DE3313756A1

DE3313756A1 - Verfahren und vorrichtung zum abtasten einer periodischen wellenstruktur

Info

Publication number: DE3313756A1
Application number: DE19833313756
Authority: DE
Inventors: Stephen Wayne 53186 Waukesha Wis. Flax
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-04-19
Filing date: 1983-04-15
Publication date: 1983-10-27
Also published as: JPS5926073A; GB8310413D0; GB2119526A; US4453550A

Description

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten einer periodischen Wellenstruktur

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Ultraschall-Diagnosesysteme und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer periodischen Struktur in einer Ultraschallwelle· und gleichen oder ähnlichen Wellen.

Biologisches Gewebe kann durch Verwendung von Ultraschallwellen charakterisiert werden, um eine periodische Struktur innerhalb des Gewebes zu finden. Dies ist ähnlich zu Röntgen-Beugungstechniken zum Charakterisieren einer Kristallstruktur, in der vorwiegend Streuungskörper mit einer gewissen periodischen Trennung beabstandet sind, wodurch die entstehenden konstruktiven und destruktiven Interferenzmuster, die durch eine durch das Gitter wandernde Welle erzeugt werden, ein charakteristisches periodisches Muster in einer reflektierten Welle erzeugen. Bei Verwendung von Ültaschalltechniken bei biologischem Gewebe kann die Periodizität entweder in dem Zeitbereich oder in dem Frequenzbereich abgetastet werden, da jede zeitliche Periodizität in ähnlicher Weise als eine periodische Struktur in dem Frequenzbereich existiert. Diese Dualität zwischen der. Zeit und Frequenz ist wichtig, da eine Struktur, die entweder in dem Raum- oder Zeitbereich fein ist, in dem Frequenzbereich grob ist und umgekehrt. Wenn also eine vermutete Struktur in dem einen Bereich nicht direkt beobachtet werden kann aufgrund der Enge des Abstandes

oder der Auflösung, kann die Struktur häufig aus dem anderen Bereich ermittelt werden.

Die gegenwärtige Arbeit auf dem Gebiet der Ultraschallprüfung von biologischem Gewebe ist darauf gerichtet, eine periodische

Struktur oder Signatur in dem Leistungsdichtespektrum von eineijreflektierten Ultraschallwelle zu identifizieren. Zu diesem Zweck sind Autocorrelationstechniken verwendet worden, um irgendeine Periodizität in dem Leistungsspektrum zu identifizieren, und in einigen Fällen wird ein Spektrum gemacht, um irgendeine Periodizität zu identifizieren. In jedem Fall wird die Leistungsdichte des reflektierten Signals abgeleitet und die gesamte damit im Zusammenhang stehende Phaseninformation ist verloren. In gewissen Situationen herrschen kurze Energiestöße und Energiemuster in der Analyse des Leistungsspektrums vor, wodurch eine scheinbare Periodizität in dem Leistungsspektrum erhalten wird, obwohl in dem Gewebe keine reale periodische Struktur existiert. Somit offenbart sich eine reale Struktur, die in dem zeitlichen Signal vorhanden ist, selbst als eine Phasenstruktur in dem Zeitbereich und auch als eine periodische Amplitudenstrukstür in dem Leistungsdichtespektrum. Jedoch ist das Umgekehrte nicht notwendigerweise der Fall. Eine gewisse·Periodizität in dem Leistungsdichtespektrum ist kein ausreichender Zustand, um eine Phasenkohärenz in dem Zeitbereich zu garantieren. Beispielsweise haben ein Impuls und zufälliges Rauschen beide das gleiche Leistungsdichtespektrum. Jedoch hat der Impuls Phasenkohärenzen, während das zufällige Rauschen ein zufälliges Phasenmuster aufweist.

Es ist demzufolge eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen einer periodischen Wellenstruktur zu schaffen, indem darin Phasenkohärenz abgetastet wird.

Weiter soll eine Vorrichtung geschaffen werden, die beim Abtasten von Phasenkohärenz in einer komplexen Welle brauchbar ist.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Analysieren einer reflektierten Ultraschallwelle zu schaffen, um Charakteristiken von biologischem Gewebe zu ermitteln.

Ein Merkmal der Erfindung ist die Abtastung von Nulldurchgangspunkten von einer reflektierten Welle und das Messen der Zeitperioden zwischen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figuren 1A und 1B sind Kurvendarstellungen von einem periodischen Signal in den Zeit- und Frequenzbereichen.

Figuren 2A und 2B sind Kurvendarstellungen von einem zufälligen Signal in Zeit- und Frequenzbereichen.

Figuren 3A und 3B sind Kurvendarstellungen von einem zufälligen Signal mit einem nicht-periodischen Signalstoß in Zeit- und Frequenzbereichen.

Figuren 4A und 4B sind Kurvendarstellungen von einem Signalimpuls und dessen Leistungsdichtespektrum.

Figuren 5A und 5B sind Kurvendarstellungen von weißem Rauschen und dem Leistungsdichtespektrum davon..

Figuren 6A und 6B sind Kurvendarstellungen von einer periodischen Welle und von Zeitintervallen zwischen Nulldurchgängen der Kurve.

Figuren 7A und 7B sind Kurvendarstellungen von einem zufälligen Signal und den Zeitintervallen zwischen dessen Nulldurchgängen.

Figur 8 ist ein funktionales Blockdiagramm von einer Vorrichtung, die bei der Bestimmung einer periodischen Wellenstruktur gemäß der Erfindung brauchbar ist.

Die Figuren 1A und IB und 2A und 2B stellen die Dualität

(statistischen) zwischen Zeit und Frequenz von periodischen und zufälligen Signalen dar. Figur 1A zeigt ein komplexes, aber periodisches Signal, und Figur 1B stellt dessen Frequenzspektrum dar. Aus diesen Kurven ist ersichtlich, daß die zeitliche Periodizität in Figur 1A auch als eine periodische Struktur in dem Frequenzbereich gemäß 1B existiert. Diese Dualität zwischen Zeit und Frequenz zeigt, daß die Struktur einer Welle in einem Bereich schwierig zu ermitteln sein kann, aber in dem anderen Bereich leichter zu ermitteln ist. In ähnlicher Weise hat ein zufälliges Signal, wie es in Figur 2A dargestellt ist, ein Frequenzbereichsspektrum, wie es in Figur 2B dargestellt ist, das durch eine Anzahl von zufällig angeordneten Spitzenwerten charakterisiert ist.

Jedoch kann die Leistungsdichte- oder Frequenzbereichskurve einer Welle eine vermutete Periodizität haben, obwohl keine reale periodische Struktur existiert. Dies ist in den Figuren 3A und 3B dargestellt, die die Zeit- und Frequenzbereichskurven von einem zufälligen Signal sind, wobei ein kurzer hoher Amplitudenstoß zu dem Signal hinzuaddiert ist. Die Frequenzbereichskurve davon in Figur 3B gibt eine vermutete Periodizität in derjenigen des periodischen Signals in Figur 1B an, was jedoch irreführend ist. In diesem Fall hat der hohe Amplitudenstoß die Wirkung, die spektrale Auflösung in dem Frequenzbereich .zu vermindern. Die Wirkung des "Glättens" des Spektrums ergibt die scheinbare Periodizität. Sowohl in.dem periodischen Beispiel als auch in dem Stoßbeispiel geht die Ph'aseninförmation des Signals in der Transformation in dem Leistungsspektralbereich verloren. Somit wird sich eine reale periodische Wellenstruktur als eine Phasenstruktur und auch in der periodischen Amplitudenstruktur in dem Leistungsspektralbereich selbst offenbaren. Jedoch ist das Umgekehrte nicht notwendigerweise wahr. Demzufolge ist eine gewisse Periodizität in dem Leistungs- ■ spektralbereich kein ausreichender Zustand, um eine Phasenkohärenz in dem Zeitbereich zu garantieren.

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Ein weiteres Beispiel dieses Grundgedankens ist in den Figuren 4A und 4B dargestellt, die die Zeitbereichs- und Frequenzbereichskurven für ein impulsförmiges Signal sind, und in den Figuren 5A und 5B sind die Zeit- und Frequenzbereichskurven von weißem Rauschen dargestellt. Die zwei Signale sind offensichtlich recht unterschiedlich im Zeitbereich, wie aus den Figuren 4A und 5A ersichtlich, aber die Leistungsdichtespektrum- oder Frequenzbereichskurven der zwei Signale sind verblüffend ähnlich. Der wichtige unterschied, der aus der Frequenzbereichskurve elimininiert ist, besteht darin, daß der Impuls Phasenkohärenzen aufweist, so daß zu gewissen Zeitpunkten alle Signale zusammenkommen, um die Impulse zu bilden, und sich zu allen anderen Zeiten gegeneinander aufheben. Weißes Rauschen hat einfach ein zufälliges Phasenmuster.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Phasenkohärenz von einem Signal als ein Mittel abgetastet, um zu bestimmen, ob das Signal eine periodische Wellenstruktur aufweist oder nicht. Dies wird dadurch erreicht, daß ein zeitliches Histogramm oder Säulendiagramm erhalten wird, das zu einem Frequenzbereichsmoment in Beziehung steht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das zeitliche Histogramm dadurch erhalten, daß Zeitperioden zwischen Nulldurchgängen des Signals ermittelt werden. Durch Erzeugen eines Intervall-Histogramms von Nulldurchgangsperioden wird eine Periodizität der Welle auf einfache Weise ermittelt. Beispielsweise wird eine periodische Struktur, die in der zeitlichen Wellenkurve vorhanden ist, die Neigung haben, eine Gleichförmigkeit in den Nulldurchgangsintervallen zu erzeugen. Umgekehrt wird eine rein zufällige Zeitbereichsstruktur eine zufällige Phasenstruktur haben, wie es durch das zufällige Zeitintervallhistogramm angedeutet ist. Dies ist in den Figuren 6A und 6B dargestellt, die eine Kurvendarstellung einer zeitlichen periodischen Kurve und der Zeitintervalle der Nulldurchgänge darin ist. Die Intervalle zwischen den Nulldurchgängen in der periodischen Welle neigen dazu,in die Zeitintervalle 14 und 16 in Figur 6B zu fallen.

Umgekehrt ist Figur 7A eine Realzeitkurve von einem zufälligen Signal, und das Zeitintervallhistogramm davon, das in Figur 7B dargestellt ist/ zeigt, daß die Zeitintervalle zwischen den Nulldurchgängen keine vorherrschende Struktur zeigen, sondern daß vielmehr die Zeitintervalle sich über einem breiten Bereich verändern. Somit ist die Gleichförmigkeit der Nulldurchgangsintervalle gemäß Figur 6B ein Hinweis auf eine periodische Wellenform, wogegen die zufälligen Zeitintervalle, die in Figur 7B dargestellt sind, ein Hinweis auf ein zufälliges Signal sind.

Die Ermittlung einer periodischen Wellenstruktur durch Prüfung der Perioden zwischen Nulldurchgängen der Welle kann auf einfache Weise praktiziert werden. Figur 8 ist ein funktionales Blockdiagramm von einer Vorrichtung, die zu der Ermittlung der Zeitintervalle brauchbar ist. Ein hochfrequentes Realzeit-Eingangssignal wird an einen Nulldurchgangsdetektor 20 gelegt, der die Nulldurchgänge des HF-Signals abtastet. Ein derartiger Nulldurchgangsdetektor kann ein einen Schmitt-Trigger aufweisender monostabiler Multivibrator sein, der als der TI74221 dual Schmitt trigger monostable circuitry im Handel erhältlich ist. Der Detektor erzeugt einen Impuls für einen Nulldurchgang des Signals, und der Impuls wird an einen Intervalltimer 22 als ein Rücksetzsignal angelegt. Somit setzt jedesmal, wenn die HF-Eingangsgröße durch Null läuft, ein Impuls von dem Detektor 20 den Timer oder Zeitgeber 22 zurück.

Jedoch wird unmittelbar vor dem Zurücksetzen auf Null die Ausgangsgröße des Zählers gelesen. Dieser angegebene Zählwert entspricht dann einem von mehreren Magazin- bzw. Säulenzählern (bin counter) .

In demjenigen Augenblick wird der spezielle Magazin- bzw. Säulenzähler , der dem angegebenen Zählwert entspricht, weitergeschaltet. Nachdem viele Nulldurchgänge abgetastet worden sind,

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wird auf diese Weise eine Aufzeichnung der Verteilung von Intervallängen (während der Probe- bzw. Abtastperiode) als Zählwerte in jedem Magazin- bzw. Säulenzäh-ler erhalten.

Zusammenfassend wurde also ein Verfahren zum Bestimmen von Periödizität in einer Wellenstruktur beschrieben, indem ein zeitliches Histogramm von einer Welle erzeugt wird. Das Verfahren ist auf einfache Weise in der Praxis auszuführen.

Claims

-- 3313756 6000 Frankfurt/Main 1 (0611) 235555 Horst Schüler Kaiserstrasse 41 04-16759 mapat d PATENTANWALT Telefon mainpatent frankfurt EAN PATENTATTORNEY Telex (0611) 251615 Telegramm (CCITT Gruppe 2 und 3) Telekoplerer 225/0389 Deutsche Bank AG 282420-602 Frankfurt/M. Bankkonto Postscheckkonto

Ihr Zeichen/Your ref. :

Unser Zeichen/Our ref.: 9113-15UL-O2216

Datum/Date : 14. April 1983

Vo./he.

General Electric Company

1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A.

,Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten einer periodischen Wellenstruktur

Ansprüche

1») Verfahren zum Ermitteln von Periodizität einer Wellenstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß Nulldurchgänge der Wellenstruktur ermittelt werden, Zeitintervalle zwischen Nulldurchgängen gemessen werden und die gemessenen Zeitintervalle hinsichtlich einer Gleichförmigkeit analysiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß beim Analysieren der gemessenen Zeitintervalle ein Histogramm der gemessenen Zeitintervalle aufgestellt wird.

Vorrichtung zum Ermitteln von Periodizität einer Wellenstruktur, gekennzeichnet durch einen Nulldurchgangsdetektor (20), Mittel zum Anlegen einer Welle an den Nulldurchgangsdetektor, wobei dieser

ein Signal erzeugt, das jeden Nulldurchgang angibt, einen Timer bzw, eine Zeitsteuerung (22), Mittel zum Anlegen des Signals von dem Nulldurch.gangsdetek.tor an die Zeitsteuerung, welche das Zeitintervall zwischen Signalen angibt, und einen Zähler (24) zum Zählen der Zeitintervalle.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Nulldurchgangsdetektor (20) einen mit einem Schmitt-Trigger versehenen monostabilen Multivibrator aufweist, der einen Impuls entsprechend jedem Nulldurchgang erzeugt.