DE69839062T2

DE69839062T2 - Vorrichtung zur ultraschall-diagnose

Info

Publication number: DE69839062T2
Application number: DE69839062T
Authority: DE
Inventors: Yuuichi Chuo Kenkusho MIWA; Ryuichi Chuo Kenkusho SHINOMURA; Shinichiro Chuo Kenkusho UMEMURA
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2018-11-28
Also published as: JP4589527B2; JP2008237932A; EP1042985B1; US20020123685A1; EP1042985A4; US6572550B2; JP4796093B2; US6659951B2; US20020123686A1; JPH11169365A; WO1999027858A1; EP1042985A1; DE69839062D1; US6383140B1; JP2009006168A; JP4796105B2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ultraschall-Diagnose. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Technologie, die sich zur Digitalisierung einer Signalverarbeitung, mit der sich Tomogramme mit hoher Bildqualität unabhängig vom Objekt und vom bildgebenden Bereich erzielen lassen, in einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Inspektion eines Gegenstands durch Ultraschallwellen oder in einer Vorrichtung zur Ultraschall-Diagnose zur Durchführung medizinischer Diagnosen eignet.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Als eines der Signalverarbeitungsverfahren zur Erzeugung von Ultraschall-Tomogrammen unter Verwendung von Empfangssignalen von Ultraschall-Wandlerelementen, die in einem Array angeordnet sind, ist ein Verfahren bekannt, das als "Frequenzverschiebungs-Beamforming-Verfahren" bezeichnet wird. Dieses Verfahren umfasst die Schritte des Mischens des Signals von jedem Ultraschallelement mit einem Referenzsignal, der Gewinnung einer niederfrequenten Komponente von jedem gemischten Signal, oder anders ausgedrückt, der Verschiebung des Signals zur niederfrequenten Seite hin, der Verzögerung der gemischten Signale durch entsprechende Verzögerungsschaltungen zum Beamforming, der anschließenden Addition der Signale und des Erhaltens von Antwortsignalen, die auf gewünschte Positionen fokussiert sind. Zu den Druckschriften, die mit der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang stehen, gehören US 4 140 022 , JP-A-52-20857 sowie das Patent US 4 983 970 .
JP-A-6-313764 offenbart eine Technologie, die auf dem oben beschriebenen Beamforming-Verfahren beruht, wobei der Hauptteil der Signalverarbeitungsschaltung eine digitale Schaltung ist. Bei dieser Technologie wird insbesondere eine Überabtastungstechnik angewandt, bei der eine Akkumulationsverarbeitung durchgeführt wird, nachdem jedes abgetastete Ultraschallsignal mit einem Referenzsignal gemischt wurde, und die tatsächliche Genauigkeit der Analog-Digital-Wandlung wird erhöht.
Auf der anderen Seite offenbart JP-A-9-206298 eine Ultraschall-Diagnosevorrichtung, bei der eine digitale orthogonale Wellenerfassung angewandt wird. Gemäß dieser Druckschrift wird ein Signal von jedem Ultraschallwandlerelement durch eine Verzögerungsschaltung verzögert. Anschließend gelangt das verzögerte Signal als Eingangssignal in eine orthogonale Erfassungsschaltung, und die gleichphasige Komponente und die orthogonale Komponente werden erzeugt. Diese orthogonale Erfassungsschaltung führt eine Interpolation, die einer Änderung der Frequenz der Referenzwelle äquivalent ist, in Entsprechung zu einer Spektrumsverschiebung durch, bei der sich die Mittenfrequenz eines Ultraschallechos mit der Echozeit zu einem Bereich niederer Frequenz hin verschiebt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist nicht leicht, die Frequenz der Referenzwelle in einem System drastisch zu ändern, bei dem die effektive Änderung der Referenz welle durch Interpolation durchgeführt wird. Bei dem digitalen orthogonalen Erfassungssystem der oben beschriebenen bekannten Druckschrift wird das durch Digitalisieren des Ultraschallsignals von jedem Element erhaltene Signal hoher Frequenz durch die Verzögerungseinrichtung einem Beamforming unterzogen, bevor die Frequenz zum Bereich niederer Frequenz hin verschoben wird. Daher ist eine hohe Genauigkeit für die Steuerung der Verzögerungszeit jedes Signalkanals erforderlich.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Vorgabe des Frequenzverschiebungs-Beamforming-Verfahrens, bei dem der Effekt der Überabtastung ausgenützt wird. Anders ausgedrückt wird das Ultraschallsignal von jedem Element bei einer Frequenz abgetastet, die höher ist als die Nyquist-Frequenz der Obergrenze seines Signalbandes, und wird in einer nachfolgenden Stufe einer Akkumulationsverarbeitung unterzogen. Das so abgetastete Digitalsignal wird dann mit einem Referenzsignal gemischt und nach der Akkumulationsverarbeitung durch eine Verzögerungsschaltung einem Beamforming unterworfen und dann addiert.
Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einer solchen digitalisierten Ultraschall-Diagnosevorrichtung, die nach dem Frequenzverschiebungs-Beamforming-Verfahren arbeitet, die Frequenz des Referenzsignals frei zu variieren und es zu ermöglichen, verschiedene Bilderzeugungen mit hoher Qualität oder mit hoher Geschwindigkeit durchzuführen.
Die obige Aufgabe sowie weitere Aufgaben und neue Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der Beschreibung der Patentschrift in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher hervor.
Die Vorrichtung zur Ultraschall-Diagnose der vorliegenden Erfindung weist auf:

(a) eine Wellensendeeinrichtung zur wiederholten Ansteuerung einer Gruppe von Ultraschallelementen, die in einem Array angeordnet sind und Ultraschallwellen erzeugen,
(b) eine Digitalwandlereinrichtung zur Abtastung von Empfangssignalen, die durch Erfassung von Reflexionsechos in jedem Element der Gruppe von Ultraschallelementen bei einer Abtastfrequenz erhalten werden, die höher ist als die Nyquist-Frequenz der Obergrenze des Signalbandes der Empfangssignale, und zur Umwandlung der Empfangssignale in Digitalsignale,
(c) eine Mischeinrichtung zur Multiplikation der Digitalsignale mit mindestens einem Referenzsignal h(kT),
(d) eine Akkumulationseinrichtung zur Akkumulierung der multiplizierten Digitalsignale, wobei die Anzahl der akkumulierten multiplizierten Digitalsignale gleich der Anzahl der Abtastungen ist, um eine erwünschte Tiefpassfilter-Charakteristik zu realisieren,
(e) eine Fokussiereinrichtung für empfangene Wellen, die den akkumulierten Digitalsignalen eine Verzögerung verleiht, welche die Differenz einer Echoankunftszeit jedes Elements zum Abgleich der jedem der Ultraschallelemente eigenen Phasendifferenzen kompensiert, und die so veränderten Digitalsignale addiert, und
(f) eine Mischdaten-Erzeugungseinrichtung zur seriellen Lieferung von Daten als Referenzsignal h(kT) an die Mischeinrichtung, wobei diese Daten durch Diskretisierung von Signalen mit einer sich zeitlich ändernden Frequenz aus den Sendewellen erhalten werden,
(g) wobei die Mischdaten-Erzeugungseinrichtung aufweist: eine Mischdaten-Berechnungseinrichtung zur Berechnung der komplexen Komponenten der diskreten Werte des Signals mit der sich zeitlich ändernden Frequenz aus den Sendewellen als Signalzug digitalisierter Referenzsignale h(kT) gemäß der Gleichung h(kT) = exp(jωm(kT)kT),worin T den Abtastzyklus der Digitalwandlereinrichtung und k die Abtastanzahl der digitalisierten Empfangssignale bedeuten und wobei ω_m(kT) von einem Wert in der Nähe der Mittenfrequenz der Sendewelle, also mit steigendem Wert von k, zeitlich monoton abfällt, sowie eine Mischdaten-Speichereinrichtung zur Speicherung der berechneten Werte und zum seriellen Auslesen der digitalisierten Referenzsignale h(kT) in der Weise, dass eine Entsprechung zur Abtastanzahl k der digitalisierten Empfangssignale vorliegt.

Bei der Bilderzeugung von Ultraschall-Tomogrammen liefert allgemein die Mischdaten-Erzeugungseinrichtung das Signal, dessen Frequenz zeitlich von einem Wert in der Nähe der Mittenfrequenz der Sendewelle allmählich abnimmt, wobei die Daten als Referenzsignalzug an die Mischeinrichtung geliefert werden. Als Konsequenz kann eine Mischverarbeitung in der Weise durchgeführt werden, dass sie einer Spektrumsverschiebung entspricht, bei der das Frequenzband der empfangenen Ultraschallwellen mit steigender Echotiefe zur Seite niederer Frequenz hin verschoben wird, wodurch die Qualität des Ultraschallbildes verbessert werden kann.
Daten, die durch Digitalisierung von Signalen mit einer Frequenz, die einige Vielfache der Mittenfrequenz der Ultraschall-Sendewellen beträgt, erhalten wurden, werden als Referenzsignalzug erzeugt und seriell zum Mischen verwendet. Auch in diesem Fall kann die Bildqualität durch Anwendung von Mitteln zur fortschreitenden Verringerung der Frequenz verbessert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein zur Erläuterung dienendes Blockdiagramm, das den Aufbau einer Ultraschall-Diagnosevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt.
2 ist ein Blockdiagramm, das einen detaillierten Aufbau der oben beschriebenen Ausführungsform zeigt.
3 ist ein Signalformdiagramm eines Signals, dessen Frequenz in Abhängigkeit von der Zeit abfällt, als Basis für Mischdaten bei der oben beschriebenen Ausführungsform.
4 ist ein zur Erläuterung dienendes Blockdiagramm, das den Aufbau einer Ultraschall-Diagnosevorrichtung anhand eines Beispiels schematisch zeigt, das sich zum Verständnis der vorliegenden Erfindung eignet.
5 ist eine Ansicht, die das Konzept der gleichzeitigen Sendung von Wellen in zwei Richtungen bei dem Beispiel von 4 zeigt.
6 ist eine Ansicht, die das Konzept anhand von Beispielen für digitalisierte Referenzsignale beim Beispiel von 4 zeigt.
7 ist eine Ansicht, die das Konzept der Verarbeitung eines Abtastsignalzugs und eine Sortieroperation zeigt.
8 ist eine Ansicht, die das Konzept der gleichzeitigen Sendung mehrerer Strahlen unterschiedlicher Fokuslänge bei dem oben beschriebenen Beispiel von 4 zeigt.
BESTE AUSFÜHRUNGSWEISE DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In sämtlichen Zeichnungen sind die gleichen Bezugszahlen für Elemente mit der gleichen Funktion verwendet.
Ausführungsform
1 ist ein Diagramm zur Erläuterung des schematischen Aufbaus einer Ultraschall-Diagnosevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Ultraschallsonde 101 weist N Ultraschallelemente auf, die eindimensional angeordnet sind. Jedes Ultraschallelement wird wiederholt durch ein Wellensendesignal angesteuert, das so erhalten wird, dass ein durch eine Treiberquelle 85 erzeugtes Treibersignal durch eine Wellensende- und Fokussierschaltung mit einer Verzögerungsverteilung versehen wird. Eine Digitalwandlereinrichtung 102 umfasst N A/D-Wandler. Das Empfangssignal des Ultraschallechos von jedem Element wird durch einen Abtasttaktgeber mit einem Zyklus T, der für alle Kanäle gleich ist, abgetastet und digitalisiert. Der Abtastzyklus T wird auf einen Wert eingestellt, der kleiner ist als der Nyquist-Zyklus der Obergrenze des Signalbandes eines Empfangswellensignals. Hier bedeutet der Ausdruck "Kanal" eine Signalkomponente in dem Prozess, bei dem N Empfangssignale parallel zueinander der gleichen Verarbeitung unterworfen werden. Jedes der digitalisierten Signale wird in einer Mischeinrichtung 103 mit einem digitalisierten Referenzsignal multipliziert. Das zu multiplizierende Referenzsignal wird später im Einzelnen erläutert. Da es sich hier jedoch um einen diskreten Wert der komplexen Komponenten R und I eines Signals mit einer Frequenz ω_m handelt, die im Wesentlichen gleich der Mittenfrequenz ω_s des Empfangssignals ist, führt die Multiplikation zu komplexen Signalen. Ferner verschiebt sich das Frequenzband der Signale zu dem Band hin, dessen Mitte bei einem subtrahierten Frequenzband (Basisband) zwischen dem Band des ursprünglichen Empfangssignals und ω_s und bei einer summierten Frequenz (ω_s + ω_m) liegt. Jedes Multiplikationsergebnis wird durch eine Akkumulationseinrichtung 104 für eine Vielzahl von Abtastungen akkumuliert, das heißt, die Anzahl von akkumulierten Multiplikationsergebnissen ist gleich der Anzahl der Vielzahl von Abtastungen in Richtung des Zeitablaufs. Das Ergebnis besteht lediglich im Basisbandbereich aufgrund des Tiefpassfilter-Effekts, der durch die Akkumulation hervorgerufen wird. Im Übrigen kann es sich bei der Akkumulationseinrichtung 104 nicht nur um eine Einrichtung zur Durchführung der reinen Akkumulation handeln, sondern auch um eine Einrichtung zur Durchführung der Akkumulation mit Multiplikation mit einer Gewichtungsfunktion, das heißt, zur Berechnung der Multiplikation und der Addition, um die gewünschte Tiefpassfilter-Charakteristik zu realisieren.
Durch eine digitale Verzögerungseinrichtung 105 wird jedem Akkumulationssignal eine Verzögerung verliehen, welche die Differenz der Echo-Ankunftszeit für jedes Element kompensiert. Die Verzögerungsergebnisse für die N Kanäle werden durch eine Addiereinrichtung 106 addiert, um einen wohlbekannten elektronischen Fokussierungseffekt zu erzielen, bei dem lediglich das Reflexionsecho von einem Ziel-Fokuspunkt verstärkt wird. Der Ausgang der Addiereinrichtung 106 kann für jeden Realteil (gleichphasige Komponente) und jedem Imaginärteil (orthogonaler Bereich) der komplexen Signale erhalten werden. Daher ändert eine Hüllkurven-Wandlereinrichtung 92 die Werte in Absolutwerte und schreibt die Ergebnisse in einen digitalen Abtastungswandler 94 ein.
Die oben beschriebene Operation wird gemäß einem elektronischen Sektor-Scan-Verfahren, das auf diesem Gebiet wohlbekannt ist, wiederholt durchgeführt. Die Richtung des Fokuspunkts der Ultraschall-Sendewelle, die von einer Wellensende- und Fokussierschaltung 86 erzeugt wird, wird jedesmal dann geändert, wenn die Wellensendung wiederholt wird. Die Richtung des Fokuspunkts des empfangenen Wellenstrahls, der von der digitalen Verzögerungseinrichtung 105 verarbeitet wird, wird ebenfalls in Übereinstimmung mit der gesendeten Ultraschallwelle gesteuert. Das Ergebnis dieser Strahlabtastung wird seriell im digitalen Abtastungswandler 94 gespeichert, und ein Ultraschall-Tomogramm wird durch eine Anzeigevorrichtung 96 angezeigt.
Im Übrigen wird der Fokuspunkt des empfangenen Strahls mit größer werdender Echotiefe des Empfangssignals mit fortschreitender Zeit während der Wellenempfangsperiode, die sich an eine Wellensendeoperation anschließt, in Tiefenrichtung geändert. Diese Technik ist ebenfalls auf dem vorliegenden Gebiet als dynamische Empfangs-Fokussierung bekannt. Das von einer Steuerschaltung 90 an die digitale Verzögerungseinrichtung 105 in 1 abgegebene Steuersignal d stellt das Signal zur Steuerung der Änderung der Verzögerungsverteilung dar, die aus der Fokusbewegung resultiert. Auf der anderen Seite stellt das Steuersignal b, das an die Wellensende- und Fokussierschaltung 86 zu liefern ist, das Signal zur Steuerung der Änderung der Richtung des Fokuspunkts der oben beschriebenen Ultraschall-Sendewelle dar.
Bei der oben beschriebenen Ultraschall-Diagnosevorrichtung stellt das digitalisierte Referenzsignal, das durch die Mischeinrichtung 103 zur Bewegung des Frequenzbands multipliziert wurde, nicht das Signal dar, das durch Digitalisierung eines Signals mit einer vorgegebenen Frequenz erhalten wird. Anders ausgedrückt wird die hochfrequente Komponente des Empfangssignals mit fortschreitender Zeit nach dem Senden der Welle stark gedämpft, oder, mit anderen Worten, die Mittenfrequenz ω_s des Empfangssignals wird mit größer werdender Tiefe des reflektierten Schalls von der Quelle in Richtung niederer Frequenzen verschoben. Wenn daher ein Referenzsignal einer vorgegebenen Frequenz verwendet wird, nimmt die Erfassungseffizienz der Ultraschallechos im tiefen Bereich ab. Das von der Mischdaten-Erzeugungseinrichtung 107 an die Mischeinrichtung 103 gelieferte Referenzsignal ändert ebenfalls die Frequenz in der Weise, dass sie einer solchen Spektrumsverschiebung entspricht. Die Mischdaten-Erzeugungseinrichtung 107 umfasst eine Mischdaten-Berechnungseinrichtung 109 und eine Mischdaten-Speichereinrichtung 110, wie in 2 dargestellt ist. Die Mischdaten-Berechnungseinrichtung 109 wird durch ein Programm dargestellt, das auf einer bekannten Datenverarbeitungseinheit läuft. Bei dieser Ausführungsform beträgt der Abtastzyklus T der Digitalwandlereinrichtung 40 ns, und die Anzahl der Abtastungen in der Wellenempfangsperiode nach der Sendeoperation einer Welle beträgt 4096. Dementsprechend berechnet die Mischdaten-Berechnungseinrichtung 109 die Komplexkomponenten des Referenzsignals nach der nachstehenden Gleichung für eine ganze Zahl k, die der Beziehung 0 ≤ k < 4096 entspricht: h(kT) = exp(jωm(kT)kT) (1).
Außerdem sollte der Phasenwert korrekterweise durch Integration ausgedrückt werden; er wird jedoch in Gleichung (1) kurz durch das Produkt der Frequenz und der Zeit ausgedrückt. 3 zeigt die durch Gleichung (1) ausgedrückte Funktion. Die Frequenz ω_m(kT) fällt mit fortschreitender Zeit von einem Wert in der Nähe der Mittenfrequenz der Sendewelle, d. h. mit zunehmendem Wert von k, monoton ab. Der Grad dieses Abfalls kann der Verschiebung der Mittenfrequenz des Empfangssignals der Ultraschallwelle folgen. Wenn die Mittenfrequenz des Sendesignals zum Beispiel 3,5 MHz beträgt, kann die nachstehende Gleichung als ω_m(kT) in Gleichung (1) eingesetzt werden:
In Gleichung (2) beträgt ω_m(kT) 3,5 MHz, wenn k = 0 ist. Danach nimmt die Frequenz linear ab und erreicht einen Wert ω_m(kT) = 2,5 MHz bei k = 4095.
Die Mischdaten-Berechnungseinrichtung 109 berechnet zuvor die komplexen Komponenten des diskreten Wertes des Signals, dessen Frequenz variabel ist, alle 40 ns für sämtliche Werte von k mit 0 < k < 4096 als digitalisierten Referenzsignalzug, und die Mischdaten-Speichereinrichtung 110 speichert die Berechnungsergebnisse. Die Mischdaten-Speichereinrichtung 110 umfasst einen bekannten Halbleiterspeicher. Das mit c in 1 bezeichnete Adress-Steuersignal bezeichnet seriell die Leseadresse der Mischdaten-Speichereinrichtung 110. Die gelieferten digitalisierten Referenzsignale werden seriell so ausgelesen, dass eine Entsprechung mit der Anzahl k der Abtastungen der digitalisierten Empfangssignale vorliegt, und werden zur Mischeinrichtung geliefert. Im Übrigen ist dieses digitalisierte Referenzsignal allen Kanälen gemeinsam. Allgemein wird die Spektrumsverschiebung der Frequenz des Empfangssignals durch die Richtung des Ultraschallstrahls nicht sehr beeinflusst. Daher kann das gleiche Änderungsverfahren, das nicht von der Strahlrichtung abhängig ist, für die Frequenzänderung des Referenzsignals herangezogen werden. In anderen Worten wird die Steuerung des Datenauslesens durch sequentielle Bezeichnung der Adresse jedesmal in genau der gleichen Weise wiederholt, wenn die Sendewelle wiederholt wird.
Wenn das Referenzsignal der Frequenz, die der Spektrumsverschiebung des Empfangssignals folgt, in der oben beschriebenen Weise zum Mischen herangezogen wird, liegt die Mittenfrequenz der Basisbandkomponente, die durch das Mischen erzeugt wird, stets in der Nähe von Null. Dementsprechend kann die Gewinnung des Basisbands durch Akkumulation mit hoher Effizienz durchgeführt werden, wodurch die Qualität des Ultraschall-Tomogramms verbessert werden kann.
Bei der oben angegebenen Ausführungsform wird die Frequenz des Referenzsignals, das dem Empfangssignal von der kleinsten Tiefe (k = 0) entspricht, auf einen Wert festgesetzt, der gleich der Mittenfrequenz von 3,5 MHz der Sendewelle ist. Es kann jedoch möglich sein, die Mittenfrequenz der abzubildenden Empfangswelle auf einen höheren Wert festzusetzen, d. h., die Frequenz des k = 0 entsprechenden Referenzsignals auf einen höheren Wert festzusetzen. ω_m(kT) ist zum Beispiel durch folgende Gleichung (3) gegeben:
In dieser Gleichung (3) ist ω_m(kT) = 4,5 MHz bei k = 0, und ω_m(kT) = 2,5 MHz bei k = 4095.
Zur Verringerung von ω_m(kT) kann ferner als Beispiel bei der zweiten Funktion von k die nachstehende Gleichung (4) oder (5) angewandt werden:
Im Folgenden werden Maßnahmen zur Erzielung einer Harmonischen-Bilderzeugung mit der Ultraschall-Diagnosevorrichtung der obigen Ausführungsform beschrieben.
Zunächst wird das Signal betrachtet, das durch Diskretisierung des Empfangssignals des nten Elements des Arrays erhalten wird, wenn die Mittenfrequenz der Sendewelle ω_s und die Form seiner Hüllkurve A(t) sind. Dann kann die Komponente mit der höchsten Amplitude durch folgende Gleichung (6) ausgedrückt werden: fn(kT) = u(kT – τn) = A(kT – τn)[exp{j(ωs(kT)kT – ϕn)} + exp{–j(ωs(kT)kT – ϕn)}] (6),worin τ_n die Ausbreitungszeit der Schallwelle zum nten Element bedeutet und ϕ_n = ω_s(t)·τ_n ist. Der Wert von ω_s(kT) bedeutet, dass sich die Frequenz, welche die größte Empfangsamplitude liefert, in Abhängigkeit von der oben beschriebenen Spektrumsverschiebung fortschreitend ändert. Auf der anderen Seite enthält das Empfangssignal auch die Harmonischen; wenn die zweifachen Harmonischen besonders betrachtet werden, kann das diskretisierte Empfangssignal durch die nachstehende Gleichung (7) ausgedrückt werden: fn(kT) = u(kT – τn) = A(kT – τn)[exp{j(2ωs(kT)kT – 2 ϕn)} + exp{–j(2ωs(kT)kT – 2 ϕn)}] (7).
Diese auf der Grundlage der zweifachen Harmonischen beruhende harmonische Bilderzeugung kann durch Anwendung eines Referenzsignals durchgeführt werden, dessen Frequenz die Beziehung ω_m(kT) ≒ 2ω_s(kT) erfüllt, das als Referenzsignal an die Mischeinrichtung 103 zu liefern ist. Anders ausgedrückt erfüllt das diskretisierte digitale Referenzsignal hn(kT) die nachstehende Gleichung (8): hn(kT) = exp(j2ωs(kt)kT) (8).
Dann sind die Multiplikationsergebnisse durch die Mischeinrichtung 103 für die oben angegebenen Gleichungen (7) und (6) durch die folgenden Gleichungen (9) bzw. (10) gegeben. gn(kT) = fn(kT)·hn(kT) = A(kT – τn)(exp{j(4ωs(kT)kT – 2 ϕn)} + exp(j2 ϕn)] (9), gn(kT) = fn(kT)·hn(kT) = A(kT – τn)[exp{j(3ωs(kT)kT – ϕn)} + exp{j(ωs(kT)kT + ϕn)}] (10).
Anders ausgedrückt verschiebt sich, wenn das Referenzsignal, das die Frequenz ω_m(kT) ≒ 2ω_s(kT) aufweist, multipliziert wird, die zweifache harmonische Komponente des Empfangssignals zu dem Band mit der Mitte bei 4ω_s(kT) und dem Basisband mit der niederen Frequenz. Daher kann die Vorrichtung mit dem Aufbau, der in 1 dargestellt ist, lediglich diese Basisbande extrahieren und durch den Filtereffekt aufgrund der Akkumulation eine Bildgebung durchführen. Zu diesem Zeitpunkt verschiebt sich die Basiswellenkomponente des Empfangssignals zu den Frequenzen 3ω_s(kT) und ω_s(kT), wie durch Gleichung (10) ausgedrückt wird, und wird durch den Filtereffekt der Akkumulation gedämpft. Anders ausgedrückt kann mit der Vorrichtung, deren Aufbau unter Bezug auf die 1 und 2 erläutert wurde, eine harmonische Bilderzeugung dadurch durchgeführt werden, dass lediglich das digitalisierte Referenzsignal erzeugt wird, das in der Mischdaten-Speichereinrichtung 110 gespeichert wird und gemäß Gleichung (8) seriell auszulesen ist.
Diese harmonische Bilderzeugung wird ebenfalls durch die Dämpfung des Empfangssignals im oberen Frequenzband mit ablaufender Zeit nach Senden der Welle beeinträchtigt, wie bereits beschrieben wurde.
Daher kann die Bildqualität durch kombinierte Anwendung des Steuerverfahrens verbessert werden, bei dem die Frequenz des Referenzsignals mit fortschreitender Zeit verringert wird. Wenn der Dämpfungseffekt durch die Akkumulationseinrichtung 104 nicht ausreichend ist, kann ein Analogfilter in der Stufe vor der Digitalwandlereinrichtung 102 eingeschaltet werden, sodass die Basiswellenkomponente in der Nähe der Frequenz ω_s des Empfangssignals zuvor gedämpft werden kann.
Zum Verständnis der Erfindung geeignetes Beispiel.
Wie oben beschrieben wurde, kann das Band des Empfangssignals durch Auswahl der Frequenz des digitalisierten Referenzsignals, das mit dem Ultraschall-Empfangssignal zu multiplizieren ist, ausgewählt und zur Bildgebung verwendet werden. Daher wird auf der Basis dieses Prinzips bei dem in 4 dargestellten Beispiel eine Vielzahl von Ultraschallstrahlen mit wechselseitig unterschiedlichen Frequenzen gesendet, die Ausgänge der Mischeinrichtung werden unter Umschaltung des Referenzsignals verteilt, und die Bilder der Vielzahl von Strahlen mit unterschiedlichen Frequenzen werden parallel gewonnen.
Im Folgenden wird auf 4 Bezug genommen. Eine Treiberquelle 81 erzeugt ein Sendewellensignal mit einer Mittenfrequenz ω₁, und eine Treiberquelle 82 erzeugt ein Sendewellensignal mit einer Mittenfrequenz ω₂. Diese Sendewellensignale werden in getrennte Wellensende- und Fokussierschaltungen 86 bzw. 87 eingeführt, um N Sendewellensignale zu erhalten, denen eine Verzögerungsverteilung verliehen wird. Eine Addiereinrichtung 88 addiert diese Signale für jeden Kanal und steuert jedes Element einer Sonde 101 an. Hierbei besitzen die Fokusposition F1, die durch die Wellensende- und Fokussierschaltung 86 realisiert wird, und die Fokusposition F2, die durch die Sende- und Fokussiereinrichtung 87 realisiert wird, unterschiedliche Richtungen, wie in 5 dargestellt ist. Demzufolge werden zwei Ultraschallstrahlen mit wechselseitig unterschiedlichen Mittenfrequenzen und Richtungen gleichzeitig gesendet. Noch konkreter betragen der Wert für ω₁ 3,5 MHz und der Wert für ω₂ 5,0 MHz.
Auf der anderen Seite multipliziert die Mischeinrichtung 103 das digitalisierte Empfangssignal jedes Elements mit dem Referenzsignal in genau der gleichen Weise wie bei der Vorrichtung der obigen Ausführungsform der Erfindung. Das vorliegende Beispiel unterscheidet sich jedoch von der Ausführungsform der Erfindung darin, dass das verwendete Referenzsignal abwechselnd zwischen den geradzahligen Sonden und den ungeradzahligen Sonden umgeschaltet wird. Anders ausgedrückt speichert eine Speichereinrichtung im Inneren der Mischdaten-Erzeugungseinrichtung 107 die folgenden digitalisierten Referenzsignal h(kT) in einer solchen Weise, dass eine Entsprechung mit der Abtastanzahl k (0 ≤ k < 4096) des Empfangssignals vorliegt:
Wenn k geradzahlig ist: h(kT) = exp(jωm1(kT)kT) (11-1).
Wenn k ungeradzahlig ist: h(kT) = exp(jωm2(kT)kT) (11-2).
Hier ist ω_m1(kT) im Wesentlichen gleich der Sendewellen-Mittenfrequenz ω₁ der Treiberquelle 81, und ω_m2(kT) ist im Wesentlichen gleich der Sendewellen-Mittenfrequenz ω₂ der Treiberquelle 82. Diese Referenzsignalfrequenzen ω_m1(kT) und ω_m2(kT) können einen betreffenden konstanten Wert besitzen oder mit steigendem Wert von k in der Weise abnehmen, dass dies der Spektrumsverschiebung der Empfangssignale mit fortschreitender Zeit ab dem Senden der Welle entspricht. 6 zeigt die Beziehung zwischen k und ω_m1(kT) und zwischen k und ω_m2(kT), wenn die Referenzsignale auf der Basis der fortschreitend abnehmenden Frequenz angewandt werden.
Die Multiplikationsergebnisse, die erhalten werden, wenn die digitalisierten Referenzsignale, die abwechselnd umgeschaltet werden, seriell geliefert werden, werden durch einen Multiplexer 112, der in 4 dargestellt ist, in geradzahlige Ergebnisse und ungeradzahlige Ergebnisse sortiert und werden durch die Addiereinrichtungen 104-a und 104-b, die doppelt vorgesehen sind, addiert. Die Additionsergebnisse werden durch Wellenempfangs- und Fokussierschaltungen 105-a und 105-b, die doppelt vorgesehen sind, verzögert und addiert. Die Wellenempfangs- und Fokussierschaltung stellt zusammen die digitale Verzögerungsschaltung 105 und die Addiereinrichtung 106 dar, die in 1 gezeigt ist. Die Wellenempfangs- und Fokussierschaltung 105-a wird so gesteuert, dass der Fokus des Empfangswellenstrahls in der Richtung des Sendewellenfokus F1 bezüglich der ungeradzahligen Sonden als Produkt des Multiplikationsergebnisses der Referenzsignale mit der Frequenz ω_m1(kT) erzeugt wird. Anders ausgedrückt wird die Verzögerungsverteilung so erzeugt, dass die Differenz der Ultraschallwellen-Sendezeit von der Schallquelle in der Richtung F1 zu jedem Element kompensiert wird. Die Wellenempfangs- und Fokussierschaltung 105-b wird so gesteuert, dass der Fokus des Empfangswellenstrahls in der Richtung des Sendewellenfokus F2 hinsichtlich der geradzahligen Sonden als Produkt des Multiplikationsergebnisses der Referenzsignale mit der Frequenz ω_m2(kT) erzeugt wird. Mit anderen Worten wird die Verzögerungsverteilung so erzeugt, dass die Differenz der Ultraschallwellen-Sendezeit von der Schallquelle in der Richtung F2 zu jedem Element kompensiert wird. Diese Fokuslagen der Empfangswelle werden in den Richtungen F1 und F2 mit ablaufender Zeit vom Senden der Wellen von einem nahen Wert zu einem weiten Wert bewegt. Anders ausgedrückt ist es bevorzugt, eine dynamische Fokussierung der Empfangswelle in gleicher Weise wie bei der obigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Diese Beamforming-Ergebnisse werden durch eine Hüllkurven-Wandlereinrichtung 92 in die Absolutwerte umgewandelt und als separate Abtastliniendaten der Tomogramme in einen Abtastungswandler 94 eingeschrieben.
7 zeigt zum leichteren Verständnis die Art und Weise des Sortierens der Empfangssignal-Abtastungen, die sequentiell erhalten und in Vielzahl einem Beamforming unterzogen wurden. 4 zeigt ferner den Aufbau der Vorrichtung mit dem Multiplexer 112 und den doppelten Akkumulationseinrichtungen 104-a und 104-b, jedoch können Einrichtungen in der nächsten Stufe nach der Mischeinrichtung 103 Verarbeitungseinrichtungen sein, welche die Funktion aufweisen, die Mischergebnisse abwechseln zu sortieren und sie zu addieren. Ein derartiges Sortieren und eine derartige Multiplex-Phasensynchronisation kann durchgeführt werden, da die Abtastung oberhalb der Nyquist-Frequenz des Empfangssignals in der Stufe der Digitalwandlereinrichtung 102 vorgenommen wird; als Ergebnis wird der Ausgang der Mischeinrichtung 103 in einem Zyklus erhalten, der erheblich kleiner ist als der erforderliche Abtastzyklus.
Die oben beschriebene Operation liefert zwei parallele Abtastlinien, die aus zwei Ultraschallstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen aufgebaut sind, bei einer Wellensendeoperation. Daher kann eine Bilderzeugung mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden. Im Vergleich mit dem herkömmlichen System, bei dem lediglich eine Vielzahl von Empfangsstrahlen gleichzeitig erzeugt wird, ist dieses Beispiel hinsichtlich des Aspekts der lateralen Auflösung überlegen, da auch die Sendewellenstrahlen unabhängige Fokuslagen aufweisen.
Durch Anwendung der gleichzeitigen Sendung von zwei Frequenzen ω1 und ω2 bei diesem erläuternden Beispiel können zahlreiche Modifizierungen vorgenommen werden. Eine dieser Modifizierungen besteht in der Entfernung von "Speckles". Der Ausdruck "Speckle" bedeutet das Interferenzmuster von Ultraschallsignalen im Inneren von lebendem Gewebe. Bei der praktischen Diagnose tritt der unerwünschte Fall auf, dass ein starkes "Speckle" in Bereichen zu beobachten ist, in denen reflektierende Körper realiter nicht vorliegen. Da die Speckles ein Interferenzmuster darstellen, variieren die Positionen, in denen Speckles auftreten, wenn die Frequenz des Sendewellensignals variiert. Auf der anderen Seite tritt das Signal vom tatsächlichen reflektierenden Körper an der gleichen Position auch dann auf, wenn die Frequenz des Sendesignals variiert. Anders ausgedrückt verstärken die Signale von dem tatsächlich vorliegenden reflektierenden Körper einander, wenn die Reflexionssignale von der gleichen Position durch die beiden Sendesignale mit wechselseitig unterschiedlichen Frequenzen summiert werden, während die Speckle-Signale einander abschwächen. Als Ergebnis können die Speckles im Bild zurückgedrängt werden, wie auf diesem Gebiet bekannt ist.
Es wird hier angenommen, dass bei der in 4 dargestellten Ultraschall-Diagnosevorrichtung der durch die Wellensende- und Fokussierschaltung 86 realisierte Fokus F1 und der durch die Wellensende- und Fokussierschaltung 86 realisierte Fokus F2 an der gleichen Position vorliegen. Die Mischeinrichtung 103 führt eine Multiplikation unter abwechselnder Verwendung des Referenzsignals, das vom Signal mit der Frequenz in der Nähe von ω₁ erhalten wurde, und des Referenzsignals, das aus dem Signal mit der Frequenz in der Nähe von ω₂ erhalten wurde, durch. Die doppelt vorgesehenen Wellenempfangs- und Fokussierschaltungen 105-a und 105-b führen den gleichen Beamforming-Prozess durch, sodass die Phase an die Ultraschallwelle aus der Richtung des Fokus in der gleichen Position angeglichen ist. Diese beiden Beamforming-Ergebnisse werden summiert und dann durch die Hüllkurven-Wandlerschaltung 92 in die Absolutwerte umgewandelt, um so die Bilddaten zu erhalten. Demzufolge werden die beiden Ultraschallstrahlen mit den Frequenzen ω₁ und ω₂, die gleichzeitig aus einem Empfangssignal erzeugt wurden, addiert, und die Speckles können in Echtzeit verringert werden. Denn genau genommen sind es allerdings nicht die Daten mit der gleichen Zeitsteuerung, die zusammenaddiert werden, sondern die Daten, die voneinander um einen Abtastzyklus T abweichen. Dennoch entsteht hierbei hinsichtlich der Entfernung der Speckles kein Problem.
Im Folgenden wird eine Anwendung des obigen erläuternden Beispiels auf die gleichzeitige Mehrfach-Sendefokussierung erläutert. In diesem Fall besitzen der Fokus F1 und der Fokus F2, die durch die beiden Wellensende- und Fokussierungsschaltungen 86 und 87, die in 4 dargestellt sind, die gleiche Richtung, wie in 8 gezeigt ist. Der Fokus F1 liegt allerdings in einem kürzeren Abstand als der Fokus F2, der in einem größeren Abstand liegt. Wenn die Mittenfrequenz ω₁ des ersten Strahls beispielsweise 3,5 MHz beträgt, wird die Mittenfrequenz ω₂ des zweiten Sendestrahls, der mit dem ersten Strahl synthetisiert und gesendet wird, auf etwa 2,7 MHz eingestellt, um die spektrale Verschiebung des Echos aus dem weiten Abstand zu berücksichtigen. Der Aufbau und der Betrieb aller Einrichtungen, die sich an die Mischeinrichtung anschließen, und die verwendeten digitalisierten Referenzsignale sind genau gleich wie bei der obigen Ausführungsform der Erfindung, die unter Bezug auf 1 bis 3 erläutert wurde. Die Frequenz des digitalisierten Referenzsignals wird mit fortschreitender Zeit ab dem Senden der Welle fortschreitend verringert, um die spektrale Verschiebung des Reflexionsechos zu berücksichtigen. Im Fall der oben beschriebenen Wellensendefrequenz wird die Frequenz des Referenzsignals zum Beispiel von 3,5 MHz auf 2,5 MHz variiert.
Mit einer solchen Signalverarbeitung der Sendewelle und der Empfangswelle wird bei der Verarbeitung eines Empfangssignals aus einer geringen Tiefe eine Reflexionsantwort erhalten, die den Sendestrahl mit ω₁ reflektiert, der im nahen Abstand konvergiert, da die Frequenz des verwendeten Referenzsignals etwa ω₁ beträgt. Im Gegensatz dazu wird bei der Verarbeitung eines Empfangssignals aus einer größeren Tiefe eine Reflexionsantwort erhalten, welche die Sendestrahlen mit ω₂ stark reflektiert, die im weiten Abstand konvergieren, da das verwendete Referenzsignal ungefähr ω₂ beträgt. Mit anderen Worten besitzt das resultierende Ultraschall-Tomogramm eine hohe Auflösung in lateraler Richtung über einen weiten Tiefenbereich. Da ferner die Ultraschallstrahlen mit unterschiedlichen Konvergierungsabständen gleichzeitig synthetisiert und gesendet werden, erhöht sich die Abtastzeit nicht, und es kann eine Bildgebung mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung wurde entsprechend auf der Basis einer Ausführungsform der Erfindung konkret erläutert. Die vorliegende Erfindung ist allerdings nicht genau auf diese Ausführungsform beschränkt, sondern kann selbstverständlich auf verschiedene Weisen modifiziert werden, ohne den Rahmen des beigefügten Anspruchs zu verlassen.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die durch die in der vorliegenden Anmeldung offenbarte Erfindung erzielten Wirkungen lassen sich kurz wie folgt zusammenfassen.

(1) Die Frequenz des Referenzsignals kann bei der digitalen Ultraschall-Diagnosevorrichtung gemäß dem Frequenzverschiebungs-Beamforming-Verfahren frei kontrolliert werden, und dementsprechend können zahlreiche Bildgebungen hoher Qualität oder mit hoher Geschwindigkeit realisiert werden.
(2) Eine harmonische Bildgebung kann durchgeführt werden.
(3) Eine Hochgeschwindigkeits-Bildgebung kann durchgeführt werden, da eine Vielzahl von Strahlen mit wechselseitig unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig erzeugt werden.
(4) Die Auflösung in Lateralrichtung kann innerhalb eines weiten Tiefenbereichs verbessert werden, und die Qualität der Ultraschallbilder kann verbessert werden.

Claims

Vorrichtung zur Ultraschall-Diagnose, die aufweist: (a) eine Wellensendeeinrichtung (86) zur wiederholten Ansteuerung einer Gruppe von Ultraschallelementen (N), die in einem Array angeordnet sind und Ultraschallwellen erzeugen, (b) eine Digitalwandlereinrichtung (102) zur Abtastung von Empfangssignalen, die durch Erfassung von Reflexionsechos in jedem Element der Gruppe von Ultraschallelementen bei einer Abtastfrequenz erhalten werden, die höher ist als die Nyquist-Frequenz der Obergrenze des Signalbandes der Empfangssignale, und zur Umwandlung der Empfangssignale in Digitalsignale, (c) eine Mischeinrichtung (103) zur Multiplikation der Digitalsignale mit mindestens einem Referenzsignal h(kT), (d) eine Akkumulationseinrichtung (104) zur Akkumulierung der multiplizierten Digitalsignale, wobei die Anzahl der akkumulierten multiplizierten Digitalsignale gleich der Anzahl der Abtastungen ist, um eine erwünschte Tiefpassfilter-Charakteristik zu realisieren, (e) eine Fokussiereinrichtung (105, 106) für empfangene Wellen, die den akkumulierten Digitalsignalen eine Verzögerung verleiht, welche die Differenz einer Echoankunftszeit jedes Elements zum Abgleich der jedem der Ultraschallelemente eigenen Phasendifferenzen kompensiert, und die so veränderten Digitalsignale addiert, und (f) eine Mischdaten-Erzeugungseinrichtung (107) zur seriellen Lieferung von Daten als Referenzsignal h(kT) an die Mischeinrichtung (103), wobei diese Daten durch Diskretisierung von Signalen mit einer sich zeitlich ändernden Frequenz aus den Sendewellen erhalten werden, (g) wobei die Mischdaten-Erzeugungseinrichtung (107) aufweist: eine Mischdaten-Berechnungseinrichtung (109) zur Berechnung der Komplex-Komponenten der diskreten Werte des Signals mit der sich zeitlich ändernden Frequenz aus den Sendewellen als Signalzug digitalisierter Referenzsignale h(kT) gemäß der Gleichung h(kT) = exp(jωm(kT)kT),worin T den Abtastzyklus der Digitalwandlereinrichtung (102) und k die Abtastanzahl der digitalisierten Empfangssignale bedeuten und wobei ω_m(kT) von einem Wert in der Nähe der Mittenfrequenz der Sendewelle, also mit steigendem Wert von k, zeitlich monoton abfällt, sowie eine Mischdaten-Speichereinrichtung (110) zur Speicherung der berechneten Werte und zum seriellen Auslesen der digitalisierten Referenzsignale h(kT) in der Weise, dass es der Abtastanzahl k der digitalisierten Empfangssignale entspricht.