlung durch die Einrichtung 54 zur
logarithmischen Umwandlung (Komprimierung) unterzogen. Das
logarithinisch umgewandelte Echosignal wird der AM-Erfassung
durch die Detektoreinrichtung 55 unterworfen, so daß das
Erfassungssignal eine Umhüllende des Echosignals darstellt, und
das Erfassungssignal wird an die Abtastumwandlungseinrichtung
56 ausgegeben. Das Erfassungssignal wird durch den
A/D-Wandler
56a der Abtastumwandlungseinrichtung 56 in ein digitales
Signal umgewandelt und das A/D-umgewandelte Signal wird in
den Speicher 56b geschrieben. Da eine Adresse des Speichers
56b, in welchen die A/D-umgewandelten Signaldaten geschrieben
werden, so ausgelegt wird, daß sie einer Position des
Abschnittes des zu messenden Objektes entspricht, von welchem
das Echosignals erzeugt wurde, wird eine tomographische
Bildinformation des zu messenden Objektes in dem Speicher 56b
gespeichert, wobei sie darin zweidimensional angeordnet ist.
Die in dem Speicher 56b gespeicherte tomographische
Bildinformation wird einer D/A-Umwandlung durch den D/A-Wandler 56c
unterzogen, so daß sie dem Fernsehanzeigesystem für die
Anzeigeeinrichtung 57 entspricht, und wird an die
Anzeigeeinrichtung 57 ausgegeben, wodurch ein tomographisches Bild auf
der Anzeigeeinrichtung 57 dargestellt wird.
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Wie vorstehend beschrieben führt bei dem herkömmlichen
Ultraschallbildformungssystem die Ultraschallsonde 51 den
Übertragungs- und Empfangsvorgang eines Ultraschallimpulses aus,
während sie einen Abtastvorgang ausführt, um dadurch ein
tomographisches Bild von Abschnitten eines zu messenden Objekts
zu erhalten.
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Bei dem herkömmlichen Ultraschallbildformungssystem wird
jedoch ein Bild, das auf einem als die Anzeigeeinrichtung 57
verwendeten Fernsehanzeigegerät dargestellt wird, durch die
Abtastzeile dargestellt. Demgemäß wird die Auflösung eines
Bildes, das angezeigt werden kann, durch die
Fernsehabtastzeile bestimmt. Zusätzlich wird auch dann, wenn die Auflösung
eines Bildes innerhalb eines Auflösungsgrenzwertes gehalten
wird, bei der Anzeige eines tomographischen Bildes einer
feinen Zusammensetzung, welche nahe der Auflösungsgrenze ist,
eine Helligkeitsdifferenz zwischen benachbarten
Fernsehabtastzeilen bedingt durch eine hohe räumliche Frequenz des
tomographischen Bildes erhöht. Als Resultat wird es unmöglich,
eine mittlere Helligkeit darzustellen, wodurch das Problem
entsteht, daß die Qualität eines diagnostischen Bildes
deutlich verschlechtert wird.
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Die US-A-4,584,880 beschreibt eine Ultraschallsende-Empfangs
einrichtung, bei welcher die Echosignale durch zeitadaptive
Filter vor der Eingabe derselben in einen
Vollwellenvideodetektor verarbeitet werden, welche Filtereinrichtung ein
Durchlaßband konstanter Breite vorsieht, welches über die
Zeit hinsichtlich der Frequenz abwärts gleitet. Dadurch
gleicht die Sende-Empfangseinrichtung Differenzen des
Echosignals hinsichtlich dessen, ob das Signal in einer
Geweberegion höherer oder niedrigerer Tiefe reflektiert wird, aus.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ist auf die Lösung des vorstehend
genannten Problems, das bei dem herkömmlichen
Ultraschallbildformungssystem besteht, gerichtet, und es ist eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Ultraschallbildformungssystem zu schaffen, welches ein tomographisches Bild hoher
Auflösung bis zu einem Auflösungsgrenzwert der
Fernsehabtastzeile einer Anzeigeeinrichtung darstellen kann, ohne die
Qualität des tomographischen Bildes zu verschlechtern.
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Gemäß der Erfindung wird die vorstehend genannte Aufgabe
durch ein Ultraschallbildformungssystem gelöst, umfassend:
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eine Ultraschallsonde zum übertragen und Empfangen einer
Ultraschallwelle;
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eine Ansteuereinrichtung zum Ansteuern der Ultraschallsonde;
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eine Detektoreinrichtung zum Erfassen eines von der
Ultraschallsonde empfangenen Echosignals;
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eine Filtereinrichtung, die
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- so arbeitet, daß ein Ausgangssignal der
Detektoreinrichtung durch sie geleitet wird,
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- eine Vielzahl von Durchlaßbereichen hat,
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- flache Frequenzkennlinien in den Durchlaßbereichen hat,
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- Verhältnisse der Ausgangssignalamplitude zu der
Eingangssignalamplitude hat, die für jeden Durchlaßbereich
voneinander verschieden sind;
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eine Abtastumwandlungseinrichtung zur Umwandlung des
Erfassungssignals, welches durch die Filtereinrichtung geleitet
wurde, in ein Anzeigesignal; und
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eine Anzeigeeinrichtung, um darauf das von der
Abtastumwandlungseinrichtung umgewandelte Anzeigesignal in Form eines
tomographischen Bildes anzuzeigen.
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Vorzugsweise sind die Verhältnisse der Filtereinrichtungen so
eingestellt, daß sie zu höheren Frequenzdurchlaßbändern hin
abnehmen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird ein Ultraschallbildformungssystem geschaffen, bei
welchem die Filtereinrichtung einen invertierenden Verstärker
umfaßt, der einen Eingangsanschluß hat, an den durch einen
Eingangswiderstand ein Eingangssignal angelegt wird, welcher
invertierende Verstärker mit einer negativen
Rückkopplungsschaltung verbunden ist, die aus einem Widerstand, der
zwischen den einen Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß
des invertierenden Verstärkers geschaltet ist, und einer
Reihenschaltung aus einem Kondensator und einem Widerstand
besteht, der zu dem Widerstand parallel geschaltet ist.
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Ferner ist es bevorzugt, die Verstärkungen der Vielzahl von
Durchlaßbändern der Filtereinrichtung so einzustellen, daß
sie zu höheren Frequenzdurchlaßbändern hin abnehmen.
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Demgemäß wird gemäß vorliegender Erfindung ein von der
Detektoreinrichtung erfaßtes Echosignal durch die
Filtereinrichtung geleitet, so daß jeweilige Amplituden von höheren
Frequenzkomponenten, die in einem Erfassungssignal enthalten
sind, verringert werden und eine Helligkeitsdifferenz
zwischen benachbarten Fernsehabtastzeilen verringert wird.
Zusätzlich kann, da die jeweiligen
Frequenzansprechcharakteristiken einer Vielzahl von Durchlaßbändern der
Filtereinrichtung abgeflacht werden, die Verschlechterung der
Impulsansprechcharakteristiken des Erfassungssignals verhindert
werden.
KURZBESCHREIBUNGEN DER ZEICHNUNGEN
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Figur 1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein
herkömmliches Ultraschallbildformungssystem zeigt.
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Figur 2 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein
Ultraschallbildformungssystem gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt.
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Figur 3 ist eine Charakteristikkurve, die
Frequenzansprechcharakteristiken der Filtereinrichtung 18 in dem in Figur 2
dargestellten System zeigt.
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Figur 4 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel des Aufbaus
einer Filtereinrichtung 18 in dem in Figur 2 gezeigten System
zeigt.
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Figur 5A ist eine erläuternde Darstellung, die eine
Veränderung der Verstärkung der Frequenzansprechcharakteristiken der
Filtereinrichtung 18 in dem in Figur 2 dargestellten System
darstellt.
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Figur 5B ist eine erläuternde Darstellung zur Erklärung einer
Veränderung der Helligkeitswellenform eines tomographischen
Bildes, die durch die Verwendung der Filtereinrichtung 18 in
dem in Figur 2 dargestellten System verursacht ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
nachfolgend unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben.
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Figur 2 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein
Ultraschallbildformungssystem gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung darstellt.
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In Figur 2 wandelt eine Ultraschallsonde 11 ein Impulssignal
in ein Ultraschallsignal um, überträgt das Ultraschallsignal
in ein zu messendes Objekt, empfängt ein von dem zu messenden
Objekt zurückkehrendes Echosignal und wandelt dieses in ein
elektrisches Signal um. Eine Ansteuereinrichtung 12 erzeugt
ein Impulssignal und sendet dieses zu der Ultraschallsonde
11. Ein Verstärker 13 verstärkt das Echosignal, das von dem
Objekt zurückgekehrt ist und welches durch die
Ultraschallsonde 11 empfangen wurde. Eine Einrichtung 14 zur
logarithmischen Umwandlung (Komprimierung) führt eine logarithmische
Umwandlung einer Amplitude des durch den Verstärker 13
verstärkten Echosignals aus. Eine Detektoreinrichtung 15 führt
eine AM-Erfassung des logarithmisch umgewandelten Echosignals
aus, um dadurch eine Umhüllende des Echosignals zu erfassen.
Eine Filtereinrichtung 18 hat eine Vielzahl von
Durchlaßbändem, die jeweils flache Frequenzansprechcharakteristiken und
jeweils voneinander verschiedene Verstärkungen haben. Die
Filtereinrichtung 18 leitet ein von der Detektoreinrichtung
15 zugeführtes Erfassungsignal durch sich. Eine
Abtastumwandlungseinrichtung
16 ist aus einem A/D-Wandler 16a, einem
Speicher 16b und einem D/A-Wandler 16c zusammengesetzt und
nimmt das von der Filtereinrichtung 18 ausgegebene
Erfassungssignal auf und wandelt das Erfassungsignal in ein
Bildsignal in Übereinstimmung mit einem TV-System, das durch das
NTSC-System dargestellt ist, um, wobei das Bildsignal ein
zweidimensionales tomographisches Bild darstellt. Eine
Anzeigeeinrichtung 17, wie z.B. ein Fernsehgerät, spricht auf das
Bildsignal an und stellt ein tomographisches Bild dar, das
innere Abschnitte des zu messenden Objektes zeigt.
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Daneben ist in derselben Weise wie bei einem herkömmlichen
System ein Tiefpaßfilter zum Verhindern der Erzeugung eines
Alias-Störgeräusches auf der Basis des Abtasttheorems an
einem Eingangsabschnitt des A/D-Wandlers 16a vorgesehen.
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Nachfolgend wird der Betriebsablauf des Systems mit dem
vorstehend beschriebenem Aufbau erläutert.
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Die Ultraschallsonde 11 wird durch ein Impulssignal
angesteuert, das durch die Ansteuereinrichtung 12 erzeugt wird, um
einen Übertragungs- und einen Empfangsvorgang auszuführen,
indem ein Ultraschallimpuls übertragen wird und mit dem
übertragenden Ultraschallimpuls ein Abtastvorgang ausgeführt
wird, sowie durch Empfangen eines von einer tomographischen
Ebene in einem zu messenden Objekt zurückkehrenden
Echosignals. Das auf diese Weise erhaltene Echosignal wird durch
den Verstärker 13 verstärkt und seine Amplitude wird durch
die Einrichtung 14 zur logarithmischen Umwandlung
(Komprimierung) logarithmisch umgewandelt. Das logarithmisch
umgewandelte Echosignal wird der AM-Erfassung der
Detektoreinrichtung 15 unterzogen, wodurch ein Erfassungsignal,
welches eine Umhüllende des Echosignals darstellt, erhalten
wird, worauf das Erfassungsignal an die Filtereinrichtung 18
ausgegeben wird. Die Filtereinrichtung 18 hat
Frequenzansprechcharakteristiken, die in einem Niederfrequenzbereich
bzw. einem Hochfrequenzbereich flach sind, wie in Figur 3
gezeigt, und die jeweilige Verstärkungen in dem
Niederfrequenzbereich und dem Hochfrequenzbereich haben, welche
Verstärkungen relativ verschieden voneinander sind, so daß die
Amplituden von Komponenten des durch die Filtereinrichtung 18
laufenden Erfassungssignals, welche Komponenten in dem
Hochfrequenzbereich verteilt werden, verringert werden. Das
Erfassungsignal von der Filtereinrichtung 18 wird einer
A/D-Umwandlung durch den A/D-Wandler 16a der
Abtastumwandlungseinrichtung 16 unterzogen und in den Speicher 16b geschrieben.
Die in dem Speicher 16b gespeicherte tomographische
Bildinformation wird der D/A-Umwandlung durch den D/A-Wandler 16c
unterzogen, d.h. sie wird in Übereinstimmung mit dem
Fernsehsystem der Anzeigeeinrichtung 17 umgewandelt, und das
D/A-Umwandlungssignal wird an die Anzeigeeinrichtung 17 ausgegeben,
so daß ein tomographisches Bild auf der Anzeigeeinrichtung 17
dargestellt wird.
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Nachfolgend wird die Filtereinrichtung 18 im Detail
erläutert: Figur 4 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel der
Filtereinrichtung 18 zur Verwirklichung der in Figur 3 gezeigten
Frequenzansprechcharakteristiken zeigt. In Figur 4 ist ein
invertierender Verstärker 31 mit einer negativen
Rückkopplungsschaltung verbunden, die aus Widerständen Rf1 und Rf2
und einem Kondensator Cf gebildet ist, und diese Schaltung
der Filtereinrichtung 18 hat
Frequenzansprechcharakteristiken, die durch die folgenden Gleichungen (1)-(3) dargestellt
sind, und zwar in Verbindung mit dem Wert eines Widerstandes
R, der mit dem Eingangsende des invertierenden Verstärkers 31
verbunden ist:
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AL Rf1/R (1)
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AH = (Rf1 Rf2)/{R (Rf1+Rf2)} (2)
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fb 1/{2πCf (Rf1+Rf2)} (3)
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In Verbindung mit den in Figur 3 dargestellten
Frequenzansprechcharakteristiken
geben die vorstehend genannten
Gleichungen (1)-(3) die Verstärkung AL des flachen Abschnittes
des Niederfrequenzbereiches, die Verstärkung AH des flachen
Abschnittes des Hochfrequenzbereiches und eine Frequenz fb an
der Grenze zwischen dem Niederfrequenzbereich und dem
Hochfrequenzbereich an.
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Figur 5A ist eine erläuternde Zeichnung, die die Verteilung
der Verstärkung in den Frequenzansprechcharakteristiken der
in Figur 4 dargestellten Filtereinrichtung 18 erläutert.
Figur 5B ist eine erläuternde Darstellung zur Erklärung, wie
eine Helligkeitswellenform eines auf der Anzeigeeinrichtung
17 dargestellten tomographischen Bildes sich verändert, wenn
sich die Verstärkung in den Frequenzansprechcharakteristiken
der Filtereinrichtung 18 in Übereinstimmung mit den Werten
der Widerstände Rf1 und Rf2 und des Kondensators Cf
verändert. In der Kurve von Figur 5B bezeichnet die horizontale
Achse eine Linie in einer zu jeweiligen Fernsehabtastzeilen
senkrechten Richtung und die Abszisse stellt Positionen der
jeweiligen Fernsehabtastzeilen dar, die senkrecht zu der
horizontalen Achse angeordnet sind. Die Ordinate der Kurve
stellt die Helligkeit der jeweiligen Abtastzeilen auf dem
Fernsehbildschirm dar. Ein Charakteristikkurve A, die in
Figur 5A gezeigt ist, stellt eine
Frequenzansprechcharakteristik dar, die über den gesamten Frequenzbereich flach ist,
d.h. eine Frequenzansprechcharakteristik, die erhalten wird,
wenn der Widerstand Rf1 und der Kondensator Cf nicht
enthalten sind, d.h. in anderen Worten, daß diese
Charakteristikkurve A demselben Aufbau wie demjenigen des herkömmlichen
Systems entspricht, dem die Filtereinrichtung 18 fehlt. In
diesem Fall ist die Helligkeitswellenform eines tomographischen
Bildes durch eine Wellenform A in Figur 5B gezeigt. Im
einzelnen sind dann, wenn das Erfassungssignal
Niederfrequenzkomponenten enthält, den Helligkeitssignalpegel desselben
darstellende Punkte in kürzeren Distanzschritten auf den
jeweiligen aufeinanderfolgenden Fernsehabtastzeilen verteilt,
wie in einer Wellenform A in der linken Hälfte von Figur 5B
gezeigt, und daher wird eine Differenz des Helligkeitspegels
zwischen benachbarten Fernsehabtastzeilen verringert und
mittlere Helligkeitstöne können dargestellt werden. Wenn im
Gegensatz dazu das Abtastsignal Hochfrequenzkomponenten
enthält, tritt zwischen benachbarten Fernsehabtastzeilen eine
starke Helligkeitsdifferenz auf, wie in der Wellenform A in
der rechten Hälfte von Figur 5B dargestellt, und daher wird
das Erfassungssignal als ein binäres Bild sichtbar gemacht,
dem Helligkeitszwischentöne fehlen, wodurch die Bildqualität
beträchtlich verschlechtert wird. Gemäß vorliegender
Erfindung werden dann Werte des Widerstandes Rf1 und des
Kondensators Cf in geeigneter Weise ausgewählt, um die Verstärkung AH
in dem Hochfrequenzbereich zu verringern, wie in der
Charakteristikkurve B in Figur 5A gezeigt, wodurch es möglich wird,
die Helligkeitsdifferenz zwischen benachbarten
Femsehabtastzeilen zu verringern, wie in der Wellenform B in der rechten
Hälfte von Figur 5B gezeigt, und zwar auch in dem Fall, in
dem das Erfassungsignal Hochfrequenzkomponenten enthält.
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Somit wird bei dem Ultraschallbildformungssystem gemäß der
vorstehend beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ein durch die Detektoreinrichtung 15 erfaßtes
Echosignal durch die Filtereinrichtung 18 geleitet, so daß die
Amplitude von in dem erfaßtem Signal enthaltenen
Hochfrequenzkomponenten verringert werden kann, wodurch die
Helligkeitsdifferenz zwischen benachbarten Fernsehabtastzeilen
reduziert werden kann. Da ferner die Filtereinrichtung 18 flache
Frequenzansprechcharakteristiken in einer Vielzahl von Durch
laßbändern hat, kann eine Verschlechterung der
Impulsansprechcharakteristiken des Erfassungsignals verhindert
werden.
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Die Werte der Verstärkung AL in dem Niederfrequenzbereich,
der Verstärkung AH in dem Hochfrequenzbereich und der
Grenzfrequenz fb werden in Übereinstimmung mit dem Fernsehsystem
der Anzeigeeinrichtung 17 ausgewählt. Daher ist es
erforderlich, die Werte derartiger Faktoren unter Berücksichtigung
der Qualität eines auf der Anzeigeeinrichtung 17
dargestellten Bildes zu bestimmen. Bei dem Standardfernsehsystem, wie
etwa dem NTSC-System, ist die Grenzfrequenz fb auf etwa 100
bis 500 kHz eingestellt und das Verhältnis AL : AH zwischen
der Verstärkung AL in dem Niederfrequenzbereich und der
Verstärkung AH in dem Hochfrequenzbereich wird so gewählt, daß
es etwa 1:0,6 bis 1:0,9 beträgt.
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Wie vorstehend beschrieben ist es gemäß vorliegender
Erfindung möglich, die Amplitude von Hochfrequenzkomponenten, die
in einem Erfassungssignal enthalten sind, und die
Helligkeitsdifferenz zwischen benachbarten Fernsehabtastzeilen zu
vermindern, indem ein von der Detektoreinrichtung erfaßtes
Echosignal durch die Filtereinrichtung geleitet wird.
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Zusätzlich ist es möglich, da die Filtereinrichtung flache
Frequenzansprechcharakteristiken in einer Vielzahl von
Frequenzbereichen hat, die Verschlechterung von
Impulsansprechcharakteristiken des Erfassungsignals zu vermeiden. Als
Resultat ist es möglich, ein tomographisches Bild mit hoher
Auflösung bis zu der Auflösungsgrenze der Fernsehabtastzeile
der Anzeigeeinrichtung ohne Verschlechterung der Bildqualität
zu erzeugen.