DE10130751A1 - Ultraschall-Sendeverfahren und System zum Simulieren einer Sende-Apodisation - Google Patents

Abstract

Ein System zum Steuern der Punktspreizfunktion eines in einen Patienten gesendeten Ultraschallsignals. Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung senden nur eine ausgewählte Anzahl von Wandlerelementen 82a, 82b, 82c... einen Sendeimpuls. Die Elemente, die keinen Impuls senden, werden entsprechend einer Apodisationswahrscheinlichkeitsdichtefunktion ausgewählt. Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung sendet jedes Wandlerelement einen variablen Teil eines Sendeimpulses, um die akustische Leistung des von jedem Element gesendeten Signals zu steuern.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf medizinische Abbildungssysteme im Allgemeinen und auf Ultraschall-Abbildungssysteme im Beson­ deren.

Die Ultraschall-Abbildung ist eine üblicherweise verwendete Technik, um auf nichtinvasive Weise Bilder vom Inneren des Körpers eines Patienten zu erhalten. Eine Spezifikation eines Ultraschallsystems, die sich direkt auf die Qualität von her­ stellbaren Bildern bezieht, ist die Punktspreizfunktion des Sendestrahls, der verwendet wird, um den Körper des Patienten mit Ultraschallsignalen zu beaufschlagen. Um die höchste Kon­ trastauflösung zu erreichen, sollte der in den Patienten ge­ sendete Ultraschallstrahl möglichst niedrige Seitenkeulen ha­ ben.

Ein Verfahren, um die Qualität von Ultraschallbildern zu ver­ bessern, liegt darin, Signale von einem Ultraschallwandler mit einer Apodisationsfunktion zu senden, die die akustische Lei­ stung der von den Seiten des Wandlers gesendeten Signale ver­ mindert und dabei ermöglicht, dass von den dem Zentrum des Wandlers nahen Wandlerelementen eine erhöhte akustische Lei­ stung gesendet wird. Dies hat die Wirkung, dass die Seitenkeu­ len in dem gesendeten Strahl reduziert werden. In der Vergan­ genheit war ein solches Apodisationsschema implementiert, in dem in Reihe mit jedem individuellen piezoelektrischen Kri­ stall in dem Wandler ein getrennter Spannungsregler verwendet wurde. Diese Lösung ist kostspielig.

Im Hinblick auf dieses Problem besteht ein Erfordernis für ei­ nen Ultraschall-Sendemechanismus, der die Punktspreizfunktion eines Sendestrahls verbessern kann, ohne einzelne Spannungs­ regler in Reihe mit jedem Wandlerelement zu erfordern.

Die vorliegende Erfindung liegt in einem System zum Simulieren einer Sendeapodisation ohne die Verwendung von Spannungsreg­ lern in Reihe mit jedem Wandlerelement. In einer Ausführungs­ form der Erfindung werden individuelle Wandlerelemente selek­ tiv an- oder abgeschaltet, so dass jedes Wandlerelement einen Impuls sendet oder nicht. Die Auswahl, welches Wandlerelement einen Impuls sendet, geschieht entsprechend einer Apodisa­ tionswahrscheinlichkeitsfunktion, wie einer Hamming-Funktion. Mit der Wahrscheinlichkeitsfunktion senden weniger Wandlerele­ mente nahe den Rändern des Wandlers einen Impuls, während eine größere Anzahl von Wandlerelementen nahe dem Zentrum des Wand­ lers ausgewählt wird, um einen Impuls zu senden. Im Ergebnis simulieren die kombinierten Sendeimpulse von allen aktivierten Wandlerelementen einen apodisierten Sendestrahl.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung überträgt jedes Wandlerelement einen variablen Teil eines Sendeimpulses. Wand­ lerelemente an den äußeren Rändern des Wandler senden einen geringeren Prozentsatz des Impulses als diejenigen Wandlerele­ mente, die im Zentrum des Wandlers angeordnet sind. Ein jedem Wandlerelement zugeordneter Wellenformgenerator wird mit Para­ metern versorgt, die die Frequenz eines Impulses, die Anzahl von zu sendenden Zyklen und eine für das Element berechnete Verzögerung enthalten. Aus diesen Parametern synthetisiert der Wellenformgenerator einen variablen Teil des zu sendenden Sen­ deimpulses.

Die vorgenannten Aspekte und viele zu der Erfindung gehörende Vorteile werden klarer erkannt, wenn sie unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser verstanden werden.

In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 den Betrieb eines herkömmlichen Ultraschall- Sendesystems, das eine Anzahl von Impulsen ohne Apodi­ sation sendet;

Fig. 2 ein herkömmliches Ultraschall-Sendesystem mit Span­ nungsreglern in Reihe mit jedem Wandlerelement, um ei­ ne Apodisation in einem Sendestrahl zum implementie­ ren;

Fig. 3A-3C ein Ultraschall-Sendesystem zum selektiven Sen­ den eines Impulses aus weniger als der Gesamtzahl von Wandlerelementen entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung und

Fig. 4A-4B ein Ultraschall-Sendesystem entsprechend einem anderen Aspekt der Erfindung, wobei jedes Wandlerele­ ment einen variablen Teil eines Impulses sendet.

Fig. 1 zeigt ein herkömmliches Ultraschall-Sendesystem 20 mit einem Wandler 22 mit einer Anzahl von einzelnen Wandlerelemen­ ten 22a, 22b, 22c. . ., die elektronische Signale in akusti­ sche Energie und umgekehrt umwandeln. Jedes Wandlerelement wird von einem Wellenformgenerator 24 und einem Impulsgeber 26 mit einer Treiberwellenform versorgt. Der Wellenformgenerator erzeugt eine digitale Darstellung des von jedem Wandlerelement zu sendenden Impulses. Der Impuls ist durch eine Anzahl von Parametern definiert, die seine Frequenz, die Anzahl von Zy­ klen und seine Verzögerung enthalten. Die digitale Darstellung wird von den Impulsgebern 26 in eine analoge Wellenform umge­ wandelt. Im Falle eines bipolaren Impulsgebers werden die Im­ pulsgeber von einem Spannungsregler 27 mit einer positiven und einer negativen Bezugsspannung versorgt. Die digitale Darstel­ lung spezifiziert zu jedem Zeitaugenblick, ob der Ausgang 0 sein sollte, die positive Bezugsspannung oder die negative Be­ zugsspannung. Es sei darauf hingewiesen, dass alle Impulsgeber 26 von dem Spannungsregler 27 mit der gleichen Bezugsspannung versorgt werden. Um den Strahl, der aus individuellen Impulsen aus jedem Wandlerelement 28 zusammengesetzt ist, zu fokussie­ ren, wird der Zeitpunkt, zu dem der Impuls von dem Wandlerele­ ment gesendet wird, variiert. Der Wellenformgenerator 24 er­ hält eine Verzögerung, die für jedes Wandlerelement abhängig von der gewünschten Stelle des Brennpunktes des Strahls be­ rechnet wird, und setzt die Verzögerung in einen Zähler. So­ bald der Zähler auf Null abwärts gezählt hat, erzeugt der Wel­ lenformgenerator 24 die geeignete Wellenform und sendet an das Wandlerelement einen analogen Impuls.

Wenn jedes Wandlerelement 28 einen Impuls mit der gleichen Am­ plitude (d. h., ohne Apodisation) sendet, wie durch die Kurve 30 dargestellt, hat der sich ergebende Strahl eine Punkt­ spreizfunktion beziehungsweise eine Punktverteilungsfunktion, wie sie durch die Kurve 32 dargestellt ist, die eine relativ schmale Hauptkeule 34 aufweist, die von relativ großen Seiten­ keulen 36 umgeben ist. Die Größe der Seitenkeulen 36 liegt ty­ pischerweise 13 dB unterhalb der Größe der Hauptkeule 34.

Um feine Details in dem Patienten abzubilden, ist es wün­ schenswert, dass die Hauptkeule 34 so schmal wie möglich ge­ macht wird und die Größe der Seitenkeulen 36 abnimmt. Eine Zu­ nahme der Größe der Seitenkeulen 36 relativ zu der Hauptkeule vermindert die Kontrastauflösung in einem Ultraschallbild.

Ein Verfahren zur Steuerung der Punktspreizfunktion des Ultra­ schallsendestrahls besteht in der Verwendung eines Sendesche­ mas 50, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Hier enthält ein Wandler 52 eine Anzahl von einzelnen Wandlerelementen 52a, 52b. . ., die von einem Wellenformgenerator 54 und einem Impuls­ geber 56, wie vorstehend beschrieben, mit einer Impulswellen­ form versorgt werden. Im vorliegenden Fall aber enthält ein Steuergerät 58 für jedes Wandlerelement 62 einen eigenen Span­ nungsregler und steuert jeden Impulsgeber 56, um die Größe des von jedem Wandlerelement gesendeten Impulses entsprechend ei­ nem Apodisationskoeffizienten zu regeln bzw. zu steuern, der für jedes Wandlerelement definiert ist. Im Allgemeinen ist die Amplitude der von den Seiten des Wandlers gesendeten Impulse kleiner als die Amplitude der von denjenigen Elementen gesen­ deten Impulse, die nahe dem Zentrum des Wandlers angeordnet sind. Die jeweilige, von jedem Wandlerelement gesendete Ampli­ tude wird im Allgemeinen entsprechend einer Apodisationsfunk­ tion bestimmt, die in der Kurve 70 dargestellt ist. Eine nor­ malerweise verwendete Apodisationsfunktion ist eine Hamming- Funktion. Die Verwendung der Hamming-Funktion erzeugt eine Punktspreizfunktion, wie in der Kurve 74 dargestellt, mit im Vergleich ohne Apodisation einer relativ weiteren Hauptkeule 76 und relativ schmaleren Seitenkeulen 78. Theoretisch ist es möglich, dass die Seitenkeulen eine Größe haben, die etwa 43 dB unter der Größe der Hauptkeule 76 liegt.

Das Problem des Sendesystems gemäß Fig. 2 liegt darin, dass die Spannungsregler innerhalb des Steuergerätes 58 teure Kom­ ponenten sind, die für jedes Wandlerelement vorgesehen sein müssen. Die vorliegende Erfindung versucht daher, die unter Verwendung einer Apodisationsfunktion erhaltenen Ergebnisse ohne Verwendung der einzelnen Spannungsregler 58 zu erreichen.

Fig. 3A zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Sendesystems. Das Ultraschall-Sendesystem enthält einen Ultraschallwandler 82 mit einer Anzahl einzelner bezie­ hungweise individueller Wandlerelemente 82a, 82b, 82c, die Ul­ traschallimpulse in den Patienten senden und entsprechende Echosignale empfangen. Jedes der einzelnen Wandlerelemente 82a, 82b, 82c. . . wird von einem Wellenformgenerator 84 und ei­ nem Impulsgeber 86 mit einem Sendeimpuls versorgt. Der Wellen­ formgenerator erzeugt eine digitalisierte Version des Sendeim­ pulses mit gegebenen Parametern, die die Frequenz des Impul­ ses, die Anzahl von zu sendenden Zyklen, usw., enthalten. Zu­ sätzlich speichern Zähler innerhalb des Wellenformgenerators eine jedem Wandlerelement zugeordnete Verzögerung, um den kom­ binierten Ultraschallstrahl zu steuern.

Das Sendesystem 80 enthält weiter ein Steuergerät 89, das der­ art arbeitet, dass bestimmte Sendeelemente selektiv bezüglich des Sendens eines Impulses unwirksam gemacht werden. Das Steu­ ergerät 89 kann eine Anzahl elektronischer Schalter öffnen, die zwischen dem Wellenformgenerator 84 und den Wandlerelemen­ ten 82 angeordnet sind. In der derzeit bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung lädt das Steuergerät 89 jedoch einen vorbestimmten Wert in die Zähler der Wandlerelemente, die nicht senden. Der Wellenformgenerator 84 erkennt diesen vorge­ ladenen Wert und zählt diese Zähler nicht abwärts, um das ent­ sprechende Wandlerelement wirksam abzuschalten. Jedes Wandler­ element, das einen Impuls sendet, tut dies mit im Wesentlichen der gleichen Leistung, da alle Wandlerelemente mit dem glei­ chen Spannungsregler 88 verbunden sind.

Fig. 3B zeigt eine räumliche Kurve, die darstellt, welche Wandlerelemente den Ultraschallimpuls senden und welche nicht. Im Allgemeinen geschieht die Bestimmung, welche der Wandler­ elemente abgeschaltet werden, entsprechend einer Wahrschein­ lichkeitsfunktion, wie einer Hamming-Wahrscheinlichkeits­ dichte-Funktion oder einer anderen Funktion (wie einer Gauß- Funktion). Im Allgemeinen kann jedoch festgestellt werden, dass eine größere Anzahl von zum Zentrum des Wandlers 82 hin angeordneten Wandlerelementen einen Impuls sendet, während we­ niger der Wandlerelemente, die an den Seiten des Wandlers an­ geordnet sind, einen Impuls senden.

Das Folgende ist eine pseudo-code Listung einer Softwarerouti­ ne, die berechnet, welche Wandlerelemente entsprechend der Hamming-Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion einen Impuls senden sollten.

Übersetzung

Fig. 3C stellt simulierte Ergebnisse des Sendesystems gemäß Fig. 3A und 3B im Vergleich mit den Systemen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 dar. Eine Kurve zeigt eine Hauptkeule 90, die ohne Verwendung einer Apodisation erhalten wird, wie vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben. Eine Seitenkeule 92, die ohne Apodisation erhalten wird, liegt im Allgemeinen 13 dB un­ ter dem Scheitel der Hauptkeule. Die Verwendung eines Ultra­ schall-Sendesystems gemäß Fig. 2 erzeugt eine Hauptkeule 94 und eine Seitenkeule 96 mit einer Größe, die etwa 43 dB unter der Größe der Hauptkeule 94 liegt. Unter Verwendung des Sende­ systems der Fig. 3A entsprechend der Erfindung wird eine Sei­ tenkeule 98 mit einer Seitenkeule erzeugt, die etwa 36 dB un­ ter der Größe der Hauptkeule 94 liegt.

Fig. 4A zeigt ein weiteres Verfahren zum Synthetisieren einer Sendestrahl-Apodisation ohne Verwendung von Spannungsreglern für jedes Wandlerelement. Hier wird eine digitale Darstellung des Sendeimpulses 100 als eine Reihe einzelner Tastpunkte 102 erzeugt. Um die akustische Leistung des von jedem Wandlerele­ ment gelieferten Sendeimpulses zu steuern, sendet ein Ultra­ schall-Sendesystem entsprechend diesem Aspekt der Erfindung eine variable Anzahl von nicht Null Punkten 102.

Fig. 4B zeigt ein entsprechend diesem Aspekt der vorliegen­ den Erfindung aufgebautes Ultraschall-Sendesystem. Das System enthält einen Ultraschallwandler 122 mit einer Anzahl von Wandlerelementen 122a, 122b, 122c. . ., die Ultraschallimpulse in den Körper eines Patienten senden und entsprechende Echosi­ gnale empfangen.

Jedes Wandlerelement 122 wird von einem getrennten Wellenform­ generator 124 getrieben, der eine einer Anzahl von Parametern entsprechende Wellenform berechnet und speichert; die Parame­ ter enthalten die Frequenz, die Anzahl der zu sendenden Zy­ klen, eine Verzögerung für ein jeweiliges Wandlerelement und einen Apodisations-Parameter, der den zu sendenden Teil des Impulses spezifiziert. Der Apodisations-Parameter spezifiziert den Prozentsatz jedes positiv und negativ gehenden Zyklus der Wellenform, der gesendet wird. Beispielsweise besteht bei ei­ ner typischen Einzyklus-Wellenform der Sendeimpuls aus einem positiv gehenden Halbzyklus und einem negativ gehenden Halbzy­ klus. Wenn jeder Halbzyklus der Wellenform im Speicher als 100 Tastungen dargestellt ist und wenn der Apodisations-Parameter auf 5% gesetzt ist, dann besteht die von dem Wandlerelement gesendete Wellenform aus 5 nicht Null Tastungen in der Mitte jedes Halbzyklus.

Durch Senden eines variablen Teils des Sendeimpulses kann die akustische Energie der Impulse verändert werden. Durch Steue­ rung des Apodisations-Parameters für jedes Wandlerelement der­ art, dass die Elemente an den Seiten des Wandlers einen gerin­ geren Prozentsatz des Impulses senden und die Elemente zum Zentrum des Wandlers hin einen größeren Prozentsatz senden, kann die Apodisation synthetisiert werden. Zusätzlich wurde festgestellt, dass die Phase der von jedem der Wandlerelemente unter Verwendung der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 4A und 4B erzeugten Impulse bei allen Frequenzen bis hin­ auf auf 200% der Sendefrequenz ähnlich ist. Daher können jed­ welche durch einen Phasenunterschied hervorgerufene Verzerrun­ gen mit einem Hochpaßfilter gefiltert werden.

Während das in den Fig. 3A und 4B dargestellte System für re­ lativ tiefe Brennweiten gut arbeitet, sei darauf hingewiesen, dass bei Abnahme der Brennweite und Abnahme der Anzahl von verwendeten Wandlerelementen einige Artefakte auftreten kön­ nen, die dadurch hervorgerufen sind, dass weniger als der ge­ samte Sendeimpuls von jedem Element übertragen wird. Daher kann es notwendig sein, andere Apodisationstechniken bei kur­ zen Brennweiten zu verwenden.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wurde unter Ver­ wendung von Beispielen mit einem bipolaren Impulsgeber darge­ stellt und beschrieben; es sei darauf hingewiesen, dass unter­ schiedliche Abänderungen gemacht werden können, ohne vom Er­ findungsgedanken abzuweichen. Beispielsweise kann die Erfin­ dung für einen unipolaren Impulsgeber verwendet werden. Der Umfang der Erfindung soll daher durch die nachfolgenden An­ sprüche und Äquivalente dazu bestimmt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Senden eines Ultraschallimpulses in einen Pa­ tienten von einem Ultraschallwandler (82) mit einer Anzahl von Wandlerelementen (82a, 82b, 82c. . .), enthaltend:
Senden eines im Wesentlichen ähnlichen Impulses von weniger als der gesamten Zahl von Wandlerelementen (82a, 82b, 82c. . .), Verzögern des Zeitpunktes, zu dem die Impulse von weniger als der Gesamtzahl der Wandlerelemente gesendet wird derart, dass alle Impulse an dem Brennpunkt zu im Wesentlichen dem gleichen Zeitpunkt ankommen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter enthaltend Auswählen einer Anzahl von Wandlerelementen, die keinen Impuls senden, entsprechend einer Apodisationsfunktion.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Apodisationsfunktion eine Hamming-Fensterwahrscheinlichkeitsfunktion ist.

4. Verfahren zum Senden eines Ultraschallimpulses in einen Pa­ tienten aus einem Wandler (122) mit einer Anzahl von Wandler­ elementen (122a, 122b, 122c), enthaltend:
Zuführen eines Sendeimpulses zu einer Anzahl von Wandlerele­ menten (122a, 122b, 122c. . .), die akustische Impulse zu einem Körper liefern;
selektives Senden eines variablen Betrages des Sendeimpulses von jedem der Wandlerelemente;
Steuern des Zeitpunktes, zu dem der variable Betrag der Sende­ impulse von der Anzahl der Wandlerelemente gesendet wird der­ art, dass die Sendungen von jedem der Wandlerelemente an dem Brennpunkt zu im Wesentlichen dem gleichen Zeitpunkt ankommen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, weiter enthaltend:
Selektives Senden eines größeren Betrages des Sendeimpulses von den Wandlerelementen näher dem Zentrum des Wandlers als ein variabler Betrag des Sendeimpulses, der nahe den Seiten des Wandlers gesendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, weiter enthaltend:
Synthetisieren eines variablen Teils des Sendeimpulses für je­ des Wandlerelement aus einem jedem Wandlerelement zugeordneten Wellenformgenerator (124) entsprechend einer Apodisationsfunk­ tion.

7. Ultraschall-Sendesystem, enthaltend:
einen Ultraschallwandler (122) mit einer Anzahl von Wandler­ elementen (122a, 122b, 122c), die elektronische Signale in akustische Energie und umgekehrt umwandeln;
einen Wellenformgenerator (124), der jedem Wandlerelement zu­ geordnet ist und eine von jedem Wandlerelement zu sendende di­ gitalisierte Wellenform erzeugt, wobei jede Wellenform einen variablen Prozentsatz eines Sendeimpulses enthält.

8. System nach Anspruch 7, wobei die Wellenformgeneratoren (124), die Wandlerelementen an den Seiten des Wandler zugeord­ net sind, eine Wellenform erzeugen, die ein geringerer Pro­ zentsatz des Sendeimpulses ist, als die Wellenformgeneratoren, die den Wandlerelementen im Zentrum des Wandlers zugeordnet sind.

9. Ultraschall-Sendesystem, enthaltend:
einen Ultraschallwandler (82) mit einer Anzahl von Wandlerele­ menten (82a, 82b, 82c. . .), die elektronische Signale in aku­ stische Energie und umgekehrt umwandeln;
einen Wellenformgenerator (84), der eine von jedem Wandlerele­ ment zu sendende Wellenform liefert, und
ein Steuergerät (89), das selektiv eines oder mehrere Wandler­ elemente unwirksam macht, so dass die Wellenform von weniger als der Gesamtzahl der Wandlerelemente gesendet wird.

10. Ultraschall-Sendesystem nach Anspruch 9, wobei das Steuer­ gerät (89) selektiv eines oder mehrere Wandlerelemente ent­ sprechend einer Apodisationswahrscheinlichkeitsfunktion un­ wirksam macht.