DE10130751B4

DE10130751B4 - Ultraschall-Sendeverfahren und System zum Simulieren einer Sende-Apodisation

Info

Publication number: DE10130751B4
Application number: DE10130751A
Authority: DE
Inventors: Qinglin Ma; John C. Lazenby; Lin Xin Yao; Bruce A. Mcdermott; David A. Petersen
Original assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: DE10130751A1; JP2002034978A; US6599245B1

Abstract

Verfahren zum Senden eines Ultraschallimpulses in einen Patienten von einem Ultraschallwandler (82) mit einer Anzahl von Wandlerelementen (82a, 82b, 82c...), enthaltend:
Senden eines 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 dem gleichen Zeitpunkt ankommen, weiter enthaltend
Auswählen einer Anzahl von Wandlerelementen, die keinen Impuls senden, entsprechend einer Apodisationsfunktion.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf medizinische Abbildungssysteme im Allgemeinen und auf Ultraschall-Abbildungssysteme im Besonderen.
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 herstellbaren Bildern bezieht, ist die Punktspreizfunktion des Sendestrahls, der verwendet wird, um den Körper des Patienten mit Ultraschallsignalen zu beaufschlagen. Um die höchste Kontrastauflösung zu erreichen, sollte der in den Patienten gesendete Ultraschallstrahl möglichst niedrige Seitenkeulen haben.
Ein Verfahren, um die Qualität von Ultraschallbildern zu verbessern, liegt darin, Signale von einem Ultraschallwandler mit einer Apodisationsfunktion zu senden, die die akustische Leistung der von den Seiten des Wandlers gesendeten Signale vermindert und dabei ermöglicht, dass von den dem Zentrum des Wandlers nahen Wandlerelementen eine erhöhte akustische Leistung gesendet wird. Dies hat die Wirkung, dass die Seitenkeulen in dem gesendeten Strahl reduziert werden. In der Vergangenheit war ein solches Apodisationsschema implementiert, in dem in Reihe mit jedem individuellen piezoelektrischen Kristall in dem Wandler ein getrennter Spannungsregler verwendet wurde. Diese Lösung ist kostspielig.
Im Hinblick auf dieses Problem besteht ein Erfordernis für einen Ultraschall-Sendemechanismus, der die Punktspreizfunktion eines Sendestrahls verbessern kann, ohne einzelne Spannungsregler in Reihe mit jedem Wandlerelement zu erfordern.
Die vorliegende Erfindung liegt in einem System zum Simulieren einer Sendeapodisation ohne die Verwendung von Spannungsreglern in Reihe mit jedem Wandlerelement. In einer Ausführungsform der Erfindung werden individuelle Wandlerelemente selektiv an- oder abgeschaltet, so dass jedes Wandlerelement einen Impuls sendet oder nicht. Die Auswahl, welches Wandlerelement einen Impuls sendet, geschieht entsprechend einer Apodisationswahrscheinlichkeitsfunktion, wie einer Hamming-Funktion. Mit der Wahrscheinlichkeitsfunktion senden weniger Wandlerelemente nahe den Rändern des Wandlers einen Impuls, während eine größere Anzahl von Wandlerelementen nahe dem Zentrum des Wandlers 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. Wandlerelemente an den äußeren Rändern des Wandlers senden einen geringeren Prozentsatz des Impulses als diejenigen Wandlerelemente, die im Zentrum des Wandlers angeordnet sind. Ein jedem Wandlerelement zugeordneter Wellenformgenerator wird mit Parametern 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 Sendeimpulses.
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:
1 den Betrieb eines beispielhaften Ultraschall-Sendesystems, das eine Anzahl von Impulsen ohne Apodisation sendet;
2 ein beispielhaftes Ultraschall-Sendesystem mit Spannungsreglern in Reihe mit jedem Wandlerelement, um eine Apodisation in einem Sendestrahl zum implementieren;
3A–3C ein Ultraschall-Sendesystem zum selektiven Senden eines Impulses aus weniger als der Gesamtzahl von Wandlerelementen entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung und
4A–4B ein Ultraschall-Sendesystem entsprechend einem anderen Aspekt der Erfindung, wobei jedes Wandlerelement einen variablen Teil eines Impulses sendet.
Die 1 und 2 zeigen ein beispielhaftes Ultraschall-Sendesystem 20, 50 das sich implizit der US 4841492 entnehmen lässt.
1 zeigt ein beispielhaftes Ultraschall-Sendesystem 20 mit einem Wandler 22 mit einer Anzahl von einzelnen Wandlerelementen 22a, 22b, 22c ..., die elektronische Signale in akustische 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 Zyklen und seine Verzögerung enthalten. Die digitale Darstellung wird von den Impulsgebern 26 in eine analoge Wellenform umgewandelt. Im Falle eines bipolaren Impulsgebers werden die Im pulsgeber von einem Spannungsregler 27 mit einer positiven und einer negativen Bezugsspannung versorgt. Die digitale Darstellung spezifiziert zu jedem Zeitaugenblick, ob der Ausgang 0 sein sollte, die positive Bezugsspannung oder die negative Bezugsspannung. 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 fokussieren, wird der Zeitpunkt, zu dem der Impuls von dem Wandlerelement gesendet wird, variiert. Der Wellenformgenerator 24 erhält eine Verzögerung, die für jedes Wandlerelement abhängig von der gewünschten Stelle des Brennpunktes des Strahls berechnet wird, und setzt die Verzögerung in einen Zähler. Sobald der Zähler auf Null abwärts gezählt hat, erzeugt der Wellenformgenerator 24 die geeignete Wellenform und sendet an das Wandlerelement einen analogen Impuls.
Wenn jedes Wandlerelement 28 einen Impuls mit der gleichen Amplitude (d. h., ohne Apodisation) sendet, wie durch die Kurve 30 dargestellt, hat der sich ergebende Strahl eine Punktspreizfunktion beziehungsweise eine Punktverteilungsfunktion, wie sie durch die Kurve 32 dargestellt ist, die eine relativ schmale Hauptkeule 34 aufweist, die von relativ großen Seitenkeulen 36 umgeben ist. Die Größe der Seitenkeulen 36 liegt typischerweise 13 dB unterhalb der Größe der Hauptkeule 34.
Um feine Details in dem Patienten abzubilden, ist es wünschenswert, dass die Hauptkeule 34 so schmal wie möglich gemacht wird und die Größe der Seitenkeulen 36 abnimmt. Eine Zunahme der Größe der Seitenkeulen 36 relativ zu der Hauptkeule vermindert die Kontrastauflösung in einem Ultraschallbild.
Ein Verfahren zur Steuerung der Punktspreizfunktion des Ultraschallsendestrahls besteht in der Verwendung eines Sendeschemas 50, wie es in 2 dargestellt ist. Hier enthält ein Wandler 52 eine Anzahl von einzelnen Wandlerelementen 52a, 52b..., die von einem Wellenformgenerator 54 und einem Impulsgeber 56, wie vorstehend beschrieben, mit einer Impulswellenform versorgt werden. Im vorliegenden Fall aber enthält ein Steuergerät 58 für jedes Wandlerelement 62 einen eigenen Spannungsregler und steuert jeden Impulsgeber 56, um die Größe des von jedem Wandlerelement gesendeten Impulses entsprechend einem 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 gesendeten Impulse, die nahe dem Zentrum des Wandlers angeordnet sind. Die jeweilige, von jedem Wandlerelement gesendete Amplitude wird im Allgemeinen entsprechend einer Apodisationsfunktion bestimmt, die in der Kurve 70 dargestellt ist. Eine normalerweise 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 Große der Hauptkeule 76 liegt.
Das Problem des Sendesystems gemäß 2 liegt darin, dass die Spannungsregler innerhalb des Steuergerätes 58 teure Komponenten 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.
3A zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Sendesystems. Das Ultraschall-Sendesystem enthält einen Ultraschallwandler 82 mit einer Anzahl einzelner beziehungsweise individueller Wandlerelemente 82a, 82b, 82c, die Ultraschallimpulse in den Patienten senden und entsprechende Echosignale empfangen. Jedes der einzelnen Wandlerelemente 82a, 82b, 82c... wird von einem Wellenformgenerator 84 und einem Impulsgeber 86 mit einem Sendeimpuls versorgt. Der Wellenformgenerator erzeugt eine digitalisierte Version des Sendeimpulses mit gegebenen Parametern, die die Frequenz des Impulses, die Anzahl von zu sendenden Zyklen, usw., enthalten. Zusatzlich speichern Zähler innerhalb des Wellenformgenerators eine jedem Wandlerelement zugeordnete Verzögerung, um den kombinierten Ultraschallstrahl zu steuern.
Das Sendesystem 80 enthält weiter ein Steuergerät 89, das derart arbeitet, dass bestimmte Sendeelemente selektiv bezüglich des Sendens eines Impulses unwirksam gemacht werden. Das Steuergerät 89 kann eine Anzahl elektronischer Schalter öffnen, die zwischen dem Wellenformgenerator 84 und den Wandlerelementen 82 angeordnet sind. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung lädt das Steuergerät 89 jedoch einen vorbestimmten Wert in die Zähler der Wandlerelemente, die nicht senden. Der Wellenformgenerator 84 erkennt diesen vorgeladenen Wert und zählt diese Zähler nicht abwärts, um das entsprechende Wandlerelement wirksam abzuschalten. Jedes Wandlerelement, das einen Impuls sendet, tut dies mit im Wesentlichen der gleichen Leistung, da alle Wandlerelemente mit dem gleichen Spannungsregler 88 verbunden sind.
3B zeigt eine räumliche Kurve, die darstellt, welche Wandlerelemente den Ultraschallimpuls senden und welche nicht. Im Allgemeinen geschieht die Bestimmung, welche der Wandlerelemente abgeschaltet werden, entsprechend einer Wahrscheinlichkeitsfunktion, wie einer Hamming-Wahrscheinlichkeitsdichte-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 angeordnet sind, einen Impuls senden.
Das Folgende ist eine pseudo-code Listung einer Softwareroutine, die berechnet, welche Wandlerelemente entsprechend der Hamming-Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion einen Impuls senden sollten.
3C stellt simulierte Ergebnisse des Sendesystems gemäß 3A und 3B im Vergleich mit den Systemen gemäß 1 und 2 dar. Eine Kurve zeigt eine Hauptkeule 90, die ohne Verwendung einer Apodisation erhalten wird, wie vorstehend in Verbindung mit 1 beschrieben. Eine Seitenkeule 92, die ohne Apodisation erhalten wird, liegt im Allgemeinen 13 dB unter dem Scheitel der Hauptkeule. Die Verwendung eines Ultraschall-Sendesystems gemäß 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 Sendesystems der 3A entsprechend der Erfindung wird eine Seitenkeule 98 mit einer Seitenkeule erzeugt, die etwa 36 dB unter der Größe der Hauptkeule 94 liegt.
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 Wandlerelement gelieferten Sendeimpulses zu steuern, sendet ein Ultraschall-Sendesystem entsprechend diesem Aspekt der Erfindung eine variable Anzahl von nicht Null Punkten 102.
4B zeigt ein entsprechend diesem Anspekt der vorliegenden 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 Echosignale empfangen.
Jedes Wandlerelement 122 wird von einem getrennten Wellenformgenerator 124 getrieben, der eine einer Anzahl von Parametern entsprechende Wellenform berechnet und speichert; die Parameter enthalten die Frequenz, die Anzahl der zu sendenden Zyklen, 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 einer typischen Einzyklus-Wellenform der Sendeimpuls aus einem positiv gehenden Halbzyklus und einem negativ gehenden Halbzyklus. 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 Steuerung des Apodisations-Parameters für jedes Wandlerelement derart, dass die Elemente an den Seiten des Wandlers einen geringeren 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 4A und 4B erzeugten Impulse bei allen Frequenzen bis hinauf auf 200% der Sendefrequenz ähnlich ist. Daher können jedwelche durch einen Phasenunterschied hervorgerufene Verzerrungen mit einem Hochpaßfilter gefiltert werden.
Wahrend das in den 3A und 4B dargestellte System für relativ tiefe Brennweiten gut arbeitet, sei darauf hingewiesen, dass bei Abnahme der Brennweite und Abnahme der Anzahl von verwendeten Wandlerelementen einige Artefakte auftreten können, die dadurch hervorgerufen sind, dass weniger als der gesamte Sendeimpuls von jedem Element übertragen wird. Daher kann es notwendig sein, andere Apodisationstechniken bei kurzen Brennweiten zu verwenden.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wurde unter Verwendung von Beispielen mit einem bipolaren Impulsgeber dargestellt und beschrieben; es sei darauf hingewiesen, dass unterschiedliche Abänderungen gemacht werden können, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Beispielsweise kann die Erfindung für einen unipolaren Impulsgeber verwendet werden. Der Umfang der Erfindung soll daher durch die nachfolgenden Ansprüche und Äquivalente dazu bestimmt werden.

Claims

Verfahren zum Senden eines Ultraschallimpulses in einen Patienten von einem Ultraschallwandler (82) mit einer Anzahl von Wandlerelementen (82a, 82b, 82c...), enthaltend: Senden eines 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 dem gleichen Zeitpunkt ankommen, weiter enthaltend Auswählen einer Anzahl von Wandlerelementen, die keinen Impuls senden, entsprechend einer Apodisationsfunktion.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Apodisationsfunktion eine Hamming-Fensterwahrscheinlichkeitsfunktion ist.
Verfahren zum Senden eines Ultraschallimpulses in einen Patienten aus einem Wandler (122) mit einer Anzahl von Wandlerelementen (122a, 122b, 122c), enthaltend: Zuführen eines Sendeimpulses zu einer Anzahl von Wandlerelementen (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 Sendeimpulse von der Anzahl der Wandlerelemente gesendet wird derart, dass die Sendungen von jedem der Wandlerelemente an dem Brennpunkt zu dem gleichen Zeitpunkt ankommen, 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.
Verfahren nach Anspruch 3, weiter enthaltend: Synthetisieren eines variablen Teils des Sendeimpulses für jedes Wandlerelement aus einem jedem Wandlerelement zugeordneten Wellenformgenerator (124) entsprechend einer Apodisationsfunktion.
Ultraschall-Sendesystem, enthaltend: einen Ultraschallwandler (122) mit einer Anzahl von Wandlerelementen (122a, 122b, 122c), die elektronische Signale in akustische Energie und umgekehrt umwandeln; einen Wellenformgenerator (124), der jedem Wandlerelement zugeordnet ist und eine von jedem Wandlerelement zu sendende digitalisierte Wellenform erzeugt, wobei jede Wellenform einen variablen Prozentsatz eines Sendeimpulses enthält.
System nach Anspruch 5, wobei die Wellenformgeneratoren (124), die Wandlerelementen an den Seiten des Wandler zugeordnet sind, eine Wellenform erzeugen, die ein geringerer Prozentsatz des Sendeimpulses ist, als die Wellenformgeneratoren, die den Wandlerelementen im Zentrum des Wandlers zugeordnet sind.
Ultraschall-Sendesystem, enthaltend: einen Ultraschallwandler (82) mit einer Anzahl von Wandlerelementen (82a, 82b, 82c...), die elektronische Signale in akustische Energie und umgekehrt umwandeln; einen Wellenformgenerator (84), der eine von jedem Wandlerelement zu sendende Wellenform liefert, und ein Steuergerät (89), das selektiv eines oder mehrere Wandlerelemente unwirksam macht, so dass die Wellenform von weniger als der Gesamtzahl der Wandlerelemente gesendet wird.
Ultraschall-Sendesystem nach Anspruch 7, wobei das Steuergerät (89) selektiv eines oder mehrere Wandlerelemente entsprechend einer Apodisationswahrscheinlichkeitsfunktion unwirksam macht.