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Diese
Erfindung betrifft medizinische Ultraschalldiagnosesysteme und insbesondere
ein vollständig
integriertes tragbares Ultraschalldiagnoseinstrument.
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Wie
gut bekannt ist, sind moderne Ultraschalldiagnosesysteme große, komplexe
Instrumente. Aktuell wiegen Ultraschallsysteme der Oberklasse, obwohl
sie zur Portabilität
in Handwagen montiert werden, nach wie vor mehrere hundert Pfund.
Ultraschallsysteme, wie beispielsweise das von Advanced Technology
Laboratories Inc. hergestellte ADR 4000 Ultraschallsystem, waren
bislang kleinere Tischeinheiten etwa von der Größe eines Personalcomputers.
Jedoch fehlten derartigen Instrumenten viele der fortgeschrittenen
Merkmale heutiger Ultraschallsysteme der Oberklasse, wie beispielsweise
die Farbdoppler-Bildgebung und Fähigkeiten zur
dreidimensionalen Anzeige. Mit fortschreitender technischer Verfeinerung
der Ultraschallsysteme wurden diese auch massiver und unhandlicher.
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Jedoch
ist es angesichts der stets ansteigenden Dichte von digitaler Elektronik
nun möglich,
abzusehen, dass es eines Tages möglich
sein wird, Ultraschallsysteme so weit zu miniaturisieren, dass ihre
Größe sogar
noch unter der Größe sehr
alter Vorgängergeräte liegen
wird. Der Arzt ist es gewohnt, mit einem tragbaren Ultraschall-Abtastkopf
zu arbeiten, welcher etwa die Größe eines
elektrischen Rasierers aufweist. Es wäre wünschenswert, einheitlich zu
dem vertrauten Abtastkopf das gesamte Ultraschallsystem kompakt
in einer Einheit von der Größe eines
Abtastkopfs unterbringen zu können.
Es wäre
ferner für
ein derartiges Ultraschallinstrument wünschenswert, so viele Merkmale
heutiger hochentwickelter Ultraschallsysteme wie möglich beizubehalten,
wie beispielsweise Fleckenreduktion (SRI), Farbdoppler- und dreidimensionale
Bildgebungsfähigkeiten.
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EP-A-0
815 793, die kraft Artikel 54 (3) EPÜ Eingang in den Stand der Technik
findet, sowie US-A-5 590 658 beschreiben eine tragbare Ultraschallvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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In
einer Veröffentlichung
mit dem Titel „An
integrated array transducer receiver for ultrasound imaging" von A. D. Armitage
et al. in „Sensors
and Actuators A",
Bd. 47, Nr. 1–3,
S. 542–456,
XP004092868, ISSN 0924-4247, wird ein integrierter Array-Ultraschallwandler
beschrieben, der integrierte Empfangsschaltungen enthält, die
zusammen mit den Sendeschaltungen Teil eines tragbaren Schallwandlers
sind.
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In
einer Veröffentlichung
mit dem Titel „High
Frequency Ultrasonic Scanning System" von J. V. Hatfield und A. D. Armitage
in „38th
Midwest Symposium on Circuits and Systems: Proceedings", Rio de Janeiro, 13.–16. August
1995, Bd. 2, Nr. Symp. 38, 13. August 1995, S. 1175–1178, XP000825268,
ISBN: 0-7803-2973-2, wird die Entwicklung eines tragbaren Ultraschallabtastgeräts zur Verwendung
bei der medizinischen Diagnose beschrieben, bei dem Verzögerungsgeneratoren
auf einem einzelnen Chip integriert sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine tragbare Ultraschallvorrichtung wie in Anspruch
1 definiert bereitgestellt.
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Somit
kann ein Ultraschalldiagnoseinstrument bereitgestellt werden, welches
in einer tragbaren Einheit viele der Merkmale eines Ultraschallsystems
der Oberklasse aufweist. Das Instrument kann als einzelne Einheit
hergestellt werden oder in einer bevorzugten Ausführungsform
als zweiteilige Einheit vorliegen, bei der eine Einheit einen Schallwandler,
einen Strahlwandler und einen Bildprozessor und die andere eine
Anzeige und eine Stromversorgung für beide Einheiten aufweist.
Bei einer derartigen Konfiguration kann die Schallwandler/Prozessor-Einheit
mit einer Hand bedient werden, wobei das Video dank eines Kabels
zwischen beiden Einheiten auf der Anzeigeeinheit dargestellt werden
kann, während
die letztere Einheit so gehalten oder positioniert wird, dass das
Ultraschallbild optimal eingesehen werden kann. Das Kabel liefert
zudem Energie von der Anzeigeeinheit an die Schallwandler/Prozessor-Einheit.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Ultraschallsystem, vom Schallfühler bis zu einer Videoausgabe,
aus vier Typen von anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen
(ASICs) hergestellt: einem Sende-/Empfangs-ASIC, welcher an die
Elemente eines Array-Schallwandlers angeschlossen ist, einem vorgeschalteten
ASIC, welcher mit einer Vielzahl von Verzögerungskanälen das Sende- und Empfangsstrahlformen
durchführt
und steuert, einem ASIC für
digitale Signalverarbeitung (DSP-ASIC), welcher die Verarbeitung der
Ultraschallsignale, wie etwa Filterung, bereitstellt, und einem
nachgeschalteten ASIC, welcher verarbeitete Ultraschallsignale empfängt und
Ultraschall-Bilddaten erzeugt. Das Bild kann entweder auf einem
Standardmonitor oder auf einer Flüssigkristallanzeige (LCD) angezeigt
werden. Da die Elektronik der Einheit aus ASICs besteht, kann sie
auf einer einzelnen Leiterplatte hergestellt werden, was Probleme
beseitigt, welche üblicherweise
durch Verbinder und Kabel aufgeworfen werden. Dieses ausgeklügelte Ultraschallinstrument
kann als tragbare Einheit hergestellt werden, welche weniger als
fünf Pfund
wiegt.
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1 illustriert
in Form eines Blockdiagramms die Architektur eines tragbaren Ultraschallsystems
der vorliegenden Erfindung,
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2a und 2b sind
eine Vorder- bzw. eine Seitenansicht eines tragbaren Ultraschallsystems
der vorliegenden Erfindung, welches kompakt als einzelne Einheit
ausgeführt
ist,
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3a und 3b sind
eine Vorder- und eine Seitenansicht der Schallwandlereinheit eines
zweiteiligen, tragbaren Ultraschallsystems der vorliegenden Erfindung,
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4 veranschaulicht
die beiden Einheiten eines tragbaren Ultraschallsystems der vorliegenden
Erfindung in zweiteiliger Bauweise,
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5 ist
ein schematisches Diagramm des Sende-/Empfangs-ASIC des Ultraschallsystems
aus 1,
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6 ist
ein Blockdiagramm des vorgeschalteten ASICs des Ultraschallsystems
aus 1,
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7 veranschaulicht
die Apertursteuerung, welche durch den Sende-/Empfangs-ASIC und
den vorgeschalteten ASIC ermöglicht
wird,
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8 ist
ein Blockdiagramm der Einzelbild- und der Header-Folgesteuerungseinheit
des vorgeschalteten ASICs aus 6,
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9 ist
ein Blockdiagramm der Folgesteuerungseinheit für den seriellen Bus sowie der
Zeilen-, TGC- und Adress-Folgesteuerungseinheiten des vorgeschalteten
ASICs aus 6,
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10 ist
ein Blockdiagramm des Summiernetzes für die Strahlformerkanäle des vorgeschalteten ASICs
aus 6,
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11 ist
ein Blockdiagramm eines der dynamischen Fokusregler des vorgeschalteten
ASICs aus 6,
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12 ist
ein Blockdiagramm eines der dynamischen Wichtungsregler des vorgeschalteten
ASICs aus 6,
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13 ist
eine beispielhafte Fokussteuerkurve, die benutzt wird, um den dynamischen
Fokusregler aus 11 zu erläutern,
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14 ist
eine beispielhafte Wichtungsfunktionskurve, die benutzt wird, um
den dynamischen Wichtungsregler aus 12 zu
erläutern,
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15 veranschaulicht
eine bevorzugte digitale Verzögerungsvorrichtung
für den
Strahlformer der vorliegenden Erfindung, und
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16 ist
ein Diagramm der Bedienelemente des Ultraschallsystems aus 1.
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Zuerst
wird auf 1 Bezug genommen und die Architektur
eines tragbaren Ultraschallsystems der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Ein komplettes Ultraschallsystem kann nur durch wohlüberlegte
Auswahl von Funktionen und Merkmalen und effiziente Benutzung integrierter
Schaltkreis- und Ultraschalltechnologie in einer einzelnen tragbaren
Einheit untergebracht werden. Aufgrund seines festen Zustands, seiner
elektronischen Steuerungsmöglichkeiten,
veränderlichen
Apertur, Bildleistung und Zuverlässigkeit
wird ein Schallwandler-Array 10 benutzt. Es kann entweder
ein flaches oder ein gekrümmtes
Array verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Array ein gekrümmtes
Array, welches ein Abtastfeld mit großem Ausschnitt ermöglicht.
Zwar bietet die bevorzugte Ausführungsform
ausreichende Verzögerungsfähigkeiten
sowohl für
das Schwenken als auch für
das Fokussieren eines flachen Arrays, wie beispielsweise eines phasengesteuerten
Arrays, jedoch reduziert die geometrische Krümmung des gekrümmten Arrays
die Schwenkverzögerungsanforderungen
an den Strahlformer. Die Elemente des Arrays sind an einen Sende-/Empfangs-ASIC 20 angeschlossen,
welcher die Schallwandlerelemente ansteuert und Echos empfängt, die
durch die Elemente empfangen werden. Der Sende-/Empfangs-ASIC 20 steuert außerdem die
aktiven Sende- und Empfangsaperturen
des Arrays 10 und die Verstärkung der empfangenen Echosignale.
Der Sende-/Empfangs-ASIC ist bevorzugt im Abstand von wenigen Zoll
von den Schallwandlerelementen angeordnet, vorzugsweise in demselben
Gehäuse
genau hinter dem Schallwandler.
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Echos,
welche durch den Sende-/Empfangs-ASIC 20 empfangen werden,
werden an den anliegenden vorgeschalteten ASIC 30 geliefert,
welcher die von den individuellen Schallwandlerelementen gelieferten Echos
digitalisiert und in kohärente
Abtastzeilensignale strahlformt. Der vorgeschaltete ASIC 30 steuert
außerdem
durch Steuersignale, die für
den Sende-/Empfangs-ASIC bereitgestellt werden, den Zeitablauf der
Sendewellenform, die Apertur und die Fokussierung des Ultraschallstrahls.
In der veranschaulichten Ausführungsform
stellt der vorgeschaltete ASIC 30 Zeitablaufsignale für die anderen
ASICs sowie Zeitverstärkungskontrolle
(TGC) bereit. Ein Leistungs- und
Batterieverwaltungs-Subsystem 80 überwacht und steuert die Leistung, welche
an das Schallwandler-Array angelegt wird, wodurch es die akustische
Energie steuert, welche auf den Patienten einwirkt, und die Leistungsaufnahme
der Einheit minimiert. Mit dem vorgeschalteten ASIC 30 ist
eine Speichervorrichtung 32 verbunden, welche Daten speichert,
die vom Strahlformer verwendet werden.
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Der
vorgeschaltete ASIC 30 koppelt strahlgeformte Abtastzeilensignale
an den benachbarten ASIC für digitale
Signalverarbeitung (DSP-ASIC) 40. Der ASIC für digitale
Signalverarbeitung 40 filtert die Abtastzeilensignale und
stellt in der bevorzugten Ausführungsform
außerdem
verschiedene fortgeschrittene Eigenschaften zur Verfügung, darunter
synthetische Apertur, Frequenz-Compounding, Dopplerverarbeitung,
wie etwa Leistungsdopplerverarbeitung (Color Power Angio) und Fleckenreduktion.
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Die
B-Modus- und Doppler-Ultraschallinformationen werden dann zur Abtastumformung
bzw. Rasterung und zur Erzeugung von Video-Ausgangssignalen an den
benachbarten nachgeschalteten ASIC 50 gekoppelt. Eine Speichervorrichtung 42 ist
an den nachgeschalteten ASIC 50 gekoppelt, um Speicher
zur Verfügung
zu stellen, der bei dreidimensionaler Leistungsdoppler-Bildgebung
(3D CPA) benutzt wird. Der nachgeschaltete ASIC fügt außerdem der
Anzeige alphanumerische Informationen hinzu, wie etwa Datum, Uhrzeit und
Patientenidentifikation. Ein Graphikprozessor bzw. Graphikrechner überlagert
das Ultraschallbild mit Informationen wie z.B. Tiefen- und Fokusmarkierungen
und Cursors. Ultraschall-Einzelbilder werden in einem Videospeicher 54 gespeichert,
welcher an den nachgeschalteten ASIC 50 gekoppelt ist,
so dass diese in einer Cineloop®-Life-Echtzeitsequenz
erneut aufgerufen und abgespielt werden können. An einem Videoausgang stehen
Videoinformationen in verschiedenen Formaten verfügbar, darunter
NTSC- und PAL-Fernsehformate und
RGB-Ansteuersignale für
eine LCD-Anzeige 60 oder
einen Videomonitor.
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Der
nachgeschaltete ASIC 50 beinhaltet außerdem den Zentralprozessor
für das
Ultraschallsystem, einen RISC-Prozessor 502 („Reduced
Instruction Set Controller", „Steuereinheit
mit reduziertem Befehlssatz"). Der
RISC-Prozessor ist
an den vorgeschalteten ASIC und an den ASIC für digitale Signalverarbeitung
gekoppelt, um die Verarbeitungs- und Steuerfunktionen in der gesamten
tragbaren Einheit zu steuern und zu synchronisieren. Ein Programmspeicher 52 ist
an den nachgeschalteten ASIC 50 gekoppelt, um Programmdaten zu
speichern, welche von dem RISC-Prozessor verwendet werden, um die
Einheit zu betreiben und zu steuern. Der nachgeschaltete ASIC 50 ist
außerdem
an einen Datenport gekoppelt, welcher als Infrarotsender oder als PCMCIA-Schnittstelle 56 konfiguriert
ist. Dank dieser Schnittstelle können
andere Module und Funktionen an die tragbare Ultraschalleinheit
angeschlossen werden und mit dieser kommunizieren. Die Schnittstelle 56 kann die
Verbindung zu einem Modem oder einer Datenübertragungsstrecke herstellen,
um Ultraschallinformationen von entfernten Standorten zu empfangen
und an diese zu senden. Die Schnittstelle kann andere Datenspeichervorrichtungen
aufnehmen, um der Einheit neue Funktionalitäten hinzuzufügen, wie
beispielsweise ein Ultraschallinformations-Analysepaket.
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Der
RISC-Prozessor ist außerdem
an die Bedienelemente 70 der Einheit gekoppelt, um Anwendereingaben
zum Leiten und Steuern des Betriebs des tragbaren Ultraschallsystems
entgegenzunehmen.
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Die
Stromversorgung des tragbaren Ultraschallsystems wird bei einer
bevorzugten Ausführungsform durch
eine wiederaufladbare Batterie oder einen Netzadapter bereitgestellt.
Das Leistungs-Subsystem 80 geht sparsam mit Batteriestrom
um und stellt ihn den Komponenten der Einheit zur Verfügung. Das
Leistungs-Subsystem 80 umfasst einen Gleichstromumformer,
um die niedrige Batteriespannung in eine höhere Spannung umzuformen, welche
an den Sende-/Empfangs-ASIC 20 angelegt wird, um die Elemente
des Schallwandler-Arrays 10 anzusteuern.
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2a und 2b veranschaulichen
eine einteilige Einheit 87 zum Aufnehmen des Ultraschallsystems
aus 1. In 2a wird
die Vorderseite der Einheit gezeigt, die einen oberen Abschnitt 63 aufweist, welcher
die LCD-Anzeige 60 umfasst. Der untere Abschnitt 81 weist
die Bedienelemente auf, wie bei 86 angedeutet. Die Bedienelemente
ermöglichen
es dem Anwender, die Einheit ein- und auszuschalten und Betriebseigenschaften
wie den Modus (B-Modus oder Doppler), den Farbdopplersektor oder
die Einzelbildrate auszuwählen
und stellen Spezialfunktionen bereit, wie beispielsweise eine dreidimensionale
Anzeige. Die Bedienelemente ermöglichen
zudem die Eingabe von Datum, Uhrzeit und Patientendaten. Mit einem
Vierweg-Bedienelement,
in der Figur als Kreuz gezeigt, können wie mit einem Joystick
Cursors auf dem Bildschirm bewegt oder Funktionen aus einem Anwendermenü ausgewählt werden.
Alternativ kann eine Rollkugel oder ein Trackpad benutzt werden,
um die Cursorsteuerung und andere Steuerungsmöglichkeiten in mehrere Richtungen
bereitzustellen. Mehrere Tasten und Schalter der Bedienelemente
erfüllen
spezielle Funktionen, wie etwa das Einfrieren eines Bildes und das
Speichern und Abspielen einer Bildsequenz aus dem Cineloop-Speicher.
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Auf
der Unterseite der Einheit 87 befindet sich die Apertur 84 des
gekrümmten
Schallwandler-Arrays 10. Im Betrieb wird die Apertur des
Schallwandlers gegen den Patienten gehalten, um den Patienten abzutasten,
und das Ultraschallbild wird auf der LCD-Anzeige 60 angezeigt.
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2b ist
eine Seitenansicht der Einheit 87, welche die Tiefe der
Einheit zeigt. Die Einheit ist ungefähr 20,3 cm hoch, 11,4 cm breit
und 4,5 cm tief. Diese Einheit beinhaltet in einem einzigen Gehäuse, das
weniger als fünf
Pfund wiegt, alle Elemente eines vollständig betriebsbereiten Ultraschallsystems
mit einem Array-Schallkopf mit gekrümmtem Array. Ein Hauptanteil
dieses Gewichts wird von der innerhalb des Gehäuses der Einheit befindlichen
Batterie verursacht.
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3 und 4 veranschaulichen
eine zweite Gehäusekonfiguration,
wobei das Ultraschallsystem über
zwei separate Teile verteilt ist. Ein unterer Teil 81 umfasst
das Schallwandler-Array, die Elektronik bis zu einem Videosignalausgang
und die Bedienelemente. Dieser untere Teil ist in 3a gezeigt,
wobei die Apertur des Array-Schallwandlers mit gekrümmtem Array
an der Unterseite sichtbar ist. Der untere Teil ist in der Seitenansicht
aus 3b gezeigt. Dieser untere Teil ist ungefähr 11,4
cm hoch, 9,8 cm breit und 2,5 cm tief. Diese Einheit weist näherungsweise
dasselbe Gewicht auf wie ein herkömmlicher Ultraschallabtastkopf.
Dieser untere Teil ist durch ein Kabel 90 an einen oberen
Teil 83 angeschlossen, wie in 4 gezeigt.
Der obere Teil 83 weist eine LCD-Anzeige 82 und
einen Batteriesatz 88 auf. Das Kabel 90 koppelt
Videosignale zur Anzeige von der unteren Einheit 81 an
die obere Einheit und versorgt die untere Einheit aus dem Batteriesatz 88 mit
Strom. Diese zweiteilige Einheit ist vorteilhaft, da der Anwender
die untere Einheit und den Schallwandler 84 wie einen herkömmlichen
Abtastkopf über
den Patienten bewegen und dabei die obere Einheit in einer zum Betrachten bequemen
stationären
Position halten kann. Dadurch, dass der Batteriesatz in der oberen
Einheit angeordnet ist, wird das Gewicht der unteren Einheit verringert,
so dass sie leicht über
den Körper
des Patienten bewegt werden kann.
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Andere
Gehäusekonfigurationen
für das
System sind ohne weiteres ersichtlich. Beispielsweise könnten der
vorgeschaltete ASIC 30, der ASIC für digitale Signalverarbeitung 40 und
der nachgeschaltete ASIC 50 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet
werden, wobei der Strahlformer des vorgeschalteten ASICs an unterschiedliche
Array-Schallwandler anschließbar
ist. Dies würde
es ermöglichen,
für unterschiedliche
diagnostische Bildgebungsprozeduren mit dem digitalen Strahlformer,
digitalen Filter und Bildprozessor unterschiedliche Schallwandler
zu benutzen. Eine Anzeige könnte
in demselben Gehäuse
wie die drei ASICs angeordnet werden, oder der Ausgang des nachgeschalteten
ASICs könnte
an eine separate Anzeigevorrichtung angeschlossen werden. Die Konfiguration
aus 4 könnte
dergestalt abgewandelt werden, dass die Bedienelemente auf der Anzeige-
und Batteriesatzeinheit angeordnet werden und die Ultraschall-ASICs
in der Einheit mit dem Schallwandler-Array.
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Es
wird nun auf 5 Bezug genommen, in der ein
Sende-/Empfangs-ASIC 20A genauer gezeigt wird. Die Signalwege
des ASICs 20A sind in vier identische Abschnitte S1, S2,
S3 und S4 aufgeteilt. In der Zeichnung werden die Interna des Abschnitts
S1 im Detail gezeigt. Der Abschnitt S1 weist zwei 2:1-Sendemultiplexer 408 und 410 auf,
von denen jeder auf ein Impulsgebersignal auf einer der acht (8) „Sende ein"-Leitungen reagiert.
Jeder 2:1-Sendemultiplexer weist zwei Ausgänge auf, die Impulsgeber 402, 404 und 414, 416 ansteuern,
deren Ausgänge
an ASIC-Anschlussstifte
gekoppelt sind, an welche Schallwandlerelemente angeschlossen sind.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform
ist der 2:1-Sendemultiplexer 408 zum
Ansteuern entweder des Elements 1 oder des Elements 65 und
der 2:1-Sendemultiplexer 410 zum
Ansteuern entweder des Elements 33 oder des Elements 97 angekoppelt.
Auf ähnliche
Weise sind die 2:1-Sendemultiplexer in den anderen Abschnitten des
ASICs jeweils an vier Schallwandlerelemente gekoppelt. Mit einem
separaten Impulsgeber für
jedes Schallwandlerelement kann der ASIC 20A gleichzeitig
und unabhängig
voneinander acht der sechzehn Schallwandlerelemente ansteuern, an
die er angeschlossen ist.
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Die
Anschlussstifte des Schallwandlerelements, an welche die Impulsgeber
jedes Abschnitts gekoppelt sind, sind außerdem an die Eingänge eines
4:1-Empfangsmultiplexers
und Schalters 412 gekoppelt. Wenn die Impulsgeber bei der
Ultraschallübertragung
die Schallwandlerelemente ansteuern, schaltet ein Signal auf einer „Sende
an"-Leitung, die
an alle 4:1-Empfangsmultiplexer
und Schalter auf dem ASIC gekoppelt ist, sie alle in einen Zustand,
der den Hochspannungs-Ansteuerpulsen
eine hohe Impedanz entgegenstellt und dadurch den Rest der Empfangssignalwege
von diesen Hochspannungsimpulsen abschirmt. Außerdem werden alle 4:1-Empfangsmultiplexer
und Schalter des ASICs an einen „Empfang Test"-Anschlussstift des
ASICs gekoppelt, über
den ein Testsignal in die Empfangssignalwege eingespeist werden
und sich durch das Empfängersystem
ausbreiten kann. Beim Echoempfang koppelt jeder 4:1-Empfangsmultiplexer
und Schalter die Signale eines der vier Schallwandlerelemente, an
die er gekoppelt ist, mittels einer ersten TGC-Stufe 422 an
einen 1:16-Multiplexer 418.
Die Verstärkung
dieser TGC-Stufen auf dem ASIC wird von einer Spannung gesteuert, die
an einen TGC1-Anschlussstift des ASIC angelegt wird, der in einer
konstruierten Ausführungsform
zwei Anschlussstifte zum Anlegen einer Differenzsteuerspannung umfasst.
Jeder der 1:16-Multiplexer
jedes Abschnitts des ASICs leitet empfangene Echosignale an eine
der sechzehn (16) Leitungen eines Summenbusses 440 weiter.
Zwei der sechzehn Summenbusleitungen sind auf der rechten Seite
der Zeichnung gezeigt und an Filterschaltkreise 222 gekoppelt.
Die gefilterten Bussignale werden an Eingangsanschlussstifte gekoppelt,
die zu zwei zweiten TGC-Stufen 424 und 426 führen, deren
Verstärkung
von der an einen oder zwei TGC2-Anschlussstifte angelegten Spannung
gesteuert wird. Die Ausgänge
dieser zweiten TGC-Stufen sind bei der veranschaulichten Ausführungsform
an Ausgangsanschlussstifte angeschlossen, die zu Kanälen des
Strahlformers des Ultraschallsystems führen.
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Der
ASIC 20A weist außerdem
ein Steuerregister 430 auf, das von dem Strahlformer über einen
seriellen Bus Steuersignale empfängt.
Das Steuerregister verteilt, wie durch die mit „STRG" beschrifteten Eingangspfeile angezeigt,
Steuersignale an alle Multiplexer des ASICs.
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Eine
konstruierte Ausführungsform
von ASIC 20A weist eine Anzahl von Anschlussstiften für Versorgungs-
und Vorspannung sowie Masseanschlüsse auf, die nicht in der Zeichnung
gezeigt werden.
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Ein
System, das die ASICs der vorliegenden Erfindung benutzt, weist
eine N:1-, 1:M-Architektur auf, wobei N die Anzahl der Strahlformerelemente
geteilt durch die maximale Aperturgröße und M die Anzahl der Strahlformerkanäle ist.
Diese ASICs können
benutzt werden, um viele verschiedene Schallwandler-Arrays mit verschiedenen
Elementzahlen auf mehrere Weisen an Strahlformer mit unterschiedlichen
Kanalzahlen anzuschließen.
Ein Beispiel für
diese Vielseitigkeit wird an dem System aus 7 deutlich,
das einen Schallwandler 10' zeigt,
der (wie durch die Pfeile 506, 504 angegeben)
an acht Sende-/Empfangs-ASICs 20A–20H gekoppelt ist,
deren Summenbus 440 durch die sechzehn zweiten TGC-Stufen
der ASICs an einen Strahlformer 550 mit sechzehn Kanälen gekoppelt
ist. (Zur besseren Veranschaulichung sind die zweiten TGC-Stufen
separat dargestellt, obwohl sie in Wirklichkeit auf den ASICs integriert
sind.) In diesem Beispiel sind die acht Sende-/Empfangs-ASICs mit
jeweils sechzehn Anschlussstiften für den Anschluss an Schallwandlerelemente
dergestalt angeschlossen, dass sie separat alle 128 Elemente des
Schallwandler-Arrays 10' ansteuern.
Die 2:1-Sendemultiplexer der acht ASICs sind dazu befähigt, 64
Elemente gleichzeitig anzusteuern, und können daher das Schallwandler-Array
mit einer Sendeapertur mit 64 Elementen ansteuern, die in der Zeichnung
von den Schallwandlerelementen 1-4 ... 29–36 ... 61–64 dargestellt
werden. Diese Apertur mit 64 Elementen ist um die Elemente 32 und 33 zentriert.
Diese Anordnung ist dazu befähigt,
für jede
gesendete Ultraschallwelle alle Elemente einer Apertur mit 64 Elementen
anzusteuern. Die Steuerregister der acht ASICs 20A–20H können auf
herkömmliche
Weise an separate Leitungen eines Datenbusses mit acht Leitungen
vom Strahlformer gekoppelt werden, wobei jede Leitung als serieller
Bus für
ein spezielles Steuerregister dient, so dass alle acht Steuerregister
gleichzeitig geladen werden können.
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Der
Echosignalempfang über
die gesamte Apertur mit 64 Elementen kann auf mehrere Weisen hergestellt
werden. Eine davon besteht darin, eine gefaltete und synthetische
Apertur einzusetzen. Nach einer ersten Wellenübertragung werden die Echos
auf den Elementen 17-32 empfangen und mit den
Echos der Elemente 48-33 gefaltet. Das heißt, auf
eine Summenbusleitung würden
die Echos von den Elementen 17 und 48 multiplexiert,
auf die nächste
Summenbusleitung würden
die Echos von den Elementen 18 und 47 multiplexiert usw.
Diese sechzehn gefalteten Signale werden auf angemessene Weise verzögert und
durch den Strahlformer kombiniert, um fokussierte Signale zu entwickeln.
Nach einer zweiten Wellenübertragung
werden die äußeren Elemente
der Apertur zum gefalteten Empfang benutzt, verzögert und miteinander und mit
den ersten fokussierten Signalen kombiniert, um die Apertur zu vervollständigen.
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Diese
N:1-, 1:M-ASIC-Architektur kann anstelle des Strahlformers mit 16
Kanälen
mit einem Strahlformer 500 mit acht Kanälen benutzt werden, indem die
Verfahren mit gefalteter Apertur und mit synthetischer Apertur eingesetzt
werden, oder mittels eines Empfangsverfahrens mit grober Apertur,
beschrieben in der US-Patentschrift 4,542,653. Bei diesem Verfahren
werden anliegende Elemente, die bei der Strahlübertragung unabhängig angeregt
wurden, beim Empfang gepaart, indem die empfangenen Signale kombiniert
werden und für
beide dieselbe Fokussierverzögerung
benutzt wird. Effektiv bedeut dies, dass beim Empfang das Wandlerraster
um einen Faktor zwei gröber
ist. Zwar steigt hierdurch der Pegel der Gitterkeulen der empfangenen Richtcharakteristik
an, doch sind die kombinierten Sende- und Empfangsrichtcharakteristiken
noch akzeptabel, und das System profitiert von der höheren Empfindlichkeit
einer größeren Empfangsapertur.
Falls die Gitterkeulen nicht akzeptabel sein sollten, können sie
durch Verwendung einer aperiodischen Apertur reduziert werden, bei
welcher die Anzahl der zu Gruppen kombinierten Elemente über die
Apertur hinweg von Gruppe zu Gruppe schwankt. Die aperiodische Öffnung wird
die Gitterkeuleneffekte effektiv zu einem gleichförmigen Bildhintergrund
vermischen.
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Bei
einer solchen Anordnung werden die von vier Schallwandlerelementen
empfangenen Signale durch eine geeignete Programmierung der 1:16-Multiplexer
auf dieselbe Summenbusleitung geleitet, um sie an die Eingänge jedes
der acht Strahlformerkanäle
anzulegen. Auf diese Weise lassen sich die von den Elementen 17 und 18 empfangenen
Signale auf derselben Summenbusleitung mit den von den Elementen 47 und 48 empfangenen
Signalen kombinieren und alle vier Signale an den Eingang eines
Strahlformerkanals koppeln. Somit werden sowohl das grobe Empfangsverfahren
als auch das Verfahren mit gefalteter Apertur gleichzeitig eingesetzt.
Es ist möglich,
im Anschluss an eine übertragene
Welle eine Apertur mit zweiunddreißig Elementen zu empfangen,
oder eine Apertur mit vierundsechzig Elementen, die mit zwei Wellenübertragungen durch
das Verfahren mit synthetischer Apertur gebildet wird. Falls lediglich
eine feine Empfangsapertur benutzt wird, ist die Apertur bei Verwendung
des Verfahrens mit gefalteter und des Verfahrens mit synthetischer
Apertur auf zweiunddreißig
Elemente oder bei Verwendung nur entweder des Verfahrens mit gefalteter
oder des Verfahrens mit synthetischer Apertur alleine auf sechzehn
Elemente beschränkt.
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Es
ist somit ersichtlich, dass bei den veranschaulichten Ausführungsformen
der Sende-/Empfangs-ASIC 20A mit
sechzehn Schallwandlerelementen betrieben wird, und dass mehrere
dieser ASICs mit Schallwandler-Arrays mit größerer Elementzahl benutzt werden
können.
Zum Beispiel können
sechs dieser ASICs ein Schallwandler-Array mit 96 Elementen steuern.
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Ein
Blockdiagramm des vorgeschalteten ASICs 30 wird in 6 gezeigt.
Diese Zeichnung zeigt einen Abschnitt 30a des vorgeschalteten
ASICs 30. Es gibt acht derartige Abschnitte auf dem vorgeschalteten
ASIC, um die Strahlformung der Signale der acht Summenbusleitungen
vom Sende-/Empfangs-ASIC 20 bereitzustellen. Jeder Echosignalausgang
ist an den Eingang eines A/D-Wandlers 310 gekoppelt, wo
die Echosignale in digitale Daten umgewandelt werden. Die A/D-Wandler sind in demselben
integrierten Schaltkreis angeordnet wie der Strahlformer selbst,
wodurch die Anzahl der externen Anschlussstifte des integrierten
Schaltkreises minimiert wird. Es wird lediglich ein analoger Eingangs-Anschlussstift
für jeden
Strahlformerkanal benötigt,
und für
das kohärent
summierte Ausgangssignal wird nur ein Satz digitaler Ausgangs-Anschlussstifte
benötigt.
Die vom A/D-Wandler gelieferten Daten werden für jedes Element (oder jedes
Paar bzw. jede Gruppe aus Elementen bei einer gefalteten bzw. groben
Apertur) von einem „A/D
CLK"-Taktsignal in ein
erstes Durchlaufregister (FIFO-Register) 312 geschoben.
Das „A/D
CLK"-Signal wird
von einem dynamischen Fokusregler 314 bereitgestellt, der
den Start des Taktsignals aufschiebt, um eine anfängliche
Verzögerung
bereitzustellen, und daraufhin die Signalabtastzeiten steuert, um
die empfangenen Echosignale dynamisch zu fokussieren. Die Länge des
FIFO-Registers 312 wird durch die Mittenfrequenz des Schallwandlers,
die Aperturgröße, die
Krümmung des
Arrays und die Anforderungen bzgl. des Strahlschwenkens bestimmt.
Zum Beispiel reduzieren eine höhere
Mittenfrequenz und ein gekrümmtes
Array die Anforderungen bzgl. des Strahlschwenkens und somit die Länge des
FIFO-Registers. Die vom FIFO-Register 312 gelieferten verzögerten Echosignale
werden an einen Vervielfacher 316 gekoppelt, wo die Echosignale
mit dynamischen Wichtungswerten gewichtet werden, welche von einem
dynamischen Wichtungsregler 318 bereitgestellt werden.
Die dynamischen Wichtungswerte wichten die Echosignale unter Berücksichtigung
der Auswirkungen der Anzahl aktiver Elemente, der Position eines Elements
in der Apertur und der gewünschten
Apodisationsfunktion bei Ausdehnung der Apertur durch Aufnahme zusätzlicher äußerer Elemente
beim Empfang von Echos aus zunehmender Tiefe entlang der Abtastzeile.
Die verzögerten
und gewichteten Echosignale werden dann summiert mit in angemessener
Weise verzögerten
und gewichteten Echosignalen von anderen Elementen und Echosignalen
von allen anderen Verzögerungsstufen,
die über
einen Summierer 320 in Kaskade gekoppelt werden. Die strahlgeformten
Echosignale werden zusammen mit synchronen Überlaufbits als Ausgangs-Abtastzeilendaten
auf einem HF-Datenbus erzeugt. Jede Sequenz von Abtastzeilen-Echosignalen
wird von Identifikationsinformationen begleitet, die von einer HF-Header-Folgesteuerungseinheit
auf dem ASIC bereitgestellt werden und den Typ der erzeugten Abtastzeilendaten
identifizieren. Der HF-Header kann die Abtastzeile z.B. als B-Modus-Echodaten
oder als Dopplerdaten identifizieren.
-
Falls
dies gewünscht
ist, können
andere Speichervorrichtungen für
digitale Daten und Abtastdaten verwendet werden, um die Strahlformerverzögerungen
bereitzustellen. Ein RAM mit zwei Ports kann verwendet werden, um
die empfangenen digitalen Echoabtastwerte zu speichern, welche dann
zu Zeitpunkten oder in Sequenzen aus dem Speicher ausgelesen werden,
welche die gewünschte
Verzögerung
für die
Signale von den Schallwandlerelementen bereitstellen.
-
Jede
Sektion 30a des vorgeschalteten ASICs weist Sendesteuerkreise 302–308 für vier Schallwandlerelemente
des Arrays auf. Die acht Abschnitte stellen somit gleichzeitig die
Sendesteuerung für 32 Elemente des
Arrays bereit und legen dadurch die maximale Sendeapertur fest.
Die Sendesteuerkreise erzeugen Wellenformen mit festgelegten Dauern
und Frequenzen, welche die Impulsgeber zu Zeitpunkten aktivieren,
die geeignet sind, um ein gesendetes akustisches Signal zu erzeugen,
das auf die gewünschte
Fokustiefe fokussiert ist. Falls, wie in 1 gezeigt,
zusammen mit acht Sende-/Empfangs-ASICs 20A bis 20H,
die zusammen vierundsechzig „Sende
ein"-Leitungen aufweisen,
lediglich ein einzelner vorgeschalteter ASIC mit zweiunddreißig Sendesteuerkreisen
benutzt wird, so ist jeder Sendesteuerkreis an die beiden Eingänge jedes
Sendemultiplexerpaars 408, 410 gekoppelt, und
für jede
gesendete Welle wird durch die Steuersignale des Steuerregisters 430 einer
der Sendemultiplexer dazu programmiert, aktiviert zu werden, und
der andere wird dazu programmiert, deaktiviert zu werden. Hierdurch
wird effektiv jedes Paar aus 2:1-Sendemultiplexern so umgewandelt, dass
es wie ein 4:1-Sendemultiplexer betrieben wird, und es ergibt sich
eine maximale Sendeapertur von zweiunddreißig unabhängig gesteuerten Elementen.
-
Der
vorgeschaltete ASIC 30 umfasst einen gemeinsamen Steuerabschnitt 330,
der die Gesamtsteuerung für
die Sende- und Empfangsfunktionen der acht Strahlformerkanäle auf dem
ASIC bereitstellt. Der Steuerabschnitt 330 wird gesteuert
durch und empfängt
Daten unter Steuerung von dem auf dem nachgeschalteten ASIC 50 angeordneten
RISC-Prozessor. Die Datentabellen für ein bestimmtes Einzelbild
sind im Schreib-Lese- Speicher
(RAM) 32 gespeichert und werden auf Befehl des RISC-Prozessors
hin in den Steuerabschnitt 330 geladen. Der Steuerabschnitt 330 weist
eine Anzahl von Folgesteuerungseinheiten (Sequenzern) für die Sende- und Empfangsfunktionen
auf. Die Einzelbild-Folgesteuerungseinheit 332 erzeugt
Informationen, die von anderen Folgesteuerungseinheiten benutzt
werden und den Typ des zu erzeugenden Einzelbilds identifizieren.
In die Einzelbild-Folgesteuerungseinheit können z.B. Daten geladen werden,
die festlegen, dass es sich bei dem nächsten Einzelbild um zwischen
Gruppen aus vier Doppler-Abtastzeilen eingestreute B-Modus-Abtastzeilen
handelt, und dass die Abtastzeilensequenz lautet: alle Abtastzeilen
mit ungeraden Nummern, gefolgt von allen Abtastzeilen mit geraden
Nummern. Diese Informationen werden an die Zeilen-Folgesteuerungseinheit 334 geliefert,
die den zum Erhalt der gewünschten
Abtastzeilen benötigten
Zeitablauf steuert. Bei der Erfassung der Abtastzeile steuert die
Zeilen-Folgesteuerungseinheit
die TGC-Folgesteuerungseinheit 336 derart, dass sie die
gewünschte
Sequenz aus TGC-Steuerdaten
erzeugt. Die von der TGC-Folgesteuerungseinheit gelieferten TGC-Steuerdaten
werden von einem Digital-Analog-Wandler (DAC) 338 in ein
Spannungssignal umgewandelt und an den/die TGC-Steuerungseingangspol(e) des Sende-/Empfangs-ASICs 20 angelegt.
Die Adress-Folgesteuerungseinheit 342 steuert das Laden
von Daten für
eine neue Abtastzeile in verschiedene Echtzeitregister des Strahlformers,
wie etwa in die Register der TGC-Folgesteuerungseinheit, des dynamischen
Fokusreglers und des dynamischen Wichtungsreglers und der Folgesteuerungseinheit 340 für den seriellen
Bus, die auf einem seriellen Bus serielle Daten für die Steuerregister
der Sende-/Empfangs-ASICs des Systems erzeugt. Alle Register auf
dem vorgeschalteten ASIC, die Echtzeitfunktionen ausführen, sind doppelt
gepuffert. Die Register des Sende- /Empfangs-ASICs sind ebenfalls doppelt
gepuffert, so dass die Steuerdaten während der der Abtastzeile,
für welche
die Steuerdaten benutzt werden, vorausgehenden Zeile auf den seriellen
Bus gegeben und in die verschiedenen Register geladen werden können.
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Der
vorgeschaltete ASIC weist in seinem Steuerabschnitt einen Taktgenerator 350 auf,
der mehrere synchrone Taktsignale erzeugt, ausgehend von welchen
der gesamte Betrieb des Systems synchronisiert wird. Um Interferenzen
und Kreuzkoppelung zwischen den eng beabstandeten Vorrichtungen
des Systems zu verhindern, wird die Videoausgangssignalfrequenz
mit einem Taktsignal des Taktgenerators synchronisiert, so dass
Oberschwingungen einer Frequenz keine interferierenden Komponenten
in der anderen erzeugen. Ein Kristalloszillator (nicht gezeigt)
ist an den vorgeschalteten ASIC 30 gekoppelt, um eine Basis-Hochfrequenz, wie
beispielsweise 60 MHz, zur Verfügung
zu stellen, von welcher alle Taktsignale des Systems abgeleitet
werden können.
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8 ist
ein Blockdiagramm der Einzelbild- und der HF-Header-Folgesteuerungseinheit
des vorgeschalteten ASICs aus 6. In dieser
Zeichnung und den folgenden Zeichnungen bezeichnen gestrichelte
Linien 9 den Rand des ASICs, und Kreise auf den gestrichelten
Linien geben Pole (Anschlussstifte) des ASICs an.
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Jedes
Einzelbild umfasst eine Gruppe aus PRIs, wobei jedes PRI die Übertragung
einer Ultraschallwelle und den Empfang von Echos aus dem Körper als
Antwort auf die Welle umfasst. Die Erfassung eines Einzelbilds oder
einer anderen Sequenz, wie etwa Spektraldoppler, wird durch den
Empfang von Daten und Befehlen vom RISC-Prozessor auf dem RISC-Bus 102 ausgelöst. Eine
Anzahl von RAM-Adressen, sogenannte „Sprungadressen", werden im Sprungadressenregister 104 gespeichert.
Jede Sprungadresse ist die Anfangsadresse eines Datenblocks im RAM 32,
der für
eine spezifische Abtastprozedur benutzt wird. Die Sprungadressen
im Register 104 können,
falls gewünscht,
durch neue Sprungadressen, die vom RISC-Prozessor bereitgestellt
werden, aktualisiert werden. Eine Anfangsadresse für die Abtastprozedur
wird in das Anfangsadressregister 106 geladen, das eine
der Adressen von Register 104 zum Laden in einen Einzelbildadressenzähler 108 auswählt. Der
Einzelbildadressenzähler 108 liest
beginnend mit der Adresse, die von dem Sprungadressregister 104 bereitgestellt
wird, sequentiell einen Einzelbild-Steuerdatenblock aus dem RAM 32 aus.
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Die
Einzelbildsteuerdaten umfassen fünf
Steuerworte, die den Strahlformer für die zu erzeugenden Einzelbilddaten
und darauf, was am Ende der Erzeugung zu tun ist, einrichten, sowie
eine variable Anzahl von HF-Header-Datenworten. Die Einzelbilddaten
der Einzelbild-Folgesteuerungseinheit konditionieren andere Folgesteuerungseinheiten
auf die Erzeugung des nächsten
PRI, wobei ein einzelnes PRI der gesamte Zyklus aus Übertragung
einer Ultraschallwelle durch das Schallwandler-Array sowie Empfang
und Strahlformung der sich aus der gesendeten Welle ergebenden Echos
ist. Die fünf
Steuerworte und ihre Datenfelder lauten:
-
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Die
L-SYNAP-Daten legen fest, ob eine synthetische Apertur benutzt werden
soll. Die T-DTYPE-Daten konditionieren das System auf TGC-Steuerung.
Die RF-MODE-Daten
geben die Anzahl der nachfolgenden HF-Header für die anfängliche PRI-Sequenz an. Die
PRI-MARKERS- Daten
identifizieren die PRI-Grenzen und werden in das PRI-Markierungsregister 112 geladen.
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-
Die
FTRIGGER-Daten konditionieren das System auf einen Test- und Kalibrierungsprozess.
Die SUMENA-Daten legen Fest, ob von einem anderen Strahlformer-ASIC
gelieferte Echodaten mit denen des ASICs summiert werden sollen.
Die SOSEL-Daten legen fest, ob ein internes oder externes Signal
verzögerte
Echodaten zur Summierung herausschieben soll. Die FLOOP-Daten legen
fest, wie oft das aktuelle PRI wiederholt werden soll, und werden
in den Einzelbildschleifenzähler 110 geladen.
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Die
L-DTYPE-Daten legen den Typ der durch das PRI zu erzeugenden Ultraschalldaten
fest, wie etwa 2D-Echodaten
oder Dopplerdaten. Die L-HOLDOFF-Daten legen eine etwaige, vor dem
Start des PRI einzuhaltende Verzögerungszeit
fest.
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Die
A-MODE-Daten geben die Anfangsadresse eines von der Adress-Folgesteuerungseinheit
zu verwendenden Datenblocks an. Die A-MSEL-Daten legen fest, ob
die Abtastzeilenrichtung von einem M-Zeilenregister der Adress-Folgesteuerungseinheit
oder von den A-RAY-Felddaten
festgelegt werden soll. Die A-ZONE-Daten legen die Sendefokuszone
fest. Die A-RAY-Daten legen die Richtung des Strahls (Abtastzeile)
relativ zur Schallwandler-Apertur fest, sofern diese durch A-MSEL
angegeben wird.
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Die
JUMP-BITS-Daten legen im Zusammenspiel mit den Bits des Sprungmaskenregisters 118 die
Anfangsadresse des nächsten
Einzelbild-Steuerdatenblocks im RAM 32 fest und werden
in das Sprungbitregister 114 geladen.
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Als
Nächstes
wird eine variable Anzahl von HF-Header-Datenworten aus dem RAM 32 ausgelesen und
in die HF-Header-Folgesteuerungseinheit 344 geladen.
Wie oben erläutert
werden die HF-Daten von der Folgesteuerungseinheit 344 vor
den PRI-Daten auf den HF-Ausgangsbus gegeben, um nachfolgende Prozessoren über den
Typ der PRI-Daten, die sie erhalten, in Kenntnis zu setzen.
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Nachdem
alle diese Datenworte gelesen worden sind, überprüft die Steuerlogik der Einzelbild-Folgesteuerungseinheit,
ob der RISC-Prozessor einen Stop-Befehl erteilt hat. Falls kein
Stop-Befehl vorliegt, startet die Steuerlogik 120 der Einzelbild-Folgesteuerungseinheit
die Zeilen-Folgesteuerungseinheit über den Zeilen-Folgesteuerungseinheit-Steuerbus 124.
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Der
RISC-Prozessor benutzt verschiedene andere Register der Einzelbild-Folgesteuerungseinheit aus 8,
um den Betrieb des Strahlformers in Echtzeit zu steuern. Zum Beispiel
kann der Prozessor PRI-Markierungsmaskendaten
in das PRI-Markierungsmaskenregister 116 laden.
Wenn die von diesen Maskendaten bezeichnete PRI-Grenze mit der PRI-Grenze des PRI-Markierungsregisters übereinstimmt,
was von der Steuerlogik der Einzelbild-Folgesteuerungseinheit erkannt wird,
so ignoriert der Strahlformer in Abhängigkeit von den Maskendaten
die Übereinstimmung
entweder oder reagiert auf diese und führt eine Echtzeitfunktion,
wie etwa das Aktualisieren der TGC-Funktion aus. Der RISC-Prozessor
kann Sprungmaskendaten in das Sprungmaskenregister 118 laden,
die aus den Sprungbits im Sprungbitregister 111 Bits auswählen können, um das
nächste
PRI an eine spezielle Blockdaten-Anfangsadresse in dem Sprungadressregister 104 zu
leiten. Der RISC-Prozessor kann Echtzeitbefehle in das Triggersteuerregister 122 laden,
die, wenn sie von einem Triggerimpuls getriggert werden, an die
Steuerlogik der Einzelbild-Folgesteuerungseinheit
erteilt werden, um Befehle wie etwa Stop, Start, Stop bei Grenzen,
Zurücksetzen,
M-Modus-Aktualisierung
oder TGC-Aktualisierung zu implementieren.
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Sobald
die Zeilen-Folgesteuerungseinheit gestartet worden ist, überwacht
die Einzelbild-Folgesteuerungseinheit
das Echtzeit-Befehlsregister 122 auf Kommandos vom RISC-Prozessor
und wartet auf den Empfang eines Zeilenende-Signals (EOL-Signals)
von der Zeilen-Folgesteuerungseinheit, welche die Einzelbild-Folgesteuerungseinheit
dazu veranlasst, die Einzelbildsteuerdaten für das nächste PRI abzurufen oder die Erfassung
zu beenden.
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Der
Betrieb der Zeilen-, TGC- und Adress-Folgesteuerungseinheiten und der Folgesteuerungseinheit für den seriellen
Bus wird in 9 gezeigt. Die Zeilen-Folgesteuerungseinheit 334 weist
zwei Hauptelemente auf, die Steuerlogik 130 der Zeilen-Folgesteuerungseinheit
und das Zeilensignalregister 132. Der Zweck der Zeilen-Folgesteuerungseinheit
besteht darin, die Signale zu generieren, die zur Steuerung des
gesamten Zeitablaufs des PRI benutzt werden. Zu Beginn ihres Betriebs
liest die Zeilen-Folgesteuerungseinheit
ein HF-Signal-Verzögerungswort,
das die Verzögerung
der HF-Buskennzeichnersignale relativ zu den Steuersignalen RFDVALN
und RFZVALN der Zeilen-Folgesteuerungseinheit steuert. Daraufhin
wartet die Zeilen-Folgesteuerungseinheit eine evtl. von den L-HOLDOFF-Daten befohlene
Verzögerungsperiode
ab. Im Anschluss an die Verzögerungsperiode
beginnt die Steuerlogik 130 der Zeilen-Folgesteuerungseinheit
einen sich wiederholenden Zyklus von RAM-Datenzugriffen für das Zeilensignalregister,
die TGC-Folgesteuerungseinheit
und die Adress-Folgesteuerungseinheit.
Die Intervalle des Zyklus sind in 9a gezeigt.
Die „L"s zu Beginn des Zyklus
markieren Intervalle, während
derer die Steuerlogik der Zeilen-Folgesteuerungseinheit zwei Steuerdatenworte
aus dem RAM 32 ausliest. Das erste Wort ist das Zeilensignalwort
0, das im Zeilensignalregister 32 gespeichert wird. Das
Zeilensignalwort 0 enthält
Signale, die den Zeitablauf des PRI regeln. Ein Beispiel für die Bitbelegung
des Zeilensignalworts 0 wird unten in Tabelle 1 gezeigt. Im Anschluss
an das Zeilensignalwort 0 befindet sich an der nächsten Speicheradresse das
Zeilensignalwort 1, das ein Steuersignal LSIGDUR enthält, welches
das Zeitintervall bis zur nächsten
Aktualisierung der Zeilensignalworte bestimmt.
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Nachdem
das Zeilensignalregister geladen wurde, aktiviert das TGCSQEN-Signal
des Zeilensignalworts 0 die TGC-Folgesteuerungseinheit 336.
Während
des „W"-Intervalls aus 9a bietet
die TGC-Folgesteuerungseinheit
dem RISC-Prozessor die Möglichkeit,
einen neuen TGC-Kurveneintrag in den externen RAM 32 zu
schreiben. Dieses Merkmal lässt
die Modifikation der TGC-Kurven während des aktiven Abtastens zu.
Die erste Hälfte
eines TGC-Verstärkungssteuerworts
legt die Verstärkung
der ersten TGC-Stufen der Sende-/Empfangs-ASICs fest, und die zweite
Hälfte
des TGC-Verstärkungssteuerwortes
legt die Verstärkung
der zweiten TGC-Stufen fest. Während
des „T"-Intervalls aus 9a schreibt die TGC-Folgesteuerungseinheit das Verstärkungssteuerwort
auf die zwei Digital-Analog-Wandler 338a und 338b,
die daraufhin die befohlenen Steuerspannungen für die zwei TGC-Verstärkerbänke auf
dem Sende-/Empfangs-ASIC generieren.
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In
die Folgesteuerungseinheit 340 für den seriellen Bus werden
unter Steuerung der Adress-Folgesteuerungseinheit 342 Steuerdaten
aus dem externen RAM 32 geladen. Die Folgesteuerungseinheit
für den seriellen
Bus führt
eine Parallel-Seriell-Umwandlung der Steuerdaten aus und sendet
das Ergebnis in serieller Form an die Halteregister der doppelt
gepufferten Register der Sende-/Empfangs-ASICs. Außerdem wird
das SERLD-Signal aus dem Zeilensignalwort 0 an den Sende-/Empfangs-ASIC
geliefert und dazu benutzt, den Informationstransfer aus den Halteregistern
an die Arbeitsregister auf dem Sende-/Empfangs-ASIC zu veranlassen.
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Das
ADDSQEN-Signal erteilt der Adress-Folgesteuerungseinheit 342 den
Befehl, während
der Adress-Folgesteuerungseinheits-Intervalle „A" aus 9a,
welche die meiste Zeit der Folgesteuerungseinheiten aus 9 einnehmen,
neue Steuerdaten in die Echtzeitregister auf dem vorgeschalteten
ASIC zu laden. Die Adress-Folgesteuerungseinheit tut dies, indem
sie die Register über
einen internen Adressbus 142 adressiert und dabei einen
Quellenadresszähler 144 benutzt,
um eine Sequenz aus Dateneinträgen
im RAM 32 zu adressieren. Die Daten in den adressierten
RAM-Speicherstellen
werden daraufhin in die adressierten Register geladen, darunter
etwa die dynamischen Fokusregister 314, 314x,
die dynamischen Wichtungsregister 318, 318x und
die Sendesteuerregister 302, 304, 306, 308 usw.
Auf diese Weise werden die internen Register auf dem Strahlformer-ASIC
darauf konditioniert, das nächste
PRI zu senden und zu empfangen.
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Bei
dem PRIRSTN-Signal handelt es sich um eine Zeitmarkierung, von der
die Sende- und Empfangsereignisse markiert werden. Das TDEN-Signal
regelt zusammen mit den in den Registern der Sendesteuerkreise gespeicherten
Sendeverzögerungs-
und Wellenformdaten die Aktivierung der Sendesteuerkreise zum Senden
des gewünschten
fokussierten Ultraschallstrahls.
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Der
Inhalt des Zeilensignalregisters wird während des PRI zu den vom Steuersignal
LSIGDUR festgelegten Intervallen periodisch aktualisiert. Am Ende
des PRI erteilt das Zeilensignalwort 0 im Zeilensignalregister 132 ein
Zeilenendesignal EOLN an die Einzelbild-Folgesteuerungseinheit, um das Ende
des aktuellen PRI zu markieren, wodurch die Steuerung des Strahlformers
für das
nächste
PRI an die Einzelbild-Folgesteuerungseinheit
zurückgegeben
wird. Die Folgesteuerungseinheiten fahren fort, auf diese Weise
zu arbeiten, bis ein vollständiges
Einzelbild aus Bilddaten (im Falle einer bildgebenden Operation)
erfasst worden ist.
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10 veranschaulicht
das Summiernetz 320, welches die verzögerten Echowerte der acht Kanäle auf dem
vorgeschalteten ASIC zu einem kohärenten Echoabtastwert kombiniert.
Ein Netzwerk aus Summierern addiert alle verzögerten Echos des ASICs am Ausgang
des Summierers 552. Auf diesen Summierer schließt sich
ein weiterer Summierer 554 an, der die von einem weiteren
Strahlformer-ASIC gelieferten summierten Echos dazuaddiert. Der
zusätzliche
Summierer 554 erlaubt die Kaskadierung einer Anzahl von
vorgeschalteten ASICs, um einen Strahlformer mit größerer Kanalzahl
zu bilden, wie etwa einen Strahlformer mit sechzehn oder zweiunddreißig Kanälen. Zum
Beispiel können
acht der ASICs 30 kaskadiert werden, um einen Strahlformer
mit vierundsechzig Kanälen
zu bilden.
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11 illustriert
den Betrieb eines der dynamischen Fokusregler 314 des vorgeschalteten
ASICs. Die dynamischen Fokusregler steuern die Zeitverzögerungen
der digitalen Verzögerungen 312 gemäß der bekannten exponentiellen
Formel für
dynamische Fokusverzögerungsvariation,
die in 13 graphisch dargestellt wird.
Wie die Kurve 150 veranschaulicht, beginnt die Verzögerung jeder
digitalen Verzögerung
bei einem vergleichsweise hohen Pegel und fällt dann mit der Zeit ab. Die
exponentielle Kurve 150 wird durch Kreise in eine Anzahl
von Segmenten aufgeteilt, die entlang der Abszisse in 13 gezeigt
sind, und während
derer der Fokus geändert
wird. Wie die Kurve und die Segmente anzeigen, sinkt die Fokusänderungsrate
mit der Zeit in dem Maße
ab, wie Echos aus zunehmenden Entfernungen empfangen werden.
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Die
Anordnung aus 11 implementiert diese Funktion,
indem zwei Werte, die in einem internen Fokusdaten-RAM 152 gespeichert
sind, in einen Kodierer und einen Zähler des dynamischen Fokusreglers
geladen werden. Einer der Werte legt die Länge eines Segments der Fokuskurve
fest und wird sowohl in den Kodierer 154 als auch den Segmentlängenzähler 156 geladen.
Der zweite Wert legt die Fokusrate, die Anzahl der Fokusaktualisierungen
innerhalb des Segments, fest und wird in den Kodierer 154 geladen.
Der Kodierer benutzt die beiden von dem internen RAM 152 gelieferten
Werte, um einen Aktualisierungsintervallwert, das Zeitintervall
zwischen Fokusaktualisierungen, zu erzeugen. Der Aktualisierungsintervallwert
wird von dem Fokusaktualisierungszähler wiederholt heruntergezählt, und
beim Endstand des Zählers
wird ein Fokusaktualisierungssignal erzeugt, das einen Befehl an
den Steuerautomaten 160 zum Aktualisieren des Fokus triggert. Der
Steuerautomat 160 erteilt daraufhin einen Befehl zum Anpassen
der Phase des Abtastintervalls an den Abtastautomaten, und der Abtastautomat 162 setzt
daraufhin einen Abtastimpuls mit dem gewünschten Phasenverhältnis zu
einem Taktsignal CLK2 ab.
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Während Abtastimpulse
innerhalb des aktuellen Fokussegments (siehe 13) erzeugt
werden, zählt der
Segmentlängenzähler 156 die
Dauer des Segments. Wenn der Segmentlängenzähler das Ende des Segments
erreicht, setzt er ein Segmentendesignal an den Fokusaktualisierungszähler ab,
um das nächste
Aktualisierungsintervall in den Zähler 158 zu laden.
Der Steuerautomat 160 wird über das Ende des Segments informiert,
ebenso, wie ein Adresszähler 153,
der seinen Zählerstand
hochzählt,
um die nächste
Speicherstelle des Fokusdaten-RAMs 152 zu adressieren und
aus diesem die Werte für
das nächste
Fokussegment zu erhalten.
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Außerdem wird
von dem Steuerautomaten 160 das vom RISC-Prozessor gelieferte
Abtastverhältnis in
die Abtastimpulsrate einmultipliziert; es handelt sich hierbei um
einen Code, der das Verhältnis
der Haupttaktfrequenz des Systems zur nominellen Abtastfrequenz
angibt.
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Zu
Beginn des PRI wird der dynamische Fokusregler für eine anfängliche Verzögerungsperiode,
die von einem Verzögerungszähler 164 gezählt wird,
von einem Signal auf dem Aktivierungseingang des Steuerautomaten 160 gehemmt.
Nachdem der Zähler 164 diese
anfängliche
Verzögerung
gezählt
hat, wird der Steuerautomat 160 aktiviert, der wiederum
den Segmentlängenzähler 156 und
den Fokusaktualisierungszähler 158 aktiviert,
damit diese ihren Betrieb für
das aktuelle PRI aufnehmen.
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Der
Betrieb des dynamischen Wichtungsreglers 318 wird in 12 und 15 veranschaulicht.
Die Ausgabe verzögerter,
digitaler Echosignale beginnt mit dem Setzen des SOEN-Signalbits
(„shift
out enable", „Herausschieben
aktivieren") im
Zeilensignalwort 0. Das SOEN-Signal aktiviert den Leseadressenzähler 194 des Zeilenabtastwertspeichers 190 in 15.
Diese Zeichnung veranschaulicht einen RAM mit zwei Ports, der für die digitale
Verzögerung 312 benutzt
wird. In diesem Beispiel arbeitet der RAM mit zwei Ports nach der
Weise eines FIFOs, indem sequentielle Adressierung für die Speicheradressen
der empfangenen Echosignale benutzt wird. Empfangene Echos werden
in aufeinanderfolgend adressierte Speicherstellen des Speichers 190 geschrieben,
indem ein Schreibadressenzähler 192 getaktet
wird. Echosignale, die an den „Daten
ein"-Eingang der
Schreibverstärker 196 angelegt
werden, werden, wenn die Schreibverstärker 196 von einem „Eingang
aktivieren"-Signal
aktiviert werden, an die Speicherstellen geschrieben, die von dem
Schreibadressenzähler 192 adressiert
werden, und auf gleichartige Weise – und gleichzeitig, falls erwünscht – können gespeicherte
Echosignale in der Reihenfolge, in der sie empfangen wurden, aus
dem Speicher 190 ausgelesen werden, indem ein Leseadressenzähler 194 hochgezählt wird,
während
ein „Ausgang
aktivieren"-Signal angelegt wird,
um die Leseverstärker 198 auszulesen.
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Bei
Auftreten des SOEN-Signals wird der Leseadressenzähler 194 aktiv
und wird von dem „Abtastwert aus"-Takt hochgezählt. Während der
anfänglichen
Ausgabeperiode, der sogenannten „Wichtungsverzögerungsperiode", wird der Leseadressenzähler 194.
auf die Anfangsadresse hochgezählt,
von der ab Daten zur Summation zu nehmen sind. Während dieser Wichtungsverzögerungsperiode
hat das „Ausgang
aktivieren"-Signal
die Leseverstärker 198 für den Speicher
nicht aktiviert. Folglich gibt der Speicher zu dieser Zeit keine
Echoabtastwerte aus, und zu dieser Zeit wird durch den inaktiven
Ausgangszustand des Speichers Strom gespart.
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Nach
Ablauf der festgelegten Wichtungsverzögerungsperiode zeigt der Leseadressenzähler 194 auf die
gewünschte
Anfangsadresse für
die zu summierende Echosequenz, und das „Ausgang aktivieren"-Signal aktiviert
die Leseverstärker 198 des
Speichers, und Echosignale werden aus dem Speicher 190 ausgelesen und
an die Vervielfacher 316 angelegt. Diese Echosignale werden
in 12 „verzögerte Abtastwerte" genannt, da sie
im Anschluss an die Wichtungsverzögerungsperiode auftreten. Gleichzeitig
werden in 12 „Abtastwert aus"-Taktimpulse an einen
Abtastwertzähler 172 angelegt.
Dieser „Abtastwert
aus"-Takt wird in 12 „Verzögerter Abtastwert
aus"-Takt genannt,
wiederum, da er im Anschluss an die Wichtungsverzögerungsperiode
auftritt.
-
Die
Taktung der Ausgangsechoabtastwerte wird vom Abtastwertzähler 172 gezählt, der
ein Intervall zählt, über welches
die Wichtung der verzögerten
Abtastwerte konstant zu halten ist. Der Zählerstand des Abtastwertzählers 172 wird
mit den Zählerständen des
aktuellen Intervalls verglichen, das von einem Intervalllängenregister 176 geliefert
wird. Während
des Intervalls erzeugt eine Wichtungsdatentabelle 178 eine
Wichtung für
den Vervielfacher 316, um die Abtastwerte zu wichten, die
von dem Speicher 190 ausgegeben werden. Wenn der Vergleicher 174 ein
Signal erzeugt, das das Ende des aktuellen Wichtungsintervalls angibt,
veranlasst das von dem Vergleicher gelieferte Signal den Intervallauswahlregler 182 und
den Wichtungsauswahlregler 184 dazu, ein neues Zähl- und
Wichtungsintervall zur Verwendung zum Wichten der Echosignale auszuwählen. Dies
veranlasst, dass die verzögerten
Abtastwerte für
ein neues Wichtungsintervall mit einer neuen Wichtung multipliziert
werden.
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Bei
dem Intervallauswahlregler 182 und dem Wichtungsauswahlregler 184 handelt
es sich um programmierbare Regler, in die aus dem RAM 32 neue
Steuerdaten geladen werden können.
Wenn der Vergleicher 174 bei Ende des aktuellen Intervalls
ein Signal erzeugt, zählt
der Intervallauswahlregler 182 entweder das Register 176 auf
eine neue Intervalllänge
hoch, oder er hält
das Register 176 auf seiner aktuellen Ausgangslänge fest,
in Abhängigkeit
von den Steuerdaten des Intervallauswahlreglers 182. Am
Ende des aktuellen PRI setzt die Zeilen-Folgesteuerungseinheit das
Intervalllängenregister 176 auf
seinen Anfangs-Intervallwert
zurück.
Der Wichtungsauswahlregler 184 arbeitet auf gleichartige
Weise und zählt
für eine
Wichtungsauswahldatentabelle 178 selektiv durch eine Adresssequenz
durch. Wenn der Wichtungsauswahlregler eine neue Adresse erzeugt,
wird die neue Adresse auf die Wichtungsdatentabelle 178 angewendet,
und der Wichtungswert der adressierten Speicherstelle in der Datentabelle
wird an den Vervielfacher 316 angelegt, der den Wert benutzt,
um die Echoabtastwerte zu wichten. Die von dem Wichtungsauswahlregler
gelieferte Adresse 184 wird mittels eines Multiplexers 186 angewendet,
der außerdem
benutzt wird, um die Wichtungsdatentabelle 178 dazu zu
zwingen, während
Test- oder Kalibrierungssequenzen eine Wichtung von „1" oder „0" zu erzeugen.
-
Ein
Beispiel für
die Wichtungsfunktion, die von der Anordnung aus 12 implementiert
wird, wird von der Kurve 180 in 14 gezeigt.
Wie die Kurve zeigt, werden während
des anfänglichen
Wichtungsverzögerungsintervalls 183 von
der Anordnung keine Wichtungen erzeugt, da der RAM-Speicher 190 mit
zwei Ports keine Echowerte erzeugt. Nach diesem anfänglichen
Intervall wird die Kurve auf einen ersten Pegel 181 erhöht und dann
mit fortschreitender Zeit weiter zu höheren Pegeln. Gleichzeitig
werden die Intervalle, innerhalb derer sich die Wichtung nicht ändert – gezeigt
durch die horizontalen Pegelstufen auf der Kurve 180 –, zunehmend länger. Es
sollte klar sein, dass auch Wichtungen von null benutzt werden können, und
deren anfängliche
Benutzung würde
im Endeffekt das Wichtungsverzögerungsintervall 183 vergrößern.
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Der
nachgeschaltete ASIC 50 ist der Ort des RISC-Prozessors 502,
welcher verwendet wird, um den Zeitablauf von allen Vorgängen des
tragbaren Ultraschallsystems zu koordinieren. Der RISC-Prozessor
ist mit allen anderen Hauptfunktionsbereichen der ASICs verbunden,
um Prozesszeitabläufe
zu koordinieren und Daten, welche notwendig sind, um die durch den
Anwender gewünschte
Verarbeitungs- und Anzeigeart durchzuführen, in Puffer und Register
zu laden. In einem Programmspeicher 52, auf welchen durch
den RISC-Prozessor
zugegriffen wird, sind Programmdaten zum Betrieb des RISC-Prozessors
gespeichert. Der Zeittakt für
den RISC-Prozessor wird von Taktsignalen bereitgestellt, die der
Taktgenerator 350 auf dem vorgeschalteten ASIC 30 liefert.
Der RISC-Prozessor kommuniziert außerdem mittels einer PCMCIA-Schnittstelle und/oder
einer Infrarotübertragungsschnittstelle, über welche
der Prozessor auf zusätzliche,
entfernte Programmdaten zugreifen kann oder Bildinformationen an
entfernte Ziele senden kann. Die Schnittstelle kann beispielsweise
die Verbindung zu einer Telemetrie-Übertragungsstrecke
oder einem Modem herstellen, um Ultraschallbilder von der tragbaren
Einheit an einen entfernten Ort zu übertragen.
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Der
RISC-Prozessor wird unter Kontrolle des Anwenders durch Befehle
und Eingaben betrieben, welche der Anwender mit den Bedienelementen 70 vornimmt.
Ein Diagramm, welches Typen von Bedienelementen, ihre Funktion und
ihre Beschreibung angibt, wird in 16 gezeigt.
Es versteht sich, dass eine Anzahl von Funktionen, wie beispielsweise
Patientendateneingabe, Cineloop-Betrieb und 3D-Ansicht, durch eine
Menüsteuerung
bedient werden, um die Anzahl von Tasten- oder Schalter-Bedienelementen auf der
kleinen tragbaren Einheit zu minimieren. Zur weiteren Vereinfachung
der Einheit ist eine Anzahl von Bedienungsfunktionen auf bestimmte
diagnostische Anwendungen vorprogrammiert; diese laufen automatisch
ab, wenn eine bestimmte Anwendung ausgewählt wird. Beispielsweise ruft
die Auswahl von B-Modus-Bildgebung automatisch Frequenz-Compounding und tiefenabhängiges Filtern
auf, während
bei Auswahl von Dopplerbetrieb ein Vier-Vervielfacher-Filter automatisch
als Wandfilter eingerichtet wird. Die Menüauswahl spezifischer klinischer Anwendungen
kann automatisch spezifische Einstellungen von Merkmalen aufrufen,
wie z.B. TGC-Steuereigenschaften und Fokuszonen.
