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Erfindungsgattung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sendefokuseinstellung bei einem
Ultraschall-Abbildungssystem und genauer ein Verfahren zur Sendefokuseinstellung
für alle
Bildgabepunkte durch Synthetisieren von gepulsten ebenen Welle gleichem
Bildgabepunkt unter Verwendung von Sende- und Empfangsdaten für die ebenen
Wellen jedes Pulsmusters mit verschiedenen Laufrichtungen und linearer
Zeitverzögerung.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Eine
Sendefokussierung in einem Ultraschall-Bilderzeugungssystem wird
durch lineares Überlappen von
ebenen Wellen mit verschiedenen Laufrichtungen in der Bildtiefe
erzeugt. Ein Sendeschaltfeld, das eine Sendefokussierung einstellt,
wird durch räumliche
Ausbreitung der ebenen Welle bewirkt, welche durch eine Bildtiefe
wandern. Die Sendefokuseinstellung wird unter Bezug auf die Zeichnungen
erläutert.
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1 zeigt
eine kontinuierliche ebene Welle, deren Richtungswinkel Θ ist. In
der 1 ist ein linearer Wandler auf der x-Achse um
den Ursprung der x-z-Koordinaten angeordnet. Eine kontinuierliche
ebene Welle Θβ,
die von jedem Element des linearen Wandlers gesendet wird und in
der Winkelrichtung Θ bezüglich der z-Achse
fortschreitet, wird durch die folgende Gleichung (1) beschrieben: Θβ =
eiωteikβxeikν(z-z f) (1)
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Hier
sind β =
sinϑ, v2 + β2 =
1 und k = ω0/cν.
Weiterhin ist ω die
Frequenz, t die Zeit, bei der eine kontinuierliche ebene Welle jeden
Bildgabepunkt (x, z) erreicht, ω ist
die Frequenz bei ϑ = 0, c ist die Geschwindigkeit der kontinuierlichen
ebenen Welle und zf ist ein Brennpunkt.
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2 zeigt überlappende
kontinuierliche ebene Wellen (Θ0, Θβ),
deren Frequenzen gleich sind und deren Richtungswinkel 0 bzw. ϑ sind.
In 2 ergibt sich die größte Signalsintensität am Brennpunkt
(z = zf), wo Phasen zweier kontinuierlicher
ebenen Wellen überlappen,
auch werden die Phasendifferenzen zweier kontinuierlicher ebener
Wellen weiter weg vom Brennpunkt in seitlicher Richtung größer und
die Signalintensität
wird an einem Punkt in zurücktretender
seitlicher Richtung klein.
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Wenn
alle kontinuierlichen ebenen Wellen innerhalb des Richtungswinkels
der seitlichen Richtung vom Brennpunkt aus wandern, d.h. ± ϑ
m (m ist eine ganze Zahl) überlappen,
so wird die überlagerte
Welle durch die folgende Gleichung (2) beschrieben:
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Wie
in der Gleichung (2) gezeigt ist, hat die überlagerte Welle die Charakteristik
einer Sinusfunktion bezüglich
der kontinuierlichen ebenen Wellen in seitlicher Richtung. Derart
zeigt sich, dass das gesendete Schallfeld aufgrund der kontinuierlichen
ebenen Wellen in lateraler Richtung die Charakteristik einer Sinusfunktion
hat.
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Wie
weiterhin in 2 gezeigt ist, sind die Phasen
der beiden kontinuierlichen Wellen in einer Bildtiefe jenseits des
Brennpunktes zf auf der Zentralachse mit
einer Hauptstrahlungskeule nicht konsistent. Derart wird die Signalintensität in der
Bildtiefe jenseits des Brennpunktes klein. Schließlich hat
die überlagerte
Welle der Gleichung (2) differentive Eigenschaften entsprechend
der Bildtiefe. Das ist der Grund, warum das gesendete Schallfeld
entsprechend der Bildtiefe durch eine Funktion von βm repräsentiert
wird.
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Wenn
jede Frequenz ω der
kontinuierlichen ebenen Wellen mit verschiedenen Laufrichtungen
und einer Frequenz ω
0 bei ϑ = 0 die Beziehung ω = ω
0/ν haben,
sind die Phasen der kontinuierlichen ebenen Wellen für alle Bildtiefen
auf der Zentralachse die eine Hauptstrahlungskeule hat, konsistent.
Die phasenkonsistenten kontinuierlichen ebenen Wellen auf der Zentralachse
mit Hauptstrahlungskeule sind in
3 dargestellt.
Die Gleichung (2) kann durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt werden:
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Die
Gleichung (3) hat eine perfekte nichtbeugende Charakteristik, bei
der die Funktion von x und z getrennt sind. Auch sollte die überlagerte
kontinuierliche ebene Welle der 3 eine Auflösung einer
Bildtiefenrichtung haben, um als medizinische Ultraschallwelle anwendbar
zu sein.
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Um
der kontinuierlichen ebenen Welle eine Auflösung der Bildtiefenrichtung
zu verleihen, sollten gepulste ebene Wellen verschiedener Frequenzen überlagert
werden. Derart lässt
sich die Gleichung (3) nach Frequenzintegration als folgende Gleichung
ausdrücken: Ψ(x,z,t) = ∫BWF(ω)ϕβ(x,z,t)dω (4)
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Hierbei
ist Ψ(x,z,t)
eine frequenzintegrierte Überlagerungswelle,
BW gibt ein Frequenzband eines Impulses und F (ω) eine Frequenz-Charakteristikfunktion
für ein
Impulssende- und Empfangssystem.
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Eine
eben gepulste Welle, die von jedem Element eines linearen Wandlers
gesendet wird, wird mittels Substituieren von z = 0 in der Gleichung
(4) erhalten. Da die gepulste ebene Welle, die durch Substituieren
von z = 0 in der Gleichung (4) erhalten wird, eine unendliche Länge auf
der Zeitachse hat, wird jedoch ein Trunkierungs-Fehler bewirkt.
Auch ist das Pulsmuster kompliziert. Um daher Pulse zu erzeugen
ist eine komplizierte Hardware erforderlich.
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Zusätzlich beruht
die seitliche Richtungsauflösung
der gepulsten ebenen Welle auf βm. Wenn βm vergrößert wird,
um die Auflösung
zu vergrößern, wird
die nicht-beugende Charakteristik geschwächt. Auch ist die Gesamtsignalintensität während der
Sendefokussierung für
alle Bildgabepunkte schmäler
als die für
einen Punkt, so dass das Signal-Rausch-Verhältnis reduziert
wird.
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Die
EP 812 005 bezieht sich auf
ein Verfahren und eine Vorrichtung für ein Fokussieren in einem
entfernten Detektionssystem nach Empfang mit einer Vielzahl von
Sendeelementen, wenigstens einem Empfangselement und Verarbeitungseinrichtungen
zum Verarbeiten der durch das mindestens eine Empfangselement empfangenen
Signale, wobei die Sendeelemente aktiviert werden, um ein Suchvolumen
abzufragen und die durch das wenigstens eine Empfangselement empfangenen
Signale derart verarbeitet werden, dass Signale, die vom wenigstens
zwei Sendeelementen zu dem wenigstens einen Empfangselement über einen
ausgewählten
Potentialreflektorort in Koinzidenz gebracht werden.
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Jeong
et al, "Generation
of Sinc Wave by a One-dimensional Array for Applications in Ultrasonic
Imaging", IEEE,
Transactions on ultrasonics, ferroelectrics and frequency control,
vol. 43, Nr. 2, 1996, Seiten 285–295 zeigen eine neue Lösung der
2D-Skallar-Wellenfunktion, die einen Ultraschallstrahl beschreibt,
der die durch die sinc-Funktion über
eine endliche Tiefe eines Feldes beschriebene beibehält seitliche
Feldantwort durch die sinc-Funktion über eine endliche Tiefe eines
Feldes beibehält.
Dieser neue Strahl ist durch eine lineare Wandleranordnung realisierbar
und einer Beugungsausbreitung weniger ausgesetzt als herkömmliche
Fokussierungsstrahlen. Physikalisch ist dies eine Überlagerung
von ebenen Wellen mit der gleichen Wellenlänge, die sich aber unter verschiedenen
Winkeln ausbreiten.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Um
das obige Problem zu lösen,
liegt ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur
Sendefokuseinstellung für
alle Bildgabepunkte zu schaffen, indem eine lineare Zeitverzögerung für jede gepulste ebene
Welle, die unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen haben, angewendet
wird, ohne dass eine Frequenzintegration der gepulsten ebenen Wellen
erfolgt und indem die gepulsten ebenen Wellen, die den gleichen Bildpunkt
haben, synthetisiert werden, indem Sende- und Empfangsdaten für die ebenen
Wellen jedes Pulsmusters verwendet werden, das die lineare Zeitverzögerung aufweist.
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Zur
Lösung
der genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Sendefokuseinstellung
für alle
Bildpunkte mittels ebener Wellen jedes Pulsmusters mit verschiedenen
Ausbreitungsrichtungen, welche von einem Wandler gesendet werden,
vorgeschlagen, das die folgenden Schritte aufweist:
- a) Übertragen
jeder gepulsten ebenen Welle mit linearer Zeitverzögerung von
einer Vielzahl von Elementen des Wandlers;
- b) Speichern von Sende- und Empfangsdaten für jede der gepulsten ebenen
Wellen, die im Schritt a) übertragen
wurden;
- c) Berechnen der Bildgabepunkte, die jede der gesendeten gepulsten
ebenen Wellen erreicht hat, unter Verwendung der im Schritt b) gespeicherten
Sende- und Empfangsdaten; und
- d) Auffinden und linear Überlappen
der gesendeten gepulsten ebenen Welle mit Pulsmuster, die den gleichen
Bildgabepunkt bei den gemäß Schritt
c) berechneten Bildgabepunkten haben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Das
Ziel und die weiteren Vorteile der Erfindung werden durch detaillierte
Beschreibung der Strukturen und der Betriebsweise der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlicher. Es zeigt:
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1 eine
kontinuierlich ebene Welle eines linearen Wandlers;
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2 die Überlagerung
von kontinuierlich ebenen Wellen mit gleicher Frequenz;
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3 die Überlagerung
kontinuierlich ebener Wellen mit unterschiedlicher Frequenz;
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4 eine
gepulste ebene Welle, die sich unter einem Richtungswinkel ϑ ausbreitet
und mit einer linearen Zeitverzögerung
versehen ist;
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5 ein
Beispiel für
eine Sendefokussierung, die durch Überlagern von fünft gepulsten
ebenen Wellen realisiert wird; und
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6 eine
gepulste ebene Welle in einem Ringwandler.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung wird unter Bezug auf die
beigefügten
Zeichnungen erläutert.
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4 zeigt
eine gepulste ebene Welle, die sich unter einem Richtungswinkel Θ ausbreitet
und mit einer linearen Zeitverzögerung
versehen ist. In der 4 ist ein linearer Wandler mit
einer Größe D auf
der x-Achse um den Ursprung der x-z-Koordinaten angeordnet. Die
linearen Zeitverzögerungen,
die als gestrichelte Linien dargestellt sind, werden auf jedes Element
des linearen Wandlers angewendet. Die gepulste ebene Welle wird
von jedem Wandlerelement ausgesendet. Die gepulste ebene Welle Θβ(x,z.t)p hat eine lineare Zeitverzögerung,
die durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird: ϕβ(x,z,t)p = ϕβ(x,z,t)·exp(–iω2t2/σ2) (5)
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Hier
ist t die Zeit, nach der die ebene Welle mit Pulsmuster jeden Bildgabepunkt
(x,z) erreicht, Θβ(x,z,t) ist
eine kontinuierliche Welle, ω ist
eine Frequenz und σ ist
eine Gaussche Pulsbreite, x ist ein Punkt, von dem jede ebene Welle
mit Pulsmuster ausgesendet wird und erfüllt die folgende Gleichung |x| ≥ D/2 (6)
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Auch
wird die Zeit t
(x,z), nach der die gesendete
ebene Welle mit Pulsmuster jeden der Bildgabepunkte (x,z) erreicht,
durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
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Hier
ist c die Geschwindigkeit der gepulsten ebenen Welle (Ultraschallwelle), β = sinϕ und ν = cosϕ.
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Wenn
die gepulste ebene Welle wie oben beschrieben gesendet wird, wird
nur ein Bild eines Bereichs erhalten, den jede der gepulsten ebenen
Wellen durchläuft
(ein Bereich "A" der 4).
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Das
Verfahren zur Sendefokuseinstellung für gepulste ebene Wellen wird
im Folgenden beschrieben.
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Ein
nicht dargestelltes Ultraschallbildgebungssystem sendet eine gepulste
Welle mit einer linearen Zeitverzögerung von jedem Wandlerelement.
Das Ultraschall-Bildgebungssystem speichert Sendedaten für jede gesendete
ebene Welle, d.h. Daten für
einen Richtungswinkel Θ und
Daten für
einen Sendepunkt x. Zusätzlich
speichert das Ultraschallbildgebungssystem jedes empfangene Signal
und eine Rücklaufzeit
2t für jede
der Bildtiefen, innerhalb derer jede der gesendeten gepulsten Wellen
jede der Bildtiefen z erreicht und dann reflektiert wird und zurückläuft. Das
Ultraschall-Bildgebungssystem substituiert die Gleichung (7) durch den
Richtungswinkel Θ,
den Sendepunkt x und die Hin- und Rücklaufzeit 2t, die für jede der
gesendeten gepulsten Wellen gespeichert werden. Derart erhält man die
Bildtiefe z, die jede der gesendeten gepulsten ebenen Wellen erreicht.
Derart erhält
man Bildgabepunkte (x,z), die jede der gesendeten gepulsten ebenen
Wellen erreicht.
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Das
Ultraschall-Bildgebungssystem überlagert
linear die gepulsten ebenen Wellen, die die gleichen Bildgabepunkte
(x,z) haben. Das obige Verfahren wird über alle Bildgabepunkte wiederholt
ausgeführt.
Derart wird ein Sendefokus aller gepulsten ebenen Wellen für alle Bildgabepunkte
eingestellt.
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Wenn
eine dynamische Empfangseinstellung unter Verwendung der gespeicherten
Empfangssignale für
jede der gesendeten gepulsten ebenen Wellen ausgeführt wird,
wird eine Sende- und
Empfangseinstellung für
alle Bildgabepunkte bewirkt.
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5 zeigt
ein Beispiel der Sendefokussierung, das durch Überlagerung von fünf gepulsten
ebenen Wellen erhalten wird. In 5 werden
ebene Wellen Φn gesendet und auf einen Bildgabepunkt (x,z)
fokussiert. Eine Zeit, die bestimmt wird, wenn jede gepulste ebene
Welle den Bildpunkt erreicht, ist als Laufzeit-Pfeil tn dargestellt.
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6 zeigt
eine gepulste ebene Welle in einem Ringwandler. Wie dargestellt
läuft die
gepulste ebene Welle Φβ unter
einem Winkel Θ im
Bezug auf die z-Achse und einem Winkel φ zur x-Achse. Wenn die gepulsten ebenen
Wellen mit dem gleichen Bildpunkt (x,y,z) unter Verwendung der Sendedaten
(Richtungswinkel Θ und φ, Sendepunkt)
für die
gepulsten ebenen Wellen mit verschiedenen Richtungswinkeln Θ und φ und die
Empfangsdaten (eine Hin- und Herlaufzeit für jeden der Bildpunkte) synthetisiert
werden, ist es möglich,
eine Sendefokussierung für
die gepulsten ebenen Wellen an allen Bildgabepunkten zu bewirken.
Wenn eine dynamische Empfangsfokussierung unter Verwendung des Empfangssignals,
welches von jedem der Punkte reflektiert wird und zurückläuft, ausgeführt wird,
ist es zusätzlich
möglich,
eine Sende- und Empfangsfokussierung für alle Bildgabepunkte durchzuführen. Derart
wird ein dreidimensionales Bild erhalten.
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Wie
vorstehend beschrieben synthetisiert das erfindungsgemäße Verfahren
zur Sendefokussierung gepulste ebene Wellen mit dem gleichen Bildgabepunkt
unter Verwendung von Sende- und
Empfangsdaten für
die gepulsten ebenen Wellen mit verschiedenen Laufrichtungen und
einer linearen Zeitverzögerung,
um so einen Sendefokus für
alle Bildgabepunkte einzustellen. Derart ist das erfindungsgemäße Verfahren
zur Sendefokuseinstellung nicht durch einen Wert von β beschränkt und
Trukkierungs-Fehler treten nicht auf. Auch ist die seitliche Richtungsauflösung nicht
durch Begrenzungen des Werts β ausgesetzt.
