DE10217342B4

DE10217342B4 - Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung medizinischer Ultraschallbilder

Info

Publication number: DE10217342B4
Application number: DE10217342.7A
Authority: DE
Inventors: Kutay F. Ustuner; Charles E. Bradley; Lewis J. Thomas; Ching-Hua Chou; David J. Napolitana; Patrick J. Phillips
Original assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2014-07-10
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: DE10217342A1; DE10217342B9; US6551246B1

Abstract

Medizinisches Ultraschall-Bilderzeugungsverfahren, welches umfaßt: (a) Senden mehrerer Ultraschallwellen in einen Bereich, wobei sich die Ultraschallwellen durch unterschiedliche Wellenfrontwinkel für jeden von mehreren Bildorten in dem Bereich auszeichnen; b) Akquirieren einer jeweiligen Gruppe von Empfangssignalen in Reaktion auf jede der Ultraschallwellen; c) Ausbildung mehrerer Komponentenstrahlen für jeden der mehreren Bildorte, wobei die Komponentenstrahlen jedes Bildortes jeweils aus den verschiedenen Gruppen von Empfangssignalen ausgebildet werden, wobei Empfangsapodisierungsfunktionen für die Komponentenstrahlen als Funktion zumindest der jeweiligen Wellenfrontwinkel der jeweiligen Bildorte variieren; d) Kombinieren der entsprechenden Komponentenstrahlen für jeden Bildort; e) Wiederholung von (a) bis (d) zumindest einmal, wodurch zumindest zwei kombinierte Komponentenstrahlen für jeden Bildort gebildet werden, wobei zumindest einer der folgenden Sendeparameter zwischen zwei Gruppen wiederholter Vorgänge (a) bis (d) variiert wird: Hüllenmodulationsfrequenz, Hüllenamplitude, Hüllenamplitudenprofil, Hüllenphase und Hüllenphasenprofil; und f) Erzeugung eines Bildes aus den kombinierten Komponentenstrahlen jedes Vorgangs (d).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die medizinische Ultraschallbilderzeugung, und insbesondere ein neues Verfahren und eine neue Einrichtung zur Strahlbündelung, welche nur wenige Sende/Empfangsereignisse benötigen, um ein gesamtes Vollbild eines Bildes zu erzeugen.
Kommerziell verfügbare medizinische Ultraschall-Bilderzeugungssysteme verwenden eine große Anzahl an Sende/Empfangsereignissen für jedes Vollbild des Bildes. Jedes Sendeereignis senkt einen gepulsten Strahl aus Ultraschallenergie entlang einer bestimmten Abtastlinie, und fokussiert diese Energie auf eine bestimmte Fokussierungstiefe. Nach jedem Sendeereignis werden Echos empfangen, verstärkt und digitalisiert. Die Empfangs/Strahlbündlungsvorrichtung erzeugt eine Zeile des Bildes durch dynamisches Fokussieren und Apodieren der Empfangssignale entlang einer Abtastzeile oder Abtastlinie. Zur Erhöhung der Schärfentiefe verwenden einige Systeme mehrere Sende/Empfangsereignisse pro Abtastzeile, wobei jedes Sendeereignis auf eine unterschiedliche Tiefe fokussiert wird. Zur Erhöhung der Vollbildrate verwenden einige Systeme mehrere Strahlbündlungsvorrichtungen, die mehrere Zeilen eines Bildes pro Sende/Empfangsereignis erzeugen können. Bei all diesen herkömmlichen Vorgehensweisen wird jedes Vollbild des Bildes aus einer großen Anzahl an Abtastzeilen erzeugt (typischerweise 50 bis 250, abhängig von der Auflösung in Querrichtung und dem Gesamtausmaß der Abtastung), und daher aus einer großen Anzahl an Sende/Empfangsereignissen. Die Vollbildrate wird schließlich durch die Gesamtanzahl an Sende/Empfangsereignissen begrenzt, da jedes Sende/Empfangsereignis eine endliche Zeitmenge benötigt, die durch die Schallgeschwindigkeit, die maximal interessierende Tiefe und den Overhead des Systems bestimmt wird. Diese Einschränkung ist besonders schwerwiegend für die dreidimensionale Bilderzeugung. Beispiele für kommerziell erfolgreiche Ultraschall-Bilderzeugungssysteme dieses Typs sind in den folgenden US-Patenten beschrieben, die sämtlich auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen wurden: 4,550,607 A ; 4,699,009 A ; 5,148,810 A ; 5,235,986 A ; 5,573,001 A ; 5,608,690 A ; 5,623,928 A ; 5,675,554 A ; 5,685,308 A .
Verschiedene unkonventionelle Vorgehensweisen wurden vorgeschlagen, um die Sendetiefenschärfe zu erhöhen, ohne mehrere Sende/Empfangsereignisse pro Abtastzeile einsetzen zu müssen. Bei einem dieser Vorschläge wurden gleichzeitig ausgesandte, mehrere ebene Wellen mit unterschiedlichen Lenkwinkeln dazu verwendet, Sendestrahlen mit begrenzter Beugung zu erzeugen, die als Sinc-Wellen [1] bezeichnet werden. Es ließ sich für Sinc-Wellen zeigen, dass sie die Tiefenschärfenantwort in Querrichtung über eine größere Tiefenschärfe als selbst bei einem Apodisierungs-Sender mit Gaussverteilung aufrecht erhalten. Allerdings benötigte dieses Verfahren eine elementweise Variation der Sendeimpulssignalform.
Später wurde ein anderes Verfahren berichtet, welches diesen Nachteil ausschaltete, und die synthetisierte Sende-Sinc-Welle mit dynamischer Fokussierung beim Empfang [2] kombinierte. Bei diesem Verfahren wurden ebene Wellen mit unterschiedlichen Lenkwinkeln hintereinander ausgesandt, und das Bild wurde unter Verwendung sämtlicher Sende/Empfangsereignisse synthetisiert. Dieses Verfahren weist andererseits den Nachteil einer langsamen Datenakquisitionsrate auf, infolge zahlreicher Sende/Empfangsereignisse (bei dem erwähnten Beispiel wurden 41 aufeinanderfolgend ausgesandte ebene Wellen eingesetzt). Wenn sich das Objekt bewegt, und/oder der Benutzer das Objekt während dieser Sende/Empfangsereignisse abtastet, ergeben sich schwerwiegende Bewegungsartefakte. Weiterhin wurde berichtet, dass bei einer Verringerung der Anzahl an Sende/Empfangsereignissen, also der Anzahl an ebenen Wellen, die Seitenkeulen negativ beeinflußt wurden.
Es wurden auch andere Verfahren zur Ausbildung von Strahlen mit begrenzter Beugung entwickelt. Eine der Arten von Strahlen mit begrenzter Beugung, als X-Wellen bezeichnet, wurde zur Entwicklung einer Bildkonstruktionstechnik mit sehr hoher Vollbildrate verwendet, die als das Fourier-Verfahren [3] bezeichnet wurde. Bei dieser Technik wird der Array-Wandler erregt, um eine ebene Welle zu erzeugen. Aus dem empfangenen und aufgezeichneten Echo wird die Antwort mit begrenzter Beugung durch eine Gruppe stufenweiser Sinus- und Kosinus-Apodisierungen erzeugt. Das multidimensionale Spektrum des Objekts wird aus der zeitlichen Fourier-Transformation des apodisierten Signals abgeleitet. Das Bild wird dann durch die inverse Fourier-Transformation des Spektrums aufgebaut. Da ein einziges Sende/Empfangsereignis verwendet wird, und die Fourier-Transformation und die inverse Fourier-Transformation mit hoher Geschwindigkeit mit FFT-Prozessoren berechnet werden können, wurde von dieser Technik berichtet, dass sie das Potential aufweist, sehr hohe Vollbildraten mit einfacher Hardware zu erzielen. Von den Bildern, die mit dieser Technik erzeugt wurden, wurde berichtet, dass sie detaillierte und kontrastreich aufgelöste Äquivalente von Bildern darstellten, die von einer herkömmlichen dynamischen Empfangsstrahlbündelungsvorrichtung mit einer Erregung durch eine gepulste ebene Welle beim Senden erzeugt wurden. Diese Technik stellt daher nur die Hälfte der maximal erzielbaren Bandbreite in räumlicher Querrichtung zur Verfügung.
Eine weitere Technik, die zur Ausbildung dreidimensionaler Ultraschallbilder in Echtzeit verwendet wurde, verwendete Sparse Synthetic Aperture Beamforming [4]. Jedes Vollbild eines Bildes wird aus einigen wenigen Gruppen von Echos synthetisiert, wobei jede Gruppe von Echos in Reaktion auf die Ultraschallbestrahlung des Objekts mit einer Kugelwelle erfolgt. Dieses Verfahren leidet an einem niedrigen Signal-Rauschverhältnis (SNR), da nur wenige Elemente für jeden Sendeschuß verwendet werden, und die Amplitude divergierender Kugelwellen umgekehrt proportional zur Ausbreitungsentfernung ist. Um das Defizit in Bezug auf SNR auszugleichen wurde vorgeschlagen, die Anzahl an Elementen pro Sendeschuß zu erhöhen, und zahlreiche Schüsse pro Vollbild zu verwenden.
DOKUMENTE

[1] Jeong, M. K. et al, ”Generation of Sinc Wave by a One-Dimensional Array for Application in Ultrasonic Imaging”, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 43, No. 2, 285–295, März 1996.
[2] Jeong, M. K. et al, ”Realization of Sinc Waves in Ultrasound Imaging Systems” Ultrasonic Imaging, 21, No. 3, 173–185, 1999.
[3] Lu, J., ”Experimental Study of High Frame Rate Imaging with Limited Diffraction Beams”, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 45, No. 1, 84–97, Januar 1998.
[4] Lockwood, G. R. et al, ”Real-Time 3-D Ultrasound Imaging Using Sparse Synthetic Aperture Beamforming”, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 45, No. 4, 980–988, Juli 1998.

US 5,951,479 A betrifft ein Ultraschallbildgebungsverfahren, bei dem ein lineares Array aus vielen Transducerelementen in mehrere nebeneinander angeordnete Teilbereiche, bestehend aus jeweils einer bestimmten Anzahl von Transducerelementen, unterteilt wird, wobei jeweils immer nur Transducerelemente eines Teilbereichs aktiv sind und einen vorfokussierten Ultraschallstrahl aussenden. Die Ansteuerung der Transducerelemente ist dabei so ausgelegt, dass aufeinander folgend die einzelnen Teilbereiche des Arrays Ultraschallstrahlen aussenden, die jeweils in eine bestimmte Fokuszone gerichtet und fokussiert werden, wobei nach jedem dieser Sendeereignisse die zugehörigen reflektierten Signale an jedem Transducerarray in elektrische Signale umgewandelt werden und diese Empfangssignale dann jeweils einer Empfangsstrahlformung unterzogen werden.
US 6,138,513 A betrifft ein Ultraschallbildgebungsverfahren, bei dem gleichzeitig jeweils immer nur ein einzelnes Transducerelement innerhalb eines Arrays aktiv ist und aufeinander folgend einzelne Ultraschallpulse aussendet, wobei in Reaktion auf die rückgestreuten Signale der Ultraschallpulse dieses Transducerelements nach jedem Puls jeweils an einem oder mehreren Elementen des Arrays Empfangssignale akquiriert bzw. gespeichert werden.
US 6,066,099 A betrifft ein Ultraschallbildgebungsverfahren, bei dem die Transducerelemente eines Transducerarrays in einer Weise angesteuert werden, dass von dem Transducerarray gleichzeitig mindestens zwei örtlich getrennte und in unterschiedlichen Winkeln gelenkte Ultraschallwellen/-pulse ausgesendet werden.
Nachstehend wird ein Ultraschall-Bilderzeugungssystem mit hoher Vollbildrate und hoher räumlicher Bandbreite beschrieben, welches mehrere unfokussierte oder schwach fokussierte Wellen verwendet, die hintereinander in unterschiedlichen Richtungen gesendet werden. Die Echos, die in Reaktion auf jede Ultraschallbestrahlung empfangen werden, werden digitalisiert und für jede Kanal gespeichert. Die Gruppen gespeicherter Empfangssignale werden jeweils verzögert und apodisiert, um Komponentenstrahlen für jeden gewünschten Bildpunkt in dem Bereich auszubilden, der durch die jeweiligen Wellen bestrahlt wird. Die endgültigen Bilder werden dadurch synthetisiert, dass zwei oder mehr der Komponentenstrahlen für jeden Bildpunkt addiert werden.
Als Alternative für das Senden hintereinander werden die Wellen zeitlich mit orthogonalen Codes moduliert, und gleichzeitig ausgesandt. In diesem Fall werden die empfangenen Echosignale vor der Synthese dekodiert, entweder vor oder nach der Strahlausbildung.
Den bevorzugten Typ von Wellen für ebene Arrays stellen ebene Wellen dar, die relativ zueinander gelenkt werden. Unfokussierte, divergierende Wellen können dazu verwendet werden, eine Aperturwachstumsrate mit konstantem Akzeptanzwinkel auf gekrümmten Arrays zu unterstützen, oder ein breiteres Gesichtsfeld abzudecken. Alternativ können schwach fokussierte Wellen dazu verwendet werden, das SNR zu verbessern, mit entsprechender Einschränkung des Sehfeldes.
Die nachstehend geschilderten Systeme stellen eine ungewöhnlich hohe Vollbildrate und eine ungewöhnlich hohe räumliche Bandbreite zur Verfügung. Nur zwei Sende/Empfangsereignisse werden dafür benötigt, ein Bild mit vollständiger Bandbreite über dem gesamten Bereich zu erzeugen, in welchem sich die Bereiche der Ultraschallbestrahlung der entsprechenden Wellen überlappen.
Die nachstehend geschilderten Systeme stellen das Äquivalent einer räumlichen Impulsantwort zu theoretischen Strahlbündlungsvorrichtungen mit dynamischem Senden und dynamischem Empfang dar. Anders ausgedrückt befindet sich jeder Bildpunkt effektiv in Fokussierung, sowohl beim Senden als auch beim Empfangen. Diese Systeme stellen auch eine volle Steuerung über den Kompromiss zwischen Strahlbreite und Seitenkeule mit Hilfe zweier programmierbarer Parameter zur Verfügung: Sendewellenfrontwinkel und Empfangsapodisierung.
Die voranstehenden Bemerkungen erfolgten nur zur Einführung, und sollen nicht den Umfang der folgenden Patentansprüche einschränken.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
1 ein Blockdiagramm eines medizinischen Ultraschall-Bilderzeugungssystems, das eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einsetzt;
2a, 2b und 2c Darstellungen eines Bereichs R+, R– bzw. R;
3 ein Blockdiagramm eines Verfahrens, das von dem System gemäß 1 durchgeführt wird;
4 bis 18 Diagramme zur Erläuterung jeweiliger Schritte des Verfahrens von 3 für eine synthetisierte Umlaufaperturfunktion mit RECT-Form;
19 ein Diagramm mit einer Darstellung eines bevorzugten Sendelenkwinkels als Funktion der Empfangs-Blendenzahl (es wird eine effektive Empfangsapodisierungsform von RECT angenommen);
20 und 21 simulierte Punktverbreiterungsfunktionen der Komponentenstrahlen für eine nach rechts gelenkte ebene Sendewelle bzw. eine nach links gelenkte ebene Sendewelle;
22 die Punktverbreiterungsfunktion des Strahls, der unter Verwendung der in den 20 und 21 gezeigten Komponentenstrahlen synthetisiert wird;
23, 24 und 25 die Moduli zweidimensionaler Fouriertransformierter (räumlicher Spektren) für 20, 21 bzw. 22;
26 die Antworten in Querrichtung, also maximale Projektionsstrahldiagramme, der in den 20, 21 und 22 gezeigten Punktverbreiterungsfunktion;
27 die Spektren in Querrichtung, also Querschnitte, der zweidimensionalen Spektren, die in den 23, 24 und 25 gezeigt sind;
28 bis 42 Graphen, welche jeweilige Schritte des Verfahrens von 3 erläutern, für eine synthetisierte Umlaufaperturfunktion mit Dreiecksform;
43 bis 55 Diagramme zur Erläuterung der Schritte der Synthese eines zweidimensionalen räumlichen Spektrums mit RECT-Form;
56 und 57 zwei alternative Verteilungen von Bildorten in einer Ebene; und
58 ein Blockdiagramm eines Verfahrens, das von dem System von 1 durchgeführt wird.
Nunmehr wird Bezug auf die Zeichnungen genommen, bei denen 1 ein Blockdiagramm eines medizinischen Ultraschall-Bilderzeugungssystems 10 zeigt, das eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
Das System 10 weist einen Sender 12 auf, der über einen Sende/Empfangsschalter 14 mit einem Wandlerarray 16 gekoppelt ist. Der Sender 12 legt Sendesignale an die einzelnen Wandler des Arrays 16 an, und diese Sendesignale sind zeitlich und bezüglich der Phase so gewählt, dass der Array 16 dazu veranlaßt wird, unfokussierte oder schwach fokussierte Ultraschallwellen zu erzeugen, welche den Bereich R aus im wesentlichen unterschiedlichen Winkeln mit Ultraschall bestrahlen. Nachstehend werden zum Zwecke der Erläuterung ebene Arrays verwendet, und ein Paar von ebenen Wellen, die in Winkeln θ₁ = +θ und θ₂ = –θ gelenkt werden.
Viele verschiedene Vorgehensweisen können dazu verwendet werden, den Sender 12 zu implementieren, und umfassen sowohl analoge als auch digitale Vorgehensweisen. Die folgenden US-Patente, sämtlich an den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen, stellen Beispiele für die Arten von Vorgehensweisen zur Verfügung, die zur Implementierung des Senders 12 verwendet werden können: 4,550,607 A ; 4,699,009 A ; 5,148,810 A ; 5,608,690 A ; 5,675,554 A . Natürlich sollen diese Beispiele nicht irgendwie als einschränkend verstanden werden.
Entsprechend kann der Wandlerarray 16 jede gewünschte Form annehmen. Der Wandlerarray kann beispielsweise ein 1-, 1,25-, 1,5-, 1,75-, zwei- oder drei-dimensionaler Array sein. Als Beispiel können die Wandler, die in irgendeinem der folgenden US-Patente (sämtlich an den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen) beschrieben werden, einfach zum Einsatz bei der vorliegenden Erfindung angepaßt werden: 5,261,408 A ; 5,297,553 A ; 5,410,208 A ; 5,415,175 A ; 5,438,998 A ; 5,562,096 A ; 5,657,295 A ; 5,671,746 A ; 5,706,820 A ; 5,757,727 A ; 5,792,058 A ; 5,916,169 A ; 5,920,523 A . Erneut soll dies nicht so verstanden werden, dass hiermit eine Einschränkung verbunden ist, und es kann jedes geeignete Wandlerarray verwendet werden.
Echosignale von den mit Ultraschall bestrahlten Bereichen R₊ und R_– (2a bzw. 2b) werden von dem Wandlerarray 16 empfangen, und über den Sende/Empfangsschalter 14 an einen oder mehrere A/D-Wandler 18 weitergeleitet. Die A/D-Wandler 18 digitalisieren die Empfangssignale, die von den Wandlerelementen erzeugt werden. Beim vorliegenden Beispiel umfaßt der Array 16 N getrennte Wandlerelemente, und weist das System N getrennte A/D-Wandler 18 auf.
Die digitalisierten Empfangssignale werden parallel an einen von mehreren Speichern 20, 22 angelegt. Beim vorliegenden Beispiel wird der Speicher 20 dazu verwendet, Empfangssignale zu speichern, die in Reaktion auf gesendete, ebene Ultraschallwellen akquiriert wurden, die in einem Lenkwinkel von +θ ausgesandt wurden, und wird der Speicher 22 dazu verwendet, Empfangssignale zu speichern, die in Reaktion auf gesendete, ebene Ultraschallwellen akquiriert wurden, die in einem Lenkwinkel von –θ ausgesandt wurden.
Die Speicher 20, 22 können als getrennte Speichereinheiten implementiert sein, eine für jeden verwendeten Sendelenkwinkel, oder können alternativ als einzelne Speichereinheit implementiert sein, die mit Zeitunterteilung arbeitet, um die Empfangssignale zu speichern, die mehreren Sendeereignissen zugeordnet sind. Bei alternativen Beispielen können mehr als zwei Lenkwinkel verwendet werden, und es ist in einem derartigen Fall häufig bequem, mehr als zwei Speicher 20, 22 vorzusehen. Die Speicher 20, 22 können als physikalisch getrennte Speicher implementiert sein, oder können alternativ als ausgewählte Orte in einem gemeinsamen körperlichen Bauteil implementiert sein.
Das System 10 weist weiterhin mehrere Strahlbündlungsvorrichtungen 24, 26 auf. Die Strahlbündlungsvorrichtungen 24, 26 erzeugen mehrere Strahlen aus einer ersten Gruppe erster Empfangssignale, die in dem Speicher 20 gespeichert werden, und einer einzelnen Gruppe aus zweiten Empfangssignalen, die im Speicher 22 gespeichert werden. Als ein Beispiel kann die Strahlbündlungsvorrichtung 24 Strahlen für M getrennte Bildorte aus einer einzelnen Gruppe von Empfangssignalen ausbilden, die in dem Speicher 20 gespeichert werden, und kann die Strahlbündlungsvorrichtung 26 Strahlen für dieselben M Bildorte aus einer einzelnen Gruppe von Empfangssignalen erzeugen, die in dem Speicher 22 gespeichert werden. Jede der Strahlbündlungsvorrichtungen 24, 26 legt eine ausgewählte Apodisierungsfunktion und ein ausgewähltes Zeitverzögerungsprofil an, das für den interessierenden Bildort geeignet ist, und summiert dann die apodisierten, verzögerten Empfangssignale über die Empfangskanäle für jeden Bildort in dem interessierenden Bereich.
Die Strahlbündlungsvorrichtungen 24, 26 können als getrennte Strahlbündlungsvorrichtungen implementiert sein, oder können alternativ durch ein einzelnes Bauteil implementiert sein, das mit Zeitunterteilung arbeitet, um die gewünschten Strahlen zu erzeugen. Die Strahlbündlungsvorrichtungen 24, 26 können unter Verwendung jeder geeigneten Technik implementiert sein. So können beispielsweise die Strahlbündlungsvorrichtungen, die in den folgenden US-Patenten beschrieben sind (die sämtlich an den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen wurden), leicht dazu angepaßt werden, bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt zu werden: 4,550,607 A , 4,699,009 A und 5,555,534 A . Wie voranstehend ist diese Liste nicht als einschränkend zu verstehen.
Vor der Amplitudengleichrichtung werden die so erzeugten Strahlen parallel an einen Synthesizer 28 angelegt, der synthetisierte Strahlen für den Überlappungsbereich R (2c) erzeugt. Der Synthesizer 28 kann diese synthetisierten Strahlen als kohärente oder teilweise kohärente, gewichtete Summe der ersten und zweiten Strahlen ausbilden, die von der Strahlbündlungsvorrichtung 24 bzw. 26 erzeugt werden. Die Gewichte können im allgemeinen komplexe Zahlen mit einer Amplitude und einer Phase sein. Die Synthesefunktion ist im allgemeinen eine nicht lineare Funktion mit mehreren Eingangswerten und mehreren Ausgangswerten (Abbildung). Diese Funktion kann auch adaptiv sein, und zwar adaptiv an Parameter, die von den Eingangssignalen abgeleitet werden, beispielsweise SNR, Kohärenzfaktor, usw. Dieser Block kann auch Vohersagefilter für die Querrichtung und die Axialrichtung enthalten.
Die synthetisierten Strahlen, die von dem Synthesizer 28 erzeugt werden, werden an einen Amplitudendetektor 30 angelegt. Zusätzliche Speicherblöcke (nicht in 1 gezeigt) können zwischen den Strahlbündlungsvorrichtungen und den Synthesizer sowie dem Synthesizer und dem Amplitudendetektor vorgesehen sein, um die jeweils strahlgeformten und synthetisierten Bilder für die weitere Verarbeitung zu speichern. Die detektierten Signale, die von dem Detektor 30 erzeugt werden, werden an einen Bildprozessor 32 angelegt, und dann auf einer Anzeige 34 dargestellt. Wie voranstehend erwähnt können die weitesten Bereiche von Detektoren, Bildprozessoren und Anzeigen zum Einsatz bei der vorliegenden Erfindung angepaßt werden.
3 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens, das von dem System 10 von 1 unter Verwendung ebener Wellen implementiert wird. Die 4 bis 18 zeigen, wie eine Umlauf-Querfrequenzreaktion mit RECT-Form mit Bandbreite 2/(λ fnumber_r) (dem Doppelten der Bandbreite für einen Weg), wobei fnumber die Blendenzahl bezeichnet, unter Verwendung des Flußdiagramms von 3 synthetisiert wird. Zur Vereinfachung der Erläuterung wird der Fall einer kontinuierlichen Welle zuerst beschrieben.
Im Block 50 von 3 sendet das System 10 von 1 eine erste, im wesentlichen ebene Welle in einem Lenkwinkel von θ₁ = +θ aus. Die 4 und 5 zeigen die Sendeapodisierungs- bzw. Verzögerungsprofile ¹a_t(x) bzw. ¹τ(x). Die Sendeapodisierungsfunktion ist im wesentlichen konstant, und nutzt alle verfügbaren Wandlerelemente. Das Sendeverzögerungsprofil nimmt linear von einem Ende des Wandlerarrays zum anderen hinzu. Wenn man zeitweilig den Effekt der endlichen räumlichen Ausdehnung der Apertur vernachlässigt, dann kann an einer Raumposition (x_i, z_j) und zu einer Zeit t eine ebene Welle, die in einem Winkel θ ausgelenkt wird, folgendermaßen ausgedrückt werden:
wobei f die temporäre CW-Erregerfrequenz ist, f_x die Raumfrequenz in Querrichtung ist, f_x = fsin(θ)/c = sin(θ)/λ ist, f_z die axiale Raumfrequenz ist, f_z = fcos(θ)/c = cos(θ)/λ ist, c die Schallgeschwindigkeit ist, und λ die Wellenlänge ist, λ = c/f. Daher ist die Sende-CW-Querfrequenzantwort ¹G_t(f_x, λ) eine Deltafunktion bei der Frequenz f_x = sin(θ)/λ (6), und ist rauminvariant im Bereich R₊ (2.a): ¹G_t(f_x, λ) = δ(f_x sinθ / λ). (2)
Wenn die endliche räumliche Ausdehnung der Apertur berücksichtigt wird, dann ist das gesendete Feld ein stark kollimierter Strahl, und wird gut durch die Form der ebenen Welle, die voranstehend angegeben wurde, repräsentiert, innerhalb der Strahlbreite und bis zur Rayleigh-Entfernung hin. Die Breite des Strahls wird gut durch die Aperturbreite repräsentiert, und die Beugungsentfernung ist die sogenannte Rayleigh-Entfernung Z₀ = 0,5 ka², wobei a die Aperturbreite ist, und k die Wellenzahl, k = 2π/λ. Für typische Ultraschall-Bilderzeugungsfrequenzen und Aperturgrößen ist diese Entfernung im Vergleich zu typischen Bilderzeugungstiefen sehr groß. So beträgt beispielsweise für eine Apertur von 30 mm bei 5 MHz diese Entfernung etwa 10 m. In der Praxis weist dann die gesendete, ebene Welle dieselbe Breite auf wie die Sendeapertur, und weist das Frequenzspektrum, anstatt eine infinitesimale Breite aufzuweisen, eine endliche Breite in der Größenordnung von 1/a auf. in Bezug auf die vorliegende Diskussion ist diese Breite sehr klein, und wird das Spektrum effektiv sehr gut durch die voranstehend angegebene Deltafunktion repräsentiert.
Wie nunmehr aus 3 (Blöcken 52, 58) hervorgeht, wird eine Gruppe erster Empfangssignale in Reaktion auf die gesendete, ebene Welle des Blocks 50 empfangen, und in dem Speicher 20 von 1 gespeichert. Die Strahlbündlungsvorrichtung 24 von 1 erzeugt eine Gruppe erster Strahlen für ausgewählte Bildorte aus den ersten Empfangssignalen. Die 7 und 8 zeigen jeweils die effektive Empfangsapodisierungsfunktion ¹a_r (x, x_i, z_j) und das Verzögerungsprofil ¹τ_r(x, x_i, z_j) für den Bildpunkt (x_i, z_j) in dem Bereich R₊. Die Fokussierung wird durch ein herkömmliches Verzögerungsprofil erzielt, das eine Funktion der Bildpunktkoordinaten (x_i, z_j) darstellt. Der kanalunabhängige Verzögerungsoffset für jeden Bildpunkt (x_i, _zj) wird so eingestellt, dass die Ankunft der Echos vom Bild (x_i, z_j) synchronisiert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass im Brennpunkt die Form der Querfrequenzantwort gleich der Form der effektiven Apodisierung ist. Die effektive Apodisierungsfunktion wird durch die angelegte Apodisierungsfunktion und einige wenige elementenabhängige Faktoren gegeben, beispielsweise Elementempfindlichkeit, Elementrichtungswirkung, Gewebeabschwächung, 1/r-Beugung usw. Um eine Empfangsquerfrequenzreaktion mit RECT-Form zu erzielen, wird die Form der angelegten Apodisierung so eingestellt, dass die Form der effektiven Empfangsapodisierung ¹a^r(x, x_i, z_j) gleichförmig ist. Die Breite der Empfangsquerfrequenzreaktion ¹G_r(f_x, λ) ist eine Funktion der Empfangs-f-number (Blendenzahl) und der Wellenlänge (9).
wobei Π die RECT-Funktion ist. Es wird darauf hingewiesen, dass unter der Annahme einer konstanten Blendenzahl und einer konstanten Schallgeschwindigkeit in R₊ auch ¹G_r(f_x, λ) in R₊ rauminvariant ist.
Die Umlaufquerfrequenzreaktion des ersten Komponentenstrahls ¹G(f_x, λ) (10) wird gegeben durch die Faltung der entsprechenden Querfrequenzantworten für das Senden ¹G_t(f_x, λ) und das Empfangen ¹G_r(f_x, λ):
wobei ⊗ der Faltungsoperator ist. Es wird darauf hingewiesen, dass ¹G(f_x, λ) an der Sendequerfrequenz sinθ/λ zentriert ist, und eine Bandbreite aufweist, die gleich der Empfangsbandbreite (Einweg) 1/(λ fnumber_r) ist, wobei fnumber wieder die Blendenzahl bezeichnet. Dies ist rauminvariant innerhalb des Bereichs R₊, da dies für ¹G_t(f_x, λ) und ¹G_r(f_x, λ) der Fall ist.
Wie nunmehr wieder aus 3 hervorgeht, sendet das System 10 von 1 als nächstes eine zweite, im wesentlichen ebene Ultraschallwelle in einem Lenkwinkel von θ₂ = –θ aus (Block 54). Wie in 11 gezeigt ist, ist die Sendeapodisierungsfunktion ²a_t(x) erneut eine im wesentlichen konstante Funktion, die sämtliche Wandlerelemente enthält. Das zugehörige Sendeverzögerungsprofil ²τ(x) (12) nimmt linear von einem Ende des Wandlerarrays zum anderen hin ab. Wie in 13 gezeigt ist, ist die Querfrequenzantwort ²G_t(f_x, λ) erneut im wesentlichen eine Deltafunktion, jedoch diesmal bei der Frequenz –sin(θ)/λ. Es wird darauf hingewiesen, dass ²G_t(f_x, λ) rauminvariant in dem Bereich R_– ist.
Wie aus 3 (Blöcke 56 und 60) hervorgeht, empfängt das System 10 von 1 eine Gruppe zweiter Empfangssignale in Reaktion auf die gesendete, ebene Welle des Blocks 54, und speichert die zweiten Empfangssignale in dem Speicher 22 von 1. Wie bisher werden im Empfangssignale digitalisiert und für sämtliche Wandlerelemente gespeichert. Die Strahlbündlungsvorrichtung 26 von 1 bildet Gruppen zweiter Strahlen für ausgewählte Bildorte aus den zweiten Empfangssignalen aus. Die Empfangsapodisierungsfunktion ²a_r(x, x_i, z_j) und das Verzögerungsprofil ²τ_r(x, x_i, z_j), die an die zweite Gruppe von Empfangssignalen angelegt werden, und die zugehörige Querfrequenzantwort ²G(f_x, λ) sind in 14, 15 bzw. 16 gezeigt, und sind ebenso wie bei der ersten Gruppe. Der Verzögerungsoffset wird erneut so eingestellt, dass die Ankunft der Echos von dem Bildpunkt (x_i, z_j) synchronisiert wird. Das Umlaufspektrum ²G(f_x, λ) (16) ist auf –sin(θ)/λ zentriert, und seine Bandbreite ist ebenfalls gleich der Empfangsbandbreite 1/(λ fnumber_r). Es ist rauminvariant innerhalb des Bereiche R_–:
Wie wiederum aus 3 (Block 62) hervorgeht, werden die ersten und die zweiten Strahlformempfangssignale durch den Synthesizer 28 von 1 vereinigt. Bei diesem Beispiel wird eine Synthesefunktion angenommen, die aus einer einfachen Summierung besteht. Das synthetisierte Spektrum G(f_x, λ) ist dann die Summe der Spektren der ersten und zweiten Komponentenstrahlen ¹G(f_x, λ) und ²G(f_x, λ).
Sind die Spektren der Komponentenstrahlen gegeben (10 und 17), kann ein RECT-förmiges Spektrum synthetisiert werden, durch Einstellung der Blendenzahl der Empfangsapodisierung für jeden Komponentenstrahl gleich fnumber_r = 1 / 2sinθ. (6)
Wenn die Blendenzahl kleiner bzw. größer als dieser Wert eingestellt wird, so wird in der Mitte des Umlaufspektrums ein Wert von Null bzw. eine Spitze erzeugt. Dies führt zu einer ungewünschten Raumantwort mit hohen Seitenkeulen, infolge der Diskontinuitäten in dem Spektrum. Wenn die effektive Empfangsapodisierung einer verjüngte Funktion statt einer RECT-Funktion ist, so gibt die voranstehende Gleichung einer Obergrenze für die bevorzugte Blendenzahl (fnumber) an.
18 zeigt die synthetisierte Querfrequenzantwort G(f_x, λ), die rauminvariant in R ist, dem Bereich der Überlappung von R₊ und R_–. Wenn die Blendenzahl auf der Grundlage der voranstehenden Gleichung ausgewählt ist, ist die Form des synthetisierten Spektrums eine RECT-Funktion mit einer Bandbreite, die das Doppelte der Bandbreite der Komponentenstrahlen beträgt, also 2/(λ fnumber_r):
Da das Querspektrum rauminvariant ist, und das Doppelte der Bandbreite für einen Weg aufweist, ist jeder Bildort in R effektiv sowohl für das Senden als auch das Empfangen fokussiert. Es wird darauf hingewiesen, dass das Querspektrum einer herkömmlichen Strahlbündlungsvorrichtung mit fester Sendefokussierung und dynamischer Empfangsfokussierung raumabhängig ist (abhängig von der Entfernung zur Sendebrennweite). Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass bei der Sendebrennweite eine herkömmliche Strahlbündlungsvorrichtung mit einer effektiven RECT-Apodisierungsform und derselben Blendenzahl sowohl beim Senden als auch beim Empfangen ein dreieckförmiges Umlaufquerspektrum aufweist, mit einer Gesamtfrequenzbreite von 2/(λ fnumber), also eine Querbandbreite von 6 dB, die nur die Hälfte der Bandbreite von 6 dB des voranstehenden synthetisierten Spektrums beträgt.
Falls θ₂ nicht gleich –θ₁ ist, so ergibt sich folgende Bedingung, um das Auftreten einer Null bzw. einer Spitze in dem Umlaufspektrum zu verhindern (wobei erneut eine effektive RECT-Empfangsapodisierung angenommen wird)
Für einen Fall, in welchem die Blendenzahl für den ersten Komponentenstrahl von der Blendenzahl für den zweiten Komponentenstrahl verschieden ist, ergibt sich folgende Bedingung, die erfüllt sein muß, dass keine Null bzw. eine Spitze in dem Spektrum auftritt (wobei erneut eine effektive RECT-Empfangsapodisierung für beide Strahlen angenommen wird).
wobei ¹fnumber_r bzw. ²fnumber_r die Empfangsblendenzahl für den ersten bzw. zweiten Komponentenstrahl ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Blendenzahlbedingungen, die voranstehend für ein wünschenswertes, synthetisiertes Spektrum angegeben wurden, unabhängig von der Wellenlänge λ (und der Zeitfrequenz f) sind. Daher betrifft die voranstehende Diskussion für CW (kontinuierlichen Betrieb) auch Fälle von PW (Impulsbetrieb) mit frei wählbaren Zeitfrequenzantworten.
Die 20, 21 und 22 zeigen jeweils die simulierten Punktverbreiterungsfunktionen, die gepulsten ebenen Sendewellen zugeordnet sind, die nach rechts (+θ) bzw. nach links (–θ) gelenkt wurden, und den sich ergebenden, synthetisierten Strahl, der durch eine Summiersynthesefunktion 28 erzeugt wird. Entsprechend sind die zweidimensionalen Raumspektren für die Strahlen, die in Reaktion auf die nach rechts gelenkte ebene Sendewelle, die nach links gelenkte ebene Sendewelle erzeugt werden, und der sich ergebende, synthetisierte Strahl in 23, 24 bzw. 25 gezeigt. In den 20 bis 25 ist der Dynamikbereich gleich 60 dB. 26 zeigt den Strahlplot (maximale Projektion) für die Strahlen, die in Reaktion auf die nach rechts gelenkte ebene Sendewelle, die nach links gelenkte ebene Sendewelle erzeugt werden, bzw. den sich ergebenden, synthetisierten Strahl, bei 100, 102 bzw. 104. 27 zeigt das zweidimensionale Raumspektrum in Querrichtung (Querschnitt) für Strahlen, die in Reaktion auf die nach rechts gelenkte ebene Sendewelle, die nach links gelenkte ebene Sendewelle erzeugt werden, und den sich ergebenden, synthetisierten Strahl, bei 110, 112 bzw. 114.
Die 28 bis 41 zeigen ein anderes Beispiel, bei welchem eine dreieckförmige Umlaufquerfrequenzantwort mit einer gesamten Frequenzbreite von 2/(λ fnumber) unter Verwendung einer ersten und einer zweiten Gruppe von Strahlen synthetisiert wird (42). Die 28 bis 42 entsprechen den 4 bis 18, und es kann auf die voranstehende Diskussion bezüglich der 4 bis 18 für eine genauere Erläuterung der Parameter Bezug genommen werden, die in den 28 bis 42 angegeben sind. Diese Antwort ist, wie voranstehend erläutert, äquivalent zu einem fokussierten Betrieb einer herkömmlichen Strahlbündlungsvorrichtung mit Sende- und Empfangs-Effektivapodisierungsfunktionen mit RECT-Form und mit identischen Sende- und Empfangs-Blendenzahlen. Es wird darauf hingewiesen, dass die gewünschte Umlaufaperturfunktion bei diesem Beispiel ebenfalls symmetrisch ist, und daher die effektive Empfangsapodisierungsfunktion für den zweiten Schuß (40) das Spiegelbild jener des ersten Schusses ist (33), also ²a_r(x) = ¹a_r(–x). Im allgemeinen müssen jedoch die Empfangsapodisierungsfunktionen für die Komponentenstrahlen keine Spiegelbilder voneinander sein, beispielsweise in der derartigen Fällen, in welchen die gewünschte Umlaufaperturfunktion nicht symmetrisch ist. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass aus den gespeicherten Gruppen erster und zweiter Empfangssignale jede Umlaufaperturfunktion mit frei wählbarer Form dadurch erzeugt werden kann, dass die Empfangsapodisierungsfunktionen ohne irgendwelche neuen Schüsse variiert werden.
Der Bereich R (2c), über welchen die Bildorte verteilt sind, ist vorzugsweise der Bereich, über welchem die nach links und rechts symmetrisch gelenkten, ebenen Wellen im wesentlichen eben bleiben. Um jeden Bildpunkt in einem Vollbild abzudecken, können mehrere Paare von ebenen Wellen mit unterschiedlichen Lenkwinkeln verwendet werden.
Die hier geschilderten Vorgehensweisen sind leicht bei zweidimensionalen oder dreidimensionalen Arrays für eine dreidimensionale Bilderzeugung einsetzbar. Da das Synthetisieren eines Querspektrums mit voller Umlaufbandbreite entlang einer einzigen Querachse zumindest zwei ebene Wellen mit im wesentlichen unterschiedlichen Frequenzkomponenten entlang dieser Achse verwendet, verwendet das Synthetisieren eines zweidimensionalen Querspektrums mit voller Bandbreite entlang Azimuth- und Höhenachsen mehr als zwei Sende/Empfangsereignisse. Nachstehend wird ein bevorzugtes Verfahren mit vier ebenen Wellen zum Synthetisieren einer RECT-förmigen Querfrequenzantwort erläutert, mit einem Bandbereich von 2/(λ fnumber_r,x) mal 2/(λ fnumber_r _, _y), wobei fnumber_r,x und fnumber_r,y die Einwegs-Empfangs-Blendenzahl bezüglich des Azimuths bzw. der Höhe bezeichnen.
Die 43 bis 55 zeigen die Sende-, Empfangs- und Umlaufspektren der Komponentenstrahlen sowie das Spektrum des sich ergebenden, synthetisierten Strahls. Die erste gesendete Welle wird so gelenkt, dass der Winkel zwischen der x-z-ebenen Komponente der Ausbreitungsrichtung und der z-Achse gleich θ ist, und der Winkel zwischen der y-z-ebenen Komponente der Ausbreitungsrichtung der z-Achse gleich ψ ist. Das sich ergebende zweidimensionale Raumspektrum ist eine Deltafunktion, δ(f_x – sin(θ)/λ, f_y – sin(ψ)/λ), und die Vogelaugenperspektive des Spektrums ist in 43 dargestellt. Die zweite, dritte bzw. vierte, gesendete ebene Welle wird unter (θ, –ψ), (–θ, –ψ) bzw. (–θ, ψ) ausgelenkt. Die sich ergebenden Raumspektren sind in 44, 45 bzw. 46 dargestellt. Die in Reaktion auf jede dieser Sendungen empfangenen Signale werden digitalisiert und auf allen Akquisitionskanälen gespeichert. Für einen Bildpunkt bei (x_i, y_j, z_l), wobei (x_i, y_j, z_l) sich in dem Volumen befindet, das von allen vier ebenen Wellen mit Ultraschall bestrahlt wird, wird die angelegte zweidimensionale Empfangsapodisierung so ausgewählt, dass die effektive Empfangsapodisierung eine RECT-Funktion ist. Die Aperturgrößen in der x- und y-Achse sind so gewählt, dass gilt: f-number_r,x = 1/(2sin(θ)) und f-number_r,y = 1/(2sin(ψ)). Dann ist das Empfangsraumspektrum für jeden Komponentenstrahl eine RECT-Funktion (47 bis 50), mit einer Rechteckbandfläche von 2sin(θ)/λ mal 2sin(ψ)/λ (oder 1/(λ fnumber_r,x,) mal 1/(λ fnumber_r,y)). Die Umlaufspektren für die vier Komponentenstrahlen ergeben sich durch die zweidimensionale Faltung der jeweiligen Sende- und Empfangsspektren, und sind in den 51 bis 54 dargestellt. Wenn die vier Komponentenstrahlen kohärent aufsummiert werden, um den synthetisierten Strahl zu erzeugen, dann ist das sich ergebende Spektrum ebenfalls eine RECT-Funktion mit einer Rechteckbandfläche von 4sin(θ)/λ mal 4sin(ψ)/λ (oder 2/(λ fnumber_r,x) mal 2/(λ fnumber_r,y)) (55).
Es wird darauf hingewiesen, dass einige der wesentlichen Bilderzeugungsvorteile, die von der vorliegenden Erfindung ermöglicht werden, ebenfalls bei einer vereinfachten Implementierung (nachstehend als ”reduzierte Implementierung”) erhältlich sind, die bei momentanen Ultraschall-Bilderzeugungssystemen ohne drastische Änderung der Architektur implementiert werden kann. Bei dieser verringerten Implementierung werden zwei getrennte Sendeschüsse für jede Ultraschallzeile verwendet, und werden Empfangssignale unter Verwendung von Apodisierungsfunktionen apodisiert, die sich vorzugsweise mit dem Lenkwinkel der jeweiligen ebenen Wellen ändern, wie dies voranstehend beschrieben wurde. Die Sender sind so ausgebildet, dass sie ein Paar ebener Wellen aussenden, die in einem Winkel in Bezug zur Zeile liegen, und die Empfangsstrahlbündlungsvorrichtung ist so ausgebildet, dass sie dynamisch das Sendefeld verfolgt, wenn es die Zeile überquert. Die Ströme von Zeilendaten, die sich aus diesen beiden Schüssen ergeben, können einfach addiert werden, um zu den endgültigen, synthetisierten Zeilendaten zu führen, oder es können andere Verfahren der Kombination der Daten verwendet werden, beispielsweise eine Detektion vorher und/oder nachher. Es wird darauf hingewiesen, dass Architekturen, die eine Apertursynthese unterstützen, eine derartige Verarbeitung unterstützen. Diese Zeilendaten können dann standardmäßig verarbeitet werden, einschließlich anschließend dieser Zeilendaten an auf andere Weise akquirierte Zeilendaten. Zwar ergibt diese verringerte Implementierung nicht den großen Vollbildratenvorteil, der durch die bevorzugte Vorgehensweise ermöglicht wird, die voranstehend beschrieben wurde (diese Vorgehensweise benötigt eine Zeile von Daten mit zwei Schüssen, wogegen die früher geschilderte Vorgehensweise ein Bild oder einen Abschnitt eines Bildes mit zwei Schüssen akquiriert), ergibt sie jedoch die allgemein hohe Querbandbreite und die große Tiefenschärfe, die bei der bevorzugten Vorgehensweise erhalten werden. Daher kann diese Vorgehensweise jene Vorgehensweise ersetzen, die momentan eingesetzt wird, um die Tiefenschärfe zu erhöhen, und welche drei bis acht Sende/Empfangsereignisse pro Ultraschallzeile einsetzt, jeweils fokussiert auf eine unterschiedliche Tiefe.
Diese verringerte Implementierung kann auch dazu verwendet werden, mehrere Empfangsstrahlen zu erzeugen. Da die Empfangsstrahlen fokussierte Strahlen bei den herkömmlichen Strahlbündlungsverfahren darstellen, müssen die Empfangsstrahlen in Bezug auf den gesendeten Strahl sehr nahezu kollinear sein, oder es wird die Umlaufortskurve der Empfindlichkeit in der Nähe des Sendebrennpunkts gestört, und ergeben sich Bilderzeugungs-Artefakte. Zur Überwindung dieses Problems wurden verschiedene Vorgehensweisen eingesetzt, beispielsweise Begrenzung der Anzahl an Empfangsstrahlen pro Sendestrahl, Verringerung des Empfangstrahlabstands, Verbreiterung der Hauptkeule des Sendestrahls, Filtern vor dem Detektieren, usw. Diese Vorgehensweisen führen entweder zu einer zu geringen Nutzung der Verarbeitungskraft der Mehrfachstrahlbündlungsvorrichtung, oder zu einem Kompromiß in Bezug auf die Auflösung in Querrichtung, oder zu beidem. Da das ausgesandte Feld bei den Vorgehensweisen mit ebenen Wellen, die voranstehend beschrieben wurden, räumlich sehr gleichförmig ist, wird jedoch die Umlaufortskurve der Empfindlichkeit allein durch den Empfangsstrahl bestimmt. Daher können ebenso viele Empfangsstrahlen, wie sie Mehrfachstrahlbündlungsvorrichtungen parallel ausbilden können, erzeugt werden, ohne Bilderzeugungs-Artefakte hervorzurufen, so dass die Verarbeitungsleistung voll genutzt werden kann. Darüber hinaus genießt jeder synthetisierte Strahl die volle Querbandbreite und eine große Tiefenschärfe. Die Verzögerungsdaten, die jedem Empfangsstrahl und jedem Sendeschuß zugeordnet sind, sind vorzugsweise so gewählt, dass jeder Empfangsstrahl den Sendeimpuls verfolgt, wenn er die Zeile überquert. Da mehrere Empfangsstrahlen im allgemeinen entlang unterschiedlichen Zeilen fokussiert sind, unterscheiden sich im allgemeinen die jedem Strahl zugeordneten Verzögerungsdaten. Darüber hinaus sind die Verzögerungsdaten, die einer bestimmten Zeile zugeordnet sind, im allgemeinen bei den beiden Sendeschüssen verschieden, da die im Winkel erfolgende Anregung der ebenen Welle bei unterschiedlichen Zeiten für räumlich getrennte Zeilen auftritt.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei einer anderen Variante dieser verringerten Implementierung die beiden ebenen Wellen gleichzeitig ausgesandt werden können. Zwar hat eine derartige Vorgehensweise den zusätzlichen Vorteil, dass eine Erhöhung der Vollbildrate um einen Faktor zwei erzielt wird, jedoch gestattet sie nicht den Einsatz der links-rechts-invertierten Paare von Empfangsapodisierungsfunktionen. Wie voranstehend für den Fall der vollständigen Implementierung erläutert, umfaßt die bevorzugte Ausführungsform dieser verringerten Implementierungen die Verwendung einer effektiven Empfangsaperturgröße, die in Beziehung zu den Lenkwinkeln der gesendeten ebenen Wellen steht. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass sich dynamische Empfangsverzögerungsprofile schneller entwickeln als Standardverzögerungsprofile. Dies liegt daran, dass bei einer Anregung ebener Wellen im Winkel der Punkt, an dem die ausgesandten ebenen Wellen die Ultraschallzeile schneiden, sich in einem Bereich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die größer ist als die Schallgeschwindigkeit, und zwar um einen Faktor von 1(cos(θ), wobei θ der Winkel zwischen der Ultraschallzeile und der Normalen zur Front der ebenen Welle ist. Entsprechend steht die Blendenzahl, die der Empfangsapertur zugeordnet ist, vorzugsweise in einer Beziehung zum Winkel der ausgesandten ebenen Welle, die etwa 1/(2sin(θ)) beträgt (für den Fall von |θ₁| = |θ₂| = 0.
Weiterhin gibt es eine approximierte Form für dieses Einzelschußverfahren, welche Standardempfangsverzögerungsprofile verwendet. Während sich die bevorzugten Empfangsverzögerungsprofile so entwickeln, dass sie die Zeit verfolgen, zu welcher die ausgesandten ebenen Wellen die Ultraschallzeile schneiden, kann diese approximierte Ausführungsform nur durch Modifikationen der Sendeverzögerungsprofile implementiert werden. Eine ”interessierende Tiefe” wird ausgewählt, und die Verzögerungsprofile beim Senden (ebene Welle) werden mit einem Nettoverzögerungsoffset modifiziert, so dass die ebenen Wellen die Ultraschallzeile in einer Tiefe schneiden, zu einem Zeitpunkt, der gleich der Tiefe, dividiert durch die Schallgeschwindigkeit, ist. Bei dieser Ausführungsform können Standardempfangsverzögerungsprofile verwendet werden. Die Ortskurve des Empfangsbrennpunkts und der Schnittpunkt der ebenen Wellen und der Ultraschallzeile treffen dann exakt in der interessierenden Tiefe aufeinander, und fallen in einem Ausmaß zusammen, das mit Entfernung von der interessierenden Tiefe abnimmt.
Andere Variationen nutzen die Tatsache, dass verschiedene Signalparameter über die Front der ebenen Welle variiert werden können, durch Variation dieser Parameter elementweise in den Sendern. Da unterschiedliche Teile der ebenen Wellenfront die Ultraschallzeile in unterschiedlichen Tiefen schneiden, wird diese Parametervariation auf die Tiefe abgebildet. Das Signal kann daher zur Bilderzeugung in verschiedenen Tiefen optimiert werden. Als Beispiel kann man eine nach links gelenkte ebene Welle überlegen, die von einer Gruppe von Elementen abgesandt wurde, wobei die Frequenz, mit welcher jedes Element abstrahlt, von dem Element am weitesten links zu dem Element am weitesten rechts allmählich absinkt. Dann wird die ausgestrahlte ebene Wellenfront eine allmählich Frequenzverschiebung aufweisen, bei welcher die linke Seite der ebenen Wellenfront eine höhere Frequenz aufweist als die rechte Seite. Es tritt daher eine Frequenzmodulation über die Wellenfront auf. Da die linke Seite der ebenen Wellenfront die Ultraschallzeile, die interessiert, in einer geringeren Tiefe kreuzt als die rechte Seite der ebenen Wellenfront, ist die Ultraschallbestrahlungsfrequenz entlang der Ultraschallzeile bei größeren Tiefen niedriger als in weniger großen Tiefen. Ein derartiges Schema kann zusammen mit einem von der Tiefe abhängigen Filter eingesetzt werden, um die Einbringfähigkeit zu erhöhen. Eine Hüllenamplitude (Sendeapodisierung) kann ebenfalls beispielsweise über Elemente variiert werden, um die Höhenbeugungseffekte bei eindimensionalen Arrays zu kompensieren, damit eine Feldstärke erzielt wird, die in Bezug auf die Tiefe gleichförmig ist. Zusätzlich kann die Hüllenbandbreite über Elemente (und daher über Tiefen) moduliert werden, so dass größere Tiefen mit Impulsen mit größerer Dauer von Ultraschall bestrahlt werden. Derartige Impulse sind widerstandsfähiger gegen durch Abschwächung hervorgerufene Frequenzverschiebungen, die breitbandigere Impulse darstellen, und daher zusätzlich die Eindringfähigkeit unterstützen. Derartige Impulse können auch eine größere Gesamtenergie (abhängig davon, was die Sendeleistung begrenzt) enthalten. Wenn ein kodierter Sendeimpuls, beispielsweise ein Chirp verwendet wird, kann die Kodierung mit wachsender Tiefe aggressiver ausgebildet werden. Ein derartiges Schema würde erneut die Eindringfähigkeit in der Tiefe verbessern. Jener Impuls, der für geringe Tiefen verwendet wird, könnte als herkömmlicher (unkodierter) Impuls ausgebildet sein, der sich allmählich in einen aggressiv kodierten Impuls in der Tiefe entwickelt, wodurch Probleme ausgeschaltet würden, die der Bilderzeugung in geringen Tiefen mit Sendecodes von großer Dauer zugeordnet sind.
Andere Parameter können schußweise variiert werden. So kann beispielsweise die nach links gelenkte ebene Welle mit einem Phasenoffset in Bezug auf die nach rechts gelenkte ebene Welle ausgesandt werden. Liegt dieser Phasenoffset nahe an der Hälfte eines Fundamentalzyklus, dann löschen sich die sich ergebenden Fundamentalfrequenzsignalkomponenten destruktiv in jedem der sich ergebenden Strahlen aus, vereinigen sich jedoch konstruktiv die zweiten harmonischen Signalkomponenten, die während der Ausbreitung erzeugt werden. Die sich ergebende Fundamentalunterdrückung ist vorteilhaft für eine Bilderzeugung mit zweiten Harmonischen. Liegt die Phasendifferenz näher an einem Vierteil eines Fundamentalzyklus, dann wird die zweite harmonische Komponente unterdrückt, die über Ausbreitungsverzerrung erzeugt wird. Dies bringt Vorteile bei der Bilderzeugung mit zweiten Harmonischen von Ultraschallkontrastmitteln mit sich.
58 ist ein Flußdiagramm eines Ultraschall-Bilderzeugungsverfahrens jenes Typs, welches Sendeparameter schußweise variiert. Das Verfahren von 58 enthält eine Schleife mit Blöcken 202–212. Beim ersten Durchgang durch diese Schleife werden die Sendeparameter für eine erste Gruppe von Schüssen im Block 202 eingestellt, und dann werden mehrere, im wesentlichen ebene Ultraschallwellen in einen Bereich unter Verwendung unterschiedlicher Lenkwinkel und der voreingestellten Sendeparameter (Block 204). Jeweilige Empfangssignale werden im Block 206 akquiriert, und dann werden mehrere Komponentenstrahlen im Block 208 ausgebildet. Jeder Komponentenstrahl wird aus einer entsprechenden Gruppe von Empfangssignalen erzeugt, unter Verwendung von Empfangsapodisierungsfunktionen, die als Funktion des Lenkwinkels der ebenen Welle variieren, wie dies voranstehend im einzelnen erläutert wurde. Im Block 210 werden die Komponentenstrahlen für jeden Bildort vereinigt, wie voranstehend erläutert. Der Indexparameter N wird dann im Block 212 inkrementiert, und mit einem Maximalwert im Block 214 verglichen. Dieser Maximalwert ist größer als 2, so dass zumindest zwei Durchgänge durch die Schleife vorhanden sind, welche die Blöcke 202–212 enthält. Der zweite Durchgang ist identisch zu jenem, der voranstehend beschrieben wurde, mit Ausnahme der Tatsache, dass die Sendeparameter für den zweiten Durchgang im Block 202 auf unterschiedliche Werte als jene eingestellt werden, die als Sendeparameter beim ersten Durchgang verwendet werden. Dieser Vorgang geht weiter, bis N über den Maximalwert hinaus inkrementiert wurde, wobei zu diesem Zeitpunkt die Steuerung vom Block 214 an den Block 216 übergeben wird. Im Block 216 wird ein Bild aus den vereinigten Komponentenstrahlen erzeugt, die bei den verschiedenen Durchgängen durch die Blöcke 202–212 erzeugt wurden.
Das Verfahren von 58 kann unter Verwendung des Systems von 1 implementiert werden, oder unter Verwendung der verringerten Implementierung, die hier beschrieben wurde. Zusätzliche Gewichtungsfaktoren können bei jedem der kombinierten Komponentenstrahlen innerhalb des Synthesizers 28 von 1 angewendet werden. Diese Gewichtungsfaktoren können Amplituden- und ebenso Phasengewichte umfassen. Das Verfahren kann unter Verwendung von 2, 3, 4 oder mehr Durchgängen durch die Schleife implementiert werden, welche die Blöcke 204–214 enthält, abhängig von der Anwendung. Wie woanders in dieser Anmeldung geschildert wurde, ist es nicht bei allen Ausführungsformen erforderlich, dass die ausgesandten Ultraschallwellen im wesentlichen eben sind. Alternativ können die Ultraschallwellen durch unterschiedliche Wellenfrontwinkel für jeden von mehreren Bildorten in dem Bereich charakterisiert werden, und können die Empfangsapodisierungsfunktionen für die Komponentenstrahlen in Abhängigkeit von zumindest den jeweiligen Wellenfrontwinkeln an den jeweiligen Bildorten variieren.
Verschiedene Sendeparameter können bei dem Verfahren von 58 variiert werden, einschließlich der Hüllenmodulationsfrequenz, der Hüllenamplitude, des Hüllenamplitudenprofils, der Hüllenphase, und des Hüllenphasenprofils. Die folgenden Absätze geben weitere Beispiele für Sendeparameter, die schußweise variiert werden.
Die Phaseninversionsbilderzeugungsverfahren, die im US-Patent 5,632,277 A von Chapman beschrieben werden, kombinieren analytisch zwei räumlich kollineare Empfangssignale, die aus zwei Sendeimpulsen mit entgegengesetzter Polarität erzeugt werden, um unerwünschte Fundamentalsignale zu unterdrücken, für die Bilderzeugung mit zweiten Harmonischen für Gewebe oder ein Kontrastmittel. Die Phaseninversionsbilderzeugung verringert Störrauschen und verbessert die Qualität des harmonischen Bildes, insbesondere für jene Anwendungen, die eine verringerte Sendeleistung erfordern. Die Phaseninversionsbilderzeugung kann mit jeder der Implementierungen durchgeführt werden, die in dieser Anmeldung beschrieben wurden, beispielsweise mit der vollständigen Implementierung von 1 und mit Varianten der verringerten Implementierung. Zusätzlich zu dem voranstehend geschilderten Verfahren, bei welchem ein Phasenoffset einer ebenen Welle gegenüber einer zweiten, verschiedenen ebenen Welle durch die Hälfte eines Fundamentalzyklus erfolgt, können zusätzliche, in der Phase invertierte ebene Wellen gesendet werden, um das SNR zu verbessern. Als Beispiel für eine vollständige Implementierung werden zwei getrennte ebene Wellen hintereinander ausgesandt, und in unterschiedlichen Richtungen, um Komponentenstrahlen zu erzeugen, die beide dieselbe Sendepolarität (Phase) über alle Elemente des Wandlers verwenden. Dann werden eine dritte und eine vierte ebene Welle, identisch zur ersten bzw. zur zweiten ebenen Welle, abgeschossen, unter Verwendung entgegengesetzter Anfangsphasen oder Polaritäten. Der Synthesizer von 1 führt dann auf geeignete Weise eine Apodisierung und Verzögerung aller vier Empfangssignale durch, unter Verwendung sämtlicher Wandlerelemente in der aktiven Empfangsapertur, um ein Bildsignal für jeden Bildort zu erzeugen.
Dieses Verfahren verringert die Vollbildrate um einen Faktor von zwei, jedoch stellt dies häufig einen insignifikanten Verlust dar, verglichen mit den Vollbildraten, die durch die hier geschilderten Vorgehensweisen ermöglicht werden. Alternativ können die beiden verschiedenen ebenen Wellen gleichzeitig gesendet werden, wie voranstehend geschildert, bei einer verringerten Implementierung, und ihnen kann eine Phase p1 während eines ersten Sendeereignisses und eine Phase p2 während eines zweiten Sendeereignisses zugeordnet werden, wobei p1 = 0 und p2 = 180 Grad beträgt. Die Kombination von Empfangssignalen von zwei oder mehr Impulsen mit unterschiedlichen Phasen kann unter Verwendung sämtlicher Variationen der bevorzugten Ausführungsformen implementiert werden, die in dieser Anmeldung beschrieben werden. So werden beispielsweise bei einem Phaseninversions-Dopplerbilderzeugungsverfahren drei oder mehr Impulse mit alternierender Polarität gesendet, und dann empfangen. Diese Empfangsimpulse werden verarbeitet unter Einsatz einer herkömmlichen Dopplerverarbeitung, mit üblichen oder speziellen Störfiltern, um das Detektieren von Kontrastmitteln ohne signifikante Beeinträchtigung des Fundamentalsignals zu verbessern. Die geeigneten Gewichtungsfaktoren des Störfilters werden in dem Synthesizer 28 angelegt. Wenn das Detektieren einer Bewegung des Kontrastmittels ein Erfordernis ist, um eine gute Unterscheidung zwischen Signal und Gewebe zu erreichen, so kann vorgezogen werden, unterschiedliche ebene Wellen zur selben Zeit zu senden; anderenfalls kann ein aufeinanderfolgendes Senden eingesetzt werden, und ausreichend sein. Die neuen Strahlbündlungsverfahren, die in dieser Anmeldung geschildert wurden, können dazu verwendet werden, die Vollbildraten zu verbessern, und in einigen Fällen die Empfindlichkeit, über große räumliche Abmessungen.
Als weiteres Beispiel können die Wechselzeilenverfahren, die in dem US-Patent 6,193,663 B1 , ebenfalls unter Verwendung der Strahlbündlungsverfahren implementiert werden, die in der vorliegenden Anmeldung geschildert werden. Wie im einzelnen in diesem Patent erläutert ist, können verschiedene Parameter zeilenweise modifiziert werden. So kann beispielsweise die reduzierte Implementierung, die in dieser Anmeldung beschrieben wird, in einer Wechselzeilenphasenbetriebsart durchgeführt werden, um eine signifikante Fundamentalsignalunterdrückung für harmonische Bilderzeugung mit verringerten Vollbildratenverlusten zur Verfügung zu stellen, im Vergleich zu den Phaseninversionsbilderzeugungsverfahren, die voranstehend geschildert wurden. Als Beispiel können die Strahlbündlungsverfahren, die in dieser Anmeldung geschildert werden, zur Ausbildung kombinierter Strahlen eingesetzt werden, und kann die Sendephase sich zwischen benachbarten Sendestrahlen abwechseln. Die kombinierten Strahlen für derartige benachbarte Sendestrahlen können dann kombiniert werden, wie in der voranstehend angegebenen, gleichzeitig anhängigen Anmeldung geschildert wird.
Als drittes Beispiel können Kontrastimpulssequenzen, wie sie in dem US-Patent 6,494,841 B1 beschrieben werden, unter Verwendung der voranstehend geschilderten Strahlbündlungsverfahren implementiert werden. Insbesondere können mehrere räumlich kollineare Empfangssignale aus Sendeimpulsen mit unterschiedlichen Amplituden und Phasen mit den hier geschilderten Vorgehensweisen entwickelt werden. Die Phasen oder Polaritäten beim Senden können ebenfalls pro Sendeschuß variiert werden, wie dies voranstehend erläutert wurde. Kontrastimpulssequenzen können das Detektieren von Kontrastmitteln durch Verbesserung der Selektivität verbessern. Die neuen Strahlbündlungsverfahren, die in dieser Anmeldung geschildert werden, können die Vollbildraten und möglicherweise die Empfindlichkeit über größere räumliche Abmessungen verbessern.
Ein Kontrastmittel kann bei sämtlichen voranstehend geschilderten Beispielen eingesetzt werden. Wenn ein Kontrastmittel verwendet werden soll, kann es häufig vorzuziehen sein, das Kontrastmittel, beispielsweise ein Kontrastmittel mit Mikrobläschen, in das Gewebe einzugeben, von dem ein Bild aufgenommen werden soll, bevor die Ultraschallwellenfronten in das Gewebe gesendet werden.
Bei sämtlichen voranstehenden Implementierungen können auch nicht-ebene Wellen eingesetzt werden. So können beispielsweise schwach divergierende Wellen mit wesentlich unterschiedlichen Wellenfrontwinkeln dazu verwendet werden, einen größeren Überlappungsbereich R pro Paar von Sende/Empfangsereignissen abzudecken. Dies führt zu einem Verlust in Bezug auf das Signal-Rauschverhältnis (SNR), der dadurch ausgeglichen werden kann, dass kodierte Impulse mit hohen Produkten von Zeit und Bandbreite beim Senden und eine Dekodierung beim Empfang verwendet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass eine unfokussierte Welle nicht durch eine einzelne virtuelle Linien/Punktquelle hinter dem Wandler gekennzeichnet werden muß, wie im Falle zylindrischer oder kugelförmiger Wellen, und statt dessen eine verteilte Gruppe virtueller Linien/Punktquellen umfassen kann. Schwach fokussierte Wellen können ebenfalls für ein höheres Signal-Rauschverhältnis verwendet werden, mit einem entsprechenden Opfer in Bezug auf die Fläche des Überlappungsbereiches R, also einen Kompromiß in Bezug auf das Sehfeld, und daher die Vollbildrate. Entsprechend muß eine schwach fokussierte Welle nicht durch einen einzigen Brennpunkt gekennzeichnet werden, sondern kann auch eine verteilte Gruppe von Linien/Punkt-Brennpunkten aufweisen. Die gesendeten Felder können tatsächlich nahezu jede Form aufweisen, obwohl nur unfokussierte und schwach fokussierte (im Vergleich zur Empfangsfokussierung) Felder hier beschrieben werden. Die gesendeten Wellen weisen vorzugsweise im wesentlichen unterschiedliche Wellenfrontwinkel auf, und immer noch eine ausreichende Intensität im Bildbereich. Die geeignete Empfangsapertur für jeden Bildort wird vorzugsweise auf der Grundlage der Wellenfrontwinkel des Paars der gesendeten Wellen an diesem Ort ausgewählt.
Die synthetisierte Querbandbreite ist im allgemeinen am breitesten, wenn die beiden Schüsse in dem größten möglichen Winkel in Bezug aufeinander auftreten, jedoch sind kleinere Winkel unter gewissen Bilderzeugungsbedingungen vorteilhaft, beispielsweise wenn ungleichförmig verjüngte Empfangsapodisierungen verwendet werden (s. h. nachstehend). Der größte mögliche Winkel wird durch das minimale SNR in der Praxis bestimmt. Je stärker der Strahl gelenkt wird, desto niedriger ist der gesendete Signalpegel (infolge eines Absinkens der Strahlung eines einzelnen Elements sowie anderer Faktoren, beispielsweise Schrägstellung), und desto schlechter ist das SNR.
An einem bestimmten Abbildungspunkt kann die Struktur der gesendeten Welle so angesehen werden, dass sie im wesentlichen eben ist. Dies gilt deswegen, da der fokussierte Empfangsstrahl im allgemeinen nur die gesendete Welle in der Nähe des Bildpunktes auswählt. Da die gesendete Welle unfokussiert ist (oder schwach fokussiert, im Vergleich zur Empfangsfokussierung), dominiert die Struktur des Empfangsstrahls die Struktur der Sendewelle. Die Sendewelle entspricht im wesentlichen einer ebenen Welle, die in einem Winkel θ₁ in Bezug auf einen lokal definierten Winkel gelenkt wird. Eine ebene Welle ist eine sehr schmalbandige Erregung im Sinne des Raums in Querrichtung. Das effektive Sendespektrum an diesem Bildpunkt ähnelt sehr stark einer Deltafunktion bei einer Raumfrequenz von sin(θ₁)/λ. Für den zweiten Schuß beträgt der lokale Winkel θ₂, und liegt die zugeordnete, deltaförmige Spektralanordnung an einer Raumfrequenz von sin(θ₂)/λ. In diesem Sinn ist das gesendete Feld für einen bestimmten, interessierenden Feldpunkt im wesentlichen eben, unabhängig von der Struktur in größerem Maßstab.
Die Empfangsapodisierungen, welche diesem Paar gesendeter Felder zugeordnet sind, werden vorzugsweise so ausgewählt, dass das sich ergebende, synthetisierte Umlauf-Raumfrequenzspektrum (und daher die Punktausbreitungsfunktion) eine akzeptable Struktur aufweist. Das Umlauf-Raumfrequenzespektrum, das dem ersten Sendevorgang zugeordnet ist, ist gegeben durch die Faltung der Raumfrequenzspektren, die dem Senden und Empfangen zugeordnet sind. Da das Spektrum des Sendefeldes in der Auswirkung deltaförmig ist, sieht das Umlaufspektrum sehr stark wie eine verschobene Kopie des Empfangs-Raumfrequenzspektrums aus (welches dieselbe funktionelle Form wie die Empfangsapodisierung aufweist). Das gleiche gilt für das Umlaufspektrum, das dem zweiten Schuß zugeordnet ist.
Zuerst wird der Fall überlegt, in welchem die Empfangsaperturen ungelenkt sind. In diesem Fall ist das Umlaufspektrum, das dem ersten Sendevorgang zugeordnet ist, ebenso wie das effektive Sendespektrum, auf die Raumfrequenz sin(θ₁)/λ zentriert, und ist die Form der Funktion jene der Empfangsapertur, die beim ersten Schuß verwendet wird. Der zweite Sendevorgang ist auf sin(θ₂)/λ zentriert, und weist die funktionelle Form der zweiten Empfangsapertur auf. Wenn die Synthese einfach additiv ist, ist das vollständige Umlaufspektrum einfach die Summe dieser beiden beitragenden Umlaufspektren. Für ein vernünftiges, sich ergebendes, synthetisiertes Spektrum weisen die beiden Unterspektren vorzugsweise entweder (1) scharf diskontinuierliche Kanten auf, die aneinander anstoßen, so dass sie sich zu einer kontinuierlichen Spektralform addieren, oder (2) überlappen, und verjüngen sich so, dass der spektrale Überlapp sich addiert, um ein glattes, synthetisiertes Spektrum zu ergeben.
Wenn die Empfangsapertur, die dem ersten Schuß zugeordnet ist, gelenkt wird, dann ist das sich ergebende Umlaufunterspektrum nicht auf eine Raumfrequenz von sin(θ₁)/λ zentriert, sondern ist in Bezug auf diese Frequenz um ein Ausmaß verschoben, das durch den Empfangs-Lenkwinkel bestimmt wird. Unabhängig davon besteht die endgültige Anforderung darin, dass sich die Unterspektren so addieren sollten, dass man ein glattes, synthetisiertes Spektrum erhält. Anders ausgedrückt werden der Sendewinkel, die Empfangslenkung, und die jeweilige Apodisierung, die dem zweiten Schuß zugeordnet sind, so ausgewählt, dass die sich ergebenden Unterspektren so vereinigen, dass ein gewünschtes (also glattes) endgültiges Spektrum erhalten wird.
Für jedes Paar gesendeter Feldwinkel gibt es eine Anzahl möglicher Empfangsaperturen. Hierzu können einige Beispiele nützlich sein. Es wird der Fall überlegt, der voranstehend geschildert wurde, in welchem das Sendefeld ein Paar von ebenen Wellen ist, die in gleichen, jedoch entgegengesetzten Winkeln ausgesandt werden, und die Empfangsapertur gleichförmig und ungelenkt ist. In diesem Fall sind die sich ergebenden Unterspektren gleichförmig, und unter Verwendung von Empfangs-Blendenzahlen, die durch (Gleichung 6) gegeben sind, stoßen sie aneinander an, was zu einem glatt verbundenen, sehr breiten Umlaufsynthesespektrum führt. Eine Alternative bestände darin, dreieckige Empfangsaperturen mit der doppelten Breite wie bei den gleichförmigen zu verwenden. In einem derartigen Fall sind die sich ergebenden Unterspektren dreieckig, und überlappen sich über die Hälfte ihrer Breiten, was zu einem trapezförmigen, synthetisierten Spektrum führt. Eine andere Alternative bestände darin, die gleichförmigen Empfangsaperturen beizubehalten, und die Blendenzahlen, jedoch ein Lenken ungleicher Ausmaße vorzunehmen. Die sich ergebenden Unterspektren würden sich dann beide verschieben, jedoch in gleichem Ausmaß, so dass sie immer noch aneinander anstoßen, und ein glattes, synthetisiertes Spektrum bilden (es wird darauf hingewiesen, dass die physikalischen Aperturen vergrößert werden müssen, um dieselbe Blendenzahl beizubehalten, infolge der Schrägstellung).
Die Ultraschallbestrahlungswinkel, die sich im Falle von Sendewellen in Form ebener Wellen ergeben, sind besonders einfach in der Hinsicht, dass die Wellenfrontwinkel über einen relativ großen Bereich unabhängig von der Position sind. Für jeden bestimmten Bildpunkt ergibt sich jedoch eine große Vielfalt an unterschiedlichen Sendewellen, die nicht eben sind, in demselben Paar von Ultraschallbestrahlungswinkeln am interessierenden Punkt.
Einzelelementsendeaperturen bei (–dtanθ) und (dtanθ), wobei d die Tiefe des Bildpunktes ist, und die Positionen relativ zu dem Punkt auf dem Wandler liegen, an welchem die Normale den interessierenden Punkt schneidet, führen für einen linearen Wandler zu Ultraschallbestrahlungswinkeln von ±θ. Es wird darauf hingewiesen, dass bei der voranstehenden Diskussion die einzige Überlegung in Bezug auf die gesendete Welle der Wellenfrontwinkel dieser Welle an dem betreffenden Abbildungspunkt ist. Dieser Winkel wird hauptsächlich durch das Verzögerungsprofil (und in gewissem Ausmaß durch die Frequenz) bestimmt. Im allgemeinen kann jedoch jedes Verzögerungsprofil verwendet werden, obwohl, wie bereits voranstehend erwähnt, jenes Paar an Wellen, das zu einer großen Winkeldifferenz in Bezug auf den Wellenfrontwinkel führt, im allgemeinen das beste Paar darstellt, bis das Signal-Rauschverhältnis (SNR) wesentlich wird. Die Art des Impulses folgt hauptsächlich den Überlegungen in Bezug auf die Breite, mit Ausnahme der Tatsache, wie weit die Frequenz die Bestimmung des Winkels beeinflußt.
In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, mehr als zwei Sende/Empfangsereignisse pro zweidimensionalem Bildpunkt einzusetzen (oder mehr als vier Sende/Empfangsereignisse pro dreidimensionalem Bildpunkt). Wenn beispielsweise das Ultraschallsystem nicht so viele Empfangskanäle aufweist wie die Sonde Elemente hat, ist die minimale Empfangs-Blendenzahl und daher die maximale Empfangsraumbandbreite begrenzt, die in großen Tiefen erzielbar ist. In diesen Fällen würde die Verwendung einer ungelenkten Welle, die einer Deltafunktion bei Gleichspannung im Raumspektrum entspricht, zusätzlich zu den nach links und rechts gelenkten Wellen (±θ), das Synthetisieren einer durchgehenden Bandbreite von 3sin(θ)/λ mit Empfangs-Blendenzahlen gestatten, die so hoch sind wie 1/sin(θ). Denselben allgemeinen Vorgaben, die voranstehend für den Fall mit zwei Sendevorgängen geschildert wurden, wird vorzugsweise gefolgt, wenn mehr als zwei Schüsse mit unterschiedlichen Winkeln eingesetzt werden: die Empfangsapertur, die jedem Schuß zugeordnet ist, ist so gewählt, dass die Umlaufspektren entweder (1) scharf diskontinuierliche Kanten aufweisen, die aneinander anstoßen, um ein kontinuierliches, synthetisiertes Spektrum zu ergeben, oder (2) verjüngte Kanten aufweisen, die aneinander so überlappen, dass das synthetisierte Spektrum in vernünftiger Weise kontinuierlich ist. Erneut sind die Gruppen von Empfangsaperturbreiten, Empfangsapodisationen, und lokalen Winkeln, die den gesendeten Feldern zugeordnet sind, wesentliche Parameter bei der Konstruktion. Da das synthetisierte Querspektrum die Strahlstruktur in Querrichtung bestimmt, werden diese Parameter vorzugsweise so gewählt, dass man ein Spektrum erhält, das einer gewünschten Querstruktur des Strahls zugeordnet ist.
Das Bild kann auf einem frei wählbaren Abtastgitter ausgewählt werden. In 56 liegen die Bildorte 120 auf einem rechteckigen Gitter. In 57 sind die Bildorte 120 entlang Abstrahllinien angeordnet, in vieler Hinsicht ähnlich dem Ort von strahlgeformten Empfangssignalen, die auf herkömmlichen Empfangsabtastzeilen angeordnet sind. Diese Art von Gitter kann dazu eingesetzt werden, räumliche Variationen der Nyquist-Abtastrate zu kompensieren. Das Abtastgitter kann auch gleich dem Anzeigegitter gewählt werden, wodurch das Erfordernis einer Abtastumwandlung ausgeschaltet wird.
Das System 10 kann die räumliche Bandbreite maximieren, während es eine dynamische Fokussierung sowohl beim Senden als auch beim Empfangen erzielt. Anders ausgedrückt kann das System Bilder mit effektiven Umlaufaperturfunktionen ausbilden, die so breit sind wie das Doppelte der maximalen Einwegapertur, und die eine RECT-Form aufweisen.
Zusätzlich zum Maximieren der räumlichen Bandbreite maximiert das System auch die zeitliche Bandbreite, da sämtliche Rauminformation, die zur Ausbildung eines Vollbildes (Volumens) des Bildes (mit maximaler räumlicher Bandbreite) erforderlich ist, innerhalb nur einiger weniger Sende/Empfangsereignisse akquiriert werden kann. Daher ist die Vollbildrate nicht mehr durch die Zeit beschränkt, die dazu benötigt wird, entlang von hunderten unterschiedlichen Winkeln oder Linien zu senden und von diesen zu empfangen, sondern durch die Verarbeitungsbandbreite der Empfangs-Strahlbündlungsvorrichtung. Die voranstehend geschilderte Vorgehensweise schaltet daher die Fundamentalgrenze für dynamische zwei- und dreidimensionale Bilderzeugung mit sehr hoher Vollbildrate aus.
Die effektive Umlaufapodisierungsfunktion, die mit dem System 10 erzielt wird, ist nicht auf die RECT-Form beschränkt. Alternativ kann die effektive Umlaufapodisierungsfunktion so geformt sein, dass sie eine frei wählbare Form aufweist, durch Einsetzen einer geeigneten Apodisierung während der Empfangs-Strahlbündelung. Da die Strahlbündelung bei den gespeicherten Empfangssignalen erfolgt, können mehrere Bilder mit unterschiedlichen Aperturfunktionen unter Verwendung derselben Daten erzeugt werden. Diese Bilder können unterschiedlich bearbeitet werden, und dann kombiniert werden, um die Information oder die Präsentation der Information zu verbessern.
Die mehreren Komponenten des synthetisierten Strahls können auch dazu verwendet werden, eine Brechung oder teilweise Blockierung der Apertur festzustellen und zu kompensieren, wodurch eine Schattenbildung verringert wird.
Das System 10 ist mit herkömmlichen Vorgehensweisen kompatibel, beispielsweise Gleitapertur, synthetische Apertur, kodierter Erregung, Raumvereinigung, Frequenzvereinigung, Kurzschluß benachbarter Elemente, und dergleichen.
Alle herkömmlichen Bilderzeugungsbetriebsarten können bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um den Vorteil erhöhter Vollbildraten zu erzielen. So können beispielsweise Betriebsarten wie Farbdopplerverfahren (Geschwindigkeit, Leistung, usw.) die mehrere Ultraschallbestrahlungen von jeder Auflösungszelle erfordern, nunmehr mit einer erheblichen Vollbildrate arbeiten. Vorgänge, die inhärent ein niedriges Signal-Rauschverhältnis mit sich bringen, beispielsweise harmonische Bilderzeugung bei Gewebe in Abwesenheit eines Kontrastmittels, können möglicherweise nicht optimale Ergebnisse bei unfokussierten oder schwach fokussierten Sendewellen ergeben. Für derartige Vorgänge kann das System 10 so abgeändert werden, dass es als herkömmliche, Mehrfachempfangs-Strahlbündlungsvorrichtung arbeitet, wobei Sendestrahlen entlang Ultraschalllinien erzeugt werden.
Wenn das abgebildete Objekt sich während der Sende/Empfangsereignisse bewegt, kann bei den jeweiligen Komponentenstrahlen eine Bewegungskompensation (räumliche Ausrichtung) durchgeführt werden, vor der Synthese, falls dies gewünscht ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass das voranstehend geschilderte System Speicher enthält, die Empfangssignale speichern, die auf allen Akquisitionskanälen für wenige Schüsse empfangen werden. Um eine extrem hohe Vollbildrate zu erzielen, ist eine Empfangs-Strahlbündlungsvorrichtung mit einer sehr hohen Verarbeitungsbandbreite wünschenswert. Allerdings stellen diese Eigenschaften keine Langzeitprobleme dar, angesichts des rapiden Fortschritts bei größeren und billigeren Speichern und einer erhöhten Verarbeitungsbandbreite.
Der Begriff ”Bildort” ist umfassend als Punkt oder als Bereich um einen Punkt herum zu verstehen.
Der Begriff ”Summe” soll gewichtete Summen umfassen.
Die Begriffe ”im wesentlichen gleichzeitig” oder ”gleichzeitig” werden für Sendeschüsse verwendet, die dazu führen, dass sich empfangene Echos zeitlich überlappen.
Der Begriff ”Gruppe” soll ein oder mehrere Elemente umfassen.
Der Begriff ”Empfangssignal” wird für Signale in jeder Stufe der Verarbeitung zwischen den Wandlerelementen und dem Ausgang der Empfangs-Strahlbündlungsvorrichtung verwendet.
Der Begriff ”Strahl” soll im breitesten Umfang die kohärente Summe von Empfangssignalformen in zumindest zwei Empfangskanälen bezeichnen. Abgesehen von einigen sehr speziellen Fällen werden Signale aus unterschiedlichen Kanälen zuerst verzögert und in Bezug aufeinander gewichtet, bevor sie kohärent summiert werden, um einen Strahl auszubilden. Daher kann ein Strahl nur eine kohärente Summe für einen einzelnen Bildort enthalten, und ist der Begriff ”Strahl” nicht auf eine Reihe kohärenter Summen für Bildorte beschränkt, die entlang einer Zeile angeordnet sind, beispielsweise einer Abtastzeile.
Es wird natürlich deutlich, dass viele Änderungen und Modifikationen bei den voranstehend geschilderten, bevorzugten Ausführungsformen vorgenommen werden können. Wie voranstehend erläutert können viele verschiedene Vorgehensweisen dazu verwendet werden, die verschiedenen Signalverarbeitungsbestandteile des geschilderten Systems zu implementieren.
Die voranstehende, detaillierte Beschreibung diskutierte nur einige wenige jener Formen, welche die vorliegende Erfindung annehmen kann. Daher soll diese detaillierte Beschreibung nur zur Erläuterung, jedoch nicht zur Einschränkung dienen. Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung, einschließlich ihrer Äquivalente, ergeben sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen und sollen von den beigefügten Patentansprüchen umfaßt sein.

Claims

Medizinisches Ultraschall-Bilderzeugungsverfahren, welches umfaßt: (a) Senden mehrerer Ultraschallwellen in einen Bereich, wobei sich die Ultraschallwellen durch unterschiedliche Wellenfrontwinkel für jeden von mehreren Bildorten in dem Bereich auszeichnen; b) Akquirieren einer jeweiligen Gruppe von Empfangssignalen in Reaktion auf jede der Ultraschallwellen; c) Ausbildung mehrerer Komponentenstrahlen für jeden der mehreren Bildorte, wobei die Komponentenstrahlen jedes Bildortes jeweils aus den verschiedenen Gruppen von Empfangssignalen ausgebildet werden, wobei Empfangsapodisierungsfunktionen für die Komponentenstrahlen als Funktion zumindest der jeweiligen Wellenfrontwinkel der jeweiligen Bildorte variieren; d) Kombinieren der entsprechenden Komponentenstrahlen für jeden Bildort; e) Wiederholung von (a) bis (d) zumindest einmal, wodurch zumindest zwei kombinierte Komponentenstrahlen für jeden Bildort gebildet werden, wobei zumindest einer der folgenden Sendeparameter zwischen zwei Gruppen wiederholter Vorgänge (a) bis (d) variiert wird: Hüllenmodulationsfrequenz, Hüllenamplitude, Hüllenamplitudenprofil, Hüllenphase und Hüllenphasenprofil; und f) Erzeugung eines Bildes aus den kombinierten Komponentenstrahlen jedes Vorgangs (d).
Medizinisches Ultraschall-Bilderzeugungsverfahren, welches umfaßt: a) Senden mehrerer, im Wesentlichen ebener Ultraschallwellen in einen Bereich, wobei sich die Ultraschallwellen durch unterschiedliche Lenkwinkel auszeichnen; b) Akquirieren einer jeweiligen Gruppe von Empfangssignalen in Reaktion auf jede der Ultraschallwellen; c) Ausbildung mehrerer Komponentenstrahlen für jeden der mehreren Bildorte, wobei die Komponentenstrahlen jedes Bildortes jeweils aus den verschiedenen Gruppen von Empfangssignalen gebildet werden, wobei Empfangsapodisierungsfunktionen für die Komponentenstrahlen als Funktion zumindest der Lenkwinkel der ebenen Wellen an den jeweiligen Bildorten variieren; d) Kombinieren der entsprechenden Komponentenstrahlen für jeden Bildort; e) Wiederholung von (a) bis (d) zumindest einmal, wodurch zumindest zwei kombinierte Komponentenstrahlen für jeden Bildort gebildet werden, wobei zumindest einer der folgenden Sendeparameter zwischen zwei Gruppen wiederholter Vorgänge (a) bis (d) variiert wird: Hüllenmodulationsfrequenz, Hüllenamplitude, Hüllenamplitudenprofil, Hüllenphase und Hüllenphasenprofil; und f) Erzeugung eines Bildes aus den kombinierten Komponentenstrahlen jedes Vorgangs (d).
Medizinisches Ultraschall-Bilderzeugungsverfahren, welches umfaßt: a) Senden mehrerer Ultraschallwellen in einen Bereich, wobei sich die Ultraschallwellen durch unterschiedliche Wellenfrontwinkel für jeden von mehreren Bildorten in dem Bereich auszeichnen; b) Akquirieren einer jeweiligen Gruppe von Empfangssignalen in Reaktion auf jede der Ultraschallwellen; c) Ausbildung mehrerer Komponentenstrahlen für jeden der mehreren Bildorte, wobei die Komponentenstrahlen jedes Bildortes jeweils aus den verschiedenen Gruppen von Empfangssignalen gebildet werden, wobei Empfangsapodisierungsfunktionen für die Komponentenstrahlen als Funktion zumindest der jeweiligen Wellenfrontwinkel an den jeweiligen Bildorten variieren; d) Kombinieren der entsprechenden Komponentenstrahlen für jeden Bildort; e) Wiederholung von (a) bis (d) zumindest einmal, wodurch zumindest zwei kombinierte Komponentenstrahlen für jeden Bildort gebildet werden, wobei zumindest einer der folgenden Empfangsparameter zwischen zwei Gruppen wiederholter Vorgänge (a) bis (d) variiert wird: Apodisierungsfunktion, Demodulationsfrequenz, Hüllenamplitude, Hüllenamplitudenprofil, Hüllenphase und Hüllenphasenprofil; und f) Erzeugung eines Bildes aus den kombinierten Komponentenstrahlen jedes Vorgangs (d).
Medizinisches Ultraschall-Bilderzeugungsverfahren, welches umfaßt: a) Senden mehrerer im Wesentlichen ebener Ultraschallwellen in einen Bereich, wobei sich die Ultraschallwellen durch unterschiedliche Lenkwinkel auszeichnen; b) Akquirieren einer jeweiligen Gruppe von Empfangssignalen in Reaktion auf jede der Ultraschallwellen; c) Ausbildung mehrerer Komponentenstrahlen für jeden der mehreren Bildorte, wobei die Komponentenstrahlen jedes Bildortes jeweils aus den verschiedenen Gruppen von Empfangssignalen gebildet werden, wobei Apodisierungsfunktionen für die Komponentenstrahlen als Funktion zumindest der Lenkwinkel der ebenen Welle an den jeweiligen Bildorten variieren; d) Kombinieren der entsprechenden Komponentenstrahlen für jeden Bildort; e) Wiederholung von (a) bis (d) zumindest einmal, wodurch zumindest zwei kombinierte Komponentenstrahlen für jeden Bildort gebildet werden, wobei zumindest einer der folgenden Empfangsparameter zwischen zwei Gruppen wiederholter Vorgänge (a) bis (d) variiert wird: Apodisierungsfunktion, Demodulationsfrequenz, Hüllenamplitude, Hüllenamplitudenprofil, Hüllenphase und Hüllenphasenprofil; und f) Erzeugung eines Bildes aus den kombinierten Komponentenstrahlen jedes Vorgangs (d).
Medizinisches Ultraschall-Bilderzeugungsverfahren, welches umfaßt: a) gleichzeitiges Senden mehrerer Ultraschallwellen in einen Bereich, wobei sich die Ultraschallwellen durch unterschiedliche Wellenfrontwinkel für jeden von mehreren Bildorten in dem Bereich auszeichnen; b) Akquirieren einer Gruppe von Empfangssignalen in Reaktion auf die gleichzeitig gesendeten Ultraschallwellen; c) Ausbildung eines Strahls aus der Gruppe der Empfangssignale für mehrere Bildorte, wobei die Bildorte im Wesentlichen entlang der Ortskurve von Schnittpunkten der Ultraschallwellen liegen, wenn sich die Wellen in dem Bereich ausbreiten, wobei die Empfangsapodisierungsfunktion als Funktion zumindest der jeweiligen Wellenfrontwinkel an den jeweiligen Bildorten variiert; d) Wiederholung von (a) bis (c) zumindest einmal, wodurch zumindest zwei kombinierte Komponentenstrahlen für jeden Bildort gebildet werden, wobei zumindest einer der folgenden Sendeparameter zwischen zwei Gruppen wiederholter Vorgänge (a) bis (c) variiert wird: Hüllenmodulationsfrequenz, Hüllenamplitude, Hüllenamplitudenprofil, Hüllenphase und Hüllenphasenprofil; und e) Erzeugung eines Bildes aus den kombinierten Komponentenstrahlen jedes Vorgangs (c).
Medizinisches Ultraschall-Bilderzeugungsverfahren, welches umfaßt: a) gleichzeitiges Senden mehrerer Ultraschallwellen in einen Bereich, wobei sich die Ultraschallwellen durch unterschiedliche Wellenfrontwinkel für jeden von mehreren Bildorten in dem Bereich auszeichnen; b) Akquirieren einer Gruppe von Empfangssignalen in Reaktion auf die gleichzeitig gesendeten Ultraschallwellen; c) Ausbildung eines Strahls aus der Gruppe von Empfangssignalen für mehrere Bildorte, wobei die Bildorte im Wesentlichen entlang der Ortskurve von Schnittpunkten der Ultraschallwellen liegen, wenn sich die Wellen in dem Bereich ausbreiten, wobei die Empfangsapodisierungsfunktion als Funktion zumindest der jeweiligen Wellenfrontwinkel an den jeweiligen Bildorten variiert; d) Wiederholung von (a) bis (c) zumindest einmal, wodurch zumindest zwei kombinierte Komponentenstrahlen für jeden Bildort erzeugt werden, wobei zumindest einer der folgenden Empfangsparameter zwischen zwei Gruppen wiederholter Vorgänge (a) bis (c) variiert wird: Apodisierungsfunktion, Demodulationsfrequenz; Hüllenmodulationsfrequenz, Hüllenamplitude, Hüllenamplitudenprofil, Hüllenphase und Hüllenphasenprofil; und e) Erzeugung eines Bildes aus den kombinierten Komponentenstrahlen jedes Vorgangs (c).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin vorgesehen ist: Einführen eines Kontrastmittels in den Bereich vor dem Schritt (a), so dass das Kontrastmittel in dem Schritt (a) vorhanden ist.