DE19581717B4

DE19581717B4 - Einrichtung zur kohärenten Bildherstellung

Info

Publication number: DE19581717B4
Application number: DE19581717T
Authority: DE
Inventors: J. Nelson Menlo Park Wright; Samuel H. Woodside Maslak; David J. San Jose Finger; Albert Los Altos Gee
Original assignee: Acuson Corp
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 1994-08-05
Filing date: 1995-08-04
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2015-08-05
Also published as: DE19581717T1; WO1996003921A1; US5623928A; AU3276195A; JP2006346470A; JP4302718B2; US5667373A; JPH10506802A

Abstract

Einrichtung zum Abbilden eines Objektes unter Verwendung von auf Empfangsabtastlinien gewonnenen kohärenten Abtastwerten, die für ein Signal vom Objekt charakteristisch sind, mit:
(a) einem Phasenabgleicher zum Nachjustieren der Phase der gewonnenen kohärenten Abtastwerte, um eine Kohärenz für jeden Strahl zu bewirken, und
(b) einem Synthesizer, der die phasenjustierten Abtastwerte zum synthetischen Erzeugen neuer Abtastwerte benutzt.

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zum Abbilden von Objekten und zum Erzeugen eines Ultraschallbilds kohärenter Abbildungssysteme, beispielsweise für Radar, Sonar, seismische und Ultraschallsysteme, die mit Schwingungsenergie arbeiten und insbesondere, aber nicht beschränkt auf Ultraschall-Bildsysteme für lineare, gesteuert lineare, sektorielle, kreisförmige, Vektor (Warenzeichen), gesteuerte Vektor (Warenzeichen) und andere Abtastformate, beispielsweise im B-Modus (Grauskalen-Abbildungsmodus). Die Erfindung lässt sich auch auf andere Typen kohärenter Bildsysteme anwenden.
Es gibt eine Reihe kohärenter Bildsysteme mit elektronischer Strahlformierung, um eine Abbildung aufgrund von Echosignalen bzw. reflektierter Strahlen zu erzielen, insbesondere für Radar-, Ultraschall- und Sonar-Bilder. Besonders bei der Echtzeit-Bildherstellung für Ultraschall im Medizinbereich ist es wichtig, die zur Bildgewinnung nötige Zeit möglichst kurz zu halten, d.h. die Zeit, mit der ein bestimmtes Gesichtsfeld abgetastet wird, um eine hohe Bildrate zu erhalten.
Diese Schnellabtastung findet jedoch Grenzen darin, dass die Strahlen ausreichend fein beabstandet sein sollen, um das Gesichtsfeld zu tasten und das Bild zu gewinnen. Der Strahlabstand definiert ein Azimut-Abtastgitter, als Abtastlinien. bezeichnet, und es ist bekannt, dass die Bildinformation nur dann genau ist, wenn das Gitter feiner als eine bestimmte Abtastgrenze ist entsprechend Abtastgesetzen für eine oder mehrere Dimensionen. Bekannte Systeme haben oft auf Bildqualität hinsichtlich der Bildrate durch zu geringes Abtasten des Gesichtsfeldes verzichtet. Das sichtbare Ergebnis dieser Untertastung ist eine Shiftvarianz, die dadurch ausgedrückt ist, dass das Bildfeld auf kleine Verschiebungen des Abtastgitters bezüglich des unterliegenden Objektfeldes sensitiv ist. In einem idealen Bildsystem ist das Bildfeld für die Lage des Abtastgitters am Objektfeld insensitiv.
Die Abtastung ist insofern noch schwieriger, als das dargestellte Bildfeld aus erfassten Abtastwerten besteht, typischerweise mit logarithmischer Größe erfassten Abtastwerten, auch wenn die Phasenbestimmung beim Stand der Technik benutzt wurde. So wurde in „The Reconstruction of a Multidimensional Sequence from the Phase or Magnitude of Its Fourier Transform", IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, Bd. ASSP-30, No. 2, April 1982, S. 140 bis 154, festgestellt, dass ein Bild um den Faktor 2 in jedem Bereich und Azimut zur Informationsgewinnung in einem Verfahren zur Bestimmung der Größe und der Phase höher getastet werden muss.
Zur schnellen Abtastung eines Betrachtungsfeldes mit einer ausreichenden Liniendichte sind Mehrfachstrahlen-Verfahren bekannt, bei denen zwei oder mehrere unabhängige Empfangsstrahlen gleichzeitig gebildet werden, um die Echos von unabhängigen, gleichzeitig erregten Sendestrahlen zu bestimmen. Ein solches Verfahren ist in U.S. Patent 4,886,069 erläutert; ein anderes im U.S. Patent 5,105,814.
Ein ähnliches Schema zum Gewinnen dreidimensionaler Bilder von zwei dimensionalen Anordnungen findet sich in S. Smith, H. Pavy and O. von Ramm „High-Speed Ultrasound Volumetric Imaging System-Part I: Transducer Design and Beam Steering", IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferro-Electrics, and Frequency Control, Bd. 38, No. 2, März 1991, S. 100 bis 108 und in O. von Ramm, S. Smith and H. Pavy „High-Speed Ultrasound Volumetric Imaging System-Part II: Parallel Processing and Image Display", IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferro-Electrics, and Frequency Control, Vol. 38, No. 2, März 1991, S. 109-115. Für jeden Sendestrahl, der viele Punkte berührt, werden acht simultane Empfangsstrahlen gebildet.
Alle diese bekannten Verfahren können die Abtastzeit eines Betrachtungsfeldes verringern, doch können sie die Bildqualität verschlechtern infolge einer fehlenden Ausrichtung der Sende- und Empfangsstrahlen und/oder der Strahlinterferenz, wenn mehrere Sendestrahlen benutzt werden. Die Verschlechterung äußert sich systematisch in einer Shift-Varianz. Im ersten Fall deshalb, weil die resultierenden Zweiwege-Strahlen allgemein nicht geradlinig verlaufen (was zu einer positionsabhängigen geometrischen Verzeichnung führt). Im zweiten Fall deshalb, weil die resultierenden Zweiwege-Strahlen nicht gleichmäßig von Strahl zu Strahl sind. Diese Ergebnisse zeigen sich in Systemen, bei denen das Fokussieren zur Nahfeld-Abbildung benutzt wird und so sind diese für medizinische Ultraschallbilder hoher Auflösung ungeeignet.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung für ein schnelles Abtasten eines Betrachtungsfelds bereitzustellen, ohne dass die vorgenannten Nachteile in Kauf genommen werden müssen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, die Abtastdichte nach der Strahlformung und vor der Bestimmung zu vergrößern.

Ferner sollen geometrische Verzeichnungen infolge Fehlausrichtung gewonnener Abtastwerte bei Empfangsabtastlinien des Standes der Technik eliminiert werden.

Gelöst wird die obige Aufgabe durch die in den unabhängigen Ansprüchen 1, 17, 24 und 31, 32, 34 definierte Einrichtung. Bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung hervor. Das im Folgenden beschriebene Verfahren dient dabei der Illustration der Funktionsweise der beanspruchten Einrichtung.

Mit der bereitzustellenden Einrichtung sollen erfindungsgemäß (1) ein oder mehrere simultan gebildete Empfangsstrahlen in Kombination mit einem oder mehreren simultan erregten Sendestrahlen verwendet werden, (2) kohärente Abtastwerte gespeichert werden (d.h. Abtastwerte bezüglich der Amplituden- und Phasenverhältnisse unter den Signalen, wie noch erläutert wird, jeweils einem Empfangsstrahl zugehörig und (3) vor der Bestimmung erfolgt eine Synthese eines oder mehrerer neuer kohärenter Abtastwerte. Diese neuen kohärenten Abtastwerte werden mit Hilfe der gespeicherten Abtastwerte, die zu mehreren unterschiedlichen Empfangsstrahlen gehören, berechnet, d.h. mit zwei oder mehreren Empfangsstrahlen, die zu räumlich verschiedenen Empfangs-Abtastlinien gehören und/oder zu zeitweilig unterschiedlichen senderseitigen Anregungen, wie noch definiert wird, durch folgende Abläufe: (a) Interpolation (lineare Interpolation oder gewichtete Summen) oder (b) Extrapolation oder (c) anderen Verfahren. Die neuen kohärenten Abtastwerte werden auf synthetischen Abtastlinien synthesiert, d.h. Abtastlinien, die räumlich von anderen Empfangsabtastlinien unterschiedlich sind und/oder anderen Sende-Abtastlinien, wie noch definiert wird.

Die Abtastdichte kann basierend auf einem beispielsweise zweidimensionalen Datensatz gewonnener Abtastwerte und/oder einem dreidimensionalen Datensatz gewonnener Abtastwerte vergrößert werden.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur gleichzeitigen Übertragung mindestens eines Energiestrahls längs Sender-Abtastlinien und gleichzeitigem Empfang der reflektierten Energie der Strahlen längs Empfangs-Abtastlinien, wobei man einen elektronischen Strahlformer benutzt, der die Empfangs- und Sendestrahlen unabhängig lenkt, um ein bestimmtes Betrachtungsfeld zu tasten. Das System gewinnt und speichert kohärente Abtastwerte von Empfangssignalen, die zu jedem Empfangsstrahl gehören und führt Interpolationen aus (gewichtete Summierungen o. ä.) oder Extrapolationen und/oder andere Berechnungen bezüglich gespeicherter kohärenter Abtastwerte, die zu bestimmten Empfangsstrahlen gehören, um neue kohärente Abtastwerte längs synthetischer Abtastlinien zu gewinnen, die sich räumlich von den Empfangs-Abtastlinien und/oder räumlich von den Sender-Abtastlinien und/oder beiden unterscheiden. Das System bestimmt dann in einer Ausführungsform die gewonnenen und synthetischen kohärenten Abtastwerte, führt eine Abtastumsetzung aus und bringt das resultierende Bildfeld zur Darstellung oder Aufzeichnung.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Abtastumsetzung von gewonnenen und/oder synthetischen Abtastwerten vor der Bestimmung. Der Vorgang der kohärenten Abtastumsetzung führt direkt oder indirekt auch zu synthetischen Abtastwerten.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Abtastumsetzung von aufgefangenen kohärenten Abtastwerten vor dem Erzeugen synthetischer Abtastwerte mit Hilfe anderer Verfahren.

Ferner soll erfindungsgemäß die Umwandlung und das Erzeugen synthetischer Abtastwerte mit anderen Verfahren kombiniert erfolgen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt darin, dass ein bereichsabhängiger und abtastlinienabhängiger Phasenschieber oder Phasenabgleicher vorgesehen ist. Für einige Abtastformate kann eine Phasenabgleichung kohärente Einstellungen im Datenfeld der gewonnen Abtastwerte vornehmen, um eine saubere kohärente Abtastsynthese zu ermöglichen.

Des Weiteren wird ein Verfahren für eine synthetische Bildöffnung offenbart. Dieses Verfahren überlagert kohärente Abtastwerte des Empfangssignals, die zu zeitweiligen verschiedenen Senderabstrahl-Ereignissen gehören, um so größere Sende- und/oder Empfangsöffnungen aus kleineren zu jedem Ereignis gehörenden Öffnungen synthetisch zu gewinnen.

Ferner sollen kohärente Abtastwerte längs synthetischer Abtastlinien von Linie zu Linie gefiltert werden. Damit lassen sich periodische Verstärkungsabweichungen kompensieren.

Ferner sollen kohärente Abtastwerte längs unterschiedlicher Empfangs-Abtastlinien und/oder synthetischen Abtastlinien interpoliert und/oder extrapoliert werden.

Dabei soll die Interpolation und/oder Extrapolation in einem Bereich längs Empfangsabtastlinien und/oder synthetischen Abtastlinien vorgenommen werden. Der Phasenabgleich, die synthetische Öffnungsüberlagerung, das Filtern und die Interpolation und/oder Extrapolation im Bereich und Azimut kann in Verarbeitungsvorgängen getrennt oder kombiniert vorgenommen werden. Bei zwei- und dreidimensionalen Abbildungssystemen ist es eine Eigenschaft der Erfindung, jede gewünschte räumliche Stelle mit synthetischen Abtastwerten zu ergänzen und damit die Abtastdichte im Feld zu vergrößern.

Eine Ausführungsform der Erfindung benutzt einen Sendestrahl zusammen mit zwei räumlich getrennten, nicht-kolinearen Empfangsstrahlen zu beiden Seiten des Sendestrahls. Dies macht es möglich, die Anzahl der Sendeabstrahl-Ereignisse um den Faktor 2 zu senken und doch ein bestimmtes Betrachtungsfeld mit ausreichender Genauigkeit abzutasten, so dass die Abtastzeit halbiert ist. Die durch Kombinationen erhaltenen Signale synthetisch hergestellter Abtastwerte entsprechen der Qualität nach den Empfangssignalen in bekannten Verfahren, bei denen einen Linie jedes Mal mit einem einzigen Sendestrahl getastet wird, der mit einem einzelnen Empfangsstrahl abgeglichen ist. Ein Hauptvorteil des Verfahrens liegt in einer Steigerung der Bildrate infolge der zum Abtasten erforderlichen kürzeren Zeit.

Ferner wird ein Sendestrahl zusammen mit einem kolinearen Empfangsstrahl verwendet. Durch Inter- und/oder Extrapolation lässt sich die Abtastliniendichte um den Faktor 2 oder größer erhöhen, ohne die Abtastzeit für ein bestimmtes Betrachtungsfeld zu verlängern. Dies ist allgemein für ein räumliches Übertasten nützlich, um die Bildqualität zu steigern, weil das Übertasten allgemein nötig ist, die Bildinformation während des Bestimmungsprozesses zu erhalten. Eine bevorzugte Ausführungsform bedient sich der Ergebnisse beider vorgenannter Ausführungsbeispiele und benutzt einen Sendestrahl und zwei räumlich unterschiedliche, nicht-kolineare Empfangsstrahlen, um die Bildgewinnungszeit um den Faktor 2 zu verkürzen und die Dichte der Abtastlinien um den Faktor von mindestens 2 zu erhöhen. So erhält man erfindungsgemäß eine Verringerung des Faktors um mindestens 4, um Bildabtastwerte auf allen Abtastlinien zu erhalten, im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem jede Abtastlinie von einem einzelnen Sendestrahl und einem einzelnen kolinearen Empfangsstrahl gebildet ist. Anders gesagt, kann ein übertastetes Bild in der halben Zeit gewonnen und synthetisch hergestellt werden gegenüber den bekannten Verfahren.

Bei einem räumlich festen Zielobjekt lässt sich das Verfahren zur Ultraschall-Bildgewinnung bei Radar, Sonar und seismischen Vorgängen verwenden. Ferner führt die Erfindung zu einer verbesserten Geometrie und Abstandswahl der Wandleranordnung. Die Erfindung lässt sich auch auf zweidimensionale Sensoranordnungen für dreidimensionale Bilder anwenden. Besonders nützlich ist sie für Systeme mit hoher Auflösung bei großen Öffnungen, bei denen bekannte Verfahren höhere geometrische Verzeichnungen aufweisen.

Prinzipiell eignet sich die Erfindung zur Nahfeld-Ultraschallabbildung im Medizinbereich. Die Erfindung ist einsetzbar bei allen bekannten Ultraschall-Abtastformaten, auch bei Systemen mit dynamischer Fokussierung, dynamischer Apodisation, gekoppelter Sendefokussierung und Sendefokussierung hintereinander.

So liefert die Erfindung kohärente synthetische Abtastwerte, die zu allen bekannten Bestimmungsverfahren passen, wie der Erfassung der Größe nach, der Größe im Quadrat, der logarithmischen Größe, dem Phasennachweis, Frequenznachweis und allen beliebigen Funktionen dieser Erfassungsprodukte. Die Erfindung lässt sich ferner bei allen Verfahren zum Darstellen und Aufzeichnen von Bildern verwenden.

Die Zeichnung zeigt:
1A eine schematische Darstellung synthetischer Abtastwerte auf synthetischen Abtastlinien in einer bevorzugten Ausführungsform;
1B-1 und 1B-2 eine bevorzugte Ausführungsform zum Erzeugen synthetischer Abtastwerte auf synthetischen Abtastlinien, wenn das Abtasten mit synthetischer Öffnung erfolgt;
2 eine andere Ausführungsform zum Erzeugen synthetischer Abtastwerte;
3 eine weitere Ausführungsform zum Erzeugen synthetischer Abtastwerte;
4A ein Blockschaltbild eines digitalen Strahlformers zum Gewinnen kohärenter Abtastwerte als Eingangswerte für die erfindungsgemäßen Ausführungsformen;
4B-1 und 4B-2 Blockschaltbilder einer Ausführungsform zum Herstellen synthetischer Abtastwerte auf synthetischen Abtastlinien;
4C ein Blockschaltbild einer Schaltung zum Herstellen synthetischer Abtastwerte auf synthetischen Abtastlinien durch Nachbarschafts-Interpolations- und/oder Extrapolationsverfahren;
5 ein Blockschaltbild eines dualen Linien-Synthesizers zur Berechnung synthetischer Abtastwerte des erfindungsgemäßen ersten und zweiten Typs;
6A, 6B und 6C eine Darstellung für Sektor, Vektor (Warenzeichen) und lineare Abtastformate, die in Verbindung mit den Ausführungsformen der Erfindung benutzt werden können;
7 eine bevorzugte Ausführungsform der 1A bezüglich der Korrektur geometrischer Verzeichnungen durch Erzeugen von synthetischen Abtastwerten auf synthetischen Abtastlinien;
8A, 8B und 8C schematische Darstellungen dreier Ausführungsformen des durch die Erfindung realisierbaren Verfahrens, wobei die 8A das in den 4B-1 und 4B-2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt;
9A ein lineares Abtastlinienformat, bei dem synthetische Abtastwerte erzeugt werden;
9B ein lineares Abtastlinienformat mit hexagonaler Abtastung, bei dem synthetische Abtastwerte erzeugt werden;
10 ein Blockschaltbild eines Phasenabgleichers.
I. Für die Erfindung gelten folgende Definitionen:
A. Abtastlinien:
Eine Abtastlinie ist eine Gerade im Raum, auf der Abtastpunkte eines Bildes liegen sollen. Eine Sendeabtastlinie ist damit eine Linie, auf der ein zugehöriger Sendestrahl liegen soll. Eine Empfangsabtastlinie ist eine Linie, auf der ein zugehöriger Empfangsstrahl liegen soll. Beim Stand der Technik fallen meistens Sende- und Empfangsabtastlinien zusammen (d.h. sie sind kolinear).
B. Synthetische Abtastlinien:
Synthetische Abtastlinien sind solche, die sich von Empfangsabtastlinien und/oder Sendeabtastlinien unterscheiden.
C. Unterschiedliche Empfangsstrahlen:
Das sind Empfangsstrahlen, die zumindest zu (1) räumlich unterschiedlichen Empfangstastlinien und (2) zeitlich unterschiedlichen Sendeanregungen gehören.
D. Synthetische Öffnungsabtastung:
Dies ist ein Verfahren zum Gewinnen kohärenter Abtastwerte auf den Abtastlinien, das durch Aufteilung der Wandlerelemente in mehrere unabhängige oder im wesentlichen unabhängige Untergruppen zum Senden und/oder Empfang vorgenommen wird, wobei jede Untergruppe aus mehreren Elementen besteht und mehrere Sende-/Empfangsfolgen ausführt, wobei jede Folge eine Senderanregung und eine Sender-/Empfangs-Untergruppen-Kombination involviert. Die Sende- und Empfangsstrahlen, die zu jeder Folge gehören, sind so vorgesehen, dass sie zu den gleichen Sender- und Empfangs-Abtastlinien ausgerichtet sind.
E. Kohärente Signale und Abtastwerte:
Die Abtastwerte zweier Signale sind kohärent, wenn eine ausreichende Information gespeichert oder insoweit vorliegt, dass die relative Amplitude und Phase der komplexen Hüllkurven beider Signale genau bestimmt werden können.
F. Phasenabgleich:
Zwei Echo- oder Empfangssignale werden im Folgenden als phasenabgeglichen bezeichnet, wenn der einzige Unterschied in ihren zeitweiligen Phasenänderungen ausschließlich auf das Interagieren der Signale mit einem Ziel oder Zielen beruht. Das Verfahren zum Phasenabgleich zweier Signale liegt darin, dass zeitwei lige Phasenänderungen des einen oder anderen Signals oder beider Signale für alle systematischen Verzeichnungsfehler justiert werden.
II. Verfahren zum Herstellen synthetischer kohärenter Abtastpunkte:
A. Synthetische Tastwerte auf synthetischen Abtastlinien:
Es wird ein Verfahren zum Erzeugen kohärenter Abtastpunkte auf synthetischen Abtastlinien offenbart, vorzugsweise zur Ultraschallbild-Darstellung im Medizinbereich bei erhöhten Abtastraten ohne Verschlechterung der Bildqualität und der Auflösung. Dies wird erreicht durch eine höhere Bildpunktdichte mit Korrektur der geometrischen Verzeichnung.
Alle Ausführungsformen bedienen sich eines Ultraschallwandlers in Form von einer in Phase liegenden Anordnung, die mit Abtastlinien senderseitig, empfangsseitig und synthetisch arbeiten. In den 1 bis 3 ist die Abfolge und relative Lage der Abtastlinien ohne besondere Abtastgeometrie dargestellt.
Vorzugsweise erfordert das Verfahren eine Tastung, Digitalisierung und Speicherung von Signalen mehrerer Empfangsstrahlen, die simultan in Paaren vorliegen, wobei jedes Paar zu einem einzigen Sendestrahl gehört. Diese Signale müssen kohärent vor jeglicher Verarbeitung digitalisiert und gespeichert werden, da später die Information zerstört werden könnte. Die Signale sind allgemein als Bandpassprozesse charakterisiert und es gibt eine Reihe von bekannten Tastverfahren, mit denen die Information in den Signalen erhalten bleibt. Die sich ergebenden Tastwerte werden als kohärent bezeichnet, ungeachtet der jeweiligen Abtasttechnik, da im Wesentlichen die gesamte Information des Signals erhalten bleibt.
Das Verfahren zum Erzeugen kohärenter Tastwerte ist die Quadratur- oder komplexe Demodulation des Bandpasssignals zum Basisband, die gleichphasige und um 90° phasenversetzte Teilsignale erzeugt (I und Q). Beide Teilsignale kann man als reale und imaginäre Teile der komplexen Hüllkurve des Bandpasssignals ansehen. Das Tasten und die Digitalisierung kann vor oder nach der Demodulation erfolgen. Mittel zum Erzielen des Basisbands I und der Q-Signale durch Quadratur- Demodulation von analogen oder digitalen Bandpasssignalen sind bekannt. So erfolgt dies oft im Medizinbereich durch Ultraschall-Dopplerverfahren. So lassen sich die gewünschten kohärenten Tastwerte mit der Schaltung der 4A herstellen, die Gegenstand mehrerer Anmeldungen der Anmelderin ist.
Kohärente Abtastwerte lassen sich auch durch direktes Tasten und Digitalisieren des Bandpasssignals mit einer Frequenz erhalten, die hoch genug ist, um die Signalinformation zu erhalten.
Ein drittes Verfahren bedient sich einer Abtastung eines Zwischenfrequenzsignals, das man durch Überlagern und Filtern der originären Bandpasssignals erhält.
Das Verfahren beinhaltet ferner ein lineares Kombinieren entsprechender kohärenter Abtastwerte aus unterschiedlichen Empfangsstrahlen. Das Kombinieren kann auch nicht-linear erfolgen. Wie erwähnt, sind die Empfangsstrahlen unterschiedliche Empfangsstrahlen, wenn sie sich zeitlich unterscheiden (d.h. zu unterschiedlichen Sendeereignissen gehören und damit nicht gleichzeitig erzeugt worden sind, auch wenn sie mit der gleichen Empfangs-Abtastlinie fluchten) und wenn sie räumlich unterschiedlich sind (d.h. wenn sie mit unterschiedlichen Empfangs-Abtastlinien fluchten, auch wenn sie zum gleichen Sendeereignis gehören). Solche linearen Kombinationen können vorzugsweise einfache Durchschnittswerte und andere gewichtete Summen kohärenter Abtastwerte sein, die zu unterschiedlichen Empfangsstrahlen gehören, um neue kohärente Abtastpunkte zu bilden. Diese neuen kohärenten Abtastwerte liegen auf synthetischen Abtastlinien. Solche sind (1) gegenüber Empfangs-Abtastlinien räumlich verschieden (erster Typ 1A) oder (2) räumlich gegenüber den Sender-Abtastlinien unterschiedlich (zweiter Typ 1A) oder (3) sowohl gegenüber den Empfangs- als auch den Sender-Abtastlinien räumlich verschieden (dritter Typ 3 und dritter Typ in den 1A und 1B-2). Andere synthetische Abtasttypen werden noch diskutiert.
Das Verfahren muss für vorhersagbare Ergebnisse kohärent für Strahl zu Strahl sein, wenn kohärente Abtastwerte aus verschiedenen Empfangsstrahlen kombiniert werden. Die Strahl/Strahl-Kohärenz ist meistens beim Stand der Technik nicht erforderlich, wenn es auch bekannt war, dass bei Abbildungssystemen eine Kanal/Kanal-Kohärenz erforderlich war. Bei bekannten Systemen ist es für die Bildgleichmäßigkeit erforderlich, dass die Amplitudenempfmdlichkeit des Systems auf einen Zielpunkt in jedem Bereich einer Abtastlinie im wesentlichen identisch mit der Amplitudenempfindlichkeit auf das gleiche Ziel im gleichen Bereich einer benachbarten Abtastlinie ist. Das Erfordernis der Strahl/Strahl-Kohärenz gemäß der Erfindung setzt ferner die Phasenempfindlichkeit des Systems auf einen Zielpunkt in jedem Bereich auf jeder Abtastlinie voraus, die im wesentlichen identisch zur Phasenempfindlichkeit des gleichen Zielpunkts im gleichen Bereich auf einer benachbarten Abtastlinie ist (die Phasenempfindlichkeit zusammen mit der Amplitudenempfindlichkeit beispielsweise durch Empfindlichkeit auf Phasengleichheit oder Phasenverschiebung um 90°). Systematische Phasenänderungen können in bestimmten Abtastformaten auftreten. Wenn beispielsweise die zu aufeinander folgenden Sende- und Empfangsstrahlen gehörenden Öffnungen relativ zueinander eine Änderung erfahren, so können systematische Linien/Linien-Phasenänderungen die Folge sein. Dies kann auch der Fall sein, wenn die Mittelfrequenzen aufeinander folgender Sende- und Empfangsstrahlen sich zueinander ändern. So verlangt das Verfahren bereichsabhängige und linienabhängige Phasenkorrekturen oder Nachstellungen solcher systematischen Änderungen. Diese Phasenkorrekturen oder Einstellungen können bestimmt und gespeichert werden und dann vom Phasenabgleicher vor der künstlichen Herstellung neuer kohärenter Tastwerte für die gewonnenen kohärenten Abtastwerte benutzt werden.
Es ist wünschenswert, die systematischen Phasenabweichungen zu justieren, um einen kohärenten Phasenabgleich unter vorbestimmten Strahlen in einer Abtastung zu erzielen. So ist es wünschenswert, dass das Basisband I/Q-Signal eines ersten Empfangsstrahls in vergleichbaren Bereichen mit dem Basisband I/Q-Signal eines zweiten Empfangsstrahls phasenabgeglichen wird. Wie bereits erwähnt, treten in bestimmten Abtastformaten bereichsabhängige Phasenabweichungen auf, die systematisch durch eine Phasendrehung vor der Erfassung korrigiert werden können. Andere bereichsabhängige Phasenabweichungen infolge Differenzen der Strahl/Strahl-Sende-/Empfangs-Frequenzen kann durch Remodulieren vor der Bestimmung korrigiert werden. Dies erfolgt besonders wirksam mit dem strahlgeformten Basisband I/Q-Signalen.
Betrachtet man eine idealisierte Darstellung eines Signals am Ausgang eines Strahlformers, das an mehreren Elementen kohärent summiert worden ist und das beim Senden moduliert und beim Empfang demoduliert wurde und die kohärente Summenbildung, so gilt:
wobei

e(t): = eine Basisband I/Q Signalumhüllende
^ω _m = 2πf_m: = Modulationsfrequenz (MHz)
^ω _d = 2πf_d: = Demodulationsfrequenz (MHz)
r: = Bildtiefe (Bereich oder Entfernung) (cm)

Man sieht, dass die tatsächliche Mittelfrequenz des Bildimpulses x(t-2r/c) ferner von weiteren Parametern abhängt, wie der Abschwächung im Gewebe, Filterung in den Sende- und Empfangsverarbeitungsketten und anderen, die in der vorigen Gleichung (1) nicht berücksichtigt sind. Darin sind auch nicht detaillierte Verzögerungs- und Phasenjustierungen berücksichtigt, die für die kohärente Summenbildung erforderlich sind.
Die Modulationsfrequenz zum Senden und Demodulationsfrequenz beim Empfang oder beide sind nicht entfernungsabhängig. So gilt: ωm = ωm(Rt), und ωd = ωd(Rr),wobei

R_t: = Abstand vom aktiven Anordnungsmittelpunkt zum Senderbrennpunkt.
R_r: = Abstand vom aktiven Anordnungsmittelpunkt zum Empfangsbrennpunkt.

Bei dynamischer Fokussierung heißt dies, dass der Wert ω_d ständig aufgefrischt wird.
Wir betrachten nun eine Abtastlinie 1 entsprechend einer Modulationsfrequenz ω_m ¹, einer Demodulationsfrequenz ω_d ¹ und einer Post-Strahlformer-Remodulationsfrequenz ω_r ¹ sowie eine benachbarte Abtastlinie 2 mit entsprechenden Frequenzen ω_m ², ω_d ² und ω_r ². Es zeigt sich, dass der Phasenunterschied nach der Strahlformung zwischen diesen beiden Abtastlinien als Resultat der unterschiedlichen Modulation, Demodulation und Remodulation von einer Größe Δν bestimmt ist, nämlich Δν < (ωm 2 – ωm 1)·Tp – [(ωd 2 + ωr 2) – (ωd 1 + ωr 1)]·2Rr/c (2)wobei

T_p: = Bildimpulsdauer in jeder Tiefe des Empfangsstrahlformer-Signalausgangs.

Dieser Ausdruck gilt für die fokale Empfangstiefe R_r am Punkt der Post-Strahlformer-Remodulation. Es gilt nochmals, dass es auch andere Ausdrücke als Δν gibt, die erforderlich sind, um eine Phasenkohärenz am Strahlformerausgang mit einer anderen Gleichung als die Gleichung (2) herbeizuführen. Beispiele solcher Ausdrücke sind solche, welche die Verschiebung im Strahlursprung berücksichtigen, wie sie sich naturgemäß beim Vektor linearen und gekrümmt linearen Formats ergibt, insbesondere mit Endabgleich. Erwartungsgemäß ist Δν = 0, wenn ω_m ² = ω_m ¹, ω_d ², = ω_d ¹ und ω_r ² = ω_r ¹.
Aus der Gleichung (2) folgt, dass zur Remodulation im Post-Strahlformer der vorher bestimmte Ausgangswert mit der Frequenz ω_r durch richtige Auswahl zu einer Phasenkohärenz von Abtastlinie zu Abtastlinie führt. Wählt man ω_r ¹ und ω_r ² derart, dass ωd 1 + ωr 1 = ωd 2 + ωr 2 (3) dann kann der zweite Ausdruck der Gleichung (2) im Wesentlichen ignoriert werden. Ist ω_d bereichsabhängig, wie es der Fall für ein Tiefentastsystem ist, so muß auch ω_r bereichsabhängig sein.
Der erste Ausdruck in der Gleichung (2) lässt sich leicht behandeln, wenn man den Klammerausdruck hinreichend klein hält. Soll beispielsweise Δν<π/4 sein und nimmt man an, dass der im Remodulationspunkt für ein fokussiertes Folgesystem gemessene Bildimpuls eine Dauer von vier Perioden der Nennmodulationsfrequenz hat, dann beträgt der erforderliche Grenzwert für die Frequenzabweichung bei Abtastlinie/Abtastlinie annähernd aus den Gleichungen (2) und (3), f_m ² – f_m ¹ < f_m ¹/32. Wenn die Modulationsnennfrequenz gleich 5 MHz ist, dann ist die Modulationsfrequenzabweichung von Abtastlinie zu Abtastlinie auf weniger als 0,156 MHz in diesem Beispiel beschränkt.
So erfordert bei Post-Strahlformung, also nachträglicher Strahlformung, das Vorerkennungs-Empfangsverfahren eine Phasenkohärenz Strahl/Strahl für alle Strahlen einer Abtastung, so dass das maximale Sender/Trägerfrequenz-Differential zwischen jeweils zwei Strahlen der Abtastung so gewählt sein sollte, dass obige Kriterien erfüllt sind. Das vorgenannte Verhältnis (3), das die Remodulationsfrequenzen definiert, ist von den Modulationsfrequenzen beim Senden unabhängig. Diese Unabhängigkeit geht davon aus, dass das Modulations- und Demodulationssignal für alle Sende- und Empfangskanäle phasenstarr gegenüber einer gemeinsamen Taktzeitreferenz sind. Das heißt, die Phasen aller Modulations- und Demodulationssignale sind bezüglich einer gemeinsamen Zeitreferenz definiert.
Das Verhältnis (3) setzt auch voraus, dass die Modulationsfrequenzen von nachfolgenden Sendetastlinien und Demodulationsfrequenzen bei nachfolgenden Empfangsabtastlinien jeweils langsam variieren, um 2π Phasen-Zweideutigkeiten zu vermeiden. Das heißt f_d ¹ ≈ f_d ² und f_m ¹ ≈ f_m ². Diese Bedingung besteht mit dem zu lösenden Problem.
Das Verhältnis (3) setzt auch ein „gut fokussiertes" System voraus, bei dem jede Beobachtung bezüglich eines Punktes im Betrachtungsfeld in einem Zeitpunkt erfolgt, in dem der Empfangsfokus in diesem Punkt liegt, d.h. bei Nachführung oder dynamischer Fokussierung, ungeachtet, ob ein Zielpunkt ebenfalls in diesem Punkt liegt.
Obwohl die vorgenannte Remodulation vorzugsweise nach der Empfangsstrahlformung und vor der Erkennung erfolgt, kann dies auch auf der Basis pro Kanal vor der kohärenten Kanalsummierung durchgeführt werden. Es kann auch an dere systematische Phasenabweichungen geben, die man zusätzlich zur Korrektur der sich verändernden Modulations- und Demodulationsfrequenzen korrigieren muß, wie Phasenabweichungen, die von analogen Filtern, Wandlerelementen o.ä. herrühren. In diesem Fall sollten Korrekturen ebenfalls erfolgen. Typischerweise addiert man sie einfach zu den vorbeschriebenen Phasenkorrekturen hinzu, um eine Phasengesamtkorrektur zu erhalten.
Das bevorzugte Verfahren ist schematisch in 1A dargestellt. Zum Definieren von Abtastlinien-Intervallen sind Referenzlinien I₀ bis I₅ dargestellt. In bekannter Weise würden Sendestrahlen nacheinander auf den Linien I₀ bis I₅ abgestrahlt werden, so dass sich sendeseitige Abtastlinien T₀ bis T₅ ergeben. In 1A jedoch entfallen die sendeseitigen Abtastlinien T₁, T₃ und T₅ und darin liegt ein Vorteil des Verfahrens.
Die erste Sendeanregung in 1A führt zu einem Sendestrahl auf der Abtastlinie T₀. Zwei Empfangsstrahlen werden auf den Abtastlinien R_0-1 und R₀₁ gebildet, die vorzugsweise symmetrisch zu T₀ liegen. Sie können auch nicht symmetrisch sein. Entsprechend liefert die zweite zeitlich unterschiedliche Sendeanregung einen Strahl auf der Abtastlinie T₂. Zwei Empfangsstrahlen liegen dann auf den beiden empfangsseitigen Abtastlinien R₂₁ und R₂₃ vorzugsweise symmetrisch zu T₂. Dabei ist vorzugsweise die Abtastlinie R₂₁ kolinear mit der Empfangs-Abtastlinie R₀₁. In anderen Ausführungsformen, beispielsweise in 3, sind diese Empfangs-Abtastlinien räumlich verschieden. Diese Reihenfolge setzt sich fort, bis das Betrachtungsfeld vollständig abgetastet ist und dann erfolgt die Wiederholung. Das Abtasten der Reihe nach wird bevorzugt gegenüber einer zufälligen Abtastung, da sich damit die erfindungsgemäße Einrichtung besser verwenden lässt, wenn Abtastwerte erzeugt werden, wenn sie gebraucht werden.
Kohärente Abtastwerte der zu jedem Empfangsstrahl gehörenden Signale werden gewonnen und gespeichert, um dann anschließend neue kohärente Werte synthetisch zu erzeugen.
Die kohärenten Werte auf der ersten synthetischen Abtastlinie L₀ (kolinear mit der Linie T₀) werden erzeugt, indem man den Durchschnitt der Daten ermittelt, die zu den Abtastlinien R_0-1 und R₀₁ gehören. Die kohärenten Werte für die zweite für die zweite synthetische Abtastlinie L₁ (kolinear mit R₀₁ und R₂₁) werden erzeugt über den Durchschnitt der Daten, die zu den Abtastlinien R₀₁ und R₂₁ gehören. Diese Reihenfolge setzt sich im Betrachtungsfeld fort. Die Dichte der synthetischen Abtastlinien in diesem Verfahrenszustand ist doppelt so dicht wie die der Sendeabtastlinien.
In der Praxis werden die synthetischen Werte der beiden vorgenannten Typen in der gleichen Ausführungsform erzeugt. Man kann aber auch nur einen oder den anderen Typ der synthetischen Werte erzeugen.
Ähnliche, zusätzliche synthetische Werte, beispielsweise vom ersten Typ, können auch für mehrere andere azimutale Positionen zwischen R_0-1 und R₀₁ berechnet werden, indem man verschiedene Interpolationsverfahren benutzt. Mit einer Extrapolation lassen sich synthetische Werte außerhalb der Intervalle zwischen R_0-1 und R₀₁ erzeugen.
Das Verfahren zum Erzeugen beider Typen (L₀ und L₁) hat einen Hauptvorteil dahingehend, dass geometrische Verzerrungen infolge der fehlenden Ausrichtung der gewonnenen Werte mit den Empfangstastlinien korrigiert werden. 7 hat viele gleiche Darstellungen wie 1a mit dem Zusatz gestrichelter Linien zur Darstellung des räumlichen Ortsverlaufs gewonnener Werte und durchgezogener Linie zur Darstellung der vorstehend diskutierten synthetischen Abtastlinien. Die geometrische Verzeichnung wird deutlich, wenn angenommen wird, dass die gewonnenen Werte auf Empfangsabtastlinien liegen. Diese Annahme und die sich ergebende Verzeichnung sind beim Stand der Technik mehrfacher Strahlabbildung meistens unabdingbar. Die Bildung des Durchschnitts im bevorzugten Ausführungsbeispiel eliminiert die Krümmung, die zu den gewonnenen Werten gehört und liefert synthetische Werte auf den synthetischen Abtastlinien.
B. Abtastung mit synthetischer Öffnung:
Eine alternative Abtastung verwendet die synthetische Öffnung. Diese ist in der bevorzugten Ausführungsform wie folgt gekennzeichnet: (1) Aufteilen der Wandleranordnung in mehrere unabhängige oder im wesentlichen unabhängige Untergruppen für die Abstrahlung und/oder den Empfang, wobei jede Untergruppe aus mehreren Elementen besteht, (2) Ausführen mehrerer Sende-/Empfangsfolgen, von denen jede ein Untergruppen-Paar für eine Sendeanregung und einen getrennten Sende-/Empfang aufweist und jede Folge die Strahlformung auf der gleichen Sendeabtastlinie und den gleichen Empfangsabtastlinien bewirkt, (3) für jede Folge werden die zu jedem unterschiedlichen Empfangsstrahl gehörenden kohärenten Werte gewonnen und (4) vorzugsweise durch Addieren oder gewichtete Summierung werden alle zu jeder räumlich getrennten Empfangsabtastlinie gehörenden entsprechenden kohärente Werte kombiniert (1B-1 und 1B-2).
Wenn so beispielsweise jede Abfolge zwei Sendeanregungen besitzt, dann summiert oder kombiniert in anderer Weise das Verfahren kohärente Daten aus zwei zeitweilig getrennten Empfangsstrahlen für jede Empfangsabtastlinie. Die Anzahl der sendeseitigen und/oder empfangsseitigen elektronischen Kanäle ist damit vergrößert und die Wandleröffnung beim Senden und/oder Empfang ist erhöht.
Das Tasten mit synthetischer Öffnung ist beispielsweise im U.S. Patent 3,805,596 erläutert sowie in U.S. Patent 4,733,562 und ferner in IEEE, Bd. 67, April 1979 „Acoustic Imaging for Nondestructive Evaluation" und „Underwater Acoustic Imaging".
In 1B-1 und 1B-2 ist ein derartiges Verfahren einer synthetischen Öffnung dargestellt. Die erste Sendeanregung ergibt einen Sendestrahl auf der Abtastlinie T₀. Zwei Empfangsstrahlen bilden sich unter Verwendung einer ersten Empfangsuntergruppe und fluchten mit den beiden Empfangsabtastlinien R^A _0-1 und R^A ₀₁ (der Zusatz ^"A" bezieht sich auf die Gewinnung nach der ersten Sendeanregung), wobei diese Linien in dieser Ausführungsform symmetrisch zu T₀ liegen. Die zweite Sendeanregung ist zur ersten identisch, benutzt die gleiche Sendeöffnung und resultiert ebenfalls in einen Sendestrahl, der mit der Abtastlinie T₀ fluchtet. Zwei Empfangsstrahlen bilden sich unter Verwendung einer zweiten und unterschiedlichen Empfangsuntergruppe, nämlich auf den beiden empfangsseitigen Abtastlinien R^B _0-1 und R^B ₀₁, die kolinear zu den Abtastlinien R^A _0-1 und R^A ₀₁ liegen (der Zusatz ^"B" bezieht sich auf die Gewinnung nach der zweiten Sendeanregung). Dies erfolgt auch mit der dritten Sendeanregung, die zu einem Sendestrahl auf der sendeseitigen Abtastlinie T₂ liegt und führt zu den empfangsseitigen Abtastlinie R^A ₂₁ und R^A ₂₃ unter Verwendung der ersten Empfangsuntergruppe. Darauf folgt eine vierte Sendeanregung, die zu empfangsseitigen Abtastlinien R^B ₂₁ und R^B ₂₃ führt, wie für die zweite Gewinnung, wobei die zweite und unterschiedliche Empfangsuntergruppe für die vierte Gewinnung benutzt wird. Diese Folge setzt sich fort, bis das Betrachtungsfeld abgetastet ist und wird dann wiederholt.
Kohärente Werte der zu den Empfangsabtastlinien R_0-1 gehörenden Signale werden durch Aufsummieren entsprechender Werte von R^A _0-1 und R^B _0-1 berechnet und in ähnlicher Weise für die Abtastlinie R₀₁ durch Kombinieren entsprechender Werte von R^A _0-1 und R^B _0-1. Diese zu synthetischen Abtastlinien gehörenden kohärenten Werte werden dann in der gleichen Weise erzeugt, wie sie für 1A beschrieben und in der 1B gezeigt sind, wobei vorzugsweise der Durchschnitt der zu den Empfangsabtastlinien R_0-1 und R₀₁, R₀₁ und R₂₁, R₂₁ und R₂₃, R₂₃ und R₄₃, R₄₃ und R₄₅, usw. berechnet wird, bis ein vollständiger Satz synthetischer kohärenter Werte auf synthetischen Abtastlinien kombiniert worden ist.
Synthetische kohärente Werte können dann vorteilhaft weiterverarbeitet werden, wenn beispielsweise kohärente Werte im gleichen Bereich durch einen Azimut-Filter laufen. Vorzugsweise wird ein Filter mit drei Anzapfungen in der Bewertung 0,25, 0,5 und 0,25 benutzt, hauptsächlich zum Ausfiltern oder Minimieren von Verstärkungsabweichungen von Linie zu Linie. Dies ist schematisch in den 1A und 1B-2 dargestellt.
Ferner können synthetische Werte mit und/oder Verfahren zur synthetischen Öffnung erzeugt werden.
C. Azimutale synthetische Tastwerte:
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Synthese zusätzlicher kohärenter Abtastwerte durch zimutale Interpolation und/oder Extrapolation (dritter Typ des synthetischen Abtastens). Diese Ausführung kann mit der vorigen kombiniert werden, in der gewünschtenfalls die ersten beiden Typen ausgewertet werden. Vorzugsweise (1A) werden die zu jedem der vier benachbarten synthetischen Abtastlinien gehörigen I- und Q-Werte im gleichen Bereich zum Interpolieren eines neuen Wertes benutzt, der dann ebenfalls in I- und Q-Form vorliegt, so dass eine neue synthetische Abtastlinie in der Mitte der vier Werte liegt. Vorzugsweise wird eines von zwei wählbaren, endlichen Impulsansprechfilter (FIR = Finite Impulse Response) benutzt, wobei eines Anschlüsse für die Bewertungen (0; 0,5; 0,5; 0) und das andere (–, 064; 0,564; 0,564; –0,064) besitzt. Damit lässt sich die azimutale Abtastdichte des Bildes verdoppeln, um Verzeichnungen und falsche Ergebnisse infolge der nachfolgenden nicht-linearen Auswerte- und Tastkonversion für die Videoanzeige zu minimieren. Dieser dritte Typ für synthetische Abtastlinien ist in den 1A bis 3 dargestellt. Wie der Fachmann für die lineare Signalverarbeitung weiß, gibt es viele verschiedene Interpolationsfilter (mit unterschiedlichen Anzapfungen und/oder unterschiedlichen Gewichtungen) und viele Interpolationsfaktoren, um neue synthetische Werte in andere Positionen zu bringen, die benutzbar sind. Auch können andere Interpolationsarten als die lineare Interpolation benutzt werden, um zusätzliche azimutale Werte zu bilden. Beispielsweise lässt sich die azimutale Abtastdichte mit Fourier-Transformierung, Spline-Interpolation u.a. steigern.
Mit Extrapolation lassen sich auch Signalwerte erzeugen, beispielsweise an den Enden der Wandlerabtastungen, um die Dichte zu erhöhen. Beispielsweise kann eine Filteranordnung vier benachbarte synthetische Werte benutzen, um durch Extrapolation einen fünften Wert zu erzeugen, der azimutal hinter der Reichweite der vier Werte liegt.
D. Synthetische Abtastwerte im Bereich:
Ferner lassen sich zusätzliche Bildwerte auf synthetischen Abtastlinien durch eine Interpolation und/oder Extrapolation im Bereich gewinnen (vierter Typ der synthetischen Abtastungen). Vorzugsweise (1A) werden jeweils vier benachbarte Werte im Bereich auf jeder synthetischen Abtastlinie benutzt, um einen neuen kohärenten Wert in der Mitte der vier Werte zu interpolieren, ebenfalls in I- und Q-Form. Die verfügbaren, gewichteten Anschlüsse des Interpolationsfilters sind die gleichen wie für das azimutale Filter. Damit lässt sich die Wertedichte des Bildes wiederum verdoppeln; dieses Mal im Bereich. Bereichs-Interpolation und/oder Extrapolation kann mit allen Verfahren durchgeführt werden, die für die azimutale Interpolation und/oder Extrapolation zur Verfügung stehen.
Nach Abschluss aller synthetischen Arbeitsvorgänge im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird jeder zu einer synthetischen Abtastlinie gehörende digitale kohärente Abtastwert aus seiner kohärenten Darstellung in eine konventionelle Größe, logarithmisch komprimiertes Signal für eine Videorasteranzeige oder Aufzeichnung umgesetzt. Das Verfahren zum Bestimmen der kohärenten Bildwerte ist ein Verfahren zum Konvertieren der Abtastwerte in die (für gewöhnlich nicht kohärente) Darstellung als Wahl für die Anzeige oder Aufzeichnung. Alternativ kann das Bestimmungsverfahren eine Phasen- oder Frequenzbestimmung beinhalten oder aus ihr bestehen oder auch eine andere als die logarithmische Verdichtungskurve beinhalten oder das Verarbeiten von benachbarten kohärenten Abtastwerten. Das Verfahren schränkt die Auswahl unter den Bestimmungsverfahren nicht ein.
Für die Anzeige oder Aufzeichnung der aufgefundenen Abtastwerte lässt sich typischerweise eine räumliche Filterung verwenden (ein- oder zweidimensional), zeitweises Filtern (Nachwirkung), Abtastkonversion und Grauskalenaufzeichnung, worauf das Signal zur Anzeige oder zum Aufzeichnen übertragen wird. Diese Signalverarbeitungselemente werden weithin bei solchen medizinischen Ultraschall-Bildsystemen verwendet. Auch dadurch wird die Auswahl der Verarbeitungsschritte für die Anzeige oder das Aufzeichnen der erfaßten Signale nicht beschränkt.
So zeigt das bevorzugte Ausführungsbeispiel in den 1A und 1B vier Typen synthetischer Abtastwerte, die auf synthetischen Linien erzeugt werden: (1) Bildung der synthetischen Abtastwerte auf einer synthetischen Abtastlinie kolinear zur Sendeabtastlinie, (2) synthetische Abtastwerte auf einer synthetischen Abtastlinie, die zwischen zwei Sendeabtastlinien liegt, (3) synthetische Abtastwerte auf einer synthetischen Abtastlinie, die zwischen anderen synthetischen Abtastlinien liegt und nicht kolinear mit irgendeinem Sende- oder Empfangsstrahl ist (azimutale Interpolation) und (4) zusätzliche synthetische Abtastwerte werden im Bereich durch Interpolation auf synthetischen Abtastlinien erzeugt.
E. Alternative Ausführungsformen für synthetische Abtastwerte im Azimut und im Bereich
Der dritte Typ synthetischer Abtastwerte und synthetischer Abtastlinie kann auch mit einer anderen Ausführungsform erzeugt werden, die auf konventioneller Abtastung beruht (einzelner Sendestrahl und einzelner Empfangsstrahl). Dies zeigt schematisch 2. Der dritte Typ lässt sich als azimutal (seitlich) interpolierte synthetische Linie in einem bestimmten Bereich kennzeichnen, da er über eine Interpolation konventioneller (gewonnener) Abtastwerte oder auf anderen synthetischen Abtastlinien erzeugte Abtastwerte (1A) abgeleitet wird. Mit anderen Worten können der dritte Typ und auch der vierte Typ von synthetischen Abtastwerten erzeugt werden, ohne zuerst synthetische Abtastwerte des ersten Typs und/oder zweiten Typs zu erzeugen. Ferner lassen sich mit passenden Schaltungen (wie beispielsweise FIR-Filter) der erste, zweite und dritte Typ und/oder erste, zweite, dritte und vierte Typ in einem Arbeitsgang erzeugen. Eine weitere alternative Ausführungsform umfasst die Berechnung der ersten beiden Typen von synthetischen Linien, nicht aber den dritten oder vierten Typ oder alternativ den dritten oder vierten Typ, aber nicht den ersten oder zweiten Typ.
Ferner sei zusammengefasst, dass alle vorgenannten Typen, auch (1) azimutal gefilterte (2) mit bereichsabhängiger und linienabhängiger Phasenkorrektur systematischer Phasenänderungen, (3) bereichsinterpolierte und (4) mit Hilfe eines synthetischen Öffnungsverfahrens konstruierte, von gewichteten (realen und/oder komplexen) Werten Additionen und/oder anderen Interpolationen und/oder Extrapolationen und/oder anderen Kombinationen abgeleitet sind.
Für eine lineare Interpolation lassen sich die Gewichtung und Addition in verschiedener Weise aufteilen und in unterschiedlichen Anzahlen einzelner Schritte. Beispielsweise kann das azimutale Filtern in 1A nach, vor oder gleichzeitig mit der azimutalen Interpolation und/oder Bereichsinterpolation erfolgen. Auch die Phasenkorrektur von systematischen Phasenabweichungen, wie dies von dem unten beschriebenen Phasenausgleicher ausgeführt wird, kann in der paarweisen Kombination von Empfangswerten auf Empfangsabtastlinien zusammen mit dem Erzeugen beispielsweise des ersten, zweiten oder dritten Typs synthetischer Abtastwerte vorgenommen werden. Dies bedingt eine komplexe Gewichtung der I- und Q-Daten (in denen die I- und Q-Signale als reale und imaginäre Komponenten eines Signals behandelt werden) vor der Addition. Die spezifische Zerlegung der linearen Signalverarbeitung in der bevorzugten Ausführungsform wurde im Hinblick auf eine leistungsfähige Schaltung gewählt, soll aber das Verfahren nicht einschränken. Verallgemeinert man die bevorzugte Ausführungsform, so lassen sich gewichtete kohärente Abtastwerte addieren, um neue kohärente Abtastwerte synthetisch herzustellen.
III. Mathematische Erläuterungen zum bevorzugten Ausführungsbeispiel:
Unter den Bedingungen, die für die Ultraschallabbildung gelten, kann die komplexe Bildherstellung im Modell als Konvolutionsprozess (d.h. Filtern) des Objektfeldes mit einer Punktspreizfunktion des Bildsystems hergestellt werden. i(u) = o(u)*ptr(u) (4)
Hier ist i(u) das Bildfeld, o(u) das Objektfeld, p_tr(u) die Punktspreizfunktion (abhängig von den Sende- und Empfangsöffnungen) und * bezeichnet den Operator für die Faltung. Ein vollständigeres Modell beinhaltet die Faltung in drei Dimensionen. Hier wird der Einfachheit halber nur das azimutale (u) Verhalten betrachtet. Es ist auch bekannt, dass im Azimut die Punktspreizfunktion durch das Produkt der Sende- und Empfangs-Punktspreizfunktionen angenähert werden kann, hier als p_t(u) und p_r(u) bezeichnet. Hieraus folgt: Ptr(u) = Pt(u)·pr(u) (5)
Man betrachtet den ersten Typ der synthetischen Abtastlinie. Die Bildung erfolgt durch Erzeugen eines Sendestrahls auf einer Sendeabtastlinie, dann werden zwei Empfangsstrahlen empfangen, deren Linien symmetrisch zur Sendeabtastlinie liegen und dann werden die zu den beiden Empfangsstrahlen gehörenden Signale gemittelt. Zur Vereinfachung sei angenommen, dass die beiden Empfangsstrahlen identisch sind außer einer azimutalen Verschiebung. Damit ergibt sich eine effektive Punktspreizfunktion wie folgt: Ptr1(u) = Pt(u)·½[pr(u – ur/2) + pr(u + ur/2)] (6)
Hier ist u_r der Abstand der Empfangstastlinien. Es soll nun der zweite Typ der synthetischen Abtastlinie betrachtet werden. Die Bildung erfolgt durch zweimaliges Eintreffen des gleichen Empfangsstrahls, der jedes Mal zu einem unterschiedlichen Sendeereignis gehört derart, dass die beiden Sendeabtastlinien symmetrisch zur Empfangsabtastlinie liegen. Zur Vereinfachung ist wieder angenommen, dass die beiden Sendestrahlen identisch aus einer azimutalen Verschiebung sind. Dann gehört zu diesem Prozess eine effektive Punktspreizfunktion wie folgt: ptr2(u) = pr(u)·½[pt(u – ut/2) + pt(u + ut/2)] (7)
Hier ist u_t der Abstand zwischen den Sendeabtastlinien. Es sei nun der dritte Typ der synthetischen Linie betrachtet. Die Bildung erfolgt durch Durchschnittsbildung von Abtastwerten, die zu zwei benachbarten hin und her gehenden Abtastlinien gehören, um neue Werte synthetisch zu erzeugen, die zu einer anderen Abtastlinie mittig zwischen den beiden ursprünglichen liegen. Wiederum sollen die beiden hin und her gehenden Strahlen identisch sein außer einer azimutalen Verschiebung. Dann gehört zu diesem Prozess folgende effektive Punktspreizfunktion: Ptr3(u) = ½[ptr(u – utr/2) + ptr(u + utr/2)] (8)u_tr ist der Abstand zwischen den hin und her gehenden Abtastlinien.
Es ist auch bekannt, dass die azimutale Punktspreizfunktion mit der Öffnungsfunktion über eine Fourier-Transformierung verbunden ist, und die unabhängigen Veränderlichen richtig skaliert sind. Aus Gleichung (5) folgt: Atr(x) = At(x)·Ar(x) (9)
Hier ist A_t(x) die Senderöffnung, A_r(x) die Empfangsöffnung. A_tr(x) ist die so genannte round-trip-Öffnung (hin und her laufend) und x ist die Koordinatenposi tion längs der Öffnung.
Betrachtet man wiederum den ersten Typ der synthetischen Linie, so folgt aus Gleichung (6):
In ähnlicher Weise kann der zweite Typ der synthetischen Linie einer effektiven Öffnung zugeordnet werden, wie aus Gleichung (7) folgt:
Letztlich kann der dritte Typ der synthetischen Linie einer effektiven Round-trip-Öffnung zugeführt werden entsprechend Gleichung (8):
Hier ist λ die Wellenlänge der Trägerfrequenz und z ist der Bereich von Interesse.
In den Gleichungen (10) bis (12) gibt es zwei wichtige Eigenschaften. Erstens haben die so erzeugten synthetischen Linien keine Lenkfehler. Die zum ersten Typ der synthetischen Linie gehörende Öffnung hat eine Kosinus-Apodisation auf der Sendeöffnung, die zum zweiten Typ gehörende Öffnung hat eine Kosinus-Apodisation an der Empfangsöffnung und die zum dritten Typ gehörende Öffnung hat eine Kosinus-Apodisation an der Round-trip-Öffnung. Zweitens sind diese Kosinus-Apodisationen stets positiv, wenn
Diese Ungleichungen gelten natürlich für Werte x, in denen die relevante Öffnung eine Gewichtung nicht gleich Null besitzt. Die Ungleichheiten sind auch un abhängig, d.h., dass einerseits die Sender- und Empfangsöffnungen nicht den gleichen Wert haben müssen. Dies führt zu anderen Strategien für allgemeinere Ausführungsformen der Erfindung.
IV. Verfahren bei allgemeineren Ausführungsbeispielen:
Wie es in der Ultraschall-Abbildung bekannt ist, begrenzt der Filtervorgang gemäß Gleichung (4) die Bandbreite des Bildfeldes infolge der endlichen Öffnungen, die zu den Punktspreizfunktionen der Gleichung (5) gehören. Hieraus folgt, dass Abstände zwischen den Abtastlinien vorliegen, die eine perfekte theoretische Rekonstruierung des Bildes gemäß dem bekannten Nyquist-Abtastkriterium zulassen. Beispielsweise müssen Sendestrahlen, die von einer aktiven Senderöffnung endlicher Breite X₁ fokussiert im Bereich z herrühren, in Intervallen beabstandet werden, die kleiner als zλ/X₁ sind, wie dies für eine ausreichende Insonifikation (im Sinne von Nyquist) des Objektfeldes nötig ist. Hier ist z die Entfernung bzw. der Bereich von der Wandleranordnung längs der Sendeabtastlinie und λ ist die Wellenlänge der Trägerfrequenz. Ferner müssen die Empfangsstrahlen von einer aktiven Empfangsöffnung endlicher Breite X_r fokussiert für die Entfernung z in Intervalle beabstandet werden, die kleiner als zλ/X_r sind, um eine ausreichende Abtastung des Objektfeldes zu ermöglichen. Wenn man noch letztlich die sogenannte Round-Trip-Öffnung betrachtet, wie sie durch die Konvolution der Sender- und der Empfangsöffnung bestimmt ist, so hat man ein drittes Abtastintervall für den Abstand der Abtastlinien. Diese müssen in Abtastintervallen von kleiner als zλ/(X_t + X_r) beabstandet sein. Alle diese Bedingungen müssen eingehalten werden, um eine verlustlose Insonifikation um das Abtasten eines Objektfeldes zu ermöglichen, um alle azimutalen Informationen zu bewahren, die in dem interessierenden Bereich mit Öffnungen und Frequenzen nach Wahl gewonnen werden können. Die Gleichung (13) ist eine alternative Wiedergabe dieser Bedingungen im Zusammenhang mit der bevorzugten Ausführungsform.
Eine feste Verknüpfung zwischen dem Abstand der Sende- und Empfangsabtastlinien ist nicht erforderlich, was nützlich ist, wenn die Sender- und Empfangsöffnungen unabhängig gewählt werden. So gibt es keine Einschränkung, wie die Sender- mit den Empfangsstrahlen kombiniert werden. Vorzugsweise ist es vorteilhaft, diese Strahlen so miteinander zu kombinieren, dass (1) die vorgenannte geometrische Verzeichnung minimiert wird, insbesondere für medizinische Ultraschallbilder mit kleiner f-Zahl, (2) die nötigen Berechnungen und Speicherkapazitäten minimiert werden und (3) die Reihenfolge der Datengewinnung bequem ausgewertet wird. Diese Auswahl soll nicht einschränkend sein.
A. Verfahren zur Abtastsynthese mit nicht abgeglichenen Empfangsabtastlinien:
Obwohl in 1A die Abstände der Empfangsabtastlinien von den Sendeabtastlinien T₀ und T₂ derart ist, dass die Empfangsabtastlinien räumlich fluchten, ist dies nicht erforderlich und 3 zeigt eine andere Möglichkeit. Hier fluchtet R₀₁ mit R₂₁ nicht, doch lässt sich mit Vorteil ein Durchschnitt bilden, um eine geometrische verzeichnungsfreie Abtastlinie in der Mitte zwischen den Empfangsabtastlinien bei L₁ zu gewinnen. Diese Anordnung ergibt eine größere Breite für die Auswahl der Abstände der Gewinnungsstrahlen. Diese Wahlfreiheit ist wesentlich, wenn man überlegt, dass die Empfangs- und Sendeöffnungen nicht notwendig miteinander verknüpft sind. Doch ist der sich ergebende Abstand der beiden synthetischen Abtasttypen stets halb so groß wie der Abstand zwischen benachbarten Sendeabtastlinien, unabhängig vom Abstand zwischen benachbarten Empfangsabtastlinien. Die synthetischen Abtastlinien in 3 kann man auch mit einer synthetischen Öffnungsabtastung gewinnen.
B. Verfahren zur Abtastsynthese mit mehr als zwei getrennten Empfangsstrahlen:
Eine andere Verallgemeinerung hinsichtlich des ersten und zweiten Typs synthetischer Abtastlinien liegt darin, dass man Abtastwerte aus mehr als zwei getrennten Empfangsstrahlen benutzt, um neue Werte auf synthetischen Abtastlinien zu bilden. Dies erhält man auf indirekte Weise mit dem azimutalen Filter mit drei Anzapfungen, weil die drei Gewichtungen Abtastwerte auf drei synthetischen Abtastlinien voraussetzen, die mit Abtastwerten von sechs getrennten Empfangsstrah len erzeugt worden sind. Allgemein lässt sich erkennen, dass die synthetischen Abtastlinien mit beliebiger Genauigkeit interpoliert werden können, indem man immer mehr getrennte Empfangsstrahlen benutzt, die in Nyquist-Intervallen beabstandet sind, wie dies aus der Gleichung (13) folgt.
C. Verfahren zur Abtastsynthese mit gleichzeitigen mehrfachen Sende-/Empfangsstrahlen:
Eine weitere Verallgemeinerung der bevorzugten Ausführungsform besteht darin, dass man mehr als einen gleichzeitig angeregten Sendestrahl benutzt und/oder mehr als zwei gleichzeitig gewonnene Empfangsstrahlen. Die dargestellte synthetische Linienabtastung ist die gewichtete kohärente Addition und/oder andere Kombinationen, die bereits diskutiert wurde, von verschiedenen Empfangsstrahlen, von denen jeder zu einem oder mehreren Sendestrahlen gehört, um mehrere, getrennte Sende-/Empfangspaare zu bilden. Dies lässt sich für eine gewichtete kohärente Addition basierend auf Gleichung (9) verallgemeinern:
In Gleichung (14) sind N verschiedene Sende-/Empfangspaare in der Erzeugung der synthetischen Abtastlinie, die zu der begrifflichen Öffnung gehören. Es gibt auch N Gewichtsfaktoren a_n, doch nur so viele verschiedene Faktoren, wie es unterschiedliche Empfangsstrahlen in der Addition gibt. Die Gleichung (14) generalisiert ferner die bevorzugte Ausführungsform durch Einführen getrennter Sende- und Empfangsapodisationen, die zu den addierten Linien gehören. Die Sender-/Empfangs-Phasensteigungen k_n und i_n berücksichtigen die Phasenverschiebung infolge der Abstände der Sende-/Empfangsabtastlinien. Wenn auch Nyquist ein erforderliches minimales Abtastintervall erfordert, um das Objektfeld verlustfrei abzutasten, so ist es nicht nötig, diese Abtastdichte herzustellen, um synthetische Linien zu erzeugen. Es gibt Bedingungen, bei denen ein bestimmtes Ausmaß von Untertasten möglich ist, insbesondere wenn das Gesichtsfeld schneller abgetastet werden kann.
Der erste, zweite und dritte Typ für synthetische Abtastlinien stellen spezielle Fälle der Gleichung (14) dar unter Einschluss solcher synthetischer Abtastlinien mit Phasenkorrektur, synthetischer Öffnungsabtastung und azimutaler Filterung. Auch liefert die Gleichung (14) eine einfache Interpretation des den synthetischen Abtastlinien zugrunde liegenden Prinzips: Jeder synthetische kohärente Abtastwert kann einer Öffnung zugeordnet werden, die eine gewichtete Überlagerung der Sende- und Empfangsöffnungen ist, wenn man die Abtastwerte gewinnt.
D. Verfahren zur Abtastsynthese mit Nachbartschafts-Interpolation, hexagonale Abtastung und andere Verfahren:
Die vorgenannten Verfahren beruhen auf eindimensionaler Verarbeitung (Azimut oder Entfernung, jeweils unabhängig). Zwei- und dreidimensionales Verarbeiten ist beispielsweise in „Multidimensional Signal Processing", Dudgeon and Mersereau, Prentice-Hall, 1984, erläutert. Für zwei- und dreidimensionales Abbilden lässt sich die Abtastdichte dadurch vergrößern, dass Abtastwerte erzeugt werden, die weder im Bereich noch längs einer azimutalen Richtung liegen, sondern in einem bestimmten Winkel zu diesen beiden Richtungen. So lassen sich mit diesem Datensatz zusätzliche Abtastwerte synthetisch gewinnen, wenn man die vorgenannten Interpolations- und/oder Extrapolationsverfahren in Richtungen ausführt, die nicht in der Bereichs- oder Azimut-Richtung liegen, wie dies 9A zeigt. So zeigt Beispiel I in 9A vier synthetische Abtastwerte, die in einem Winkel zu den Richtungen des Bereichs und des Azimuts liegen. Diese vier Werte können mit einer Interpolation kombiniert werden, um einen neuen synthetischen Wert zu bilden. Beispiel II ist ähnlich Beispiel I, doch werden die vier gewonnenen Werte dazu benutzt, einen synthetischen Wert zwischen den vier zu bilden. Beispiel III ist ähnlich, doch benutzt die Nachbarschaft gewonnene und/oder synthetische Werte, um einen zusätzlichen synthetischen Wert, beispielsweise durch Interpolation zu erzeugen.
Die Nachbarschaft ist der Abstand mit Abmessungen im Bereich und Azimut für ein zweidimensionales Bild und im Bereich Azimut und Erhebung (rechtwinklig zu Bereich und Azimut) für ein dreidimensionales Bild.
Im Beispiel III lassen sich die synthetischen Werte erzeugen mit (1) nur gewonnenen Werten, (2) nur anderen synthetischen Werten oder (III) mit gewonnenen und synthetischen Werten, die in der Nachbarschaft liegen und die Nachbarschaft liegt in zwei oder drei Dimensionen. Eine dreidimensionale Nachbarschaft lässt sich beispielsweise mit zwei parallelen Anordnungen entsprechend 9A erzeugen, um Abtastwerte in den Ebenen der Anordnung (1) und der Anordnung (2) zu benutzen.
Eine andere Ausführungsform zum Vergrößern der Abtastdichte erfolgt mit einer hexagonalen Abtastung. Ein zweidimensionales, hexagonales Abtastverfahren lässt sich mit der Ausführungsform der 2 verwenden, wie dies 9B zeigt. Damit kann das Ziel um etwa 14% schneller abgetastet werden, da der Abstand zwischen den Empfangsabtastlinien etwa 14% größer ist. Mit Interpolation lassen sich synthetische Werte herstellen, indem man gewonnene Werte benutzt, die mit dem hexagonalen Abtastverfahren anfallen (Beispiel I in 9B), wobei die resultierenden, gewonnenen und synthetischen Abtastdichten ähnlich dem nicht hexagonalen Verfahren in 9A sind, jedoch schneller erhalten werden.
Eine weitere Ausführungsart dieses Verfahren benutzt das Abtasten eines dreidimensionalen Bildes mit einer zweidimensionalen Anordnung. Wie die Anwendung des ersten und zweiten Typs synthetischer Abtastwerte die nötige Zeit zum Abtasten des Gesichtsfeldes eines zweidimensionalen Bildes halbiert, so kann die Anwendung einer ähnlichen Verarbeitung die Zeit vierteln, die zum Abtasten des Gesichtsfeldes für ein dreidimensionales Bild nötig ist. In dieser Ausführungsform wird die Dichte der Sendeabtastlinien um den Faktor 2 im Azimut und Erhebung verringert und auf jede Sendeanregung folgt der Empfang von Daten für beispielsweise acht Empfangsstrahlen. Diese acht Empfangsstrahlen fluchten mit acht Empfangsabtastlinien ebenfalls in einem rechtwinkligen Gitter, symmetrisch zu jeder Sendeabtastlinie ausgerichtet. Kohärente Werte auf synthetischen Abtastlinien werden durch Kombinien von Werten verschiedener Empfangsstrahlen ähnlich wie im zweidimensionalen Fall erzeugt. Sendeabtastlinien können auch für ein hexagonales Abtasten orientiert werden (also nicht in einem rechtwinkligen Gitter), so dass man einen größeren Linienabstand erhält und damit weniger Zeit zum Abtasten des Gesichtsfeldes benötigt. Andere Erweiterungen der Verfahren zum dreidimensionalen Abtasten sind dem Fachmann bekannt.
E. Verfahren zur Abtastwert-Synthese mit Abtastkonversions-Verfahren:
Die Verarbeitung der Reihe nach zeigt 8A. So werden zuerst kohärente Abtastwerte der Ultraschallsignale auf einem oder mehreren Empfangstrahl(en) längs Empfangsabtastlinien gewonnen. Anschließend können synthetische Werte auf synthetischen Abtastlinien mit den vorgenannten Verfahren erzeugt werden. Dies beinhaltet die Generierung von synthetischen Abtastwerten des ersten, zweiten, dritten und vierten Typs. Alle diese Werte sind kohärent. Anschließend werden die synthetischen Abtastwerte und – wenn gewünscht – auch die gewonnenen Werte in einem inkohärenten Prozess ermittelt. Nach der Ermittlung werden die Werte konvertiert, um die Daten im geeigneten Format für eine Videoanzeige zu liefern. Schließlich werden die Daten in einem visuellen Bild dargestellt. Die Abtastkonversion ist bekannt, wobei die Daten aus einem ersten Koordinatensystem, das beispielsweise zu dem Sektor-Abtastformat (6A) gehört, in ein zweites Koordinatensystem umgesetzt, das zu einem Videoanzeigeraster gehört. Beispielsweise sind solche Verfahren erläutert in Steven C. Leavitt, Bary F. Hunt, Hugh G. Larsen, „Scan Conversion Algorithm for Displaying Ultrasound Images", Hewlett-Packard Journal, Oktober 1983, Bd. 34, Nr. 10, S. 30-34; U.S. Patent 4,191,957 „ Method of Processing Radar Data From a Rotating Scene Using a Polar Recording Format", vom 04. März 1980, Erfinder: Jack L. Walker and Walter G. Carrara; und U.S. Patent 5,318,033 „Method and Apparatus for Increasing the Frame Rate and Resolution of a Phased Array Imaging System" vom 07. Juni 1994 mit Bernard J. Savord als Erfinder.
8B zeigt eine alternative Ausführungsform zum Erzeugen synthetischer Abtastwerte. Hier werden kohärente Werte auf synthetischen Abtastlinien erzeugt, die synthetischen- und gewünschtenfalls die gewonnenen Werte dann kohärent vor der Ermittlung konvertiert. Nach der Abtastkonvertierung werden die Werte in einer inkohärenten Operation ermittelt und angezeigt.
8C zeigt eine kohärente Konversion der gewonnenen Abtastwerte. Dann werden mit verschiedenen synthetischen Abtastverfahren konvertierte synthetische Abtastwerte erzeugt und diese, gewünschtenfalls, mit den originären Abtastwerten werden dann inkohärent ermittelt und visuell angezeigt. Aus den Ausführungsformen der 8B und 8C geht hervor, dass die Abtastkonversion und die Erzeugung synthetischer Abtastwerte gleichzeitig erfolgen kann. So können beispielsweise mit Hilfe der Abtastkonversion nicht nur Abtastwerte von einem Koordinatensystem in ein anderes übertragen werden, so können auch zusätzliche Werte während der Konversion erzeugt werden, um die Abtastdichte zu erhöhen.
V. Einrichtung zum Erzeugen synthetischer kohärenter Abtastwerte:
4A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines von mehreren Ultraschall-Strahlformersystemen, wie sie bei der Erfindung verwendet werden können. Dieses System ist in mehreren Patentanmeldungen der gleichen Anmelderin erläutert und beansprucht. 4A zeigt ein Blockschaltbild der Strahlformerelemente eines Bildsystems. Ein alternatives Strahlformersystem ist im U.S. Patent 4,886,069 erläutert, das von einer Basisbandverarbeitung digitaler Signale Gebrauch macht. Folgende Systeme, wie sie in den nachfolgenden U.S. Patentschriften erläutert sind, können als Strahlformer Verwendung finden:
4,809,184 „Verfahren und Einrichtung zur volldigitalen Strahlformung in einer Phasenanordnung eines kohärenten Bildsystems";
4,839,652 „Verfahren und Einrichtung für eine schnelle digitale Phasenanordnung für ein kohärentes Bildsystem";
4,983,970 „Verfahren und Einrichtung für eine digitale Abbildung in einer Phasenanordnung" und
5,005,419 „Verfahren und Einrichtung für ein kohärentes Abbildsystem".
Die Erfindung lässt sich auch mit anderen Schaltungen realisieren, auch wenn in der bevorzugten Ausführungsform ein digitaler Strahlformer vorgesehen ist, von dem das elektrische Signal entsprechend dem Echosignal jedes aktiven Elements gleichzeitig in jedem von N-Kanälen in Analog/Digital-Umsetzern 13 digitalisiert wird, die zu jedem Kanal gehören. Die für die Ausführungsbeispiele der 1 erforderlichen Schaltungen sollten in der Lage sein, gleichzeitig zwei Empfangsstrahlen je Sendestrahl zu gewinnen. Notwendig ist, dass Mittel vorhanden sind, um eine kohärente Darstellung der Signale zu gewinnen und zu speichern, die zu jedem getrennten Empfangsstrahl gehören, wie dies mit 2a und 2b in 4A angedeutet ist, vorzugsweise in digitalem Format. Andere Strahlformer mit analoger, also nicht digitaler Arbeitsweise zu Gewinnung mehrfacher Strahlen können digital modifiziert werden, um kohärente Ausgangssignale zu verarbeiten und sie für die Erfindung geeignet zu machen.
Die Wandleranordnung 1 in 4A besteht aus mehreren Elementen XDCR 1 bis XDCR N, die aus 128 oder mehr Elementen bestehen können.
Die Strahlformerelemente in 4A sind nur für einen Kanal dargestellt. Alle anderen Kanäle in 4A sind ähnlich. Der Demultiplexer 3, Multiplexer 4, Addierer 16 und die zentrale Steuerung 18 und 19 gehören zu allen Kanälen.
Jeder Kanal des digitalen Senderstrahlformers besteht aus einem Senderfilter 5, einem digitalen Modulator 6 und einem Verzögerungsfilter 7. Das Filter 5 ist programmiert, dass es die komplexe Hüllkurve des zu sendenden Impulses darstellt. Der Modulator 6 konvertiert die komplexe Hüllkurve aufwärts in die Sendefrequenz und liefert die richtige Phase und Apodisation. Das Verzögerungsfilter 7 liefert die grobe Verzögerung zum Fokussieren und Filtern zum Unterdrücken von gelegentlichen Störsignalen.
Der Sender für jeden Kanal besteht aus einem Digital/Analog-Umsetzer (DAC) 8 und Verstärker 9. Der DAC 8 konvertiert die digitalen Abtastwerte der Sendewelle in ein analoges Signal. Der Verstärker 9 liefert den Sendeleistungspegel und erzeugt Hochspannungsimpulse für die Ansteuerung der Elemente der Wandleranordnung 1 zur Senderstrahlformung. Der Puls gelangt zu den Wandlerelementen über den Demultiplexer 3. Für die synthetische Öffnungsabtastung kann jeder Verstärker 9 mit einem oder mehreren Elementen der Anordnung verbunden sein.
Der Empfänger in jedem Kanal besteht aus einem Verstärker 12 zum Verstär ken der Signale von einem Element der Wandleranordnung 1 und aus einem Analog/Digital-Umsetzer (ADC) 13. Der Anschluss an das Element der Wahl erfolgt über den Multiplexer 4, der auch ein oder mehrere Elemente zum Empfang wählen kann, wenn ein synthetisches Öffnungsabtasten erfolgen soll. ADC 13 konvertiert jedes Empfangssignal digital und der Ausgang ist mit dem digitalen Empfangsstrahlformer verbunden.
Jeder Kanal des Empfangsstrahlformers besteht aus einem Filter/Verzögerung 14 und einem digitalen Demodulator 15. Das Element 14 filtert Störsignale aus und verzögert zum Fokussieren. Der digitale Demodulator 15 liefert die Phasenlage, Apodisation und Drehung zum Basisband. Das Filter/Verzögerung 14 und der Demodulator 15 bewirken, dass mehrfache Empfangsstrahlen gebildet werden können. Diese Elemente können in Zeitunterteilung multiplext werden auf einer Abtastwert/Abtastwert-Basis, um zwei Ausgangssignale zu berechnen (entsprechend den Signalen in jedem der beiden Empfangsstrahlen) aus einem Eingangssignal. Die beiden Ausgangssignale werden so zeitlich auf der Basis Abtastwert zu Abtastwert verschachtelt, wobei jeder Abtastwert ein Paar aus I und Q ist. Dieses zeitliche Multiplexen kann auch Signale mit beispielsweise 2, 3, 4 usw. Sendestrahlen verarbeiten, die zu 4, 6, 8 usw. Empfangsstrahlen gehören.
Die restliche Signalverarbeitung zum Bilden der Empfangsstrahlen wird von dem digitalen Addierer 16 und Empfangsfilter 17 vorgenommen. Der Addierer 16 addiert ähnlich verarbeitete Empfangssignale, in ähnlicher Weise zeitverschachtelt aus allen Kanälen, die an andere Elemente der Wandleranordnung angeschlossen sind. Das Empfangsfilter 17 verarbeitet zeitverschachtelte Darstellungen der Signale, die zu jedem Gewinnungsstrahl gehören und liefert eine programmierbare Empfangsantwort für diese Signale.
Bei der beschriebenen Ausführungsform liefert der Ausgang des Empfangsfilters 17 bei 17a die kohärenten Werte, die zu getrennten Empfangsstrahlen gehören und die von einer einzelnen Sendeanregung herrühren. Die zeitverschachtelte Darstellung der Signale bezüglich der Gewinnungsstrahlpaare:
Hier bezieht sich der Index n auf getrennte Empfangsstrahlen und der Index k auf unterschiedliche Bereiche, aus denen die Werte stammen.
Die Steuerfunktionen zur Strahlbildung sind in den beiden zentralen Steuerblöcken schematisch dargestellt. Im Block 18 steht ein Gewinnungsprozessor mit dem Rest des Systems in Verbindung und sorgt für eine Energiesteuerung und für das Herunterladen der Bildparameter. Ein Fokussierprozessor berechnet die dynamische Verzögerung und die Apodisationswerte, die für die Sende- und Empfangsstrahlformer nötig sind und steuert den Empfangsstrahlformer, um zwei gleichzeitige Empfangsstrahlen zu erzeugen.
Der Steuerblock 19 verdeutlicht schematisch die eingangsseitige Steuerfunktion. Damit werden an den Verstärkern 9 und 12 die Verstärkung und die Vorspannungspegel eingestellt. Ein Frequenzgenerator liefert alle nötigen Taktsignale, auch die Abtasttaktsignale für ADCs 13 und DACs 8 und taktet die anderen digitalen Schaltungen. Der Steuerblock 19 bildet auch den Eingangsmultiplexer 4 für das Abtasten mit synthetischer Öffnung.
Die linien- und bereichsabhängige Phasenkorrektur des Signals auf der Leitung 17A wird in einem Phasenabgleicher 20 vorgenommen, der in 4B-1 gezeigt ist. In einer Ausführungsform werden die Korrekturdaten vorberechnet und im Speicher 21 der Phasenabgleichsteuerung 23 abgespeichert. Die Korrekturdaten werden aus dem Speicher 21 in der gleichen zeitverschachtelten Reihenfolge ausgelesen, wie die vom digitalen Empfangsstrahlformer gelieferten Daten, um Korrekturen an den zu den verschiedenen Empfangsstrahlen gehörenden Daten auszuführen.
Die vom komplexen Multiplikator 22 ausgeführte Berechnung führt zu einer Phasendrehung jedes komplexen Abtastwertes, wobei jeder Wert als eine komplexe Zahl dargestellt ist, in der I der reale Anteil und Q der imaginäre Anteil ist. Für eine Phasenkorrektur von θ beträgt der reale Anteil im Ausgang des Phasenabgleichers 20 I·cosθ-Q·sinθ und der imaginäre Anteil Q·cosθ + I·sinθ.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Phasenabgleichers R-252 und seiner Steuerung in einer Basisband-Prozessorsteuerung C-270 ist in 10 dargestellt. So sorgen der Phasenabgleicher R-252 und seine Steuerung für (1) Abtastlinien- und bereichsabhängige Phasennachstellungen des Signals, das zur Korrektur von Phasenunterschieden erforderlich ist, die von Linie/Linie-Apodisationsänderungen, Abtastgeometrie und nicht fluchtenden Sende- und Empfangsursprüngen herrühren, (2) Remodulation (Frequenz-Nachführung) des Signals, um Phasenunterschiede zu korrigieren, die von unterschiedlichen Sendefrequenzen pro Abtastlinie herrühren und (3) Verstärkungsnachführung pro Abtastlinie. Der Vorteil dieser von Linie zu Linie einstellbaren Frequenz in der Sende- und Empfangsstrahlformung ist die Verringerung von Gitterkeulen.
Der komplexe Multiplikator R-254 des Phasenabgleichers R-252 entspricht im wesentlichen dem komplexen Multiplikator 22 in 4B-1.
Der Phasenabgleich besitzt eine Steuerfunktion in einem Basisbandprozessor-Steuergerät C-270 in 10. Diese Steuerung liefert einen Einstellwert für die Verstärkung jeder Abtastlinie und jedes Strahls und für die Phase in einem zeitverschachtelten Muster. Wie bereits erwähnt, ist die Phasenkorrektur oder der Einstellwert die Summe der Phasenausdrücke einschließlich: (1) ein Phasennachstellausdruck, der zum Korrigieren der Phasenunterschiede infolge Änderungen der Apodisation in jeder Abtastlinie erforderlich ist und die Abtastgeometrie, die sich aus nicht abgeglichenen effektiven Sende- und Empfangs-Ursprungspunkten ergibt (der abtastlinien- und bereichsabhängige Phasennachstellausdruck) und (2) ein Phasenausdruck, der zum Remodulieren des Signals erforderlich ist, als ob jede Linie von einer gemeinsamen Trägerfrequenz Gebrauch macht. Wie erwähnt, kann der Strahl eine unterschiedliche Trägerfrequenz haben, wenn man einen Frequenzskalierfaktor oder Frequenz-Vernier-Faktor benutzt. Der Phasenabgleicher liefert somit eine Remodulation zwischen den Strahlen, so dass alle Strahlen bei Abweichung der Trägerfrequenzen eingestellt werden.
Im Betrieb werden ein Quellendatensatz, der die Parameter für die Abtastformatgeometrie, Verstärkungs- und Verzögerungswert für die wenigen Abtastlinien, den Interpolationsfaktor und nicht integere Dezimationsfaktoren aufweist, aus der zentralen Steuerung C-104 in die Basisband-Prozessorsteuerung C-270 heruntergeladen. Ferner werden die Frequenzparameter für den Frequenzprofilgenerator der zentralen Steuerung C-104 in die Steuerung C-270 heruntergeladen.
Die Steuerung C-270 in 10 besitzt einen RAM C-280 für Verstärkung und Phase, einen Linieninterpolator C-282, der vorberechnete und vorgespeicherte Linien-Interpolationsfaktoren (α_line) von der zentralen Steuerung C-104 erhält und einen Bereichsinterpolator C-284 in einem Bereichsakkumulator C-286, dem ein rationaler Dezimationsfaktor L/M und eine Phasenzonenbreite zugeführt werden, beides Werte, die vorberechnet und vorgespeichert in der Steuerung C-104 sind.
Alternativ kann der Interpolator/Extrapolator C-284 für den Bereich mit programmierbaren Faktoren versehen werden, die beispielsweise entweder (1) in der zentralen Steuerung vorberechnet und vorgespeichert sind, oder (2) in der Basisband-Prozessorsteuerung C-270 von einem Generator für die Faktoren lokal berechnet wird.
Die Steuerung C-270 besitzt auch einen Remodulationsfrequenzprozessor C-292, der vorzugsweise als Doppelphasenakkumulator ausgeführt ist. Dieser berechnet die Phasennachstellwerte, um die Frequenzdifferenzen jeder Zeile zu korrigieren und so das Signal zu remodulieren, als ob eine gemeinsame Trägerfrequenz für alle Abtastlinien benutzt worden wäre.
Aus der zentralen Steuerung C-104 werden vorberechnete und vorgespeicherte Werte für die Frequenzdifferenzen zwischen den Abtastlinien zu dem Remodulationsfrequenzprozessor C-292 geführt. Diese Frequenzdifferenzwerte basieren auf Frequenzen und Frequenzsteigungen. Somit werden von der zentralen Steuerung der beiden Abtastlinien zur Steuerung C-270 die Differenz in den Frequenzen zwischen den Abtastlinien und die Differenz in der Änderungsrate der Frequenzprofile über der Zeit heruntergeladen. Diese Werte werden im Gewinnungsprozessor C-130 basierend auf gespeicherten Parametern und abhängig vom rationalen Konversionsfaktor L/M, der gegenwärtig benutzt wird, berechnet. Der erste Akkumulator des Prozessors C-292 akkumuliert die Differenz in den Änderungsraten der Frequenzprofile über der Zeit zwischen den Abtastlinien, während der zweite Akkumulator die Differenz in den Frequenzen zwischen den Abtastlinien über der Zeit akkumuliert. Gibt es keine Differenz in der Änderungsrate des Frequenzprofils über der Zeit, so hat der erste Akkumulator keine Funktion. Dann akkumuliert nur der zweite Akkumulator die Frequenzdifferenzen über der Zeit und damit ergibt sich ein korrigierender Remodulationsphasenwert.
Die Phaseneinstellung infolge von Apodisationsänderungen in jeder Abtastzeile, Abtastgeometrie infolge nicht fluchtender Sender- und Empfangs-Ursprungspunkte und Phaseneinstellung infolge Signalremodulation auf eine effektive gemeinsame Trägerfrequenz werden in einem Addierer C-288 addiert und der addierte Phasenwert wird dann in einem Tabellenspeicher C-290 in Sinus- und Kosinus-Darstellungen umgesetzt. Als Teil der Funktion des Tabellenspeichers C-290 wird die Verstärkung mit den Sinus- und Kosinus-Darstellungen multipliziert. Dieser Wert wird in den komplexen Multiplikator R-252 geführt.
Auch andere Ausführungen der Basisband-Prozessorsteuerung sind im Rahmen der Erfindung möglich.
Wie erwähnt, leistet der Phasenabgleicher R-252, dass das Verhältnis von kohärentem Signal und Abtastung zwischen den Abtastlinien beibehalten wird. Die Senderabtastwerte und die Echo- oder Empfangswerte der Signale werden als kohärent definiert, wenn ausreichende Informationen gespeichert, beibehalten oder aufrechterhalten werden, damit die Abtastwerte der Echosignale für jede Abtastlinie phasen- und amplitudenkorrigiert werden. Diese Korrekturen müssen solange nicht ausgeführt werden, als eine ausreichende Information bezüglich einer Referenz beibehalten wird.
Wird ein Signalabtastwert kohärent verarbeitet, so wird dies fortgesetzt, um zum Durchführen von Phasen- und Amplitudenkorrekturen zu einem späteren Zeitpunkt ausreichend Informationen zur Verfügung zu haben. Werden zwei oder mehr Werte kohärent verarbeitet (beispielsweise kohärent addiert), so müssen die Phasen- und Amplitudenkorrekturen bereits vorher ausgeführt worden sein.
Der Ausgang des Phasenabgleichers 20 oder R-252 wird auf den Synthesizer 25 geführt, immer noch in einem zeitverschachtelten Format, das die kohärenten Daten für die beiden räumlich getrennten Empfangsstrahlen aufweist. Arbeitet das System nicht in dem Modus für synthetische Öffnung oder gehören Daten für einen Modus mit synthetischer Öffnung zu der ersten von mehreren Sendeanregungen, so laufen die Daten unverändert durch den Addierer 26 und in den Linienspeicher 27. Eingehende Daten, die zu mehreren Sendeanregungen in dem Modus für synthetische Öffnung gehören, werden nach der ersten Senderanregung Wert um Wert zu den entsprechenden Daten aus dem Linienspeicher 27 addiert. Diese entsprechenden Daten sind in einem zeitverschachtelten Format und enthalten die kohärenten Daten, die zu den beiden gleichen räumlich getrennten Empfangsstrahlen wie die eingehenden Daten gehören. Der Ausgang des Addierers 26 ist damit zeitverschachtelt und enthält die kohärenten Daten, die zu den beiden gleichen räumlich getrennten Empfangsstrahlen gehören und über mehreren Senderanregungen akkumuliert worden sind.
Der Ausgang des Addierers 26 gelangt zum Eingang des dualen Liniensynthesizers 28. Arbeitet das System nicht im Modus für synthetische Öffnung, so verarbeitet der Synthesizer 28 alle Daten an seinem Eingang, der an den SA I/Q-OUT Bus 29 angeschlossen ist. In anderer Weise verarbeitet der Synthesizer 28 diese Daten nur, wenn der Ausgang des Addierers 26 zu der Summierung gehört, die auf die letzte Sendeanregung einer Abfolge von Anregungen in der synthetischen Öffnung folgt.
Der Synthesizer 28 wird von einem Steuergerät 54 über die Leitungen 55 angesteuert und führt zwei Funktionen aus. Zuerst erfolgt die Durchschnittsbildung kohärenter Abtastwerte aus verschiedenen Empfangsstrahlen paarweise in Übereinstimmung mit einem oder mehreren bevorzugten Ausführungsbeispiel(en) der Erfindung. Zweiten werden die kohärenten Abtastwerte im Azimut mit einem Filter mit drei Anschlüssen gefiltert. Diese Funktionen können in jeder Reihenfolge und auch kombiniert und/oder gleichzeitig stattfinden.
Die vorgenannten Funktionen werden vorzugsweise mit einem Filter mit vier Anschlüssen durchgeführt, das äquivalent der Konvolution der vorgenannten beiden einfacheren Filtern ist. Dieses Filter mit vier Anzapfungen besitzt beispielsweise die Gewichtungen (1, 3, 3, 1). Das Verarbeiten im Synthesizer 28 ist so organisiert, dass die kohärenten Daten am Ausgang im gleichen Zeitverschachtelungsformat sind, wie der Ausgang des digitalen Strahlformers. Die kohärenten Daten am Ausgang 33 gehören aber zu zwei räumlich getrennten synthetischen Abtastlinien (jede gegenüber den Empfangs- oder Sendeabtastlinien räumlich unterschiedlich), wohingegen der Ausgang 17a des digitalen Strahlformers zu zwei räumlich getrennten Empfangsabtastlinien gehört.
Eine Schaltung zum Ausführen der Funktion zeigt 5. Hier benutzt man entsprechende Abtastwerte aus fünf Empfangsabtastlinien, um die Abtastwerte für zwei synthetische Abtastlinien zu berechnen. Zwei der fünf Linien werden bei 29 von dem synthetischen Öffnungsaddierer 26 geliefert und die restlichen drei vom Linienspeicher 27 bei 30. Der Speicher arbeitet so mit einer größeren Geschwindigkeit als die Addierschaltung, da sie in der Lage sein muß, zwei Linien zu speichern und Zugriff zu drei Linien zu haben (oder zu fünf Linien, wenn das Abtasten mit synthetischer Öffnung erfolgt) für jeweils zwei Linien, die vom Synthesizer 25 ein- oder ausgegeben werden. Wegen dieses Unterschiedes haben drei Eingangsstufen des Synthesizers 28 Halteregister 31, um die I- und Q-Abtastwerte zu speichern, die am I/Q IN Bus bei 30 anstehen. Die Addierer 32 und einmal 2-Multiplikator bilden eine Anordnung, um ein Filter mit vier gewichteten Anzapfungen von (1,3,3,1) zu bilden. Die Eingangsdaten und Steuerung werden so organisiert, dass man eine Ausgangsdaten-Reihenfolge erhält, die in einer Reihenfolge innerer Produkte mit diesem Gewichtungsvektor und einer Reihenfolge von Eingangsdatenvektoren wie folgt dargestellt werden kann:
Wie zuvor, bezieht sich der Index n auf getrennte Empfangsabtastlinien und der Index k auf getrennte Bereiche, in denen Abtastwerte erfolgten. Diese Daten werden nach rechts um 3 Bit-Positionen verschoben, um am Ausgang 33 des Synthesizers 28 eine Unterteilung mit 8 zu erhalten.
Das Ausgangssignal 33 des Synthesizers 25 besteht aus synthetischen Linien vom ersten und zweiten Typ. Vorher, nachher oder gleichzeitig erfolgt die Synthese zusätzlicher kohärenter Bildwerte über eine azimutale Interpolation (4B-2), wobei man eines der vorgenannten Verfahren benutzt. Hier werden die zu jeder von vier benachbarten synthetischen Abtastlinien gehörenden I- und Q-Werte zum Interpolieren einer neuen synthetischen Abtastlinie in der Mitte der vier Werte verwendet und ebenfalls in I- und Q-Form ausgegeben. Vorzugsweise wird eines von zwei auswählbaren Filtern benutzt, wobei die Anschlusswerte für das eine Filter (0, 0,5, 0,5, 0) und für das andere (–0,064, 0,564, 0,564, –0,064) betragen. Dieser Schritt verdoppelt die azimutale Abtastdichte des kohärenten Bildes, um Verzerrungen usw. infolge der späteren nicht-linearen Bestimmung für die Anzeige zu minimieren.
Synthetische Abtastwerte vom ersten und zweiten Typ für den Interpolator 40 werden im Speicher 41 abgespeichert. Die Daten werden aus dem Speicher 41 entnommen und in azimutalen Halteregistern 42 gespeichert, deren Funktion darin besteht, die Daten neu zu ordnen und sie in folgender Matrix dem Azimut-Interpolationsfilter 43 zuzuführen:
Der Index n bezieht sich auf getrennte synthetische Abtastlinien, k auf getrennte Bereiche, in denen die Abtastwerte gewonnen werden. Das Azimut-Interpolationsfilter im Block 43 ist ein Filter mit vier Anzapfungen und am Ausgang stehen Abtastwerte synthetischer Linien des ersten und zweiten Typs an (wenn die Abtastwerte unverändert durchlaufen) und/oder des dritten Typs (wenn Filtern mit Interpolation erfolgt). Am Ausgang des Filters im Block 43 liegen auch folgende Daten für zwei synthetische Abtastlinien gleichzeitig wie folgt an:
Hier wird der Index n benutzt, um synthetische Abtastlinien des dritten Typs zu zählen. Wie vorher, bezieht sich der Index k auf getrennte Bereiche, in denen Abtastwerte ermittelt wurden.
Ein weiterer Schritt im bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht in der Synthese zusätzlicher kohärenter Bildwerte auf synthetischen Abtastlinien und/oder Sende- oder Empfangsabtastlinien über Interpolation im Bereich. Vorzugsweise werden jeweils vier benachbarte Abtastwerte auf jeder synthetischen Abtastlinie benutzt, um einen neuen kohärenten Abtastwerte in der Mitte der vier zu interpolieren, ebenfalls in I- und Q-Form. Die verfügbaren Interpolationsfiltergewichtungen sind mit den vorgenannten identisch. Dieser Schritt verdoppelt die Abtastdichte des kohärenten Bildes nochmals, dieses Mal im Bereich.
Der letzte Schritt der Bereichsinterpolation vor der Signalbestimmung wird in den Bereichshalteregistern 44 und im Bereichsinterpolationsfilter des Blocks 45 vorgenommen. Die Register 44 ordnen die ankommenden Daten neu und führen sie zum Bereichsinterpolationsfilterblock 45 in folgender Form:
Das Bereichsinterpolationsfilter im Block 45 ist ein Filter mit vier Anzapfungen, das mit dem Azimut-Interpolationsfilter im Block 43 gleich ist. Die Abfolge der Datenwerte an seinem Ausgang ist ähnlich der am Ausgang des Azimut-Interpolationsfilters, außer dass im Bereich eine höhere Abtastdichte auftritt, nämlich
Nach dieser Interpolation werden dann die Kohärenten I- und Q-Basisbandsignale für alle synthetischen Abtastlinien der Höhe nach bestimmt und logarithmisch in 50 komprimiert, bevor die Umsetzung in 51 und die Anzeige in 52 und/oder Aufzeichnung in 53 erfolgt, wie dies bekannt ist.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Öffnungs-/Liniensynthesizer von Abtastformaten übersprungen werden, die nur synthetische Abtastwerte des Typs 3 und/oder 4 verwenden.
4C zeigt alternativ Nachbarschaftsverfahren zum Interpolieren und Extrapolieren für zwei- und dreidimensionale Datenfelder, um am Ausgang zwei- und dreidimensionale Datenfelder mit höherer Dichte zu erhalten. Die Eingangsdaten für diesen Vorgang werden gesammelt und Nachbarschafts-Halteregistern 56 gespeichert und die Nachbarschafts-Interpolations und/oder -Extrapolations-Verfahren werden vorzugsweise mit dem Filter im Block 57 ausgeführt. Diese Nachbarschaftsverfahren werden dazu benutzt, kohärente Abtastwerte mit sich ändernden Bereichen zu verarbeiten.
Solche Nachbarschaftsverfahren können für sich gemäß 4C verwendet werden oder alternativ in Kombination mit irgendeinem Verfahren zum Erzeugen synthetischer Abtastwerte des ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Typs.
Die Extrapolation lässt sich auch allein oder in Kombination mit der vorgenannten Interpolation ausführen. Ferner kann dies Bestimmung von gewonnenen Abtastwerten zusätzlich zu synthetischen Abtastwerten vorgenommen werden.
VI. Kompatibilität mit anderen Formaten bei der Ultraschall-Abbildung;
Das geschilderte Verfahren sowie die Einrichtung sind mit den meisten B-Modus-Ultraschall-Abbildungsformaten kompatibel. Obwohl dynamisches Fokussieren und dynamische Apodisation nicht unbedingt erforderlich sind, so verbessern sie doch die mit der Erfindung zu erzielende Güte erheblich. Einrichtung der Erfindung und die obigen Verfahren sind zwar für eine eindimensionale Wandleranordnung dargestellt, nämlich N × 1, doch kann dies mit Vorteil auch bei zweidimensionalen Anordnungen mit N × N oder N × M Elementen Anwendung finden.
So verbessert die Erfindung das Videobild durch Vergrößern der Bildrate durch Erhöhen der Datenfeld-Abtastwerte dadurch, dass synthetische Abtastwerte erzeugt und geometrische Abweichungen korrigiert werden. Die Abtastwert-Felddichte wird durch lineare oder nicht lineare Interpolation und/oder Extrapolation vergrößert.
Alle vorgenannten Ausführungsformen haben den Vorteil, dass sie die Abtastwertdichte im Feld vergrößern, ohne die Anzahl der Senderanregungen bei der zwei- und dreidimensionalen Abbildung zu vergrößern.
Die Erfindung ist nachstehend in den Patentansprüchen charakterisiert.

Claims

Einrichtung zum Abbilden eines Objektes unter Verwendung von auf Empfangsabtastlinien gewonnenen kohärenten Abtastwerten, die für ein Signal vom Objekt charakteristisch sind, mit: (a) einem Phasenabgleicher zum Nachjustieren der Phase der gewonnenen kohärenten Abtastwerte, um eine Kohärenz für jeden Strahl zu bewirken, und (b) einem Synthesizer, der die phasenjustierten Abtastwerte zum synthetischen Erzeugen neuer Abtastwerte benutzt.
Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durchdass mindestens ein Strahlformerelement, mit dessen Hilfe durch mehrere Sendeanregungen Sendestrahlen erzeugbar sind, nach jeder Sendeanregung ein Signal des Objekts auf jedem von einem oder mehreren Empfangsstrahlen erfassbar ist und kohärente Abtastwerte der Signale gewinnbar sind, wobei jede Sendestrahl im wesentlichen mit jeweils einer Sendeabtastlinie fluchtet und jeder Empfangsstrahl mit jeweils einer Empfangsabtastlinie fluchtet.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Synthesizer die phasenjustierten gewonnenen kohärenten Abtastwerte zur synthetischen Herstellung neuer kohärenter Abtastwerte auf synthetischen Abtastlinien kombiniert, die räumlich getrennt liegen gegenüber mindestens (1) den Empfangsabtastlinien und (2) den Sendeabtastlinien.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Detektor aufweist, der die synthetisch hergestellten kohärenten Abtastwerte ermittelt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Synthesizer die phasenjustierten kohärenten Abtastwerte durch Gewichten und Addieren der phasenjustierten kohärenten Abtastwerte kombiniert.
Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Detektor die synthetisch hergestellten kohärenten Abtastwerte und die gewonnenen kohärenten Abtastwerte bestimmbar sind.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sendeanregung zu einem Sendestrahl führt, der für alle Sendeanregungen im wesentlichen mit einer Sendeabtastlinie fluchtet.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Sendeanregung, Sendestrahlformung und Empfangsstrahlformung eine synthetische Öffnungsabtastung über mindestens einen Teil des Gesichtsfeldes bewirken.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Synthesizer mindestens ein Gewichtungseinheitsfaktor auswählbar und dieser Faktor zum Gewichten und Addieren verwendebar ist.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Empfangsabtastlinie des mindestens einen Strahlformerelements kolinear mit jeweils einer Sendeabtastlinie ist und der Synthesizer die phasenjustierten gewonnenen kohärenten Abtastwerte kombiniert, um neue kohärente Abtastwerte auf synthetischen Abtastlinien herzustellen, die räumlich getrennt von den Empfangsabtastlinien liegen.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Synthesizer die phasenjustierten kohärenten Abtastwerte durch Gewichten und Addieren der phasenjustierten kohärenten Abtastwerte kombinierbar sind.
Einrichtung nach Anspruch 10, ferner mit einem Detektor, der die synthetischen und gewonnenen kohärenten Abtastwerte bestimmt.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sendeanregung zu einem Sendestrahl führt, der im Wesentlichen mit einer Sendeabtastlinie fluchtet für alle Sendeanregungen.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Sendeanregung, Sendestrahlform und Empfangsstrahlformung eine synthetische Öffnungsabtastung über mindestens einen Teil des Gesichtsfeldes bewirken.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Synthesizer gewichtete Additionen der phasenjustierten Abtastwerte durchführbar sind.
Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Synthesizer mindestens ein Gewichtungsfaktor von 1 auswählbar und dieser Faktor zum Gewichten und Addieren verwendbar ist.
Einrichtung zum Erzeugen eines Ultraschallbildes eines Objektes unter Verwendung von Sendestrahlen, die in mehreren Sendeanregungen erzeugt werden, mit folgenden Merkmalen: (a) ein Empfänger zum Gewinnen kohärenter Abtastwerte auf mindestens zwei räumlich getrennten Empfangsabtastlinien, die zur gleichen Sendeanregung gehören, wobei die Abtastwerte ein Signal vom Objekt charakterisieren; (b) ein Synthesizer, der die auf den Empfangsabtastlinien entsprechend dem gleichen Sendeereignis gewonnenen Abtastwerte verwendet, um mindestens zwei kohärente Abtastwerte auf einer ersten synthetischen Abtastlinie zu erzeugen, und (c) ein Detektor, der die synthetischen Abtastwerte bestimmt.
Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste synthetische Abtastlinie im Wesentlichen kolinear mit der Sendeabtastlinie ist.
Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger kohärente Abtastwerte aus aufeinander folgenden Sendeereignissen gewinnbar sind, wobei jede Empfangsabtastlinie entsprechend den aufeinander folgenden Sendeereignissen räumlich getrennt vorliegt und dass durch den Synthesizer die kohärenten Abtastwerte aus aufeinander folgenden Sendeereignissen verwendbar sind, um mindestens zwei kohärente Abtastwerte auf einer zweiten synthetischen Abtastlinie zu erzeugen.
Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Empfänger kohärente Abtastwerte aus aufeinander folgenden Sendeereignissen gewinnbar sind, wobei mindestens eine Empfangsabtastlinie entsprechend den aufeinander folgenden Sendeereignissen im Wesentlichen kolinear mit mindestens einer Empfangsabtastlinie eines nachfolgenden Sendeereignisses ist, dass durch den der Synthesizer die kohärenten Abtastwerte aufeinander folgender Sendeereignisse verwendbar sind, um mindestens zwei kohärente Abtastwerte auf einer synthetischen Abtastlinie zu erzeugen.
Einrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Synthesizer die synthetischen kohärenten Abtastwerte verwendet, um mindestens einen weiteren synthetischen Abtastwert auf einer dritten synthetischen Linie zu erzeugen.
Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere synthetische Abtastlinie nicht kolinear mit einer Sende- oder Empfangsabtastlinie ist.
Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die synthetische Abtastlinie nicht kolinear mit einer Sende- oder Empfangsabtastlinie ist.
Einrichtung zum Erzeugen eines Ultraschallbildes eines Objektes unter Verwendung mehrerer Sendeanregungen zum Erzeugen von Sendestrahlen, Erfassen eines Signals vom Objekt auf jeweils einem oder mehreren Empfangsstrahlen nach Auftreten der Sendeanregung und zum Gewinnen von kohärenten Abtastwerten, wobei jeder Abtaststrahl im wesentlichen mit jeweils einer Sendeabtastlinie fluchtet und alle Empfangsstrahlen im wesentlichen mit jeweils einer Empfangsabtastlinie fluchten, mit den Merkmalen: ein Synthesizer zum künstlichen Herstellen synthetischer Abtastwerte, der (a) die gewonnenen kohärenten Abtastwerte verwendet, um mehrere kohärente Abtastwerte auf synthetischen Abtastlinien zu erzeugen und (b) mindestens einen synthetischen kohärenten Abtastwert verwendet, um mindestens einen weiteren kohärenten Abtastwert zu erzeugen.
Einrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere kohärente Abtastwert auf einer weiteren synthetischen Abtastlinie liegt.
Einrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnenen kohärenten Abtastwerte auf mindestens zwei räumlich getrennten Empfangsabtastlinien liegen, die zu einem einzigen Sendeereignis gehören.
Einrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnenen kohärenten Abtastwerte zu mindestens zwei getrennten Sendeereignissen gehören.
Einrichtung nach Anspruch 24 oder 25 mit Mitteln zum künstlichen Herstellen erster und zweiter Sätze kohärenter Abtastwerte aus (1) räumlich getrennten Empfangsabtastlinien, die zu einem einzelnen Sendeereignis gehören und (2) Empfangsabtastlinien, die zu getrennten Sendeereignissen gehören.
Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Satz gewonnener kohärenter Abtastwerte zum künstlichen Herstellen kohärenter Abtastwert auf synthetischen Abtastlinien verwendbar ist, die mit den Sendeabtastlinien kolinear sind, und dass der zweite Satz gewonnener kohärenter Abtastwerte benutzbar ist, um kohärente Abtastwerte auf synthetischen Abtastlinien herzustellen, die mit den Empfangsabtastlinien kolinear sind.
Einrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere synthetische Linie nicht mit einer Sende- oder Empfangsabtastlinie kolinear ist.
Einrichtung zum Erzeugen eines Ultraschallbildes eines Objektes unter Verwendung von Sendestrahlen, die in mehreren Sendeereignissen erzeugt werden, mit folgenden Merkmalen: (a) einem Empfänger zum Gewinnen kohärenter Abtastwerte auf mindestens zwei räumlich getrennten Empfangsabtastlinien, die zum gleichen Sendeereignis gehören, wobei diese Abtastwerte für ein Signal vom Objekt charakteristisch sind und (b) ein Synthesizer, der die gewonnenen kohärenten Abtastwerte verwendet, um mehrere kohärente Abtastwerte auf synthetischen Abtastlinien zu erzeugen, wobei die Anzahl der synthetischen Abtastlinien größer ist als die Anzahl der Empfangsabtastlinien in mindestens einem Teil des Gesichtsfeldes und (c) ein Detektor zum Bestimmen der synthetischen Abtastwerte.
Einrichtung zum Erzeugen eines Ultraschallbildes eines Objektes unter Verwendung von Sendestrahlen, die in mehreren Sendeereignissen erzeugt werden, mit folgenden Merkmalen: (a) einen zeitverschachtelten Empfangsstrahlformer zum Gewinnen kohärenter Abtastwerte der Signale auf den Empfangsabtastlinien; (b) ein Synthesizer zum Kombinieren der gewonnenen kohärenten Ab tastwerte zum künstlichen Herstellen neuer kohärenter Abtastwerte auf synthetischen Abtastlinien, die räumlich getrennt sind von mindestens einer (1) der Empfangsabtastlinie und (2) der Sendeabtastlinien und (c) ein Detektor zum Bestimmen der synthetischen kohärenten Abtastwerte.
Einrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitverschachtelte Empfangsstrahlformer aus einem Strahlformer besteht, der mehrere unabhängig programmierbare Kanäle aufweist.
Einrichtung zum Abbilden eines Objekts mit folgenden Merkmalen: einem Empfänger zum Gewinnen mindestens zweier kohärenter Abtastwerte längs einer einzelnen Empfangsabtastlinie, wobei die Abtastwerte für ein Signal vom Objekt charakteristisch sind und einem Synthesizer, der die auf der einzelnen Empfangsabtastlinie gewonnenen Abtastwerte verwendet, um mindestens einen kohärenten Abtastwert auf einer einzelnen synthetischen Abtastlinie in einem unterschiedlichen Bereich aus den gewonnenen Abtastwerten herzustellen und einem Detektor, dem ein Abtastumsetzer folgt.