DE3827513A1 - Verfahren und einrichtung zum steuern einer ultraschallabtastungs-sequenz - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum steuern einer ultraschallabtastungs-sequenz

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern einer Ultraschallabtastungs-Sequenz, um eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit erfassen zu können.
Es gibt Geräte, die das Ultraschall-Dopplerverfahren und das Impulsechoverfahren kombinieren, um ein Blutströmungsbild und ein Tomographiebild (B-Moden-Bild) eines zu untersuchenden Patienten zu erhalten und solche Bilder farblich im Echtzeitverfahren darzustellen. Im folgenden soll das Prinzip der Messung der Blutstromgeschwindigkeit bei einem solchen Gerät erläutert werden.
Wenn Ultraschallstrahlen auf in einem lebenden Organismus strömendes Blut gesendet wird, werden die Strahlen durch sich bewegende Blutkörperchen gestreut, so daß die Mittenfrequenz fc der Strahlen um die Dopplerfrequenz fd nach dem Dopplereffekt verschoben wird. Dadurch erhält die Frequenz des empfangenen Ultraschallsignals den Wert f =fc +fd. Hierbei wird die Dopplerfrequenz fd durch folgende Beziehung dargestellt:
fd =2v cos R ×fc/c (1)
wobei v die Blutstromgeschwindigkeit, R ein Winkel, den der Ultraschallstrahl mit dem Blutgefäß bildet, und c die Schallgeschwindigkeit ist. Man versteht, daß die Dopplerfrequenz fd erfaßt wird, um die Blutstromgeschwindigkeit v zu ermitteln.
Die Blutstromgeschwindigkeit v wird folgendermaßen in zweidimensionaler Form dargestellt: Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, sendet zunächst eine Ultraschallsonde 1 sequentiell aufgrund von Impulssignalen von einer Sendeschaltung 7 unter Sektor- oder Fächerabtastungssteuerung Ultraschallstrahlen in Richtungen A, B, C . . . Z auf den Patienten. Statt der fächerförmigen oder sektorförmigen Abtastung kann auch eine Linienabtastung erfolgen.
Beispielsweise werden Echosignale der in Richtung A gesendeten Ultraschallstrahlen, durch die Dopplerverschiebung aufgrund der Blutströmung verschoben, von der Ultraschallsonde 1 empfangen und nach Umwandlung in ein elektrisches Signal an eine Empfangsschaltung 2 gelegt. Eine Phasendetektorschaltung 3 erfaßt aus den empfangenen Echosignalen Dopplersignale. Zum Beispiel werden die Dopplersignale für 256 Abtastpunkte entlang einer Abtastlinie (in Richtung A) erfaßt. Die für jeden Abtastpunkt erfaßten Dopplersignale werden in einem Frequenzanalysator 4 analysiert und dann über eine digitale Abtastumsetzschaltung (DSC) 5 auf eine Anzeigevorrichtung 6 gegeben. Dadurch wird im Echtzeitbetrieb ein Blutstromgeschwindigkeits-Verteilungsbild für die Richtung A dargestellt.
Dann werden die gleichen Vorgänge für jede der Abtasteinrichtungen B, C, . . . wiederholt und die Blutstromgeschwindigkeitsverteilung für die Abtastrichtungen als zweidimensionales Bild angezeigt.
Man muß beachten, daß die Erfaßbarkeit einer Blutstromgeschwindigkeit abhängt von der Datenlänge eines Dopplersignals. Das heißt: wenn die Abtastfrequenz des Dopplersignals fr und die Anzahl von Abtastungen n beträgt, ergibt sich die Datenlänge T des Dopplersignals zu
T =n/fr (2)
In diesem Fall erhält man eine Frequenzauflösung δ d :
δ fd =1/T (3)
Dementsprechend wird die Dopplerfrequenz fdmin, die der meßbaren Untergrenze der Strömungsgeschwindigkeit entspricht, durch folgende Beziehung dargestellt:
fdmin =1/T =fr/n (4)
Hieraus ergibt sich, daß die Abtastfrequenz fr des Dopplersignals nur gesenkt werden muß oder die Abtastzahl n nur erhöht werden muß, um den Blutstrom geringer Geschwindigkeit zu erfassen (vgl. Fig. 3 und 4; Fig. 4 erhält man durch Fourier-Transformation der in Fig. 3 gezeigten Wellenform).
Bei dem zweidimensionalen Doppler-Blutstrom-Bildgebungsverfahren gilt folgende Beziehung:
Fn ×n ×m ×(1/fr′)=1 (5)
wobei Fn die Anzahl von Vollbildern ist, die innerhalb einer Sekunde dargestellt werden, m die Anzahl von Abtastlinien und fr′ die Wiederholungsfrequenz der Ultraschallimpulse ist. Die Vollbildzahl Fn hängt ab von der Echtzeit-Anzeige eines zweidimensionalen Blutstrombildes und hat für gewöhnlich einen Wert von 8 bis 30, so daß 8 bis 30 Vollbilder innerhalb einer Sekunde angezeigt werden. Wenn beispielsweise bei der Sektorabtastung nach Fig. 5 die Abtastlinienzahl m =32, die Wiederholungsfrequenz fr′ der Ultraschallimpulse fr′=4 kHz und die Abtastzahl n =8 beträgt, beträgt die Vollbildzahl Fn etwa 16. Das heißt: Wenn die Abtastlinienzahl m zunimmt, nimmt die Vollbildzahl Fn ab, so daß das Bild flimmert. Nimmt die Zahl der Abtastlinien ab, würde die Dichte der Abtastlinien zu grob und mithin die Bildqualität zu schlecht werden.
Es besteht also der Bedarf an einem Gerät, das in der Lage ist, eine sehr langsame Strömungsgeschwindigkeit zu erfassen, ohne daß die Anzahl von Vollbildern abnimmt und sich die Bildqualität verschlechtert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern einer Ultraschallabtastungssequenz anzugeben, das bzw. die das Erfassen einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein herkömmliches Abtastmuster,
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Ultraschalldiagnosegeräts,
Fig. 3 und 4 Diagramme zum Erläutern der Datenlänge und der Frequenzauflösung eines Dopplersignals,
Fig. 5 ein Diagramm zum erläutern einer Sektor- oder Fächerabtastung,
Fig. 6 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 7A bis 7C Signalwellenformen von Signalen, die an wesentlichen Punkten der erfindungsgemäßen Einrichtung auftreten,
Fig. 8 eine Ausgestaltung eines MTI-Filters, das in einer erfindungsgemäßen Einrichtung verwendet wird,
Fig. 9 eine Ausgestaltung einer Steuerschaltung in der erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 10 ein Flußdiagramm, das den Arbeitsablauf der Steuerschaltung veranschaulicht,
Fig. 11 einen ersten Typ einer Abtastsequenz,
Fig. 12 einen zweiten Typ einer Abtastsequenz, die in der Steuerschaltung verwendet wird,
Fig. 13 ein Impulsdiagramm des zweiten Typs der Abtastsequenz,
Fig. 14 einen dritten Typ einer Abtastsequenz, die in der Steuerschaltung verwendet wird, und
Fig. 15 ein Impulsdiagramm des dritten Typs der Abtastsequenz.
Nach Fig. 6 enthält ein für Sektor- oder Fächerabtastung ausgelegter Analogverarbeitungsabschnitt 12 einen Vorverstärker 13, einen Impulsgeber 14, einen Oszillator 15, eine Verzögerungsleitung 16, einen Addierer 17 und einen Detektor 18. Eine Ultraschallsonde 11 sendet und empfängt Ultraschallstrahlen zu bzw. von einem zu untersuchenden Patienten.
Eine Steuerschaltung 35 steuert die Aufeinanderfolge, das heißt die Sequenz der Ultraschallabtastung in dem Abschnitt 12 so, daß eine Abtastfrequenz eines Dopplersignals gesenkt wird, ohne daß eine Wiederholungsfrequenz der Ultraschallimpulse geändert wird. Die Steuerschaltung 35 enthält eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen programmierbaren Festspeicher (PROM) und dergleichen.
Ein vom Addierer 17 kommendes Signal wird über den Detektor 18 einem digitalen Abtastumsetzer (DSC) 19 zugeleitet, dann einem Farbprozessor 20, einem Digital-Analog-Umsetzer (ADU) 21 und schließlich einem Farbmonitor 37 und einem Videobandrecorder (VTR) 22. Auf dem Farbmonitor 23 wird ein Ultraschall-Schichtbild (B-Moden-Bild) dargestellt.
Das von dem Addierer 17 kommende Signal wird auch genutzt zur Darstellung eines Ultraschall-Blutstrombildes und dazu an Mischer 24 a und 24 b gelegt. In dem Mischer 24 a wird das Ausgangssignal des Addierers 17 von einem Bezugssignal mit einer Bezugsfrequenz fo multipliziert. Das Bezugssignal wird vom Oszillator 15 geliefert. Im Mischer 24 b wird das Ausgangssignal des Addierers 17 multipliziert mit einem um 90 Grad in der Phase gedrehten Bezugssignal, das von einem 90-Grad-Phasenschieber 25 kommt, der an den Oszillator 15 angeschlossen ist. Als Ergebnis erhält man die Frequenzkomponente fd eines Dopplersignals und eine hochfrequente Komponente (2fo +fd). Die Frequenzkomponenten werden auf Tiefpaßfilter (TPF) 26 a und 26 b gegeben, die die hochfrequente Komponente (2fo +fd) beseitigen und nur die Frequenzkomponente fd des Dopplersignals durchlassen. Das Dopplersignal wird als ein Phasendetektor-Ausgangssignal für die Ultraschall-Blutströmungs-Bilddarstellung verwendet.
Fig. 7A zeigt ein von der Ultraschallsonde 11 in einen Patienten gesendetes Ultraschallimpulssignal, Fig. 7B zeigt das von dem Patienten reflektierte Empfangs-Echosignal, und Fig. 7C zeigt ein Phasendetektor-Ausgangssignal.
Das Phasendetektor-Ausgangssignal enthält nicht nur der Blutströmung zugehörige Komponenten, sondern außerdem unerwünschte Signalkomponenten, die sich aus Reflexionen an sich langsam bewegenden Teilen, z. B. der Herzwand, ergeben (diese Erscheinung bezeichnet man als Clutter). Um diese unerwünschten Komponenten zu beseitigen, wird das Phasendetektor-Ausgangssignal an eine MTI-Verarbeitungseinheit 27 gelegt (MTI= moving target indicator).
Die MTI-Verarbeitungseinheit 27 enthält ADUs 28 a und 28 b, Speicher 34 a und 34 b, MTI-Filter 29 a und 29 b, einen Autokorrelationsprozessor 30, einen Prozessor für mittlere Geschwindigkeit, 31, einen Varianzprozessor 32 und einen Leistungsprozessor 33.
Die ADUs 28 a und 28 b setzen Ausgangssignale der Tiefpassfilter 26 a und 26 b in digitale Signale um. Diese werden an die Speicher 34 a bzw. 34 b gelegt. Die Speicher 34 a und 34 b speichern jeweils Dopplersignale für mehrere Abtastlinien entsprechend der durch die Steuerschaltung 35 vorgegebenen Ultraschallabtastungssequenz.
Fig. 8 zeigt den Aufbau des MTI-Filters, bei dem das Teil 1/Z eine Verzögerung um einen Zyklus Σ eine Summierung und k 1 und k 2 jeweils einen Koeffizienten liefern.
Der Autokorrelationsprozessor 30 wird dazu verwendet, im Echtzeitbetrieb eine Frequenzanalyse für Mehrfachpunkte in einem zweidimensionalen Raum durchzuführen.
Der Prozessor 31 für mittlere Geschwindigkeit berechnet auf der Grundlage folgender Beziehung eine gemittelte Dopplerfrequenz :
=∫f ×S(f) df/∫S(f) df (6)
wobei S(f) ein Leistungssprektrum ist.
Der Varianzprozessor 32 berechnet die Varianz σ² auf der Grundlage folgender Beziehung:
σ²=∫f ²×S(f) df/∫S(f) df- ² (7)
Der Leistungsprozessor 33 berechnet eine Leistung TP aufgrund folgender Beziehung:
TP =∫S(f) df (8)
Die Leistung TP ist proportional zur Intensität der von den Blutkörperchen gestreuten Echos. Die Echos von sich bewegenden Gegenständen, die Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz des MTI-Filters entsprechen, werden beseitigt.
Werte der mittleren Geschwindigkeit, der Varianz und der Leistung, wie sie für jeden Abtastpunkt berechnet werden, werden an den DSC 19 gelegt, und nach der Interpolationsverarbeitung werden sie in dem Farbprozessor 20 in Farbdaten umgesetzt. Bei einer Geschwindigkeits-Varianz-Anzeige (-s²) wird die Strömung in Richtung auf die Ultraschallsonde 11 umgesetzt in beispielsweise rote Farbe, während die Strömung in Richtung von der Ultraschallsonde 11 weg beispielsweise in blaue Farbe umgesetzt wird. Die mittlere Geschwindigkeit wird durch Helligkeitsunterschiede dargestellt, und die Geschwindigkeits-Varianz wird durch einen Farbton (mit Grün gemischt) angezeigt.
Die oben beschriebene Einrichtung arbeitet wie folgt:
Die Steuerung der Ultraschallabtastungs-Sequenz erfolgt durch die Steuerschaltung 35. Wie aus Fig. 9 hervorgeht, enthält die Steuerschaltung 35 eine Einstellschaltung 35 a für die Abtastzahl, mit deren Hilfe die Abtastzahl n für die gleich Abtastlinie eingestellt wird, eine Einstellschaltung 35 b zum Einstellen eines Verbesserungsverhältnisses, mit deren Hilfe ein Verbesserungsverhältnis P zum Verbessern der Erfaßbarkeit einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit eingestellt wird, und eine Auswahlimpuls-Generatorschaltung 35 c, die ein Impulssignal zur Auswahl einer Abtastsequenz erzeugt. Die Auswahlimpuls-Generatorschaltung 35 c bestimmt eine Abtastlinie und die zeitliche Steuerung eines gesendeten Impulssignals nach Maßgabe der Abtastzahl n und der Verbesserungszahl P gemäß Einstellung durch die Schaltungen 35 a und 35 b, und sie gibt das Impulssignal zu vorbestimmter Zeit an den Analogabschnitt 12, den DSC 19 und die MTI-Verarbeitungseinheit 27.
Die Steuerschaltung 35 enthält eine CPU, einen PROM und dergleichen, und sie beinhaltet Schaltungsfunktionen gemäß Fig. 9. Der Betrieb der Steuerschaltung soll anhand des in Fig. 10 dargestellten Flußdiagramms erläutert werden.
Nach Fig. 10 wird im Schritt S 1 die Abtastzahl n eines Dopplersignals in der Abtastzahl-Einstellschaltung 35 a eingestellt. Im Schritt S 2 wird in der Verbesserungsverhältnis-Einstellschaltung 35 b das Verbesserungsverhältnis P eingestellt, das zum Erfassen einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit verwendet wird. Im Schritt S 3 wird in der Auswahlimpuls-Generatorschaltung 35 c abhängig von der Abtastzahl n und dem Verbesserungsverhältnis P, die in den Schritten S 1 und S 2 eingestellt wurden, das Abtastsequenz- Auswahlimpulssignal erzeugt.
In der Praxis läuft die Steuerung der Abtastungssequenz wie folgt ab:
Nach Fig. 11 wird bei der Sequenz, in der ein Ultraschallstrahl zuerst vom rechten Ende der Ultraschallsonde 11 gesendet wird, die Abtastung so gesteuert, daß die Aufeinanderfolge die erste Abtastlinie am rechten Ende, die zweite Abtastlinie, die dritte Abtastlinie, die erste Abtastlinie am rechten Ende und so fort beinhaltet. In diesem Fall (P =3) erhält man als Wiederholungsfrequenz fr des Ultraschallstrahls (die Abtastfrequenz eines Dopplersignals), der in die gleiche Richtung gesendet wird:
fr =fr′/3 (9)
Wie aus Gleichung (4) ersichtlich ist, nimmt die Frequenz fdmin entsprechend der Untergrenze der meßbaren Strömungsgeschwindigkeit auf ein Drittel ab, verglichen mit einem herkömmlichen Verfahren, in welchem ein Ultraschallstrahl n-mal entlang einer Abtastlinie gesendet wird, und in ähnlicher Weise ein Ultraschallstrahl n-mal entlang der nächsten benachbarten Abtastlinie übertragen wird.
In dem in Fig. 11 dargestellten Beispiel beträgt die Häufigkeit des Sendens des Ultraschallstrahls in die gleiche Richtung, das heißt die Abtastzahl n des Dopplersignals, vier. Somit wird der Ultraschallstrahl nach Maßgabe der Ultraschallabtastungssequenz gesendet und empfangen, und das Dopplersignal wird in den Speichern 34 a und 34 b gespeichert. Wenn der vierte Datenwert (n =4) für jede der Abtastlinien in den Speichern 34 a und 34 b gespeichert ist, werden die vier Datengruppen für jede der Abtastlinien aus den Speichern 34 a und 34 b ausgelesen. Im Beispiel nach Fig. 4 erfolgt das Auslesen der vier Datengruppen für jede der Abtastlinien nicht in gleichmäßigen Intervallen. Dies macht die zeitliche Steuerung des Auslesens der Daten etwas kompliziert.
Um das Auslesen der Daten für jede der Abtastlinien in annähernd gleichen Intervallen durchführen zu können, kann man die Abtastfrequenz gemäß Fig. 12 und 13 verwenden. Das heißt: Wenn das Abtasten vom rechten Ende der Ultraschallsonde 11 aus beginnt, wählt man die Aufeinanderfolge bei der Abtastung: Erste Abtastlinie, (m-1)-te Abtastlinie, m-te Abtastline, erste Abtastlinie, zweite Abtastlinie, m-te Abtastlinie, erste Abtastlinie, zweite Abtastlinie, dritte Abtastlinie, erste Abtastlinie und so fort. Bei einer solchen Abtastfrequenz verringert sich die Wiederholungsfrequenz (die Abtastfrequenz des Dopplersignals) fr für den in die gleiche Richtung gesendeten Ultraschallstrahl auf 1/3, und die in den Speichern 34 a und 34 b gespeicherten Daten können in gleichmäßigen Zeitintervallen ausgelesen werden.
Im allgemeinen läßt sich das Verbesserungsverhältnis P für die Feststellbarkeit einer langsamen Strömungsgeschwindigkeit durch die Wiederholungsfrequenz fr eines in die gleiche Richtung gesendeten Ultraschallstrahls und die Wiederholungsfrequenz fr′ eines gesendeten Ultraschallimpulses folgendermaßen darstellen:
P =fr′/fr (10)
Fig. 11 und 12 zeigen den Fall P =3.
Es ist zu beachten, daß, wenn P ein ganzzahliges Vielfaches von n ist, die in den Speichern 34 a und 34 b gespeicherten Daten nicht in gleichen Zeitintervallen ausgelesen werden können. Fig. 14 zeigt eine Abtastungssequenz und das dazugehörige Impulsdiagramm für ausgelesene Daten entsprechend dem Fall n =4 und P =2. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, werden die in den Speichern 34 a und 34 b gespeicherten Daten in unterschiedlichen Zeitintervallen 3/fr′, 5/fr′, 3/fr′, 5/fr′ . . . ausgelesen.
Die durch die oben beschriebene Abtastungssequenz erhaltene Blutstrominformation und das B-Moden-Bild werden über den DSC 19, den Farbprozessor 20 und den DAU 21 an den Farbmonitor 23 gegeben. Die Blutstrominformation und das Schichtbild können bei Bedarf in dem VTR 22 aufgezeichnet werden.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, läßt sich durch Steuern der Ultraschallabtastungssequenz entsprechend der Erfindung die Abtastfrequenz fr des Dopplersignals verringern, ohne die Wiederholungsfrequenz fr′ des Ultraschallimpulses zu ändern. Daher läßt sich auch ein Blutstrom mit niedriger Geschwindigkeit erfassen, ohne daß die Vollbildzahl Fn verringert und die Bildqualität verschlechtert wird.

Claims (5)

1. Verfahren zum Steuern einer Ultraschallabtastungs-Sequenz, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Einstellen einer Abtastzahl von Dopplersignalen für die gleiche Richtung;
Einstellen eines Verbesserungsverhältnisses, das beim Erfassen einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit eines Gegenstandes verwendet wird; und
Steuern der Ultraschallabtastungssequenz dadurch, daß Wandlerauswahlsignale nach Maßgabe der Abtastzahl von Dopplersignalen und des Verbesserungsverhältnisses derart erzeugt werden, daß eine Abtastfrequenz der Dopplersignale herabgesetzt wird, ohne eine Ultraschallimpuls-Wiederholungsfrequenz zu ändern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbesserungsverhältnis P durch folgende Gleichung erhalten wird: P =fr′/frwobei fr′ die Abtastfrequenz der Dopplersignale und fr die Ultraschallimpuls-Wiederholungsfrequenz ist.
3. Einrichtung zum Steuern einer Ultraschallabtastungssequenz, gekennzeichnet durch:
eine Sendeeinrichtung (11, 12) zum Aussenden von Ultraschallstrahlen auf einen Gegenstand,
eine Empfangseinrichtung (11, 12) zum Empfangen von von dem Gegenstand reflektierten Echosignalen der von der Sendeeinrichtung (11, 12) gesendeten Ultraschallstrahlen;
eine Detektoreinrichtung (24 a, 24 b, 25, 26 a, 26 b) zum Erfassen von Dopplersignalen aus den von der Empfangseinrichtung (11, 12) empfangenen Echosignalen;
eine Speichereinrichtung (34 a, 34 b) zum Speichern der von der Detektoreinrichtung (24 a, 24 b, 25, 26 a, 26 b) erfaßten Dopplersignale; und
eine Steuereinrichtung (35) zum Steuern der Sendeeinrichtung (11, 12) der Empfangseinrichtung (11, 12) und der Speichereinrichtung (34 a, 34 b) nach Maßgabe der Ultraschallabtastungssequenz derart, daß eine Abtastfrequenz der Dopplersignale verringert wird, ohne daß eine Ultraschallimpulswiederholungsfrequenz geändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbesserungsverhältnis P durch folgende Gleichung erhalten wird: P =fr′/frwobei fr′ die Abtastfrequenz der Dopplersignale und fr die Ultraschallimpuls-Wiederholungsfrequenz ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (35) aufweist:
eine erste Einstelleinrichtung (35 a) zum Einstellen einer Abtastzahl der Dopplersignale für die gleiche Richtung,
eine zweite Einstelleinrichtung (35 b) zum Einstellen des Verbesserungsverhältnisses, welches dazu verwendet wird, eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit des Gegenstands zu erfassen, und
eine Generatoreinrichtung (35 c) zum Generieren von Wandlerauswahlsignalen zum Steuern der Ultraschallabtastungssequenz durch die von der ersten Einstelleinrichtung (35 a) eingestellte Abtastzahl der Dopplersignale und das durch die zweite Einstelleinrichtung (35 b) eingestellte Verbesserungsverhältnis.
DE3827513A 1987-08-12 1988-08-12 Verfahren und einrichtung zum steuern einer ultraschallabtastungs-sequenz Granted DE3827513A1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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