DE69330310T2

DE69330310T2 - Digitaler phasenschieber

Info

Publication number: DE69330310T2
Application number: DE69330310T
Authority: DE
Inventors: Shinichi Amemiya; Yoichi Suzuki
Original assignee: Yokogawa Medical Systems Ltd
Current assignee: GE Healthcare Japan Corp
Priority date: 1992-01-14
Filing date: 1993-01-13
Publication date: 2002-01-17
Anticipated expiration: 2013-01-14
Also published as: EP0639347A4; KR940703634A; EP0639347B1; JP3283053B2; KR100241119B1; EP0639347A1; JPH05184568A; DE69330310D1; WO1993013710A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine digitale Phasenverschiebungsvorrichtung. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine digitale Phasenverschiebungsvorrichtung, die imstande ist, die Phase von digitalen Daten um einen feinen Schritt zu verschieben, der kürzer als die Abtastperiode eines A/D-Wandlers ist. Die digitale Phasenverschiebungsvorrichtung wird als Verzögerungsschaltungen implementiert und ist typischerweise für eine Ultraschalldiagnosevorrichtung nützlich.

Stand der Technik

Ein Beispiel der herkömmlichen digitalen Phasenverschiebungsvorrichtung, die imstande ist, die Phase von digitalen Daten um einen feinen Schritt zu verschieben, der kürzer als die Abtastperiode eines A/D-Wandlers ist, ist in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 63-222745 offenbart. Ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 63-222745 offenbarten Ultraschalldiagnosevorrichtung zeigt, ist in Fig. 7 gezeigt.
Bei dieser Ultraschalldiagnosevorrichtung 51, wird ein von einer Sonde 2 empfangenes Signal einer Phaseneinstellung für alle Kanäle durch eine Anzahl von Verzögerungsschaltungen (oder Phasenverschiebungsschaltungen) unterzogen; nämlich einer Verzögerungsschaltung für den ersten Kanal 81 bis zu einer Verzögerungsschaltung für den n-ten Kanal 8n. Die Ausgaben der Verzögerungschaltungen werden dann durch einen Addierer 5 aufsummiert. Der Addierer 5 führt einen Strahlbildungsprozeß zum Erzeugen eines Schallstrahlempfangssignals durch. Basierend auf allen Schallstrahlempfangssignalen erzeugt ein Abtastwandler 6 auf einer Anzeigevorrichtung 7 anzuzeigende Bilder.
Ein ausführliches Blockdiagramm der Verzögerungsschaltung für den ersten Kanal 81 ist in Fig. 8 gezeigt. Die Verzögerungsschaltung der anderen Kanäle weisen jeweils vollständig die gleiche Konfiguration auf. Ein von der Verzögerungsschaltung für den ersten Kanal 81 empfangenes Signal wird an einen A/D-Wandler 82 geliefert. Ein Taktsignal mit einer vorbestimmten Periode ΔT wird an eine Abtastsignalverzögerungseinrichtung 83 geliefert. Ein Synchronisationssignal, das ebenfalls die vorbestimmte Periode ΔT aufweist, wird an eine Synchronisationseinrichtung 84 geliefert. Die Synchronisationseinrichtung 83 verzögert das Taktsignal um eine Zeit τ1, die kürzer als die Periode ΔT ist, wobei ein an den A/D-Wandler 82 ausgegebenes Abtastsignal erzeugt wird.
Der A/D-Wandler 82 tastet das von der Verzögerungsschaltung für den ersten Kanal 81 empfangene Signal bei Abtastintervallen gleich ΔT mit dem Abtastsignal ab, wobei das empfangene Signal in digitale Daten umgewandelt wird. Das von der Verzögerungsschaltung für den ersten Kanal 81 empfangene Signal wird durch Bezeichnungen D und D' in Fig. 9 bzw. 10 bezeichnet. Digitale Daten, die durch Verwenden von Abtastsignalen mit voneinander unterschiedlichen Verzögerungszeiten erhalten werden, werden andererseits durch Symbole und o in Fig. 9 bzw. 10 bezeichnet. Für einen Abtastintervall ΔT von 100 ns bezeichnen die Symbole und o abgetastete digitale Daten für τ1 gleich 0 bzw. 50 ns.
Die Synchronisationseinrichtung 84 wird zur Synchronisation verwendet. Beispielsweise eilt eine Folge von Elementen von digitalen Daten, die durch das Symbol o bezeichnet werden, einer Folge von Elementen von digitalen Daten auf Grund der Synchronisation um τ1 nach, was kürzer als die Abtastperiode ist, wie es in Fig. 11 gezeigt ist. Eine digitale Verzögerungseinrichtung 85 wird zum weiteren Verzögern eines von der Verzögerungseinrichtung 84 ausgegebenen Signals um eine Verzögerungszeit T1 verwendet, die gleich einem Vielfachen des Abtastintervalls ΔT ist. Folglich gibt die Verzögerungsschaltung für den ersten Kanal 81 digitale Daten aus, die dem von dem ersten Kanal empfangenen Signal um (τ1 + T1) nacheilen.
Ein Fall, bei dem T1 und τ1 Werte von 200 ns bzw. 50 ns aufweisen, ist in Fig. 12 gezeigt. Als Ganzes eilt die Folge von Elementen von digitalen Daten, die durch das Symbol o bezeichnet werden, der Folge von Elementen von digitalen Daten, die durch das Symbol bezeichnet werden, um insgesamt 250 ns nach.
Bei den oben beschriebenen herkömmlichen Verzögerungsschaltungen 81 bis 8n müssen jedoch unvermeidbarerweise Abtastsignale verwendet werden, um die Phase um Perioden zu verschieben, die von Kanal zu Kanal geringfügig unterschiedlich sind, wodurch ein Problem entsteht, daß die Steuerung kompliziert wird.
Die US-A-3 997 773 offenbart eine digitale Phasenverschiebungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine weitere digitale Phasenverschiebungsvorrichtung ist in der US-A-3 997 772 offenbart.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte digitale Phasenverschiebungsvorrichtung bereitzustellen, die für ein Echtzeitsystem geeignet ist.
Die obige Aufgabe wird von einer digitalen Phasenverschiebungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 erreicht. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere Vorteile, wie sie in der Erfindung enthalten sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer von der Erfindung bereitgestellt Ultraschalldiagnosevorrichtung;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform, die eine Verzögerungsschaltung gemäß der Erfindung implementiert;
Fig. 3 ist ein erläuterndes Diagramm, das zur Beschreibung von interpolierten Daten verwendet wird;
Fig. 4 ist ein erläuterndes Diagramm, das zum Beschreiben einer durch Interpolation erhaltenen Folge von digitalen Datenstücken verwendet wird;
Fig. 5 ist ein erläuterndes Diagramm, das zum Beschreiben eines Zustands verwendet wird, bei dem eine Verzögerungszeit resultiert, die kürzer als ein Abtastintervall ist;
Fig. 6 ist ein erläuterndes Diagramm, das zum Beschreiben eines Zustands verwendet wird, bei dem insgesamt eine längere Verzögerungszeit resultiert;
Fig. 7 ist ein erläuterndes Diagramm, das zum Beschreiben der herkömmlichen Ultraschalldiagnosevorrichtung verwendet wird;
Fig. 8 ist ein Blockdiagramm der herkömmlichen Verzögerungsschaltung;
Fig. 9 ist ein erläuterndes Diagramm, das zum Beschreiben von durch ein Abtastsignal ohne Verzögerung erzeugten digitalen Daten verwendet wird;
Fig. 10 ist ein erläuterndes Diagramm, das zum Beschreiben von durch Abtastsignale mit Verzögerungen erzeugten digitalen Daten verwendet wird;
Fig. 11 ist ein erläuterndes Diagramm, das zum Beschreiben eines Zustands verwendet wird, bei dem eine Verzögerungszeit resultiert, die kürzer als ein Abtastintervall ist; und
Fig. 12 ist ein erläuterndes Diagramm, das zum Beschreiben eines Zustands verwendet wird, bei dem insgesamt eine lange Verzögerungszeit resultiert.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die Erfindung wird aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Diagramme offensichtlich. Es sei jedoch bemerkt, daß der Bereich der Erfindung nicht auf die bevorzugte Ausführungsform begrenzt ist.
Ein Blockdiagramm einer Ultraschalldiagnosevorrichtung 1, die eine von der Erfindung gelieferte digitale Phasenverschiebungsvorrichtung benutzt, ist in Fig. 1 gezeigt.
Bei der Ultraschalldiagnosevorrichtung 1 werden durch eine Sonde 2 empfangene Signale für n-Kanäle einer Phaseneinstellung für die einzelnen Kanäle in einer Anzahl von Verzögerungsschaltungen (oder Phasenverschiebungsschaltungen) unterzogen; nämlich einer. Verzögerungsschaltung für den ersten Kanal 31 bis zu einer Verzögerungsschaltung für den n-ten Kanal 3n. Die Ausgaben der Verzögerungschaltungen werden durch einen Addierer 5 aufsummiert. Der Addierer 5 führt dann einen Strahlbildungsprozeß aus, um ein Schallstrahlsignal zu erzeugen. Basierend auf all den Schallstrahlsignalen erzeugt ein Abtastwandler 6 auf einer Anzeigevorrichtung 7 anzuzeigende Bilder.
Die Verzögerungsschaltung 31 bis 3n werden mit einem gemeinsamen Abtastsignal beliefert, das durch eine Abtastsignalerzeugungsschaltung 4 erzeugt wird.
Ein ausführliches Blockdiagramm der Verzögerungsschaltung für den ersten Kanal 31 ist in Fig. 2 gezeigt. Die Verzögerungsschaltungen der anderen Kanäle weisen genau die gleiche Konfiguration auf. Ein von dem ersten Kanal empfangenes Analogsignal wird an einen A/D-Wandler 11 geliefert. Ein Abtastsignal mit einer Periode ΔT wird an den A/D-Wandler 11, ein Schreibsteuermittel 13 und ein Lesesteuermittel 14 geliefert.
Angetrieben durch das Abtastsignal tastet der A/D-Wandler 11 das von dem ersten Kanal empfangene Signal mit Abtastintervallen ab, die jeweils gleich der Periode AT sind. In Fig. 3 wird das von dem ersten Kanal empfangene Analogsignal durch eine Bezeichnung D angegeben, wohingegen die abgetasteten digitalen Daten durch ein Symbol bezeichnet werden. Ein Fall mit einem Abtastintervall ΔT von 100 ns ist in Fig. 3 gezeigt. Die abgetasteten digitalen Daten werden in einer Speichereinheit 12 bei einer durch das Schreibsteuermittel 13 spezifizierten Adresse gespeichert. Die Speichereinheit 12 gibt bei einer durch das Lesesteuermittel 14 spezifizierten Adresse gespeicherten Daten aus. Eine Differenz zwischen der von dem Schreibsteuermittel 13 und dem Lesesteuermittel 14 spezifizierten Adressen entspricht einem gewünschten Vielfachen des Abtastintervalls ΔT. Diese Adressen werden dann synchron mit dem Abtastsignal aktualisiert.
Ein Datenregister 15 wird zum Speichern eines aus der Speichereinheit 12 gelesenen digitalen Datenstücks verwendet. Jedes Mal wenn ein neues digitales Datenstück in dem Datenregister 15 gespeichert wird, wird ein vorher in dem Datenregister 15 gespeichertes digitales Datenstück in ein Datenregister 16 verschoben. Zur gleichen Zeit werden Datenstücke von dem Datenregister 16 in ein Datenregister 17 und von dem Datenregister 17 in ein Datenregister 18 verschoben. Auf diese Art und Weise werden vier digitale Datenstücke, die bei Zeitpunkten abgetastet werden, die voneinander durch das Abtastintervall ΔT getrennt sind, in den Datenregistern 15 bis 18 gespeichert. Die vier Datenstücke werden durch Verschiebevorgänge synchron mit dem Abtastsignal aktualisiert. Das Lesesteuermittel 14 steuert Vorgänge, um Daten aus der Speichereinheit 12 auf eine solche Art und Weise zu lesen, daß vier in den Datenregistern 15 bis 18 gespeicherte Datenstücke um (T1 - ΔT), T1, (T1 + ΔT) bzw. (T1 + 2ΔT) vor der aktuellen Abtastzeit sind.
Daten mit einer feinen Verzögerungszeit τ1, die kürzer als die Abtastzeit ΔT ist, werden aus den vier Datenelementen typischerweise mittels einer später zu beschreibenden gemischten Spline-Interpolation gebildet.
Koeffizientenregister 19, 21, 23 und 25 werden jeweils zum Speichern eines Interpolationskoeffizienten für die gemischte Spline-Interpolation verwendet. Multiplizierer 20, 22, 24 und 26 werden zum Multiplizieren der in den Datenregistern 15, 16, 17 und 18 gespeicherten Daten mit den Interpolationskoeffizienten der gemischten Spline- Interpolation, die in den Koeffizientenregistern 19, 21, 22 bzw. 25 gespeichert sind, verwendet. Die Produkte werden an einen Addierer 27 ausgegeben, um aufsummiert zu werden. Die Vorgänge, um derartige Daten zu verarbeiten und die Ausgabe zu erzeugen, werden synchron mit dem Abtastsignal durchgeführt.
Ein Konzept zum Berechnen von interpolierten digitalen Daten E1 durch die gemischte Spline-Interpolation aus vier digitalen Datenstücken D0 bis D3, die jeweils in den Datenregistern 15 bis 18 gespeichert sind, ist in Fig. 3 gezeigt. Die Figur zeigt einen Fall mit ΔT = 100 ns und τ1 = 50 ns.
Es seien beispielsweise die digitalen Daten E1 Daten, die zwischen den Daten D1 und D2 interpoliert werden, und der Abstand von den Daten E1 zu einem Interpolationspunkt sei uAT. Gemäß einer Formel der gemischten Spline-Interpolation wird EI durch die folgende Gleichung gegeben:
EI = -(1/6)u(u - 1) (u - 2)D0 + (1/2) (u + 1)(u - 1)(u - 2)D1 - (1/2)(u + 1)u(u - 2)D2 + (1/6)(u + 1)u(u - 1)D3
Es ist aus der obigen Gleichung offensichtlich, daß die interpolierten Daten E1 eine Summe der vier Datenelemente D0 bis D1 sind, wobei jedes Datenelement mit einem vorbestimmten Wichtungskoeffizienten multipliziert wird. Die Koeffizienten werden eindeutig durch einen relativen Abstand u von den Daten D1 zu dem Interpolationspunkt bestimmt. Für τ1 = 50 ns ist der relative Abstand u gleich 0,5. Koeffizienten für einen gewünschten Interpolationspunkt werden in den Koeffizientenregistern 19, 21, 23 und 25 im voraus gespeichert, um bei der Addition durch den Addierer 27 verwendet zu werden, um die gewünschten interpolierten Daten E1 zu geben.
Ein von dem ersten Kanal ausgegebenes Signal ist in Fig. 4 als eine Zeitachsenfolge von digitalen Datenstücken gezeigt, die jeweils durch ein Symbol 0 bezeichnet werden. Das Ausgangssignal von dem ersten Kanal sind digitale Daten, die den in den Datenregister 16 gespeicherten digitalen Daten um 50 ns nacheilen, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Es sei bemerkt, daß der Verzögerungsbetrag τ1 nicht auf den Wert von 50 ns begrenzt ist. Der Verzögerungsbetrag τ1 kann willkürlich durch Auswählen der Position des Interpolationspunkts bestimmt werden. Andererseits wurden die in dem Datenregister 16 gespeicherten digitalen Daten mit einer Abtastzeit um T1 vor der aktuellen Abtastzeit erhalten. Folglich eilen die Daten E1 den digitalen Daten um die Summe (T1 + τ1) nach. Ein typischer Fall für T1 = 200 ns und τ1 = 50 ns ist in Fig. 6 gezeigt. Der in Fig. 6 gezeigte Fall entspricht demjenigen von Fig. 12.
Die Verzögerungsschaltungen der anderen Kanäle führen jeweils die gleichen Vorgänge aus, um eine Folge von Datenelementen zu erzeugen, die dem in den Kanal eingegebenen Signal um eine gewünschte Zeit nacheilen.
Eine einzelne Folge von Abtastpulsen, die den oben beschriebenen Verzögerungsschaltungen 31 bis 3n gemein ist, wird ohne Einstellung ihrer Phase verwendet, was zu einer Steuerung führt, die einfacher als diejenige des herkömmlichen Systems ist. Darüber hinaus wird die Stabilität der Verzögerungszeit verbessert. Es sei bemerkt, daß es die Verwendung der gemischten Spline-Interpolation möglich macht, daß eine Berechnung auf nur vier Punkten vor und nach einem Interpolationspunkt basiert. Folglich ist die Interpolationstechnik für ein Echtzeitsystem geeignet. Darüber hinaus werden die Interpolationskoeffizienten eindeutig für eine gegebene Verzögerungszeit τ1 bestimmt, was es möglich macht, daß die gemischte Spline-Interpolation durch die gleiche Konfiguration wie beispielsweise derjenigen eines Transversalfilters implementiert werden kann.

Claims

1. Digitale Phasenverschiebungsvorrichtung mit:

einem Mittel (11) zur Abtastung analoger Eingangssignale mit Abtastzeitintervallen und zur Erzeugung einer Zeitachsenfolge abgetasteter Daten;

einem Mittel (12) zum Speichern der Zeitachsenfolge abgetasteter Daten nacheinander; und

Mitteln zum Erzeugen phasenverschobener Daten durch Durchführung einer Interpolation mit den abgetasteten Daten, die aus dem Mittel zum Speichern der Zeitachsenfolge abgetasteter Daten ausgelesen wurden;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Mittel zum Erzeugen der phasenverschobenen Daten ausgestaltet sind, um die Interpolation beruhend auf der folgenden Gleichung durchzuführen:

Ex -(1/6)u(u - 1) (u - 2)Dx - 1 + (1/2) (u + 1)(u - 1)(u - 2)Dx - (1/2)(u + 1)u(u - 2)Dx + 1 - (1/6)(u + 1)u(u - 1)Dx + 2

wobei Ex die phasenverschobenen Daten sind, die zwischen den abgetasteten Daten Dx und Dx + 1 interpoliert sind;

u der relative Abstand von den abgetasteten Daten Dx zu dem Interpolationspunkt, und wobei x die (diskrete) Zeitachse ist.

2. Digitale Phasenverschiebungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Mittel zum Erzeugen phasenverschobener Daten enthalten:

ein Mittel (14), um die abgetasteten Daten um gegebene Zeitdifferenzen zeitlich im voraus gegenüber der laufenden Abtastzeit nacheinander synchron mit der Abtastung, welche die Zeitachsenfolge der abgetasteten Daten liefert, auszulesen,

eine Mehrzahl Registermittel (15-18), um die abgetasteten Daten zu halten; wobei die abgetasteten Daten ausgewählt werden von den jüngsten ausgelesenen Daten zu Daten, die vor den jüngsten ausgelesenen Daten um einen vorgegebenen Datenzielwert voraus sind,

eine Mehrzahl Koeffizientenregistermittel (19, 21, 23, 25) entsprechend der Mehrzahlregistermittel, um einen vorgegebenen Gewichtungskoeffizienten zu halten,

einer Mehrzahl Multipliziermittel (20, 22, 24, 26) entsprechend der Mehrzahl Registermittel und der Mehrzahl Koeffizientenregistermittel, um die abgetasteten Daten aus dem entsprechenden Registermittel mit einem Gewichtungskoeffizienten aus dem entsprechenden Koeffizientenregistermittel zu multiplizieten, und einem Addierermittel (27), um die Ausgaben der Mehrzahlmultiplizierermittel auf zu summieren.

3. Ultraschallbildgebungsvorrichtung mit:

einem Sondenmittel (2) zum Übertragen und Empfangen von Ultraschallwellen,

einer Mehrzahl der Mittel zum Erzeugen der phasenverschobenen Daten nach Anspruch 1 oder 2, einem weiteren Addierermittel (5) zum Aufsummieren der Ausgaben der Mehrzahladdierermittel,

einem Abtastwandlermittel (6) zum Wandeln der Abtastungen entsprechend den Ausgaben des Addierermittels in Abtastungen eines anzuzeigenden Bildes, und Anzeigemittel (7) zum Anzeigen des Bildes.