DE69830539T2 - Ultraschallwandler-Anordnung für ein handgehaltenes Diagnostik-Instrument - Google Patents

Ultraschallwandler-Anordnung für ein handgehaltenes Diagnostik-Instrument Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf medizinische Ultraschall-Diagnostiksysteme und insbesondere auf ein voll integriertes, handgehaltenes bzw. Hand-Ultraschall-Diagnostikinstrument.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In den Zeichnungen:
  • 1 veranschaulicht in Form eines Blockschaltbilds die Architektur eines handgehaltenen bzw. Hand-Ultraschallsystems nach der vorliegenden Erfindung;
  • 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;
  • 3a bzw. 3b ist eine Vorderansicht bzw. Seitenansicht der Transducer- bzw. Wandler-Einheit eines Doppeleinheit-Hand-Ultraschallsystems nach der vorliegenden Erfindung;
  • 4 veranschaulicht die zwei Einheiten eines Hand-Ultraschallsystems nach der vorliegenden-Erfindung in einer Doppeleinheit-Baugruppe;
  • 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;
  • 6 ist ein Blockschaltbild des Vorderende-ASIC des Ultraschallsystems nach 1;
  • 7 veranschaulicht die Apertur- bzw. Öffnungssteuerung bzw. -regelung, die durch die Sende/Empfangs- und Vorderende-ASICs geboten bzw. bereitgestellt wird;
  • 8 veranschaulicht in Form eines Blockschaltbilds eine zweite Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung;
  • 9 veranschaulicht den ASIC nach 8, welcher mit einer Transducer- bzw. Wandler-Anordnung bzw. -gruppe und einem Strahlformer verbunden ist; und
  • 10 ist ein Diagramm bzw. schematische Darstellung der Anwendersteuerungen bzw. -regelungen des Ultraschallsystems nach 1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 132 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 216 und 1832 verbinden.
  • 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 132 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.
  • 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.
  • 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 116 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Jeder Abschnitt 30a des Vorderende-ASIC weist Sendesteuer- bzw. -regel-Schaltungen bzw. -schaltkreise 302308 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.
  • 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 302308, 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 2532 und 124 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.
  • 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 116 empfangene Echos durch die acht Verzögerungs-FIFO verzögert und durch die Summierschaltung 320 summiert. Diese Halbapertur wird sodann zum Empfangen der anderen Halbapertur gespeichert.
  • Ein anderer Schallimpuls wird durch sämtliche 32 Elemente der Apertur gesendet bzw. übertragen. Nach diesem zweiten Impuls verbinden nunmehr die Empfangsmultiplexer Echos von Elementen 2532 und 1734 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 14 ... 2936 ... 6164 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 20A20H 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.
  • 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 1732 gemeinsam mit den Echos von den Elementen 4833 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (6)

  1. Handgehaltenes bzw. Hand-Ultraschall-Abbildungssystem, welches eine Transducer- bzw. Wandler-Anordnung bzw. -Gruppe (10), einen Strahlformer bzw. -bündler (30) und integrierte Sende-/Empfangs-Schaltungen bzw. -Schaltkreise (20) aufweist, die mit der Wandler-Anordnung (10) und dem Strahlformer (30) für ein Multiplexing von Erregersignalen zu Elementen der Wandler-Anordnung (10) und von Echosignalen von Elementen der Wandler-Anordnung (10) zu Kanälen des Strahlformers (30) gekoppelt bzw. verbunden sind, wobei jede der integrierten Schaltungen (20) aufweist: eine Mehr- bzw. Vielzahl von Sendemultiplexern (408, 410), welche auf Erreger-Befehlssignale ansprechen und Ausgänge aufweisen, die mit individuellen bzw. einzelnen der Wandlerelemente gekoppelt sind, um Elemente der Wandler-Anordnung (10) selektiv zu erregen; einen Echodatenbus (440), der mit Kanälen des Strahlformers (30) gekoppelt ist; eine Mehr- bzw. Vielzahl von Empfangsmultiplexern (412), die mit individuellen bzw. einzelnen der Wandlerelemente gekoppelt sind und Ausgänge aufweisen, die mit dem Echodatenbus (440) gekoppelt sind, um Echosignale, die von den Wandlerelementen empfangen sind, zu Kanälen des Strahlformers (30) selektiv zu lenken; und ein Regel- bzw. Steuerregister (430) zum Regeln bzw. Steuern der Mehrzahl der Sendemultiplexer (408, 410) und der Mehrzahl der Empfangsmultiplexer (412) in Reaktion auf empfangene Steuer- bzw. Regelsignale; wobei jedes Steuerregister (430) der integrierten Schaltungen (20) mit einer jeweiligen Busleitung des Datenbusses (440) zum gleichzeitigen Empfangen von Steuer- bzw. Regelsignalen von der Wandler-Anordnung (10) gekoppelt ist.
  2. Hand-Ultraschall-Abbildunssystem nach Anspruch 1, wobei jede der integrierten Schaltungen (20) weiterhin aufweist: eine Mehr- bzw. Vielzahl von TGC-Verstärkern (424, 426), die an jeder der integrierten Schaltungen (20) angeordnet sind, um empfangene Echosignale variabel bzw. veränderbar zu verstärken.
  3. Hand-Ultraschall-Abbildunssystem nach Anspruch 1, weiterhin ein Mittel bzw. Einrichtung zum Lenken bzw. Steuern der Echosignale, die durch zwei der Wandlerelemente empfangen sind, zu einer gemeinsamen Leitung des Datenbusses aufweisend.
  4. Hand-Ultraschall-Abbildunssystem nach Anspruch 3, bei dem das Mittel zum Lenken ein Mittel zum Bilden einer gefalteten Apertur bzw. Öffnung zur Strahlformung aufweist.
  5. Hand-Ultraschall-Abbildunssystem nach Anspruch 3, bei dem das Mittel zum Lenken ein Mittel zum Kombinieren der durch angrenzende bzw. benachbarte Wandlerelemente empfangenen Echosignale vor der Strahlformung aufweist.
  6. Hand-Ultraschall-Abbildunssystem nach Anspruch 1, weiterhin ein Mittel bzw. Einrichtung zum Regeln bzw. Steuern der Sendemultiplexer (408, 410), um eine Fein-Pitch- bzw. Fein-Sendeapertur zu bilden, und ein Mittel bzw. Einrichtung zum Regeln bzw. Steuern der Empfangsmultiplexer (412) aufweisend, um eine oder mehrere der folgenden, nämlich eine Grob-Pitch- bzw. Grob-Empfangsapertur, eine gefaltete Apertur oder eine synthetische Apertur, zu bilden.
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