DE102008002914A1

DE102008002914A1 - Übertragungsstrahlenformung bei 3-dimensionlem Ultraschall

Info

Publication number: DE102008002914A1
Application number: DE102008002914A
Authority: DE
Inventors: Kjell Kristoffersen; Bruno Hans Haider; Thomas Halvorsroed; Steinar Bjaerum
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2009-01-02
Also published as: JP5411458B2; JP2009006141A; US9182658B2; US20120095344A1; US20090005684A1; US8096951B2

Abstract

Ein Ultraschallsystem (100) umfasst eine Sonde (106), die eine zweidimensionale (2-D) Anordnung von Wandlerelementen (104) umfasst, die eine Apertur (170) bilden, welche eine Vielzahl von Empfangselementen aufweist, die so konfiguriert sind, dass sie Ultraschallsignale empfangen. Die Wandlerelemente (104) bilden mindestens eine Übertragungs-Unterapertur, die so konfiguriert ist, dass sie mit einer festen Gruppe der Wandlerelemente (104) innerhalb der Apertur (170) verbunden wird. Sender (102) generieren elektrische Übertragungssignale, und mindestens ein Übertragungs-Unterapertur-Prozessor (tx-SAP) (124)ordnet die Wandlerelemente (104) innerhalb der festen Gruppe von Wandlerelementen (104) den Sendern (102) in einer Übertragungskonfiguration auf der Grundlage einer Strahlensteuerungsrichtung zu.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf medizinische Ultraschallbildgebungssysteme und insbesondere auf die Aufteilung von mehreren Wandlerelementen einer Ultraschallsonde in nicht-überlappende Unteraperturen zur Übertragung eines Ultraschallsignals.
Zwei Schlüsselkomponenten eines Ultraschallsystems sind die Ultraschallsonde und der Strahlenformer. Der Strahlenformer fokussiert und steuert die Ultraschallenergie, die von der Sonde übertragen und empfangen wird, so dass Bildgebungsdaten erfasst werden, was einen Schritt der Generierung von Bildern mit anatomischem Inhalt auf einem Display darstellt. Dreidimensionale (3D) Ultraschallbildgebung kann durchgeführt werden, indem eine Sonde verwendet wird, die eine zweidimensionale (2D) Matrixanordnung von Wandlerelementen aufweist. Bei vielen Systemen werden die Elemente sowohl für Übertragungs- als auch für Empfangsoperationen verwendet. Bei gängigen Systemen wird diese duale Operationsweise der Wandlerelemente durch Multiplexing zwischen den Übertragungs- und Empfangsschaltkreisen des Systems erreicht. Jeder Kanal in der Sonde kann durch ein Kabel mit dem System verbunden und sowohl für Übertragungs- als auch Empfangsoperationen verwendet werden.
Die Wandlerelemente sind typischerweise in einer 2D-Anordnung angeordnet, die in eine Vielzahl von Unterapertu ren (oder Unteranordnungen) sowohl für Übertragungs- als auch Empfangsoperationen unterteilt werden kann, indem Subsätze von Wandlerelementen zusammengefasst werden. Beispielsweise kann jede Apertur mindestens ein akustisches Wandlerelement umfassen. Die Unteraperturgruppierung kann bei Übertragung und Empfang unterschiedlich sein. Die Anordnung und Implementierung der Unteraperturen für Übertragung und Empfang beeinflusst die Bildqualität. Bei einigen Sonden werden Sender verwendet, die innerhalb der Sonde angeordnet ist, obwohl es bei dieser Konfiguration zu beträchtlicher Hitzeentwicklung kommen kann. Es ist daher wünschenswert, eine Übertragungslösung für eine 2D-Anordnungssonde zu liefern, bei der eine relativ kleine Anzahl von Systemkanälen (wie beispielsweise ungefähr 170 Systemkanäle) eine Anordnung mit einer großen Anzahl von Elementen (beispielsweise ungefähr 2600 Elementen) aktivieren kann.
Daher besteht ein Bedarf an einer verbesserten Übertragungsstrahlenformung für eine 2D-Anordnung für die 3D-Ultraschallbildgebung, bei der die Unterteilung der Apertur ohne die oben besprochenen Einschränkungen verbessert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform umfasst ein Ultraschallsystem eine Sonde, die eine zweidimensionale (2D) Anordnung von Wandlerelementen enthält, die eine Apertur bilden, welche eine Vielzahl von Empfangselementen aufweist, die so konfiguriert sind, dass sie Ultraschallsignale empfangen. Die Wandlerelemente bilden mindestens eine Übertragungs-Unterapertur, die so konfiguriert ist, dass sie mit einer festen Gruppe von Wandlerelementen innerhalb der Apertur verbunden werden kann. Sender generieren elektrische Übertragungssignale, und mindestens ein Übertragungs-Unterapertur-Prozessor (tx-SAP) ordnet die Wandlerelemente innerhalb der festen Gruppe von Wandlerelementen auf der Grundlage einer Strahlensteuerungsrichtung der Sender in einer Übertragungskonfiguration zu.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Übertragung von Ultraschallsignalen unter Verwendung einer 2D-Anordnung von Wandlerelementen die Bildung von mindestens einer Übertragungs-Unterapertur, die aus einer festen Gruppe von Wandlerelementen zur Übertragung von Ultraschall-Übertragungssignalen und mindestens zwei Empfangs-Unteraperturen zum Empfang von Ultraschall-Empfangssignalen besteht. Die mindestens eine Übertragungs-Unterapertur und die mindestens zwei Empfangs-Unteraperturen sind mit einer zuvor festgelegten Gruppe von Systemkanälen verbunden. Für jedes der Wandlerelemente innerhalb der festen Gruppe der Wandlerelemente wird eine Verzögerung berechnet, wobei die Verzögerung mindestens auf einem Steuerwinkel, welcher mit dem Wandlerelement verbunden ist, und einer Übertragungsoperation beruht. Mindestens ein Abschnitt der Wandlerelemente innerhalb der festen Gruppe der Wandlerelemente ist mit der zuvor festgelegten Gruppe von Systemkanälen verbunden, und zwar auf der Grundlage von mindestens den Verzögerungen, die mit den Wandlerelementen verbunden sind.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Ultraschallsystem eine Sonde, welche eine 2D-Anordnung von Wandlerelementen aufweist, die eine Apertur haben, welche mit einer Vielzahl von Empfangselementen ausgestattet ist, die so konfiguriert sind, dass sie Ultraschallsignale empfan gen. Mindestens ein konfigurierbarer Kreuzpunkt-Schalter weist eine erste und zweite Seite auf und ist auf der ersten Seite mit einer festen Gruppe von Wandlerelementen verbunden, die eine Übertragungs-Unterapertur bildet, welche für die Übertragung von Ultraschallsignalen konfiguriert ist. Die Systemkanäle sind so konfiguriert, dass sie mindestens Übertragungssignale übermitteln und mit dem mindestens einen konfigurierbaren Kreuzpunkt-Schalter auf der zweiten Seite verbunden sind. der mindestens eine konfigurierbare Kreuzpunkt-Schalter umfasst ferner mindestens einen Schalter, der mit jedem der Wandlerelemente innerhalb der festen Gruppe der Wandlerelemente verbunden ist, und der mindestens eine konfigurierbare Kreuzpunkt-Schalter verbindet mindestens eines der Wandlerelemente mit einem der Systemkanäle. Ein Unterapertur-Prozessor(SAP)-Regler ist so konfiguriert, dass er den mindestens einen konfigurierbaren Kreuzpunkt-Schalter so steuert, dass er jedes der Wandlerelemente innerhalb der festen Gruppe der Wandlerelemente den Systemkanälen in einer Übertragungskonfiguration zuordnet, und zwar auf der Grundlage von Verzögerungen, die mit den Übertragungssignalen verbunden sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines Ultraschallsystems, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet wird.
2 illustriert ein Miniatur-Ultraschallsystem, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet wird und eine Sonde aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie Ultraschalldaten erfasst.
3 ist ein Diagramm, das eine Apertur der 2D-Ultraschallanordnung illustriert, welche Wandlerelemente umfasst, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet sind.
4 ist ein Diagramm, das viele Übertragungs-Unteraperturen sowie einen Abschnitt der Übertragungs-Unteraperturanordnung illustriert, welche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet sind.
5 ist ein schematisches Blockdiagramm, in welchem die Verwendung eines Kreuzpunkt-Schalters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert wird, so dass die Wandlerelemente mit den Systemkanälen verbunden werden, welche mit den Sendern verbunden sind.
6 illustriert ein Beispiel für die Zuordnung einer Übertragungskonfiguration für eine Apertur einer Sonde und einer Übertragungs-Unterapertur innerhalb der Apertur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 illustriert ein weiteres Beispiel für die Zuordnung einer Übertragungskonfiguration gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer Zuordnung der Wandlerelemente und der Kanäle während der Übertragung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Eingangs/Ausgangs-Architektur für einen Übertragungs-Unterapertur-Prozessor (tx-SAP) unter Verwendung einer Kreuz punkt-Schaltermatrix, die Schalter umfasst, welche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet wurden.
10 ist ein schematisches Blockdiagramm der Architektur aus 9, welche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Übertragungs- und Empfangs-SAPs unterteilt wurde.
11 ist eine Elevationsansicht der Stapelung von Übertragungs- und Empfangs-SAPs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 ist ein schematisches Blockdiagramm der Kreuzpunkt-Schalter, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowohl für Übertragungs- als auch Empfangsoperationen verwendet werden.
13 ist ein Diagramm, welches vier verschiedene Unterapertur-Konfigurationen der Übertragungs-Unteraperturen illustriert, die verwendet werden können, um die Ultraschallstrahlen während der Übertragung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu steuern.
14 ist ein Diagramm, welches die Übertragungsapertur mitsamt einer Projektion des Brennpunktes und den dazugehörigen Verzögerungsleitungen illustriert, welche die Wandlerelementverzögerungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeben.
15 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Hardware-Implementierung für die Übertragungs-Unterapertur- Konfigurationen aus 13 und 14, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet wurden.
16 ist ein Diagramm, das eine Übertragungs-Unterapertur illustriert, die eine Vielzahl von rechteckigen Empfangs-Unteraperturen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorangegangene Zusammenfassung sowie die nachfolgende detaillierte Beschreibung von bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können besser nachvollzogen werden, wenn sie im Zusammenhang mit den angehängten Zeichnungen gelesen werden. Die Funktionsblocks geben nicht unbedingt in demselben Maße die Aufteilung zwischen den Hardwareschaltkreisen an, in dem in den Figuren die Diagramme der Funktionsblocks der verschiedenen Ausführungsformen illustriert werden. So können beispielsweise einer oder mehrere der Funktionsblocks (z. B. Prozessoren oder Datenspeicher) in einem einzigen Hardwarebauteil (z. B. einem Mehrzweck-Signalprozessor oder einer Random Access Memory, Festplatte o. Ä.) implementiert werden. Ebenso kann es sich bei den Programmen um eigenständige Programme handeln, oder aber sie können als Unterprogramme in einem Betriebssystem implementiert sein, oder Funktionen in einem installierten Softwarepaket darstellen, usw. Es sei darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Ausführungsformen nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten Anordnungen und Instrumentenausstattungen beschränkt sind.
1 illustriert ein Blockdiagramm eines Ultraschallsystems 100. Eine Sonde 106 ist über ein Kabel 142 mit dem System 100 verbunden. Die Sonde 106 weist eine zweidimensionale (2D) Matrixanordnung von Wandlerelementen 104 auf und kann eine dreidimensionale (3D) Abtastung durchführen. Die Systemkanäle (nicht gezeigt) können sich innerhalb des Kabels 142 befinden und Übertragungs- und Empfangssignale zu und von der Sonde 106 übertragen. Alternativ können separate Übertragungskanäle und Empfangskanäle verwendet werden. Mindestens ein Übertragungs(tx)-Unterapertur-Prozessor (SAP) 124 und ein Empfangs(rx)-SAP 126 befinden sich innerhalb der Sonde 106 für Übertragungs- und/oder Empfangsoperationen. In einer anderen Ausführungsform kann ein tx/rx-SAP sowohl Empfangs- als auch Übertragungsfunktionen ermöglichen. Ein SAP-Regler 128 kommuniziert mit dem Systemprozessor 116 und/oder dem Strahlenformer 110. Der SAP-Regler 128 kommuniziert auch mit dem/den SAP(s) 124, um die Übertragungs- und Empfangs-Unteraperturen zu konfigurieren, indem bestimmte Wandlerelemente 104 mit den Systemkanälen (oder den Übertragungs- und Empfangs-Kanälen) verbunden werden, die zur Übermittlung der Ultraschallsignale zu und von der Sonde 106 verwendet werden. Der SAP-Regler 128 kann in Hardware oder Software, oder einer Kombination von diesen, implementiert werden und kann sich alternativ innerhalb des Systems 100, wie beispielsweise innerhalb des Prozessors 116, befinden.
Das Ultraschallsystem 100 umfasst Sender 102, welche die Wandlerelemente 104 innerhalb der Sonde 106 antreiben, so dass diese gepulste Ultraschallsignale in einen Körper aussenden. Die Sender 102 befinden sich außerhalb der Sonde 106, wie beispielsweise innerhalb eines Gehäuses (nicht gezeigt), welches die inneren Komponenten des Systems 100 umschließt. Der Strahlformer 110 liefert Informationen an die Sender 102, wie beispielsweise Steuerungsinformationen, die in Form von Steuerungssignalen geliefert werden. Die Steuerungsinformationen können sich über die Anordnung der Wandlerelemente 104 hinweg unterscheiden. Der SAP-Regler 128 kommuniziert ferner mit den tx-SAPs 124 und rx-SAPs 126, um die lokale Steuerungsrichtung der einzelnen Unteraperturen (jeweils auf der Grundlage der Steuerung/Fokussierung der Übertragungs- und Empfangsstrahlen) zu regulieren.
Die übertragen Ultraschallsignale werden von Strukturen im Körper, wie beispielsweise Blutzellen oder Muskelgewebe, zurückgeworfen, so dass Echos erzeugt werden, die zu den Wandlerelementen 104 zurückkehren. Die zurückkehrenden Echos werden von den Wandlerelementen 104 wieder in elektrische Energie umgewandelt, die von einer Vielzahl von Empfängern 108 empfangen wird. Die empfangenen Signale werden durch den Strahlformer 110 geleitet, der eine Empfangs-Strahlformung durchführt und ein HF-Signal ausgibt. Das HF-Signal wird dann durch einen HF-Prozessor 112 geleitet. Alternativ kann der HF-Prozessor 112 einen Komplexdemodulator (nicht gezeigt) umfassen, der das HF-Signal demoduliert, um IQ-Datenpaare zu bilden, welche die Echosignale darstellen. Die HF- oder IQ-Signaldaten können dann zur temporären Speicherung an einen RF/IQ-Puffer 114 geleitet werden.
Eine Benutzereingabe 120, die als Benutzerschnittstelle konfiguriert sein kann, welche mit einer Tastatur, einer Maus, einer Steuerkugel, Reglerknöpfen, etc. ausgestattet sein kann, kann verwendet werden, um den Betrieb des Ultraschallsystems 100 zu steuern, wozu die Steuerung der Eingabe von Patientendaten, Abtastparametern, die Auswahl oder Identifizierung eines Brennpunktes oder einer Region von Interesse usw. gehört, wobei sie auch die Verwendung von über ein Mikrophon 114 gegebenen Sprachbefehlen umfas sen kann. Weitere andere Ausführungsformen können einen Satz von Benutzerreglern umfassen, die zur Steuerung des Ultraschallsystems 100 konfiguriert sein können und beispielsweise als Teil einer Touchscreen oder Bedienleiste und/oder als manuelle Eingaben, wie beispielsweise benutzerbedienbare Schalter, Knöpfe usw. zur Verfügung gestellt werden können. Der Satz von Benutzerreglern kann manuell oder per Stimme bedienbar sein.
Das Ultraschallsystem 100 umfasst auch den Prozessor 116 (z. B. ein Prozessormodul) zur Verarbeitung der erfassten Ultraschallinformationen (d. h. HF-Signaldaten oder IQ-Datenpaare) und zur Vorbereitung von Frames oder Volumen von Ultraschallinformationen zur Anzeige auf Display 118. Das Display 118 hat eine bekannte Auflösung, die in Bezug auf Pixel oder anhand anderer bekannter Parameter definiert werden kann. Der Prozessor 116 ist so angepasst, dass er die erfassten Ultraschallinformationen einer oder mehreren Verarbeitungsoperationen gemäß einer Vielzahl von auswählbaren Ultraschallmodalitäten unterziehen kann. Die erfassten Ultraschallinformationen können in Echtzeit während einer Abtastsitzung gleichzeitig mit dem Empfang der Echosignale verarbeitet werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die in Bezug auf das System 100 besprochenen Funktionen auf keinen bestimmten Typ von Ultraschallsystem beschränkt sind. Beispielsweise kann das System 100 innerhalb eines auf einem Rollwagen befindlichen Systems enthalten sein oder kann in einem kleineren, tragbaren System implementiert werden, wie in 2 besprochen.
2 illustriert ein 3D-fähiges Mini-Ultraschallsystem 130, das mit einer Sonde 132 ausgestattet ist, welche für die Erfassung von 3D-Ultraschalldaten konfiguriert ist. Obwohl dies nicht gezeigt wird, weist die Sonde 132 eine 2D-Anordnung von Wandlerelementen 104 sowie die tx-SAPs 124 und rx-SAPs 126 auf, wie zuvor in Bezug auf die Sonde 106 von 1 besprochen. Eine Benutzerschnittstelle 134 (die auch ein integriertes Display 136 umfassen kann) wird zum Empfang von Befehlen von einem Bediener bereitgestellt. So wie der Begriff "Mini-" hier verwendet wird, bedeutet er, dass es sich bei dem Ultraschallsystem 130 um eine in der Hand gehaltene oder tragbare Vorrichtung handelt beziehungsweise dass diese so konfiguriert ist, dass sie in der Hand einer Person, in einer Tasche, in einem Koffer von der Größe eines Aktenkoffers oder einem Rucksack getragen werden kann. Beispielsweise kann das Ultraschallsystem 130 eine tragbare Vorrichtung von der Größe eines typischen Laptopcomputers sein, der beispielsweise die Größe von ungefähr 2.5 Inches in der Tiefe, ungefähr 14 Inches in der Breite und ungefähr 12 Inches in der Höhe hat. Das Ultraschallsystem 130 kann ungefähr 10 Pfund wiegen und so vom Bediener leicht zu tragen sein. Es ist auch ein integriertes Display 136 (z. B. ein internes Display) vorhanden, wobei es so konfiguriert ist, dass es ein medizinisches Bild anzeigt.
Die Ultraschalldaten können über ein verkabeltes oder drahtloses Netzwerk 140 (oder eine direkte Verbindung wie beispielsweise über ein serielles oder paralleles Kabel oder einen USB-Port) an die externe Vorrichtung 138 gesendet werden. In einigen Ausführungsformen kann es sich bei der externen Vorrichtung 138 um einen Computer oder einen Arbeitsplatz handeln, der mit einem Display ausgestattet ist.
Alternativ kann die externe Vorrichtung 138 ein separates externes Display oder ein Drucker sein, der Bildgebungsdaten vom tragbaren Ultraschallsystem 130 empfangen und Bilder anzeigen oder drucken kann, die eine höhere Auflösung haben können als das integrierte Display 136.
Um ein weiteres Beispiel zu nennen, kann das Ultraschallsystem 130 ein 3D-fähiges Ultraschallsystem in Taschengröße sein. Beispielsweise kann das Ultraschallsystem in Taschengröße ungefähr 2 Inches breit, ungefähr 4 Inches lang und ungefähr .5 Inches tief sein und weniger als 3 Unzen wiegen. Das taschengroße Ultraschallsystem kann ein Display, eine Benutzerschnittstelle (d. h. eine Tastatur) und einen Eingangs/Ausgangs-(I/O)Port zur Verbindung der Sonde (allesamt nicht gezeigt) umfassen. Es sei darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Ausführungsformen im Zusammenhang mit einem Mini-Ultraschallsystem implementiert werden können, das andere Ausmaße, ein anderes Gewicht und einen anderen Stromverbrauch haben kann.
3 illustriert eine Apertur 170, die sich über die Vorderseite einer Ultraschallsonde erstreckt, wie beispielsweise der Sonde 106 von 1, die eine große Anzahl von Wandlerelementen 104 umfasst, die in Form einer 2D-Anordnung angeordnet sind. Die Apertur 170 ist in eine Vielzahl von Empfangs-Unteraperturen 172 unterteilt, die in dieser Ausführungsform als dreieckig illustriert werden. In diesem Beispiel gibt es 176 unterschiedliche Empfangs-Unteraperturen 172. Jede der Empfangs-Unteraperturen 172 besteht aus 15 Wandlerelementen 104 (1). Jede der Empfangs-Unteraperturen 172 ist durch ein rx-SAP, wie beispielsweise rx-SAP 126, mit einem Kanal des Strahlenformers 110 verbunden. Während des Ultraschallempfangs werden die Signale, die von den Wandlerelementen 104 empfangen werden, durch unabhängige Delays (oder Phasenverschieber) innerhalb des rx-SAPs 26 geleitet und zu einem einzigen Ausgang zusammengefasst, der mit dem dazugehörigen Systemkanal verbunden ist.
4 illustriert eine Übertragungs-Unterapertur 180 und einen Abschnitt 202 der Übertragungs-Unteraperturanordnung in einer 2D-Anordnung. Der Abschnitt 202 illustriert eine Vielzahl von Übertragungs-Unteraperturen 180, die in Form von nicht überlappenden rechteckigen Unteranordnungen angeordnet sind. Jede Übertragungs-Unterapertur 180 umfasst acht dreieckige Empfangs-Unteraperturen 172, von denen jede 15 Wandlerelemente 104 aufweist, wie zuvor besprochen. Daher weist die Übertragungs-Unterapertur 180 insgesamt 120 Wandlerelemente 104 auf, die so angeordnet sind, dass zehn benachbarte Wandlerelemente 104 sich entlang einer horizontalen (azimutalen) Achse 181 und zwölf benachbarte Wandlerelemente 104 sich entlang einer vertikalen (Elevations-)Achse 197 erstrecken. Es können andere Konfigurationen der Empfangs-Unteraperturen 172 verwendet werden. Die Übertragungs-Unterapertur 180 wird mit einer Vielzahl von Übertragungs-Unteraperturen über den gesamten Abschnitt 202 hinweg wiederholt. Jede der Übertragungs-Unteraperturen ist mit einer festen Gruppe von Wandlerelementen 104 verbunden, und jede der Übertragungs-Unteraperturen innerhalb des Abschnitts 202 ist mit einer anderen festen Gruppe von Wandlerelementen 104 verbunden. Beispielsweise ist die Übertragungs-Unterapertur 180 mit der festen Gruppe der 120 Wandlerelemente 104 verbunden, die von der ersten und zweiten Elementgruppe 198 und 200 gebildet wird.
Während der Übertragung eines Ultraschallimpulses aktivieren acht Kanäle, die mit acht Empfangs-Unteraperturen 182–194 verbunden sind, die Wandlerelemente 104 innerhalb der Übertragungs-Unterapertur 180. Wie im Folgenden besprochen, kann jedes der Wandlerelemente 104 mit einem beliebigen der acht Kanäle verbunden werden und ist nicht auf eine bestimmte Konfiguration der Empfangs-Unteraperturen 182–194 beschränkt.
In einer Ausführungsform werden die Signale, die von vier benachbarten Empfangs-Unteraperturen 172 entlang der horizontalen Achse 181 empfangen wurden, wie beispielsweise von der ersten, zweiten, dritten und vierten Empfangs-Unterapertur 182, 184, 186 und 188, innerhalb eines ersten integrierten Schaltkreises verarbeitet, der vier rx-SAPs (nicht gezeigt) umfasst, und die Signale, die von der fünften, sechsten, siebten und achten Empfangs-Unterapertur 190, 192, 194, und 196 empfangenen werden, werden innerhalb eines zweiten integrierten Schaltkreises (nicht gezeigt) verarbeitet, der mit dem ersten integrierten Schaltkreis identisch sein kann. Die Empfangs-Unteraperturen eins bis vier 182–188 bilden eine erste Elementgruppe 198 und die Empfangs-Unteraperturen fünf bis acht 190–196 bilden eine zweite Elementgruppe 200. Erste und zweite Elementgruppe 198 und 200 werden innerhalb des Abschnitts 202 jeweils auch als Elementgruppen k1 und k1 + 1 bezeichnet. Eine zweite Übertragungs-Unterapertur 204 innerhalb des Abschnitts 202 weist eine erste und zweite Gruppe 206 und 208 auf, die jeweils Elementgruppen k1 + 2 und k1 + 3 umfassen.
5 illustriert ein schematisches Blockdiagramm, das konzeptionell die Verwendung eines Kreuzpunkt-Schalters zeigt, um die Wandlerelemente 104 während der Übertragungs operation mit den Systemkanälen zu verbinden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Empfangsschaltkreise vernachlässigt wurden. Es werden ein erster, zweiter, dritter und vierter Kreuzpunkt-Schalter 210, 212, 214 und 216 illustriert, wobei jeder von ihnen eine Vielzahl von Schaltern (nicht gezeigt) enthält, die zur Verbindung der Wandlerelemente 104 und der Systemkanäle dient. Jeder der Kreuzpunkt-Schalter eins bis vier 210–216 ist konfiguriert und weist eine erste Seite 226 auf, die mit den Wandlerelementen 104 verbunden ist, und eine zweite Seite 228, die mit den Systemkanälen verbunden ist. Es sei darauf hingewiesen, dass obwohl nicht alle der Kreuzpunkt-Schalter besprochen werden, die Beschreibungen auch auf die anderen Kreuzpunkt-Schalter zutreffen. Der erste Kreuzpunkt-Schalter 210 ist mit der ersten Elementgruppe 198 (Elementgruppe k1) verbunden und der zweite Kreuzpunkt-Schalter 212 ist mit der zweiten Elementgruppe 200 (Elementgruppe k1 + 1) verbunden. Acht Kanäle sind mit jedem der Kreuzpunkt-Schalter verbunden und übermitteln Signale jeweils vom und zum Systemsender 102 und den Empfängern 108 von 1. Die Kanäle werden als Gruppen von vier Kanälen illustriert, wobei erste und zweite Kanalgruppe 218 und 220 mit erstem und zweitem Kreuzpunkt-Schalter 210 und 212 verbunden ist, und dritte und vierte Kanalgruppe 222 und 224 mit dem dritten und vierten Kreuzpunkt-Schalter 214 und 216 verbunden ist. Beispielsweise kann die Kombination von erstem und zweiten Kreuzpunkt-Schalter 210 und 212 als tx-SAP 124 bezeichnet werden, und die Kombination von drittem und vierten Kreuzpunkt-Schalter 214 und 216 kann als ein tx-SAP 124 bezeichnet werden, wobei jeder der tx-SAPs 124 mit acht Systemübertragungskanälen verbunden ist, um die 120 Wandlerelemente 104 anzutreiben.
Jedes der Wandlerelemente 104 kann unter Verwendung des Kreuzpunkt-Schalters mit einem, mehr als einem oder jedem der dazugehörigen Kanäle verbunden werden. Für ein gegebenes Wandlerelement 104 und einen gegebenen Übertragungsvektor kann höchstens ein Schalter innerhalb des Kreuzpunkt-Schalters geschlossen werden. In diesem Beispiel sind 60 Wandlerelemente 104 innerhalb der ersten Elementgruppe 198 vorhanden, und die erste und zweite Kanalgruppe 218 und 220 liefern acht Kanäle, die sowohl Übertragungs- als auch Empfangsoperationen vornehmen können. Daher können bis zu acht Schalter innerhalb des Kreuzpunkt-Schalters 210 für jedes der Wandlerelemente 104 (für insgesamt 480 Schalter) vorhanden sein, so dass jedes der Wandlerelemente 104 mit jedem der Kanäle innerhalb der ersten und zweiten Kanalgruppe 218 und 220 verbunden werden kann. Für einen gegebenen Übertragungsvektor wird der Kreuzpunkt-Schalter so programmiert werden, dass er auswählt, welcher der 480 Schalter in dem Kreuzpunkt-Schalter zu schließen ist. Die Auswahl kann auf der Grundlage von Verzögerungen erfolgen, die mit einem bestimmten Wandlerelement 104 im Zusammenhang stehen, wie im Folgenden besprochen. Es werden gleichzeitig maximal 60 Schalter (einer für jedes Wandlerelement 104) geschlossen.
Alternativ kann ein Kreuzpunkt-Schalter geliefert werden, der eine geringere Gesamtanzahl von internen Schaltern aufweist. Daher können eines oder mehrere Wandlerelemente 104 mit einem oder mehreren Kanälen verbunden werden, jedoch mit weniger als acht Kanälen. Beispielsweise können zwei oder vier Schalter anstelle von acht Schaltern für jedes der Wandlerelemente 104 verfügbar sein, um jeweils mit zwei oder vier Kanälen verbunden zu werden. In einem weiteren Beispiel kann ein Subsatz von Wandlerelementen 104 mit einem einzigen Schalter ausgestattet sein, so dass das Wandlerelement 104 immer mit demselben Kanal verbunden wird, wenn es für die Übertragung verwendet wird. In diesem Fall können andere Wandlerelemente 104 mit mehreren Schaltern ausgestattet werden. Durch die Reduktion der Anzahl von Schaltern durch "Schonung" des Kreuzpunkt-Schalters wird die Menge des Siliziumbereiches reduziert, der für die Herstellung eines integrierten Schaltkreises notwendig ist.
6 illustriert ein Beispiel für eine Übertragungskonfiguration. Eine Apertur 420 wird so illustriert, dass sie eine 2D-Anordnung von Wandlerelementen 104 aufweist. In diesem Beispiel umfasst die 2D-Anordnung 60 × 48 Wandlerelemente 104. Die 2D-Anordnung ist in 24 Übertragungs-Unteraperturen unterteilt, wie beispielsweise eine erste, zweite und dritte Übertragungs-Unterapertur 422, 424 und 426, wobei jede eine 2D-Anordnung von 10 × 12 Wandlerelementen 104 aufweist. Nicht alle Übertragungs-Unteraperturen werden durch Kennziffern identifiziert.
Die Wandlerelemente 104 innerhalb jeder Übertragungs-Unterapertur sind mit einem Systemkanal verbunden, um eine Übertragungskonfiguration auf der Grundlage einer Strahlensteuerungsrichtung zu bilden. Die Strahlensteuerungsrichtung kann auf der Grundlage von einem oder mehreren Brennpunkten erfolgen, wobei der Brennpunkt in diesem Beispiel gerade nach unten von der Sondevorderseite aus gesehen oder gerade in Bezug auf das Sichtfeld der Sonde verläuft. Die Wandlerelemente 104 der zweiten Übertragungs-Unterapertur 424 werden detaillierter beschrieben. Verschiedene Sätze von Wandlerelementen 104 innerhalb der zweiten Übertragungs-Unterapertur 424 sind unterschiedlichen Kanälen innerhalb der acht Systemkanäle zugeordnet.
Beispielsweise kann der erste Satz 428, zweite Satz 430, dritte Satz 432, vierte Satz 434, fünfte Satz 436, sechste Satz 438, siebte Satz 440 und achte Satz 442 der Wandlerelemente 104 jeweils dem ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften, sechsten, siebten und achten Systemkanal (nicht gezeigt) zugeordnet werden
7 illustriert eine Apertur 450, die eine Übertragungskonfiguration aufweist, die so zugeordnet ist, dass sie den Fokus zu einer Seite steuert. Die Apertur 450 ist wiederum in 24 Übertragungs-Unteraperturen unterteilt, wobei Übertragungs-Unterapertur 452 gekennzeichnet ist. Die Strahlensteuerungsrichtung verläuft zu einer Seite des Sichtfeldes der Sonde 106 hin. Die Wandlerelemente 104 der Übertragungs-Unterapertur 452 sind, wie gezeigt, den Systemkanälen (nicht gezeigt) in der Übertragungskonfiguration zugeordnet. Erster Satz 454, zweiter Satz 456, dritter Satz 458, vierter Satz 460, fünfter Satz 462, sechster Satz 464, siebter Satz 466 und achter Satz 468 der Wandlerelemente 104 können dem ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften, sechsten, siebten und achten Systemkanal zugeordnet werden.
8 illustriert ein Verfahren zur Bestimmung einer Zuordnung der Wandlerelemente 104 zu den Kanälen während der Übertragung. Das Verfahren kann für jede Übertragungs-Unterapertur 180 durchgeführt werden und wird im Verlauf der Ultraschalluntersuchung wiederholt vorgenommen, um die Ultraschallstrahlen dynamisch zu fokussieren. Bei 270 berechnet der Prozessor 116 (wie in 1 gezeigt) eine Verzögerung für jedes Wandlerelement 104. Die Verzögerungen können unter Verwendung von bekannten Techniken berechnet werden und können auf der Grundlage von Einstellungsinformationen zur Richtung (oder zur Strahlensteuerung) erfol gen, welche für die Übertragungs-Unterapertur spezifisch sind, wie beispielsweise beruhend auf einem Brennpunktes, dem lokalen Steuerwinkel oder der Richtung und/oder der Position innerhalb der Apertur 170 (3) der Sonde 106. Alternativ können die Verzögerungen vom Strahlformer 110 und/oder dem Unterapertur-Regler 128 berechnet werden. Bei 272 vergleicht der Prozessor 116 die Verzögerungen, um die maximale und die minimale Verzögerung zu bestimmen. Bei 274 ordnet der Prozessor 116 die maximale Verzögerung und die minimale Verzögerung zwei separaten Kanälen zu, und bei 276 ordnet der Prozessor 116 den verbleibenden Kanälen intermediäre Verzögerungswerte zu.
Beispielsweise kann der Prozessor 116 die Verzögerungen für jedes der Wandlerelemente 104 innerhalb der erste Elementgruppe 198 von 5 bestimmen. Um nur ein Beispiel zu nennen, kann die minimale Verzögerung Null betragen und einem ersten Kanal innerhalb der erste Kanalgruppe 218 zugeordnet werden. Die maximale Verzögerung kann 500 Nanosekunden betragen und kann einem vierten Kanal innerhalb der zweiten Kanalgruppe 220 zugeordnet werden. Die intermediären Verzögerungswerte beruhen auf der maximalen und der minimalen Verzögerung und können beispielsweise durch die Verwendung von Einheitsquantifizierung bestimmt werden. Die intermediären Verzögerungswerte werden dann den verbleibenden sechs Kanälen zugeordnet. Es sei darauf hingewiesen, dass eine beliebige der Verzögerungen einem beliebigen Kanal zugeordnet werden kann und dass sie nicht auf das hier besprochene sequenzielle Beispiel beschränkt sind.
In einer anderen Ausführungsform kann die Zuordnung von Wandlerelement 104 zu Kanal sowie die Kanalverzöge rungsverteilung (wie sie bei 274 und 276 festgelegt worden ist) gemäß eines minimierten Optimierungs-Kriteriums eingestellt werden. Bei solchen Kriterien kann es sich um einen durchschnittlichen Quadratmittel-Verzögerungsfehler oder die Minimierung des maximalen Seitenlappenniveaus des übertragen Strahlenprofils handeln.
Bei 278 vergleicht der Prozessor 116 die Verzögerung jedes Wandlerelementes 104 mit jeder der acht Verzögerungen, die den acht Kanälen zugeordnet worden sind, um die kleinste Größe des Verzögerungsfehlers für jedes Wandlerelement 104 zu bestimmen. Bei 280 kann der Prozessor 116 bestimmen, ob ein Belastungsausgleich durchgeführt werden soll, um die Abweichungen zwischen den Kanälen zu minimieren. Einige der acht Kanäle innerhalb der ersten und zweiten Kanalgruppe 218 und 220 können im Vergleich zu anderen Kanälen viel mehr zugeordnete Wandlerelemente 104 haben, so dass für einen gegebenen Übertragungsvektor die elektrische Belastung der verschiedenen Übertragungskanäle nicht gleich ausfällt. Wenn die Systemsender 102 eine finite Ausgangsimpedanz und eine unterschiedliche Belastung auf jedem Kanal haben, kann das zu einigen zusätzlichen Amplituden- und/oder Verzögerungsabweichungen führen. Der Serienwiderstand des Sondenkabels 142 kann ebenfalls ähnliche Fehler verursachen, sofern nicht ein Belastungsausgleich durchgeführt wird. Daher kann das Verfahren zu 274 und/oder 276 zurückkehren, um die Verzögerungswerte zu modifizieren, die einem oder mehreren der Kanäle zugeordnet sind, und die kleinste Größe des Verzögerungsfehlers für jedes Wandlerelement 104 auf der Grundlage der angepassten Verzögerungswerte bestimmen.
Bei 282 programmiert oder steuert der Unteraperturregler 128 die Kreuzpunkt-Schalter 210, um die Wandlerelemente 104 mit demjenigen dazugehörigen Kanal zu verbinden oder diesem zuzuordnen, bei welchem sich auf der Grundlage von Informationen vom Prozessor 116 der kleinste absolute Verzögerungsfehler ergibt. Dadurch wird eine Übertragungskonfiguration für die Übertragungs-Unterapertur gebildet. Jede Übertragungs-Unterapertur kann verschiedene Übertragungskonfigurationen haben, und die Übertragungskonfiguration kann sich von Strahl zu Strahl und für eine Übertragungs-Unterapertur über die Zeit hinweg gemäß den Bedienereingaben verändern, wie beispielsweise bei verschiedenen Brennpunkten. Setzt man das obige Beispiel fort, so wird der Kreuzpunkt-Schalter 210 so programmiert, dass er jedes der Wandlerelemente 104 in der erste Elementgruppe 198 während der Übertragungsoperation mit einem der Kanäle innerhalb der ersten und zweiten Kanalgruppe 218 und 220 verbindet. Optional kann der Kreuzpunkt-Schalter 210 nicht alle der Wandlerelemente 104 während jeder Übertragungsoperation verbinden. Die Übertragungskonfigurations-Informationen werden an den Strahlformer 110 und/oder Sender 102 übertragen, wozu auch die Übermittlung der Verzögerungen gehört, die jedem der Systemkanäle den Sendern 102 zugeordnet wurden.
Typischerweise resultieren kleine Verzögerungsfehler in Übertragungsvektoren, die kleine Steuerwinkel haben. Die Größe der Verzögerungsfehler kann mit zunehmendem Ausmaß der Steuerung steigen. Um das Strahlenprofil für Übertragungsstrahlen, die größere Steuerwinkel haben, zu verbessern, kann der maximale Verzögerungswert beispielsweise auf zwei Perioden der übertragenen Zentralfrequenz beschränkt werden. Wandlerelemente 104, die größere Verzögerungen ha ben, können in diesen Bereich "gewickelt" werden, indem eine Zeit hinzugefügt oder subtrahiert wird, welche einer Periode der Zentralfrequenz entspricht, um das gewünschte Phasenverhältnis der Wellenform beizubehalten. Alternativ können die Wandlerelemente 104, welche Verzögerungen aufweisen, die in Relation sehr groß sind, während der Übertragung ausgeschaltet werden, indem das Wandlerelement 104 einem beliebigen Kanal zugeordnet wird. Dies würde allerdings in einigen Graden von Schonung während der Übertragung resultieren. Die Schonung kann minimal sein, kann aber bei einigen der Übertragungs-Unteraperturen 180 über die Anordnungsoberfläche oder Apertur 170 der Sonde 106 hinweg für bestimmte Richtungen im Raum auftreten.
Zusätzlich kann jedes Schalterelement innerhalb des Kreuzpunkt-Schalters 210 einen finiten An-Widerstand haben. Der Widerstand kann so gewählt werden, dass er wesentlich geringer ist als eine erwartete elektrische Ladung (die elektrische Impedanz der Wandlerelemente plus Verbindungskapazität). Dadurch kann die Hitzegenerierung minimiert und die Herstellungsbeständigkeit verbessert werden. Zusätzlich können sondeninterne Energieverluste reduziert werden, wenn das Übertragungssignal aus einem Sinuslinien-Burst an der Zentralfrequenz f0 mit einer relativ geringen Menge von harmonischen Schwingungen bei 2·f0, 3·f0, 4·f0, usw. besteht.
Die Verzögerungsfehler sind sowohl für die verschiedenen Übertragungskanäle innerhalb eines Übertragungsvektors als auch zwischen den verschiedenen Übertragungsvektoren von Belang. Wenn beispielsweise der Übertragungsvektor orthogonal zur Vorderseite der Sonde 106 mit einem Fokus auf einen infiniten Bereich liegt, sollten alle Wandlerele mente 104 dieselbe Verzögerung, wie beispielsweise ein Verzögerung von Null, haben. In diesem Fall ist es wünschenswert, allen acht Übertragungskanälen innerhalb der ersten und zweiten Kanalgruppe 218 und 220 ein im Wesentlichen gleiches Signal zuzuordnen und fünfzehn Wandlerelemente mit jedem der acht Kanäle zu verbinden, anstatt die 120 Wandlerelemente 104 mit einem Kanal zu verbinden, und die verbleibenden sieben Kanäle nicht zu verwenden. In diesem Beispiel kann ein Belastungsausgleich (280 of 8) erreicht werden, indem die Wandlerelemente 104 neu auf die Kanäle verteilt werden. In anderen Ausführungsformen können verschiedene intermediäre Verzögerungen ausgewählt werden, um die Umverteilung zu erreichen.
Die größere Größe der Übertragungs-Unterapertur 180 in Bezug auf die Empfangs-Unteraperturen, wie beispielsweise die erste bis achte Empfangs-Unterapertur 182–196 von 4, kann dazu beitragen, Verzögerungsfehler zu reduzieren, die während der Übertragung mit den Wandlerelementen 104 verbunden sind. Typische Empfangs-Unteraperturgrößen liegen im Bereich von 15–25 Wandlerelementen 104, während die Übertragungs-Unterapertur 180 in einer Ausführungsform 120 Wandlerelemente 104 aufweist. In einer Ausführungsform kann die gesamte Anordnung mit einem Kreuzpunkt-Schalter umfasst werden, wodurch alle Wandlerelemente 104 mit allen Kanälen verbunden werden.
In einigen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, die Übertragungselektronik auf dieselbe Weise zu unterteilen wie die Empfangselektronik. Das ist selbst dann möglich, wenn die Übertragungs-Unterapertur zwei Empfangs-ASICs umspannt. Kehrt man beispielsweise zu 4 zurück, so werden, wie zuvor besprochen, die erste bis vierte Emp fangs-Unterapertur 182–188 von einem ersten Empfangs-ASIC und die fünfte bis achte Empfangs-Unterapertur 190–196 von einem zweiten Empfangs-ASIC verarbeitet. 5 illustriert, wie Paare von Übertragungs-ASICs, jeder einen Kreuzpunkt-Schalter von der Größe von 8 × 15 umfassend, verbunden werden können, um die Topologie von 4 zu ergeben.
9 illustriert eine Übertragungs/Empfangs-Architektur 300 für einen tx-SAP unter Verwendung einer Kreuzpunkt-Schaltermatrix 310, die einen ersten, zweiten, dritten und vierten Kreuzpunkt-Schalter 360, 362, 364 und 366 umfasst. Es werden ein erster, zweiter, dritter und vierter rx-SAPs 302, 304, 306 und 308 illustriert. Die Architektur 300 umfasst nur eine Hälfte eines Übertragungs-SAP. Der erste, zweite, dritte und vierte Eingabe-Übertragungs/Empfangs-(t/r)Schalter 312, 314, 316 und 318 sind mit Empfangseingabeleitungen 328, 330, 332 und 334 jeweils mit den Eingängen des ersten bis vierten rx-SAPs 302–308 verbunden. Erster, zweiter, dritter und vierter Ausgangs-t/r-Schalter 320, 322, 324 und 326 mittels Empfangsausgangsleitungen 336, 338, 340 und 342 jeweils mit den Ausgängen des ersten bis vierten rx-SAPs 302–308 verbunden. Während der Übertragung schalten der erste, zweite, dritte und vierte Eingang-t/r-Schalter 312–318 und der erste bis vierte Ausgangs-t/r-Schalter 320–326 jeweils die Eingänge und Ausgänge der ersten bis vierten rx-SAPs 302–308 ab, um den ersten bis vierten rx-SAPs 302–308 vor den Hochspannungs-Übertragungsimpulsen zu schützen. Während des Empfangszeitraumes sind die Eingangs- und Ausgangs-t/r-Schalter 312–326 geschlossen. Alle Schalter im Inneren der Kreuzpunkt-Schaltermatrix 310 werden während des Empfangs geöffnet, so dass der rx-SAP-Ausgang nicht abgeschaltet wird.
Der Kreuzpunkt-Schalter 360–366 sowie die inneren Strahlformereinstellungen, die in 9 jeweils als Eingänge cfg0, cfg1, cfg2 und cfg3 in die rx-SAPs 302, 304, 306 und 308 illustriert werden, können beispielsweise unter Verwendung einer Kette von Schieberegistern gesteuert werden, obwohl auch eine andere Systemarchitektur verwendet werden kann. Jedem der Schalter im Inneren der Kreuzpunkt-Schalter 360–366 in einem ASIC kann ein Bit im Schieberegister zugeteilt werden und der Wert dieses Bit bestimmt, ob der Schalter offen oder geschlossen ist.
10 illustriert, wie die Funktionen der Architektur 300 aus 9 in zwei Abschnitte aufgeteilt werden können, nämlich einen tx-SAP 350 und einen rx-SAP 352. In einer Ausführungsform werden tx- und rx-SAPs 350 und 352 auf zwei separaten Siliziumchips gebildet. Der tx-SAP 350 wird typischerweise unter Verwendung einer hochspannungsfähigen Siliziumtechnologie gebildet, da typische Übertragungsimpulse +/– 50–100 Volt betragen, während der rx-SAP 352 in einem standardmäßigen Niederspannungs-Siliziumprozess gebildet werden kann. Die zwei Chips können dann übereinander gestapelt werden. Alternativ kann eine einzelne Chipkonfiguration auf der Grundlage einer Siliziumverarbeitung möglich sein, die für hohe Spannungen und rauscharmes Analogdesign sowie digitale Steuerung geeignet ist. Optional kann digitale Steuerungselektronik als dritter Chip dem Stapel hinzugefügt werden.
11 illustriert die Stapelung von tx- und rx-SAP-Chips 354 und 356. Die Stapelkonfiguration ist kompakt und reduziert die Anzahl von erforderlichen Off-Chip-Verbindungen. Beispielsweise sind die fünfzehn Empfangseinga beleitungen 328–334 (wie in 9 gezeigt) und die Empfangsausgangsleitungen 336–342 nur zwischen den tx- und rx-SAP-Modellformen 354 und 356 verbunden, und so kann eine äußere Verbindung beziehungsweise können äußere Verbindungen mit anderen integrierten Schaltkreisen (ICs) vermieden werden.
Was nun wiederum 9 anbelangt, so können in einer Ausführungsform der erste bis vierte Eingangs-t/r-Schalter 312–318, der erste bis vierte rx-SAP 302–308 und der erste bis vierte Ausgangs-t/r-Schalter 320–326 entfernt werden. In diesem Beispiel würde der erste bis vierte Kreuzpunkt-Schalter 360–366 als Zweiweg-Schalter verwendet werden, so dass sie jeweils die ausgewählte Gruppe von Wandlerelementen 104 mit dem Systemsender 102 und den Emüpfängern 108 verbinden, und zwar sowohl während der Übertragungs- als auch der Empfangsoperation. Bei dieser Ausführungsform ist daher weniger Elektronik erforderlich.
12 illustriert ein Beispiel für die Verwendung eines Kreuzpunkt-Schalters, um die Systemkanäle jeweils für die Übertragungs- und Empfangsoperationen mit den Übertragungs- und Empfangs-Unteraperturen zu verbinden. Optional kann ein Vorverstärker 370 zwischen den Kreuzpunkt-Schaltern 372 und 374 und der Kanalgruppe 376 platziert werden. Übertragungs/Empfangs-Schalter 378 und 380 können auf beiden Seiten des optionalen Vorverstärkers 370 platziert und während der Übertragungsoperation geöffnet sowie während der Empfangsoperation geschlossen werden. Beim Signalempfang kann der Kreuzpunkt-Schalter 372 so programmiert werden, dass er die Wandlerelemente 104 innerhalb der Empfangs-Unteraperturen, die aus der Elementgruppe k1 bestehen, mit einem der ersten bis vierten Kanäle, wie bei spielsweise dem ersten Kanal 382, verbindet, und der Kreuzpunkt-Schalter 374 kann so programmiert werden, dass er die Wandlerelemente 104 innerhalb der Empfangs-Unteraperturen, welche aus der Elementgruppe k1 + 1 bestehen, beispielsweise mit dem zweiten Kanal 384, verbindet. Bei den Kreuzpunkt-Schaltern 372 und 374 kann eine eingestellte Empfangskonfiguration zur Zuordnung der Wandlerelemente 104 zu einem bestimmten Kanal während der Empfangsoperation verwendet werden, welche sich von der Übertragungskonfiguration unterscheidet.
13 illustriert Ausführungsformen von vier verschiedenen Konfigurationen der Übertragungs-Unteraperturen, die verwendet werden können, um die Ultraschallstrahlen während der Übertragung zu steuern. Es werden eine erste, zweite, dritte und vierte Übertragungskonfiguration 230, 232, 234 und 236 gezeigt. Eine Übertragungskonfiguration kann auf der Grundlage von mindestens der lokalen Steuerungsrichtung für jede Übertragungs-Unterapertur ausgewählt werden, um die Strahlen in eine gewünschte Richtung zu steuern. In einer Ausführungsform kann jede Gruppe von vier dreieckigen Empfangs-Unteraperturen mit vier Systemkanälen verbunden werden.
Was nun wiederum 4 anbelangt, so ist die Übertragungs-Unterapertur 180 in die erste und zweite Elementgruppe 198 und 200 unterteilt, die in Bezug aufeinander in einer horizontalen und gestapelten Konfiguration angeordnet sind. Die Konfiguration von 4 wird als erste Übertragungskonfiguration 230 illustriert, wobei die erste Elementgruppe 238 und die zweite Elementgruppe 240 in Bezug aufeinander horizontal und gestapelt sind. Die zweite Übertragungskonfiguration 232 unterteilt die Übertragungs- Unteraperturen in die erste und zweite Elementgruppe 242 und 244, die in Bezug aufeinander nebeneinander liegen. Bei der dritten Übertragungskonfiguration 234 werden die Übertragungs-Unteraperturen diagonal in erste und zweite Elementgruppe 246 und 248 unterteilt, und die vierte Übertragungskonfiguration 236 unterteilt die Übertragungs-Unteraperturen diagonal in erste und zweite Elementgruppe 250 und 252. Um nur ein Beispiel zu nennen, kann die erste Übertragungskonfiguration 230 den Strahl in Bezug auf die Ebene der Figur nach oben und unten steuern, die zweite Übertragungskonfiguration 232 kann den Strahl nach rechts und links steuern, die dritte Übertragungskonfiguration 234 kann den Strahl zur oberen linken und unteren rechten Ecke und die vierte Übertragungskonfiguration 236 kann den Strahl zur oberen rechten und unteren linken Ecke steuern.
14 illustriert eine Übertragungsapertur 254, bei der sich der Brennpunkt 256 nach außen weg von der Ebene der illustrierten Übertragungsapertur 254 und hin zur oberen rechten Ecke der Übertragungsapertur 254 befindet. Mit anderen Worten ist der illustrierte Brennpunkt 256 die Projektion der eigentlichen Brennpunktposition. Die Übertragungsapertur 254 ist in eine Vielzahl von Übertragungs-Unteraperturen unterteilt, von denen jede eine erste und zweite Wandlerelementgruppe aufweist. Eine Vielzahl von Verzögerungslinien 258 gibt Bereiche durch die Übertragungsapertur 254 an, welche dieselbe Verzögerung haben, wobei die Richtung der Verzögerungslinien von der ausgewählten Steuerungsrichtung und den Brennpunkten für den Übertragungsstrahl abhängt. In diesem Beispiel ist jede der Übertragungs-Unteraperturen individuell so konfiguriert, dass sie eine gewünschte Steuerung in Bezug auf den Brennpunkt 256 erreicht. Beispielsweise ist die erste Unteraper tur 260 in der vierten Übertragungskonfiguration 236 konfiguriert und die zweite Unterapertur 262 ist in der zweiten Übertragungskonfiguration 232 konfiguriert.
15 illustriert eine Hardware-Implementierung für die Ausführungsform von 13 und 14. Es kann eine kleinere Kreuzpunkt-Schaltermatrix 390 verwendet werden, wobei ihr eine Multiplexermatrix 392 vorausgeht, die entsprechend der gewünschten Gruppenkonfiguration (erste Übertragungskonfiguration 230, zweite Übertragungskonfiguration 232, etc.) programmiert ist. Der Übertragungsstrom, der durch die Multiplexermatrix 392 fließt, ist viel höher als der Strom, der durch die Kreuzpunkt-Schaltermatrix 390 fließt. Daher kann der on-Widerstand der Multiplexermatrix 392 geringer sein als der on-Widerstand der Kreuzpunkt-Schalter innerhalb der Kreuzpunkt-Schaltermatrix 390, und zwar beispielsweise mindestens um einen Faktor von 4. Die Zuordnungen von Wandlerelementen 104 zu Kanalverzögerungen und die Schalterprogrammierung können so bestimmt werden, wie dies zuvor im Zusammenhang mit 8 beschrieben wurde.
16 illustriert eine Ausführungsform, bei der eine Übertragungs-Unterapertur 400 eine Vielzahl von quadratischen Empfangs-Unteraperturen 402 umfasst. In diesem Beispiel weist jede Übertragungs-Unterapertur 400 vier Empfangs-Unteraperturen 402 auf. Die Übertragungs-Unterapertur 400 kann in erste und zweite Elementgruppe 404 und 406 unterteilt werden, wie dies zuvor in 4 besprochen wurde. Die erste und zweite Elementgruppe 404 und 406 werden in der ersten Übertragungskonfiguration 230 illustriert (wie in 13 gezeigt) und können auch in der zweiten Übertragungskonfiguration 232 konfiguriert werden.
Ein technischer Effekt von mindestens einer Ausführungsform besteht in der Unterteilung der Wandlerelemente einer Sonde während der Übertragungsoperation in nicht überlappende rechteckige Übertragungs-Unteraperturen, um den Übertragungsstrahl in eine gewünschte Richtung zu steuern. Jede der Übertragungs-Unteraperturen kann mehr als eine Empfangs-Unterapertur umfassen. Die Übertragungs-Unteraperturen kann individuell in verschiedenen Übertragungskonfigurationen konfiguriert werden. Um die Verzögerungsfehler zu reduzieren, werden die Wandlerelemente innerhalb jeder Übertragungs-Unterapertur einem Systemkanal zugeordnet, und zwar auf der Grundlage der Verzögerung des bestimmten Wandlerelements.
Es sei darauf hingewiesen, dass die obige Beschreibung illustrativen Zwecken dienen und keinesfalls einschränkend sein soll. Beispielsweise können die oben beschriebenen Ausführungsformen (und/oder Aspekte von diesen) in Kombination miteinander verwendet werden. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material den Erkenntnissen der Erfindung anzupassen, ohne dass dabei eine Abweichung von deren Schutzumfang vorliegt. Während die hier beschriebenen Dimensionen und Materialtypen die Parameter der Erfindung definieren sollen, sollen sie nicht einschränkend sein, wobei sie beispielhafte Ausführungsformen darstellen. Für auf diesem Gebiet fachkundige Personen werden beim Lesen der oben stehenden Beschreibung viele Ausführungsformen offenkundig sein. Daher sollte der Schutzumfang der Erfindung in Bezug auf die angehängten Patentansprüche bestimmt werden, und zwar zusammen mit dem vollen Schutzumfang der Äquivalente, zu welchen solche Patentan sprüche berechtigen. In den angehängten Patentansprüchen werden die Begriffe "enthaltend" und "in welchem/in welcher" als Äquivalente der entsprechenden deutschen Ausdrücke "umfassend" und "worin" verwendet. Außerdem werden in den folgenden Patentansprüchen die Begriffe "erste(r)" "zweite(r)" und "dritte(r)" etc. lediglich als Kennzeichnung verwendet und sollen keine numerischen Anforderungen in Bezug auf deren Objekte aufstellen. Weitere Einschränkungen der folgenden Patentansprüche sind nicht in Mittel-Plusfunktionsformat geschrieben und sollen nicht auf der Grundlage von 35 U.S.C. § 112, Paragraph sechs interpretiert werden, sofern nicht und bis bei solchen Ansprucheinschränkungen explizit der Ausdruck "Mittel für" verwendet wird, gefolgt von einer Aussage über die Funktion, die keine weitere Struktur enthält.
Ein Ultraschallsystem 100 umfasst eine Sonde 106, die eine zweidimensionale 2D Anordnung von Wandlerelementen 104 umfasst, die eine Apertur 170 bilden, welche eine Vielzahl von Empfangselementen aufweist, die so konfiguriert sind, dass sie Ultraschallsignale empfangen. Die Wandlerelemente 104 bilden mindestens eine Übertragungs-Unterapertur, die so konfiguriert ist, dass sie mit einer festen Gruppe der Wandlerelemente 104 innerhalb der Apertur 170 verbunden wird. Sender 102 generieren elektrische Übertragungssignale, und mindestens ein Übertragungs-Unterapertur-Prozessor tx-SAP 124 ordnet die Wandlerelemente 104 innerhalb der festen Gruppe von Wandlerelementen 104 den Sendern 102 in einer Übertragungskonfiguration auf der Grundlage einer Strahlensteuerungsrichtung zu.

100: Ultraschallsystem
102: Sender
104: Senderelement
106: Sonde
108: Empfänger
110: Strahlformer
112: Prozessor
114: HF/IQ-Puffer
116: Systemprozessor
118: Display
120: User-Eingabe
124: tx SAP
126: rx SAP
128: SAP-Kontroller
130: Ultraschallsystem
132: Sonde
134: Nutzer-Interface
136: Display
138: Externe Einrichtung
140: Drahtlosnetzwerk
142: Kabel
144: Mikrophon
170: Apertur
172: Teilaperturen
180: Teilaperturen
181: H-Achse
182–196: Teilaperturen
197: V-Achse
198: Erste Elementegruppe
200: Zweite Elementegruppe
202: Teil
204: Zweite Übertr.-Unterapertur
206: Erste Gruppe
208: Zweite Gruppe
210: Erster Kreuzpunktschalter
212: Zweiter Kreuzpunktschalter
214: Dritter Kreuzpunktschalter
216: Vierter Kreuzpunktschalter
218: Erste Kanalgruppe
220: Zweite Kanalgruppe
222: Dritte Kanalgruppe
224: Vierte Kanalgruppe
226: Erste Seite
228: Zweite Seite
230: Erste Übertragungskonfiguration
232: Zweite Übertragungskonfiguration
234: Dritte Übertragungskonfiguration
236: Vierte Übertragungskonfiguration
238: Erste Elementgruppe
240: Zweite Elementgruppe
242: Erste Elementgruppe
244: Zweite Elementgruppe
246: Erste Elementgruppe
248: Zweite Elementgruppe
250: Erste Elementgruppe
252: Zweite Elementgruppe
254: tx Apertur
256: Brennpunkt
258: Verzögerungsleitung
260: Erste Teilapertur
262: Zweite Teilapertur
300: T/R Architektur
302: Erster Verbindungspunktschalter
304: Zweiter Verbindungspunktschalter
306: Dritter Verbindungspunktschalter
308: Vierter Verbindungspunktschalter
310: Kreuzpunktmatrix
312: Erster T/R-Schalter
314: Zweiter T/R-Schalter
316: Dritter T/R-Schalter
318: Vierter T/R-Schalter
320: Erster Ausgang T/R-Schalter
322: Zweiter Ausgang T/R-Schalter
324: Dritter Ausgang T/R-Schalter
326: Vierter Ausgang T/R-Schalter
328–334: Empfangseingangsleitungen
336–342: Empfangsausgangsleitungen
350: tx SAP
352: rx SAP
354: Chips
356: Chips
360: Erster Verbindungspunktschalter
362: Zweiter Verbindungspunktschalter
364: Dritter Verbindungspunktschalter
366: Vierter Verbindungspunktschalter
370: Vorverstärker
372: Kreuzschalter
374: Kreuzschalter
376: Kanalgruppe
378: T/R-Schalter
380: Optischer Vorverstärker
382: 1. Kanal
384: 2. Kanal
390: Kreuzschaltermatrix
392: MUX Matrix
400: Teilapertur
402: Teilapertur
404: Elementgruppe
406: Elementgruppe
420: Apertur
422: 1. Teilapertur
424: 2. Teilapertur
426: 3. Teilapertur
428: 1. Set
430: 2. Set
432: 3. Set
434: 4. Set
436: 5. Set
438: 6. Set
440: 7. Set
442: 8. Set
450: Apertur
452: Teilapertur
454: 1. Set
456: 2. Set
458: 3. Set
460: 4. Set
462: 5. Set
464: 6. Set
466: 7. Set
468: 8. Set

Claims

Ultraschallsystem (100), umfassend: Sonde (106), die eine zweidimensionale (2D) Anordnung von Wandlerelementen (104) umfasst, die eine Apertur (170) bilden, welche eine Vielzahl von Empfangselementen aufweist, die so konfiguriert sind, dass sie Ultraschallsignale empfangen, wobei die Wandlerelemente (104) mindestens eine Übertragungs-Unterapertur bilden, die so konfiguriert ist, dass sie mit einer festen Gruppe von Wandlerelementen (104) innerhalb der Apertur (170) verbunden wird; Sender (102) zur Generierung von elektrischen Übertragungssignalen; und mindestens einen Übertragungs-Unterapertur-Prozessor (tx-SAP) (124) zur Zuordnung der Wandlerelemente (104) innerhalb der festen Gruppe der Wandlerelemente (104) zu Sendern (102) in einer Übertragungskonfiguration auf der Grundlage einer Strahlensteuerungsrichtung.
Ultraschallsystem (100) gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: mindestens einen tx-SAP (124), der einen Kreuzpunkt-Schalter umfasst; Systemkanäle, die mit den Sendern (102) und dem Kreuzpunkt-Schalter zur Übermittlung der Übertragungssignale zwischen diesen verbunden sind; und SAP-Regler (128), der so konfiguriert ist, dass er den Kreuzpunkt-Schalter reguliert, um Wandlerelemente (104) innerhalb der feste Gruppe von Wandlerelementen (104) auszuwählen, so dass sie von einem der Systemkanäle auf der Grundlage der Übertragungskonfiguration aktiviert werden.
Ultraschallsystem (100) gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: Systemkanäle, die mit den Sendern (102) zur Übermittlung der Übertragungssignale verbunden sind; und Prozessor (116), der so konfiguriert ist, dass er Verzögerungen bestimmt, die mit jedem der Wandlerelemente (104) innerhalb der feste Gruppe von Wandlerelementen (104) verbunden sind, wobei die Verzögerungen auf mindestens der Strahlensteuerungsrichtung beruhen, wobei der mindestens eine tx-SAP (124) so konfiguriert ist, dass er mindestens eines der Wandlerelemente (104) innerhalb der festen Gruppe von Wandlerelementen (104) auf der Grundlage der Verzögerungen einem Kanal der Systemkanäle zuordnet.
Ultraschallsystem (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Empfangselemente so konfiguriert ist, dass sie Empfangs-Unteraperturen bilden, wobei die mindestens eine Übertragungs-Unterapertur mindestens zwei benachbarte Empfangs-Unteraperturen umfasst.
Ultraschallsystem (100) gemäß Anspruch 1, wobei das System (100) ferner einen SAP-Regler (128) umfasst, der so konfiguriert ist, dass er die Empfangselemente der mindestens einen Übertragungs-Unterapertur in zwei Elementgruppen (198, 200) unterteilt, die in Bezug aufeinander entweder horizontal, vertikal oder diagonal ausgerichtet sind, wobei die zwei Elementgruppen (198, 200) verschiedene Übertragungskonfigurationen zur Steuerung der Übertragungssignale in verschiedene Richtungen bilden.
Ultraschallsystem (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine tx-SAP (124) mindestens einen Kreuzpunkt-Schalter zur Verbindung der festen Gruppe von Wandlerelementen (104) und des Senders (102) umfasst, wobei der mindestens eine Kreuzpunkt-Schalter mindestens einen Schalter für jedes der Wandlerelemente (104) innerhalb der feste Gruppe von Wandlerelementen (104) umfasst.
Ultraschallsystem (100) gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: Systemkanäle zur Übermittlung der Übertragungssignale zwischen den Sendern (102) und dem mindestens einen tx-SAP (124); und Prozessor (112), der so konfiguriert ist, dass er eine maximale Verzögerung und eine minimale Verzögerung auf der Grundlage von mindestens der Strahlensteuerungsrichtung und den Verzögerungen bestimmt, die mit den Wandlerelementen (104) innerhalb der feste Gruppe von Wandlerelementen (104) verbunden sind, wobei der Prozessor (112) ferner so konfiguriert ist, dass er die intermediären Verzögerungen auf der Grundlage von mindestens den maximalen und den minimalen Verzögerungen bestimmt, wobei der Prozessor (112) eine aus maximaler Verzögerung, minimaler Verzögerung und intermediärer Verzögerungs jedem der Systemkanäle zuordnet.
Ultraschallsystem (100) gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: Empfänger (108) zum Empfang von elektrischen Empfangssignalen; Systemkanäle zur Übertragung von Übertragungssignalen zwischen den Sendern (102) und dem mindestens einen tx-SAP (124); wobei der tx-SAP (124) mindestens einen Kreuzpunkt-Schalter zur Verbindung einer Gruppe von Systemkanälen mit der festen Gruppe von Wandlerelementen (104) umfasst; und Vorverstärker zum Empfang von Empfangssignalen vom Kreuzpunkt-Schalter, wobei die Systemkanäle ferner so konfiguriert sind, dass sie die Empfangssignale zwischen den Vorverstärkern und den Empfängern (108) übermitteln.
Verfahren zur Übertragung von Ultraschallsignalen unter Verwendung einer 2D-Anordnung von Wandlerelementen (104), umfassend: Bildung von mindestens einer Übertragungs-Unterapertur, die aus einer festen Gruppe von Wandlerelementen (104) zur Übertragung von Ultraschall-Übertragungssignalen besteht, und mindestens zwei Empfangs-Unteraperturen (172) zum Empfang von Ultraschall-Empfangssignalen, wobei die mindestens eine Übertragungs-Unterapertur und die mindestens zwei Empfangs-Unteraperturen (172) mit einer zuvor festgelegten Gruppe von Systemkanälen verbunden sind; Berechnung einer Verzögerung für jedes der Wandlerelemente (104) innerhalb der festen Gruppe von Wandlerelementen (104), wobei die Verzögerung auf mindestens einem Steuerwinkel beruht, der mit den Wandlerelementen (104) und einer Übertragungsoperation beruht; und Verbinden des mindestens einen Abschnitts (220) der Wandlerelemente (104) innerhalb der festen Gruppe von Wandlerelementen (104) mit der zuvor festgelegten Gruppe von Systemkanälen mindestens auf der Grundlage der Verzögerungen, die mit den Wandlerelementen (104) verbunden sind.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungs- und Empfangs-Unteraperturen (172) dieselben Wandlerelemente umfassen.