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Diese
Erfindung bezieht sich auf medizinische Ultraschall-Diagnostiksysteme
und insbesondere auf ein voll integriertes, handgehaltenes bzw. Hand-Ultraschall-Diagnostikinstrument.
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Wie
wohl bekannt ist, sind moderne Ultraschall-Diagnostiksysteme große, komplexe
bzw. komplizierte Instrumente. Heutige, hochwertige Ultraschallsysteme,
während
sie auf Wagen für
Portabilität
montiert sind, wiegen nach wie vor mehrere hundert englische Pfund.
In der Vergangenheit waren Ultraschallsysteme, zum Beispiel das
ADR 4000 Ultraschallsystem, das von Advanced Technology Laboratories,
Inc., Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung, hergestellt wird,
kleinere Desktop-Einheiten ungefähr
von der Größe eines
Personalcomputers. Jedoch ermangelt es derartigen Instrumenten an
vielen der verbesserten bzw. fortgeschrittenen Merkmale heutiger
hochwertiger Ultraschallsysteme, zum Beispiel Farb-Doppler-Abbildung
und dreidimensionalen Displayfähigkeiten.
Wenn Ultraschallsysteme hoch entwickelter geworden sind, so sind sie
ebenfalls sperriger bzw. voluminöser
geworden.
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Jedoch
mit der immer zunehmenden Dichte von analoger und digitaler Elektronik
ist es nunmehr möglich,
eine Zeit vorherzusehen, wann Ultraschallsysteme dazu befähigt sein
werden, zu einer Größe bzw.
Abmessung noch kleiner als ihre vielen früheren Vorgänger miniaturisiert zu werden.
Der Arzt ist daran gewöhnt,
mit einem in der Hand gehaltenen Ultraschall-Abtastkopf zu arbeiten,
welcher ungefähr
die Größe eines
Elektrorasierers aufweist. Es würde wünschenswert
sein, konsistent mit dem gewohnten bzw. vertrauten Abtastkopf, dazu
befähigt
zu sein, das gesamte Ultraschallsystem in einer Einheit mit Abtastkopfgröße zu kompaktieren
bzw. komprimieren. Es würde
außerdem
für ein
derartiges Ultraschallinstrument wünschenswert sein, so viele
Merkmale von heutigen, hoch entwickelten Ultraschallsystemen wie
möglich
zu enthalten, zum Beispiel Fleckenreduzierungs-, Farb-Doppler- und
dreidimensionale Abbildungsfähigkeiten.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein handgehaltenes bzw. Hand-Ultraschall-Abbildungssystem
vorgesehen, wie in Anspruch 1 definiert. Folglich ist ein diagnostisches
Ultraschallinstrument vorgesehen, welches viele der Merkmale eines
hochwertigen Ultraschallsystems in einer handgehaltenen Einheit
aufweist. Das Instrument kann als eine einzelne Einheit hergestellt
werden oder, in einer bevorzugten Ausführungsform, ist das Instrument
eine zweiteilige Einheit, von denen die eine einen Transducer bzw.
Wandler, einen Strahlformer bzw. -bündler, und einen Image-Prozessor
bzw. Bildverarbeitungssystem aufweist und die andere ein Display
bzw. Anzeige und eine Energie- bzw. Stromquelle für beide
Einheiten aufweist. Bei einer derartigen Konfiguration bzw. Ausgestaltung
kann die Wandler/Prozessor-Einheit mit einer Hand betätigt werden,
während
ein Kabel zwischen den zwei Einheiten es ermöglicht, dass das Video an der
Displayeinheit zu sehen ist, während
die letztere Einheit für
optimale Betrachtung bzw. Beobachtung des Ultraschallbildes gehalten oder
positioniert ist. Das Kabel liefert ebenfalls Energie für die Wandler/Prozessor-Einheit
von der Displayeinheit.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Ultraschallsystem, von dem Wandler bis einschließlich zu
einem Videoausgang, an vier Typen von anwendungsspezifischen integrierten
Schaltungen bzw. Schaltkreisen (ASICs) hergestellt: ein Sende/Empfangs- ASIC, welcher mit
den Elementen einer Wandler-Anordnung bzw. -gruppe verbunden ist, ein
Vorderende-ASIC, welcher Senden und Empfangen von Strahlformung
ausführt
und steuert bzw. regelt, ein Digitalsignal-Verarbeitungs-ASIC, welcher Verarbeiten
der Ultraschallsignale, z.B. Filtern, ergibt, und ein Hinterende-ASIC,
welcher verarbeitete Ultraschallsignale empfängt und Ultraschallbilddaten erzeugt.
Eine bevorzugte Architektur bzw. Bauart für einen analogen -Sende/Empfangs-ASIC
ist eine Multiplex N:1, 1:M-Konfiguration. Das Bild kann entweder
an einem Standardmonitor oder an einer Flüssigkristallanzeige (LCD) angezeigt
werden. Ohnehin aus den ASICs bestehend, kann die Elektronik der Einheit
an wenigen oder gar an einer einzigen gedruckten Schaltplatte bzw.
-platine hergestellt werden, wodurch die Probleme beseitigt werden,
die sich in herkömmlicher
Weise durch Verbinder und Kabel ergeben. Das hoch entwickelte Ultraschallinstrument kann
als eine handgehaltene bzw. Handeinheit hergestellt werden, welche
weniger als fünf
englische Pfund wiegt.
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In
den Zeichnungen:
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1 veranschaulicht
in Form eines Blockschaltbilds die Architektur eines handgehaltenen bzw.
Hand-Ultraschallsystems nach der vorliegenden Erfindung;
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2a bzw. 2b ist
eine Vorderansicht bzw. eine Seitenansicht eines Hand-Ultraschallsystems
nach der vorliegenden Erfindung, welches als eine einzelne Einheit
in einem Gehäuse
untergebracht ist bzw. eine einzelne Baueinheit bildet;
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3a bzw. 3b ist
eine Vorderansicht bzw. Seitenansicht der Transducer- bzw. Wandler-Einheit
eines Doppeleinheit-Hand-Ultraschallsystems nach der vorliegenden
Erfindung;
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4 veranschaulicht
die zwei Einheiten eines Hand-Ultraschallsystems nach der vorliegenden-Erfindung
in einer Doppeleinheit-Baugruppe;
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5 ist
eine schematische Darstellung des Sende/Empfangs-ASIC bzw. anwendungsspezifischen
Schaltkreises des Ultraschallsystems nach 1, welcher
jedoch nicht eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung bildet;
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6 ist
ein Blockschaltbild des Vorderende-ASIC des Ultraschallsystems nach 1;
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7 veranschaulicht
die Apertur- bzw. Öffnungssteuerung
bzw. -regelung, die durch die Sende/Empfangs- und Vorderende-ASICs
geboten bzw. bereitgestellt wird;
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8 veranschaulicht
in Form eines Blockschaltbilds eine zweite Ausführungsform nach der vorliegenden
Erfindung;
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9 veranschaulicht
den ASIC nach 8, welcher mit einer Transducer-
bzw. Wandler-Anordnung bzw. -gruppe und einem Strahlformer verbunden
ist; und
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10 ist
ein Diagramm bzw. schematische Darstellung der Anwendersteuerungen
bzw. -regelungen des Ultraschallsystems nach 1.
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Wenn
zuerst auf 1 Bezug genommen wird, so ist
hierin die Architektur bzw. Bauweise eines handgehaltenen bzw. Hand-Ultraschallsystems
nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es ist möglich, ein
gesamtes Ultraschallsystem in einer einzelnen Handeinheit nur durch
sinnvolle bzw. zweckentsprechende Wahl von Funktionen und Merkmalen und
effiziente Verwendung einer integrierten Schaltung bzw. Schaltkreises
und Ultraschalltechnologie unterzubringen. Eine Transducer- bzw.
Wandler-Anordnung bzw. -gruppe 10 wird für seine
Festkörper-, elektronischen
Steuer- bzw. Regelfähigkeiten,
variable Apertur, Bildperformance bzw. -leistung und -Zuverlässigkeit
verwendet. Es kann entweder eine flache bzw. ebene oder gekrümmte lineare
Anordnung verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Anordnung eine gekrümmte
Anordnung, welche ein Breitsektor-Abtastfeld bietet. Während die
bevorzugte Ausführungsform
eine ausreichende Verzögerungsfähigkeit
vorsieht, um eine flache Anordnung, z.B. eine phasengesteuerte Anordnung,
sowohl zu lenken als auch zu fokussieren, reduziert die geometrische
Krümmung
der gekrümmten
Anordnung die Lenkverzögerungserfordernisse an
dem Strahlformer. Die Elemente der Anordnung sind mit einem Sende/Empfangs-ASIC 20 verbunden,
welcher die Wandlerelemente treibt bzw. antreibt und die von den
Elementen empfangenen Echos empfängt.
Der Sende/Empfangs-ASIC 20 steuert bzw. regelt außerdem die
Sende- und Empfangsaperturen der Anordnung 10 und die Verstärkung der
empfangenen Echosignale. Der Sende/Empfangs-ASIC ist vorzugsweise
innerhalb von Inches der Wandlerelemente angeordnet, vorzugsweise
in dem gleichen Gehäuse,
und gleich hinter dem Wandler.
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Echos,
die durch den Sende/Empfangs-ASIC 20 empfangen werden,
werden zu dem benachbarten bzw. angrenzenden Front-end-bzw. Vorderende-ASIC 30 geliefert,
welcher die Echos von den einzelnen Wandlerelementen in Scan-Line-
bzw. Abtastzeilen-Signale strahlformt. Der Vorderende-ASIC 30 steuert
bzw. regelt die Sendewellenform, Timing, Apertur und Fokussieren
des Ultraschallstrahls durch Steuer- bzw. Regelsignale, die für den Sende/Empfangs-ASIC
geliefert werden. Bei der veranschaulichten Ausführungsform liefert der Vorderende-ASIC 30 Timing-
bzw. Taktsignale für
die anderen ASICs und zeitabhängige
Verstärkungssteuerung
bzw. -regelung ("time
gain control").
Ein Leistungs- bzw. Strom- und Batterie- bzw. Akkumulator-Management-Untersystem 80 überwacht
und steuert bzw. regelt die Leistung bzw. Strom, der auf die Wandler-Anordnung aufgebracht
wird, um hierdurch die Schallenergie zu steuern bzw. regeln, welche
auf den Patienten aufgebracht wird, und den Leistungs- bzw. Stromverbrauch
der Einheit zu minimieren. Eine Speichervorrichtung 32 ist
mit dem Vorderende-ASIC 30 verbunden, welche die durch
den Strahlformer verwendeten Daten speichert.
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Strahlgeformte
Scan-Line-Signale werden von dem Vorderende-ASIC 30 zu
dem benachbarten bzw. angrenzenden, digitalen signalverarbeitenden ASIC 40 gekoppelt.
Der digitale signalverarbeitende ASIC 40 filtert die Scan-Line-Signale
und liefert bei der bevorzugten Ausführungsform außerdem mehrere
weiterentwickelte Merkmale, einschließlich Bildung einer synthetischen
Apertur, Frequenz-Kompoundierung, Dopplerverarbeitung, z.B. Power-Doppler
(Color-Power-Angio)-Verarbeitung, und Fleckenreduktion.
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Der
Ultraschall-B-Modus und Dopplerinformation werden sodann mit dem
benachbarten bzw. angrenzenden Back-end- bzw. Hinterende-ASIC 50 für Scan-
bzw. Abtast-Umwandlung
und die Erzeugung von Videoausgangssignalen gekoppelt. Eine Speichervorrichtung 42 ist
mit dem Hinterende-ASIC 50 gekoppelt, um Speicherung zu
ergeben, die bei dem dreidimensionalen Power-Doppler (3D CPA)-Abbilden
verwendet wird. Der Hinterende-ASIC fügt außerdem alphanumerische Information
zu dem Display, z.B. die Zeit, Datum, und Patientenidentifikation,
hinzu. Ein Grafikprozessor überlagert
das Ultraschallbild mit Information, z.B. Tiefen- und Fokus- bzw.
Brennpunkt-Markierern
und -Kursoren. Frames bzw. Einzelbilder von Ultraschallbildern werden
in einem Videospeicher 54 gespeichert, der mit dem Hinterende-ASIC 50 gekoppelt
ist, um es diesen zu ermöglichen,
in einer Live-Cineloop®-Echtzeitsequenz zurück gerufen
und wiedergegeben zu werden. Videoinformation ist an einem Videoausgang
in mehreren Formaten verfügbar,
die NTSC- und PAL-Fernsehformate und RGB-Treibersignale für ein LCD-Display
bzw. -anzeige 60 oder einen Videomonitor aufweisen.
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Der
Hinterende-ASIC 50 weist außerdem den Zentralprozessor
für das
Ultraschallsystem auf, einen RISC (Reduced Instruction Set Controller
= Controller mit reduziertem Befehlsvorrat)-Prozessor 502.
Der RISC-Prozessor ist mit den Vorderende- und digitalsignalverarbeitenden
ASICs gekoppelt, um die Verarbeitungs- und Steuer- bzw. Regelfunktionen durch
die Hand-Einheit hindurch zu steuern bzw. zu regeln und zu synchronisieren.
Ein Programmspeicher 52 ist mit dem Hinterende-ASIC 50 gekoppelt, um
Programmdaten zu speichern, welche durch den RISC-Prozessor verwendet
werden, um die Einheit zu betätigen
und zu steuern bzw. regeln. Der Hinterende-ASIC 50 ist
außerdem
mit einem Datenport bzw. -anschluss gekoppelt, der als ein Infrarot-Transmitter bzw.
-Sender oder ein PCMCIA-Interface bzw. -Schnittstelle 56 ausgestaltet
ist. Dieses Interface erlaubt es, dass andere Module und Funktionen
zu der Hand-Ultraschalleinheit
hinzugefügt
werden oder mit dieser kommunizieren. Das Interface 56 kann
an ein Modem oder ein Nachrichten- bzw. Datenübertragungssystem angeschlossen
werden, um Ultraschallinformation zu bzw. von entfernten Stellen
zu übertragen
bzw. senden und zu empfangen. Das Interface kann andere Datenspeichervorrichtungen
akzeptieren bzw. annehmen, um neue Funktionalität zu der Einheit hinzuzufügen, z.B.
ein Ultraschallinformations-Analysenpaket.
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Der
RISC-Prozessor ist außerdem
mit den Anwendersteuerungen bzw. -regelungen 70 der Einheit
gekoppelt, um Anwendereingaben anzunehmen, um die Operationen des
Hand-Ultraschallsystems zu lenken und zu steuern bzw. regeln.
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Leistung
bzw. Strom für
das Hand-Ultraschallsystem bei einer bevorzugten Ausführungsform wird
durch eine wiederaufladbare Batterie bzw. Akkumulator geliefert.
Akkumulatorstrom wird gespart bzw. eingespart und auf die Komponenten
der Einheit von einem Stromuntersystem 80 aufgebracht.
Das Stromuntersystem 80 weist einen Gleichstromumrichter
auf, um die niedrige Akkumulatorspannung zu einer höheren Spannung
umzuwandeln, welche an den Sende/Empfangs-ASIC 20 angelegt
wird, um die Elemente der Wandler-Anordnung 10 zu treiben.
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2a und 2b veranschaulichen
eine einstückige
Einheit 80 zum Unterbringen des Ultraschallsystems nach 1.
Die Vorderseite der Einheit ist in 2a gezeigt,
unter Einbeziehung eines oberen Abschnitts 83, welcher
das LCD-Display 60 aufweist. Der untere Abschnitt 81 weist
die Anwendersteuerungen bzw. -regelungen auf, wie bei 86 angegeben.
Die Anwendersteuerungen bzw. -regelungen ermöglichen es dem Anwender, die
Einheit ein- und auszuschalten, Operationscharakteristika zu wählen, z.B.
den Modus (B-Modus oder Doppler), Farb-Doppler-Sektor oder Bildfolge
bzw. -frequenz, und spezielle Funktionen, z.B. dreidimensionales Display.
Die Anwendersteuerungen bzw. -regelungen ermöglichen außerdem die Eingabe von Zeit,
Datum und Patientendaten. Eine Vierwegesteuerung bzw. -regelung,
als ein Kreuz dargestellt, funktioniert als ein Joystick, um Kursoren
an dem Schirm zu manövrieren
oder Funktionen aus einem Anwendermenü zu wählen. Alternativ kann ein Mausball
oder Track- bzw. Touchpad verwendet werden, um Kursor- und andere
Steuerungen in mehrfachen Richtungen zu ergeben. Verschiedene Knöpfe bzw.
Tasten und Schalter der Steuerungen sind für spezifische Funktionen speziell
angefertigt, z.B. Einfrieren eines Bildes und Speichern und Wiedergeben
einer Bildsequenz aus dem Cineloop-Speicher.
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An
der Unterseite bzw. Boden der Einheit 80 befindet sich
die Öffnung
bzw. Apertur 84 der gekrümmten Wandler-Anordnung 10.
Bei Anwendung wird die Wandlerapertur an den Patienten gehalten, um
den Patienten abzutasten, und das Ultraschallbild wird an dem LCD-Display 60 angezeigt.
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2b ist
eine Seitenansicht der Einheit 80, wobei die Tiefe der
Einheit gezeigt ist. Die Einheit ist etwa 20,3 cm hoch, 11,4 cm
breit, und 4,5 cm tief. Diese Einheit enthält sämtliche Elemente eines voll funktionsfähigen Ultraschallsystems
mit einer gekrümmten
Wandleranordnungs-Sonde- bzw. -Prüfkopf, in einem einzelnen Gehäuse, welches
weniger als fünf
englische Pfund wiegt. Ein Hauptteil dieses Gewichts ist dem Akkumulator
zuzuschreiben, der innerhalb der Einheit untergebracht ist.
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Die 3 und 4 veranschaulichen
eine zweite Gehäusekonfiguration,
bei der das Ultraschallsystem in zwei getrennten Abschnitten untergebracht
ist. Ein unterer Abschnitt 81 weist die Wandler-Anordnung,
die Elektronik bis einschließlich
zu einem Videosignalausgang, und die Anwender-Steuerungen auf. Dieser
untere Abschnitt ist in 3a gezeigt,
wobei die Apertur der gekrümmten
Wandler-Anordnung an der Unterseite sichtbar ist. Der untere Abschnitt
ist in der Seitenansicht nach 3b gezeigt.
Dieser untere Abschnitt misst etwa 11,4 cm hoch mal 9,8 cm breit
mal 2,5 cm tief. Diese Einheit weist annähernd das gleiche Gewicht wie
ein herkömmlicher
Ultraschallabtastkopf auf. Dieser untere Abschnitt ist mit einem
oberen Abschnitt 83, wie in 4 gezeigt,
durch ein Kabel 90 verbunden. Der obere Abschnitt 83 weist
ein LCD-Display 82 und eine
Batterie- bzw. Akkumulator-Gruppe bzw. -Satz 88 auf. Das
Kabel 90 koppelt Videosignale von der unteren Einheit 81 mit
der oberen Einheit für
Display, und liefert Strom für
die untere Einheit von dem Akkumulatorsatz 88. Diese zweiteilige
Einheit ist vorteilhaft, weil der Anwender die untere Einheit und
den Wandler 84 über
den Patienten in der Art und Weise eines herkömmlichen Abtastkopfs manövrieren
kann, während
er die obere Einheit in einer bequemen, stationären Position zur Beobachtung
hält. Durch
Anordnen des Akkumulatorsatzes in der oberen Einheit, ist die untere
Einheit leichter gemacht und über
den Körper
des Patienten leichter manövrierbar.
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Andere
Systemgehäusekonfigurationen
werden leicht offensichtlich sein. Zum Beispiel könnten der
Vorderende-ASIC 30, der digitalsignalverarbeitende ASIC 40,
und der Hinterende-ASIC 50 in einer gemeinsamen Ummantelung
bzw. Gehäuse
angeordnet sein, wobei der Strahlformer des Vorderende-ASIC mit
unterschiedlichen Wandler-Anordnungen
verbindbar ist. Dies würde
es unterschiedlichen Wandlern ermöglichen, mit dem digitalen
Strahlformer, dem digitalen Filter, und einem Bildprozessor für unterschiedliche
diagnostische Abbildungsprozeduren verwendet zu werden. Ein Display
könnte
in dem gleichen Gehäuse
wie die drei ASICs angeordnet sein, oder der Ausgang des Hinterende-ASIC
könnte mit
einer getrennten Displayvorrichtung verbunden sein.
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Wenn
nunmehr auf 5 Bezug genommen wird, so ist
der Sende/Empfangs-ASIC 20 in näheren Einzelheiten gezeigt.
Jedoch bildet diese Anordnung nicht eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Dieser ASIC besteht aus sechzehn Abschnitten, von denen
jeder mit sechs Wandlerelementen der Anordnung 10 gekoppelt
ist. Der veranschaulichte Abschnitt 20a ist mit Elementen 1, 17, 33, 49, 65 und 81 an
den Terminals bzw. Anschlüssen
auf der linken Seite der Zeichnung gekoppelt. Mit sechs Elementen
pro Abschnitt, kann der gesamte ASIC mit einem 96-Element-Wandler
operieren bzw. arbeiten. Jeder Abschnitt könnte so konfiguriert sein,
um mit acht Elementen zu arbeiten, in welchem Falle beispielsweise
der ASIC einen 128-Element-Wandler steuern
könnte.
Vor der Sendung eines Ultraschallimpulses für eine Scan-Line, wird ein
serieller Datenstrom von dem Vorderende-ASIC 30 in die
Sendeaperturauswahllogik 206 an dem Senden-Daten-In-Anschluss
an der rechten Seite der Zeichnung getaktet. Die Sendeaperturauswahllogik 206 verwendet
diese Daten, um Multiplexer-Schalter in 3:1 Sendemultiplexern 208 und 210 für die Wandlerelemente zu setzen
bzw. einzustellen, welche für
die spezielle Scan-Line aktiv sein werden. Zum Beispiel kann die nächste, zu
sendende Scan-Line eine Sendeapertur aufweisen, welche Elemente 1–32 aufweist.
Dies erfordert, dass der Sendemultiplexer 208 einen Schalter
schließt,
um den Impulsgeber bzw. -generator 202 mit dem Element
1-Anschluss zu verbinden, und der Sendemultiplexer 210 einen
Schalter schließt,
um den Impulsgeber bzw. -generator 204 mit dem Element 17-Anschluss
zu verbinden. In einer ähnlichen An
und Weise werden die Sendemultiplexer der anderen fünfzehn Abschnitte
des ASIC die Impulsgeber bzw. -generatoren mit Elementanschlüssen 2–16 und 18–32 verbinden.
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Zu
den Zeitpunkten, wenn die verbundenen Elemente 1 und 17 zu
aktivieren sind, werden Treibersignale für die Impulsgeber 202 und 204 auf
die Signal-1-In und Signal-2-In-Anschlüsse durch
den Vorderende-ASIC aufgebracht. Für unipolare bzw. einpolige
Impulsgeber werden die Treibersignale auf Einzeleingabeanschlüsse jedes
Impulsgebers aufgebracht. Alternativ werden komplementäre Wellenformen
zu den geeigneten Zeitpunkten auf die gepaarten Anschlüsse aufgebracht,
wenn bipolare bzw. zweipolige Treibersignale verwendet werden, wie durch
die gepaarten Eingabeanschlüsse
für jeden Impulsgeber
in dieser Zeichnung veranschaulicht. Diese Treibersignale werden
als Logikpegelsignale auf die Impulsgebereingänge aufgebracht, sodann zu
Hochspannungstreiberwellenformen durch die Anwendung von Hochspannung
HV umgewandelt, die an die Multiplexer 208 und 210 angelegt
wird. Es ist außerdem
möglich,
die Impulsgeber- und Multiplexer-Funktionen als eine einzelne Einheit
herzustellen, wodurch jeder Schalter der Multiplexer effektiv ein
Hochspannungsimpulsgeber ist. Anders erklärt, bedeutet dies, dass jeder
Multiplexer drei separat gesteuerte Impulsgeber aufweisen würde. Alternativ könnten die
zwei Impulsgeber an den Eingängen
der Sendemultiplexer gelöscht
bzw. beseitigt und durch sechs Impulsgeber an den Ausgängen der
Sendemultiplexer ersetzt werden, jedoch erfordert die veranschaulichte
Ausführungsform
vorteilhafterweise nur zwei Niederspannungsimpulsgeber. Wenn mit dem
Beispiel der Apertur der Elemente 1–32 fortgefahren wird,
wenn das Element 1 an dem Umfang der Apertur ist und das
Element 17 mehr zentral zu der Apertur ist, würde das
Element 1 im Zeitpunkt früher als das Element 17 gepulst
werden, um eine fokussierte gesendete Ultraschallwellenform zu erzeugen.
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Vor
der Sendung der Scan-Line wird ein Strom aus digitalen Daten von
dem Vorderende-ASIC
in die Empfangsaperturauswahllogik 214 von dem Empfangen-Daten-In-Anschluss
getaktet, der mit der Empfangsaperturauswahllogik 214 verbunden
ist. Die Empfangsaperturauswahllogik schließt Schalter in einem 6:1 Empfangsmultiplexer 212 und
einem 1:8 Empfangsmultiplexer 218 für die richtige Empfangsapertur.
Wie die Sendeaperturauswahllogik, weist die Empfangsaperturauswahllogik einen
Pufferspeicher auf, so dass die Daten für die nächste Scan-Line empfangen werden
können,
während
der ASIC Echos von der momentanen bzw. laufenden Scan-Line empfängt. Die
veranschaulichte Ausführungsform
ist für
eine gefaltete sechzehn-Element-Empfangsapertur
vorgesehen, wie durch die acht Datenbusleitungen an dem Ausgang
des 1:8 Empfangsmultiplexers 218 gezeigt. Die Eingänge zu dem
6:1 Empfangsmultiplexer 212 sind mit den sechs Element-Anschlüssen für den Abschnitt 20a verbunden
und gegenüber
den hohen Treiberspannungen durch die Integration von Sende/Empfangs-Netzwerken an den
Multiplexereingängen
geschützt.
Die Empfangsaperturauswahllogik 214 verbindet einen der
Eingänge
des Multiplexers 212 mit dem Multiplexerausgang, und das
empfangene Signal von dem ausgewählten
Element wird auf einen ersten "time gain
control" (TGC)-Verstärker 216 bzw.
Verstärker 216 einer
zeitabhängigen
Verstärkungssteuerung aufgebracht.
Die Verstärkung
dieses TGC-Verstärkers
wird durch ein Steuersignal gesteuert, das auf einen TGC-Steuerungsanschluss
des ASIC aufgebracht wird. Die durch den Verstärker 216 gelieferte Verstärkung nimmt
zu, wenn Ultraschallechos von zunehmenden Tiefen empfangen werden,
in der herkömmlichen
Art und Weise. Die verstärkten
Echosignale werden sodann durch das Schalten des 1:8 Empfangsmultiplexers 218 mit
einer der Datenbusleitungen 220 gekoppelt.
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Jede
der Datenbusleitungen 220 ist mit dem gleichen entsprechenden
Ausgang von jedem 1:8 Empfangsmultiplexer an dem ASIC gekoppelt.
Die Ausgänge
des Multiplexers 218 sind von 1–8 beziffert. Ausgang 1 jedes
1:8 Empfangsmultiplexers ist mit derselben einen der Datenleitungen
gekoppelt; Ausgang 2 jedes 1:8 Empfangsmultiplexers ist
mit der anderen der Datenleitungen gekoppelt; usw. Das System der
bevorzugten Ausführung
verwendet eine gefaltete sechzehn-Element-Apertur von Scan-Lines, die
orthogonal zu dem Wandler gesendet werden. Dies bedeutet, dass zwei
Elemente der Apertur dieselben Empfangsphasen der Operation aufweisen werden;
die sechzehn Elemente der Empfangsapertur werden gepaart, um über acht
Empfangsphasen zu verfügen.
Beispielsweise, wenn die empfangene bzw. Empfangs-Scan-Line an dem
Zentrum einer Apertur der Elemente 1–16 angeordnet ist,
werden die Elemente 1 und 16 dasselbe Empfangs-Timing aufweisen.
Durch das Element 1 empfangene Echos werden durch den Multiplexer 212 verbunden,
durch den TGC-Verstärker 216 verstärkt, durch
den Multiplexer 218 verbunden und als ein Stromausgang
an dem Ausgang 8 des Multiplexers 218 erzeugt.
Zu dem gleichen Zeitpunkt wird ein durch das Element 16 empfangenes
Echo durch die Multiplexer eines anderen Abschnitts des ASIC verbunden,
durch einen anderen TGC-Verstärker
identisch verstärkt,
und als ein Stromausgang an dem Ausgang 8 eines anderen
1:8 Empfangsmultiplexers erzeugt. Diese zwei Ströme werden aufgrund der gefalteten
Apertur identisch phasengesteuert, und kombinieren sich an der Datenleitung,
welche mit dem Ausgang 8 der Empfangsmultiplexer gekoppelt
ist.
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Die
Ströme
an jeder Datenleitung werden gefiltert und zu Spannungen durch ein
Filternetzwerk umgewandelt, z.B. dasjenige, das bei 222 gezeigt
ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform
ist das Filternetzwerk 222 extern zu und gekoppelt mit
einem Anschluss des ASIC, so dass seine Komponenten und folglich
seine Filtercharakteristik leicht ausgewählt und geändert werden können. Die
Filtercharakteristik ist ein Bandpass, der gewählt ist, um sich an den Durchlassbereich
des Wandlers anzupassen. Beispielsweise könnte sich für einen 3,5 MHz-Wandler der
Durchlassbereich von 1,5 bis 5,5 MHz erstrecken. Das Filter ist
mit einer Stromquelle durch die Filterimpedanz verbunden, um die
Stromsignale zu einer einzelnen Spannung umzuwandeln. Diese Spannung
tritt wieder in den ASIC durch einen anderen (oder denselben) ASIC-Anschluss ein und
wird an dem Eingang eines zweiten TGC-Verstärkers 224 angelegt.
Die Verwendung der zwei TGC-Verstärker ermöglicht eine Operation über den
weiten dynamischen Bereich der zwei kaskadierten Verstärker. Bei der
veranschaulichten Ausführungsform
bringt eine einzelne TGC-Steuerung dieselbe Steuerungscharakteristik
auf beide TGC-Verstärker 216 und 224 auf, jedoch
ist es ebenfalls möglich,
getrennte und unterschiedliche TGC-Charakteristika auf die zwei
Verstärker
aufzubringen. Die verstärkten
Echosignale werden zu einem Endausgangsanschluss des ASIC gebracht,
wo sie durch ein Bandpassfilter 226 gefiltert und mit einem
Analog-Digital(A/D)-Wandler an dem Eingang des Strahlformers an
dem Vorderende-ASIC gekoppelt werden.
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Die
getrennten Abschnitte des Sende/Empfangs-ASIC 20 können in
getrennten ASICs enthalten oder kombiniert sein, so dass mehrere
Abschnitte an dem gleichen ASIC integriert sind. Vorzugsweise sind
alle sechzehn Abschnitte an einem einzelnen ASIC-Chip integriert.
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In
Folge dessen kann festgestellt werden, dass bei der bevorzugten
Ausführungsform
der Sende/Empfangs-ASIC 20 mit einer 96-Element-Wandleranordnung
arbeitet, und eine 32-Element-Sendeapertur und eine gefaltete-16-Element-Empfangsapertur
verwendet. Durch die Verwendung einer synthetischen Apertur, wie
unten erläutert,
weist das System eine 32-Element-Apertur sowohl für Senden
als auch beim Empfangen auf.
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Einzelheiten
des Vorderende-ASIC 30 sind in 6 gezeigt.
Diese Zeichnung zeigt einen Abschnitt 30a des Vorderende-ASIC 30.
Es gibt acht derartige Abschnitte an dem Vorderende-ASIC, um Strahlformung
der acht Ausgänge
von dem Sende/Empfangs-ASIC 20 zu
ergeben. Jeder Echosignalausgang ist mit dem Eingang eines A/D-Wandlers 310
gekoppelt, wo die Echosignale in digitale Signale umgewandelt werden.
Die digitalen Daten von jedem Element (oder jedem Paar von Elementen
in einer gefalteten Apertur) werden in ein first-in, first-out(FIFO)-Register 312 durch
ein Taktsignal A/D CLK geschoben. Das A/D CLK-Signal wird durch eine
dynamischer-Fokus-Timing-Schaltung bzw. -Schaltkreis 314 geliefert,
welcher den Start des Taktsignals aufschiebt, um eine Anfangsverzögerung zu ergeben,
sodann die Signalsamplingzeitpunkte steuert, um dynamisches Fokussieren
der empfangenen Echosignale zu ergeben. Die Länge des FIFO-Registers 312 ist
durch die Anfangsverzögerung,
die Wandlermittenfrequenz, die Aperturgröße, die Krümmung der Anordnung, und durch
das Strahllenkerfordernis bestimmt. Z.B. werden eine höhere Mittenfrequenz
und eine gekrümmte
Anordnung das Lenkverzögerungserfordernis
und folglich die Länge
des FIFO-Registers reduzieren. Die verzögerten Echosignale von dem
FIFO-Register 312 werden mit einem Multiplier bzw. Multiplizierer 316 gekoppelt,
wo die Echosignale durch dynamische Gewichtswerte gewichtet werden,
die in einem Register 318 für dynamisches Gewicht gespeichert
sind. Die dynamischen Gewichtswerte gewichten die Echosignale unter
Berücksichtigung
der Effekte einer dynamischen Empfangsapertur, z.B. der Anzahl der
aktiven Elemente, der Position eines Elements in der Apertur, und
der erwünschten
Apodisationsfunktion, da sich die Apertur durch die Einbeziehung
von zusätzlichen äußeren Elementen
expandiert, wenn Echos von zunehmenden Tiefen entlang der Scan-Line
empfangen werden. Die verzögerten
und gewichteten Echosignale werden sodann mit in geeigneter Weise
verzögerten und
gewichteten Echosignalen von anderen Elementen und Echosignalen
von irgendwelchen anderen Verzögerungsstufen
summiert, welche durch eine Summierschaltung bzw. -Schaltkreis 320 in
Kaskade gekoppelt werden. Die strahlgeformten Echosignale werden
zusammen mit synchronen Überlaufbits
als Ausgangs-Scan-Line-Daten an einem HF bzw. Hochfrequenz-Datenbus
erzeugt. Jede Sequenz von Scan-Line-Echosignalen begleitend ist
eine identifizierende Information, die durch einen HF-Kopf- bzw. Header-Sequenzer
an dem ASIC geliefert wird, welcher den Typ von Scan-Line-Daten
identifiziert, die erzeugt werden. Der HF-Header kann die Scan-Line z.B.
als B-Modus-Echodaten oder Doppler-Daten identifizieren.
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Es
können
andere digitale Speichervorrichtungen verwendet werden, um die Strahlformerverzögerungen
zu ergeben, wenn erwünscht.
Es kann ein Dual- bzw. Doppel-Port-Direktzugriffsspeicher verwendet
werden, um die empfangenen digitalen Echo-Samples bzw. -Abtastwerte zu speichern,
welche sodann aus dem Speicher zu Zeitpunkten oder Sequenzen gelesen
werden, welche die erwünschte Verzögerung für die Signale
von den Wandlerelementen ergeben.
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Jeder
Abschnitt 30a des Vorderende-ASIC weist Sendesteuer- bzw.
-regel-Schaltungen bzw. -schaltkreise 302–308 für vier Wandlerelemente
der Anordnung auf. Die acht Abschnitte ergeben folglich eine Sendesteuerung
bzw. -regelung für
32 Elemente der Anordnung zu der gleichen Zeit, wodurch die maximale
Sendeapertur bestimmt wird. Die Sendesteuerschaltungen erzeugen
Impulswellenformen mit der erwünschten
Sende-Frequenz und
zu den geeigneten bzw. angemessenen Zeitpunkten, um ein gesendetes
akustisches Signal zu erzeugen, welches bei der erwünschten
Tiefenschärfe
bzw. Schärfentiefe
fokussiert wird.
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Der
Vorderende-ASIC weist einen gemeinsamen Steuer- bzw. Regelabschnitt 330 auf,
welcher eine Gesamt-Echtzeitsteuerung bzw. -regelung für die Sende-
und Empfangsfunktionen ergibt. Der Steuerabschnitt 330 wird
gesteuert durch den und empfängt
Daten unter Steuerung von dem RISC-Prozessor, der an dem Hinterende-ASIC
angeordnet ist. Die Datentabellen für einen besonderen bzw. speziellen
Abbildungsmodus werden in den Direktzugriffsspeicher (RAM) 32 vor
dem Abtasten geladen und werden in den Steuerabschnitt 330 unter
dem Kommando des RISC-Prozessors geladen. Die Steuerung der Abtastung
von individuellen bzw. einzelnen Zeilen wird sodann in Echtzeit gesteuert
und variiert. Der Steuerabschnitt 330 weist eine Anzahl
von Sequenzern für
die Sequenz der Sende- und Empfangsfunktionen auf. Der Frame- bzw.
Rahmen-Sequenzer 332 erzeugt Information, die durch andere
Sequenzer verwendet wird und den Typ des Bild-Frame bzw. -Rahmens
identifiziert, welcher zu erzeugen ist. Der Frame-Sequenzer kann
zum Beispiel mit Daten geladen werden, die den nächsten Frame als B-Modus-Scan-Lines definieren,
die zwischen Gruppen von vier Doppler-Scan-Lines eingemischt sind,
und dass die Sequenz der Scan-Lines alle ungeradzahligen Scan-Lines
sein wird, auf welche alle geradzahligen Scan-Lines folgen. Diese
Information wird zu dem Zeilensequenzer 334 zugeführt, welcher
die Scan-Lines steuert, welche in der richtigen Sequenz gesendet
und empfangen werden. In Vorbereitung für eine neue Scan-Line steuert
der Zeilen-Sequenzer den TGC-Sequenzer 336, so dass er
die erwünschte
Sequenz der TGC-Steuerdaten erzeugen wird. Die TGC-Steuerdaten von
dem TGC-Sequenzer werden in ein Spannungssignal durch einen Digital-Analog-Wandler
(DAC) 338 umgewandelt und auf den TGC-Steuereingangsanschluss
bzw. -anschlüssen
des Sende/Empfangs-ASIC 20 aufgebracht. Der Zeilen-Sequenzer 334 steuert
ebenfalls den seriellen Bussequenzer 340, welcher serielle
Daten an einem seriellen Bus für
die Sende- und Empfangs-Aperturauswahllogikschaltungen 206 und 214 an
dem Sende/Empfangs-ASIC
erzeugt. Der Empfangs/Sende(RT)-Registerlader 342 steuert
das Laden der Daten für
eine neue Scan-Line in verschiedene Register an beiden ASICs, einschließlich der
Aperturauswahllogikschaltungen 206 und 214, der
Sendesteuerschaltungen 302–308, der Dynamischer-Fokus-Timingschaltung 314 und
des Dynamisches-Gewicht-Registers 318. Alle Register, welche
Echtzeitfunktionen ausführen,
werden doppelt gepuffert. Wie oben erläutert, werden die verschiedenen
Register so gepuffert, dass die Steuerdaten an bzw. zu dem seriellen
Bus gebracht und in die verschiedenen Register während der Zeile geladen werden
können, welche
der Scan-Line vorhergeht, für
welche die Steuerdaten verwendet werden.
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Der
Vorderende-ASIC 30 weist eine Strommonitor- bzw. -überwachungsschaltung
bzw. -schaltkreis 346 auf, welcher den Strom an dem HV-Bus
mittels eines A/D-Wandlers 348 sampelt. Der Strommonitor
gewährleistet
-Patientensicherheit durch Reduzieren oder vollständiges Abschalten
der Hochspannungsversorgung, wenn übermäßige Strompegel detektiert
werden, um hierdurch den Patienten gegenüber einem überhitzten Wandler oder unannehmbar hohen
akustischen bzw. Schallausgangspegeln zu schützen. Die Strommonitorschaltung
kann außerdem
in dem Strom- und Akkumulator-Management-Untersystem 80 angeordnet sein.
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Der
Vorderende-ASIC weist in seinem Steuer- bzw. Regelabschnitt einen
Taktgenerator 350 auf, der eine Mehr- bzw. Vielzahl von
synchronen Taktsignalen erzeugt, von welchen sämtliche Operationen des Systems
synchronisiert werden. Um Störungen und Übersprechen
zwischen den eng beabstandeten Vorrichtungen des Systems zu verhindern,
wird die Videoausgangssignalfrequenz mit einem Taktsignal des Taktgenerators
synchronisiert, so dass Harmonische einer Frequenz keine störenden Komponenten in
der anderen erzeugen werden. Ein (nicht gezeigter) Kristalloszillator
bzw. -schwinger ist mit dem Vorderende-ASIC 30 gekoppelt,
um eine Grund-Hochfrequenz zu ergeben, z.B. 60 MHz, von welcher sämtliche
der Taktsignale des Systems abgeleitet werden können.
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Die
Operation des Sende/Empfangs-ASIC 20 und des Vorderende-ASIC 30,
um eine der synthetischen, gefalteten Apertur zugeordnete Scan-Line
aus 32 Elementen einer gekrümmten Anordnung zu erzeugen,
ist unter Bezugnahme auf 7 veranschaulicht. Gemäß dieser
Zeichnung steuern bzw. regeln die ASICs eine Apertur des Wandlers,
welcher 32 Elemente, nummeriert von 25 bis 32,
sodann 1 bis 24, der gekrümmten Anordnung 10 aufweist.
Gewinnen der vollständigen
Apertur aus Scan-Line-Information erfordert zwei Sendesequenzen
sämtlicher 32 Elemente.
Um zu senden, laden der Zeilensequenzer 334, der serielle
Bussequenzer 340, und der RT-Registerlader 342 die
richtigen Sendemultiplexerdaten in die sechzehn Sendeaperturauswahllogikschaltungen 206 und
die 32 Sendekontroller an dem Vorderende-ASIC. Die Aperturauswahllogik
steuert sodann die 32 Sendemultiplexer, um die Impulsgeber
mit den Elementen zu verbinden, die mit 25–32 und 1–24 nummeriert
sind, der erwünschten
Sendeapertur. Die Impulsgeber werden durch die Sendesteuerschaltungen
gepulst, um eine Schallwelle zu erzeugen, welche an dem Punkt F
in 7 fokussiert wird.
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Auf
die erste Impulssendung bzw. -übertragung
folgend, werden Echos durch die mittlere Gruppe der mit 1 bis 16
nummerierten Elemente empfangen, welche zu diesem Zeitpunkt durch
die sechzehn 6:1 Empfangsmultiplexer und 1:8 Empfangsmultiplexer
mit acht Ausgangsdatenleitungen verbunden sind. Die sechzehn Empfangssignale
sind als separat bzw. getrennt gezeigt, wenn sie durch die anfänglichen
TGC-Verstärker
hindurch gehen, von welchen acht in einer Reihe gezeigt sind, wie
bei 216' in 7 angegeben.
Die gleichen phasengesteuerten Signale sind sodann zum Kombinieren
in Paaren aufgrund der gefalteten Apertur dargestellt, wo Paare
von Leitungen an dem Eingang der Strahlformerverzögerungsleitungen
zusammen kommen, von welchen vier gezeigt sind, wie bei 370 angegeben.
In dem veranschaulichten Beispiel erstreckt sich die Scan-Line 360 von
der Mitte der Anordnungsapertur zwischen den Elementen 8 und 9.
Dies bedeutet, dass Echosignale, die durch die Elemente 8 und 9 empfangen werden,
in Phase sein werden, und kombiniert werden können. Ebenfalls können Echos,
die durch gepaarte Elemente 7 und 10, gepaarte
Elemente 6 und 11, und gepaarte Elemente 5 und 12 empfangen
werden, kombiniert werden. Folglich, dem ersten gesendeten Impuls
folgend, werden durch die Elemente 1–16 empfangene Echos
durch die acht Verzögerungs-FIFO
verzögert
und durch die Summierschaltung 320 summiert. Diese Halbapertur
wird sodann zum Empfangen der anderen Halbapertur gespeichert.
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Ein
anderer Schallimpuls wird durch sämtliche 32 Elemente
der Apertur gesendet bzw. übertragen.
Nach diesem zweiten Impuls verbinden nunmehr die Empfangsmultiplexer
Echos von Elementen 25–32 und 17–34 mit
dem Strahlformer. Aufgrund der Symmetrie der gefalteten Apertur
werden die Echos von dem Element 32 mit Echos von dem Element 17 gepaart
und die beiden werden kombiniert. Gleichfalls werden Echos von dem
Element 31 mit Echos von dem Element 18 gepaart,
usw., hinaus bis zu den am meisten lateral gepaarten Elementen 25 und 24.
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Die
sechzehn empfangenen Echos, gepaart mit acht Signalen durch die
gefaltete Apertur, werden in geeigneter Weise durch die acht Verzögerungs-FIFO
verzögert
und summiert, um eine zweite Halbapertur der Scan-Line zu bilden.
Die zwei Hälften
der Apertur werden nunmehr als eine Funktion der Position der Echokomponenten
entlang der Scan-Line
der zwei Sequenzen summiert. Folglich ist die vollständige Apertur
dadurch gebildet worden, dass die separaten Empfänge der Echos von den inneren
sechzehn Elementen der Apertur, sodann von den äußeren sechzehn Elementen kombiniert
werden. Ein präzise
strahlgeformtes, synthetisches Apertursignal wird durch Aufrechterhalten
von identischen Bedingungen der TGC-Steuerung während beiden Empfangsintervallen
erzeugt. Das dynamische Gewichten und das dynamische Fokussieren beeinflussen
die zwei Empfangssequenzen aufgrund der unterschiedlichen Aperturpositionen
der empfangenen Elemente während
den zwei Sequenzen unterschiedlich. Die durch die FIFO während den
zwei Sequenzen aufgebrachten Verzögerungen werden aufgrund der
verschiedenen Positionen quer über
die Apertur der empfangenen Elemente von einer Sequenz zu der nächsten unterschiedlich
sein.
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Ein
bevorzugter Sende/Empfangs-ASIC 20A ist in 8 gezeigt.
Die Signalwege des ASIC 20A sind in vier identische Abschnitte
S1, S2, S3 und S4 geteilt. In dieser Zeichnung ist der Abschnitt
S1 in den inneren Details gezeigt. Der Abschnitt S1 weist zwei 2:1
Sendemultiplexer 408 und 410 auf, von denen jeder
auf ein Impulsgebersignal an einer von acht (8) Senden-In-Leitungen
anspricht. Jeder 2:1 Sendemultiplexer weist zwei Ausgänge auf,
welche Impulsgeber 402, 404, und 414, 416 treiben,
deren Ausgänge
mit ASIC-Pins bzw.-Anschlussstiften gekoppelt sind, mit denen Wandlerelemente
verbunden sind. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist der 2:1 Sendemultiplexer 408 gekoppelt,
um entweder Element 1 oder Element 65 zu treiben,
und der 2:1 Sendemultiplexer 410 ist gekoppelt, um entweder Element 33 oder
Element 97 zu treiben. Die 2:1 Sendemultiplexer der anderen
Abschnitte des ASIC sind jeweils in ähnlicher Weise mit vier Wandlerelementen gekoppelt.
Mit einem separaten Impulsgeber für jedes Wandlerelement, kann
der ASIC 20A unabhängig
und gleichzeitig acht der sechzehn Wandlerelemente treiben, mit
welchen er verbunden ist.
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Die
Wandlerelement-Pins, mit denen die Impulsgeber jedes Abschnitts
gekoppelt sind, sind ebenfalls mit den Eingängen eines 4:1 Empfangsmultiplexers
und Schalters 412 gekoppelt. Wenn die Impulsgeber die Wandlerelemente
während
Ultraschallsendung treiben, schaltet ein Signal an einer Senden-Ein-Leitung,
welche mit allen der 4:1 Empfangsmultiplexer und Schalter an dem
ASIC gekoppelt ist, diese alle in einen Zustand, welcher eine hohe
Impedanz für
die Hochsparmungstreiberimpulse darbietet, wodurch der Rest bzw.
verbleibende Teil der Empfangssignalwege gegen diese hohen Spannungsimpulse
isoliert wird. Sämtliche
der 4:1 Empfangsmultiplexer und Schalter des ASIC sind außerdem mit
einem Empfangs-Test- bzw. -Prüf-Pin
des I.C. gekoppelt, durch welchen ein Test- bzw. Prüfsignal
in die Empfangssignalwege injiziert werden und sich durch das Empfangssystem
fortpflanzen kann. Während
Echoempfang koppelt jeder 4:1 Empfangsmultiplexer und Schalter die
Signale von einem der vier Wandlerelemente, mit welchem er gekoppelt
ist, mit einem 1:16 Multiplexer 418 mit Hilfe einer ersten TGC-Stufe 416.
Die Verstärkung
der ersten TGC-Stufen an dem ASIC wird durch eine Spannung gesteuert,
die an einen TGC1-Pin des ASIC angelegt wird, welcher, in einer
ausgeführten
Ausführungsform,
zwei Pins zum Anlegen einer Differentialsteuerspannung aufweist.
Die 1:16 Multiplexer jedes Abschnitts des ASIC leiten jeweils empfangene
Echosignale zu einer der sechzehn (16) Leitungen eines Summenbusses 440.
Zwei der sechzehn Summenbusleitungen sind auf der rechten Seite
der Zeichnung dargestellt, und sind mit Filterschaltungen bzw. -schaltkreisen 222 gekoppelt.
Die gefilterten Bussignale werden mit Eingangs-Pins gekoppelt, die
zu zwei zweiten TGC-Stufen 424 und 426 führen, deren Verstärkung durch
die Spannung gesteuert wird, die an einen oder zwei TGC2-Pins angelegt
wird. Die Ausgänge
dieser zweiten TGC-Stufen bei der veranschaulichten Ausführungsform
sind mit Ausgangs-Pins verbunden, die zu Kanälen 1 und 2 des Strahlformers
des Ultraschallsystems führen.
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Der
ASIC 20A weist ebenfalls ein Steuerregister 430 auf,
welches Steuersignale über
einen seriellen Bus von dem Strahlformer empfängt. Das Steuerregister verteilt
die Steuersignale zu allen der Multiplexer des ASIC, wie durch die
Ctrl. Eingangspfeile gezeigt.
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Ein
gebautes Ausführungsbeispiel
des ASIC 20A wird eine Anzahl von Pins für Speise- und Vorspannungen
und Erd- bzw. Masseanschlüsse
aufweisen, wobei diese Pins in der Zeichnung nicht dargestellt sind.
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Ein
System unter Verwendung der ASICs nach der vorliegenden Erfindung
weist eine N:1, 1:M-Architektur auf, worin N die Anzahl der Wandlerelemente
geteilt durch die maximale Aperturgröße ist, und M die Anzahl der
Strahlformerkanäle
ist. Diese ASICs können
dazu verwendet werden, um eine große Vielfalt von Wandleranordnungen
aus verschiedenen Anzahlen von Elementen mit Strahlformern aus verschiedenen
Anzahlen von Kanälen
in zahlreichen Arten und Weisen zu verbinden. Ein Beispiel dieser
Vielseitigkeit ist in dem System nach 9 gezeigt,
welche einen Wandler 10' zeigt,
der (wie durch Pfeile 506, 504 angegeben) mit
acht ASICs 20A bis 20H gekoppelt ist, deren Summenbus 440 durch
die sechzehn zweiten TGC-Stufen der ASICs mit einem Sechzehn-Kanal-Strahlformer 500 gekoppelt
ist. (Für
die Übersichtlichkeit
der Veranschaulichung sind die zweiten TGC-Stufen separat veranschaulicht,
obwohl sie tatsächlich
an den ASICs integriert sind.) In diesem Beispiel sind die acht ASICs,
von denen jeder sechzehn Pins zur Verbindung mit Wandlerelementen
aufweist, verbunden, um alle 128 Elemente der Wandleranordnung 10' separat zu
treiben. Die 2:1 Sendemultiplexer der acht ASICs können 64 Elemente
auf einmal treiben, und folglich können sie die Wandleranordnung
betätigen, um
eine 64-Element-Sendeapertur aufzuweisen, welche durch
Wandlerelement 1–4 ... 29–36 ... 61–64 in
der Zeichnung dargestellt ist. Diese 64 Element-Apertur
ist zwischen Elementen 32 und 33 zentriert. Diese
Anordnung kann sämtliche
Elemente einer 64 Element-Apertur für jede gesendete Ultraschallwelle
treiben. Die Steuerregister der acht ASICs 20A–20H können in
zweckmäßiger Weise
mit separaten Leitungen eines Achtleitungs-Datenbusses von dem Strahlformer
gekoppelt sein, wobei jede Leitung als ein serieller Bus für ein spezielles
Steuerregister dient, wodurch es allen acht Steuerregistern ermöglicht wird,
gleichzeitig geladen zu werden.
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Echosignalempfang über die
vollständige 64 Element-Apertur
kann auf verschiedene Arten und Weisen bewerkstelligt werden. Eine
besteht darin, eine gefaltete und synthetische Apertur zu verwenden,
wie in 7 beschrieben. Nach einer ersten Wellensendung
bzw. -übertragung
werden die Echos an den Elementen 17–32 gemeinsam mit
den Echos von den Elementen 48–33 empfangen und
gefaltet. Das heißt,
eine Summenbusleitung wird die Echos von Elementen 17 und 48 aufweisen,
die an sie gemultiplexert sind, eine andere Summenbusleitung wird
die Echos von Elementen 18 und 47 aufweisen, welche
an sie gemultiplexert sind, usw. Diese sechzehn gefalteten Signale
werden in geeigneter Weise verzögert
und kombiniert, um fokussierte Signale zu entwickeln. Nach einer
zweiten Wellensendung bzw. -übertragung
werden die äußeren Elemente
der Apertur für
gefalteten Empfang verwendet, verzögert und miteinander und den
ersten fokussierten Signalen kombiniert, um die Apertur zu vervollständigen.
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Diese
N:1, 1:M ASIC-Architektur kann mit einem Acht-Kanal-Strahlformer
500 anstelle des 16-Kanal-Strahlformers durch Verwendung der Techniken
bzw. Verfahren der gefalteten und synthetischen Apertur, oder durch
Verwendung einer Grobaperturempfangstechnik bzw. -verfahren verwendet werden,
wie im US-Patent 4,542,653 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden
benachbarte bzw. angrenzende Elemente, welche während Strahlsendung unabhängig erregt
wurden, während
des Empfangs dadurch gepaart, dass ihre empfangenen Signale kombiniert
werden und die gleiche Fokussierungsverzögerung für diese verwendet wird. In
effektiver Weise bedeutet dies, dass der Wandler-Pitch während des
Empfangs um einen Faktor von zwei gröber ist. Während dies den Pegel der "grating"-Strahlungskeulen
des empfangenen Strahlmusters erhöhen wird, werden die kombinierten
Sende- und Empfangs-Strahlmuster noch annehmbar sein, und das System
wird durch die höhere
Sensitivität bzw.
Empfindlichkeit einer größeren Empfangsapertur
profitieren. Wenn sich die "grating"-Strahlungskeulen
als unzulässig
erweisen sollten, können
sie durch Verwendung einer aperiodischen Apertur reduziert werden,
in welcher die Anzahl von Elementen, die als Gruppen kombiniert
sind, von Gruppe zu Gruppe quer über
die Apertur variiert. Die aperiodische Apertur wird die "grating"-Strahlungskeuleneffekte
in einen gleichmäßigen Bildhintergrund
in effektiver Weise mischen.
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Bei
einer derartigen Anordnung werden die durch vier Wandlerelemente
empfangenen Signale zu der gleichen Summenbusleitung durch geeignetes Programmieren
der 1:16 Multiplexer für
die Anwendung bei den Eingängen
eines jeden der acht Strahlformerkanäle gerichtet. Dies erlaubt
es, dass die empfangenen Signale von Elementen 17 und 18 mit den
empfangenen Signalen von Elementen 47 und 48 an
der gleichen Summenbusleitung kombiniert werden, und dass alle vier
Signale mit dem Eingang eines Strahlformerkanals gekoppelt werden.
Folglich werden beide Verfahren des groben Empfangs und der gefalteten
Apertur gleichzeitig verwendet. Eine zweiunddreißig-Element-Apertur kann auf
eine einzelne, gesendete Welle folgend empfangen werden, oder eine
vierundsechzig-Element-Apertur, die durch das Verfahren der synthetischen
Apertur mit zwei Wellensendungen gebildet ist. Wenn nur eine Feinempfangsapertur
verwendet wird, wird die Empfangsapertur auf zweiunddreißig Elemente
durch die Verwendung der Verfahren der gefalteten und synthetischen
Apertur eingeschränkt,
oder auf sechzehn Elemente durch die Verfahren der gefalteten oder synthetischen
Apertur allein.
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Der
Vorderende-ASIC nach 6 ist so dargestellt, dass er
vier Sendesteuerschaltungen für
jeden Empfangskanal aufweist, eine Gesamtheit von 32 Sendesteuerschaltungen
alles in allem. Diese 32 Sendesteuerschaltungen können mit
den vierundsechzig Impulsgebereingängen der acht Sende/Empfangs-ASICs
nach 9 dadurch gekoppelt werden, dass eine Sendesteuerschaltung
mit beiden Eingängen
jedes Paares der Sendemultiplexer 408. 410 gekoppelt
und einer der Sendemultiplexer programmiert wird, um durch die Steuersignale
des Steuerregisters 430 aktiviert zu werden, und der andere,
um durch die Steuersignale des Steuerregisters 430 deaktiviert
zu werden. Dies wandelt in effektiver Weise jedes Paar von 2:1 Sendemultiplexern zur
Operation als ein 4:1 Sendemultiplexer um, wodurch eine maximale
Sendeapertur von zweiunddreißig
unabhängig
gesteuerten Elementen gegeben wird.
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Die
vorhergehenden Beispiele treffen auf einen empfangenen Strahl zu,
der orthogonal zu dem Zentrum der Apertur der Anordnung gerichtet
ist. Wenn dieser empfangene Strahl sowohl aus der orthogonalen Linie
heraus zu lenken ist als auch zu fokussieren ist, kann das Verfahren
der gefalteten Apertur nicht verwendet werden, da variierende Verzögerungen
quer über
die vollständige
aktive Apertur verwendet werden müssen.
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Variationen
bzw. Abwandlungen des ASIC 20A werden außerdem für den Fachmann
offensichtlich sein. Die 1:16 Multiplexer können auf 1:32 für einen
zweiunddreißig-Kanal-Strahlformer
ausgedehnt werden, welcher 64 Element-Aperturen durch die Verfahren
der gefalteten und Grobapertur mit keiner Verschlechterung in der
Bildfolge bzw. Bildfrequenz steuern kann. Die 4:1 Empfangsmultiplexer
und Schalter können
in zwei 2:1 Empfangsmultiplexer und Schalter unterteilt werden,
wobei jeder mit seinem eigenen Busmultiplexer gekoppelt ist. Derartige Variationen
werden sich an unterschiedliche Aperturen für die Operation bei unterschiedlichen
und höheren
Bildfrequenzen anpassen.
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Der
Hinterende-ASIC 50 ist die Position des RISC-Prozessors 502,
welcher dazu verwendet wird, um das Timing sämtlicher der Operationen des Hand-Ultraschallsystems
zu koordinieren. Der RISC-Prozessor ist mit allen anderen Hauptfunktionsbereichen
der ASICs verbunden, um das Verarbeitungs-Timing zu koordinieren
und Puffer und Register mit den Daten zu laden, die zum Ausführen des Typs
bzw. der Art der Verarbeitung und Anzeige notwendig sind, die durch
den Anwender erwünscht
ist. Programmdaten für
die Operation des RISC-Prozessors sind in einem Programmspeicher 52 gespeichert,
auf welchen durch den RISC-Prozessor zugegriffen wird. Das Timing
für den
RISC-Prozessor ist durch
Taktsignale von dem Taktgenerator an dem Vorderende-ASIC 30 vorgesehen.
Der RISC-Prozessor kommuniziert außerdem durch ein Infrarotstrahl-Interface, durch
welches der Prozessor entfernt auf zusätzliche Programmdaten zugreifen
oder Bildinformation senden kann. Das Infrarot-Interface kann z.B.
mit einer Telemetrie- bzw.
Fernmessungsverbindung für
die Sendung von Ultraschallbildern von der Handeinheit zu einer
entfernten Stelle verbunden sein. Ein PCMCIA-Daten-Interface kann
außerdem
oder alternativ für
Datenkommunikation bzw. -übertragung
verwendet werden, wenn erwünscht.
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Der
RISC-Prozessor wird bei Anwendersteuerung durch Befehle und Eingaben
betätigt,
die durch den Anwender an der Anwendersteuerung 70 vorgenommen
werden. Ein Diagramm, welches Steuerfunktionen, die Art der Steuerungen
und ihre Beschreibung veranschaulicht, ist in 10 gezeigt.
Es wird erkannt werden, dass eine Anzahl von Funktionen, z.B. Patientendateneingabe,
Cineloop-Operationen, und 3D-Überblick
bzw. -Übersicht,
durch Menüsteuerung
arbeiten wird, um die Anzahl von Tasten- oder Knopfsteuerungen an
der kleinen Handeinheit zu minimieren. Um die Einheit weiter zu
vereinfachen, ist eine Anzahl von Operationsfunktionen auf spezifische
diagnostische Anwendungen vorprogrammiert und wird automatisch arbeiten,
wenn eine spezifische Anwendung ausgewählt ist. Auswahl des B-Modus-Abbildens
wird zum Beispiel Frequenz-Kompoundieren und tiefenabhängiges Filtern automatisch
aufrufen, während
ein Vier-Vervielfacher-Filter automatisch als ein Wandfilter aufgebaut wird,
wenn Doppler-Operation gewählt
ist. Die Menuauswahl von spezifischen klinischen Anwendungen kann
spezifische Merkmalseinstellungen automatisch aufrufen, z.B. als
TGC-Steuercharakteristika und Fokalzonen.