Ultraschallabbildungssystem mit einer reduzierten Anzahl von Leitungen zwischen Hauptgerät und Applikator

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallabbildungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solches Ultra¬ schallabbildungssystem ist beispielsweise aus "IEEE Trans- actions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control", Vol. 38, No. 2, March 1991, Seiten 100 bis 108, bekannt.

In der medizinischen Ultraschalldiagnostik wird ein Raum¬ gebiet des menschlichen Körpers mit Ultraschallpulsen be- schallt und aus den reflektierten Ultraschallechopulsen wird von einer Signalverarbeitungseinheit ein Ultraschall¬ bild aufgebaut, das einem zweidimensionalen (2-D) Schnitt durch den Körper entspricht. Zum Senden und Empfangen der Ultraschallpulse werden bislang hauptsächlich lineare Arrays von piezoelektrischen Wandlerelementen eingesetzt, die von einer elektronischen Steuereinheit mit vorgege¬ benen Phasenverzögerungen angesteuert werden. Mit solchen phasenverzögert angesteuerten linearen Arrays können in einer von der Normalen zur Arrayoberfläche und der Längs- richtung des Arrays aufgespannten Ebene schwenkbare und fokussierbare Ultraschallstrahlen gesendet und empfangen werden. Der relativ zur Normalen gemessene Schwenkwinkel für den Ultraschallstrahl ist umso größer, je kleiner der Abstand zwischen den Wandlerelementen ist. Dieser Abstand wird im allgemeinen etwa gleich der Hälfte der Wellenlänge des Ultraschalls gewählt, um zusätzliche Beugungsmuster zu

vermeiden, und beträgt beispielsweise bei einer Untersu¬ chungsfrequenz von 3,5 MHz etwa 0,2 mm. Andererseits ist eine bestimmte Mindestlänge des linearen Arrays erforder¬ lich, um eine hinreichende Schallamplitude und ein genaues Fokussieren des Strahls zu erreichen. Aus diesen beiden Forderungen des maximalen Abstands der Wandlerelemente und der Mindestlänge des Arrays folgt eine Mindestanzahl von typischerweise 64 Wandlerelementen für das Array, die nicht unterschritten werden sollte.

Nun sind für die Diagnose neben den vorstehend beschrie¬ benen bekannten 2-D-Schnittbildern dreidimensionale (3-D) Ultraschallabbildungεn besonders wertvoll, mit denen auch bewegte Objekte wie beispielsweise der Blutfluß im Herzen oder in den Adern in Echtzeit dargestellt werden können.

Es sind 3-D-Ultraschallabbildungssysteme bekannt mit einem 2-D-Wandlerarray, das als NxM-Matrix aus einzelnen, im allgemeinen quadratischen Wandlerelementen aufgebaut ist. Steuert man nun diese Wandlerelemente mit entsprechend vorgegebenen Phasenverzögerungen an, so kann man im Gegen¬ satz zu den linearen Arrays einen nicht nur in einer, sondern in zwei Winkelrichtungen schwenkbaren und fokus- sierbaren Ultraschallstrahl erzeugen und detektieren. Um einen hinreichend großen Raumwinkelbereich mit dem Ultra- schallstrahl durchfahren zu können, müssen in Analogie zu den linearen Arrays wieder die Bedingungen eines Maximal¬ abstandes von typischerweise etwa 0,2 mm der Wandlerele¬ mente voneinander und einer Mindestfläche des 2-D-Arrays von typischerweise etwa 20 x 20 mm ² bei einem quadrati- sehen Array, d.h. N = M, erfüllt sein. Damit ist eine Min¬ destanzahl von Wandlerelementen auch für das 2-D-Array er-

forderlich. Vorzugsweise ist eine Anzahl von etwa 100 x 100 = 10000 Wandlerelementen anzustreben. Probleme be¬ reiten bei einer so großen Anzahl von Waπdlerelementen und den erforderlichen kleinen Abmessungen die Herstellung und Kontaktierung der Wandlerelemente und insbesondere die zum Übertragen der Steuersignale und der Bildsignale er¬ forderliche Anzahl von Steuer- und Datenleitungen.

Es sind mehrere 2-D-Ultraschallwandlerarrays für 3-D- Ultraschallabbildungssysteme bekannt, die jedoch alle nicht zuletzt wegen dieser Problematik aus einer wesent¬ lich geringeren Anzahl von Wandlerelementen aufgebaut sind.

Bei einem ersten bekannten 2-D-Wandlerarray mit 16 x 16 = 256 Wandlerelementen sind 96 Elemente zum Senden und 32 Elemente zum Empfang von Ultraschall vorgesehen und die restlichen 128 Wandlerelemente sind nicht angeschlossen ("Ultrasonic Imaging", Vol. 14, Seiten 213 bis 233, 1992, Academic Press).

Ein anderes bekanntes Ultraschallabbildungssystem enthält ein 2-D-Wandlerarray mit 32 x 32 Wandlerelementen in einem Handgerät, dem 32 Kanäle mit 32 Sendepulsgebern zur Pha- senansteuerung der Wandlerelemente und 32 Kanäle mit 32

Vorverstärkern zum Verstärken der empfangenen Bildsignale zugeordnet sind. Über 32 Se dekanalleitungen und 32 Empfangskanalleitungen sind die Sendepulsgeber bzw. die Vorverstärker mit einer Steuereinheit bzw. einer Signal- Verarbeitungseinheit verbunden. Die Wandlerelemente sind zu Gruppen zusammengeschaltet, die entweder nur zum Senden oder nur zum Empfangen vorgesehen sind. Über die 32 Sende-

kanäle und die 32 Empfangskanäle können nur in den Zeilen, den Spalten oder den Diagonalen der Matrix gruppenweise zusammengeschaltete Elemente gemeinsam angesteuert bzw. ausgelesen werden. Dies vermindert die Freiheitsgrade bei der Bewegung des Ultraschallstrahls durch den Raumwinkel erheblich ("IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelec- trics and Frequency Control", Vol. 38, No. 2, March 1991, Seiten 100 bis 108).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Ultra¬ schallabbildungssystem mit einem Applikator und einem Hauptgerät anzugeben, dessen Applikator ein Wandlerarray mit einer im allgemeinen großen Anzahl von Wandlerelemen¬ ten enthält und über eine im allgemeinen deutlich ge- ringere Zahl von Steuerleitungen und Signalleitungen mit dem Hauptgerät verbunden ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Für den Sendefall ist in dem Applikator eine digitale Steuereinrichtung vorgesehen, die mit jedem Wandlerelement des Arrays verbindbar ist. In dieser Steuereinrichtung sind jedem Wandlerelement ein Sendepulsgeber und diesen Sendepulsgebern ein gemeinsamer Adreßdekoder zum Adressieren der Sendepulse zugeordnet. Der Adreßdekoder ist über eine für das Übertragen der di¬ gital codierten Adressen erforderliche Anzahl von Adreß- leitungen mit dem Hauptgerät verbunden. Die Sendepulsgeber sind über eine für die Übertragung der digital codierten Startzeiten für die Sendepulse erforderliche Anzahl von einzelnen Startzeitleitungen mit dem Hauptgerät verbunden. Für den Empfangsfall sind im Applikator ein Multiplexer, der eine Gruppe von Signalen verschiedener Wandlerelemente

auf jeweils eine Signalleitung multiplext, und im Haupt¬ gerät ein Demultiplexer zum Trennen dieser Signale nach der Übertragung über die Signalleitung vorgesehen. Durch diese Maßnahmen kann die Anzahl der Steuer- und Signal¬ leitungen erheblich reduziert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Ultraschallabbildungs¬ systems gemäß der Erfindung ergeben sich aus den Unter¬ ansprüchen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich¬ nung Bezug genommen, in deren FIG. 1 ein Ultraschallabbildungssystem mit einem 2-D-Array in einem Applikator und mit einem Hauptgerät und FIG. 2 ein Ausschnitt einer Steuereinrichtung für die

Wandlerelemente schematisch dargestellt sind.

In der FIG. 1 sind ein Applikator mit 2, ein zweidimen- sionales, vorzugsweise als MxN-Matrix ausgebildetes Array von Wandlerelementen E.. mit 3, ein Hauptgerät mit 4, eine digitale Steuereinrichtung im Applikator 2 mit 20, deren über Weichen W.. mit jeweils einem Wandlerelement

E.. verbindbare Steuerausgänge mit B.., ein Multiplexer i Applikator 2 mit 22, dessen über die Weichen W.. mit jeweils einem Wandlerelement E.. verbindbare Signalein¬ gänge mit A.. und dessen Signalausgänge mit D. , Startzeit- iJ K leitungen mit Ml, Adreßleitungen mit M2, weitere Steuer¬ leitungen mit M3, ein Demultiplexer im Hauptgerät 4 mit 42, dessen Signaleingänge mit G. sowie die Signalausgänge D. des Multiplexers 22 und die Signaleingänge G, des Demultiplexers 42 verbindende Signalleitungen mit L. be¬ zeichnet. Die Indizes i, j und k sind natürliche Zahlen

mit 1 < i < M, 1 < j N und 1 < k < K mit vorgegebenen natürlichen Zahlen M, N und K.

In einem Sendemodus des Ultraschallabbildungssystems sind die Wandlerelemente E- . über die Weichen W.. mit den

Steuerausqänqen B.. der Steuereinrichtung 20 elektrisch ^{s a} ij verbunden. Die Steuereinrichtung 20 sendet im Sendemodus

Sendepulse für die Wandlerelemente E.. mit individuell vorgegebenen Startzeiten t... Die Startzeiten t- . erhält ^{a a} ij ij die Steuereinrichtung 20 als digital codierte Steuersi¬ gnale über die Startzeitleitungen Ml und die Adressen der jeweils anzusteuernden Wandlerelemente E.. als digital co¬ dierte Steuersignale über die Adreßleitungen M2. Vorzugs¬ weise sind binär codierte Steuersignale vorgesehen. Neben den Startzeitleitungen Ml und den Adreßleitungen M2 als digitalen Steuerleitungen sind vorzugsweise weitere Steuerleitungen M3 vom Hauptgerät 4 zur Steuereinrichtung 20 vorgesehen, über die die Steuereinrichtung 20 mit Energie und mit einem Taktsignal als Zeitreferenz für die Sendepulse versorgt wird.

Die Anzahl ml der Startzeitleitungen Ml hängt ab von der maximalen Zeitdifferenz DT zwischen den Startzeitpunkten t. - aller Wandlerelemente E.. und der Zeitauflösung RT, die dem kleinsten Zeitabstand zwischen den Startzeiten t- - zweier Wandlerelmeente E.. entspricht. Bei einer binären Codierung der Startzeitsignale ist die erforderliche An¬ zahl ml der Startzeitleitungen Ml gleich log ₂ (DT/RT), wenn log ₂ (DT/RT) ganzzahlig ist, und gleich dem ganz¬ zahligen Anteil von log ₂ (DT/RT) addiert mit der Zahl 1, wenn log ₂ (DT/RT) nicht ganzzahlig ist. Die Startzeit¬ leitungen Ml können dann durch einen l-Bit-Datenbus realisiert werden. Beispielsweise ist bei einem maximalen

Zeitunterschied DT = 10 μs und einer Zeitauflösung RT =

10 ns eine Anzahl von ml = 10 Startzeitleitungen Ml erfor¬ derlich.

Im Gegensatz zur Anzahl ml der Startzeitleitungen Ml ist die Anzahl m2 der Adreßleitungen M2 von der Anzahl der Wandlerelemente E- - abhängig. Bei einer Binärdarstellung der Adressen und bei einem quadratischen Array 3 mit M=N ist diese Anzahl m2 beispielsweise gleich dem ganzzahligen Anteil des Produkts 2 * log ₂ N addiert mit der Zahl 1, wenn 2 * log ₂ N nicht ganzzahlig ist, und gleich 2 * log ₂ N, wenn 2 * log ₂ N ganzzahlig ist. Für ein quadratisches Array 3 mit N ² = 10000 Wandlerelementen E- . genügen somit bereits m2 = 14 Adreßleitungen M2.

Zum Ansteuern der Wandlerelemente E.. sind in der Steuer¬ einrichtung 20 für jedes Wandlerelement E.. ein Sendepuls¬ geber P.. sowie für alle Sendepulsgeber P.. ein Adreßde¬ coder 21 zum Dekodieren der digitalen Adreßsignale vor- gesehen. Die Sendepulsgeber P.. und der Adreßdecoder 21 sind der Übersichtlichkeit wegen in der FIG. 1 nicht dar¬ gestellt.

Die FIG. 2 zeigt im Ausschnitt ein Ausführungsbeispiel der für den Sendemodus vorgesehenen Steuereinrichtung 20 mit

Sendepulsgebern P.. und einem Adreßdecoder 21. In dem Aus¬ schnitt ist nur ein Sendepulsgeber P.. für ein zugeord¬ netes Wandlerelement E.. veranschaulicht. Die übrigen Sen- depulsgeber P- . sind vorzugsweise gleich aufgebaut. Der Adreßdecoder 21 ist über die Adreßleitungen M2 mit dem - nicht dargestellten - Hauptgerät 4 und über eine Aus¬ wahlleitung CS- - mit dem Sendepulsgeber P.. elektrisch verbunden. Die Auswahlleitungen für die übrigen Sende-

pulsgeber sind zeichnerisch angedeutet . Der Sendepuls- qeber P.. ist über die Startzeitleitungen Ml und die ^s ij weiteren Steuerleitungen M3 mit dem Hauptgerät 4 verbun¬ den, die jeweils an allen Sendepulsgebern P.. parallel an- liegen. In der dargestellten Ausführungsform sind drei weitere Steuerleitungen M3 vorgesehen, über die Taktsi¬ gnale (clock) CK, Übernahmesignale (latch) LS bzw. Rück¬ setzsignale (master-reset) MR übertragen werden können.

In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält jeder Sen¬ depulsgeber P.. einen programmierbaren Zähler Z.., ein mit diesem Zähler Z.. verbundenes Speicherregister R.. und ιJ iJ vorzugsweise auch eine Kippstufe T... Das Speicherregister R.. wird über die zugeordnete Auswahlleitung CS.. und ein Übernahmesignal LS an einer der Steuerleitungen M3 akti¬ viert und mit dem an den Startzeitleitungen Ml anliegen¬ den Wert für die Startzeit t.. des Sendepulses beschrie¬ ben. Im Sendemodus wird an alle Zähler Z.. der Sendepuls¬ geber P.. ein Taktsignal CK mit einer vorgegebenen Periode angaelegat. Wenn der Zählerstand des Zählers Z _X . _j . mit dem im

Speicherregister R.. gespeicherten Wert für die Startzeit t.. übereinstimmt, liefert der Zähler Z.. ein schematisch eingezeichnetes Triggersignal für die zwischen Wandlerele¬ ment E.. und Zähler Z.. geschaltete Kippstufe T... Die Kippstufe T.. erzeugt dann den eigentlichen, ebenfalls schematisch dargestellten, vorzugsweise rechteckigen Sendepuls mit definierter Zeitlänge. Als Kippstufe T.. kann eine monostabile Kippstufe (Monoflop) mit R-C-Glied vorgesehen sein. Das Triggersignal bildet dann die Ein- gangsflanke des Sendepulses.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann als Kippstufe T.. ein D-Flip-Flop vorgesehen sein. Der Zähler

Z.. liefert in dieser Ausführungsform dann zwei Trigger¬ signale, die mit Hilfe eines ODER-Gatters auf eine Lei¬ tung geschaltet werden und in dem D-Flip-Flop in den eigentlichen Sendepuls umgewandelt werden. Die beiden Triggersignale definieren dann die Flanken des Sendepul¬ ses. Somit sind Start- und Stoppzeit aller Sendepulse synchron mit dem Taktsignal, d.h. alle Sendepulse haben die gleiche Länge.

In einer besonders vorteilhaften - nicht dargestellten - Ausführungsform wird das Taktsignal CK von dem Hauptgerät 4 mittels einer Frequenzteilerlogikeinheit in vier zuein¬ ander um eine Viertelperiode versetzte Teiltaktsignale mit einem Viertel der Frequenz des Taktsignals CK aufgeteilt. Diese Frequenzteilerlogikeinheit ist allen Sendepulsgebern P- - gemeinsam und kann auch im Hauptgerät 4 angeordnet sein. Die Teiltaktsignale werden dann einem l-aus-4-Ein- gangsselektor zugeführt. Der Ausgang dieses Eingangsselek¬ tors ist wiederum mit dem Eingang des programmierbaren Zählers Z.. verbunden. Durch diese Maßnahme kann die

Taktfrequenz für den Zähler Z.. viermal niedriger gewählt werden. Dadurch kann auch der Zählumfang des Zählers Z.. ^a ij um den Faktor 4 verringert werden, so daß bei einer Binärdarstellung der Startzeiten t- - zwei Bits weniger für die Startzeiten t- - benötigt werden (Grobauflösung). Die

-* ^■ J beiden freigewordenen Bits der Startzeitleitungen Ml wer¬ den nun dem 1 aus 4-Eingangsselektor zum Anwählen des ent¬ sprechenden Teiltaktsignals zugeführt (Feinauflösung).

Für den Empfangsmodus des Ultraschallabbildungssystems sind der Multiplexer 22 im Applikator 2 und der Demulti¬ plexer 42 im Hauptgerät 4 vorgesehen. Der Multiplexer 22 schaltet durch ein Multiplexverfahren eine Gruppe von

Ultraschallsignalen verschiedener Wandlerelemente E.. auf einen Signalausgang D. mit 1 < k < K. Diese Signalaus¬ gänge D, sind über entsprechende Signalleitungen L, mit entsprechenden Signaleingängen G. des Demultiplexers 42 verbunden. Die gemultiplexten Ultraschallsignale werden über die Signalleitungen L, übertragen und im Demulti¬ plexer 42 wieder in Einzelsignale aufgelöst. Die de- multiplexten Einzelsignale können dann im Hauptgerät 4 einer Signalverarbeitung zugeführt werden, die auch eine Fehlerkorrektur beinhalten kann.

Vorzugsweise wird auf jede Signalleitung L, die gleiche Anzahl F von Ultraschallsignalen verschiedener Wandler¬ elemente E.. gemultiplext. Diese Anzahl F wird auch als ij ^s Multiplexfaktor bezeichnet. Die Anzahl K der erforderli¬ chen Signalleitungen L. ergibt sich dann aus dem Quotien¬ ten aus der Anzahl der Wandlerelemente E.. und dem Multi¬ plexfaktor F zuzüglich eventuell einer weiteren Signallei¬ tung für den Divisionsrest. Beispielsweise sind bei einem NxN-Array 3 mit N ² = 10000 Wandlerelementen E.. und einem typischen Multiplexfaktor F = 16 nur 625 Signalleitungen L. notwendig.

Als Multiplexverfahren können bekannte Zeitmultiplex- oder auch Frequenzmultiplexverfahren verwendet werden. Solche Multiplexverfahren sind beispielsweise aus Meinke, Gund- lach: "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", 4. Auflage, Springer-Verlag 1986, Seiten 051 bis 054 und Rl bis R2 bekannt. Da die empfangenen Ultraschallsignale der Wand- lerelemente E.. Bandpaßcharakter aufweisen, kann bei den beiden Multiplexverfahren vorzugsweise durch spektrale Verschachtelungen die Gesamtbandbreite reduziert werden.

Durch die für den Sendemodus und den Empfangsmodus vorge¬ sehenen Maßnahmen wird somit die Anzahl der zwischen den Applikator 2 und dem Hauptgerät 4 benötigten Leitungen gegenüber einer individuellen Verdrahtung aller Wandler- elemente E.. mit dem Hauptgerät 4 erheblich reduziert. i ^a

Für den Sendemodus sind nur noch die digitalen Steuerlei¬ tungen notwendig und für den Empfangsmodus lediglich die Multiplex-Signalleitungen. Die Anzahl der Steuerleitungen für den Sendemodus ist dabei in der Regel geringer als die Anzahl der Leitungen für den Empfangsmodus. Typischerweise sind bei einem Ultraschallabbildungssystem mit 4096 Wand¬ lerelementen E.. bei einer hinreichenden Zeitauflösung etwa 27 Steuerleitungen Ml, M2 und M3 und bei einem Multi¬ plexfaktor von 16 sind 256 Signalleitungen erforderlich. Bei vorgegebenem Multiplexfaktor fällt die Anzahl der

Steuerleitungen mit größer werdender Anzahl der Wandler¬ elemente E.. immer weniger ins Gewicht.

Die Startzeiten t.. für die nächste Sendephase können außerdem bereits während der Empfangsphase gesendet wer¬ den, weil die Steuerleitungen und die Signalleitungen unabhängig voneinander sind.

Die Wandlerelemente E.. können in dem Array 3 auch an- ders als in Form einer Matrix angeordnet sein, beispiels¬ weise auch kreisförmig oder rautenförmig.

Außerdem kann anstelle des zweidimensionalen Arrays 3 auch ein eindimensionales Array von Wandlerelementen vorgesehen sein, vorzugsweise ein lineares Array. Ein solches ein¬ dimensionales Array ergibt sich beispielsweise als Spe- zialfall des bisher beschriebenen MxN-Matrixarrays, in¬ dem man nur eine Spalte oder eine Zeile des Matrixarrays

auswählt, d.h. entweder die Zahl M=l für die Zeilen oder die Zahl N=l für die Spalten wählt. Der entsprechende Index i bzw. j ist dann konstant gleich 1. Auch bei einem eindimensionalen Array wird gemäß der Erfindung die Zahl der Steuer- und Signalleitungen reduziert.

Für die Wandlerelemente E.. können piezokeramische oder piezoelektrische (z.B. PVDF) Materialien vorgesehen sein. Die Sendepulsgeber P.. können beispielsweise in CMOS- Technik gefertigt werden. Vorzugsweise werden die Sende¬ pulsgeber P.. und die Wandlerelemente E.. in einem Sub¬ strat monolithisch integriert. Zur phasenverzögerten Ansteuerung sind vorzugsweise entsprechende Verzögerungs¬ elemente im Hauptgerät 4 vorgesehen. Der Applikator 2 bleibt somit vergleichsweise leicht und handhabbar.