DE69424636T2

DE69424636T2 - Ultraschallabbildungssystem mit Interpolation von Abtastlinien

Info

Publication number: DE69424636T2
Application number: DE69424636T
Authority: DE
Inventors: Clifford R. Cooley; Robert R. Entrekin; Juin-Jet Hwang; Brent Stephen Robinson
Original assignee: Advanced Technology Laboratories Inc
Current assignee: Advanced Technology Laboratories Inc
Priority date: 1993-12-30
Filing date: 1994-12-29
Publication date: 2001-01-25
Anticipated expiration: 2014-12-30
Also published as: EP0661554A1; DE69424636D1; ATE193380T1; EP0661554B1; US5390674A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschallabbildungssystem, das den Körper durch eine Vielzahl von Abtastlinien abtasten kann, die über eine Bildebene oder ein Volumen empfangen wurden, und insbesondere auf die Schaffung von zusätzlichen Abbildungslinien durch Interpolation vor der Scan-Umwandlung.
Ultraschallabbildungssysteme schaffen Abbildungen von Ebenen oder dreidimensionalen Räumen innerhalb eines Körpers, indem sie Ultraschallwellen in den Körper aussenden und die Echos empfangen, die auf verschiedenen gerichteten Vektoren oder Linien zurückgesendet werden. Wenn die Echolinien empfangen werden, werden die räumlichen Orte, von denen sie reflektiert werden, entweder gemessen oder berechnet und zusammen mit den Echoinformationen gespeichert. Die Echoinformationen werden mit den Frequenzen der gesendeten Ultraschallwellen (HF-Frequenzen) empfangen. Die empfangenen hochfrequenten Echoinformationen werden üblicherweise verstärkt, zu einem Zwischenfrequenzbereich (ZF) demoduliert, detektiert und weiter verarbeitet, um eine Echoinformationslinie bei den erkannten Basisbandfrequenzen zu erhalten.
Die Echoinformationslinien können in einer Reihe von räumlichen Formaten empfangen werden. Die Linien können in einem keilförmigen Sektorformat angeordnet sein, bei dem die Linien an einem gemeinsamen Punkt oder einer gemeinsamen Region beim Empfänger konvergieren und divergieren, wenn sie sich in größere Tiefen innerhalb des Körpers erstrecken. Wenn die Linien beim Empfänger nicht vollkommen auf einen Punkt konvergieren, kann das Sektorformat ein trapezförmiges Aussehen haben. Wenn der empfangende Meßwandler gekrümmt ist, kann die Schmalseite der Trapezform gekrümmt erscheinen. Die Keilform kann über einen 180º-Winkel verlängert werden, so dass das Sektorformat die Form eines Halbkreises annimmt. Ein weiteres räumliches Format ist das lineare Format, bei dem die Linien parallel zu einander über die Bildebene ausgerichtet sind. Diese planaren Formate können sich in eine dritte Dimension erstrecken, um ein volumetrisches Bild zu projizieren.
Da das Bild herkömmlicherweise auf einem Videomonitor dargestellt wird, muß das räumliche Format der Bildebene unabhängig von seiner Form oder der Linienan ordnung in eine Anordnung von parallelen Linien umgewandelt werden, die auf ein Rasterdisplay abgetastet werden kann. Die Echoinformationslinien werden in einem Speichermedium gespeichert, indem ihre räumlichen ortsbezogenen Daten benutzt werden, um die Linien in ihrer richtigen räumlichen Orientierung zu einander in dem Medium zu speichern. Die vollständig zusammengestellte Bildebene kann in horizontalen Linien zur Abtastung auf einem Videomonitor aus dem Speichermedium ausgelesen werden. Das Speichermedium, das die Bildebene zusammenstellt und sie in einem Videoformat ausliest, wird als Scan-Konverter bezeichnet, da das Format der Ultraschall-Abtastlinien in dem Körper in ein für die Bildanzeige geeignetes Format umgewandelt wird.
Wenn das Bild Linie für Linie in dem Speichermedium des Scan-Konverters zusammengestellt wird, werden der Zwischenlinienabstand und sein Bezug zur Auflösung der Anzeige schnell ersichtlich. Oft wird das Ergebnis sein, dass Speicherplätze zwischen benachbarten Linien aufgrund der räumlichen Streuung der Echoinformationslinien leer sein werden. Dies ist vor allem der Fall bei einem Sektorformat, in dem die Echoinformationslinien im Fernfeld zunehmend divergieren. Um das Aussehen des angezeigten Bildes zu verbessern, werden die Speicherbereiche zwischen den Linien mit berechneten Zwischenlinien-Anzeigewerten aufgefüllt. Normalerweise werden die berechneten Werte mit Hilfe von verschiedenen Interpolationsverfahren ermittelt. Dieser Prozeß des Auffüllens von Leerräumen zwischen (und manchmal sogar auf) den Echoinformationslinien wird in unterschiedlicher Weise als Bildglättung oder Lochfüllung bezeichnet.
Bis die Echoinformationslinien dem Scan-Konverter vorgelegt werden, wurde allerdings oft ein Verzerrungseffekt oder eine Aberration in die Bildinformationen eingeführt. Diese Aberration ist auf die Zunahme des Frequenzgehalts infolge der nichtlinearen Verarbeitung der Echoinformationssignale, zum Beispiel logarithmische Komprimierung oder Erkennung, zurückzuführen. Diese Zunahme des Frequenzgehalts kann oft die Nyquist-Grenze der räumlichen Abtastrate überschreiten, was zu einem Aliasing der Echoinformationssignale führt. Die Aberration macht sich vor allem bemerkbar, wenn der Ultraschallfühler in Bezug zum abgetasteten Körper bewegt wird. Während dieser Bewegung vermittelt der Artefakt dem Bild ein szintillierendes Aussehen.
In einer Abhandlung mit dem Titel "Analysis of a Scan Conversion Algorithm for a Real-Time Sector Scanner" von Min Hwa Lee, Joo Han Kim und Song Bai Park, 8197 IEEE Transactions on Medical Imaging MI-5, Nr. 2, Juni 1996, wird ein digitaler Scan-Konverter beschrieben, in dem die Datenpunkte so gewählt werden, dass eine Scan-Umwandlung keine Interpolation erfordert. In der Abhandlung werden frühere Verfahren geschildert, die eine Interpolation erfordern, und ein Verfahren, bei dem Abtastlinien interpoliert werden, wie oben beschrieben, wobei die Interpolation nach einer nicht-linearen Verarbeitung erfolgt.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Ultraschallabbildungssystem, wie es in Anspruch 1 definiert ist.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ultraschallabbildungssystems;
die Fig. 2a, 2b, 3a und 3b graphische Darstellungen der Spektren von Ultraschallsignalen vor und nach der nicht-linearen Verarbeitung;
Fig. 4 den Linien-Interpolator aus Fig. 1 in größerem Detail;
Fig. 5 die Interpolation von Abtastlinien zwischen den empfangenen Abtastlinien eines sektor-abgetasteten Bildes;
Fig. 6 eine Ausführungsform des Linien-Interpolators der vorliegenden Erfindung als Filter mit vier Abgriffen;
Fig. 7 die axial adaptive Interpolation einer Abtastlinie zwischen zwei empfangenen Abtastlinien eines sektor-abgetasteten Bildes zur Reduzierung von Bewegungseffekten; und
Fig. 8 in Form eines Blockschaltbildes die Details eines adaptiven Linien- Interpolators.
In Fig. 1 ist ein gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiertes Ultraschallabbildungssystem in einem Blockschaltbild dargestellt. Eine Gruppierung 10 von Meßwandlerelementen wird durch einen Bündelformer 12 aktiviert, um Wellen von Ultraschallenergie in einen Körper zu senden, der an die Meßwandlergruppierung 10 angrenzt. Ultraschallechos werden von Partikeln und Grenzflächen innerhalb des Körpers reflektiert und kehren auf den als Linien l&sub1;, l&sub2;, l&sub3; und so weiter abgebildeten Pfaden zurück. Im allgemeinen erfolgt dieses Aussenden und Empfangen linien-sequentiell. Zuerst wird ein Ultraschallenergiebündel in Richtung von Linie l&sub1; ausgesendet, was zu der Rücksendung von Echos entlang der Richtung von Linie l&sub1; führt. Anschließend wird ein Ultraschallenergiebündel entlang Linie l&sub2; gesendet, was zu einer Rücksendung von Echos in der Richtung von Linie l&sub2; führt. Der Körper neben dem Meßwandler 10 wird auf diese Weise abgetastet, bis die gewünschte Anzahl von Deckungslinien für den anzuzeigenden Bildebenenbereich zusammengesammelt ist.
Der Bündelformer 12 empfängt die nach jeder Aussendung von Ultraschallenergie zurückgesendeten Echokomponenten und verzögert und kombiniert die Echokomponenten wie in der Technik bekannt, um eine kohärente Folge von Echoinformationen zu bilden, die aus der Richtung der Abtastlinie zurückgesendet wird. Wie bekannt, wird der Bündelformer 12 benutzt, um die ausgesendeten Ultraschallbündel zu fokussieren und zu steuern und um die empfangenen Echokomponenten eines Gruppierungs-Meßwandlers zu kombinieren und zu fokussieren, um eine kohärente Echoinformationslinie zu erhalten. Die sequentiell empfangenen und gebildeten Echolinien werden dann durch einen Bandpaßfilter und einen Demodulator 14 verarbeitet. Durch die Bandpaßfilterung wird das Durchlaßband der Frequenzen, das durch das Echosignal eingenommen wird, verschmälert und geformt, und die Demodulation macht aus den empfangenen hochfrequenten Echosignalen Zwischenband- oder Basisbandfrequenzen, die dann effizienter und einfacher verarbeitet werden können.
In Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden die empfangenen Echoinformationslinien benutzt, um räumliche Zwischenlinien durch Interpolation durch einen Linieninterpolator 16 zu bilden. Der Linieninterpolator 16 kann alle Linien eines kompletten Liniendurchgangs (Vollbild) über den abzubildenden Bereich speichern, und anschließend werden die Echoinformationslinien benutzt, um eine interpolierte Linie zwischen benachbarten Linienpaaren zu berechnen. Um kein vollständiges Vollbild von Linien speichern zu müssen, ist es allerdings möglich, die interpolierten Linien zu berechnen, wenn die Liniendaten empfangen werden. Eine Möglichkeit hierfür ist in Fig. 4 dargestellt. Die Signale von der gerade empfangenen Linie von dem Bandpaßfilter und dem Demodulator 14 werden dem Eingang einer Laufzeitkette 30 mit einer Verzögerung von einem Linienzyklus zugeführt (wobei ein Linienzyklus der Gesamtheit der übertragenen und der empfangenen Perioden sowie allen Perioden dazwischen entspricht). In diesem Beispiel wird das gerade empfangene Liniensignal mit S&sub3;&sub2; bezeichnet. Die Laufzeitkette 30 könnte eine analoge Laufzeitkette sein, eine CCD-Laufzeitkette (für ein abgetastetes analoges System) oder ein Schieberegister (für ein digitales System). Die gerade empfangenen Liniensignale werden auch dem Eingang einer Schaltung zur Teilung durch zwei 34 zugeführt. Gleichzeitig erscheint ein Signal von dem gleichen Punkt (zeitlich oder nach Entfernung) der zuvor empfangenen Linie, S&sub3;&sub1;, am Ausgang der Laufzeitkette mit einer Verzöge rung um einen Linienzyklus 30 und wird dem Eingang einer zweiten Schaltung zur Teilung durch zwei 32 zugeführt. Die gewichteten Signale an den Ausgängen der Schaltungen zur Teilung durch zwei werden einem Summierer 36 zugeführt, wo sie kombiniert werden, um ein interpoliertes Echoinformationssignal X3 zu bilden, das für die Detektion zur Verfügung steht, ebenso wie eine der tatsächlich empfangenen Echosignallinien, entweder am Ausgang der Laufzeitkette wie als S&sub3;&sub1; dargestellt, oder das gerade empfangene Liniensignal S&sub3;&sub2;.
Die Echoinformationssignale S&sub3;&sub1; und S&sub3;&sub2; jeder Linie werden durch Daten begleitet, die ihre räumlichen Koordinaten angeben, so dass ein räumliches Bild zusammengestellt werden kann. Auf die gleiche Weise wie bei der Anordnung aus Fig. 4 interpoliert wird, um einen Signalwert zu berechnen, werden die räumlichen Koordinaten der beiden Linien benutzt, um einen räumlichen Zwischenort zu berechnen, der den Ort des interpolierten Signalwertes X3 im Bildfeld darstellt. Im Fall von Fig. 4, wo das interpolierte Signal berechnet wird, indem jeder Linienwert um einhalb gewichtet wird, wird der Ort des interpolierten Liniensignals als auf halbem Wege zwischen den beiden empfangenen Linien berechnet. Wenn die relative Interpolationsgewichtung in andere Proportionen geändert wird, wird der Ort des interpolierten Liniensignals gleichermaßen proportional geändert.
Der Effekt des obigen Linieninterpolationsverfahrens ist in Fig. 5 dargestellt. In dieser Figur wurde eine Ultraschallwelle entlang Linie 11 ausgesendet und Echos wurden entlang der Linie in der durch den Pfeil auf der Linie angegebenen Richtung zurückgeschickt. Die Echos kehren sequentiell von den Punkten S&sub1;&sub1;, S&sub2;&sub1;, S&sub3;&sub1; und S&sub4;&sub1; entlang der Linie l&sub1; zurück. Diese Punkte befinden sich in den Abständen r&sub1;, r&sub2;, r&sub3; bzw. r&sub4; vom Meßwandler entfernt. Da diese Abstände auf der Linie liegen, werden sie als Indikatoren von axialer Richtung bezeichnet. Wenn die Echos auf der Linie l&sub1; an den Punkten S&sub1;&sub1;, S&sub2;&sub1;, S&sub3;&sub1; und S&sub4;&sub1; empfangen werden, werden sie der Laufzeitkette mit einer Verzögerung um einen Linienzyklus 30 zugeführt.
Anschließend werden die Echos von der benachbarten Linie, der Linie l&sub2;, empfangen. Wenn diese Echos empfangen werden, erscheinen die l&sub1;-Echos von den gleichen räumlichen Abständen "r" am Ausgang der Laufzeitkette 30. Die Echos von Punkt S&sub1;&sub2; der zweiten Linie werden also empfangen, wenn die Echos von Punkt S&sub1;&sub1; am Ausgang der Laufzeitkette erscheinen. Die beiden Echos werden gemittelt (durch zwei geteilt und summiert), um die Werte der Echos an Punkt X&sub1; der interpolierten Linie l&sub1; zu berechnen.
Auf ähnliche Weise werden die Echos schrittweise von der Linie l&sub2; mit den sequentiellen Punkten S&sub2;&sub2;, S&sub3;&sub2; und S&sub4;&sub2; empfangen. Diese Echos werden mit den gleichzeitig erzeugten Echos von den gleichen axialen Abständen entlang Linie l&sub1; benutzt, um eine Folge von interpolierten Echos einschließlich derjenigen bei den Punkten X&sub2;, X&sub3; und X&sub4; auf der interpolierten Zwischenlinie l&sub1; zu berechnen. Der Interpolator 16 aus Fig. 4 ist für den Zeitpunkt abgebildet, an dem das Signal S&sub3;&sub2; dem Eingang der Laufzeitkette mit einer Verzögerung um einen Linienzyklus 30 zugeführt wird und gleichzeitig das Signal S&sub3;&sub1; am Ausgang erzeugt wird, um das interpolierte Signal X&sub3; zu erzeugen.
In der Anordnung aus Fig. 1 werden die Echoinformationen der interpolierten Linien bei der Zusammenstellung eines Bildes auf die gleiche Weise behandelt wie die Echoinformationen der tatsächlich empfangenen Linien. Die Echoinformationen werden durch einen Detektor 18 erkannt und anschließend durch die logarithmische Komprimierungsschaltung 20 im dynamischen Bereich skaliert. (In dem Signalpfad nach dem Linieninterpolator 16 sind zwei Linien dargestellt, um die Nutzung von beiden, den empfangenen und den interpolierten, Linieninformationen zu bezeichnen). Die Echoinformationen werden dann örtlich in dem Speichermedium eines Scan-Konverters 22 gespeichert, so dass die Sektor-Abtastung auf dem Bildschirm eines Anzeigegerätes 24 dargestellt werden kann.
Auf welche Weise dieses Verfahren der Linieninterpolation die störende Aberration der Szintillation verringert, wird unter Bezugnahme auf die Grafiken in den Fig. 2 und 3 erläutert. Die Kurve 40 stellt das Ausmaß des Basisband-Spektrum der empfangenen hochfrequenten Ultraschallechoinformationen mit einer Liniendichte in der laterialen (Azimuth-) Richtung eines Ultraschallbildes dar, das das Objekt mit der räumlichen Abtastfrequenz fs räumlich abtastet. In Fig. 2a wurde diese räumliche Abtastfrequenz fs so gewählt, dass sie dem Doppelten der höchsten Frequenz des Informationsspektrums f&sub0; entspricht, um das Nyquist-Kriterium zu erfüllen. Die Wahl der räumlichen Abtastfrequenz fs für das Spektrum, das sich zur Frequenz f&sub0; erstreckt, führt zu einem Kontinuum von nichtüberlappenden Spektren 40', 40" und 40''' um Vielfache der Abtastfrequenz, wie in Fig. 2a dargestellt. Solange die Signale dieser Spektren nicht nicht-linear verarbeitet werden, entwickeln sich keine Szintillationsartefakte.
Angenommen, dass die HF-Signale einer Detektion unterzogen werden, bevor sie dargestellt werden, alos einer nicht-linearen Operation. Der Detektionsprozeß schafft zusätzliche Spektralkomponenten und erweitert das Spektrum 40 auf das größere Spektrum, das in Fig. 2b durch 40D dargestellt ist. Bei der gleichen räumlichen Abtastfre quenz fs werden sich die größeren Spektren, die sich aus der Abtastung ergeben, jetzt überlappen, wie durch die schraffierten Bereiche in Fig. 2b dargestellt. Die Spektralkomponenten von einem Spektrum werden sich vektoriell mit den Spektralkomponenten des überlappenden Spektrums kombinieren, um neue, zufallsmäßige vektorielle Spektralkomponenten zu bilden. Diese zufallsmäßigen Spektralkomponenten treten bei jedem schraffierten Bereich erneut auf und manifestieren sich in einem Bild als Szintillationseffekte, wenn sich das Objektfeld in Bezug auf den Meßwandler 10 bewegt.
Die Schaffung von zusätzlichen Abtastlinien durch Interpolation vergrößert die Liniendichte und steigert die räumliche Abtastfrequenz wirksam auf einen höheren Wert fs', wie in Fig. 3a dargestellt. Man erhält die gleichen Spektren 40, 40', 40" und 40''', jedoch sorgt die höhere räumliche Abtastfrequenz fs' für eine Trennung der Spektren, wie in der Figur zu sehen. Wenn jetzt die Signale in den Spektren der Detektion unterzogen wird, werden die Spektren auf 40D, 40D', 40D" und 40D"' ausgedehnt, wie in Fig. 3b dargestellt, jedoch sorgt der Abstand zwischen den Spektren, der sich aus der höheren räumlichen Abtastfrequenz ergibt, dafür, dass das Nyquist-Kriterium für die Spektren weiterhin erfüllt wird. Die Signale werden durch die Detektion nicht-linear verarbeitet, aber da es keine Spektren-Überlappung gibt und keine zufallsmäßigen Signale geschaffen werden, werden keine Szintillationsartefakte erzeugt.
Fig. 6 zeigt einen bevorzugten Linieninterpolator für eine Ausführungsform mit abgetasteten Daten oder digitalem Ultraschall. Dieser Linieninterpolator ist ein linearer Filter mit vier Abgriffen. Der lineare Filter kann entweder als IIR-Filter (infinite impulse response) oder als FIR- oder Transversalfilter (finite impulse response) konstruiert werden, und in der Ausführungsform aus Fig. 6 ist ein Transversalfilter dargestellt. Es werden mindestens drei Linien der empfangenen Ultraschallsignale gespeichert, so dass der Transversalfilter mit Abtastwerten von vier Linien gleichzeitig arbeiten kann. Die Abtastwerte von den vier Linien, zum Beispiel von den Linien l&sub1;, l&sub2;, l&sub3; und l&sub4; aus Fig. 5, werden dem Eingang des Filters sequentiell zugeführt und verschoben oder hineintransportiert bis sie durch entsprechende Linienverzögerungszeiten Tau durch die Verzögerungselemente 51, 52 und 53 getrennt werden. Das Beispiel von Fig. 6 zeigt die Abtastwerte vom Abstand r&sub1; aus Fig. 5 getrennt durch die Verzögerungselemente 51-53. Die Abtastwerte werden mit den Filterkoeffizienten C&sub1;-C&sub4; in den Multiplizierern 60-63 multipliziert, und die Ergebnisse werden in dem Summierer 70 summiert, um das interpolierte Ergebnis Y&sub1; einer Linie zu erzeugen, die in der bevorzugten Ausführungsform räumlich in der Mitte der vier Linien 11-14 zentriert ist. Durch die Wahl der Filterkoeffizienten kann man auch andere räumliche Orte für die "Y"-Linie erhalten.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten zum Betreiben des transversalen Filters.
Wenn das volle Feld der Ultraschallsignale empfangen und gespeichert wird, kann der Filter den gesamten lateralen Abstand r&sub1; durch sequentielles Hineinschieben von aufeinanderfolgenden Abtastwerten durchqueren. Nachdem Y&sub1; für die Linie l&sub1; berechnet wurde, wird zum Beispiel der Abtastwert S&sub1;&sub5; von der fünften Linie 15 (nicht abgebildet) hineingeschoben, um den Wert für die interpolierte Linie zwischen den Linien 13 und 14 beim Abstand r&sub1; zu berechnen. Nachdem alle interpolierten Werte beim Abstand r&sub1; berechnet wurden, werden dem transversalten Filter die Abtastwerte beim nächsten Abstand r&sub2; zugeführt, um den nächsten Wert in jeder interpolierten Linie zu berechnen, einschließlich Wert Y&sub2; in der "Y"-Linie. Ständen nur vier Linien gleichzeitig zur Verfügung, würde der Filter Y&sub1;, dann Y&sub2;, dann Y&sub3; und so weiter berechnen, bis alle Werte für die "Y"-Linie in axialer Folge berechnet sind.
Es ist auch möglich, eine Reihe von interpolierten Linien zwischen jedem Paar von empfangenen Linien zu berechnen. Nach der Berechnung des Wertes Y&sub1; könnten zum Beispiel die Koeffizienten C&sub1;-C&sub4; des Filters geändert werden, während die gleichen Werte bei den Ausgängen des Verzögerungselementes beibehalten werden, um einen Wert zwischen Y&sub1; und S&sub1;&sub2; zu berechnen. Unter weiterer Beibehaltung der Abtastwerte bei den Ausgängen des Verzögerungselementes und bei erneuter Änderung der Filterkoeffizienten wird ein interpolierter Wert zwischen S&sub1;&sub3; und Y&sub1; berechnet. Auf diese Weise werden drei interpolierte Linien zwischen jedem Paar von empfangenen Linien berechnet, was zu einer vierfachen Zunahme der Liniendichte führt. Ein schnelleres Verfahren, um dieses Ergebnis zu erreichen, besteht darin, drei Filtern parallel zu benutzen. Jeder Filter entspricht in seinem Aufbau den beiden anderen und unterscheidet sich nur durch die verwendeten Filterkoeffizienten. Wenn die vier Abtastwerte von den vier Linien einmal für die Verarbeitung zur Verfügung stehen, würden die drei parallelen Filter drei interpolierte Linienwerte gleichzeitig berechnen.
Für ein System, bei dem der Transversalfilter aus Fig. 6 für den Linieninterpolator 16 aus Fig. 1 verwendet wird, könnte der Bandpaßfilter des Bandpaßfilters und Demodulators 14 ebenfalls als Transveralfilter konfiguriert werden, jedoch mit Abtastwerten in axialer Richtung arbeiten. Es könnte zum Beispiel ein Filter mit zwölf Abgriffen benutzt werden, durch den nacheinander die Abtastwerte der gesamten Linie geleitet werden, um die Liniendaten zu filtern. Obwohl der Linieninterpolator 16 entweder vor oder nach dem Bandpaßfilter und Demodulator 14 angeordnet werden kann, wäre es in diesem Beispiel operationell einfacher, den Linieninterpolator 16 nach dem Bandpaßfilter zu haben. Hierdurch erübrigt sich die Notwendigkeit, die Abtastwerte der interpolierten Linien durch den Bandpaßfilter laufen zu lassen, da der Interpolator mit den bandpaßgefilterten Daten arbeitet.
Die Verwendung eines Linieninterpolators in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann zu fehlerhaften Ergebnissen bei den interpolierten Linienwerten führen, wenn sich der Gegenstand in Bezug auf den Meßwandler bewegt, während die Liniendaten erfaßt werden. Die Bewegung kann zu der Benutzung von verschobenen benachbarten Abtastwerten bei der Berechnung der interpolierten Linien führen. Die Fig. 7 und 8 zeigen ein adaptives System, das die Effekte von Bewegung in axialer Richtung kompensiert. In Fig. 8 werden die Abtastwerte von aufeinanderfolgenden empfangenen Linien durch eine Laufzeitkette 80 transportiert, deren Verzögerung einem Linienzyklus plus einer Abtastperiode Tau entspricht. Bei der Abtastsequenz, die für die Linien l&sub1; und l&sub2; in Fig. 7 dargestellt ist, wird der Abtastwert Sb2 der Linie l&sub2; dem Eingang der Laufzeitkette 80 zugeführt, und zwar zu dem gleichen Zeitpunkt, an dem der Abtastwert Sa1 am Ausgang der Laufzeitkette erzeugt wird. Die Laufzeitkette verfügt über zwei Abgriffe, die durch eine Abtastperiode bzw. zwei Abtastperioden von dem Ausgang getrennt sind und an denen die Abtastwerte Sb1 und Sc1 zu dem Zeitpunkt erzeugt werden, zu dem der Abtastwert Sa1 am Ausgang der Laufzeitkette erscheint.
Eine Reihe von Abtastwerten von den beiden Linien l&sub1; und l&sub2;, die von dem Eingang bzw. von dem ersten Abgriff der Laufzeitkette abgenommen wurden, wird einem Korrelator 82 zugeführt. Der Korrelator führt eine Kreuz-Korrelation von abstandsausgerichteten Datenabtastwerten der beiden Linien l&sub1; und l&sub2; durch, um die Bedingung der relativen Bewegung zwischen den beiden Linien zu erkennen. Diese Kreuz-Korrelation wird auf herkömmliche Weise durchgeführt, indem Abtastwertsequenzen von den beiden Linien relativ zu einander sequentiell verschoben werden, ausgerichtete Abtastwerte nach jeder Verschiebung multipliziert werden, und die Produkte summiert werden, um einen Korrelationsfaktor zu erzeugen. Der Wert und die Richtung der Verschiebung, bei denen der Korrelationsfaktor einen Maximalwert hat, geben das Maß und die Richtung der Bewegung an, die in dem Zeitraum zwischen der Erfassung der beiden Linien 11 und 12 aufgetreten ist. Der Spitzenwert des Korrelationsfaktors wird dann als Steuereingang eines Selek tors oder Multiplexers 84 benutzt, um den Abtastwert am Eingang des Selektors zu wählen, der in Abwesenheit von Bewegung auf den Abtastwert am Eingang der Laufzeitkeitte 80 abstands-ausgerichtet wäre.
Wenn sich also der Abtastwert Sb2 der Linie 12 also am Eingang der Laufzeitkette befindet und keine Bewegung während der Erfassung der Linien-Abtastwerte auftritt, gäbe es ein höheres Maß an Korrelation zwischen den beiden Linien, wenn keine relative Verschiebung auftritt, wodurch angegeben wird, dass keine Bewegung stattfindet. Der Selektor 84 wurde dann den Abtastwert Sb1 für die Berechnung eines interpolierten Wertes Xb mit dem Abtastwert Sb2 am Ausgang des Sumxnierers 36 wählen. Wie in Fig. 7 dargestellt, befinden sich diese beiden Abtastwerte in diesem Beispiel in dem gleichen Abstand r&sub4;.
Wenn es aber eine Bewegung weg vom Empfänger gibt (in eine Richtung, die der Pfeilrichtung in Fig. 7 entgegengesetzt ist), erkennt der Korrelator 82 die Bewegung und ihre Richtung. In dem Beispiel würde der Selektor 84 den Abtastwert Sa1 für die Interpolation mit Abtastwert Sb2 wählen. Ein interpolierter Wert Xa wird dann am Ausgang des Summierers 36 berechnet, wobei diese beiden Abtastwerte benutzt werden. Aufgrund der Bewegung befindet sich der Wert Xa in der Mitte der Abstände r&sub3; und r&sub4; in Fig. 7. Auf ähnliche Weise würde eine Bewegung auf den Empfänger zu durch den Korrelator 82 erkannt und der Abtastwert Sc1 würde für die Verwendung mit dem Abtastwert Sb2 zum Interpolieren des Wertes Xc gewählt, der wiederum aufgrund der Bewegung in der Mitte der betreffenden Abstände liegt.
Die interpolierten Werte können bei Bruchteilen der Abstände liegen, wie das vorhergehende Beispiel zeigt. Um die Abtastwerte wieder auf die gleichen Abstände auszurichten wie die empfangenen Linien, können die interpolierten Linienwerte durch einen axialen Transversalfilter verarbeitet werden, dessen Koeffizienten gewählt wurden, um einen interpolierten Wert bei jedem ganzzahligen Abstandsinkrement auf der interpolierten Linie zu berechnen. Diese Ausrichtung wäre nützlich, wenn zum Beispiel eine weitere Linienfilterung mit einem Filter mit mehreren Abgriffen erfolgte oder wenn der Scan- Konverter erfordert, dass die Abtastdatenpunkte räumlich in einem gleichförmigen Gitter oder Muster organisiert sind.
Obwohl die Ausführungsform aus Fig. 8 den Interpolator so anpaßt, dass die axiale Bewegung berücksichtigt wird, wird es offensichtlich sein, dass ein adaptives Verfahren angewendet werden kann, um auch die Bewegung in lateraler Richtung zu be rücksichtigen. Es kann eine Korrelation lateral über die Apertur durchgeführt werden, wobei die Signalwerte an zwei benachbarten Abständen r benutzt werden. Wenn eine laterale Bewegung erkannt wird, können die Werte der betroffenen Signalabtastpunkte durch ein Gewichtungs- oder interpolierendes Verfahren in Hinblick auf die Werte der benachbarten Signalabtastwerte justiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, die interpolierenden Verfahren der vorliegenden Erfindung zu nutzen, die für Bewegungseffekte in hohem Maße unempfindlich sind.
Der Fachkundige wird erkennen, dass andere Verfahren als die Korrelation benutzt werden können, um die relative Bewegung zu erkennen und die für die Interpolationsjustierung zu benutzen sind. In der Patentschrift EP-A-0 487 339 wird zum Beispiel eine Meßwandler-Baugruppe beschrieben, die Beschleunigungsmesser zum Erkennen der Bewegung des Meßwandlers benutzt. In der US-amerikanischen Patentschrift 5.127.409 wird ein Doppler-Verfahren zum Erfassen von Meßwandler-Bewegung beschrieben. Diese und andere Verfahren können benutzt werden, um ein Auswahlsignal für die Steuerung eines Interpolators in Übereinstimmung mit den Prinzipien der Ausführungsform aus Fig. 8 zu liefern.
Obwohl die Zunahme in der Liniendichte, die durch Linieninterpolation erreicht wurde, in den vorhergehenden Beispielen benutzt wurde, um Szintillationsartefakt- Effekte zu reduzieren, kann die Liniendichte auch für andere Zwecke genutzt werden. Es müssen zum Beispiel weniger empfangene Linien erfaßt werden, um ein Vollbild mit wesentlich größerer Liniendichte zu erzeugen, wenn zusätzliche Linien interpoliert werden. Die erforderliche Zeit zur Zusammenstellung aller Linien, die benötigt werden, um ein Vollbild zu schaffen, wird um die Differenz zwischen der Zeit, die erforderlich wäre, um Ultraschallwellen zu übertragen und Echos für die zusätzlichen Linien zu empfangen, und der Zeit, die tatsächlich für das Interpolieren der Linien benötigt wird, reduziert. Dies führt zu einer Verkürzung der Zeit, die erforderlich ist, um ein komplettes Vollbild zu erstellen, und damit zu einer entsprechenden Zunahme der Bildfrequenz. Die Linieninterpolation kann also benutzt werden, wo eine Zunahme der Bildfrequenz nützlich oder erforderlich ist. Mit anderen Worten, wenn die Bildfrequenz der Echtzeitabbildung auf unakzeptabel niedrige Werte fällt, kann das Ersetzen der abgetasteten Linien durch die schneller gebildeten interpolierten Linien die Bildfrequenz wieder auf ein akzeptables Niveau bringen. Alternativ kann ein Vollbild in einer relativ kurzen Zeit durch Linieninterpolation berechnet werden, und die gesparte Zeit kann genutzt werden, um weitere Bildverbesserungen durchzu führen, zum Beispiel für eine Bildmittelung, eine Fleckenreduzierung oder für die Eliminierung von anderen Artefakten.
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können genutzt werden, um das Doppler-Scannen sowie die B-Modus-Bildgebung zu verbessern. Bei zweidimensionalem Doppler-Scannen für die Durchfluß-Bilddarstellung wird eine Ansammlung von Linien zu verschiedenen Zeiten in der gleichen Richtung erfaßt. Die Daten der Linienansammlung werden benutzt, um Doppler-Fließgeschwindigkeiten an Punkten entlang der Richtung der Linienansammlung zu berechnen, und eine Vielzahl von räumlich benachbarten Ansammlungen kann benutzt werden, um den Fluß durch ein gesamtes Bildfeld darzustellen. Die für die Kompilierung der Flußdaten für ein vollständiges Bild benötigte Zeit kann durch Interpolieren der Linienansammlungen zwischen den tatsächlich abgetasteten Ansammlungen verkürzt werden. Man nehme zum Beispiel an, dass jeder räumliche Linienort 11-14 in Fig. 5 eine Ansammlung von acht Linien umfaßt, die über die Zeit erfaßt wurden. Es können interpolierte Ansammlungen zwischen den Linien bei den "X"- und "Y"-Linienorten gebildet werden, indem die ersten Linien (in der Zeit) der benachbarten abgetasteten Ansammlungen interpoliert werden, um die erste Abtastlinie der interpolierten Zwischenansammlungen zu berechnen. Die zweiten Linien (in der Zeit) der abgetasteten Ansammlungen werden dann benutzt, um die zweite Linie der interpolierten Ansammlung zu berechnen, und so weiter, bis eine gesamte interpolierte Ansammlung gebildet ist. Die interpolierten Ansammlungen werden auf die gleiche Weise nach dem Doppler-Verfahren verarbeitet wie die abgetasteten Ansammlungen, um den Fluß im Bildfeld darzustellen.

Claims

1. Ultraschallabbildungssystem mit:

Mitteln (10, 12) zum Aussenden von Ultraschallwellen in einer Region eines abzubildenden Objekts;

Mitteln (10, 12) zum Empfangen von Ultraschallinformationssignalen von einer Vielzahl von räumlichen Linien (l&sub1;...l&sub4;) der genannten Region;

Interpolationsmitteln (16, Fig. 6) zum Nutzen der genannten empfangenen Ultraschalllinieninformationssignale, um eine Vielzahl von interpolierten Linien zu erzeugen, die räumlich zwischen den genannten räumlichen Linien (l&sub1;...l&sub4;) liegen; und

Scan-Umwandlungsmitteln (22) zum Nutzen der genannten empfangenen Signale und der genannten interpolierten Linien, um ein räumlich angeordnetes Ultraschallbild der genannten Region des genannten Objektes zu bilden;

dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Interpolationsmittel (16, Fig. 6) angeordnet sind, um die genannten interpolierten Linien vor der nicht-linearen Verarbeitung der genannten Ultraschalllinieninformationssignale zu erzeugen und dadurch ein System zu schaffen, das weniger anfällig für räumliches Aliasing ist.

2. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 1, wobei das genannte Interpolationsmittel (16, Fig. 6) einen Filter enthält, der auf eine Vielzahl von seitlich ausgerichteten Signalen der genannten empfangenen Ultraschalllinieninformationssignale reagiert.

3. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 2, wobei der genannte Filter angeordnet ist, um eine Vielzahl von interpolierten Linien räumlich zwischen jedem Paar von empfangenen räumlichen Linien (l&sub1;...l&sub4;) zu berechnen.

4. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei der genannte Filter einen linearen Filter umfaßt.

5. Ultraschallabbildungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der genannte Filter einen transversalen Filter umfaßt.

6. Ultraschallabbildungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der genannte Filter vier oder mehr Abgriffe hat.

7. Ultraschallabbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin mit Mitteln (18, 20) zum Verarbeiten der genannten empfangenen Signale und der genannten interpolierten Linien auf nicht-lineare Weise, wobei die Scan- Umwandlungsmittel (22) angeordnet sind, um das genannte Bild auf der Basis der nichtlinear verarbeiteten Signale zu bilden.

8. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 7, wobei das nicht-lineare Verarbeitungsmittel (18, 20) einen Detektor (18) umfaßt.

9. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 8, wobei das nicht-lineare Verarbeitungsmittel (18, 20) außerdem eine Komprimierungsschaltung (20) umfaßt.

10. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 9, wobei die genannte Komprimierungsschaltung (20) angeordnet ist, um die Amplituden der Signale in der Zeitebene neu zu skalieren.

11. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 9 oder 10, wobei die genannte Komprimierungsschaltung (20) eine logarithmische Komprimierungsschaltung umfaßt.

12. Ultraschallabbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das genannte interpolierende Mittel (16, Fig. 6) angeordnet ist, um die empfangenen HF-Ultraschalllinieninformationssignale zu nutzen.

13. Ultraschallabbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, außerdem mit Demodulationsmitteln (14), die auf die genannten empfangenen Ultraschalllinieninformationssignale reagieren, um zwischenfrequente Ultraschalllinieninformationssignale zu erzeugen; und wobei das genannte interpolierende Mittel (16, Fig. 6) angeord net ist, um die genannten zwischenfrequenten Ultraschalllinieninformationssignale zu nutzen, um die genannten interpolierten Linien zu erzeugen.

14. Ultraschallabbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, außerdem mit Demodulationsmitteln (14), die auf die genannten empfangenen Ultraschalllinieninformationssignale reagieren, um Basisband-Ultraschalllinieninformationssignale zu erzeugen;

und wobei das interpolierende Mittel (16, Fig. 6) angeordnet ist, um die genannten Basisband-Ultraschalllinieninformationssignale zu nutzen, um die genannten interpolierten Linien zu erzeugen.

15. Ultraschallabbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die genannten empfangenden Mittel (10, 12) angeordnet sind, um Gesamtheiten von genannten Ultraschallinformationssignalen zu verschiedenen Zeiten aus einer gemeinsamen Richtung zu empfangen; wobei das genannte interpolierende Mittel (16, Fig. 6) angeordnet ist, um die empfangenen Ultraschalllinieninformationssignale von zwei oder mehr Gesamtheiten zu nutzen, um eine oder mehr räumlich interpolierte zwischenlineare Gesamtheiten von entsprechenden Linien zu erzeugen; wobei das genannte System außerdem folgendes enthält:

Mittel zum Erzeugen von Informationen bezüglich des genannten Objektes durch Doppler-Verarbeitung der genannten empfangenen und interpolierten Ultraschalllinien-Gesamtheiten.

16. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 15, wobei die genannten empfangenden Mittel (10, 12) Mittel zum Empfangen einer Vielzahl von Linien-Gesamtheiten enthalten, wobei jede von ihnen Linien umfaßt, die in einer bestimmten Zeitsequenz empfangen wurden; und wobei das genannte interpolierende Mittel Mittel enthält, um eine Gesamtheit von interpolierten Linien einer Zeitsequenz zu erzeugen, die der genannten gegebenen Zeitsequenz entspricht.

17. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 15, wobei das genannte interpolierende Mittel (16, Fig. 6) außerdem Mittel enthält, um eine der genannten Linien der genannten interpolierten Gesamtheit zu erzeugen, welche eine bestimmte Position in der genannten Zeitsequenz hat, indem die empfangenen Linien mit entsprechenden Positionen in den Zeitsequenzen der genannten empfangenen Linien-Gesamtheiten benutzt werden.

Bildinschriften:

Fig. 1:

Beamformer Bündelformer

Line interpolator Linieninterpolator

Detect. Detekor

Log. Compress. Logarithmische Komprimierung

Scan convert. Scan-Konverter (Scan-Umwandlung)

Display Anzeige

Fig. 4 und 8

From BPF & Demod. Von BPF & Demod.

One line delay Laufzeitkette mit Verzögerung um einen Linienzyklus

To detect. Zum Detektor