DE3879450T2

DE3879450T2 - Ultraschallechograph mit modifizierter bildkadenz.

Info

Publication number: DE3879450T2
Application number: DE8888202940T
Authority: DE
Inventors: Patrick Societe Civile Pesque
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1987-12-30
Filing date: 1988-12-19
Publication date: 1993-09-23
Anticipated expiration: 2008-12-20
Also published as: IL88812A; FR2625562A1; DE3879450D1; US4893283A; EP0323668A1; JPH024356A; EP0323668B1; IL88812A0; FR2625562B1

Description

Die Effindung betrifft einen Ultraschallechographen mit mindestens einer Reihe von N Elementarwandlern und außerdem mit einer Sendestufe und einer Stufe zum Empfangen und Verarbeiten von Echographiesignalen, die zur genannten Reihe zurückgeworfen sind, wobei diese Empfangs- und Verarbeitungsstufe Mittel zum gleichzeitigen Fokussieren von M Ultraschallstrahlenbündeln aufweist, die aus M verschiedenen Richtungen ankommen.
Die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung findet eine besonders vorteilhafte Anwendung im Bereich der medizinischen Diagnostik mit Hilfe von Ultraschallechographie.
Die heute bestehenden Ultraschallechographen mit linearen oder phasierten Reihen von Wandlern basieren alle auf demselben Prinzip, d.h. auf dem Aussenden einer Ultraschallwelle in einer bestimmten Richtung, darauf das Abhören und Aufzeichnen der aus dieser Richtung ankommenden Echos. Zum Erhalten eines Bildes wird die Auslöserichtung sequentiell geändert: translierend für eine Linearabtastung oder ablenkend für eine Sektorabtastung.
Der größte Nachteil dieser Technik ist die Steuerung mit einer begrenzten Bildkadenz FI. Wenn C die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in den Geweben, zmax die untersuchte Tiefe und Na die Anzahl der akustischen Auslösungen zur Formung eines Bildes in der vorgegebenen Anwendung sind wird FI durch folgende Gleichung gegeben:
FI = C/(2Nazmax)
worin C = 1500 m/s und zmax = 15 cm betragen; also bekommt man FI = 5000/Na Bilder/Sekunde.
Wenn Na = 100 ist, erhält man eine Bildkadenz von 50 in der Sekunde, was im allgemeinen ausreicht für die Echtzeitwahrnehmung von sogar schnellen Bewegungen (Herz) für die Standard-Bildgabe. Jedoch ist sie nicht länger zufriedenstellend für die neuartigen Möglichkeiten der Ultraschallbildgabe, wie z.B.:
- das Farbbild der Blutströme aus Doppler-Echographie, das etwa 10 Auslösungen in derselben Richtung erfordert, um eine Farbbildzeile zum Auswerten der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des Bluts in dieser Richtung zu erhalten. Die Bildkadenz fällt auf 5 in der Sekunde, was offenkundig für das Studium beispielsweise der Blutströme im Herzen unzulänglich ist.
- die Hochauflösungs-Bildgabe, bei der in derselben Richtung mit verschiedenen Brennweiten gesendet wird. Die Bildkadenz wird durch die Anzahl der ausgesandten Brennweiten geteilt.
- die zufallsbedingte Geräuschunterdrückung ("speckle") durch die Technik des Mittelwerts der Bilder einer selben Zone unter verschiedenen Blickwinkeln ("räumliche Kompoundierung"). Die Bildkadenz wird hier durch die Anzahl verschiedener Bilder derselben Zone geteilt, d.h. ungefähr durch 5.
- das Volumenbild, bei dem eine Reihe von Schnitten erstellt wird. Die Bildkadenz wird durch die Anzahl der Schnittebenen geteilt.
Ein zu lösendes allgemeines technisches Problem bei jedem Ultraschallechographen ist das Erhalten einer ausreichenden Bildkadenz zum Erfüllen der Anforderungen der oben erwähnten neuen Techniken der Ultraschallbildgabe.
Eine Lösung dieses allgemeinen technischen Problems wird in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 210 624 angegeben, in der ein Ultraschallechograph beschrieben ist, dessen Empfangs- und Verarbeitungsstufe Mittel zum gleichzeitigen Fokussieren von M Ultraschallstrahlenbündeln aufweist, die aus M verschiedenen Richtungen ankommen, wobei diese Bündel in einem verhältnismäßig großen Emissionsbündel mit Rechteckprofil zusammengenommen werden. Diese bekannte Technik ermöglicht auf wirksame Weise die M-fache Multiplizierung der Gewinnungskadenz der Information. Dennoch ist sie nicht makellos, da die Ausstrahlung der Ultraschallwelle mit Hilfe eines großen und somit nicht fokussierten Bündels verwirklicht und dadurch die allgemeine Auflösung des entsprechenden Ultraschallechographen beeinträchtigt wird.
Also ist das zu lösende technische Problem in dieser Anmeldung die Aufgabe zum Schaffen eines Ultraschallechographen, mit dem die Bildkadenz erhöht werden kann, ohne daß daraus eine Begrenzung der Auflösung des Echographen entsteht. Aus der französischen Patentschrift Nr. 2 420 334 ist ein Ultraschallechograph mit denselben technischen Eigenschaften wie die eingangs erwähnter Art bekannt, der außerdem in der Sendestufe Fokussiermittel enthält. In diesem Echographen werden zur Bildung der Ultraschallbündel in verschiedenen Richtungen Wandlergruppen gleichzeitig angeregt, wobei jede Wandlergruppe einem vorgegebenen Bündel und einer vorgegebenen Richtung entspricht.
Die Lösung des hier beschriebenen technischen Problems ist im Anspruch 1 gegeben, in dem die sehr kurze Dauer der sequentiellen Sendung durch den Kompromis einer Erhöhung der Bildkadenz um den Faktor M unbeschadet der Auflösung des Echographen verwirklicht wird, da die Sende- und Empfangsbündel fokussiert werden. Der erfindungsgemaße Echograph arbeitet auf einem von dem Prinzip von FR-A-2 420 334 abweichenden Prinzip, da jetzt das Gebilde der (N) Wandler zur Bildung von M Bündeln in der Zeit zwischen dem Ausstrahlen und dem Empfangen eines Echos mit N auffolgenden Anregungen und mit M auffolgenden verschiedenen Wiederholungen von N Anregungen angeregt wird.
Auch ist aus der französischen Patentschrift Nr. 2 508 665 ein dynamisches Ultraschallbildgabeverfahren bekannt, das in dem Sinne von dieser Erfindung abweicht, daß eine auf einer Fokuszone fokussierte Ultraschallsalve durch ein Phasenverzögerungsgesetz dem Ende der aus der vorangehenden Fokuszone ankommenden Echos folgt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Schaltplan der Sendestufe des Ultraschallechographen nach der Erfindung,
Fig. 2 schematisch im Schnitt, wie erfindungsgemäß sequentiell 3 in 3 verschiedenen Richtungen fokussierte Bündel ausgestrahlt werden,
Fig. 3 einen Schaltplan der Empfangs- und Verarbeitungsstufe des erfindungsgemäßen Ultraschallechographen.
In Fig. 1 ist schematisch ein Ultraschallechograph mit einer Reihe 10 von N Elementarwandlern mit der Numerierung von i=1 bis N dargestellt. Dieser Ultraschallechograph enthält außerdem eine Sendestufe 20, die mit den Mitteln 21, 22, 23 zum Fokussieren von M=3 Ultraschallbündeln ausgerüstet ist, die sequentiell in 3 verschiedenen Richtungen ausgestrahlt werden, die durch die Fokussierpunkte F1, F2 und F3 dargestellt werden. Diese Fokussiermittel 21, 22, 23 sind klassische Laufzeitleitungsschaltungen, die auf dem Prinzip der elektronischen Fokussierung das Fokussieren eines Ultraschallbündels in einem Punkt unter Berücksichtigung der Anregungszeitpunkten jedes Elementarwandlers i ermöglichen. Also verwirklicht jede Schaltung 21, 22, 23 ein Verzögerungsgesetz Tj(i) entsprechend dem Fokussierpunkt Fj(Xj,Zj) nach folgender Gleichung:
worin p der Schritt der Wandlerreihe 10 ist.
Die drei Phasengesetze T&sub1;(i), T&sub2;(i) und T&sub3;(i) entsprechend den 3 Richtungen F1, F2 und F3 sind in Fig. 2 dargestellt. Die Anregungsdauer der N Elementarwandler ist verhältnismäßig kurz (einige Mikrosekunden) und deshalb ist es möglich, sobald die Ausstrahlung des ersten Bündels nach F1 beendet ist, ein zweites Bündel wieder in der Richtung F2 auszustrahlen und weiter so oft wie notwendig. Die Folge dabei ist wie folgt, wenn
- t=0, Ausstrahlung des in F1 fokussierten Bündels,
- t=T1max, Ausstrahlung des in F2 fokussierten Bündels,
- t=T1max+T2max, Ausstrahlung des in F3 fokussierten Bündels.
Die vollständige Ausstrahlungsfolge dauert somit die Zeit T=T1max+ T-2max+T3max, und dies ist die Summe der 3 maximalen Verzögerungen der 3 Verzögerungssätze, die die 3 ausgestrahlten fokussierten Bündel verwirklichen. In der Zeit T kann nicht angefangen werden, das aus den Richtungen F1 und F2 ankommende Bündel zu empfangen. Jedoch ist diese Zeitspanne kurz genug (10 bis 20 us) und stellt nur eine geringe Dicke (7,5 bis 15 mm) des Gewebes dar, das nicht untersucht werden kann. Im allgemeinen ist diese Dicke unwichtig, da sie nur Haut oder Fett enthält. Wenn man diese dennoch analysieren möchte, genügt es, die Oberfläche des Wandlers um die entsprechende Dicke (7,5 bis 15 mm) von der Haut des Patienten mittels einer Ultraschallwellen durchlassenden "Unterlage" (beispielsweise mittels eines Wassersacks) zu entfernen.
Schließlich ist klar, daß die Bildkadenz unter Beibehaltung der Ausstrahlungsfokussierung mit M (hier 3) gut multipliziert wurde.
Die Beschränkung auf die Zahl M hängt grundsätzlich mit dem Übersprechen zusammen, das sich zwischen zwei auffolgenden Bündeln erreignen könnte, wenn der Winkel θ zu spitz wird. In der Praxis läßt sich nachweisen, daß ein Winkel θ von 5º gar kein Übersprechen erzeugt, zum Beispiel beträgt die Trennung zwischen zwei Bündeln Δx = ztgθ = 3,5 mm im Abstand z von 30 mm, was unzweideutig besser ist bei der erhaltenen lateralen Auflösung mit den heutigen benutzten Systemen (in der Größenordnung von 2 Wellenlängen bedeutet das 1 mm bei 3 MHz). Es könnten also für eine Sektoranalyse von 90º M= 18 (90/5) Bündel quasisimultan verwendet werden.
Dennoch bleibt diese Begrenzung rein theoretisch, da die Behandlung von 18 Bündeln höhere Kosten an Elektronikschaltungen mit sich bringen wird, und andererseits dauert dabei die "Verblendung" des Echographen 60 nis 120 us entsprechend einer Verlustdicke von 45 bis 90 mm, was unerschwinglich ist.
Die Schaltung 30 für den Empfang und die Verarbeitung der an die Reihe 10 gelegten echographischen Signale nach Fig. 3 ist analog der in der europaischen Patentanmeldung Nr. 0 210 624 beschriebenen Schaltung. Die N Signale jedes Elementarwandlers werden parallel den M=3 Fokussiersystemen 31, 32, 33 zugeführt, die in der Folge jedes der Signale i in einer der M=3 Ausstrahlungsrichtungen fokussieren.
Die auf diese Weise gebildeten Signale s&sub1;(t), s&sub2;(t), s&sub3;(t) gelangen an eine Verarbeitungseinheit 34, die eine Umhüllendenextraktionseinheit für die Organbildgabe oder eine Geschwindigkeitsschätzungseinheit bei der Visualisierung von Blutströmungen mittels Doppler-Echographie sein kann. Schließlich gelangt das aus der Verarbeitungseinheit 34 abgehende Signal an eine Wiedergabeeinrichtung 40.

Claims

1. Ultraschallechograph mit mindestens einer Reihe (10) von N Elementarwandlern (i) und außerdem mit einer Sendestufe (20) und einer Stufe (30) zum Empfangen und Verarbeiten von Echographiesignalen, die zu der genannten Reihe (10) zurückgeworfen sind, wobei diese Empfangs- und Verarbeitungsstufe (30) Mittel (31, 32, 33) aufweist zum gleichzeitigen Fokussieren von M Ultraschallstrahlenbündeln, die aus M verschiedenen Richtungen kommen, und wobei die genannte Sendestufe (20) Mittel (21, 22, 23) aufweist zum Fokussieren von M Ultraschallbündeln in je einer der genannten M verschiedenen Richtungen, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der M Ultraschallbündel durch das Gebilde der N Elementarwandler der Reihe ausgestrahlt wird und die M Bündel nacheinander ausgestrahlt werden, wobei die Gesamtdauer der Ausstrahlung der M Bündel durch die Summe der M maximalen Verzögerungszeiten der M Verzögerungsgesetze definiert wird, wodurch die genannten M fokussierten, ausgestrahlten Strahlenbündel gebildet werden.