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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Ultraschallbilderzeugungssysteme und im Speziellen
verbesserte Verfahren zum Abbilden nichtlinearer Kontrastmittel
mit solchen Systemen.
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Nichtlineare
Kontrastmittel sind beispielsweise von V. Uhlendorf, et al., in "Nonlinear Acoustical Response
of Coated Microbubbles in Diagnostic Ultrasound" (1995 Ultrasonic Symposium, Seiten 1559–1562) beschrieben.
Solche Mittel besitzen eine fundamentale Resonanzfrequenz. Wenn
diese mit hoch intensiver Ultraschallenergie bei dieser Fundamentalfrequenz
beschallt werden, strahlen sie eine Ultraschallfrequenz bei einer
Harmonischen der Fundamentalfrequenz aus. Solche Kontrastmittel
werden oft verwendet, um Bereiche hervorzuheben, welche Blut enthalten,
dem Kontrastmittel beigegeben worden ist. Im Falle einer blutgefüllten Kammer
des Herzens können
beispielsweise die Ränder
der Kammer einfacher unterschieden werden, wenn Kontrastmittel verwendet
wird. Da das Kontrastmittel harmonische Ultraschallenergie erzeugt,
können
Echos von Gewebe (welches kein Kontrastmittel enthält) bei
der Fundamentalfrequenz durch Filtern beim Empfangsstrahlkonzentrator
eliminiert werden.
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Typischerweise
werden solche Mittel mit einem Bilderzeugungssystem verwendet, das
einen Sendestrahlkonzentrator aufweist, der Ultraschallenergie bei
der Fundamentalfrequenz aussendet, und einen Empfangsstrahlkonzentrator,
der auf die Harmonische anspricht. Um das Kontrastmittel klar darzustellen,
ist es bekannt, die Energie bei der Harmonischen im Sendestrahl
zu reduzieren und die Empfindlichkeit des Empfangsstrahlkonzentrators
auf Energie bei der Fundamentalen zu reduzieren.
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In
der Vergangenheit wurde dies durch Verwenden eines Bündels von
Quadrat- oder Sinuswellen
erledigt, um den Sendestrahl zu bilden, und durch Verwenden geeigneter
Bandpass- oder Hochpassfilter im Empfangsstrahlkonzentrator. Obwohl
eine große
Impulszahl die Energie bei der Harmonischen reduziert, reduziert
sie die Zeitauflösung
des Impulses und daher die räumliche
Auflösung
des resultierenden Bildes.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf weitere Verbesserungen gerichtet,
welche das Abbilden von solchen nichtlinearen Kontrastmitteln verbessern.
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US-A-5410516
beschreibt ein Verfahren zum Übertragen
von Ultraschallenergie und Leistungsbündeln bei einer Fundamentalfrequenz
zu einem Ziel und zum Empfangen von Ultraschallenergie von dem Ziel
bei einer Harmonischen der Fundamentalfrequenz.
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Kurzbeschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen für ein Verfahren zur Bilderzeugung
eines Ziels, wie in Anspruch 1 beschrieben.
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Kurzbeschreibung
der Figuren
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Ultraschallbilderzeugungssystems, welches
zur Verwendung mit dem Verfahren dieser Erfindung geeignet ist.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines Sendestrahlkonzentrators, der für die Verwendung
im System der 1 geeignet ist.
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3 ist
ein Graph eines Gauss'schen
Impulses im Frequenzbereich.
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4 ist
ein Graph einer Wellenform entsprechend dem Gauss'schen Impuls der 3 im Zeitbereich.
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5 ist
ein Graph eines Fokussierprofils, das geeignet ist für einen
Axicon-Fokus.
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6 ist
eine schematische Darstellung einer zusammengesetzten Fokusanordnung.
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7 ist
ein Graph, welcher hohe und niedrige Frequenzwellenfronten zeigt.
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8 ist
ein Blockdiagramm eines zweiten Sendestrahlkonzentrators, der zur
Verwendung im System der 1 geeignet ist.
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9 ist
ein Blockdiagramm eines dritten Sendestrahlkonzentrators, der zur
Verwendung im System der 1 geeignet ist.
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10, 11 und 11a sind Blockdiagramme von Teilen von Sendestrahlkonzentratoren, welche
bevorzugte Ausführungsformen
dieser Erfindung enthalten.
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12 ist
ein Wellenformdiagramm, das die Funktion der Strahlkonzentratoren
der 10–11a darstellt.
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13–16 sind
Graphen, welche die zeitlichen und frequenzbezogenen Merkmale von Wellenformen
darstellen, die durch die Strahlkonzentratoren der 10–11a erzeugt sind.
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17 ist
ein Graph, welcher eine Filtertransferfunktion darstellt, die zur
Verwendung in den Strahlkonzentratoren der 10–11a geeignet ist.
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18–23 sind
Blockdiagramme alternativer Filterschaltungen, welche zur Verwendung bei
harmonischen Ultraschallbilderzeugungssystemen geeignet sind.
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Detaillierte
Beschreibung
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Die
nachfolgend beschriebenen, bevorzugten Beispiele sind dazu bestimmt,
die harmonische Energie im gesendeten Strahl zu reduzieren und eine verbesserte
räumliche
Verteilung von fundamentaler Energie im gesendeten Strahl bereitzustellen. 1 zeigt
allgemein ein Ultraschallbilderzeugungssystem 10, das verwendet
werden kann, um das Verfahren dieser Erfindung auszuüben.
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Das
System 10 enthält
einen Sendestrahlkonzentrator 12, der Hochspannungssendewellenformen über einen
Multiplexer 14 zu einem Matrixwandler 16 zuführt. Der
Matrixwandler 16, der von irgendeinem geeigneten Typ sein
kann, erzeugt einen Ultraschallsendestrahl in Antwort auf die Sendewellenformen,
und dieser Sendestrahl breitet sich nach außen durch darzustellende Objekt 18 aus.
In diesem Falle enthält
das darzustellende Objekt ein nichtlineares Kontrastmittel 20,
welches oben beschrieben worden ist. Es kann irgendein geeignetes
Kontrastmittel verwendet werden, solange es Ultraschallenergie bei
einer ersten Frequenz absorbiert und Ultraschallenergie bei einer
zweiten Frequenz ausstrahlt, welche unterschiedlich von der ersten
Frequenz ist. In diesem Beispiel wird die erste Frequenz als die Fundamentalfrequenz
bezeichnet und die zweite Frequenz ist eine Harmonische der ersten
Frequenz. Es ist beabsichtigt, dass das hierin verwendete Begriff "Harmonische" breit gefasst sein
soll, um harmonische und teilweise harmonische Energie (z.B. 1/2 oder
3/2 der Fundamentalen) sowie auch höhere Harmonische (z.B. 2- oder
3-fache der Fundamentalen) zu enthalten.
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Ultraschallenergie,
welche vom nichtlinearen Kontrastmittel 20 bei der harmonischen
Frequenz ausgestrahlt wird, wird durch den Matrixwandler 16 empfangen,
durch den Empfangsstrahlkonzentrator 22 fokussiert und
als ein Bild durch einen Anzeigeprozessor (nicht dargestellt) angezeigt.
Wie oben beschrieben, enthält
der Empfangsstrahlkonzentrator 22 konventionelle Filter,
um im Allgemeinen zu verhindern, dass reflektierte Ultraschallenergie
bei der Fundamentalfrequenz abgebildet wird.
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Wenn
man sich nun der 2 zuwendet, zeigt diese Figur
ein Blockdiagramm einer ersten bevorzugten Ausführungsform 40 des
Sendestrahlkonzentrators der 1. Wie in
der 2 dargestellt, enthält der Sendestrahlkonzentrator 40 N
Kanäle, und
zwar einen für
jeden der Wandler der Wandlermatrix 16 (1).
Jeder Kanal enthält
einen Laufzeitspeicher 42, einen Wellenformspeicher 44 und
einen Laufzeitzähler 46 (2).
Der Laufzeitspeicher 42 enthält 256 Worte 48, und
zwar eines für
jeden möglichen
Schwenkwinkel oder jede mögliche
Ultraschallsendescan/-abtastlinie. Jedes Wort 48 des Laufzeitspeichers 42 wird
gleichermaßen
auf eine negative Zahl eingestellt, welche gleich der Anzahl von
Taktgeberzyklen auf der Taktgebersignallinie 50 ist, welche
zwischen einem Start eines Liniensignals auf der Linie 54 und
dem ersten Nicht-Null-Wert der zugeordneten Wellenform verstreicht.
Der Einfachheit halber wird angenommen, dass null als ein Wort 48 definiert
ist, das das signifikanteste Bit aufweist, das gleich zu einem oder
allen anderen Bits ist, welche gleich null sind. Das signifikanteste
Bit bekommt also ein Freigabesignal für den Wellenformspeicher 44.
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Der
Wellenformspeicher 44 in dieser Ausführungsform speichert eine einzelne
Wellenform in Digitalform, welche für alle Sendescanlinien verwendet wird.
Der Wellenformspeicher 44 kann beispielsweise 64 oder 128
aufeinander folgende 8 Bit-Worte enthalten. Die Größe jedes
8 Bit-Worts entspricht der Spannungsamplitude an der jeweiligen
Position der Wellenform. Wenn der Wellenformspeicher 44 mit
einem 40 MHz-Taktgeber auf der Linie 50 gelesen wird, definiert
die resultierende Sequenz von digitalen Werten eine Wellenform mit
einer Dauer von ungefähr
1,6 bis 3,2 Mikrosekunden.
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Der
Laufzeitspeicher 42 ist nicht notwendig, aber er reduziert
die Speicheranforderungen für
den Wellenformspeicher 44. Dies ist so, weit der Laufzeitspeicher 42 den
Bedarf beseitigt, eine große
Zahl von führenden
Nullen zu speichern, wenn die Ultraschalllinie bei einem großen Winkel
geführt
wird.
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Bei
der Verwendung antwortet jeder Kanal auf ein Scanlinienauswahlsignal
auf Linie 52 durch das Laden des Worts 48 für die ausgewählte Scanlinie
in den Laufzeitzähler 46.
Der Laufzeitzähler 46 antwortet
auf den Beginn eines Scanliniensignals auf Linie 54 durch
Inkrementieren des gespeicherten Werts bei jedem Zyklus des 40 MHz-Taktgebers
auf Linie 50. Wenn der Zähler 46 auf null inkrementiert, aktiviert
er den Wellenformspeicher 44. Nachfolgend erzeugte Werte
des Zählers 46 (nun
von null aufwärts inkrementierend)
werden Adresswerte für
den Wellenformspeicher 44. Da jedes Wort des Wellenformspeichers 44 adressiert
ist, wird das entsprechende 8 Bit-Wort gelesen und einem Digital-/Analog-Wandler (DAC) 56 zugeführt.
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Das
analoge Ausgangssignal des Wandlers 56 wird durch einen
Tiefpassfilter, wie beispielsweise ein Bessel-Filter 58,
durchgelassen, um Sampling-Effekte zu reduzieren, und wird dann
zu einem Verstärker 60 geführt. Die
Ausgabe des Verstärkers 60 kann
durch einen zusätzlichen
Tiefpassfilter 62 durchgeführt werden, um die harmonische
Sperre zu verbessern. Die Ausgabe des Tiefpassfilters 62 ist die
oben diskutierte Sendewellenform, welche vermittels des Multiplexers 14 (1)
am jeweiligen Wandler angewendet wird. Die Tiefpassfilter 58, 62 stellen
einen scharten Abschnitt mit tiefem Stoppbandpegel bereit, um Ultraschallenergie
im gesendeten Impuls bei der harmonischen Frequenz im Wesentlichen
zu eliminieren.
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Der
Sendestrahlkonzentrator 40 verwendet Werte für die Wellenformen,
welche in dem Wellenformspeicher 44 gespeichert sind, und
Laufzeiten, welche im Laufzeitspeicher 42 gespeichert sind,
was die Beschallung des nichtlinearen Kontrastmittels im Objekt
verbessert.
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Die
im Wellenformspeicher 44 gespeicherte Wellenform ist so
geformt, dass sie Ultraschallenergie in einem Breitpassband unterdrückt, welches
bei der harmonischen Frequenz zentriert ist. Das Spektrum des gewünschten
Impulses kann beispielsweise auf einem Computer 64 gestaltet
werden. 3 zeigt das Frequenzspektrum
eines geeigneten Impulses 70, der bei der Fundamentalfrequenz
von 2,5 MHz zentriert ist und von allgemein Gauss'scher Form ist. Die
in 3 dargestellte spezielle Gauss'sche Form weist eine um 71 dB reduzierte
Amplitude bei 3,71 MHz auf. Die Bandbreite des Impulses 70 ist
30% der Mittenfrequenz, gemessen an Punkten –6,8 dB bezogen auf die Spitzenamplitude.
Ein solcher Impuls wird hierin als 30%-BW-Gauss'scher Impuls bezeichnet. Es ist anzumerken,
dass der Impuls 70 im Wesentlichen keine Energie bei 5
MHz, der ersten Harmonischen der Fundamentalfrequenz, aufweist.
Diese Erfindung ist nicht beschränkt
auf die Verwendung mit Gauss'schen
Impulsen, und ein breiter Bereich von Spektren kann verwendet werden.
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Wenn
ein gewünschter
Impuls gestaltet worden ist, wird eine inverse Fast-Fourier-Transformation durchgeführt, um
die entsprechende Zeitbereichswellenform zu erzeugen. 4 zeigt
eine Wellenform 80, welche dem Impuls 70 der 3 entspricht.
Es ist anzumerken, dass die Wellenform 80 eine oszillierende
Komponente enthält,
die eine Frequenz von ungefähr
2,5 MHz aufweist. Diese oszillierende Komponente wird durch eine
Hüllkurve 82 geformt.
Die Hüllkurve 82 steigt
allmählich
von einer Null-Amplitude zu einer maximalen Amplitude und fällt dann
allmählich
von der maximalen Amplitude zurück
auf die Null-Amplitude. Die Hüllkurve 82 ist
daher ziemlich unterschiedlich zu der Hüllkurve für eine geschaltete Impulsfolge,
welche im Wesentlichen eine rechteckige Form aufweist. Das allmähliche Erhöhen und
allmähliche
Verringern der Hüllkurve 82 der 4 bringt
den Vorteil von reduzierter Ultraschallenergie bei Harmonischen
der Fundamentalfrequenz mit sich.
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Wenn
eine Wellenform wie die Wellenform 80 der 4 gestaltet
worden ist, kann die Wellenform 80 in binäre Abtastwerte
bei einer geeigneten Abtastrate codiert werden und dann im Wellenformspeicher 44 gespeichert
werden. Der Wellenformspeicher 44 kann ein Nur-Lesespeicher
sein, wobei in diesem Fall der Computer 64 nicht mit dem
Sendestrahlkonzentrator 40 verbunden werden muss. Alternativ
kann der Wellenformspeicher 44 ein flüchtiger Speicher sein, der
bei der Startinitialisierung des Computers 64 programmiert
wird. Der Computer 64 kann jede gewünschte Untermenge der oben
beschriebenen Impuls gestaltenden Schritte durchführen. Der
gewünschte
Impuls kann typischerweise einer von mehreren auswählbaren
Impulsen sein, welche in einem Menü für die Auswahl für den Benutzer enthalten
sind.
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Wenn
die Wellenform im Wellenformspeicher 44 wie oben beschrieben
gestaltet ist, ergibt sich eine Breitbandwellenform im Wellenformspeicher 44, welche
gleichzeitig im Wesentlichen keine ausgestrahlte Energie in einem
auf der Harmonischen zentrierten Breitband aufweist. In dem Beispiel
der 3 und 4 wird im Wesentlichen keine
Ultraschallenergie bei Frequenzen über 4 MHz oder in einer Bandbreite
von ±1
MHz, bezogen auf die erste Harmonische (5 MHz), ausgestrahlt. Die
Energiekomponente bei der Harmonischen ist vorzugsweise mehr als
30 dB reduziert, bezogen auf die Magnitude der Fundamentalfrequenz,
und wird idealerweise um mehr als 40 dB reduziert.
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Selbstverständlich ist
es nicht notwendig, die Wellenform 80 anfänglich im
Frequenzbereich zu definieren. Ein Gauss'scher Impuls kabb im Zeitberech definiert
werden. Die Hüllkurve
muss ferner keine Gauss'sche
sein, sie kann eine andere Fensterfunktion wie beispielsweise ein
Hamming-Impuls, ein modifizierter Gauss'scher Impuls oder jeder andere geeignete
Impuls sein. Bei einigen Anwendungen kann es bevorzugt sein, einen
engen Bandbreitenimpuls zu verwenden, und hierdurch eine sehr hohe
Reduktion von Energie bei der Harmonischen zu erreichen, da die
Harmonische der tiefen Bandkante deutlich über der oberen Bandkante liegt.
Bei anderen Gelegenheiten kann es bevorzugt sein, einen breiteren Bandbreitenimpuls
zu verwenden, beispielsweise um bessere axiale (zeitliche) Auflösung zu
erreichen. In diesem Fall kann eine etwas verringerte Reduzierung von
Energie der Harmonischen akzeptiert werden.
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Ein
alternativer Ansatz ist es, den Impuls 70 zu gestalten,
um zu gewährleisten,
dass im Wesentlichen keine Energie über dem 1,5-fachen der Mittenfrequenz
des beabsichtigten Fundamentalimpulses (3,75 MHz in diesem Fall) übertragen
wird. Es ist bevorzugt, Tieffrequenzenergie im übertragenen Impuls so zu beschränken, dass
die harmonische Energie, welche dieser Frequenz zugeordnet ist,
nicht in das Spektrum des übertragenen
Impulses fällt.
Wenn der Frequenzabschnitt 3,75 MHz beträgt, sollte es sehr wenig übertragene
Energie unterhalb von 1,875 MHz geben.
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Durch
Gestalten des Impulses 70 und der Wellenform 80 kann
die Gauss'sche Wellenform durch
einen Tiefpassfilter hoher Ordnung durchgeführt werden, um die gesamte
harmonische Energie zu eliminieren. Dieses Filtern kann offline
im Computer 64 durchgeführt
werden.
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Optimale
Abbildung des nichtlinearen Kontrastmittels wird erreicht, wenn
der Sendestrahl das Mittel bei Leistungspegeln innerhalb des gewünschten
Bereichs beschallt. Leistungspegel unterhalb dieses Bereichs können nicht
genügend
hoch sein, um das nichtlineare Kontrastmittel zu veranlassen, bei der
Harmonischen Frequenz auszustrahlen. Leistungspegel über diesem
Bereich können
das Kontrastmittel vorzeitig zerstören. Da es FDA-Beschränkungen
auf Ultraschallintensität
gibt, ist ein scharf fokussierter Sendestrahl nicht optimal. Ein
solcher scharf fokussierter Strahl stellt eine hohe Intensität (nahe
den FDA-Beschränkungen)
beim Fokus bereit, aber eine Intensität, welche an vielen anderen
Punkten entlang der zugeordneten Empfangsscanlinie unerwünscht tief
ist.
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Der
Empfangsstrahlkonzentrator 22 empfängt vorzugsweise Abtastwerte
entlang einer gesamten Scanlinie für jedes Sendeereignis. Aus
diesem Grund ist es bevorzugt, dass der Bereich der Beschallung
innerhalb des gewünschten
Leistungspegelbereichs über
einen wesentlichen Abschnitt der Länge der Empfangsscanlinie erstreckt
ist. Es ist daher bevorzugt, dass die Intensität der übertragenen Ultraschallenergie
im Wesentlichen gleichförmig
und auf einem hohen Pegel über
das interessierende Gebiet ist (was typischerweise ein großer Bruchteil
der angezeigten Tiefe ist).
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Der
Laufzeitspeicher 42 speichert vorzugsweise Laufzeitwerte,
um eine kontrollierte Streuung der Strahlenintensität derart
bereitzustellen, dass die Bilderzeugung des Kontrastmittels optimiert
wird. Dadurch, dass die Intensität
von beim Empfangsstrahlkonzentrator 22 empfangener harmonischer
Energie gleichförmiger über das
interessierende Gebiet gemacht wird, können die Pegel von harmonischer Rückstrahlung
besser kontrolliert werden, was zu handhabbaren Spannungsschwankungen
beim Empfängereingang
führt.
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Die
im Laufzeitspeicher 42 gespeicherten Laufzeitwerte werden
selektiv ausgewählt,
um den Strahl entlang der laufenden Ultraschalllinie zu streuen.
Ein Weg, um dies zu erreichen, ist die Verwendung der wohlbekannten
Axicon-Fokussieranordnung,
wie beispielsweise beschrieben durch C. Burckhardt in "Ultrasound Axicon:
A Device for Focusing over a Large Depth" (J. Acoust. Soc. of Am., 54, 6, Seiten
1628–1630
(1973)). Die Axicon-Fokussieranordnung kann ein wie in 5 dargestelltes
Fokussierprofil verwenden. Typischerweise stellt dieses Fokussierprofil
eine Nahfokusgrenze bereit, welche einem kreisförmigen Bogen entspricht, der
auf der Nahfokusgrenze zentriert ist. Typischerweise erstreckt sich
das Laufzeitprofil von diesem kreisförmigen Bogen linear nach außen zu einigen äußeren Grenzen,
wie dies in 5 dargestellt ist.
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Es
ist das Ziel, die Ultraschallenergie über einen Bereich des Ziels
zu streuen, und viele unterschiedliche Laufzeitprofile können dieses
Ergebnis erfüllen.
Beispielsweise kann das Laufzeitprofil leicht gekrümmt sein
mit einer nichtlinearen Variation des Fokuspunkts, bezogen auf die
Wandlerelementposition. Es kann eine äußere Fokusgrenze geben, wobei in
diesem Falle das Laufzeitprofil an den Enden der Matrizen einen
kreisförmigen
Abschnitt enthalten kann.
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Bei
einigen Anwendungen wird es gewünscht
sein, die Laufzeitwerte im Laufzeitspeicher 42 derart auszuwählen, dass
wenigstens erste Frequenzkomponenten des Sendestrahls von wenigstens
einer ersten Mehrzahl von Wandlern in einem ersten, kürzeren Bereich
fokussiert werden, und dass wenigstens zweite Frequenzkomponenten
des Sendestrahls von wenigstens einer zweiten Mehrzahl von Wandlern
in einem zweiten, längeren
Bereich fokussiert werden. Ein Beispiel ist in 6 dargestellt, bei
dem im Wesentlichen die gesamte Ultraschallenergie von den Wandlern 16a an
den Endabschnitten der Wandlermatrix 16 bei einem einzelnen
längeren Bereich
X1 fokussiert werden und im Wesentlichen die gesamte Ultraschallenergie
von den Wandlern 16b bei mittleren Abschnitten der Matrix
an einem einzelnen, kürzeren
Bereich X2 fokussiert sind. Durch geeignetes Auswählen der
Laufzeitwerte kann ein Linienfokus oder ein Multipunktkomponentenfokus
erreicht werden. Wenn ein Linienfokus verwendet wird, kann die Linie
gerade oder gekrümmt
sein.
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Ein
anderer Ansatz beginnt mit Fokuslaufzeiten, welche für einen
gewählten
Brennpunkt in konventioneller Art und Weise erforderlich sind. Ein
Zufallslaufzeitfehler wird diesen Fokuslaufzeiten überlagert,
um den resultierenden Strahl zu verschmieren oder zu defokussieren.
Je größer der
Grad des Defokussierens ist, desto stärker ist der Strahl gestreut. Vorzugsweise
ist eine Anwendersteuerung/regelung vorgesehen, um es dem Anwender
zu erlauben, den Defokussierungsgrad zu variieren durch Erhöhen des
relativen Pegels der Defokussierungslaufzeiten. Es ist auch bevorzugt,
den übertragenen
Energiepegel zu erhöhen,
um den Verlust von Spitzenfeldintensität aufgrund des Defokussierens
teilweise zu kompensieren, und zwar entweder auf automatische (intern
programmierte) Art und Weise oder unter Steuerung/Regelung des Anwenders.
Die Defokussier-Hardware kann aus einer modifizierten Version einer
Aberationskorrektur-Hardware bestehen, bei der die Laufzeitkorrekturen
eher vorprogrammierte Zufallszahlen als Werte sind, die kontinuierlich
aktualisiert werden, beispielsweise vermittels Kreuzkorrelieren
der Wellenformen von benachbarten Elementen.
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Konventionelle
Bilderzeugung bei der Fundamentalfrequenz unter Verwendung eines
Axicon oder defokussierten Strahls ist dafür bekannt, Nebenkeulen zu erzeugen.
Von solchen Nebenkeulen wird allerdings nicht angenommen, dass sie
wesentliche Probleme bei dieser Anwendung erzeugen, im Speziellen,
wenn diese Nebenkeulen unterhalb der harmonischen Aktivierungsschwellwertintensität liegen
und sie daher nicht zur Erzeugung von harmonischer Energie beitragen.
Voll dynamisches Empfangsfokussieren wird vorzugsweise im Empfangsstrahlkonzentrator 22 durchgeführt, um
den Effekt von Nebenkeulen im Sendestrahl weiter zu reduzieren.
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Unabhängig von
der präzisen
Konfiguration des Impulses 70 und der Wellenform 80 stellt
die Wellenform 80 bevorzugterweise gleichmäßigere Feldintensität durch
eine sinnvoll erweiterte Feldtiefe bereit. Dies führt zu gleichmäßigerer
Erzeugung von harmonischer Energie durch das Kontrastmittel und möglicherweise
zu einem höheren
gesamten Signal-zu-Rauschen-Verhältnis,
da mehr vom Feld gleich beschallt wird bei einem ausreichend hohen Leistungspegel,
um das Kontrastmittel zu veranlassen, harmonische Energie auszustrahlen,
jedoch bei einem genügend
tiefen Energiepegel, um unnötig schnelle
Zerstörung
des Kontrastmittels zu verhindern.
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Der
Axicon-Fokus kann gewünschterweise durch
eine Linse erreicht werden. Es kann auch ein Axicon-Fokusschema
bei der Elevationsrichtung verwendet werden, wenn es gewünscht ist,
die Größe des beschallten
Bereichs in dieser Richtung zu vergrößern.
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Der
Sendestrahlkonzentrator 40 der 2 ist ziemlich ähnlich zum
Strahlkonzentrator, welcher in der 13 des
US-Patents 5,608,690 dargestellt ist, und die oben beschriebenen
Techniken bezüglich modifizierter
Gauss'scher Wellenformen,
um einen Linienfokus bereitzustellen, können in der Art und Weise durchgeführt werden,
wie es in der oben identifizierten Anmeldung beschrieben ist. Es
ist im Speziellen auf die ursprünglichen
Seiten 23 und 24 der oben identifizierten Anmeldung hinzuweisen,
welche sich ausdrücklich
auf optimierte Sendestrahlkonzentrator zur Verwendung mit nichtlinearen
Kontrastmitteln beziehen. Mit diesem Ansatz werden mehrere Sendewellenformen
bereitgestellt, und zwar jede für einen
jeweiligen Wandler der Wandlermatrix. Diese Mehrzahl von Sendewellenformen
enthält
eine Mittensendewellenform, welche einem mittleren der Wandler zugeordnet
ist. Wie in der oben identifizierten Patentanmeldung im Detail erklärt, umfasst
die Mittensendewellenform vorzugsweise eine Komponente tieferer
Frequenz und eine Komponente höherer
Frequenz, und eine Komponente tieferer Frequenz der Mittensendewellenform
tritt in der Zeit früher
auf als die Komponente höherer
Frequenz der Mittensendewellenform, wie dies in der 7 dargestellt
ist. 7 entspricht der 11 des
oben identifizierten US-Patents 5,608,690, und es kann für zusätzliche
Informationen bezüglich
dieser Figuren auf die Anmeldung verwiesen werden. Wenn das System des
US-Patents 5,608,690 zur Verwendung mit dieser Erfindung angepasst
ist, ist es bevorzugt, dass die Frequenzen entlang des Linienfokus
alle nahe bei der Fundamentalfrequenz sind, um das nichtlineare Kontrastmittel
effektiv zu beschallen.
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Ferner
kann der Sendestrahlkonzentrator, welcher in Cole et al., US-Patentanmeldung Nr. 08/286,652,
eingereicht am 5. August 1994, und in der US-Patentanmeldung Nr. 08/432,056, eingereicht
am 2. Mai 1995, beschrieben ist, für die Verwendung mit dieser
Erfindung angepasst werden. Wenn eine gewünschte Ausgabe, wie oben beschrieben,
in Form von sehr niedrigen harmonischen Signalen definiert ist,
kann dann das ideale Ausgabesignal im Frequenzbereich definiert
werden und dann in den Zeitbereich konvertiert werden. Dieses Zeitbereichsignal
kann dann durch den Träger
geteilt werden, um die gewünschte
Hüllkurve
zu erhalten, unter Verwendung komplexer Formen sowohl für das Zeitbereichsignal
und den Träger.
Diese Kombination von Hüllkurve
und Träger
kann dann in den Sendewellkonzentrator programmiert werden unter
Verwendung der Parameter des anliegenden Anhangs 1. Anhang 1 stellt
Parameter für
den B-Modus und den
Flussmodus bereit. Anhang 3 stellt einen überarbeiteten Satz von Sendestrahlkonzentratorparametern
bereit und Anhang 4 stellt einen bevorzugten Satz von Sendestrahlkonzentratorparametern
bereit, welche angepasst sind für
die Verwendung mit dem Acuson 3V2C-Wandlerprüfkopf.
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Die
Hüllkurve
wird bei einer relativ tiefen Frequenz abgetastet, und als Ergebnis
von Unzulänglichkeiten
bei realen Implementierungen können
im Endergebnis Überreste
von Harmonischen bezüglich der
Abtastfrequenz des Trägers
und des Basisbandsignals erscheinen.
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In
diesem Beispiel wird harmonische Energie bei der zweiten Harmonischen
vom Kontrastmittel dargestellt unter Verwendung des Empfangsstrahlkonzentrators,
welcher in Wright et al., US-Patentanmeldung Nr. 08/286,658, eingereicht
am 5. August 1994, und in der US-Patentanmeldung Nr. 08/432,615,
eingereicht am 2. Mai 1995, (erteilt als
US 5685308 ) beschrieben ist. Dieser
Empfangsstrahlkonzentrator kann unter Verwendung der Parameter des
anliegenden Anhangs 2 programmiert werden.
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Der
Sendestrahlkonzentrator der US-Patentanmeldungen Nr. 08/286,652
und 085/432,056 kann beispielsweise mit einer nominalen Mittenfrequenz FO
gleich 5,0 MHz, einer Sendeträgerfrequenz
Fc gleich 2,5 MHz und einer Gauss'schen Hüllkurve
mit einer 50%-Bandbreite bei –6,8
dB mit 8/4 Hüllkurvenabtastung
betrieben werden.
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8 zeigt
einen anderen Sendestrahlkonzentrator 100, der im Ultraschallbilderzeugungssystem 10 verwendet
werden kann. Der Strahlkonzentrator 100 enthält einen
Impulsgenerator 102, der ein Bündel von Impulsen zu einem
Tiefpassfilter 104 liefert. In diesem Falle schaltet der
Impulsgenerator 102 zwischen einem wählbaren Hochspannungsgleichstrompegel
und der Masse. Die Dauer der Impulse und die Anzahl von Impulsen
im Bündel
sind steuerbar/regelbar, wie dies beispielsweise im US-Patent Nr.
4,550,067 (Maslak, et al.) beschrieben ist.
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Der
Tiefpassfilter 104 ist, wie oben beschrieben, ausgelegt,
um im Wesentlichen Energie bei der Harmonischen zu eliminieren.
Der Tiefpassfilter 104 kann ein analoger Filter, wie beispielsweise
ein geeigneter Bessel- oder Chebyshev-Filter sein.
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9 zeigt
einen anderen Sendestrahlkonzentrator 120, der im System 10 der 1 verwendet werden
kann. Der Sendestrahlkonzentrator 102 enthält einen
Impulsgenerator 122, der Impulse an einen Tiefpassfilter 124 liefert.
Die Ausgabe des Tiefpassfilters wird einem Hochspannungsverstärker 126 zugeführt. Weil
der Tiefpassfilter 124 vor dem Verstärker 126 angewendet
wird, kann der Tiefpassfilter 124 mit kleineren Komponenten
ausgeführt
werden und kann daher von höherer
Ordnung sein und effektiver beim Unterdrücken harmonischer Energie sein.
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Es
ist anzumerken, dass konventionelle Wandlermatrizen eine endliche
Bandbreite aufweisen, wie beispielsweise 75% bei den –6 dB-Pegeln. Unter
der Annahme des Beispiels, bei dem die Fundamentalfrequenz 2,5 MHz
beträgt
und die harmonische Frequenz 5 MHz beträgt, wird der Wandler typischerweise
zwischen der Sende- und der Empfangsfrequenz zentriert sein (beispielsweise
bei 3,75 MHz), mit einer relativ hohen Bandbreite. Es ist anzumerken,
wenn der Wandler bei 2,5 MHz mit einer symmetrischen Bandform betrieben
wird, dass der Wandler das übertragene
Spektrum zu höheren
Frequenzen abschrägt.
Bei der Gestaltung des gesendeten Impulses sollte das Spektrum vorzugsweise modifiziert
werden, um den Abschrägungseffekt
der endlichen Bandbreiteneffekte des Wandlers und die Tatsache,
dass der Wandler beim Senden von seiner Mittenfrequenz weg arbeitet,
zu berücksichtigen.
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Die
oben beschriebenen Techniken können selbstverständlich in
Systemen 10 verwendet werden, welche auf normale Art und
Weise Apodisierung bereitstellen. Falls gewünscht, können Apodisierungsprofile modifiziert
werden, wenn die Erfahrung zeigt, dass die Beiträge von den Endwandlerelementen
(welche bei tiefen Bereichen fokussiert werden) zu gedämpft bzw.
abgeschwächt
sind. In diesem Fall kann es bevorzugt sein, die Gewichtung bei
den Endelementen zu erhöhen,
um diesen Effekt in einem gewissen Ausmaß zu kompensieren. Durch Betreiben
der Endwandlerelemente bei höheren
Leistungspegeln als mittlere Wandlerelemente werden nähere gleichförmige Leistungspegel
bei unterschiedlichen Bereichen im darzustellenden Gewebe ereicht.
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Eine
weitere Modifikation liegt bei der Verwendung von weniger Sendelinien
als Empfangslinien. Da Kontrastmittel dazu neigt, während des
Beschallungsprozesses verbraucht zu werden, ist es bevorzugt, die
Zahl von Sendelinien zu reduzieren, indem die Abgabefrequenz und/oder
die räumliche Dichte
von Linien reduziert wird. Reduzierte Abgabe und Dichte können erreicht
werden durch Abgabe eines Viertels der Zahl von Sendelinien und
durch Bilden von vier synthetischen Empfangslinien, welche in geringem
Abstand um jede Sendelinie angeordnet sind, welche falls notwendig
geringfügig
defokussiert sein kann. Wright et al. US-Patentanmeldung Nr. 08/418,640,
eingereicht am 7. April 1995, (erteilt als
US 5667373 ) offenbart synthetische
Liniensysteme, welche für
diesen Zweck angepasst werden können. Ferner
können
Frames mit geringer Ultraschallintensität mit Hochintensitätsframes
verschachtelt werden.
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Mehrere
Sendebereichsabgaben (kombinierter Fokus) können auch bessere Resultate
erreichen, indem der Strahl zwischen zwei ausgewählten fokalen Bereichen ausgewählt wird.
Diese Techniken können
beim Sendestrahlkonzentrator implementiert werden, welcher in der
US-Patentanmeldung
Nr. 08/286,652, wie oben beschrieben, beschrieben worden ist.
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Es
wurde entdeckt, dass bipolare Wellenformen, welche von geschalteten
Gleichstrompegeln abgeleitet sind, gefiltert werden können, um
eine effektive Unterdrückung
von Ultraschallenergie der Harmonischen bereitzustellen. Dies kann
einen wesentlichen Vorteil darstellen, weil bipolare, geschaltete
Gleichstromimpulssequenzen in einem relativ kostengünstigen
Strahlkonzentrator erzeugt werden können.
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10 zeigt
ein Blockdiagramm eines Kanals eines Sendestrahlkonzentrators 200,
welcher solche bipolaren, geschalteten Gleichstromsendewellenformen
verwendet. Wie in 10 dargestellt, enthält jeder
Kanal des Sendestrahlkonzentrators 200 einen Binärwellenformgenerator 202,
der auf Eingaben von einem Eingabetaktgeber antwortet, eine Auswahllinie,
welche die in jeden Energieimpuls einzuschließende Anzahl von Wellenformzyklen
definiert, und eine Starteingabe von einem fokalen Laufzeitspeicher 204,
der selbst auf eine akustische Linienauswahleingabe antwortet. Wenn
die geeignete akustische Linie gewählt worden ist, stellt der
fokale Laufzeitspeicher dem Binärwellenformgenerator 202 zur
geeigneten Zeit ein Startsignal bereit, und der Binärwellenformgenerator 202 erzeugt
zwei Ausgabewellenformen, welche in diesem Beispiel 180° phasenverschoben
sind.
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Diese
zwei Wellenformen werden an jeweiligen Impulsverstärkern 206, 208 angelegt.
Jeder der Impulsverstärker 206, 208 antwortet
auf eine Hochspannungseingabe, welche auf eine von mehreren Pegeln,
wie beispielsweise 10, 20 und 50 Volt in diesem Beispiel, geschaltet
werden kann. Die Impulsverstärker 206, 208 arbeiten
mit positiven bzw. negativen Hochspannungsschienen. Typischerweise
enthält
jeder Impulsverstärker 206 eine
Transistorschaltung, welche verwendet wird, um die Hochspannung durch
den Impulsverstärker 206, 208 zum
Ausgang des Verstärkers 206, 208 zu
schalten. Jeder Impulsverstärker
gibt eine verstärkte
binäre
Wellenform aus, und die Wellenformen werden bei einem Summenknoten
summiert, bevor sie als eine Eingabe an einem analogen Tiefpassfilter 210 angelegt
werden. Das als eine Eingabe an dem analogen Tiefpassfilter angelegte
Signal ist eine bipolare, geschaltete Gleichstromsendewellenform.
Die Ausgabe des analogen Tiefpassfilters 210 ist eine gefilterte,
bipolare Sendewellenform, welche an einem Ultraschallwandlerelement 214 über eine
Schutzschaltung 212 angelegt wird. Die Schutzschaltung 212 ist
enthalten, um die Empfangselektronik von Hochspannungssendeimpulsen
zu schützen.
Diese Schaltung basiert typischerweise auf einer Diodenklemmschaltung. Vom
Ziel zurückkommende
Ultraschallechos werden durch das Wandlerelement 214 in
elektrische Signale umgewandelt, welche über die Schutzschaltung 272 zu
einem Empfänger
(nicht gezeigt) durchgereicht werden, welcher typischerweise einen
Empfangsstrahlkonzentrator enthält.
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Der
analoge Tiefpassfilter 210 kann von irgendeinem Standardtyp
sein. Der Filter 210 kann verschiedene Widerstände, Induktoren
und Kondensatoren umfassen und kann beispielsweise Bessel-, Butterworth-
oder Chebyshev-Filter enthalten. Vorzugsweise erreicht der Filter 210 ungefähr 20 dB
Unterdrückung
bei der zweiten Harmonischen (Zweifaches der Fundamentalfrequenz).
Idealerweise kann der Filter 210 einen weit höheren Unterdrückungsgrad
erreichen. Dies kann erreicht werden durch Verwenden eines Filters
hoher Ordnung oder eines Filters hoher Unterdrückung, wie eines Chebyshev-Filters.
Wenn gewünscht,
kann ein Multipolfilter oder ein Bandpassfilter verwendet werden.
Bei einigen Anwendungen sind die Komponenten des analogen Tiefpassfilters 210 schaltbar
aufgeführt,
so dass die Abschaltungsfrequenz des Filters 210 variiert
werden kann gemäß den Frequenzmerkmalen
des zu verwendenden Wandlerelements 214. Dieses Schalten kann
ausgeführt
werden durch Verwenden von Relais oder analogen Halbleiterschaltern,
wie beispielsweise die durch Supertex als HV2-Typ vertriebenen Schalter.
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Obwohl
der Filter 210 oben unter Bezugnahme auf passive Komponenten
beschrieben worden ist, ist es klar, dass der Filter 210 unter
Verwendung aktiver Filterschaltungen implementiert werden kann, einschließlich beispielsweise
Operationsverstärkern. Solche
aktive Filterschaltungen sind im Stand der Technik wohlbekannt und
werden beispielsweise bei Horowitz und Hill, The Art of Electronics,
Kapitel 4 (Cambridge University Press, 1984), beschrieben.
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Unipolare
Impulssequenzen können
ebenfalls gebildet werden, indem Schaltungen verwendet werden, die ähnlich zu
den im Maslak-US-Patent 4,140,022 beschriebenen sind, die Impulse
mit steuerbarer Amplitude, Periode und Impulszählung bereitstellen. Siehe
hierzu auch die Beschreibung von Impulssequenzsendern in IEEE 1980,
Ultrasonic Symposium, Seiten 757–762 (Karrer, et al., "A Phased Array Acoustic
Imaging System for Medical Use").
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Es
ist nicht in allen Fällen
notwendig, dass der Tiefpassfilter bei der Hochspannungssendewellenform
betrieben wird. Ein alternativer Strahlkonzentrator 220 (11)
summiert die zwei zerhackten Gleichstromausgangssignale eines Binärwellenformgenerators 222 bei
einem Summierr 223 und legt dieses summierte Signal als
eine Eingabe an einem Tiefpassfilter 224 an. Die Ausgabe
des Tiefpassfilters 224 ist an einem einstellbaren Verstärker 226 angelegt,
welcher das gefilterte Signal auf einen Spannungspegel verstärkt, der
geeignet ist für
die Anwendung am Wandlerelement 230 über die Schutzschaltung 228.
Dieser Ansatz erlaubt es der Wellenform, bei einer relativ geringen
Spannung erzeugt und gefiltert zu werden. Dies erlaubt es, dass
für eine
niedrigere Spannung bestimmte Komponenten im Filter 224 verwendet
werden, was eine bedeutende Kostenreduktion bereitstellen kann.
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Als
weitere Alternative kann der Tiefpassfilter 210, 224 zwei
Komponenten enthalten, eine für
jeden der unipolaren Komponenten der Sendewellenform vor dem Punkt
im Signalpfad, an dem sie summiert werden. Siehe 11a, wo die zwei Komponenten des Tiefpassfilters
bei 232, 234 dargestellt sind.
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12 stellt
Wellenformen bereit, welche die Funktionsweise der Sendestrahlkonzentratoren 200, 220 darstellen.
Wie in 12 gezeigt, repräsentieren die
Wellenformen 240, 242 die Ausgabewellenformen
vom binären
Wellenformgenerator 202, 222. Es ist anzumerken,
dass die positiven Auslenkungen der Wellenform 240 um 180° phasenverschoben
sind, bezogen auf die negativen Auslenkungen der Wellenform 242.
Die Wellenformen 240, 242 werden am besten als
unipolare Komponenten der bipolaren Sendewellenform berücksichtigt.
Die Summation der Wellenformen 240, 242 wird bei
der Wellenform 244 gezeigt. Diese summierte Wellenform
ist insoweit bipolar, dass sie sowohl positive als auch negative Komponenten
enthält,
und sie ist, wie oben beschrieben, als eine Summe von geschalteten
Gleichstromsignalen erzeugt. Die Wellenform 244 repräsentiert die
bipolare Sendewellenform, welche als eine Eingabe an den analogen
Tiefpassfiltern 210, 224 angelegt wird.
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Die 13 und 14 stellen
ferner Informationen betreffend die ungefilterte bipolare Sendewellenform 244 bereit.
Wie in 13 dargestellt, zeigt diese
Wellenform Auslenkungen von +1 bis –1 in einem arbiträren Amplitudenmaßstab und
sie enthält
vier Zyklen bei einer Frequenz von 2,5 MHz. 14 zeigt
das Frequenzspektrum 246 der bipolaren Sendewellenform 244 der 13.
Es ist anzumerken, dass die maximale Ultraschallleistung bei der
Fundamentalfrequenz (2,5 MHz) vorhanden ist, und dass es eine wesentliche
Leistungsreduktion (größer als –30 dB)
bei Harmonischen der Fundamentalfrequenz gibt, wie beispielsweise
5 und 7,5 MHz.
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15 und 16 sind
entsprechende Graphen für
die gefilterte, bipolare Sendewellenform, welche als eine Ausgabe
des analogen Tiefpassfilters 210, 224 der 10 und 11 und
des Summierers 223 der 11a geliefert
werden. Diese gefilterte, bipolare Sendewellenform ist durch das
Bezugszeichen 248 identifiziert und enthält vier
Zyklen mit einer Fundamentalfrequenz von 2,5 MHz. Wie in der 16 dargestellt,
weist das Frequenzspektrum 250 der Wellerform 248 eine
wesentlich reduzierte Leistung (größer als 30 dB) bei allen Frequenzen
auf, welche größer als
ungefähr
3,6 MHz sind.
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17 stellt
eine Filtertransferfunktion für ein
Fünfpol-Butterworth-Filter
(Fc = 3,75 MHz) bereit, welcher für die Tiefpassfilter 210, 224 verwendet
werden kann. Diese Transferfunktion 252 reduziert Ultraschallleistung
bei der Harmonischen 5 MHz mit Bezug auf die Fundamentale 2,5 MHz
um mehr als 10 dB und um etwa 13 dB in diesem Beispiel.
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Selbstverständlich ist
es für
den Fachmann klar, dass die oben beschriebenen Wandlerelemente in
den Strahlkonzentratoren 200, 220, 220' der 10–11a angelegte Spannung typischerweise auch eine
Funktion der Anzahl von Wandlerelementen sein wird. Typischerweise
wird Apodiseirung verwendet, so dass Endwandlerelemente bei einer tieferen
Spannung betrieben werden als die mittleren Wandlerelemente. Dies
kann erreicht werden durch Schalten der Hochspannungseingabe an
den Impulsverstärkern 206, 208 oder
durch Anpassen der Verstärkungsauswahleingabe
für den
Verstärker 226 auf unterschiedliche
Spannungspegel entsprechend der Elementposition des Wandlerelements
in der Matrix. Der einstellbare Verstärker 226 für die Verstärkung kann
beispielsweise ein spannungsgesteuerter Verstärker sein, und die Spannungssteuerung/regelung kann
durch Apodisierungsanforderungen bestimmt werden.
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Die 18–23 beziehen
sich auf geschaltete Filterschaltungen, welche bei einem Verfahren
oder einem System für
Ultraschallbildgebung verwendet werden können, bei dem Ultraschallenergie
bei einer Fundamentalfrequenz zu einem Ziel gesendet wird und reflektierte
Ultraschallenergie bei einer Harmonischen der Fundamentalfrequenz
für die Bilderzeugung
empfangen wird.
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Wie
in 18 dargestellt, definiert die Filterschaltung 300 zwei
Signalpfade. Der erste Signalpfad verläuft von der Eingabe 302 über den
Leiter 306 zur Ausgabe 304. Der zweite Signalpfad
verläuft von
der Eingabe 302 über
den Leiter 308 zur Eingabe 304. In dieser Ausführungsform
enthält
der zweite Signalpfad einen Filter 312 und eine Isolationsschaltung 314.
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Es
ist beabsichtigt, dass die Eingabe 302 mit der Ausgabe
eines Ultraschallsenders verbunden ist, der betrieben werden kann,
um unipolare, bipolare oder geformte Wellenformen zu erzeugen, welche wesentliche
Energie bei der Fundamentalfrequenz aufweisen. Es ist beabsichtigt,
die Ausgabe 304 der Filterschaltung 300 entweder
direkt oder indirekt mit einem Ultraschallwandler zu verbinden.
Beispielsweise kann die Ausgabe 304 (entweder direkt oder indirekt)
mit einem Wandlerverbindungsteil oder mit einem Wandlerkabel verbunden
werden. In ähnlicher Weise
kann die Ausgabe 304 mit der Eingabe eines Ultraschallempfängers verbunden
werden, wie dies in 18 gezeigt ist, oder mit einem
Sende-/Empfangsschalter (nicht gezeigt).
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Ein
Schalter 310 wird gesteuert/geregelt, um entweder den Leiter 306 oder
den Leiter 308 auszuwählen.
In einem ersten Betriebsmodus ist der Schalter 310, wie
in 18 gezeigt, positioniert, und der Sender ist mit
dem Wandler über
den ersten Signalpfad einschließlich
des Leiters 306 verbunden. In diesem Betriebsmodus wird
der Filter 312 umgangen. In einem zweiten Betriebsmodus
kann der Schalter 310 durch die Steuerung/Regelung in Verbindung
mit dem Leiter 308 platziert werden und Signale vom Sender
zum Wandler senden, welche dann durch den Filter 312 und
die Isolationsschaltung 314 hin durchgehen.
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Der
Filter 312 kann irgendein geeigneter Filter sein, der dafür ausgelegt
ist, Energie bei der interessierenden Harmonischen zu unterdrücken. Beispielsweise
kann der Filter 312 ein Bandrückweisungsfilter sein, der
um die zweite Harmonische (oder eine andere gewünschte Harmonische wie die dritte
Harmonische) der Fundamentalfrequenz zentriert ist. Alternativ kann
der Filter 312 ein Bandpassfilter, der auf der Fundamentalfrequenz
zentriert ist, oder ein Tiefpassfilter sein.
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Die
Isolationsschaltung 314 ist nicht in allen Ausführungsformen
notwendig. Sie stellt allerdings den Vorteil bereit, dass elektrisches
Laden der Wandlerelemente oder der Empfangseingangsstufe verhindert
ist. Solches Laden ist akzeptierbar, aber in vielen Fällen kann
eine bessere Leistungsfähigkeit erreicht
werden, indem die Isolationsschaltung 314 verwendet wird.
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Die
Filterschaltung 320 der 19 ist ähnlich zu
der der 18, außer dass zwei Schalter 330, 331 vorgesehen
sind, welche durch die Steuerung/Regelung parallel betätigt werden.
Wenn die Schalter 330, 331, wie in 19 gezeigt,
positioniert sind, wird die Eingabe 322 über den
Leiter 326 mit der Ausgabe 324 verbunden, und
sowohl der Filter 332 als auch die Isolationsschaltung 334 sind
vollständig
vom Signalpfad isoliert. Wenn die Schalter 330, 331 in
der entgegengesetzten Position sind, in der der ausgewählte Signalpfad
den Leiter 328 enthält,
gehen Signale, welche von dem Sender zum Wandler durchgehen, durch
den Filter 332 auf der Isolationsschaltung 334.
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In 19 ist
die Empfangseingabe nahe der Eingabe 332 verbunden, und
die Schalter 330, 331 können automatisch gesteuert/geregelt
werden, so dass sie im Zustand der 19 platziert
werden, während
Empfangsfunktionen, und so, dass sie automatisch in den entgegengesetzten
Zustand geschaltet werden für
Sendefunktionen.
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Die
Filterschaltung 340 der 20 ist ähnlich zur
Schaltung 300 der 18 mit
zwei Ausnahmen. In diesem Fall wurde der Schalter 350 in
der Nähe
der Eingabe 342 platziert, und die Isolationsschaltung 354 wurde
in die Nähe
der Ausgabe 344 versetzt. Daher gehen Signale durch die
Isolationsschaltung 354 hindurch, unabhängig davon, ob der Schalter 350 Sendeimpulse über den
Leiter 346 oder den Filter 352 und den Leiter 348 sendet.
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Wie
in 21 dargestellt, kann eine Filterschaltung 360 bereitgestellt
sein, welche zwei Signalpfade bereitstellt einschließlich Leitern 366 bzw. 368 zwischen
einer Eingabe 362 und einer Ausgabe 364 für jeden
der 128 Kanäle.
Die nachfolgenden Ausführungen
beziehen sich nur auf den Kanal 1, aber andere Kanäle sind ähnlich konfiguriert.
In diesem Fall enthält
die Filterschaltung 360 einen 128-kanaligen 1 : 2-Multiplexer 370,
der die an der Eingabe 362 angelegten Sendesignale zum
Ausgabeendgerät
1 schaltet (verbunden mit dem Leiter 366) oder zum Ausgabeendgerät 129 (verbunden
mit dem Filter 372, der Isolationsschaltung 374 und
dem Leiter 368). In einem ersten Betriebsmodus des Multiplexers 370 werden
also Senderausgabesignale auf jeden der 128 Kanäle über die jeweiligen Eingaben 362 und
die jeweiligen Leiter 366 zu den jeweiligen Ausgaben 364 geleitet,
wobei die Filter 372 und die Isolationsschaltungen 374 umgangen
werden. In einem zweiten, durch die Steuerung/Regelung ausgewählten Betriebsmodus
werden die Sendesignale von den Eingaben 362 über die
jeweiligen Filter 372, Isolationsschaltungen 374 und
Leiter 368 zu den jeweiligen Ausgaben 364 geleitet,
wobei die Filter 372 und die Isolationsschaltungen 374 in
den Signalpfaden platziert sind.
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In
jedem der Beispiele der 18–21 können die
Isolationsschaltungen herausgenommen werden, sie können in
einem gemeinsamen Abschnitt des ersten und zweiten Signalpfads platziert werden,
wie in 20 gezeigt, oder sie können, wie in
den 18, 19 und 21 gezeigt,
nur in einem der Signalpfade platziert werden. Wie ebenfalls in
den 18–21 gezeigt,
kann der Empfänger, wenn
gewünscht,
mit den kombinierten Signalpfaden entweder stromaufwärts oder
stromabwärts
des Filters verbunden sein. Falls der Empfänger stromaufwärts des
Filters verbunden ist, wie dies in 19 dargestellt
ist, sollten der Schalter oder die Schalter gesteuert/geregelt sein,
um zu verhindern, dass der Filter im Empfangsmodus arbeitet, wenigstens
in den Fällen,
in denen der Empfänger
auf harmonische Ultraschallenergie antwortet. In Fällen, wie
der 18, in denen der Empfänger mit dem Signalpfad stromabwärts des
Filters verbunden ist, kann der Schalter 310 gesteuert/geregelt
werden, um den Filter 312 selektiv zu umgehen, zum Beispiel
dann, wenn der Sender in einem alternativen Betriebsmodus verwendet
wird, in dem sowohl der Sender als auch der Empfänger bei der gleichen Fundamentalfrequenz zentriert
sind. Wie in der 21 gezeigt, können die Schalter
für die
Filter Teil eines bereits existierenden Wandlermultiplexers sein.
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22 ist
ein schematisches Diagramm einer Filterschaltung 380, welche ähnlich zur
Filterschaltung 320 der 19 ist,
mit zwei Ausnahmen. Als erstes enthält die Filterschaltung 380 keine
Isolationsschaltung. Wie oben erklärt, sind solche Isolationsschaltungen
optional. Als zweites enthält
die Filterschaltung 380 insgesamt drei Signalpfade 386, 388, 389 zwischen
der Eingabe 382 und der Ausgabe 384. Die Schalter 390, 391 leiten
Signale vom Sender zur Ausgabe über
irgendeinen dieser drei Signalpfade. Der Signalpfad 386 enthält keinen
Filter, während die
Signalpfade 388, 389 getrennte jeweilige Filter 392, 393 enthalten.
Die Filter 392, 393 können beispielsweise Bandpassfilter
sein, welche geeignet sind für
zwei unterschiedliche Fundamentalfrequenzen. Bei einigen Anwendungen
kann der ungefilterte Signalpfad 386 ausgelassen werden.
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Die
Filterschaltung 400 der 23 enthält eine
Filterschaltung 406, welche zwischen einer Eingabe 402 und
einer Ausgabe 404 angeordnet ist. In diesem Fall enthält die Filterschaltung 406 Komponentenfilter 408, 410,
und ein Schalter 412 wird verwendet, um den Signalpfad,
der den gewünschten der
Komponetenfilter 408, 410 enthält, mit der Filterschaltung 406 zu
verbinden. Auf diese Weise können die
Filtereigenschaften der Filterschaltung 406 angepasst werden,
so dass sie für
die spezielle Anwendung geeignet sind, indem der Schalter 412 gesteuert/geregelt
wird, um den geeigneten der Filter 408, 406 auszuwählen. Der
Begriff "Filter", wie er hierin verwendet
wird, soll in breiter Art und Weise beide Filterschaltungen umfassen,
wie Tiefpass-, Bandpass- oder Bandblockierfilterschaltungen sowie
Filterkomponenten, wie beispielsweise Kondensatoren, Induktoren
und andere elektrische Komponenten, welche sich auf die Filtereigenschaften
einer Filterschaltung auswirken.
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Geschaltete
Filter, welche ähnlich
sind zu irgendeinem der in den 18–23 dargestellten, können in
den Systemen verwendet werden, welche in den 2, 8, 9, 10, 11 und 11a dargestellt sind. Beispielsweise können geschaltete
Filter (unter Verwendung irgendeines der oben beschriebenen Ansätze) an
die Stelle für
den nicht geschalteten Filter 58 der 2,
den Filter 104 der 8, den Filter 124 der 9,
den Filter 210 der 10, den
Filter 224 der 11 oder
der Filter 232, 234 der 11a gesetzt
werden.
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In
den oben beschriebenen Systemen können bipolare rechteckige oder
unipolare Sendewellenformen auch geformt werden. Die Amplitude jeder Sendewellenform
wird derart geformt, dass sie allmählich auf einen Maximalwert
zunimmt und allmählich
von dem Maximalwert wieder abnimmt. Jede Sendewellenform wird geformt
durch Modulieren einer Trägerwellenform
mit einer Hüllkurvenwellenform.
Alternativ und bezogen auf das Senden einer unipolaren Wellenform
wird eine geformte, versetzte Tiefpasswellenform mit einer allmählich ansteigenden
und absteigenden Amplitude mit einer bipolaren Wellenform in Echtzeit
oder offline summiert. Das Formen der Amplitude von bipolaren rechteckigen oder
unipolaren Sendewellenformen zum Reduzieren von Energien, welche
den harmonischen Frequenzen zugeordnet sind, ist in der US-Anmeldung Nr.
(nicht zugewiesenes Anwaltsdokument Nr. 5050/220) für „Ultrasonic
Imaging Method And System For Transmit Signal Generation For An
Ultrasonic Imaging System Capable Of Harmonic Imaging" diskutiert, welche
gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht worden ist.
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Die
oben diskutierten Sendewellenformen können in einer weiteren alternativen
Anordnung pulsbreitenmoduliert sein. Wie in der US-Anmeldung Nr.
(nicht zugewiesenes Anwaltsdokument Nr. 5050/218) für „Ultrasonic
Imaging Method and Apparatus For Generating Pulse Width Modulated Waveforms
With Reduced Harmonic Response", gleichzeitig
mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht, offenbart, wird die
Dauer jedes Impulses innerhalb eines Bündels ausgewählt, um
die bei harmonischen Frequenzen gesendete Energie zu reduzieren. Im
Speziellen ist die Dauer einer oder mehrerer Impulse unterschiedlich
von anderen Impulsen innerhalb des Bündels. Bevorzugt nehmen die
Breiten der Impulse innerhalb des Bündels allmählich zu und wieder ab, aber
auch andere Dauermuster können verwendet
werden.
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Die
oben diskutierten Sendewellenformen können alternativ als eine Funktion
einer Summierung der Wellenformen im akustischen Bereich geformt
werden. Wie in der US-Anmeldung Nr. (nicht zugewiesenes Anwaltsdokument
Nr. 5050/219) für „Ultrasonic
Imaging Method And System for Harmonic Imaging Impulse Shaping In
The Acoustic Domain",
welche gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht worden
ist, offenbart, wird die einem ersten Wandlerelement oder -elementen
zugeordnete Sendewellenform, bezogen auf eine zweite Wellenform,
geformt, welche einem zweiten Wandlerelement oder -elementen zugeordnet
ist. Beispielsweise wird die erste Wellenform (1) durch einen Bruchteil
eines Zyklus oder durch einen oder mehrere Zyklen verzögert, (2)
in der Amplitude angepasst, (3) für eine unterschiedliche Anzahl
von Zyklen gesendet oder (4) irgendeine Kombination von zwei oder
allen dreien von (1), (2) und (3) bezogen auf die zweite Wellenform.
Die erste und die zweite Wellenform werden auf einen Punkt fokussiert
und gesendet. Die gesendeten Wellenformen summieren im akustischen
Bereich an dem Punkt, um die gewünschte
Wellenform zur Reduktion von Energien zu bilden, welche in den harmonischen
Frequenzen übertragen
werden. Vorzugsweise entspricht die gewünschte Wellenform einer Amplitude,
welche allmählich
auf einen Maximalwert ansteigt und allmählich vom Maximalwert abnimmt.
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Als
Beispiel des Erzeugens gesendeter Wellenformen in Funktion eines
resultierenden summierten Signals im akustischen Bereich sind die
erste und zweite Wellenform rechteckige Wellen. Die erste Wellenform
ist zusätzlich
zu einer Fokuslaufzeit um vielleicht 1/4 eines Zyklus verzögert, bezogen
auf die zweite Wellenform. Am Punkt im Körper werden die erste und die
zweite Wellenform zusammen summmiert, um eine dritte Wellenform
zu bilden. Die dritte Wellenform weist drei Amplitudenpegel (0,
1, 2) auf. Die größte Amplitude
ist einer Überlappung
der ersten und zweiten Sendewellenformen zugeordnet und liegt vorzugsweise
in der Mitte der dritten Wellenform. Die Anzahl von Zyklen und die
Amplitudenform der ersten und zweiten Wellenformen können auch gesteuert/geregelt
werden, um die gewünschte
dritte Wellenform im akustischen Bereich zu erzeugen.
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Jede
der verschiedenen oben diskutierten Alternativen, wie beispielsweise
Impulsbreitenmodulation, Filtern, Generierung von Wellenform mit
Mehrfachamplituden und Summierung von Wellenformen im akustischen
Bereich, können
in Kombination verwendet werden. Die Kombination kann mehr als zwei der
oben diskutierten Alternativen enthalten.
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Alle
oben beschriebenen Techniken der harmonischen Bilderzeugung können sowohl
im Gewebe- als auch im Kontrastmittelmodus für harmonische Bilderzeugung
verwendet werden. In dem Gewebemodus zur harmonischen Bilderzeugung
wird kein nichtlineares Kontrastmittel am Ziel hinzugegeben und
es wird sich nur auf die ursprünglichen,
nichtlinearen Merkmale des Gewebes abgestützt, um ein Ultraschallbild
zu erzeugen. Medizinische Ultraschallbildgebung wird typischerweise
in einer diskreten Bilderzeugungssitzung für ein gegebenes Objekt zu einem
gegebenen Zeitpunkt durchgeführt.
Beispielsweise kann eine Bilderzeugungssession auf eine Ultraschallpatientenuntersuchung
beschränkt
sein für ein
gegebenes, interessierendes Gewebe über eine Zeitdauer von 1/4
bis 1 Stunde, wobei andere Dauern möglich sind. In diesem Falle
wird kein zusätzliches, nichtlineares
Kontrastmittel in das Gewebe eingeführt zu irgendeiner Zeit während der
Bilderzeugungssession. Im Kontrastmittelmodus für harmonische Bilderzeugung
kann irgendeines einer Anzahl wohlbekannter, nichtlinearer Kontrastmittel,
wie oben beschrieben, dem Ziel zugegeben werden, um die nichtlineare
harmonische Antwort des Gewebes zu verbessern. Aus diesem Grund
ist es verständlich, dass
die Einführung
eines zugeführten
nichtlinearen Kontrastmittels in das darzustellende Gewebe nicht in
irgendeinem der folgenden Ansprüche
enthalten ist, außer
dass solches hinzugefügtes,
nichtlineares Kontrastmittel explizit aufgeführt ist.
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Aus
dem Voranstehenden sollte es klar sein, dass verbesserte Systeme
und Verfahren für
Bilderzeugungskontrastmittel offenbart worden sind. Diese Systeme
können
die im US-Patent 5,608,690 beschriebenen Sendestrahlkonzentratoren
verwenden, welche unterschiedliche Frequenzkomponenten in unterschiedlichen
Bereichen fokussieren. Wie oben beschrieben, können diese Techniken auch mit
anderen Strahlkonzentratoren verwendet werden, welche andere Sendewellenformen
verwenden. Selbstverständlich
können
die unterschiedlichen Aspekte dieser Erfindung, welche die harmonische
Unterdrückung
und den Linienfokus (oder ein anderes Verteilen des Bereichs maximaler
Intensität)
betreffen, eher getrennt voneinander verwendet werden, als in oben
beschriebener Kombination.