DE69723784T2

DE69723784T2 - Ultraschall Diagnose Gerät

Info

Publication number: DE69723784T2
Application number: DE69723784T
Authority: DE
Inventors: Mitsutoshi Ashigarakami-gun Yaegashi; Ashigarakami-gun Hirota Kazuhiro
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1997-08-28
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2017-08-29
Also published as: EP0826981B1; EP0826981A1; US6106462A; JP3462351B2; DE69723784D1; JPH1071143A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschall-Diagnosegerät und insbesondere ein Ultraschall-Diagnosegerät zur Übertragung einer Ultraschallwelle an das Objekt zur Erstellung einer Diagnose an dem Objekt auf der Grundlage einer reflektierten Welle.
Allgemein bekannt ist ein Ultraschall-Diagnosegerät für eine Körperhöhle zur Übertragung einer Ultraschallwelle von einem Ultraschall-Transducer, der in einem Katheter enthalten ist und in ein Blutgefäß oder ein anderes Gefäß eingeführt wird, wobei die von dem Gewebe innerhalb des Objektes reflektierte Welle von dem Ultraschall-Transducer empfangen wird und eine Erkennung, Verstärkung etc. an der reflektierten Welle durchgeführt wird und ein Bild auf der Grundlage der reflektierten Welle auf einer Anzeige, beispielsweise einem CRT angezeigt wird.
Allgemein wird eine in das Innere des Objektes abgestrahlte Ultraschallwelle durch das Gewebe des Objektes beim Durchlauf durch einen Diagnosebereich absorbiert und abgeschwächt. Der Absorbtionskoeffizient eines lebenden Körpers beträgt ungefähr 1 bis 3dB/(cm × mHz) . Der Einfluß von Absorbtion und Abschwächung hängt nicht nur von der Fortpflanzungsentfernung der Ultraschallwelle ab, sondern auch von der Frequenz der Ultraschallwelle. Eine höherfrequente Ultraschallwelle schwächt sich stärker ab.
Die Auflösung entlang der Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwelle bei dem Ultraschall-Diagnosegerät wird höher, wenn die Frequenz der Ultraschallwelle höher wird. Andererseits, wenn der Abstand von dem Ultraschall-Transducer anwächst, nimmt die Empfindlichkeit aufgrund von Absorbtion und Abschwächung der Ultraschallwelle ab, was zu einem Bild mit einem niedrigen Signal/Rauschverhältnis (nachfolgend als "S/N-Verhältnis" bezeichnet) führt.
Eine hochfrequente Ultraschallwelle wird daher für einen im nahen Abstand liegenden Abschnitt von dem Ultraschall-Transducer aus verwendet, um ein Bild mit hoher Auflösung zu erhalten, wohingegen eine niederfrequente Ultraschallwelle für einen weiter entfernten Abschnitt verwendet wird, um ein Bild zu erhalten, in dem sich das S/N-Verhältnis kaum verringert, obgleich dann die Auflösung gering ist. Bei diesem Verfahren, wie es in der US 4,757,715 und der EP 0215137 beschrieben ist, wird eine vom Gewebeinhalt des Objektes reflektierte Welle von einem Ultraschall-Transducer empfangen und die Charakteristiken eines Filters zur Filterung der reflektierten Welle werden abhängig von dem Abstand von dem Ultraschall-Transducer (Beobachtungstiefe) geändert.
Als dieser Filter wird ein Bandpaßfilter (BPF), erhalten durch Kombinieren eines Tiefpaßfilters (LPF) und eines Hochpaßfilters (HPF) für gewöhnlich verwendet. Der Tiefpaßfilter verringert die Grenzfrequenz, wenn die Beobachtungstiefe anwächst, wodurch eine hohe Auflösung in einem Bereich realisiert wird, in welchem die Beobachtungstiefe gering ist und verhindert ein Anwachsen des S/N-Verhältnisses in einem Bereich, wo die Beobachtungstiefe hoch ist. Der Hochpaßfilter verringert die Grenzfrequenz, wenn die Beobachtungstiefe anwächst. Aufgrund dieser Eigenschaften von LPF und HPF unterdrückt der Bandpaßfilter thermisches Rauschen auf einen bestimmten Wert oder darunter, wobei er die Bandbreite konstant macht.
Bei einem elektrisch abgetasteten Ultraschall-Diagnosegerät beträgt die Benutzungsfrequenz ungefähr 3,5 bis 10 MHz. Um einen Filter zu realisieren, der Eigenschaften hat, die abhängig von der Beobachtungstiefe bei diesen Frequenzen variabel sind, werden der Tiefpaßfilter und der Hochpaßfilter durch einen RC- oder LC-Schaltkreis gebildet und eine Diode variabler Kapazität wird als ein Kondensator (C) verwendet. Wenn die Benutzungsfrequenz 20 MHz überschreitet, z. B. bei einem Ultraschall-Diagnosegerät für eine Körperhöhle zum Wiedergeben eines Blutgefäßes oder eines anderen Gefäßes als Bild, erweitert sich das Band, so daß dies ein anwachsendes empfangenes thermisches Rauschen zum Ergebnis hat. Dies deshalb, als der RMS-wert (Root Mean Square) des thermischen Rauschens proportional zur Bandbreite ist.
Bei dem oben beschriebenen Filter mit variabler Grenzfrequenz müssen die Grenzfrequenzeigenschaften steil gemacht werden, um den Einfluß von redundantem thermischen Rauschen zu beseitigen. Bei dem oben beschriebenen Filter, der durch einen RC- oder LC-Schaltkreis gebildet ist, sind jedoch die Grenzfrequenzeigenschaften schlecht und ein praktikables Diagnosebild kann nicht erhalten werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demzufolge ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ultraschall-Diagnosegerät zu schaffen, welches in der Lage ist, eine hochgenaue Diagnose an dem Objekt durchzuführen und ein Diagnosebild mit hoher Qualität zu erhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die voranstehende Aufgabe gelöst durch Bereitstellen eines Ultraschalldiagnosegerätes zur Übertragung einer Ultraschallwelle auf ein Objekt zur Erstellung einer Diagnose des Objektes auf der Grundlage einer reflektierten Welle der übertragenen welle, mit: einem Katheter, der eine Übertragungsvorrichtung beinhaltet, zur Erzeugung einer Ultraschallwelle und zum Übertragen der Ultraschallwelle an das Objekt, einer Empfangsvorrichtung zum Empfangen der reflektierten Welle vom Objekt und zum Wandeln der reflektierten Welle in ein elektrisches Signal, einer Filtervorrichtung zur Filterung des elektrischen Signals, und einer Steuervorrichtung zur Steuerung einer Filtercharakteristik der Filtervorrichtung, wobei die Steuervorrichtung die Filtercharakteristik innerhalb eines Körperhohlraums annähernd konstant hält, in welchen der Katheter eingeführt ist, wohingegen die Filtercharaktieristik abhängig von einer Beobachtungstiefe von einem Abschnitt nahe einer Gewebewand der Körperhöhle zur Außenseite der Körperhöhle hin geändert wird.
Es ist bei dem genannten Ultraschall-Diagnosegerät bevorzugt, daß, wenn die Beobachtungstiefe von dem Abschnitt nahe der Gewebewand der Körperhöhle aus anwächst, die Steuervorrichtung eine Grenzfrequenz auf einer Hochfrequenzseite in der Filtervorrichtung außerhalb der Körperhöhle, in welcher der Katheter eingeführt ist, verringert.
Es ist bei dem genannten Ultraschall-Diagnosegerät bevorzugt, daß auf der Grundlage des Empfanges der reflektierten Welle, welche einen bestimmten Pegel übersteigt, nämlich von Wellen, welche vom Objekt reflektiert worden sind, nach Empfang der reflektierten Welle die Steuervorrichtung eine Grenzfrequenz auf der Hochfrequenzseite in der Filtervorrichtung verringert, wenn die Beobachtungstiefe von dem Gewebe innerhalb des Objektes, welches der reflektierten Welle zugeordnet ist, anwächst.
Es ist bei dem oben genannten Ultraschall-Diagnosegerät bevorzugt, daß die Steuervorrichtung die Grenzfre quenz auf einer Hochfrequenzseite der Filtervorrichtung abhängig von einer verstrichenen Zeit vom Empfang einer reflektierten Welle, welche einen bestimmten Wert übersteigt, nämlich von Wellen, welche vom Objekt reflektiert worden sind, verringert.
Es ist bei dem oben genannten Ultraschall-Diagnosegerät bevorzugt, daß die Filtervorrichtung durch einen LC-Filter gebildet ist, der eine variable Kapazitätsdiode beinhaltet, wobei die Steuervorrichtung die Kapazität der variablen Kapazitätsdiode einstellt, um die Filtercharakteristik zu ändern.
Es ist bei dem oben genannten Ultraschall-Diagnosegerät bevorzugt, daß die Filtervorrichtung durch Verbindung wenigstens zweier LC-Filter gebildet ist, von denen jeder eine variable Kapazitätsdiode beinhaltet, wobei die Steuervorrichtung eine Kapazität der variablen Kapazitätsdiode einstellt, um die Filtercharakteristik zu ändern.
Es ist bei dem oben genannten Ultraschall-Diagnosegerät bevorzugt, daß eine Grenzfrequenz auf einer Hochfrequenzseite in der Filtervorrichtung eine Variable innerhalb eines Bereiches von 20 MHz oder mehr ist und eine Glatt-Charakteristik eines Durchlaßbandes innerhalb von 0,1 dB fällt.
Es ist bevorzugt, daß jedes der beiden oben genannten Ultraschall-Diagnosegeräte weiterhin eine Abbildungsvorrichtung zur Erzeugung einer Bildinformation auf der Grundlage des elektrischen Signales, welches durch die Filtervorrichtung gefiltert wurde, aufweist.
Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft dahingehend, daß eine hochgenaue Diagnose an dem Objekt durchgeführt werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenschau mit der beigefügten Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile in allen Figuren bezeichnen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die beigefügte Zeichnung, welche eingefügt ist und Teil der Beschreibung bildet, zeigt Ausführungsformen der Erfindung und zusammen mit der Beschreibung dient sie dazu, die Grundsätze der Erfindung zu erläutern.
Die 1A und 1B sind jeweils Schaltkreisdiagramme, welche die Anordnungen von Tiefpaßfiltern des Chebyshev-Typs zeigen;
2 ist eine Tabelle, welche Schaltkreiskonstanten zeigt, wenn die Grenzfrequenz (f_c) innerhalb des Bereiches von 34 bis 44 MHz geändert wird;
3 ist eine graphische Darstellung der Frequenzcharakteristiken des Tiefpaßfilters in CASE 1);
4 ist eine graphische Darstellung der Frequenzcharakteristiken des Tiefpaßfilters in CASE 2);
5 ist eine Tabelle, welche Schaltkreiskonstanten zeigt, wenn die Grenzfrequenz (f_c) innerhalb des Bereiches von 30 bis 48 MHz geändert wird;
6 ist eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Frequenzcharakteristik im Tiefpaßfilter bei CASE 3;
7 ist eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Frequenzcharakteristik im Tiefpaßfilter bei CASE 4;
8 ist ein Schaltkreisdiagramm, welches ein detailliertes Beispiel des Tiefpaßfilters unter Verwendung variabler Kapazitätsdioden zeigt;
9A und 9B sind jeweils Schaltkreisdarstellungen, welche Beispiele des Aufbaus eines Hochpaßfilters zeigen;
10 ist ein Schaltkreisdiagramm, welches ein Beispiel der Anordnung eines Bandpaßfilters zeigt, welches durch Kombination der Tiefpaß- und Hochpaßfilter erhalten wird;
11 ist eine Tabelle zur Veranschaulichung der Spannungswerte von Steuersignalen V1 bis V6 in CASE 5 und CASE 6;
12 ist eine graphische Darstellung, welche die Frequenzcharakteristik des Bandpaßfilters in CASE 5 zeigt;
13 ist eine graphische Darstellung, welche die Frequenzcharakteristik des Bandpaßfilters in CASE 6 zeigt;
14 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel eines Körperhöhlen-Ultraschall-Diagnosegerätes unter Verwendung des Bandpaßfilters zeigt;
15 ist eine Blockdarstellung, welche ein Beispiel der Anordnung einer Steuerung zeigt;
16 ist eine Wellenformdarstellung, welche typische Signalwellenform in der Steuerung zeigt;
17 ist eine Darstellung, welche schematisch einen Katheter in einem Blutgefäß zeigt;
18 ist ein Blockdiagramm, welches ein weiteres Beispiel der Anordnung der Steuerung zeigt;
19 ist eine Wellenformdarstellung, welche typische Signalwellenformen in der Steuerung gemäß einem anderen Beispiel der Anordnung zeigt;
20 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Grenzfrequenz (f_c) auf der Hochfrequenzseite (Tiefpaßfilter) in einem Filter variabler Frequenz (Bandpaßfilter) und Steuerspannungen V1 bis V3 und die Beziehung zwischen einer Tiefe D und den Steuerspannungen V1 bis V3 zeigt; und
21 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Grenzfrequenz (f_c) auf der Niederfrequenzseite (Hochpaßfilter) in dem Filter variabler Frequenz (Bandpaßfilter) und den Steuerspannungen V4 bis V6 und die Beziehung zwischen der Tiefe D und den Steuerspannungen V4 bis V6 zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
Der Aufbau eines Filters mit variabler Frequenz zur Verwendung in einem Körperhöhlen-Ultraschall-Diagnosegerät gemäß dieser Ausführungsform wird beschrieben. Der Filter variabler Frequenz gemäß dieser Ausführungsform wird durch einen Bandpaßfilter gebildet, der erhalten wird durch Kombination von Tiefpaß- und Hochpaß-Filtern. Mehrstufige (zwei Stufen oder mehr) Tiefpaß- und Hochpaß-Filter werden verwendet, um die Grenzfrequenzcharakteristiken steil zu machen.
<Beispiel des Aufbaus eines Tiefpaßfilters>
Ein Beispiel zur Bildung eines Tiefpaßfilters durch einen LC-Filter unter Verwendung einer Drossel (L) und eines Kondensators (C) wird beschrieben. 1A zeigt einen zweistufigen Tiefpaßfilter des Chebyshev-Typs unter Verwendung von L und C und 1B zeigt einen dreistufigen Tiefpaßfilter des Chebyshev-Typs unter Verwendung von L und C.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Schaltkreiskonstanten unter der Bedingung, daß die Ebenheitscharakteristik des Bandpasses innerhalb von 0,1 dB fällt beschrieben, wobei R die charakteristische Impedanz und f_c die Grenzfrequenz bedeutet.
(1) Zweistufiger Tiefpaßfilter
Wenn die Designparameter g1, g2, g3 und g4:
g1 = 0,92972;
g2 = 1,43464;
g3 = 1,43464; und
g4 = 0,92972,
sind, ergeben sich die Schaltkreiskonstanten L1, C1, L2 und C2 des Tiefpaßfilters von 1A wie folgt: L1 = g1·R/(2πfc); C1 = g2/(2πfc·R); L2 = g3·R/(2πfc); undC2 = g4/(2πfcR).
(2) Dreistufiger Tiefpaßfilter
Wenn die Designparameter g1, g2, g3, g4, g5 und g6 wie folgt sind:
g1 = 1,03822;
g2 = 1,51632;
g3 = 1,78916;
g4 = 1,78916;
g5 = 1,51632; und
g6 = 1,03822,
dann ergeben sich die Schaltkreiskonstanten L1, C1, L2, C2, L3 und C3 des Tiefpaßfilters von 1B wie folgt. L1 = g1·R/(2πfc); C1 = g2/(2πfc·R); L2 = g3·R/(2πfc); C2 = g4/(2πfc·R); L3 = g5·R/(2πfc); undC3 = g6/(2πfc·R).
(3) N-stufiger Tiefpaßfilter
Wenn die Designparameter gi (i = 1, 2, ..., 2N) bestimmt sind, um die obige Bedingung zu erfüllen (die Ebenheitscharakteristiken des Bandpasses fallen innerhalb 0,1 dB), gilt LN = g2N–1R/(2πfc), undCN = g2N/(2πfc·R).
Aus den obigen Gleichungen ergibt sich, daß, wenn die charakteristische Impedanz (R) klein gemacht wird, L ansteigt und C abnimmt; wenn die charakteristische Impedanz (R) groß gemacht wird, nimmt L ab und C steigt an. Um die Grenzfrequenz (f_c) zu ändern, ist es wünschenswert, daß sowohl L als auch C variabel sind. In der Praxis kann nur die Schaltkreiskonstante C kontinuierlich geändert werden und diejenige von L muß festgelegt werden. Es gibt ein Verfahren zum Schalten des Wertes von L auf unterschiedliche Stufen unter Verwendung eines Analogschalters. Bei der Anwendung dieses Verfahrens auf das Körperhöhlen-Ultraschall-Diagnosegerät ist jedoch der Einfluß von Streukapazitäten aufgrund eines Hochfrequenzsignales groß und die Schaltkreiskonfiguration wird komplizierter und die gewünschte Leistung ist schwieriger zu erhalten.
Selbst wenn nur C variabel ist, kann so ein Tiefpaßfilter in befriedigender Weise an dem Körperhöhlen-Ultraschall-Diagnosegerät angewendet werden. Ein Beispiel der Auslegung der Schaltkreiskonstanten in dem dreistufigen Tiefpaßfilter (vergleiche 1B) wird nachfolgend erläutert.
Es sei angenommen, daß der Tiefpaßfilter bei einem Körperhöhlen-Ultraschall-Diagnosegerät angwendet wird, wobei dieser Tiefpaßfilter so verwendet wird, daß ein Signal mit 40 MHz hauptsächlich für eine geringe Beobachtungstiefe durchläuft, wohingegen ein Signal von 30 MHz für eine hohe Beobachtungstiefe durchläuft.
wenn die Grenzfrequenz (f_c) innerhalb des Bereichs von 34 bis 44 MHZ geändert wird, müssen L1, L2, L3, C1, C2 und C3 gemäß 2 exakt geändert werden. Da L gemäß obiger Beschreibung schwierig zu ändern ist, werden die Werte von L1, L2 und L3 auf Werte bei der Mittenfrequenz (39 MHz) der Grenzfrequenz (f_c) festgelegt.
Unter diesen Bedingungen müssen die Werte von L1, L2, L3, C1, C2 und C3 wie folgt gesetzt werden:
L1 = 0,21 μH;
L2 = 0,37 μH;
L3 = 0,31 μH;
C1 = 110 bis 142 pF;
C2 = 129 bis 168 pF; und
C3 = 75 bis 97 pF.
In Kombinationen dieser Schaltkreiskonstanten wird die Grenzfrequenz (f_c) minimiert, wenn C1 = 142 pF, C2 = 168 pF und C3 = 97 pF gilt. Diese Kombination wird als CASE 1 definiert. Die Grenzfrequenz (f_c) wird maximiert, wenn C1 = 110 pF, C2 = 129 pF und C3 = 75 pF gilt. Diese Kombination wird als CASE 2 definiert.
Die 3 und 4 zeigen jeweils die Frequenzcharakteristiken des Tiefpaflfilters in CASE 1 und CASE 2. Bezugnehmend auf die 3 und 4 ist die Grenzfrequenz (f_c) im Fall CASE 1 39,8 MHz und im Fall von CASE 2 45,3 MHz. Dies bedeutet, daß sich die Grenzfrequenz innerhalb des Bereiches von 39,8 bis 45,3 MHz ändert, der von dem Variabilitätsbereich der Grenzfrequenz von 34 bis 44 MHz als Auslegungsziel verschoben ist.
Unter Berücksichtigung dieser Verschiebung vom Auslegungsziel der Grenzfrequenz (f_c) und Änderungen in Schaltkreiskonstanten werden die Werte von L1, L2, L3, C1, C2 und C3, wenn die Grenzfrequenz (f_c) innerhalb des Bereiches von 30 bis 48 MHz geändert wird, berechnet und die Werte von L1, L2 und L3 werden auf Werte bei der Mittenfrequenz (39 MHz) festgelegt.
5 ist eine Tabelle, welche die Werte von L1, L2, L3, C1, C2 und C3 zeigt, wenn die Grenzfrequenz (f_c) innerhalb des Bereiches von 30 bis 48 MHz geändert wird. Auf der Grundlage von 5 werden die Werte von L1, L2, L3, C1, C2 und C3 auf oben beschriebene Weise bestimmt, um zu erhalten:
L1 = 0,22 μH;
L2 = 0,39 μH;
L3 = 0,33 μH;
C1 = 101 bis 161 pF;
C2 = 119 bis 190 pF; und
C3 = 69 bis 110 pF.
Es sei festzuhalten, daß als Wert L ein Wert nahe an dem Wert gemäß 5 aus der praktisch auswählbaren E24 Serie gewählt worden ist.
Durch Kombinationen dieser Schaltkreiskonstanten wird die Grenzfrequenz (f_c) minimiert, wenn C1 = 161 pF, C2 = pF und C3 = 110 pF gilt. Diese Kombination ist als CASE 3 definiert. Die Grenzfrequenz (f_c) wird maximiert, wenn C1 = 101 pF, C2 = 119 pF und C3 = 69 pF gilt. Diese Kombination ist als CASE 4 definiert.
Die 6 und 7 zeigen jeweils die Frequenzcharakteristiken des Tiefpaßfilters in CASE 3 und CASE 4. Bezugnehmend auf die 6 und 7 beträgt die Grenzfrequenz (f_c) in CASE 3 36,4 MHz und in CASE 4 45,9 MHz. Das heißt, die Grenzfrequenz (f_c) ändert sich innerhalb des Bereiches von 36, 4 bis 45, 9 MHz . Dieser Bereich hat einen Fehler von 10% oder weniger im Vergleich zu dem Bereich von 34 bis 44 MHz wie das Auslegungsziel und ist annehmbar.
8 ist ein Schaltkreisdiagramm, welches ein detailliertes Beispiel des Tiefpaßfilters zeigt, welches unter Verwendung von Dioden variabler Kapazität auf der Grundlage der obigen Untersuchungen gebildet ist. Im Schaltkreis von 8 ist C1 gebildet durch C11, C12, D11 und D12; C2 durch C21, C22, D21 und D22; und C3 durch C31, C32, D31 und D32. Die Bezugszeichen D11, D12, D21, D22, D31 und D32 bezeichnen Dioden mit variabler Kapazität. Unter Berücksichtigung der Frequenz eines Eingangssignals (ein Signal, welches durch Wandeln eines Ultraschallsignales in ein elektrisches Signal erhalten wird) ist eine Diode variabler Kapazität für FM-Zwecke bevorzugt. Allgemein, die Kapazität einer Diode variabler Kapazität für FM-Zwecke ändert sich innerhalb des Bereiches von 9 bis 40 pF für eine Umkehrspannung von 1 bis 14 V. Im Beispiel von 8 sind zwei Dioden variabler Kapazität parallel mit jedem Kondensator verbunden, da der Änderungsbereiche der Werte von C1, C2 und C3 groß ist.
Die Dioden D11 und D12 mit variabler Kapazität, welche C1 bilden, werden durch die Spannung eines Steuersignals V1 gesteuert, die Dioden T21 und T22 variabler Kapazität, welche C2 bilden, werden durch die Spannung eines Steuersignales V2 gesteuert und die Dioden D31 und D32 variabler Kapazität, welche C3 bilden, werden durch die Spannung eines Steuersignals V3 gesteuert.
Die Bezugszeichen R1, R2 und R3 bezeichnen Schutzwiderstände, welche zum Anlegen einer Umkehrspannung an die Dioden C1, C2 und C3 variabler Kapazität verwendet werden und C11, C21 und C31 sind Kondensatoren zum Abschneiden einer Gleichspannungskomponente.
<Beispiel des Aufbaus eines Hochpaßfilters>
Die 9A und 9B zeigen ein Beispiel der Anordnung eines Hochpaßfilters, der auf dem gleichen Konzept wie die Auslegung des Tiefpaßfilters aufgebaut ist.
Gemäß 9A wird der Hochpaßfilter erhalten durch Anordnen von L und C umgekehrt wie im Tiefpaßfilter. 9B zeigt ein Beispiel der Ausbildung des Hochpaßfilters von 9A unter Verwendung von Dioden mit variabler Kapazität.
C4 wird gebildet durch C41, C42, D41 und D42, C5 wird gebildet durch C51, C52 und D51 und C6 wird gebildet durch C6 wird gebildet durch C61, C62, D61 und D62.
Die Bezugszeichen D41, D42, D51, D61 und D62 bezeichnen Dioden mit variabler Kapazität. Die Dioden D41 und D42 mit variabler Kapazität, welche C4 bilden, werden durch die Spannung eines Steuersignales V4 gesteuert, die Diode D51 variabler Kapazität, welche C5 bildet, wird durch die Spannung eines Steuersignales V5 gesteuert und die Dioden D61 und D62 variabler Kapazität, welche C6 bilden, werden durch die Spannung eines Steuersignals V6 gesteuert.
Die Bezugszeichen C240, C52 und C62 bezeichnen Kondensatoren zum Abschneiden einer Gleichspannungskomponente.
<Beispiel des Aufbaus eines Bandpaßfilters>
10 ist ein Schaltkreisdiagramm, welches ein Beispiel des Aufbaus eines Bandpaßfilters zeigt, der durch Kombination der oben beschriebenen Tiefpaß- und Hochpaßfilter erhalten wird.
Im Bandpaßfilter ist ein Fall, in welchem die Mittenfrequenz des Bandes 30 MHz beträgt, als CASE 5 definiert und ein Fall, in welchem die Mittenfrequenz des Bandes 40 MHz beträgt, als CASE 6 definiert. 11 ist eine Tabelle, welche die Spannungswerte der Steuersignale V1 bis V6 in CASE 5 und CASE 6 zeigt.
12 ist eine graphische Darstellung, welche die Frequenzcharakteristik des Bandpaßfilters in CASE 5 zeigt und 13 ist eine graphische Darstellung, welche die Frequenzcharakteristik des Bandpaßfilters in CASE 6 zeigt. Aus den 12 und 13 kann ein praktikabler Filter, d. h. ein Filter mit einer steilen (guten) Abtrenncharakteristik bei einer Frequenz höher als 20 MHz erhalten werden. In CASE 5 liegt der Bandpaßbereich (-3 dB) zwischen 23,8 bis 37,4 MHz und die Mittenfrequenz (Mitte des Bandes) beträgt 30,6 MHz. In CASE 6 liegt der Bandpaßbereich bei 31,5 bis 48,7 MHz und die Mittenfrequenz liegt bei 40,1 MHz.
Diese Ergebnisse zeigen, daß ein Bandpaßfilter mit praktikablen Frequenzeigenschaften erhalten werden kann, selbst wenn die Grenzfrequenz 20 MHz übersteigt.
Wie oben beschrieben wird 1) der Bereich der Grenzfrequenz, der zu ändern ist, bestimmt, 2) Schaltkreiskonstanten am unteren Grenzwert, oberen Grenzwert und Mittenwert (d. h. Mittelwert aus oberen und unteren Grenzwerten) des Bereiches berechnet, 3) eine Diode variabler Kapazität, welche die berechneten Schaltkreiskonstanten erfüllt, für den Wert C verwendet und 4) die Schaltkreiskonstante am Mittelwert für den Wert L verwendet, um einen mehrstufigen Filter zu bilden. Im Ergebnis wird ein Filter mit guten Abtrenneigenschaften und variabler Grenzfrequenz erhaltbar.
Wenn eine Diode variabler Kapazität als C in dem LC-Filter verwendet wird und so aufgebaut ist, daß ihre Kapazität gesteuert werden kann, können die Eigenschaften (Bandpaß) des LC-Filters kontinuierlich oder schrittweise durch Steuerung der Spannung eingestellt werden.
Obgleich die obige Beschreibung einem Filter des Chebyshev-Typs zugeordnet ist, ist der obige Aufbau auch an anderen Charakteristik-Filtern anwendbar, beispielsweise eines Filter des Bessells-Typs.
Wenn der obige Bandpaßfilter bei dem Ultraschall-Diagnosegerät für eine Körperhöhle angewendet wird, kann ein Bild hoher Auflösung erhalten werden, indem die Grenzfrequenz auf der Hochfrequenzseite (Tiefpaßfilter) in einem Bereich, wo die Beobachtungstiefe gering ist, erhöht wird und es kann ein Bild erhalten werden, in welchem sich das S/N-Verhältnis kaum verkleinert, und zwar durch Verringern der Grenzfrequenz auf der Hochfrequenzseite (Tiefpaßfilter) in einem Bereich, wo die Beobachtungstiefe groß ist.
<Beispiel des Aufbaus eines Ultraschall-Diagnosegerätes für Körperhöhlen>
14 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel des Aufbaus eines Ultraschall-Diagnosegerätes für Körperhöhlen unter Verwendung des obigen Bandpaßfilters zeigt. Ein Ultraschall-Transducer 101 in einem Katheter 110 wird durch eine Übertragungs/Empfangs-Einheit 102 betrieben, um eine Ultraschallwelle zu erzeugen und zu übertragen und empfängt die innererhalb des Objektes reflektierte Welle und wandelt die reflektierte Welle in ein elektrisches Signal um, um das Signal als ein Erkennungssignal an die Übertragungs/Empfangseinheit 102 auszugeben. Die Übertragungs/Empfangs-Einheit 102 verstärkt das Erken nungssignal vom Ultraschallwandler 101, um das verstärkte Signal als ein Empfangssignal Vrx an einen Filter 103 variabler Frequenz zu liefern.
Der Filter 103 variabler Frequenz ist ein Filter mit einer Frequenzcharakteristik (Grenzfrequenz), welche von der Steuerung durch eine Steuerung 107, d. h. der Beobachtungstiefe änderbar ist. Der Filter 103 mit variabler Frequenz wird durch den obigen Bandpaßfilter gebildet. Genauer gesagt, in dem Filter 103 variabler Frequenz werden die Kapazitäten der Dioden variabler Kapazität auf der Grundlage von Steuersignalen V1 bis V6 gesteuert, welche von der Steuerung 107 zugeführt werden, so daß die Frequenzcharakteristiken (Grenzfrequenz) gesteuert werden.
Das elektrische Signal, welches durch den Filter 103 variabler Frequenz läuft, wird durch einen logarithmischen Verstärker 104 logarithmisch verstärkt, durch einen A/D-Wandler 105 A/D-gewandelt und dann einem DSC (Digital Scan Converter) 106 eingegeben. Durch diese Verarbeitung wird ein Ultraschalltomogramm auf einer CRT 108 dargestellt und in Echtzeit abgebildet.
Die Steuerung 107 steuert die Übertragungs/Empfangseinheit 102, den Filter 103 variabler Frequenz, den logarithmischen Verstärker 104, den A/D-Wandler 105 und den DSC 106 in überwachender Weise.
15 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel der Anordnung der Steuerung 107 zeigt. 16 ist eine Wellenformdarstellung, welche typische Signalwellenformen in der Steuerung 107 zeigt. Ein Taktgenerator 201 erzeugt ein Taktsignal Vf, welches ein bestimmtes Zeitintervall wiedergibt. Da die Beobachtungstiefe durch Schallgeschwindigkeit und Zeitverhalten der Ultraschallwelle be stimmt ist, gibt das Taktsignal Vf indirekt die Beobachtungstiefe wieder.
Auf der Grundlage des Taktsignales Vf erzeugt ein Übertragungs/Empfangszeitpunkt-Signalgenerator 202 ein Übertragung/Empfangs-Zeitpunktssignal Vt, welches als Treibersignal zum Betrieb des Ultraschall-Transducers 101 zur Erzeugung einer Ultraschallwelle wirkt.
Der Ultraschall-Transducer 101 im Katheter 110 schwenkt. Der Ultraschall-Transducer 101 überträgt/empfängt eine Ultraschallwelle auf der Grundlage des Übertragungs/Empfangszeitpunktssignal Vt, um Echodaten an einer bestimmten Position zu erhalten. Eine Bildausbildung (Anzeige auf der CRT 108) wird auf der Grundlage dieser Echodaten durchgeführt. Wenn der Ultraschall-Transducher 101 sich einmal um sich selbst gedreht hat, kann ein 360°-Diagnosebild erhalten werden.
Ein Tiefeninformationsgenerator 203 wird beispielsweise durch die steigende Flanke des Übertragungs/Empfangszeitpunktsignals Vt zurückgesetzt und erzeugt eine Tiefeninformation D, welche die Beobachtungstiefe (deren Tiefe allmählich zunimmt) synchron mit dem Taktsignal Vf wiedergibt. Die Beobachtungstiefe wird eindeutig durch die Schallgeschwindigkeit und die Dauer des Taktsignals Vf bestimmt. Der Pulszählwert (verstrichene Zeit) des Taktsignals Vf gibt die Beobachtungstiefe wieder.
Ein ROM 204 beinhaltet eine Tabelle 205, welche die Beziehung zwischen der Tiefe D und den Spannungen der Steuersignale V1 bis V6 wiedergibt, wie in den 20 und 21 gezeigt.
Das ROM 204 gibt Spannungsinformation DV1 bis DV6 (welche digitale Datenbusse entsprechend V1 bis V6 in den 16 und 17 sind) entsprechend der Tiefeninformation D aus. Es sei festzuhalten, daß DV1 bis DV6 jeweils anhand einer Mehrzahl von Bits ausgedrückt sind. Ein D/A-Wandler 206 wandelt die Informationen DV1 bis DV6 von Digital nach Analog, um so die Steuersignale V1 bis V6 zu steuern. Wenn bei dieser Anordnung die Beobachtungstiefe anwächst, verringert der Filter 103 variabler Frequenz die Mittenfrequenz des Bandpasses (in anderen Worten, er verringert die Grenzfrequenzen der Tiefpaß- und Hochpaßfilter).
20 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Grenzfrequenz (f_c) auf der Hochfrequenzseite (Tiefpaßfilter) in dem Filter variabler Frequenz (Bandpaßfilter) und den Steuerspannungen V1 bis V3 und die Beziehung zwischen der Tiefe D und den Steuerspannungen V1 bis V3 zeigt.
21 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Grenzfrequenz (f_c) auf der Niederfrequenzseite (Hochpaßfilter) im Filter variabler Frequenz (Bandpaßfilter) und den Steuerspannungen V4 bis V6 und die Beziehung zwischen der Tiefe D und den Steuerspannungen V4 bis V6 zeigt.
In den 20 und 21 wird die Beziehung zwischen den Steuerspannungen V1 bis V6 und der Grenzfrequenz (f_c) durch die Schaltkreiskonstante des Filters variabler Frequenz und den Charakteristiken der Diode variabler Kapazität bestimmt. Die Beziehung zwischen der Tiefe D und der Grenzfrequenz (f_c) ist ein Beispiel, welches unter Berücksichtigung des Dämpfungsfaktors der Ultraschallwelle, thermischen Rauschens und dergleichen bestimmt worden ist.
<Weiteres Beispiel des Aufbaus eines Diagnosegerätes für eine Körperhöhle>
Das obige Beispiel der Anordnung des Diagnosegerätes für eine Körperhöhle ändert die Charakteristiken des Filters 103 variabler Frequenz (d. h. die Grenzfrequenzen der Tiefpaßfilter und Hochpaßfilter werden verringert) abhängig von der verstrichenen Zeit (Beobachtungstiefe) vom Beginn der Übertragung jedes Ultraschallstrahles. Mit anderen Worten, für alle Ultraschallstrahlen werden die Charakteristiken des Filters 103 variabler Frequenz gleichförmig abhängig von der verstrichenen Zeit von Beginn der Übertragung des Ultraschallstrahles ungeachtet der Richtung des Katheters geändert.
Wenn beispielsweise der Katheter, der den Ultraschall-Transducer beinhaltet, in ein Blutgefäß eingeführt wird, ist der Katheter selten in der Mitte des Blutgefäßes angeordnet und normalerweise von der Mitte aus versetzt, wie in 17 gezeigt. von daher ändert sich der Abstand von dem Katheter (Ultraschall-Transducer) zur Blutgefäßwand abhängig von der Richtung des Ultraschall-Transducers (d. h. der Richtung der Übertragung des Ultraschallstrahls). Im Ergebnis kann ein hochauflösendes Bild an einem Abschnitt der Blutgefäßwand nahe des Katheters erhalten werden, wohingegen ein Bild mit relativ geringer Auflösung an einem Abschnitt entfernt vom Katheter erhalten wird. Diese Ergebnisse werden insbesondere bemerkbar in einer Aorta, welche einen großen Blutgefäßdurchmesser hat (einen Durchmesser größer als 30 mm am dicken Abschnitt). Zusätzlich zu dem Fall bei einem Blutgefäß, wenn physiologische Kochsalzlösung oder dergleichen in eine Körperhöhle eingebracht wird, um eine Bilderfassung mit dem Katheter durchzuführen, werden diese Ergebnisse umso bemerkbarer, als die Körperhöhle größer wird.
Der Dämpfungsfaktor der Ultraschallwelle durch Blut, physiologische Kochsalzlösung oder dergleichen ist erheblich kleiner als derjenige durch das Gewebe des lebenden Körpers. Wenn daher in ein Blutgefäß, ein anderes Gefäß oder eine andere Körperhöhle der Katheter eingeführt wird, führt ein Abnehmen der Grenzfrequenz des Filters 103 variabler Frequenz abhängig von der Beobachtungstiefe zu einem Abnehmen der Auflösung insbesondere wenn das Blutgefäß, das andere Gefäß oder die Körperhöhle groß ist.
Unter Berücksichtigung des oben gesagten wird bei diesem Anordnungsbeispiel die Grenzfrequenz des Filters 103 variabler Frequenz innerhalb des Blutgefäßes eines anderen Gefäßes oder einer anderen Körperhöhle, wo sich der Katheter 110 befindet, nicht geändert, wohingegen sie außerhalb abhängig von der Beobachtungstiefe geändert wird.
17 ist eine schematische Darstellung des Katheters im Blutgefäß. Normalerweise dreht sich der Ultraschall-Transducer in dem Katheter, der in das Blutgefäß, ein anderes Gefäß oder eine andere Körperhöhle eingeführt ist, entgegen Uhrzeigerrichtung wenn von der distalen Endseite des Katheters her betrachtet. Im Beispiel von 17 schwenkt der Ultraschall-Transducer im Katheter aufeinanderfolgend, um Ultraschallstrahlen 1, 2, ... an bestimmten Positionen zu erhalten, wodurch ein 360°-Diagnosebild erhalten wird. Bei diesem Anordnungsbeispiel wird eine Welle erfaßt, welche von der Wand einer Körperhöhle, beispielsweise eines Blutgefäßes, eines anderen Gefäßes oder im Verdauungstrakt reflektiert wird. Diese reflektierte Welle wird als Auslöser zum Verringern der Grenzfrequenz des Filters 103 variabler Frequenz verwendet, wenn die Beobachtungstiefe von der Wand der Körperhöhle zunimmt. Daher kann die Wand der Körperhöhle als ein Bild mit gleichförmiger Auflösung wiedergegeben werden, ungeachtet der Richtung eines Ultraschallstrahles von dem Ultraschall-Transducer 101. Die Außenseite der Wand der Körperhöhle kann ebenfalls ähnlich als ein Bild mit gleichförmiger Auflösung ungeachtet der Richtung des Ultraschallstrahles von dem Ultraschall-Transducer 101 wiedergegeben werden.
Bei diesem Anordnungsbeispiel wird das Empfangssignal Vrx auch der Steuerung 107 zugeführt, wie durch den gestrichelten Pfeil in 14 dargestellt.
18 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel der Anordnung der Steuerung 107 zeigt. 19 ist ein Wellenformdiagramm, welches typische Signalwellenformen in der Steuerung 107 zeigt. Ein Komparator 301 vergleicht das Empfangssignal Vrx von der Übertragungs/Empfangseinheit 102 mit einem bestimmten Schwellenwert Vref und erkennt eine Welle, welche von der Wand der Körperhöhle reflektiert worden ist, in welche der Katheter 110 eingeführt ist, wodurch ein Erkennungssignal Vc ausgegeben wird. Da es nur eine reflektierte Welle (sehr kleines Signal) durch Blut oder physiologische Kochsalzlösung zwischen einer übertragenen Welle und einer reflektierten Welle durch die Wand der Körperhöhle gibt, in welche der Katheter 110 eingeführt ist, wird der Pegel des Schwellenwerts Vref so eingestellt, daß die Möglichkeit besteht, die von der Wand der Körperhöhle nach der übertragenen Welle reflektierten Welle zu erfassen. Es sei festzuhalten, daß eine Anordnung verwendet werden kann, bei der der Pegel des Schwellenwertes Vref durch eine Bedienungsperson entsprechend eingestellt werden kann.
Auf der Grundlage des Taktsignales Vf erzeugt ein Übertragungs/Empfangszeitpunktsignalgenerator 302 ein Übertragungs/Empfangszeitpunktsignal Vt, welches als Treibersignal zum Betrieb des Ultraschall-Transducer 101 dient, um so eine Ultraschallwelle zu erzeugen. Ein monostabiler Multivibrator 303 erkennt die steigende Flanke des Übertragungs/Empfangszeitpunktsignales Vt, um ein hochpegeliges Signal Vtrgr auszugeben, welches eine bestimmte Länge hat.
Ein Flip-Flop 304 gibt ein hochpegeliges Signal synchron mit der steigenden Flanke des Ausgangs Vc vom Komparator aus und setzt den Ausgang auf einen niedrigen Pegel synchron mit der fallenden Flanke des Ausgangssignals Vtrgr vom monostabilen Multivibrator 303 zurück. Mit anderen Worten, das Flip-Flop 304 gibt ein Fenstersignal Vwndw aus, welches während einer Zeitdauer aktiv wird zwischen der Erkennung der von der Wand der Körperhöhle, in welche der Katheter 110 eingeführt ist reflektierten Welle und der Übertragung des folgenden Ultraschallstrahles.
Ein Taktgenerator 305 erzeugt das Taktsignal Vf, welches ein bestimmtes Zeitintervall wiedergibt. Ein Tiefeninformationsgenerator 306 wird durch die fallende Flanke des Fenstersignales Vwndw zurückgesetzt und erzeugt die Tiefeninformation D (Tiefe nimmt allmählich zu) synchron mit dem Taktsignal Vf nur dann, wenn das Fenstersignal Vwndw aktiv ist (hochpegelig ist).
Ein ROM 307 beinhaltet eine Tabelle 308, welche die Beziehung zwischen der Tiefe D und den Steuersignalen V1 bis V6 wiedergibt, wie in den 16 und 17 gezeigt. Das ROM 308 gibt die Spannungsinformation DV1 bis DV6 (welche digitale Datenbusse entsprechend V1 bis V6 in den
16 und 17 sind) entsprechend der Tiefeninformation D aus. Es sei festzuhalten, daß DV1 bis DV6 jeweils in Form von mehreren Bits ausgedrückt werden. Ein D/A-Wandler 309 wandelt die Spannungsinformationen DV1 bis DV6 von digital nach analog, um so die Steuersignale V1 bis V6 zu steuern. Bei dieser Anordnung hält der Filter 103 variabler Frequenz das Bandpaß (Grenzfrequenz) innerhalb der Wand der Körperhöhle, in welcher der Katheter 110 eingeführt ist, konstant, während die Mittenfrequenz des Bandpasses verringert wird (d. h. er verringert die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters und des Hochpaßfilters), wenn die Beobachtungstiefe von der Wand der Körperhöhle zunimmt.
Bei diesem Anordnungsbeispiel kann die Wand der Körperhöhle, in welche der Katheter 110 eingeführt ist, gleichmäßig als ein Bild mit hoher Auflösung wiedergegben werden. Die Außenseite der Wand der Körperhöhle kann auch als ein Bild mit gleichförmiger Auflösung ungeachtet der Richtung eines Ultraschallstrahles vom Ultraschall-Transducer wiedergegeben werden.

Claims

Ein Ultraschall-Diagnosegerät zur Übertragung einer Ultraschallwelle auf ein Objekt zur Erstellung einer Diagnose des Objektes auf der Grundlage einer reflektierten Welle der übertragenen Welle, mit: einem Katheter (110), der eine Übertragungsvorrichtung (101) beinhaltet zur Erzeugung einer Ultraschallwelle und zur Übertragung der Ultraschallwelle an das Objekt; einer Empfangsvorrichtung (101, 102) zum Empfang der vom Objekt reflektierten Welle und zur Wandlung der reflektierten Welle in ein elektrisches Signal, einer Filtervorrichtung (103) zur Filterung des elektrischen Signales; und einer Steuervorrichtung (107) zur Steuerung einer Filtercharakteristik der Filtervorrichtung (103), dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (107) die Filtercharakteristik innerhalb eines Körperhohlraums annähernd konstant hält, in welchen der Katheter (110) eingeführt ist, wohingegen die Filtercharakteristik abhängig von einer Beobachtungstiefe von einem Abschnitt nahe einer Gewebewand der Körperhöhle zur Außenseite der Körperhöhle hin geändert wird.
Das Gerät nach Anspruch 1, wobei, wenn die Beobachtungstiefe von dem Abschnitt nahe der Gewebewand der Körperhöhle aus anwächst, die Steuervorrichtung (107) eine Grenzfrequenz auf einer Hochfrequenzseite in der Filtervorrichtung (103) außerhalb der Körperhöhle, in welcher der Katheter (110) eingeführt ist, verringert.
Das Gerät nach Anspruch 1, wobei auf der Grundlage des Empfangs einer reflektierten Welle, welche einen bestimmten Pegel übersteigt, nämlich von wellen, welche vom Objekt reflektiert worden sind, nach Empfang der reflektierten Welle die Steuervorrichtung (107) eine Grenzfrequenz auf der Hochfrequenzseite in der Filtervorrichtung (103) verringert, wenn die Beobachtungstiefe von dem Gewebe innerhalb des Objektes, welches der reflektierten Welle zugeordnet ist, anwächst.
Das Gerät nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (107) die Grenzfrequenz auf einer Hochfrequenzseite der Filtervorrichtung (103) abhängig von einer verstrichenen Zeit vom Empfang einer reflektierten Welle, welche einen bestimmten Wert übersteigt, nämlich von Wellen, welche vom Objekt reflektiert worden sind, verringert.
Das Gerät nach Anspruch 1, wobei die Filtervorrichtung (103) durch einen LC-Filter gebildet ist, der eine variable Kapazitätsdiode beinhaltet, wobei die Steuervorrichtung (107) die Kapazität der variablen Kapazitätsdiode einstellt, um die Filtercharakteristik zu ändern.
Das Gerät nach Anspruch 1, wobei die Filtervorrichtung (103) durch Verbindung wenigstens zweier LC-Filter gebildet ist, von denen jeder eine variable Kapazitätsdiode beinhaltet, wobei die Steuervorrichtung (107) eine Kapazität der variablen Kapazitätsdiode einstellt, um die Filtercharakteristik zu ändern.
Das Gerät nach Anspruch 6, wobei eine Grenzfrequenz auf einer Hochfrequenzseite in der Filtervorrichtung (103) eine Varialble innerhalb eines Bereiches von 20 MHz oder mehr ist, wobei eine Glatt-Charakteristik eines Durchlaßbandes innerhalb von 0,1 dB fällt.
Das Gerät nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Abbildungsvorrichtung (108) zur Erzeugung einer Bildinformation auf der Grundlage des elektrischen Signales, welches durch die Filtervorrichtung (103) gefiltert wurde.