DE69830589T2

DE69830589T2 - Verfahren zur bildgewinnung mittels ultraschall und vorrichtung zur erzeugung pulsbreitenmodulierter signale mit verringerter oberwellenansprechzeit

Info

Publication number: DE69830589T2
Application number: DE69830589T
Authority: DE
Inventors: S. Stirling DODD; L. Stuart CARP; J. David HEDBERG; H. Samual MASLAK; S. Bhaskar RAMAMURTHY; E. Daniel NEED
Original assignee: Acuson Corp
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 1997-07-15
Filing date: 1998-07-14
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2018-07-15
Also published as: AU8396898A; DE69830589D1; WO1999003400A1; EP0999788B1; JP4233749B2; JP2001510065A; EP0999788A1; US5833614A; EP0999788A4

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Ultraschallbildgebungssysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung verbesserte Systeme und Verfahren zur Bildgebung unter Verwendung von Signalen harmonischer Frequenzen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ultraschallbildgebungssysteme erzeugen und übertragen Ultraschallsignale. Die Systeme weisen typischerweise mehrere Bildgebungsmodi auf, wie B-Mode, Color-Flow und Spektraldoppler.
Die übertragenen Ultraschallsignale weisen optimale Eigenschaften auf, welche in Antwort auf den gewählten Modus eingestellt sind. Die Eigenschaften umfassen Frequenz und Bandbreite. Beispielsweise verwendet die B-Mode-Bildgebung übertragene Signale mit einer breiten Bandbreite und einer hohen Frequenz. Als weiteres Beispiel verwendet Color-Flow-Bildgebung verglichen mit der B-Mode-Bildgebung übertragene Signale mit geringer Bandbreite und niedriger Frequenz.
Ein anderer Typ von Bildgebung ist harmonische Bildgebung. Harmonische Bildgebung steht im Allgemeinen im Zusammenhang mit der Bildgebung von Gewebe und Kontrastmitteln bei harmonischen Frequenzen. Aus der Druckschrift EP-A-0 770 352 ist eine Vorrichtung für harmonische Bildgebung bekannt, in welcher eine Abfolge von Impulsen übertragen wird.
Typischerweise ist das übertragene Ultraschallsignal eine Signalfolge von Sinuswellen, welche rechteckförmigen oder sinusförmigen Übertragungswellenformen zugeordnet sind, die an den Wandler angelegt werden. Das übertragene Signal weist eine Mittelfrequenz innerhalb des Bereiches von 1 bis 15 MHz auf. Das Ultraschallsignal durchdringt einen Körper. Das Ultraschallsignal wird von Strukturen innerhalb des Körpers, wie Gewebegrenzen, wegreflektiert. Einige der reflektierten Signale oder Echosignale laufen zurück in Richtung zu dem Wandler.
Wenn das übertragene Signal durch den Körper hindurchdringt und in diesem gestreut wird, so werden zusätzliche Frequenzkomponenten erzeugt, wie etwa bei Harmonischen der Übertragungsfrequenz. Diese zusätzlichen Frequenzkomponenten dringen weiter durch Strukturen in dem Körper und werden von diesen wegreflektiert. Echosignale, welche dieselbe Frequenz wie das Übertragungssignal aufweisen, und Echosignale, welche den zusätzlichen Frequenzkomponenten zugeordnet sind, treffen auf den Wandler. Die zusätzlichen Frequenzkomponenten werden durch nicht-lineare Effekte, wie nicht-lineare Ausbreitung, verursacht.
Die harmonischen Signale können auch durch Ultraschallkontrastmittel erzeugt werden. Die Kontrastmittel sind typischerweise gas- oder flüssigkeitsgefüllte Mikrokugeln mit Resonanz bei Ultraschallfrequenzen. Die Kontrastmittel werden in den Blutstrom injiziert und zu verschiedenen Orten im Körper getragen. Bei Beschallung werden harmonische Echosignale aufgrund einer Resonanz in den Kontrastmitteln erzeugt.
Die Echosignale werden durch das Ultraschallsystem empfangen, verarbeitet und detektiert. Für eine harmonische Bildgebung werden Energien, welche Grund- oder Übertragungsfrequenzen zugeordnet sind, durch Empfangsfilterung entfernt. Echosignale, welche aus einer nicht-linearen Ausbreitung und Reflektion resultieren, werden somit durch das Ultraschallsystem detektiert. Die übertragene Signalfolge kann jedoch beachtliche Energie bei den harmonischen Frequenzen enthalten. Die übertragene Energie überdeckt die nicht-lineare Antwort des Körpers und interferiert mit den harmonischen Signalen irgendwelcher Kontrastmittel.
Um harmonische Bildgebung zu verbessern, ist es bekannt, die Energie bei der Harmonischen in der Übertragungssignalfolge zu reduzieren. Die Energie bei der Harmonischen wird durch Erzeugen einer komplexen Sinuswellenform mit Gauß-Hüllkurve für jeden Kanal eines Wandlers reduziert. Übertragungsstrahlformer, welche zur Erzeugung solch einer komplexen Wellenform in der Lage sind, benötigen jedoch teure Komponenten.
Die vorliegende Erfindung ist auf weitere Verbesserungen gerichtet, welche die Bildgebung der nicht-linearen Antwort eines Körpers verbessern.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein in Anspruch 1 beschriebenes Verfahren zur harmonischen Bildgebung.
Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Ultraschallvorrichtung zum Übertragen und Empfangen von Ultraschallenergie, wie sie in Anspruch 12 beschrieben ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Blockdarstellung eines Ultraschallsystems zur harmonischen Bildgebung.
2A ist eine Blockdarstellung eines Übertragungsstrahlformers.
2B ist eine Blockdarstellung eines Signalgenerators.
3 ist eine grafische Darstellung einer unipolaren Übertragungswellenform.
4 ist eine grafische Darstellung einer Abtastfunktion.
5 ist eine grafische Darstellung einer bipolaren Übertragungswellenform.
6 ist eine grafische Darstellung einer gefalteten bipolaren Übertragungswellenform.
7 ist eine grafische Darstellung der Spektren, welche der Übertragungswellenform von 6 zugeordnet sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind derart konstruiert, dass sie die harmonische Energie in dem übertragenen Strahl reduzieren. Es wird sich nun auf die Figuren und insbesondere auf 1 bezogen. Ein Ultraschallsystem ist allgemein bei 10 gezeigt. Das Ultraschallsystem 10 ist so konfigurierbar, dass es Signale mit reduzierter Energie bei harmonischen Bildgebungsfrequenzen und verbesserter spektraler Verteilung von Energie bei Grundfrequenzen überträgt. Harmonische Frequenzen sind Frequenzen, welche einer nicht-linearen Ausbreitung oder Streuung der Übertragungssignale zugeordnet sind, und zwar üblicherweise bei ganzzahligen Harmonischen, wie der zweiten, dritten und vierten Harmonischen. Die Harmonische, wie sie hier verwendet wird, schließt eine zweite, eine dritte, eine vierte und andere Harmonische der Grundfrequenz ein. Eine nicht-lineare Ausbreitung oder Streuung führt zu einer Verschiebung von Energie, welche einer Frequenz oder Frequenzen zugeordnet ist, zu einer anderen Frequenz oder Frequenzen. Eine harmonische Verschiebung, wie sie hier verwendet wird, kann auch eine Verschiebung von Energie zu Unterharmonischen oder Teilharmonischen (zum Beispiel ½ oder 3/2 der Grundfrequenz) umfassen.
Das System 10 enthält einen Übertragungsstrahlformer 12, welcher eine Hochspannungsübertragungswellenform in einer Mehrzahl von Kanälen über einen TX/RX-Schalter 14 einem Wandlerfeld 16 zuführt. Vorzugsweise weisen der Übertragungsstrahlformer 12 und das Wandlerfeld 16 eine breitwandige Antwort auf und sind in der Lage, für eine bessere Signal-Rausch-Empfindlichkeit die maximal erlaubte akustische Leistungsdichte zu übertragen. Das Wandlerfeld 16, welches von einem beliebigen geeigneten Typ sein kann, erzeugt einen Ultraschallübertragungsstrahl in Antwort auf die übertragenen Wellenformen und dieser Übertragungsstrahl dringt durch das abzubildende Subjekt 18 nach außen. Die Frequenzantwort des Wandlers 16 wirkt als ein Bandpassfilter. Die Energien, welche höheren Harmonischen als der interessierenden Harmonischen zugeordnet sind, können entfernt werden, wenn die Übertragungswellenform durch den Wandler 16 ausgestrahlt wird.
Ultraschallenergie, welche durch das Subjekt 18, etwa von einem Punkt 19 bei der harmonischen Frequenz zurückgeworfen wird, wird durch das Wandlerfeld 16 empfangen und durch den Empfangsstrahlformer 22 fokussiert. Vorzugsweise weisen der Wandler 16 und der Empfangsstrahlformer 22 eine breitbandige Antwort auf. Das fokussierte Signal wird vorzugsweise mit einem Hochpassfilter 24 gefiltert. Das Hochpassfilter 24 schwächt Energie, welche Grundfrequenzen zugeordnet ist, die typischerweise größer als harmonischen Frequenzen zugeordnete Energien sind. Vorzugsweise reduziert ein Bandpassfilter 26 weiterhin Energien, welche anderen als den gewünschten harmonischen Frequenzen zugeordnet sind. Andere Empfangsstrahlformer, sowohl digitale als auch analoge, mit unterschiedlichen oder denselben Filterstrukturen können verwendet werden. Die gefilterte Information wird detektiert und durch einen Anzeigeprozessor (nicht gezeigt) als Bild angezeigt.
Das harmonische Bild repräsentiert eine Struktur innerhalb des Subjekts 18. Das harmonische Signal kann durch eine harmonische Antwort von Gewebe oder durch nicht-lineare Kontrastmittel erzeugt werden, welche in dem Subjekt 18 vorgesehen sein können. Harmonische Gewebebildgebung ist mit einer harmonischen Energieerzeugung durch eine Ausbreitung und Streuung des Übertragungsstrahls durch Gewebe in dem Subjekt 18 verbunden. Harmonische Kontrastmittelbildgebung ist mit einer harmonischen Energieerzeugung durch Wechselwirkung der Grundfrequenz mit dem Kontrastmittel verbunden.
2A zeigt eine Blockdarstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform 40 des Übertragungsstrahlformers 12 von 1. Wie in 2A gezeigt ist, enthält der Übertragungsstrahlformer 40 N Kanäle, einen für jeden der Wandler des Wandlerfelds 16 (siehe 1). Jeder Kanal enthält einen Verzögerungsspeicher 42, einen Apodisationsspeicher 44, einen Verzögerungszähler 62 und einen Signalgenerator 46. Jede der verschiedenen Strukturen kann für eine Mehrzahl von Kanälen anstatt eines einzelnen Kanals, wie in der bevorzugten Ausführungsform, verwendet werden.
Der Verzögerungsspeicher 42 enthält m Verzögerungswörter 50, eines für jeden möglichen Steuerungswinkel oder Ultraschallübertragungsabtastzeile. Jedes Verzögerungswort 50 des Verzögerungsspeichers 42 entspricht einer Zeitverzögerung für die ausgewählte Übertragungsabtastzeile und für das mit dem geeigneten Übertragungskanal verbundene Wandlerfeld. In der bevorzugten Ausführungsform gibt beispielsweise das Verzögerungswort 50 die Anzahl an Übertragungsträgerzyklen oder Teilzyklen an, welche nach einem Start eines Leitungssignals auf Leitung 54 vor einer Erzeugung und Übertragung der Übertragungswellenform zu verzögern sind. Wie nachfolgend diskutiert, entsprechen die Anzahl an Zyklen oder Teilzyklen einer Fokussierverzögerung.
Der Verzögerungsspeicher 42 von 2A wird nicht benötigt, reduziert jedoch Speicher oder Steuer-/Regelausstattungen für den Signalgenerator 46. Der Verzögerungsspeicher 42 beseitigt die Notwendigkeit, die Verzögerung zu berechnen oder die Verzögerung aus anderen Parametern abzuleiten, wenn die Ultraschallabtastzeile Winkelveränderungen ausführt.
Der Apodisationsspeicher 44 enthält m Apodisationswörter 56, und zwar eines für jeden möglichen Steuerungswinkel oder Ultraschallübertragungsabtastzeile. Jedes Apodisationswort 56 des Apodisationsspeichers 44 entspricht einem Amplitudenpegel oder einer Skalierung für den bestimmten Kanal und die bestimmte Übertragungsabtastzeile. Jedes Apodisationswort 56 basiert auf im Stand der Technik bekannten Apodisationsformaten.
Ein Computer 66 stellt dem Signalgenerator 46 Einstellungsdaten bereit, welche einem ausgewählten Bildgebungsmodus zugeordnet sind, um die Eigenschaften der Übertragungswellenform für den Bildgebungsmodus, wie die Anzahl an Zyklen oder Impulsen innerhalb der Übertragungswellenform oder die Impulsbreite jedes Impulses, zu spezifizieren. Andere Ausführungsformen der Auswahl des Bildgebungsmodus sind möglich. Ferner ist es möglich, dass einige Systeme keine Auswahl des Bildgebungsmodus bereitstellen.
Der Signalgenerator 46 ist von einer im Stand der Technik bekannten Konstruktion zum Erzeugen von Übertragungswellenformen. Der Signalgenerator 46 enthält beispielsweise Steuerungs-/Regelungs-, Zeitsteuerungs-, Wellenformerzeugungs-, Skalierungs-, Digital-Analog-Umwandlungs- und Ausgangstreiberschaltungen. Andere Ausführungsformen sind möglich, wie etwa der Übertragungsstrahlformer, welcher in „Method and Apparatus for Transmit Beamformer System", US-Patent-Anmeldung mit laufender Nummer 08/673,410, eingereicht am 15. Juli 1996, offenbart ist oder eine Mehrpegelschaltvorrichtung. Alternative Mittel zur Wellenformerzeugung umfassen auch RAM- oder ROM-Speicher und Vorrichtung auf Logikbasis. Die Komplexität und Details der bevorzugten Ausführungsform des Signalgenerators 46 sind abhängig von der Anzahl an Zeitsteuerungszuständen, Apodisationspegeln und der Impulsbreitenquantisierung, welche für eine angemessene Erzeugung der gewünschten Übertragungswellenform notwendig ist.
Unter Bezugnahme auf 2B ist eine erste bevorzugte Ausführungsform 70 des Signalgenerators 46 von 2A gezeigt. Der Signalgenerator 70 erzeugt Impulsbreiten-modulierte Übertragungswellenformen. Der Signalgenerator 70 enthält einen Zeitsteuerungssequenzer 76, einen Wellenformgenerator 72, einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 74 und einen Ausgangstreiber für unipolare oder bipolare Hochspannung 78.
In einem alternativen Aufbau werden statt des DAC 74 eine Mehrzahl von Widerständen und Schaltern verwendet, um eine Erzeugung der Übertragungswellenform bei unterschiedlichen Amplitudenpegeln zu wichten oder weiter bereitzustellen. Ferner kann der Wellenformgenerator 72, wie etwa eine mehrpegelgeschaltete oder eine analoge Vorrichtung, in der Lage sein, Signale mit variierenden Amplituden auf Grundlage einer gespeicherten Wellenform oder andere Eingaben ohne den DAC 74 zu erzeugen. in einem weiteren alternativen Aufbau werden beliebige Komponenten aus Zeitsteuerungssequenzer 76, Wellenformgenerator 72 und anderen Logik- und Steuer-/Regelstrukturen von mehr als einem Kanal gleichzeitig verwendet.
Unter Bezugnahme auf die 2A und 2B wird der Apodisationsspeicher 44 nicht benötigt, ermöglicht jedoch eine genauere Fokussierung und Amplitudensteuerung-/-regelung. Ohne die Apodisationsfähigkeit und den zugeordneten Speicher 44 werden die Funktionen des Wellenförmgenerators 72, des Ausgangstreibers 78 und des DAC 74 vereinfacht. In diesem Fall gibt der Signalgenerator 70 einen Satz von Impulsbreiten aus, welche einer konstanten, gleichmäßigen Apodisationswichtung entsprechen.
Unter Bezugnahme auf 2A werden bei Verwendung Steuer-/Regeldaten, welche die Kanalzeitsteuerungsverzögerungswörter 50, die Apodisationswörter 56 und irgendwelche andere Einstellungsdaten spezifizieren, in dem Übertragungsstrahlformer bereitgestellt. Andere Einstellungsdaten werden vorzugsweise durch den Computer 66 bereitgestellt und umfassen Parameter, wie etwa einer Trägerfrequenz, eine Bandbreite und andere Informationen als Funktion möglicher Zeitsteuerungszustände. In alternativen Konstruktionen können beliebige der Steuer-/Regeldaten durch alternative Strukturen bereitgestellt sein.
Auf Grundlage der Steuer-/Regeldaten spricht jeder Kanal auf ein Abtastzeilenauswahlsignal auf Leitung 60 an, indem er Verzögerungs- und Apodisationswörter 50 und 56 für die ausgewählte Abtastzeile läd. Das Verzögerungswort 50 aus dem Verzögerungsspeicher 42 wird in den Verzögerungszähler 62 geladen. Da das Verzögerungswort 50 vorzugsweise in Bruchteilen eines Trägerzyklus angegeben ist, wird das Verzögerungswort 50 zur Auswahl eines fein quantisierten Zeitsteuerungszustands entsprechend der Taktphase verwendet. Der Verzögerungszähler 62 reagiert auf ein Abtastzeilenstartsignal auf Leitung 54 durch Erhöhen oder Erniedrigen des gespeicherten Werts mit jedem Zyklus des Taktgebers auf Leitung 52. Wenn der Zähler 62 auf Null zählt, so initiiert der nächste Zyklus ein Startsignal für eine Wellenformerzeugung.
Unter Bezugnahme auf 2B wird das Startsignal durch den Sequenzen 76 empfangen. Der Sequenzen 76 erzeugt außerdem die geeigneten Zeitsteuerungszustände für eine Impulsbreiten-modulierte Impulserzeugung durch den Wellenformgenerator 72. Die Zeitsteuerungszustände entsprechen der Anzahl an Zyklen und der Impulsbreiten-Informationen. Der Wellenformgenerator 72 wird somit für die Zeitdauer jeder gewünschten Nicht-Null-Ausgabe des Signalgenerators 46 aktiviert. Die Abfolge des Aktivierens und Deaktivierens als Funktion der Zeitsteuerungszustände arbeitet als rechteckige Fensterfunktion, welche die Anzahl an Zyklen (Dauer des Fensters) und die Impulsbreite (Dauer jedes Impulses) bestimmt.
Unter Bezugnahme auf 2A und 2B empfängt der Signalgenerator 46 auch das Apodisationswort 56 von dem Apodisationsspeicher 44. Das Apodisationswort 56 wird durch den DAC 74 in ein analoges Signal umgewandelt. Die Apodisationsinformation wird vorzugsweise durch den Ausgangstreiber 78 als ein Skalierungsfaktor für die erzeugte Wellenform verwendet. In einer alternativen Ausführungsform des Signalgenerators 70 wird die durch den DAC 74 ausgegebene Apodisationsskalierungsinformation dem Wellenformgenerator 72 bereitgestellt.
Auf Grundlage der Einstelldaten, wie der Impulsbreiten-Informationen und der Sequenzer-Zustandsinformationen, erzeugt der Wellenformgenerator 72 eine Impulsbreiten-modulierte Wellenform. Der bevorzugte Signalgenerator 70 gibt eine getaktete Abfolge von Impulsbreiten-modulierten Impulsen während des aktiven Teils der Erzeugung des Übertragungsimpulses oder der Übertragungsimpulse aus. Die getaktete Abfolge ist vorzugsweise grob abgetastet, wie etwa mit einer Rate von vier Abtastungen pro Trägerzyklus. Der Sequenzer 76 stellt Zeitsteuerungszustände zum Erzeugen nacheinander folgender Impulsbreiten in der abgetasteten Impulsserie oder eine Impulsbreiten-modulierte Übertragungswellenform bereit. Vorzugsweise enthält die Impulsbreiten-modulierte Übertragungswellenform wenigstens zwei Trägerzyklen. Andere Abtastraten können verwendet werden, wie nachfolgend diskutiert wird. Die Impulsbreiten eines jeden von dem Wellenformgenerator 72 ausgegebenen Impulses werden durch die eingestellten Daten in Reaktion auf die Zeitsteuerungszustände gesteuert/geregelt. Das bevorzugte Verfahren zum Bestimmen der Breiten und der zugeordneten Einstellungsdaten wird nachfolgend beschrieben, wenngleich andere Verfahren verwendet werden können.
Die Impulsbreiten-modulierten Signale werden durch den Ausgangstreiber 78 verstärkt. Der Ausgangstreiber 78 empfängt außerdem die analogen Apodisationsinformationen von dem DAC 74. Der Ausgangstreiber 78 verstärkt die Impulsbreiten-modulierten Signale und skaliert die Amplitude der Signale in Antwort auf die Apodisationsinformationen. Vorzugsweise wird die Ausgangsleistung des Ausgangstreibers 78 reguliert, indem die Spannungs- oder Stromverstärkung des Ausgangstreibers 78 für jeden Kanal um den gleichen Faktor verändert wird. Jegliche Apodisation für jeden Kanal geht vorzugsweise mit einer Veränderung der Wellenformamplitude in Antwort auf die Apodisationsinformationen von dem DAC 74 einher. Die Ausgabe des Ausgangstreibers 78 ist die oben diskutierte Übertragungswellenform und wird über den TX/RX-Schalter (siehe 1) an den jeweiligen Wandler angelegt. Somit wird eine unipolare oder eine bipolare Hochspannungsübertragungswellenform erzeugt. Wenn die Impulsserie für die gewünschte Übertragungswellenform vollständig ist, so kehrt der Sequenzer 76 in einen Ruhezustand zurück, bis das nächste Startsignal empfangen wird.
Die Impulsbreitenmodulation der Übertragungswellenform verstärkt die Beschallung für eine harmonische Bildgebung. Der Computer 66 stellt entweder in Echtzeit oder als Teil der Einstellung Informationen zum Erzeugen beliebiger verschiedener Wellenformen zur Verwendung mit Signalgeneratoren 76 verschiedener Komplexität bereit. Die Wellenformen sind derart geformt, dass sie Ultraschallenergie in einem breiten Durchlassband, welches bei der harmonischen Frequenz der Grundmittelfrequenz der Übertragungswellenform zentriert ist, unterdrücken. Eine Berechnung, welche die Verstümmelung von Übertragungswellenformen von Energien im harmonischen Frequenzband demonstriert, ist ein harmonisches Leistungsverhältnis. Das harmonische Leistungsverhältnis ist das Verhältnis von Restleistung des Wellenformspektrums in dem gewünschten harmonischen Band, wie etwa einem um die Harmonische zweite Ordnung herum zentrierten Band, zur Leistung des Wellenformspektrums in dem zugeordneten Grundband. Ein für Bildgebung geeignetes Filter wird auf das Grundband von Energien angewendet. Die Leistung des gefilterten Signals wird berechnet. Das gleiche Filter wird verschoben und auf das harmonische Band von Energien angewendet. Die Leistung dieses gefilterten Signals wird ebenfalls berechnet. Das harmonische Leistungsverhältnis ist das Verhältnis dieser beiden Leistungen. Die Übertragungswellenformen sind beliebigen von verschiedenen harmonischen Leistungsverhältnissen zugeordnet. Niedrigere harmonische Leistungsverhältnisse gehen mit geringerer Interferenz aus übertragener Energie für harmonische Bildgebung einher. Die unterdrückte harmonische Übertragung ermöglicht es dem System, zwischen harmonischen Echos (auf Grundlage von Gewebe oder einem Kontrastmittel) und linearen Echos zu unterscheiden.
Die Wellenformen sind vorzugsweise so geformt, dass ein optimaler Grundbandwirkungsgrad bereitgestellt wird. Der Wirkungsgrad einer Wellenform ist eine Funktion der spektralen Energie in einem gewichteten Band um die Grundmittelfrequenz, wenn der Spitzenwert auf einen gegebenen Wert normalisiert ist. Für optimale Empfindlichkeit bei harmonischer Bildgebung für Gewebe überträgt der Übertragungsstrahlformer 40 bei oder nahe der maximalen erlaubten Schallleistungsdichte. Für die harmonische Bildgebung von Kontrastmitteln können die Leistungspegel reduziert werden, um eine Zersetzung des Kontrastmittels zu vermeiden. Der Wirkungsgrad ist somit ein Faktor, der bei der Gestaltung und Erzeugung der Wellenform berücksichtigt werden sollte.
Ein anderer solcher Faktor ist die Komplexität der Wellenform. Wellenformen, welche lediglich eine grobe Abtastung, eine geringe Impulsbreitenquantisierung, weniger Amplitudenniveaus und eine geringere Amplitudenquantisierungsgenauigkeit bei der DAC-Verarbeitung benötigen, benötigen weniger komplexe und teure Gerätschaften zur Erzeugung. Da typischerweise eine Mehrzahl von Signalerzeugungseinrichtungen 46 verwendet werden, ist die Kostendifferenz zwischen Signalerzeugungseinrichtungen 46 ein wichtiger Gesichtspunkt.
Die Übertragungswellenformen sind entweder unipolar oder bipolar. Eine unipolare Übertragungswellenform 71 ist beispielsweise in 3 gezeigt. Die Übertragungswellenform enthält vorzugsweise eine Mehrzahl von Impulsen 73. Die Impulse 73 entsprechen Intervallen entlang der Zeitachse, in welchen die Amplitude bei Null oder einem anderen Wert beginnt und dann auf Null oder einen anderen Wert zurückkehrt. Die Übertragungswellenformen sind entweder rechteckig, wie die Übertragungswellenform 71 in 3, oder von anderen Formen. Gestufte oder rechteckige Impulse 73 können gekrümmte oder andere Formen enthalten. Die unipolare Übertragungswellenform 71 enthält zwei Amplitudenniveaus (Ein/Aus), ohne jegliche Apodisation. Unter Bezugnahme auf 5 weist die bipolare Übertragungswellenform 90 drei Amplitudenniveaus (Positiv/Aus/Negativ) auf, ohne jegliche Apodisation. Gestufte Wellenformen, wie Wellenformen mit mehreren positiven oder negativen Amplitudenniveaus, sind ebenfalls möglich. Gestufte Wellenformen weisen wenigstens zwei positive oder negative Amplitudenniveaus oder eine Kombination aus einer Mehrzahl positiver und negativer Amplitudenniveaus auf. Beliebige der verschiedenen oben diskutierten Übertragungswellenformen oder andere Übertragungswellenformen können als Teil der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Charakteristiken der für jeden Kanal erzeugten Übertragungswellenform werden so eingestellt, dass eine Beschallung für harmonische Bildgebung verstärkt wird. Die Breite von Impulsen und der Abstand zwischen den Impulsen werden eingestellt. Zum Beispiel und unter Bezugnahme auf 2A und 3 steuert die Impulsbreiteninformation die Erzeugung der Übertragungswellenform 71. Steuersignale aufgrund des Zeitsteuerungszustands ermöglichen es der Signalerzeugungseinrichtung 46, zur geeigneten Zeit einen Impuls 73 zu erzeugen. Andere Steuersignale auf Grundlage des Zeitsteuerungszustands deaktivieren die Signalerzeugungseinrichtung 46 zu der geeigneten Zeit, um eine Erzeugung des Impulses 73 zu unterbrechen. Auf Grundlage der Steuersignale werden Impulse 73 mit unterschiedlichen Zeitspannen oder Breiten erzeugt. Der Abstand oder die Zeitspanne zwischen Impulsen 73 wird ebenfalls eingestellt. Für eine feinere Einstellung der Dauer der Impulse tastet der Übertragungsstrahlformer 40 häufiger ab. Ein beliebiger Übertragungsstrahlformer 40, welcher Impulse 73 mit unterschiedlichen Breiten erzeugen kann, ist zur Durchführung der vorliegenden Erfindung in der Lage.
Unter Bezugnahme auf 3 wird die Dauer oder die Breite eines jeden Impulses 73 innerhalb der Übertragungswellenform 71 variiert, um bei harmonischen Frequenzen, wie den harmonischen Frequenzen zweiter Ordnung, übertragene Energien zu reduzieren. Die Dauer ist dem Beginn und dem Ende des Impulses 73 zugeordnet. Für harmonische Bildgebung zweiter Ordnung variieren die Breiten der Impulse 73 in Antwort auf eine Hüllkurve, welche allmählich auf einen Maximalwert ansteigt und dann allmählich innerhalb der Wellenform 71 abnimmt. Es können andere Breitenmuster verwendet werden. Es können mehrere oder weniger Impulse 73 verwendet werden. Ferner können die jedem Puls zugeordnete Breite und die Reihenfolge der Impulse 73 verändert werden.
Der Abstand oder die Zeitspanne zwischen den Impulsen 73 ist so eingestellt, dass eine Beschallung für harmonische Bildgebung verstärkt wird.
Insbesondere ist die Zeitspanne zwischen der Mitte zweier benachbarter Impulse 73 verschieden von der Zeitspanne zwischen der Mitte zweier anderer benachbarter Impulse 73. Die Mitte eines Impulses 73 entspricht der Mitte entlang der Zeitachse auf Grundlage des Beginns und des Endes des Impulses. Beispielsweise beträgt die Zeitspanne zwischen der Mitte eines Impulses 75 und eines Impulses 77 ungefähr 0,5 der Periode der Übertragungswellenform 71. Die Zeitspanne zwischen der Mitte des Impulses 77 und eines Impulses 79 beträgt ungefähr 0,25 der Periode der Übertragungswellenform 70. Jede verschiedene Zeitspanne kann irgend einen Wert haben, hängt jedoch von der Abtastrate ab.
Sowohl der Abstand zwischen zwei beliebigen Impulsen als auch die Breite eines beliebigen Impulses werden auf Grundlage von Experimenten oder anderen Berechnungen bestimmt. Beispielsweise werden die Breiten der Impulse 73 so eingestellt, dass sie dem Energiegehalt einer Übertragungswellenform mit den gewünschten Amplitudencharakteristiken angenähert sind. Unter Bezugnahme auf 4 wird eine Hüllkurve 80 ausgewählt, welche der gewünschten Frequenzantwort zugeordnet ist, wie etwa einer niedrigen Übertragung von Energie bei harmonischen Frequenzen zweiter Ordnung und einer hohen Übertragung von Energie bei Grundfrequenzen. Zur Entwicklung einer bipolaren Übertragungswellenform ist die Hüllkurve 80 sowohl mit positiven als auch mit negativen Amplituden dargestellt. Die Hüllkurve 80 entspricht einer Hamming-Hüllkurve, es können jedoch andere Hüllkurven oder Wellenformen verwendet werden, wie etwa Gauß-Hüllkurven. Die Hamming-Hüllkurve 80 e(t, T_H) wird dargestellt als gleich [0,54 + 0,46cos(2t/T_H)]rect(t/T_H), wobei T_H die Periode der Hüllkurve und t die Zeit ist. Es können andere Darstellungen verwendet werden. Die Periode T_H wird auf Grundlage der gewünschten Anzahl von Impulsen innerhalb der Hüllkurve, wie etwa 3,5, ausgewählt. Der gewählte Wert für T_H bestimmt teilweise die den Grundfrequenzen zugeordnete Frequenzantwort.
Die Amplitude der Hüllkurve 80 wird an einer Mehrzahl von Punkten 82 abgetastet. Die Anzahl der abgetasteten Punkte 82 hängt von der Abtastfrequenz F_S und T_H ab. Die Amplitude X_S(t) wird dargestellt als e(t, T_H) cos(2F_Tt)_k(t – k/F_S), wobei F_T die Übertragungsmittelfrequenz der Hüllkurve 80 ist und k eine Impulsnummer repräsentiert. Vorzugsweise ist F_S gleich M F_T, wobei M der Anzahl von Abtastungen zugeordnet ist und in diesem Beispiel 4 beträgt. Eine Verringerung des Werts von M führt zu weniger Impulsen in der Übertragungswellenform und allgemein zu einem weniger komplexen Übertragungsstrahlformer 12 (siehe 1). Für unipolare Übertragungswellenformen wird cos(2F_Tt) durch [1 – cos(2F_Tt)] ersetzt. Eine Herausnahme von Zeit aus der Abtastamplitudenfunktion, X_S(t), X_S(t) wird durch _ke(k/4F_T, T_H)cos(k/2)(t – k/4F_T) repräsentiert.
Die Breite eines jeden Impulses ist eine Funktion von X_S(t). Insbesondere ist die einer Zeit t zugeordnete Breite jedes Impulses k gleich X_S(t)/F_S, wobei F_S = M F_T. „t" inkrementiert um k/F_S. Unter Bezugnahme auf 5 umfasst eine bipolare Übertragungswellenform 90 7 Impulse 92, welche den 7 in 4 gezeigten Abtastpunkten 82 entsprechen. Die Breiten der Impulse 92 entsprechen den Breiten, welche wie oben diskutiert berechnet wurden. Sowie die Amplitude der Hüllkurve 80 (siehe 4) nimmt also die Dauer der Impulse 92 allmählich bis zu einem Maximalwert zu und nimmt dann allmählich ab. Die Breiten der Impulse 92 innerhalb der Übertragungswellenform 90 sind als Funktion einer anderen Wellenform, wie etwa der Hüllkurve 80, moduliert (siehe 4). Andere Breitenvariationsmuster und Berechnungen können verwendet werden.
Die Frequenzantwort der Übertragungswellenform 90 oder anderer Übertragungswellenformen wird ferner dadurch verändert, dass Impulse 92 eingefügt werden, welche um 1/(N·F_T) verschoben sind, wobei N ein Wert ist, welcher auf Grundlage der unterdrückten harmonischen Frequenzen ausgewählt ist. Beispielsweise unterdrückt N = 4, was 90 Grad entspricht, die harmonischen zweiter Ordnung zugeordneten Energien in der Übertragungswellenform. Andere Werte von N oder Verschiebungen können verwendet werden. Die verschobenen Impulse können entlang der Zeitachse mit nicht verschobenen Impulsen überlappen, was jedoch vorzugsweise nicht stattfindet. Das Einfügen der verschobenen Impulse unterdrückt ferner Energien, welche bei harmonischen Frequenzen übertragen werden, wie etwa die Harmonische zweiter Ordnung.
Unter Bezugnahme auf 6 enthält die Übertragungswellenform 100 Paare von Impulsen 102. Die Impulse 104 innerhalb jedes Paares 102 sind relativ zueinander um 90 Grad phasenverzögert. Die Phasenverzögerung um 90 Grad wird durch 1/4 F_T repräsentiert. Es können andere Darstellungen verwendet werden. Die Übertragungswellenform 100 wird durch Verschieben eines Impulses 104 eines jeden Paares von Impulsen 102 um 45 Grad oder 1/8 F_T in einer Richtung entlang der Zeitachse gestaltet. Der andere Impuls 104 jedes Paares von Impulsen 102 ist um 45 Grad oder 1/8 F_T in eine andere Richtung entlang der Zeitachse verschoben. Beispielsweise wird die in 5 gezeigte Übertragungswellenform 90 auf Grundlage der Gleichung ½[(t + 1/8F_T) + (t – 1/8 F_T)] gefaltet. Die gefaltete und phasenverschobene Übertragungswellenform 100 ist in 6 gezeigt.
Unter Bezugnahme auf 7 ist die Fourier-Transformation oder die Frequenzantwort der in 6 gezeigten Übertragungswellenform 100 grafisch dargestellt. Auf Grundlage einer Mittelübertragungsfrequenz von 2 MHz, Fr, wird die bei der Mittelfrequenz der Harmonischen zweiter Ordnung von 4 MHz übertragene Energie um mehr als 60 dB unterdrückt. Andere Wellenformen mit variierenden Impulsbreiten und/oder Abständen zwischen Impulsen können verwendet werden und können bessere oder schlechtere Schwächungen bei der mittleren harmonischen Frequenz, anderen harmonischen Frequenzen oder innerhalb eines Bands von harmonischen Frequenzen bereitstellen. Durch Variieren der Breite von Impulsen oder der Abstände zwischen Impulsen können Übertragungswellenformen mit variierenden Frequenzantworten gestaltet und übertragen werden.
Zusätzlich zur Variation der Breite und des Abstands, die Impulsen in einer Übertragungswellenform zugeordnet sind, können die Übertragungswellenformen variierende Amplitudenniveaus aufweisen. Die Amplitude einer jeden Überfragungswellenform ist so geformt, dass sie allmählich auf einen Maximalwert ansteigt und von dem Maximalwert aus allmählich abnimmt. Jede Übertragungswellenform ist durch Modulieren einer Trägerwellenform mit einer Hüllwellenform geformt. Alternativ und im Hinblick auf die Übertragung einer unipolaren Wellenform wird eine geformte Tiefpassverschiebungswellenform mit allmählich zunehmender und abnehmender Amplitude zu einer bipolaren Wellenform addiert. Die Addition stellt eine unipolare Wellenform für harmonische Bildgebung dar. Die Signalerzeugungseinrichtung erzeugt die Modulation oder die auf der Verschiebung basierende Übertragungswellenform zur Übertragung.
Als alternative Ausführungsform können zu dem Übertragungsstrahlformer 40 von 2 ein oder mehrere Filter hinzugefügt werden. Ein Filter, wie etwa ein digitales Tiefpassfilter, filtert die Ausgabe der Wellenformerzeugungseinrichtung. Das Filter kann außerdem ein Analogfilter umfassen. Die Ausgabe der Signalerzeugungseinrichtung kann eine beliebige der verschiedenen oben diskutierten Wellenformen, wie etwa die bipolaren Wellenformen oder andere Wellenformen, sein. Das Filter reduziert die Hochfrequenzkomponenten, welche der steilen Anstiegs- und Abfallszeit der rechteckigen Signale der Übertragungswellenform zugeordnet sind.
Als weitere alternative Ausführungsform kann ein anderes Filter der Ausgabe des Verstärkers zugefügt sein. Das Filter ist weiter derart gestaltet, dass verschiedenen harmonischen Frequenzen zugeordnete übertragene Energie unterdrückt wird, wie etwa wenigstens um 30 dB in Bezug auf die Grundfrequenzen. Die erzeugte Wellenform der oben diskutierten Art sowie das Filter reduzieren somit in Kombination miteinander die übertragene Energie, welche harmonischen Frequenzen zugeordnet ist. Als weitere Alternative filtert das Filter, wie ein Tiefpassanalogfilter, die Ausgabe des DAC oder des Verstärkers. Als eine noch weitere alternative Ausführungsform können die oben diskutierten Übertragungswellenformen in Kombination mit der Addition von Wellenformen im Schallbereich verwendet werden.
Die einem ersten Wandlerelement oder -elementen zugeordnete Übertragungswellenform wird relativ zu einer einem zweiten Wandlerelement oder -elementen zugeordneten zweiten Wellenform geformt. Beispielsweise wird die erste Wellenform (1) um einen Bruchteil eines Zyklus oder einer Mehrzahl von Zyklen verzögert, (2) in ihrer Amplitude eingestellt, (3) für eine unterschiedliche Anzahl von Zyklen übertragen oder es findet eine beliebige andere Kombination von zwei oder allen dreien aus (1), (2) und (3) relativ zur zweiten Wellenform statt. Die erste und die zweite Wellenform werden auf einem Punkt fokussiert und übertragen. Die übertragenen Wellenformen addieren sich im Schallbereich an dem Punkt und bilden die gewünschte Wellenform zur Reduzierung von Energien, die in den harmonischen Frequenzen übertragen werden. Vorzugsweise entspricht die gewünschte Wellenform einer Amplitude, welche allmählich auf einen Maximalwert ansteigt und allmählich von dem Maximalwert aus abnimmt.
Als Beispiel einer Änderung der übertragenen Wellenformen als Funktion des resultierenden summierten Signals im Schallbereich, sind die erste und die zweite Wellenform jeweils beide die in 5 gezeigte Übertragungswellenform 90. Die Übertragung der ersten Wellenform ist um ¼ eines Zyklus oder um 90 Grad relativ zur zweiten Wellenform verzögert. An dem Punkt im Körper addieren sich die erste und die zweite Wellenform miteinander, um eine dritte Wellenform zu bilden. Die dritte Wellenform ist allgemein die gleiche, wie die Übertragungswellenform 100 in 6. Die Anzahl von Zyklen und die Amplitudenform der ersten und der zweiten Wellenform können ebenfalls gesteuert werden, um die gewünschte dritte Wellenform im Schallbereich zu erzeugen.
Jegliche der oben diskutierten verschiedenen Alternativen, wie etwa Pulsbreitenmodulation, Filterung, Erzeugung von Wellenformen mit mehreren Amplituden und die Addition von Wellenformen im Schallbereich, können in Kombination verwendet werden. Die Kombination kann mehr als zwei der oben diskutierten Alternativen einschließen.
Es sollte selbstverständlich sein, dass viele Änderungen und Abwandlungen an den oben beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden können. Beispielsweise können verschiedene Ultraschallsysteme mit unterschiedlichen Graden an Programmierbarkeit verwendet werden. Außerdem können unterschiedliche Wandler und Systemkonfigurationen verwendet werden. Viele der verschiedenen oben diskutierten Prozesse können analoge oder digitale Prozesse sein. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorstehende detaillierte Beschreibung als Illustration der momentan bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verstanden wird und nicht als Definition der Erfindung. Lediglich die folgenden Ansprüche definieren den Inhalt der Erfindung.

Claims

Verfahren, welches die folgenden Schritte umfasst: (a) Senden von Ultraschallenergie bei einer Grundfrequenz und (b) Empfangen von reflektierter Ultraschallenergie bei einer Harmonischen der Grundfrequenz in einem Ultraschallsystem, wobei der Schritt (a) den folgenden Schritt umfasst: (a1) Senden einer Wellenform, welche wenigstens eine Abfolge von wenigstens einem ersten und zweiten Impuls, die eine erste beziehungsweise eine zweite Impulsdauer aufweisen, umfasst, wobei die zweite Impulsdauer verschieden von der ersten Dauer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem eine Dauer zwischen dem ersten Impuls und dem zweiten Impuls verschieden von der ersten Impulsdauer ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in welchem der Schritt (a1) ferner den Schritt (a2) des Modulierens der Abfolge mit variierender Impulsdauer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem der Schritt (a1) ferner ein Senden der Wellenform umfasst, die wenigstens den ersten und den zweiten Impuls und wenigstens einen dritten Impuls in Nacheinanderfolge umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem der Schritt (a1) ferner das Senden der Wellenform umfasst, die eine erste Zeit zwischen dem ersten und dem zweiten Impuls und eine zweite Zeit zwischen dem zweiten Impuls und einem dritten Impuls umfasst, wobei die zweite Zeit verschieden von der ersten Zeit ist.
Verfahren nach Anspruch 4, in welchem der Schritt (a1) ferner ein Senden des ersten und des dritten Impulses mit einer kürzeren Dauer als der zweite Impuls umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, in welchem der Schritt (a1) ferner umfasst: Annähern eines Energiegehalts einer Übertragungswellenform, umfassend eine Hüllform, die allmählich auf einen jeweiligen Maximalwert ansteigt und allmählich von dem jeweiligen Maximalwert aus abfällt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem der Schritt (a1) ferner ein jeweiliges Senden einer Mehrzahl der Wellenformen von einer Mehrzahl von Wandlerelementen (16) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem der Schritt (a1) ein Senden des ersten Impulses mit kürzerer Dauer als der zweite Impuls umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem der Schritt (a1) ein Senden des ersten Impulses mit längerer Dauer als der zweite Impuls umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner den Schritt oder Schritte einer beliebigen Kombination von zwei oder drei der folgenden Schritte a2, a3 und a4 umfasst: (a2) die Wellenform umfasst eine erste Wellenform, wobei ferner die folgenden Schritte vorgesehen sind: (i) Einstellen einer Charakteristik, welche aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Durchlauf-Verzögerung, Anzahl an Durchläufen und eine Kombination daraus von wenigstens der ersten Wellenform, welche an wenigstens einen ersten einer Mehrzahl von Wandlerelementen angelegt ist, relativ zu wenigstens einer zweiten Wellenform, die an wenigstens einem zweiten der Mehrzahl von Wandlerelementen angelegt ist, als Funktion einer Form, die eine Summe aus der ersten und der zweiten Wellenform umfasst; und (ii) Senden von Ultraschallenergie in Reaktion auf wenigstens die erste und die zweite Wellenform von wenigstens dem ersten beziehungsweise dem zweiten Wandlerelement, welche im Wesentlichen auf einen Punkt fokussiert ist, wobei die an dem Punkt summierte Ultraschallenergie die Form umfasst und wobei die Form allmählich auf einen jeweiligen Maximalwert ansteigt und allmählich von dem jeweiligen Maximalwert abfällt; (a3) ein Schritt, welcher umfasst: (i) Erzeugen der Wellenform als bipolare Wellenform; und (ii) Anwenden einer Amplituden-Basislinien-Verschiebung auf die bipolare Wellenform, wobei wenigstens die Wellenform eine Summe der bipolaren Wellenform und der Amplituden-Basislinien-Verschiebung umfasst; und (a4) Modulieren der Amplitude wenigstens eines Impulses in der Wellenform.
Ultraschallvorrichtung (10) zum Senden von Ultraschallenergie bei einer Grundfrequenz für den Empfang von reflektierter Ultraschallenergie bei einer Harmonischen der Grundfrequenz, umfassend: einen Wandler (16); und einen Signalgenerator (46), welcher mit dem Wandler (16) verbunden ist und dazu dient, eine Abfolge zu erzeugen, welche wenigstens einen ersten und zweiten Impuls umfasst, wobei jeder Impuls eine jeweilige Impulsdauer aufweist und wobei die Impulsdauer derart moduliert ist, dass die Impulsdauern des ersten Impulses und des zweiten Impulses verschieden voneinander sind.