WO2002073232A1 - System for image reproduction for ultrasound computer tomographs - Google Patents

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WO2002073232A1
WO2002073232A1 PCT/EP2002/002637 EP0202637W WO02073232A1 WO 2002073232 A1 WO2002073232 A1 WO 2002073232A1 EP 0202637 W EP0202637 W EP 0202637W WO 02073232 A1 WO02073232 A1 WO 02073232A1
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ultrasound
transmitter
image reproduction
receivers
receiver
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PCT/EP2002/002637
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Miroslaw Wrobel
Frank Heister
Janet Grassmann
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Sonem Gmbh
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    • G01S15/88Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S15/8906Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques
    • G01S15/8993Three dimensional imaging systems
    • GPHYSICS
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    • G01S15/8959Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using coded signals for correlation purposes
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    • G01S15/8977Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using special techniques for image reconstruction, e.g. FFT, geometrical transformations, spatial deconvolution, time deconvolution
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    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/87Combinations of sonar systems
    • G01S15/876Combination of several spaced transmitters or receivers of known location for determining the position of a transponder or a reflector

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for image reproduction for computer tomographs with ultrasound.
  • the ner driving is based on a further development of the image reproduction when using ultrasound signals with any modulation function.
  • FIG. 3 shows the measuring principle of a computer tomograph.
  • An object 3 is arranged in a fixed coordinate system (x, y) and thus represents a location-dependent brightness distribution f (x, y).
  • the actual measuring device is arranged in a rotatable coordinate system (p, ⁇ ).
  • the fulcrum of the coordinate system (p, ⁇ ) and that of the fixed system (x, y) are identical.
  • the projections P (p, ⁇ ) 14 now denote the attenuations of an X-ray beam of the intensity I 0 along the radiation paths shown in FIG. 3. If the projections P (p, ⁇ ) 14 are carried out for all normal distances from origin p and all angles from 0 ° to 180 °, the so-called Radon transform of the brightness distribution f (x, y) is obtained via object 3.
  • the radon transform B contains all the information necessary for the reconstruction.
  • a computer tomograph was also known, which uses microwaves or
  • Ultrasonic waves are working. Ultrasound is preferably used here in the reflection process.
  • the image display methods used correspond to those of Radar technology. While both narrowband and broadband signals can be used in the transmission method, only broadband signals, for example in the form of short pulses, are used in the reflection method.
  • the energy received after passing through the object or the arrival time or transit time of the signal are used for evaluation.
  • a B-image is generated, in which the brightness is controlled by the intensity of the ultrasound echoes and the position of the illuminated point by the sound beam direction and the echo time on a screen.
  • the ultrasound head can also generate a plane wave instead of a spherical wave, ie the ultrasound head can consist of a linear transducer.
  • DE 199 15 583.6 discloses another device and a driving method that is used to evaluate the response signals of ultrasound signals that are transmitted to an unknown structure.
  • driving ner an unknown object is irradiated with any modulation function by at least one transmission signal.
  • the response signals are then picked up by at least three receivers known in their position relative to the transmitter and correlated with the transmission signal.
  • the paths of the transmission signal to the individual receivers are calculated in a downstream calculation unit via the reflective structure.
  • the spatial coordinates of the reflective structure are then determined from these signals.
  • the basis is that the locations of the same distance between the transmitter and the receiver lie on an ellipse. The signals are therefore no longer evaluated only on the basis of the transit times, but rather the signal paths.
  • the intersection of the possible reflection locations is determined to determine the spatial coordinates of a reflector. This intersection is unambiguous, in the time series recorded on all receivers, assigned a value which is determined by the transit time of the signal.
  • the signal values determined with regard to this spatial point now determine the brightness of the assigned pixel in the reconstructed image.
  • the described driving works without errors assuming the existence of individual, point-like reflectors.
  • the disadvantage of the method described above consists in the forced reconstruction of artifacts in the case of a certain number and constellation of the reflectors.
  • FIG. 5 shows a scenario with a transmitter, two receivers and three object points.
  • the reflectors are each on their associated elliptical arches.
  • the intersection points of the ellipses now determine the spatial coordinates of the reflection points to which the values of the reflected energy corresponding to the transit times are assigned.
  • the designated artifact must be reconstructed.
  • the assignment of the reflected energy between the receivers can no longer be made unambiguously from a certain number of reflectors.
  • the minimum number of reflectors is three for two receivers. Adding an additional receiver would solve the problem for this particular constellation.
  • the minimum constellation at which phantom points 10 would have to be reconstructed would then contain four object points 3. With a number of N possible object points, (N-1) receivers are necessary in order not to have to reconstruct phantom points. A corresponding consideration applies to the number of transmitters.
  • the object of the present invention is therefore to provide an improved measuring system which, like the computer tomograph, supplies the radon transform of the object to be imaged as a result of the measurement.
  • the novel device is intended to eliminate the disadvantages described above and to correctly reconstruct a set of N object points with a smaller number of transmitter and receiver elements.
  • Arrangement for image reproduction for computer tomographs with ultrasound consists of any number but at least two transmitters and any number but at least two receivers, which are arranged in known positions relative to one another around the object, so that the object is completely sonicated and all response signals are received.
  • the transmission signals of the individual transmitters have different modulation functions that do not influence one another.
  • the received signals are digitized.
  • every received signal is correlated with every transmitted signal.
  • the correlator unit consists of a matrix of correlators with the size of the product of the number of transmitters and the number of receivers, each transmitter being connected to a correlator of each receiver and each receiver being connected to a correlator of each transmitter.
  • the calculation unit consists of a calculation part for the parameters of the image, a calculation part for the envelope, a subsequent calculation part for the index matrix and at least one discrete integration unit.
  • a display device is coupled to the calculation unit. After the calculation part for the envelope curve, a windowing in the frequency range can be provided.
  • Corresponding A / D converters can be connected upstream or downstream of the individual correlators.
  • the calculation unit for the parameters of the figure has first storage matrices for storing the individual correlation results between the individual received signals and the respective transmission signal and second storage matrices for storing the sums of the individual correlation results from the first storage matrix.
  • the arrangement of the ultrasound components provides angle-dependent projections of the measurement object. Regardless of the starting point of an ultrasonic transmitter, a signal is emitted in all spatial directions. This can be both a frequency-modulated signal and a short pulse. Under the
  • a prerequisite for the principle of supeposition for mechanical waves is that all potential reflection locations that make a constructive contribution to the reflected energy at a certain point in time have the same distance from the ultrasound transmitter to the ultrasound receiver.
  • the points thus determined are arranged on an ellipse arc around E 1 and Si (FIG. 5). Since the distance between the transmitter and the receiver is known, the extent of the ellipse arc depends only on the distance between the transmitter and the reflector and therefore only on the corresponding signal propagation time.
  • the time series that is recorded at the receiver E 1 corresponds to the projection P with respect to an angle ⁇ (FIG. 3).
  • the angle ⁇ is defined as the angle between the normal to the distance between the transmitter and receiver and the x-axis of the fixed coordinate system.
  • the angle ⁇ is varied by the combination of transmitters and receivers, even though the ultrasound elements are in a static arrangement.
  • in the range 0 ° to 180 °, the analogue to the radon transform is finally obtained. Simulations have shown that the arrangement of the transmitting and receiving elements on a semicircle (hemisphere) is not absolutely necessary for the basic functioning of the reconstruction process.
  • the transmission and reception characteristics of the ultrasound elements do not necessarily have to be 180 °. It is only necessary that the object area of interest is illuminated uniformly. This must be taken into account in the design of an ultrasound head by aligning the ultrasound elements depending on their placement within the ultrasound head.
  • an ultrasound transmitter is combined with an ultrasound receiver.
  • the signal (frequency-modulated signal or pulse) propagates from the transmitter in all spatial directions.
  • all receivers are recorded, so that all possible transmitter-receiver combinations are available for the reconstruction of the active transmitter. This procedure is repeated in sequence for all transmitters. In this way, all possible combinations of transmitters and receivers are available for reconstruction.
  • the signal processing path is shown below on the basis of the signal recorded at the receiver.
  • the correlation with the associated FM code takes place.
  • the broadcast signal The envelope curve is calculated by bandpass filtering, squaring the signal and then lowpass filtering with appropriately designed digital zero-phase filters. Windowing in the frequency domain is carried out with one of the following window functions: 'Hamming', 'Hanning', 'Shepp-Logan', and 'Cosinus'.
  • the mathematical background should also be for the two-dimensional case, i.e. the reconstruction algorithm.
  • the process can be expanded to three dimensions without any problems.
  • the reflection sites whose backscattered energy are added at the same times in the time series recorded on the receiver are on ellipses with transmitter and receiver in one focal point each.
  • the parameters of the rotated ellipse are clearly determined by the distance and the time that the sound takes to travel from the transmitter to a point of the ellipse to the receiver.
  • Equation 1 can be solved for these two unknowns and you get exactly one real solution for the parameter of interest b. Because of this solution, the signal propagation time from the transmitter can be calculated to any point in the object area. The result is the index matrix described above.
  • the complete reconstruction of a grayscale image is obtained by adding the individual stripe images.
  • the gray value of each pixel thus corresponds to the integral of the angles which are reflected in the energy.
  • Fig. 1 shows the basic structure of an arrangement for image reproduction for
  • Fig. 7 shows the way of data processing
  • Fig. 8 shows an illustration for explaining the calculation of idex matrices on the basis of the ellipse equation
  • Fig. 9 shows an index matrix for constructing a stripe image.
  • the arrangement for image reproduction for computer tomographs with ultrasound consists of any number of transmitters 1- 1 to 1-s and any number of receivers 2-1 to 2-e, which are known in the art
  • the transmission signals of the individual transmitters 1-1 to 1-s have different modulation functions that do not influence each other (FM code 6-1 to 6-s).
  • the individual transmitters 1-1 to 1-s are coupled to signal generators 4-1 to 4-s, which generate transmit signals with the desired modulation functions that do not influence one another.
  • the individual receivers 2-1 to 2-e are A / D converters 5-1 to 5-e.
  • a correlation unit 17 follows with the size of the product of the number of transmitters 1 and the number of receivers 2, each transmitter 1 being connected to a correlator of each receiver 2 and each receiver 2 being connected to a correlator of each transmitter 1.
  • the individual results of the correlation unit 17 are stored individually in first memories 7-1-1 to 7-es. In Fig. 7 the way is
  • the time series and the locations of the reflections are determined in the following calculation unit 18 for the parameters of the illustration of the envelope). These results are stored in second memories 9-1-1 to 9-e-s.
  • the results stored in the second memories 9-1-1 to 9-e-s represent the values of the individual stripe images 12, which sum up to give the gray image 13, which can be displayed on a visualization device (not shown).
  • the correlator unit 17 is preceded by an A / D converter 5-1 to 5-e.
  • FIG. 2 shows an illustration for explaining the reconstruction of gray images 13.
  • the values contained in memories 9-1-1 to 9-es become mapped onto a memory array by the mapping rule derived from Eq.
  • the non-zero values are clearly mapped onto an array of ellipses, depending on the position of the sensors belonging to this recording.
  • the spatial orientation of the ellipse family is dependent on the known position of the transmitter 1 and the receiver 2 relative to one another. This mapping is done for each transmitter-receiver combination under consideration.
  • the gray-scale image 13 is then obtained by summing the individual stripe images 12.
  • the two-dimensional representation of the measurement principle for data acquisition by means of ultrasound is shown in FIG. 6.
  • the arrangement of ultrasound components shown in FIG. 6 provides angle-dependent projections of the measurement object analogous to the measurement system described in FIG. 3.
  • an ultrasound transmitter emits a signal in all directions without direction. It can be both a frequency-modulated signal and a pulse.
  • all potential object points 3 which make a constructive contribution to the reflected energy at a certain point in time, have the same distance from the ultrasound transmitter and from the ultrasound receiver.
  • the object points 3 thus determined are arranged on an ellipse arch around Ei and S t .
  • the extent of the ellipse arc depends only on the distance between the transmitter-reflector and receiver and thus only on the corresponding signal propagation time.
  • the time series recorded on the receiver Ei corresponds to the projection P with respect to an angle ⁇ , where ⁇ is the angle between the normal to the distance between the transmitter and receiver and the x-axis of the fixed coordinate system.
  • the angle ⁇ is varied by the combination of transmitters 1 and receivers 2, although the ultrasound elements are in a static arrangement.
  • the variation of ⁇ in the range 0 ° to 180 ° finally gives the analogue to the radon transform in FIG. 4 B. Simulations have shown that the arrangement of the transmitters 1 and receivers 2 on a semicircle (hemisphere) for the basic functioning of the reconstruction process is not absolutely necessary.
  • an ultrasound transmitter is combined with an ultrasound receiver.
  • the signal (FM signal, or pulse) propagates from the transmitter in all spatial directions.
  • all receivers 2 are recorded, so that all possible transmitter-receiver combinations for the
  • Reconstruction algorithm with respect to the active transmitter 1 are available. This procedure is repeated in sequence for all transmitters 1. In this way, are available Reconstruction of all possible combinations of transmitters 1 and 2 receivers available. Based on the signal recorded at the receiver, the signal processing path is shown below with reference to FIG. 7. The procedure can be applied to all measured time series, including the three-dimensional case.
  • the envelope 18 is calculated by bandpass filtering, squaring the signal and subsequent lowpass filtering with appropriately designed digital zero phase filters.
  • the windowing in frequency range 19 already described is carried out with one of the following window functions: 'Hamming', 'Hanning', 'Shepp-Logan', and 'Cosinus'.
  • FIG. 8 shows a world coordinate system with respect to which the positions of all ultrasound components are defined.
  • the area in which object 3 is located is marked with a rectangle. It defines the subset of the world coordinate system in the bordered area, which represents the result of the reconstruction as a gray scale image 13.
  • the reflection locations whose backscattered energy add up at the same times in the time series recorded on the receivers are on ellipses with the corresponding transmitters and receivers in a focal point in each case.
  • the parameters of the rotated ellipse shown in FIG. 8 are uniquely determined by the distance d and the time it takes for the sound to travel from S to a point of the ellipse to E.
  • the described mapping of the time series on the corresponding ellipse arcs gives a so-called stripe image 12 with respect to the individual transmitters 1-1 to 1-s and the respective receiver 2-1 to 2-e.
  • the number of transmitter-receiver combinations used results in the number of resulting stripe images 12.
  • 9 shows an index matrix for mapping the time series mentioned onto a strip image 12.
  • An index matrix must be calculated for each transmitter-receiver combination.
  • the base area of the index matrix shown in FIG. 9 is identical to the elements (pixels / voxels) of the object area. This assigns an index value that refers to the entry in the time series to be displayed.
  • the intersection of the index matrix shown above with the plane parallel to the object plane always results in an ellipse.
  • a three-dimensional matrix is obtained and, instead of the ellipses, rotationally symmetrical ellipsoids.
  • the equation of the rotated and shifted ellipse is derived as described above.
  • the signal propagation time can be calculated from each transmitter 1 to every point of the object area 3. The result is the index matrix described above.
  • the complete reconstruction of a gray scale image 13 is obtained by adding the individual stripe images 12.
  • the gray scale value of each pixel thus corresponds to the integral of the angles reflected in the energy and different angles.

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Abstract

The invention relates to a system for image reproduction for ultrasound computer tomographs. The invention is based on a development of image reproduction using ultrasound with optional modulation function. The image reproduction system for ultrasound computer tomographs comprises at least two transmitters and at least two receivers that are arranged around the object in known relation to one another so that the object is exposed to the ultrasonic waves and the response signals are received. The transmitter signals have different modulation functions that do not mutually influence one another. The system further comprises a correlation unit in which every received signal is correlated with every transmitted signal, a calculation unit for the parameters of the reproduction, provided with a calculation unit for the envelopes, a calculation unit for the index matrix and a downstream integration unit for the index matrix, as well as a display unit.

Description

Anordnung zur Bildwiedergabe für Computertomographen mit UltraschallArrangement for image reproduction for computer tomographs with ultrasound
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bildwiedergabe für Computertomographen mit Ultraschall. Das Nerfahren gründet auf eine Weiterentwicklung der Bildwiedergabe bei Einsatz von Ultraschallsignalen mit beliebiger Modulationsfunktion.The invention relates to an arrangement for image reproduction for computer tomographs with ultrasound. The ner driving is based on a further development of the image reproduction when using ultrasound signals with any modulation function.
Der Gedanke zur schnellen Akquisition von Nolumendaten mittels Ultraschall-Signalen beruht auf dem Prinzip der bildgebenden Systeme in der Computertomographie (Computertomograph). Im folgenden soll das bekannte Prinzip der Computertomographie kurz dargestellt werden, um die Messanordnung und das Rekonstruktionsverfahren für das 3D-Ultraschallsystem zu motivieren.The idea of quickly acquiring nolume data using ultrasound signals is based on the principle of imaging systems in computer tomography (computed tomography). In the following, the well-known principle of computer tomography will be briefly presented in order to motivate the measuring arrangement and the reconstruction method for the 3D ultrasound system.
In Fig. 3 ist das Messprinzip eines Computertomographen dargestellt. Ein Objekt 3 wird in einem ortsfesten Koordinatensystem (x, y), angeordnet und stellt somit eine ortsabhängige Helligkeitsverteilung f(x, y) dar. Die eigentliche Messeinrichtung ist in einem drehbaren Koordinatensystem (p, θ) angeordnet. Der Drehpunkt des Koordinatensystems (p, θ) und der des ortsfesten Systems (x, y) sind identisch. Die Projektionen P(p, θ) 14 bezeichnen nun die Abschwächungen eines Röntgenstrahls der Intensität I0 entlang der in Fig. 3 dargestellten Durchstrahlungswege. Werden die Projektionen P(p, θ) 14 für alle Νormalenabstände von Ursprung p und alle Winkel von 0° bis 180° durchgeführt, so erhält man die sog. Radon-Transformierte der Helligkeitsverteilung f(x, y) über das Objekt 3.3 shows the measuring principle of a computer tomograph. An object 3 is arranged in a fixed coordinate system (x, y) and thus represents a location-dependent brightness distribution f (x, y). The actual measuring device is arranged in a rotatable coordinate system (p, θ). The fulcrum of the coordinate system (p, θ) and that of the fixed system (x, y) are identical. The projections P (p, θ) 14 now denote the attenuations of an X-ray beam of the intensity I 0 along the radiation paths shown in FIG. 3. If the projections P (p, θ) 14 are carried out for all normal distances from origin p and all angles from 0 ° to 180 °, the so-called Radon transform of the brightness distribution f (x, y) is obtained via object 3.
In Fig. 4 ist ein Originalbild A, dessen Radon-Transformierte B und das Ergebnis der inversen Radontransformation C dargestellt. Die Radon-Transformierte B enthält also alle für die Rekonstruktion notwendigen Informationen.4 shows an original image A, its radon transform B and the result of the inverse radon transformation C. The radon transform B contains all the information necessary for the reconstruction.
Es wurde auch ein Computertomograph bekannt, der mit Mikrowellen bzw. mitA computer tomograph was also known, which uses microwaves or
Ultraschallwellen arbeitet. Der Ultraschall wird hier vorzugsweise im Reflexionsverfahren verwendet. Die verwendeten Bilddarstellungsverfahren entsprechen denen der Radartechnik. Während bei den Transmissionsverfahren sowohl schmal- als auch breitbandige Signale verwendet werden können, werden bei den Reflexionsverfahren nur breitbandige Signale, z.B. in Form von kurzen Impulsen verwendet. Zur Auswertung kommen die Energie, die nach dem Durchlaufen des Objektes empfangen wird, oder die Ankunftszeit bzw. Laufzeit des Signals. Es wird ein B-Bild erzeugt, bei dem die Helligkeit durch die Intensität der Ultraschallechos und die Lage des Leuchtpunktes durch die Schallstrahkichtung und die Echozeit auf einem Bildschirm gesteuert werden. Der Ultraschallkopf kann statt einer sphärische Welle auch eine ebene Welle erzeugen, d.h. der Ultraschallkopf kann aus einem linearen Transducer bestehen.Ultrasonic waves are working. Ultrasound is preferably used here in the reflection process. The image display methods used correspond to those of Radar technology. While both narrowband and broadband signals can be used in the transmission method, only broadband signals, for example in the form of short pulses, are used in the reflection method. The energy received after passing through the object or the arrival time or transit time of the signal are used for evaluation. A B-image is generated, in which the brightness is controlled by the intensity of the ultrasound echoes and the position of the illuminated point by the sound beam direction and the echo time on a screen. The ultrasound head can also generate a plane wave instead of a spherical wave, ie the ultrasound head can consist of a linear transducer.
Eine weitere Vorrichtung und ein Nerfahren, das zur Auswertung der Antwortsignale von Ultraschallsignalen dient, die auf eine unbekannte Struktur ausgesendet werden, ist aus der DE 199 15 583.6 bekannt. Bei dem Nerfahren wird ein unbekanntes Objekt von mindestens einem Sendesignal mit einer beliebigen Modulationsfunktion beschallt. Die Antwortsignale werden dann von mindestens drei in ihrer Position zum Sender bekannten Empfängern aufgenommen und mit dem Sendesignal korreliert. In einer nachgeordneten Berechnungseinheit werden die Wege des Sendesignals über die reflektierende Struktur zu den einzelnen Empfängern berechnet. In einer zweiten Berechnungseinheit werden dann aus diesen Signalen die Raumkoordinaten der reflektierenden Struktur bestimmt. Grundlage ist, dass die Orte gleicher Entfernung zwischen Sender und Empfänger auf einer Ellipse liegen. Die Auswertung der Signale erfolgt also nicht mehr nur auf der Grundlage der Laufzeiten, sondern der Signalwege.DE 199 15 583.6 discloses another device and a driving method that is used to evaluate the response signals of ultrasound signals that are transmitted to an unknown structure. When driving ner, an unknown object is irradiated with any modulation function by at least one transmission signal. The response signals are then picked up by at least three receivers known in their position relative to the transmitter and correlated with the transmission signal. The paths of the transmission signal to the individual receivers are calculated in a downstream calculation unit via the reflective structure. In a second calculation unit, the spatial coordinates of the reflective structure are then determined from these signals. The basis is that the locations of the same distance between the transmitter and the receiver lie on an ellipse. The signals are therefore no longer evaluated only on the basis of the transit times, but rather the signal paths.
Im oben beschriebenen Nerfahren wird zur Bestimmung der Raumkoordinaten eines Reflektors die Schnittmenge der in Frage kommenden Reflexionsorte bestimmt. Diesem Schnittpunkt ist eindeutig, in den an allen Empfängern aufgezeichneten Zeitreihen, ein Wert zugeordnet der durch die Laufzeit des Signals bestimmt ist. Die bzgl. dieses Raumpunktes ermittelten Signalwerte bestimmen nun die Helligkeit des zugeordneten Pixels im rekonstruierten Bild.In the ner driving described above, the intersection of the possible reflection locations is determined to determine the spatial coordinates of a reflector. This intersection is unambiguous, in the time series recorded on all receivers, assigned a value which is determined by the transit time of the signal. The signal values determined with regard to this spatial point now determine the brightness of the assigned pixel in the reconstructed image.
Das beschriebene Nerfahren funktioniert fehlerfrei unter der Annahme der Existenz einzelner, punktförmiger Reflektoren. Der Nachteil des oben beschriebenen Verfahrens besteht allerdings in der erzwungenen Rekonstruktion von Artefakten im Falle einer bestimmten Anzahl und Konstellation der Reflektoren.The described driving works without errors assuming the existence of individual, point-like reflectors. The disadvantage of the method described above however, consists in the forced reconstruction of artifacts in the case of a certain number and constellation of the reflectors.
In Fig. 5 ist ein Szenario mit einem Sender, zwei Empfängern und drei Objektpunkten dargestellt. Die Reflektoren befinden sich jeweils auf ihren zugehörigen Ellipsenbögen. Die Schnittpunkte der Ellipsen bestimmen nun die Raumkoordinaten der Reflexionspunkte denen die den Laufzeiten entsprechenden Werte der reflektierten Energie zugeordnet werden. Bei der in Fig. 5 dargestellten Konstellation muss das bezeichnete Artefakt rekonstruiert werden. Die Zuordnung der reflektierten Energie zwischen den Empfängern ist ab einer bestimmten Anzahl von Reflektoren nicht mehr eineindeutig zu treffen. Die minimale Anzahl der Reflektoren beträgt bei zwei Empfangern drei. Durch das Hinzufügen eines zusätzlichen Empfangers ließe sich das Problem für diese bestimmte Konstellation wieder lösen. Die minimale Konstellation bei der wieder Phantompunkte 10 rekonstruiert werden müssen würde dann vier Objektpunkte 3 enthalten. Bei einer Anzahl von N möglichen Objektpunkten sind also (N-l) Empfanger notwendig, um keine Phantompunkte rekonstruieren zu müssen. Eine entsprechende Betrachtung gilt für die Anzahl der Sender.5 shows a scenario with a transmitter, two receivers and three object points. The reflectors are each on their associated elliptical arches. The intersection points of the ellipses now determine the spatial coordinates of the reflection points to which the values of the reflected energy corresponding to the transit times are assigned. In the constellation shown in Fig. 5, the designated artifact must be reconstructed. The assignment of the reflected energy between the receivers can no longer be made unambiguously from a certain number of reflectors. The minimum number of reflectors is three for two receivers. Adding an additional receiver would solve the problem for this particular constellation. The minimum constellation at which phantom points 10 would have to be reconstructed would then contain four object points 3. With a number of N possible object points, (N-1) receivers are necessary in order not to have to reconstruct phantom points. A corresponding consideration applies to the number of transmitters.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Messsystems zu schaffen, das analog zum Computertomographen die Radon- Transformierte des abzubildenden Objektes als Ergebnis der Messung liefert. Die oben beschriebenen Nachteile sollen durch die neuartige Vorrichtung beseitigt und eine Menge von N Objektpunkten mit einer geringeren Anzahl von Sender- und Empfängerelementen korrekt zu rekonstruiert werden.The object of the present invention is therefore to provide an improved measuring system which, like the computer tomograph, supplies the radon transform of the object to be imaged as a result of the measurement. The novel device is intended to eliminate the disadvantages described above and to correctly reconstruct a set of N object points with a smaller number of transmitter and receiver elements.
Die Aufgabe wird durch die anhängenden Patentansprüche gelöst. Anordnung zur Bildwiedergabe für Computertomographen mit Ultraschall besteht aus einer beliebigen Anzahl aber mindestens zwei Sendern und einer beliebigen Anzahl aber mindestens zwei Empfängern, die in bekannten Positionen zueinander um das Objekt angeordnet sind, so dass das Objekt vollständig beschallt wird und alle Antwortsignale empfangen werden. Die Sendesignale der einzelnen Sender besitzen unterschiedliche sich nicht gegenseitig beeinflussende Modulationsfunktionen. Die empfangenen Signale werden digitalisiert. In einer Korrelatoreinheit wird jedes Empfangssignal mit jedem Sendesignal korreliert. Die Korrelatoreinheit besteht aus einer Matrix von Korrelatoren mit der Größe des Produktes der Anzahl der Sender und der Anzahl der Empfänger, wobei jeder Sender mit einem Korrelator jedes Empfangers und jeder Empfänger mit einem Korrelator eines jeden Senders verbunden ist. Die Berechnungseinheit besteht einem Berechnungsteil für die Parameter der Abbildung, einem Berechnungsteil für die Hüllkurve, einem nachfolgenden Berechnungsteil für die Indexmatrix und mindestens einer diskreten Integrationseinheit. Mit der Berechnungseinheit ist ein Anzeigegerät gekoppelt. Nach dem Berechnungsteil für die Hüllkurve kann eine Fensterung im Frequenzbereich vorgesehen sein.The object is solved by the appended claims. Arrangement for image reproduction for computer tomographs with ultrasound consists of any number but at least two transmitters and any number but at least two receivers, which are arranged in known positions relative to one another around the object, so that the object is completely sonicated and all response signals are received. The transmission signals of the individual transmitters have different modulation functions that do not influence one another. The received signals are digitized. In a correlator unit, every received signal is correlated with every transmitted signal. The correlator unit consists of a matrix of correlators with the size of the product of the number of transmitters and the number of receivers, each transmitter being connected to a correlator of each receiver and each receiver being connected to a correlator of each transmitter. The calculation unit consists of a calculation part for the parameters of the image, a calculation part for the envelope, a subsequent calculation part for the index matrix and at least one discrete integration unit. A display device is coupled to the calculation unit. After the calculation part for the envelope curve, a windowing in the frequency range can be provided.
Da die Berechnungseinheit digitale Signale verarbeitet, werden die analogen Empfangssignale in Digitalsignale umgewandelt. Entsprechende A/D-Wandler können den einzelnen Korrelatoren vor- oder nachgeschaltet sein.Since the calculation unit processes digital signals, the received analog signals are converted into digital signals. Corresponding A / D converters can be connected upstream or downstream of the individual correlators.
Die Berechnungseinheit für die Parameter der Abbildung besitzt erste Speichermatrizen zum Speichern der einzelnen Korrelationsergebnisse zwischen den einzelnen Empfangssignalen und dem jeweiligen Sendesignal und zweite Speichermatrizen zum Speichern der Summen der einzelnen Korrelationsergebnisse aus der ersten Speichermatrix.The calculation unit for the parameters of the figure has first storage matrices for storing the individual correlation results between the individual received signals and the respective transmission signal and second storage matrices for storing the sums of the individual correlation results from the first storage matrix.
Die Anordnung der Ultraschallkomponenten liefert winkelabhängige Projektionen des Messobjektes. Ausgehend von einem Ultraschall-Sender wird ein Signal ungeachtet in alle Raumrichtungen ausgesendet. Hierbei kann es sich sowohl um ein frequenzmoduliertes Signal, als auch um einen kurzen Puls handeln. Unter derThe arrangement of the ultrasound components provides angle-dependent projections of the measurement object. Regardless of the starting point of an ultrasonic transmitter, a signal is emitted in all spatial directions. This can be both a frequency-modulated signal and a short pulse. Under the
Voraussetzung des Supeφositionsprinzips für mechanische Wellen haben alle potentiellen Reflexionsorte, die zu einem bestimmten Zeitpunkt einen konstruktiven Beitrag zur reflektierten Energie liefern, die gleiche Entfernung von Ultraschall-Sender zum Ultraschall-Empfänger. Die somit bestimmten Punkte sind auf einem Ellipsenbogen um E1 und Si angeordnet (Fig. 5). Da der Abstand zwischen Sender und Empfänger bekannt ist, hängt die Ausdehnung des Ellipsenbogens nur von der Entfernung Sender-Reflektor-Empfänger und somit nur von der entsprechenden Signalausbreitungszeit ab. Die Zeitreihe die am Empfänger E1 aufgezeichnet wird, entspricht der Projektion P bzgl. eines Winkels θ (Fig. 3). Der Winkel θ ist definiert als der Winkel zwischen der Normalen auf die Strecke zwischen Sender und Empfänger und der x- Achse des ortsfesten Koordinatensystems. Durch die Kombination von Sendern und Empfängern wird der Winkel θ variiert, obwohl sich die Ultraschall- Elemente in einer statischen Anordnung befinden. Durch die Variation von θ im Bereich 0° bis 180° erhält man schließlich das Analogon zur Radon-Transformierten. Simulationen haben ergeben, dass die Anordnung der Sende- und Empfangselemente auf einem Halbkreis (Halbkugel) für das prinzipielle Funktionieren des Rekonstruktionsverfahren nicht zwingend notwendig ist.A prerequisite for the principle of supeposition for mechanical waves is that all potential reflection locations that make a constructive contribution to the reflected energy at a certain point in time have the same distance from the ultrasound transmitter to the ultrasound receiver. The points thus determined are arranged on an ellipse arc around E 1 and Si (FIG. 5). Since the distance between the transmitter and the receiver is known, the extent of the ellipse arc depends only on the distance between the transmitter and the reflector and therefore only on the corresponding signal propagation time. The time series that is recorded at the receiver E 1 corresponds to the projection P with respect to an angle θ (FIG. 3). The angle θ is defined as the angle between the normal to the distance between the transmitter and receiver and the x-axis of the fixed coordinate system. The angle θ is varied by the combination of transmitters and receivers, even though the ultrasound elements are in a static arrangement. By varying θ in the range 0 ° to 180 °, the analogue to the radon transform is finally obtained. Simulations have shown that the arrangement of the transmitting and receiving elements on a semicircle (hemisphere) is not absolutely necessary for the basic functioning of the reconstruction process.
Die Sende- und Empfangscharakteristik der Ultraschall-Elemente muss nicht notwendigerweise 180° betragen. Es ist nur notwendig, dass der interessierende Objektbereich gleichmäßig ausgeleuchtet wird. Dies ist in der Konstruktion eines Ultraschall-Kopfes durch die Ausrichtung der Ultraschall-Elemente in Abhängigkeit ihrer Platzierung innerhalb des Ultraschall-Kopfes zu berücksichtigen.The transmission and reception characteristics of the ultrasound elements do not necessarily have to be 180 °. It is only necessary that the object area of interest is illuminated uniformly. This must be taken into account in the design of an ultrasound head by aligning the ultrasound elements depending on their placement within the ultrasound head.
Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit wird im folgenden nur der zweidimensionale Fall betrachtet. Da eine gleichmäßige kugelförmige Ausbreitung des Ultraschalls ausgehend von der Schallquelle stattfindet, sind für den realen dreidimensionalen Fall statt der Ellipsen rotationssymmetrische Ellipsoide zu betrachten. Mit dem geschilderten Messverfahren ist es ohne eine spezielle Anordnung der Reflexionsorte möglich ausschließlich Volumendaten zu erhalten. Das Rekonstruktionsverfahren ist, ohne prinzipielle Änderungen durchführen zu müssen, auf drei Dimensionen zu erweitern. Alle Darstellungen und Verfahren des zweidimensionalen Falles lassen sich analog auf drei Dimensionen anwenden.For reasons of better clarity, only the two-dimensional case is considered below. Since a uniform spherical propagation of the ultrasound takes place starting from the sound source, instead of the ellipses, rotationally symmetrical ellipsoids have to be considered for the real three-dimensional case. With the measurement method described, it is possible to obtain only volume data without a special arrangement of the reflection locations. The reconstruction process can be expanded to three dimensions without having to make any fundamental changes. All representations and methods of the two-dimensional case can be applied analogously to three dimensions.
Entscheidend für die vorgestellte Anordnung ist, dass das Prinzip nicht auf der Messung der Abschwächung entlang eines durchstrahlten Weges, sondern auf einem Maß für die reflektierte Energie entlang eines gekrümmten Weges beruht. Nachfolgend soll die zugrundeliegende Signalverarbeitung erklärt und entsprechende Verweise auf das Rekonstruktionsverfahren gegeben werden.It is crucial for the arrangement presented that the principle is not based on the measurement of the attenuation along a irradiated path, but on a measure of the reflected energy along a curved path. The underlying signal processing is explained below and corresponding references to the reconstruction method are given.
In dem Prinzip wird jeweils ein Ultraschall-Sender mit einem Ultraschall -Empfänger kombiniert. Vom Sender breitet sich das Signal (frequenzmoduliertes Signal oder Puls) in alle Raumrichtungen aus. Parallel dazu wird an allen Empfängern aufgezeichnet, so dass alle möglichen Sender-Empfänger Kombinationen für die Rekonstruktion bzgl. des aktiven Senders zur Verfügung stehen. Diese Prozedur wird der Reihe nach für alle Sender wiederholt. Auf diese Weise stehen zur Rekonstruktion alle möglichen Kombinationen von Sendern und Empfängern zur Verfügung. Anhand des am Empfänger aufgezeichneten Signals wird im folgenden der Signalverarbeitungsweg dargestellt.In principle, an ultrasound transmitter is combined with an ultrasound receiver. The signal (frequency-modulated signal or pulse) propagates from the transmitter in all spatial directions. In parallel, all receivers are recorded, so that all possible transmitter-receiver combinations are available for the reconstruction of the active transmitter. This procedure is repeated in sequence for all transmitters. In this way, all possible combinations of transmitters and receivers are available for reconstruction. The signal processing path is shown below on the basis of the signal recorded at the receiver.
Nach der Messung erfolgt die Korrelation mit dem zugehörigen FM-Code (Code der Frequenzmodulation). Des Sendesignals. Die Berechnung der Hüllkurve erfolgt durch Bandpassfilterung, Quadrierung des Signals und anschließender Tiefpassfilterung mit entsprechend konstruierten digitalen Zerophase Filtern. Die Fensterung im Frequenzbereich wird mit einer der folgenden Fensterfunktion durchgeführt: ,Hamming', ,Hanning', ,Shepp-Logan', und ,Cosinus'.After the measurement, the correlation with the associated FM code (code of frequency modulation) takes place. The broadcast signal. The envelope curve is calculated by bandpass filtering, squaring the signal and then lowpass filtering with appropriately designed digital zero-phase filters. Windowing in the frequency domain is carried out with one of the following window functions: 'Hamming', 'Hanning', 'Shepp-Logan', and 'Cosinus'.
Für die Rekonstruktion soll der mathematische Hintergrund ebenfalls für den zweidimensionalen Fall, d.h. der Rekonstruktionsalgorithmus, dargestellt werden. Wie schon erwähnt kann das Verfahren ohne Probleme auf drei Dimensionen erweitert werden. Wie oben bereits erwähnt, liegen die Reflexionsorte deren rückgestreute Energie sich zu gleichen Zeitpunkten in der am Empfänger aufgezeichneten Zeitreihe addieren auf Ellipsen mit Sender und Empfänger in jeweils einem Brennpunkt. Die Parameter der gedrehte Ellipse sind durch die Entfernung und der Zeit, die der Schall für die Strecke vom Sender zu einem Punkt der Ellipse zum Empfänger benötigt, eindeutig bestimmt.For the reconstruction, the mathematical background should also be for the two-dimensional case, i.e. the reconstruction algorithm. As already mentioned, the process can be expanded to three dimensions without any problems. As already mentioned above, the reflection sites whose backscattered energy are added at the same times in the time series recorded on the receiver are on ellipses with transmitter and receiver in one focal point each. The parameters of the rotated ellipse are clearly determined by the distance and the time that the sound takes to travel from the transmitter to a point of the ellipse to the receiver.
Durch die beschriebene Abbildung der Zeitreihen auf die entsprechenden Ellipsenbogen erhält man ein sogenanntes Streifenbild bzgl. des Senders und des dazugehörigenThe described mapping of the time series on the corresponding elliptical arcs gives a so-called stripe image with respect to the transmitter and the associated one
Empfangers. Die Anzahl der verwendeten Sender-Empfänger Kombinationen ergeben die Anzahl der resultierenden Streifenbilder. Zu jeder Sender-Empfänger Kombination muss eine Indexmatrix berechnet werden. Der Schnitt der (Fig. 9) dargestellten Indexmatrix mit der Ebene parallel zum Objektebene ergibt immer eine Ellipse. Für den dreidimensionalen Fall ergibt sich entsprechend eine dreidimensionale Matrix und statt der Ellipsen rotationssymmetrische Ellipsoide.Consignee. The number of transmitter-receiver combinations used results in the number of resulting stripe images. An index matrix must be calculated for each transmitter-receiver combination. The intersection of the index matrix (FIG. 9) with the plane parallel to the object plane always results in an ellipse. For the three-dimensional case, a three-dimensional matrix is obtained and, instead of the ellipses, rotationally symmetrical ellipsoids.
Die Konstruktion der Indexmatrizen ist wie folgt dargestellt:The construction of the index matrices is shown as follows:
Grundgleichung der Ellipse:Basic equation of the ellipse:
4b2 +d2
Figure imgf000009_0001
4b 2 + d 2
Figure imgf000009_0001
Drehnung und Translation:Rotation and translation:
D ; Drehmatrix, t = Translationsvektor
Figure imgf000009_0002
j -2J
D; Rotation matrix, t = translation vector
Figure imgf000009_0002
j -2J
Figure imgf000009_0003
Figure imgf000009_0003
(G1.1)(G1.1)
Ausgehend von der Grundgleichung der Ellipse in Parameterform wird die Gleichung der gedrehten und verschobenen Ellipse, wie oben beschrieben, hergeleitet. Wie bereits weiter oben erwähnt, sind die Parameter d,φ und die Vektoren t,y der gedrehten Ellipse bekannt bzw. aus vorhandenen Größen ableitbar. Die einzigen Unbekannten in Gl.l sind xi und der von der Signalausbreitungszeit zeitabhängige Halbparameter b der Ellipse. Gleichung 1 kann nach diesen beiden Unbekannten aufgelöst werden und man erhält genau eine reelle Lösung für den interessierenden Parameter b. Aufgrund dieser Lösung kann die Signalausbreitungszeit von Sender zu jedem Punkt des Objektbereiches berechnet werden. Das Ergebnis ist die oben beschriebene Indexmatrix.Starting from the basic equation of the ellipse in parameter form, the equation of the rotated and shifted ellipse is derived as described above. As already mentioned above, the parameters d, φ and the vectors t, y of the rotated ellipse are known or can be derived from existing quantities. The only unknowns in Eq. 1 are xi and the half parameter b of the ellipse, which is time-dependent on the signal propagation time. Equation 1 can be solved for these two unknowns and you get exactly one real solution for the parameter of interest b. Because of this solution, the signal propagation time from the transmitter can be calculated to any point in the object area. The result is the index matrix described above.
Man erhält die komplette Rekonstruktion eines Grauwertbildes durch die Addition der einzelnen Streifenbilder. Der Grauwert jedes Pixel entspricht also dem Integral der von im reflektierten Energie bzgl. unterschiedlichen Winkeln.The complete reconstruction of a grayscale image is obtained by adding the individual stripe images. The gray value of each pixel thus corresponds to the integral of the angles which are reflected in the energy.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand einem Ausfuhrungsbeispiel erläutert werden. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in den einzelnen Zeichnungen gleiche oder ähnliche Teile.The invention will be explained below using an exemplary embodiment. The same reference numerals designate the same or similar parts in the individual drawings.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Anordnung zur Bildwiedergabe fürFig. 1 shows the basic structure of an arrangement for image reproduction for
Computertomographen mit Ultraschall; Fig. 2 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Rekonstruktion von Bildern;Computer tomographs with ultrasound; 2 shows an illustration for explaining the reconstruction of images;
Fig. 3 zeigt eine Darstellung des Messprinzips der Computertomographie;3 shows an illustration of the measurement principle of computer tomography;
Fig. 4A -4C zeigen ein Bild, seine Radontransformierte und das Ergebnis der inversen4A-4C show an image, its radon transform and the result of the inverse
Radontransformation;Radon transform;
Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der erzwungenen Rekonstruktion eines Artefakts (Objektes);5 shows a diagram for explaining the forced reconstruction of an artifact (object);
Fig. 6 zeigt eine zweidimensionale Darstellung des Messprinzips zur Datenakquisition;6 shows a two-dimensional representation of the measurement principle for data acquisition;
Fig. 7 zeigt den Weg der Datenverarbeitung;Fig. 7 shows the way of data processing;
Fig. 8 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Berechnung von Idexmatrizen aufgrund der Ellipsengleichung; und Fig. 9 zeigt eine Indexmatrix zur Konstruktion eines Streifenbildes.8 shows an illustration for explaining the calculation of idex matrices on the basis of the ellipse equation; and Fig. 9 shows an index matrix for constructing a stripe image.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Anordnung zur Bildwiedergabe für Computertomographen mit Ultraschall dargestellt. Die Anordnung zur Bildwiedergabe für Computertomographen mit Ultraschall besteht aus einer beliebigen Anzahl von Sendern 1- 1 bis 1-s und einer beliebigen Anzahl von Empfangern 2-1 bis 2-e, die in bekannten1 shows the basic structure of an arrangement for image reproduction for computed tomography with ultrasound. The arrangement for image reproduction for computer tomographs with ultrasound consists of any number of transmitters 1- 1 to 1-s and any number of receivers 2-1 to 2-e, which are known in the art
Positionen zueinander um das Objekt 3 angeordnet sind, so dass das Objekt 3 vollständig beschallt wird und alle Antwortsignale empfangen werden, wobei die Sendesignale der einzelnen Sender 1-1 bis 1-s unterschiedliche sich nicht gegenseitig beeinflussende Modulationsfunktionen (FM-Code 6-1 bis 6-s) besitzen. Die einzelnen Sender 1-1 bis 1-s sind mit Signalgeneratoren 4-1 bis 4-s gekoppelt, die Sendesignale mit den gewünschten sich nicht gegenseitig beeinflussenden Modulationsfunktionen erzeugen. In diesem Ausfuhrungsbeispiel sind den einzelnen Empfängern 2-1 bis 2-e A/D-Wandler 5-1 bis 5-e nachgeordnet. Es folgt eine Korrelationseinheit 17 mit der Größe des Produktes aus der Anzahl der Sender 1 und der Anzahl der Empfänger 2, wobei jeder Sender 1 mit einem Korrelator jedes Empfängers 2 und jeder Empfänger 2 mit einem Korrelator eines jeden Senders 1 verbunden ist. Die einzelnen Ergebnisse der Korrelationseinheit 17 werden einzeln in ersten Speichern 7-1-1 bis 7-e-s abgelegt. In Fig. 7 ist der Weg derPositions to each other are arranged around the object 3, so that the object 3 is completely sonicated and all response signals are received, the transmission signals of the individual transmitters 1-1 to 1-s have different modulation functions that do not influence each other (FM code 6-1 to 6-s). The individual transmitters 1-1 to 1-s are coupled to signal generators 4-1 to 4-s, which generate transmit signals with the desired modulation functions that do not influence one another. In this exemplary embodiment, the individual receivers 2-1 to 2-e are A / D converters 5-1 to 5-e. A correlation unit 17 follows with the size of the product of the number of transmitters 1 and the number of receivers 2, each transmitter 1 being connected to a correlator of each receiver 2 and each receiver 2 being connected to a correlator of each transmitter 1. The individual results of the correlation unit 17 are stored individually in first memories 7-1-1 to 7-es. In Fig. 7 the way is
Datenverarbeitung dargestellt. Die Zeitreihen und die Orte der Reflexionen werden in der nachfolgenden Berechnungseinheit 18 für die Parameter der Abbildung Hüllkurve) bestimmt. Diese Ergebnisse werden in zweiten Speichern 9-1-1 bis 9-e-s abgelegt. Die in den zweiten Speichern 9-1-1 bis 9-e-s gespeicherten Ergebnisse stellen die Werte der einzelnen Streifenbilder 12 dar, die summiert das Graubild 13 ergeben, das auf einem Visualisierungsgerät (nicht gezeigt) dargestellt werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Korrelatoreinheit 17 je ein A/D- Wandler 5-1 bis 5-e vorgeschaltet. Es ist aber auch möglich, die A/D-Wandler 5-1 bis 5-e der Korrelatoreinheit 17 nachzuschalten. Alle Funktionen der Anordnung zur Bildwiedergabe werden von einer Steuereinheit 11 gesteuert.Data processing shown. The time series and the locations of the reflections are determined in the following calculation unit 18 for the parameters of the illustration of the envelope). These results are stored in second memories 9-1-1 to 9-e-s. The results stored in the second memories 9-1-1 to 9-e-s represent the values of the individual stripe images 12, which sum up to give the gray image 13, which can be displayed on a visualization device (not shown). In this exemplary embodiment, the correlator unit 17 is preceded by an A / D converter 5-1 to 5-e. However, it is also possible to connect the A / D converters 5-1 to 5-e downstream of the correlator unit 17. All functions of the arrangement for image reproduction are controlled by a control unit 11.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Rekonstruktion von Graubildern 13. Um aus den in Speicher 9-1-1 bis 9-e-s enthaltenen Werte Streifenbilder 12 zu konstruieren, werden die im Speicher 9-1-1 bis 9-e-s enthaltenen Werte durch die aus Gl.l abgeleitete Abbildungsvorschrift auf ein Speicherarray abgebildet. Die von Null verschiedenen Werte werden, abhängig von der Position der zu dieser Aufnahme gehörenden Sensoren, eindeutig auf eine Ellipsenschar abgebildet. Die räumliche Orientierung der Ellipsenschar ist hierbei abhängig von der bekannten Position der Sender 1 und der Empfänger 2 zueinander. Diese Abbildung wird für jede in Betracht gezogene Sender-Empfänger- Kombination durchgeführt. Anschließend wird das Grauwertbild 13 durch Summation der einzelnen Streifenbilder 12 erhalten. Die zweidimensibnale Darstellung des Messprinzips zur Datenakquisition mittels Ultraschall ist in Fig. 6 dargestellt. Die in Fig. 6 dargestellte Anordnung von Ultraschallkomponenten liefert analog zu dem in Fig. 3 beschriebenen Messsystem winkelabhängige Projektionen des Messobjektes. Wie bereits beschrieben wurde, wird von einem Ultraschall-Sender ein Signale ungerichtet in alle Raumrichtungen ausgesendet. Es kann sich dabei sowohl um ein frequenzmoduliertes Signal als auch um einen Puls handeln. Unter der Voraussetzung des Supeφositionsprinzips für mechanische Wellen haben alle potentiellen Objektpunkte 3, die zu einem bestimmten Zeitpunkt einen konstruktiven Beitrag zur reflektierten Energie liefern, die gleiche Entfernung von Ultraschall-Sender und vom Ultraschall- Empfänger. Die somit bestimmten Objektpunkte 3 sind auf einem Ellipsenbogen um Ei und St angeordnet. Da der Abstand zwischen Sender 1 und Empfänger 2 bekannt ist, hängt die Ausdehnung des Ellipsenbogens nur von der Entfernung Sender-Reflektor- Empfänger und somit nur von der entsprechenden Signalausbreitungszeit ab. Die Zeitreihe die am Empfanger Ei aufgezeichnet wird entspricht der Projektion P bzgl. eines Winkels θ, wobei θ als Winkel zwischen der Normalen auf die Strecke zwischen Sender und Empfänger und der x- Achse des ortsfesten Koordinatensystems. Durch die Kombination von Sendern 1 und Empfangern 2 wird der Winkel θ variiert, obwohl sich die Ultraschall- Elemente in einer statischen Anordnung befinden. Durch die Variation von θ im Bereich 0° bis 180° erhält man schließlich das Analogon zur Radon-Transformierten in Fig. 4 B. Simulationen haben ergeben, dass die Anordnung der Sender 1 und Empfanger 2 auf einem Halbkreis (Halbkugel) für das prinzipielle Funktionieren des Rekonstruktionsverfahren nicht zwingend notwendig ist.2 shows an illustration for explaining the reconstruction of gray images 13. In order to construct stripe images 12 from the values contained in memories 9-1-1 to 9-es, the values contained in memories 9-1-1 to 9-es become mapped onto a memory array by the mapping rule derived from Eq. The non-zero values are clearly mapped onto an array of ellipses, depending on the position of the sensors belonging to this recording. The spatial orientation of the ellipse family is dependent on the known position of the transmitter 1 and the receiver 2 relative to one another. This mapping is done for each transmitter-receiver combination under consideration. The gray-scale image 13 is then obtained by summing the individual stripe images 12. The two-dimensional representation of the measurement principle for data acquisition by means of ultrasound is shown in FIG. 6. The arrangement of ultrasound components shown in FIG. 6 provides angle-dependent projections of the measurement object analogous to the measurement system described in FIG. 3. As has already been described, an ultrasound transmitter emits a signal in all directions without direction. It can be both a frequency-modulated signal and a pulse. Assuming the principle of supeposition for mechanical waves, all potential object points 3, which make a constructive contribution to the reflected energy at a certain point in time, have the same distance from the ultrasound transmitter and from the ultrasound receiver. The object points 3 thus determined are arranged on an ellipse arch around Ei and S t . Since the distance between transmitter 1 and receiver 2 is known, the extent of the ellipse arc depends only on the distance between the transmitter-reflector and receiver and thus only on the corresponding signal propagation time. The time series recorded on the receiver Ei corresponds to the projection P with respect to an angle θ, where θ is the angle between the normal to the distance between the transmitter and receiver and the x-axis of the fixed coordinate system. The angle θ is varied by the combination of transmitters 1 and receivers 2, although the ultrasound elements are in a static arrangement. The variation of θ in the range 0 ° to 180 ° finally gives the analogue to the radon transform in FIG. 4 B. Simulations have shown that the arrangement of the transmitters 1 and receivers 2 on a semicircle (hemisphere) for the basic functioning of the reconstruction process is not absolutely necessary.
Nachfolgend soll die zugrundeliegende Signalverarbeitung erklärt und entsprechende Verweise auf das Rekonstruktionsverfahren gegeben werden. In dem in Fig. 6 dargestellten Prinzip wird jeweils in Ultraschall -Sender mit einem Ultraschall -Empfänger kombiniert. Vom Sender breitet sich das Signal (FM-Signal, oder Puls) in alle Raumrichtungen aus. Parallel dazu wird an allen Empfangern 2 aufgezeichnet, so dass alle möglichen Sender-Empfänger Kombinationen für denThe underlying signal processing is explained below and corresponding references to the reconstruction method are given. In the principle illustrated in FIG. 6, an ultrasound transmitter is combined with an ultrasound receiver. The signal (FM signal, or pulse) propagates from the transmitter in all spatial directions. In parallel, all receivers 2 are recorded, so that all possible transmitter-receiver combinations for the
Rekonstruktionsalgorithmus bzgl. des aktiven Senders 1 zur Verfügung stehen. Diese Prozedur wird der Reihe nach für alle Sender 1 wiederholt. Auf diese Weise stehen zur Rekonstruktion alle möglichen Kombinationen von Sendern 1 und Empfängern 2 zur Verfügung. Anhand des am Empfänger aufgezeichneten Signals wird im folgenden anhand Fig. 7 der Signalverarbeitungsweg dargestellt. Die Vorgehensweise ist auf alle gemessenen Zeitreihen, auch auf den dreidimensionalen Fall, übertragbar.Reconstruction algorithm with respect to the active transmitter 1 are available. This procedure is repeated in sequence for all transmitters 1. In this way, are available Reconstruction of all possible combinations of transmitters 1 and 2 receivers available. Based on the signal recorded at the receiver, the signal processing path is shown below with reference to FIG. 7. The procedure can be applied to all measured time series, including the three-dimensional case.
In Fig. 7 ist der Weg der Signalverarbeitung dargestellt. Nach der Datenerfassung 16 erfolgt in der Korrelatoreinheit 17 mit den zugehörigen FM-Codes 6. Die Berechnung der Hüllkurve 18 erfolgt durch Bandpassfilterung, Quadrierung des Signals und anschließender Tiefpassfilterung mit entsprechend konstruierten digitalen Zerophase Filtern. Die bereits beschriebene Fensterung im Frequenzbereich 19 wird mit einer der folgenden Fensterfunktion durchgeführt: ,Hamming', ,Hanning', ,Shepp-Logan', und , Cosinus'.7 shows the way of signal processing. After the data acquisition 16 takes place in the correlator unit 17 with the associated FM codes 6. The envelope 18 is calculated by bandpass filtering, squaring the signal and subsequent lowpass filtering with appropriately designed digital zero phase filters. The windowing in frequency range 19 already described is carried out with one of the following window functions: 'Hamming', 'Hanning', 'Shepp-Logan', and 'Cosinus'.
Für die Rekonstruktion soll der mathematische Hintergrund für den zweidimensionalen Fall, d.h. der Rekonstruktionsalgorithmus, dargestellt werden. Wie schon erwähnt kann der Algorithmus ohne Probleme auf drei Dimensionen erweitert werden. Zur Erläuterung soll die in Fig. 8 gezeigte Darstellung dienen. Fig. 8 zeigt ein Weltkoordinatensystem bzgl. dessen die Positionen sämtlicher Ultraschall -Komponenten definiert sind. Der Bereich, in dem das Objekt 3 liegt, ist mit einem Rechteck gekennzeichnet. Er definiert die Teilmenge des Weltkoordinatensystems in der umrandeten Fläche, das das Ergebnis der Rekonstruktion als Grauwertbild 13 darstellt. Wie oben bereits erwähnt, liegen die Refiexionsorte deren rückgestreute Energie sich zu gleichen Zeitpunkten in der an den Empfängern aufgezeichneten Zeitreihe addieren, auf Ellipsen mit den entsprechenden Sendern und Empfängern in jeweils einem Brennpunkt. Die Parameter der in Fig. 8 eingezeichneten, gedrehte Ellipse sind durch die Entfernung d und der Zeit, die der Schall für die Strecke von S zu einem Punkt der Ellipse zu E benötigt, eindeutig bestimmt.For the reconstruction, the mathematical background for the two-dimensional case, i.e. the reconstruction algorithm. As already mentioned, the algorithm can easily be extended to three dimensions. The illustration shown in FIG. 8 is intended to serve as an explanation. 8 shows a world coordinate system with respect to which the positions of all ultrasound components are defined. The area in which object 3 is located is marked with a rectangle. It defines the subset of the world coordinate system in the bordered area, which represents the result of the reconstruction as a gray scale image 13. As already mentioned above, the reflection locations whose backscattered energy add up at the same times in the time series recorded on the receivers are on ellipses with the corresponding transmitters and receivers in a focal point in each case. The parameters of the rotated ellipse shown in FIG. 8 are uniquely determined by the distance d and the time it takes for the sound to travel from S to a point of the ellipse to E.
Durch die beschriebene Abbildung der Zeitreihen auf die entsprechenden Ellipsenbogen erhält man ein sogenannten Streifenbild 12 bzgl. Der einzelnen Sender 1-1 bis 1-s und des jeweiligen Empfängers 2-1 bis 2-e. Die Anzahl der verwendeten Sender-Empfänger Kombinationen ergeben die Anzahl der resultierenden Streifenbilder 12. Fig. 9 zeigt eine Indexmatrix zur Abbildung der genannten Zeitreihe auf ein Streifenbild 12. Zu jeder Sender-Empfänger Kombination muss eine Indexmatrix berechnet werden. Die Grundfläche der in Fig. 9 dargestellten Indexmatrix ist identisch mit den Elementen (Pixel/Voxel) des Objektbereiches. Diesen wird hierdurch ein Indexwert zugeordnet, der auf den Eintrag in der abzubildenden Zeitreihe verweist. Der Schnitt der oben dargestellten Indexmatrix mit der Ebene parallel zur Objektebene ergibt immer eine Ellipse. Für den dreidimensionalen Fall ergibt sich entsprechend eine dreidimensionale Matrix und statt der Ellipsen rotationssymmetrische Ellipsoide.The described mapping of the time series on the corresponding ellipse arcs gives a so-called stripe image 12 with respect to the individual transmitters 1-1 to 1-s and the respective receiver 2-1 to 2-e. The number of transmitter-receiver combinations used results in the number of resulting stripe images 12. 9 shows an index matrix for mapping the time series mentioned onto a strip image 12. An index matrix must be calculated for each transmitter-receiver combination. The base area of the index matrix shown in FIG. 9 is identical to the elements (pixels / voxels) of the object area. This assigns an index value that refers to the entry in the time series to be displayed. The intersection of the index matrix shown above with the plane parallel to the object plane always results in an ellipse. For the three-dimensional case, a three-dimensional matrix is obtained and, instead of the ellipses, rotationally symmetrical ellipsoids.
Ausgehend von der Grundgleichung der Ellipse in Parameterform wird die Gleichung der gedrehten und verschobenen Ellipse, wie oben beschrieben, hergeleitet. Aufgrund dieser Lösung kann die Signalausbreitungszeit von jedem Sender 1 zu jedem Punkt des Objektbereiches 3 berechnet werden. Das Ergebnis ist die oben beschriebene Indexmatrix.Starting from the basic equation of the ellipse in parameter form, the equation of the rotated and shifted ellipse is derived as described above. On the basis of this solution, the signal propagation time can be calculated from each transmitter 1 to every point of the object area 3. The result is the index matrix described above.
Man erhält die komplette Rekonstruktion eines Grauwertbildes 13 durch die Addition der einzelnen Streifenbilder 12. Der Grauwert jedes Pixel entspricht also dem Integral der von im reflektierten Energie bzgl. unterschiedlichen Winkeln. The complete reconstruction of a gray scale image 13 is obtained by adding the individual stripe images 12. The gray scale value of each pixel thus corresponds to the integral of the angles reflected in the energy and different angles.

Claims

Patentansprüche claims
1. Anordnung zur Bildwiedergabe für Computertomographen mit Ultraschall bestehend aus einer beliebigen Anzahl aber mindestens zwei Sendern (1) und einer beliebigen Anzahl aber mindestens zwei Empfängern (2), die in bekannten1. Arrangement for image reproduction for computer tomographs with ultrasound consisting of any number but at least two transmitters (1) and any number but at least two receivers (2) known in
Positionen zueinander um das Objekt angeordnet sind, so dass das Objekt (3) beschallt wird und die Antwortsignale empfangen werden, wobei die Sendesignale der einzelnen Sender unterschiedliche sich nicht gegenseitig beeinflussende Modulationsfunktionen besitzen, dadurch gekennzeichnet, dass den Empfangern nacheinander a) ein A/D-Wandler, b) eine Korrelatoreinheit (17), in der jedes Empfangssignal mit jedem Sendesignal korreliert wird; c) eine Berechnungseinheit (18) für die Parameter der Abbildung, mit einem Berechnungsteil für die Hüllkurve, einem nachfolgenden Berechnungsteil für diePositions to one another are arranged around the object, so that the object (3) is sonicated and the response signals are received, the transmission signals of the individual transmitters having different modulation functions which do not influence one another, characterized in that the receivers in succession a) have an A / D Converter, b) a correlator unit (17) in which each received signal is correlated with each transmitted signal; c) a calculation unit (18) for the parameters of the figure, with a calculation part for the envelope, a subsequent calculation part for the
Indexmatrix (12) und mindestens einer diskreten Integrationseinheit (13); und d) ein Anzeigegerät nachgeschaltet ist.Index matrix (12) and at least one discrete integration unit (13); and d) a display device is connected downstream.
2. Anordnung zur Bildwiedergabe für Computertomographen mit Ultraschall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Berechnungsteil für die Hüllkurve eine Fensterung im Frequenzbereich (19) vorgesehen ist. 2. Arrangement for image reproduction for computer tomographs with ultrasound according to claim 1, characterized in that after the calculation part for the envelope a window in the frequency range (19) is provided.
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