DE3785409T2

DE3785409T2 - Vorrichtung zur Untersuchung von ortsveränderlichen Medien mittels Ultraschall-Echographie.

Info

Publication number: DE3785409T2
Application number: DE87201800T
Authority: DE
Inventors: Patrick Societe Civile Pesque
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1986-09-19
Filing date: 1987-09-15
Publication date: 1993-10-21
Anticipated expiration: 2007-09-16
Also published as: US4853904A; DE3785409D1; EP0261736A1; FR2604081A1; CA1300733C; JPS6377437A; EP0261736B1; IL83920A; IL83920A0

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Untersuchen eines ortsveränderlichen Mediums durch Ultraschall-Echographie, die die Messung der axialen Geschwindigkeit der Bewegung ermöglicht, d. h. der Projektion der Geschwindigkeit auf der Achse "z" eines Bündels ausgestrahlter periodischer Ultraschallanregungen mit einer Wiederholungszeit "T" mit Hilfe mindestens eines Ultraschallwandlers, der außerdem eine Sendestufe und eine Empfangs- und Bearbeitungsstufe für die dem Wandler zugesandten echographischen Signale enthält.
Der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung findet eine besonders vorteilhafte Anwendung im Bereich der echographischen Untersuchung beweglicher Organe, wie z. B. die Herzwandung und die Blutströmungen.
Das zu lösende technische Problem für jedes Verfahren und für jede Anordnung zum Untersuchen eines beweglichen Mediums mit Ultraschall-Echographie ist das Erhalten einer möglichst genauen Schätzung der axialen Geschwindigkeit der studierten Bewegung, um mit Hilfe von Sichtgeräten genaue Bilder der Organe und der Blutströmungen bei einer echographischen Ultraschalluntersuchung zu verwirklichen.
Seit vielen Jahren sind mehrere Lösungen für dieses technische Problem vorgeschlagen, insbesondere die DOPPLER-Ultraschallsysteme mit pulsierter Welle, die üblicherweise zum Messen der Blutströmungsgeschwindigkeiten in einem vorgegebenen Punkt oder wenigstens der Projektion derartiger Geschwindigkeiten auf der von den Ultraschallwandlern ausgestrahlten Bündels. Vor kurzem sind Apparate erschienen, die es ermöglichen, in Echtzeit die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten auf die von der Ultraschallwelle durchlaufene Strecke und dazu noch auf die beim Abtasten des Wandlers erhaltene Schnittebene zu erhalten.
Die Mehrzahl dieser Systeme bedienen sich der Frequenzverschiebung oder der Phasenverschiebung des durch die beweglichen Targets rückdiffundierten Signals zum Ableiten der axialen Geschwindigkeit der Blutströmungen daraus. Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 092 841 bezieht sich beispielsweise auf einen derartigen Apparat unter Verwendung der Phasenverschiebungsmessung zwischen den retrodiffundierten aufeinanderfolgenden Echos in Beantwortung einer durch die beweglichen Targets wiederholten Anregung.
Jedoch sind die mit diesem bekannten Verfahren benutzten Apparate bei Anwendung der Phasenverschiebung durch ein Unbestimmtheitverhältnis begrenzt, das die axiale Auflösung Δz und die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung ΔV/V bei der Wellenlänge λ miteinander verknüpft:
ΔV/V·Δz = λ/2
Dieses im Abschnitt II, Absatz 2.3-a, der Veröffentlichung "Doppler Ultrasound and Its Use in Clinical Measurement", P. ATKINSON und J.P. WOODCOCK, Academic Press, 1982, beschriebene Verhältnis stellt also ein Kompromiß dar zwischen der axialen Auflösung und der Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung, der unvereinbar ist mit einer genauen Messung eines Geschwindigkeitsprofils oder eines Bildes von Blutströmungen.
In diesem Sinne ist in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 225 664, die im Sinne des Artikels 5+(3) und (4) von EPC nicht in den Stand der Technik aufgenommen ist, eine andere Bearbeitungsart des echographischen Signals beschrieben, in der die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung nicht durch die räumliche Auflösung begrenzt wird. Es handelt sich dabei um ein zeitbedingtes Analyseverfahren, das aus der Auswertung der Rückdiffusion von Ultraschallsignalen besteht, nicht mehr durch Frequenz- oder Phasenverschiebung, sondern durch zeitbedingte Verschiebung der echographischen Signale infolge jeder Übersendung pulsierender Signale. Dieses Verfahren basiert auf folgendem Prinzip: Ausgegangen wird von einem beweglichen Milieu mit axialer Geschwindigkeit Vz(t) (die axiale Geschwindigkeit ist die Projektion der Geschwindigkeit auf der Achse "z" eines von einem Ultraschallwandler ausgestrahlten Bündels periodischer Ultraschallanregungen in einer Wiederholungszeit "T"). Wenn zum Zeitpunkt t = O, also wenn das Medium sich in einem Abstand "z" vom Wandler befindet, sendet dieser eine erste Ultraschallanregung aus, wonach das vom Medium rückdiffundierte Echo e&sub1;(t) zum Zeitpunkt t&sub1; = 2z/C empfangen wird, worin C die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle ist. Danach sendet der Wandler zum Zeitpunkt t = T eine zweite Ultraschallanregung aus, wonach das vom beweglichen Medium zurückgesandte Echo e&sub2;(t) vom Wandler zum Zeitpunkt t = T + 2[z + Vz(t)T]/C detektiert wird, wobei das Medium den Abstand Vz(t)T in der Zeit "T" durchlaufen hat. Wenn als Ursprung der Zeit für das zweite Echo der Zeitpunkt t = T genommen wird (Ursprung der entsprechenden Anregung) wird folgende Gleichung erhalten e&sub2;(t) = e&sub1;[t-τ(t)] mit τ(t) = 2Vz(t)T/C. Diese Gleichung ist sehr allgemein und läßt sich wie folgt schreiben:
ei+1(t) = ei[t-τi(t)] (1)
τi(t) = 2Viz(t)T/C (2)
worin τi(t) also die von der Verlagerung des Mediums zwischen den Impulsauslösungen "i" und "i+ 1" induzierte zeitbedingte Verschiebung ist.
Es ist daher aus der Gleichung (2) ersichtlich, daß die axiale Geschwindigkeit Viz(t) ausgehend von der zeitbedingten Verschiebung τi(t) meßbar ist, die der Gleichung durch eine geeignete Bearbeitung entnehmbar ist.
Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 225 667 gibt eine Beschreibung eines Verfahren zum Extrahieren einer zeitbedingten Verschiebung τi(t), bei dem Interkorrelationsfunktionen verwendet werden, wobei die gesuchte zeitbedingte Verschiebung diejenige ist, für die die Interkorrelationsfunktion zwischen zwei aufeinanderfolgenden Echos ei(t) und ei+1(t) maximal ist. Nichtsdestoweniger hat dieses Verfahren, wenn es auch den Vorteil einer genauen Messung der axialen Geschwindigkeit Viz(t) bietet, den Nachteil einer komplex zu betreibenden Anordnung, die neben einer Sendestufe und einer Empfangs- und Bearbeitungsstufe für die nach dem Wandler übersandten echographischen Signale zahlreiche Korrelationsschaltungen gleichviele Mittelwertschaltungen und eine Interpolationsschaltung mit Mikroprozessor oder festverdrahteter Logik erfordert.
Das zu lösende allgemeine technische Problem durch den Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist das Schaffen einer Anordnung zum Untersuchen eines beweglichen Mediums durch Ultraschallechographie, die außerdem eine Sendestufe, eine Empfangs- und Bearbeitungsstufe für nach dem Wandler übersandte echographische Signale enthält, wodurch sowohl eine genaue Messung der axialen Geschwindigkeit ohne Begrenzung durch die axiale Auflösung als auch eine einfache Verwirklichung mit den einfachen elektronischen Schaltungen erhalten wird. In einem besonderen Ausführungsbeispiel bezüglich der Blutströmungen stellt es sich heraus, daß das vom Blut rückdiffundierte Signal in bezug auf die Festechos sehr schwach ist. Die beschriebene Anordnung soll es also ermöglichen, trotz dieser festen Streuechos das gesuchte Signal abzuleiten.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Anordnung dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangs- und Bearbeitungsstufe für die echographischen Signale eine Schaltung zum Schätzen der axialen Geschwindigkeit Viz(t) enthält, die einerseits eine Extraktionsschaltung der zeitbedingten Verschiebung τi(t) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Echos ei(t) und ei+1(t) zum Lösen der Gleichung mit τi(t):
worin ei(n)(t) die Ableitung in der Größenordnung "n" in bezug auf die Zeit des Echos ei(t) ist, und andererseits eine Schaltung zum Multiplizieren mit C/2T enthält, um aus τi(t) Viz(t) zu erhalten, worin C die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle ist.
Als Beispiel wird die begrenzte Entwicklung in der Größenordnung 1 ausgeführt, wobei die zeitbedingte Verschiebung τi(t) also durch folgende Gleichung gegeben wird:
τi(t) = [ei(t)-ei+1(t)]ei(1)(t) (4)
Bei dieser Gleichung sei bemerkt, daß auf diese Weise das Vorzeichen von τi(t) und also das Vorzeichen von Viz(t) bestimmt werden kann, wodurch sich die Richtung der axialen Geschwindigkeit bestimmen läßt. Eine negative zeitbedingte Verschiebung stellt eine auf den Wandler gerichtete Bewegung dar, während umgekehrt eine positive Verschiebung für eine sich vom Wandler entfernende Bewegung charakteristisch ist. Außerdem läßt sich das mit dem Einsatz der Gleichung (4) verknüpfte Verfahren besonders einfach mit Hilfe einer Anordnung derart verwirklichen, daß die Schaltung zum Extrahieren der zeitlichen Verschiebung τi(t) eine Verzögerungsleitung, einen Subtrahierer, eine Schaltung zum Berechnen der ersten Ableitungen in bezug auf die Zeit und einen Teiler enthält. Diese Anordnung bietet neben der Einfachheit den Vorteil der völlig analogen Verwirklichbarkeit.
Im Ausführungsbeispiel bezüglich der Blutströmungen ist der Schätzungsschaltung für die axiale Geschwindigkeit eine Schaltung zum Beseitigen der Festechos und zum Abschwächen der mit langsamen Bewegungen verknüpften Echos vorgeschaltet, die einen Subtrahierer von zwei aufeinanderfolgenden echographischen Linien enthält. Das aus diesem Unterschied entstehende Signal wird anschließend in der Schätzungsschaltung für die axiale Geschwindigkeit bearbeitet. Wie weiter unten näher beschrieben wird, ermöglicht die Subtraktion zweier aufeinanderfolgender echographischer Linien die Beseitigung der besonders festen Echos und das Begrenzen der Effekte der mit langsamen Bewegungen übereinstimmenden Echos.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 2 ein besonderes Ausführungsbeispiel mit der Sendestufe der Anordnung nach Fig. 1,
Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Schaltung zum Schätzen der axialen Geschwindigkeit,
Fig. 4 einen Schaltplan einer Schaltung zum Unterdrücken von Festechos und zum Abschwächen der mit langsamen Bewegungen verknüpften Echos,
Fig. 5 ein Diagramm mit einem Begrenzungsgesetz für die Werte der zeitbedingten Verschiebung τi(t),
Fig. 6 eine Diskriminatorschaltung der Anordnung nach Fig. 1.
In Fig. 1 ist ein Schaltbild einer Anordnung zum Untersuchen eines beweglichen Mediums durch Ultraschall-Echographie dargestellt, mit der die axiale Geschwindigkeit der Bewegung durch die Projektion der Geschwindigkeit auf der Achse "z" eines von einem Ultraschallwandler 10 ausgestrahlten Bündels periodischer Ultraschallanregungen in einer Wiederholungszeit "T" ermöglicht. Diese Anordnung enthält außerdem eine Sendestufe 20, eine Empfangs- und Bearbeitungsstufe 30 der nach dem Wandler 10 gesandten echographischen Signale sowie eine Anordnung 40 zum Steuern der mechanischen Abtastung des Wandlers. Anstelle dieses Wandlers kann selbstverständlich ein Wandlernetz verwendet werden, das also einer Anordnung zum Steuern der elektronischen Abtastung zugeordnet ist.
In der mit weiteren Einzelheiten beschriebenen Ausführungsform nach Fig. 2 enthält die Sendestufe 20 einen Generator 21 für elektrische Anregungssignale, die dem Wandler 10 zugeführt werden, die diese Signale in periodische Züge pulsierender Ultraschallsignale umwandelt. Diese Sendung wird durch die an einer Verbindung 102 zur Verfügung stehenden Taktsignale gesteuert und mit einer von einem Sortierer bestimmten Wiederholungsfrequenz "F" in der Größenordnung beispielsweise von 5 kHz geliefert, wobei dieser Sortierer nacheinander einen Oszillator 22, hier auf der Frequenz von 32 MHz, und einen Frequenzteiler 23 enthält. Dieser Teiler liefert die Taktsignale auf der Verbindung 102 sowie weitere Steuersignale auf den Verbindungen 104 bzw. 106 von 1 kHz und 16 MHz im hier beschriebenen Beispiel. Die auf der Verbindung 104 vorhandenen Steuersignale steuern insbesondere die Anordnung 40 zum Abtasten des Wandlers. Eine Trennstufe 24 für die Sendestufe 20 und die Empfangs- und Bearbeitungsstufe 30 wird zwischen dem Wandler 10 und diesen Stufen 20 und 30 eingeschaltet und verhindert die Blendung der Empfangssignale durch die Sendesignale.
Die Empfangs- und Bearbeitungsstufe 30 enthält am Ausgang der Trennstufe 24 einen Hf-Verstärker 300 mit von der Tiefe abhängigem Verstärkungsausgleich und gefolgt von zwei Bearbeitungswegen 301 und 302 in Parallelschaltung. Der Weg 301 vom herkömmlichen Typ enthält hier in Reihenschaltung einen Umhüllendendetektor 310, einen logarithmischen Kompressionsverstärker 311, eine Anordnung 370 zum Speichern und Umsetzen der Abtastung ebenfalls mit einer Farbcodierfunktion und eine Wiedergabeanordnung 312. Dieser Weg 301 ermöglicht mit Graustufenbildern das Erhalten von Schnittebenen der untersuchten Medien auf dem Prinzip der klassischen Echographie.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, enthält der zweite Weg 302 der Empfangs- und Bearbeitungsstufe 30 für die echographischen Signale eine Schaltung 330 zum Schätzen der axialen Geschwindigkeit, die es ausgehend von einer zeitbedingten Analyse des Signals ermöglicht, die zeitbedingte Verschiebung τi(t) abzuleiten, die durch die Bewegung des Mediums zwischen zwei aufeinanderfolgenden Echos ei(t) und ei+1(t) mit Hilfe einer begrenzten Entwicklung der Gleichung (1) eingeführt ist:
ei+1(t) = ei[t-τi(t)]
die die zwei Echos miteinander verknüpft, u.zw.:
worin ei+1(t) direkt meßbar ist, und die Ableitungen ei(n)(t) elektronisch berechenbar sind. Die Gleichung (3) stellt eine Gleichung mit τi(t) dar, deren Lösung zum Ableiten der gesuchten zeitbedingten Verschiebung τi(t) ausreicht. Die axiale Geschwindigkeit Viz(t) ist durch Anwendung nachstehender Gleichung ableitbar:
Viz(t) = τi(t)C/2T (5)
worin C die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle darstellt.
Deshalb enthält nach Fig. 3 die Schaltung 330 zum Schätzen der axialen Geschwindigkeit einerseits eine Schaltung 340 zum Extrahieren der zeitbedingten Verschiebung τi(t), die zum Lösen der Gleichung (3) vorgesehen ist, und andererseits eine Schaltung 350 zum Multiplizieren mit C/2T.
Praktisch ist die zeitbedingte Verschiebung Ti(t) gegenüber der charakteristischen Änderungszeit des echographischen Signals sehr schwach. Beispielsweise führt der Einsatz der Gleichung (2) mit: T = 200 us, C = 1500 m/s und Viz(t) = 5 cm/s (Blutströmungen, Bewegungen der Herzwandung) nach τi(t) = 13,3 ns
Für ein auf 4 MHz zentriertes echographisches Signal ist die zeitbedingte Verschiebung tatsächlich kleiner als der zehnte Teil der Signalzeit, d. h. 250 ns. Daher ist eine begrenzte Entwicklung in der ersten Ordnung der Gleichung (l) gerechtfertigt. Die Gleichung (3) kann also bei n = 1 wie folgt geschrieben werden:
ei+1(t) = ei(t)-ei(1)(t)τi(t) (6)
Das heißt:
τi(t) = [ei(t)-ei+1(t)]/ei(1)(t) (4)
Die Schaltung 340 zum Extrahieren der zeitbedingten Verschiebung nach Fig. 3 stellt ein Beispiel der völlig analogen Berechnung der Gleichung (6) dar. Dazu besteht die Schaltung 340 aus einer Verzögerungsleitung 341, einem Subtrahierer 342, einer Schaltung 343 zum Berechnen der ersten Ableitung gegen die Zeit und einen Teiler 344. Eine Verzögerungsleitung mit den erforderlichen Eigenschaften: große Verzögerung (200 us), sehr stabil (250 ps) mit einer großen Dynamik (79 dB) und ein höheres Durchlaßband (4 MHz) ist in FR-A-2 415 391 beschrieben.
Jedoch ist ihre numerische Implantation ebenfalls erreichbar. Jedoch erfordert die Berechnung der Ableitung einige Vorkehrungen. Dabei sind beim Abtasten des echographischen Signals mit einem Schritt -T des Signals 106 (60 ns im beschriebenen Beispiel) die erhaltenen Punkte zu weit voneinander entfernt, um eine ausreichende Schätzung der Ableitung durch nachstehende Gleichung zu erhalten:
ei(1)(kΔT) = [ei((k+1)ΔT)-ei(kΔT)]/ΔT
Die Lösung besteht im analogen Verschieben des Echos ei(kΔT) einer Zeit "&epsi;" kurz vor ΔT (&epsi; = 5 ns zum Beispiel) und anschließend im Subtrahieren des Werts
ei(kΔT-&epsi;) von eikΔT und schließlich im Teilen des erhaltenen Unterschieds durch E entsprechend nachstehender Gleichung:
Bei(1)(kDT) = ei(kDT)ei(kDTe)/e
In der Praxis ist es zum Reduzieren des Schätzungsrauschens vorteilhaft, den Mittelwert der zeitbedingten Verschiebung τi(t) aus der Berechnung anhand der allgemeinen Gleichung (3) und insbesondere anhand der Gleichung (4) durch ein zeitliches Fenster mit der Größe W zu erhalten, um eine mittlere zeitbedingte Verschiebung τi(t) auszuwerten, die durch folgende Gleichung definiert wird:
Dieser Vorgang erfolgt in einer Integrator- Mittelwertbestimmungsschaltung 332 zwischen der Schaltung 340 zum Extrahieren der zeitbedingten Verschiebung und der Schaltung 350 zum Multiplizieren mit C/2T. Es wird also eine mittlere axiale Geschwindigkeit entsprechend Viz(t) mit nachstehender Gleichung abgeleitet:
iz(t) = i(t)C/2T
Nach der Berechnung von τi(t) und vor der Multiplizierung mit C/2T kann ebenfalls ein Mittelwert von τi(t) bei N aufeinanderfolgenden Impulsauslösungen i mit einem vom Signal 104 gegebenen Rhythmus gemacht werden, was hier einen Mittelwert mit N = 5 Impulsauslösungen gibt. Dieser Mittelwert wird in der Schaltung 333 nach Fig. 3 verwirklicht, an deren Ausgang man also folgende Gleichung bekommt:
worin die axiale Geschwindigkeit folgenden Wert hat:
z(t) = (t)C/2T
Um im Bereich der Gültigkeit der begrenzten Entwicklung zu bleiben, die durch die Gleichung (6) definiert wird, in der τi(t) als ausreichend klein angenommen wird, ist es ebenfalls vorteilhaft, eine Begrenzung der Werte von τi(t) zu bewirken, die durch eine Verteilungsfunktion f(τ) dargestellt wird, die auf Null kommt, wenn T in absolutem Wert einen maximalen Wert τmax passiert. In Fig. 5 ist ein Beispiel einer derartigen Verteilerfunktion dargestellt: Wenn τ zwischen -τmax und τmax liegt, ist f(τ) = τ, und wenn τ > τmax ist f(τ) = 0·τmax kann gleich dem Zehnten der Periode P des echographischen Signals genommen werden, d. h. 25 ns für P = 250 ns. In diesem Fall wird die mittlere zeitbedingte Verschiebung τi(t) durch folgende Gleichung gegeben:
Zu diesem Zweck enthält die Schaltung 330 zum Schätzen der axialen Geschwindigkeit eine Schaltung 331 zum Begrenzen der zeitbedingten Verschiebungswerte zwischen der Schaltung 340 zum Extrahieren der zeitbedingten Verschiebung und der Integrator/Mittelwertbestimmungschaltung 332.
Das Ausgangssignal der Schaltung 330 zum Schätzen der axialen Geschwindigkeit wird also durch eine Diskriminatorschaltung 360 nach Fig. 6 möglicherweise ausgewertet, wonach die auf diese Weise bestätigten Werte nach die Wiedergabeanordnung 312 über die Farbcodieranordnung 370 gesandt werden.
Die Diskriminatorschaltung 360 ist dabei unabkömmlich. Wenn die aufeinanderfolgenden echographischen Linien, die im Rhythmus der Auslösung der Anregung durch das Signal 102 auf der Frequenz F = 1/T erhalten werden, durch genau feste Targets ausgegeben werden, ist das Ergebnis des Unterschieds zwischen diesen zwei Linien ausschließlich Rauschen. Eine echographische Linie kann auf ganz allgemeine Weise wie folgt geschrieben werden:
yi(t) = g(t) + ei(t)
worin g(t) das Signal aus festen Targets ist und ei(t) das durch das bewegliche Medium erzeugte Echo ist.
Der Unterschied di(t) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Linien gibt also:
di(t) = yi+1(t)-yi(t) = ei+1(t)-ei(t) (7)
Wenn in einem vorgegebenen Zeitintervall die echographischen Linien yi(t) nur den festen Targets entstammen, ist aus (7) ersichtlich, daß di(t) = nahezu gleich 0 des Geräusches ist. Also ist das von der Schaltung 330 zur Schätzung der axialen Geschwindigkeit gelieferte Ergebnis, wobei diese Schaltung das Geräusch behandelt, keine Anzeige; einer Geschwindigkeit gleich Null und es ist notwendig, dieses Ergebnis möglicherweise auszuwerten. Die Schaltung 360 enthält dazu in Reihenschaltung einen Multiplizierer 361, die an seinen beiden Eingängen das Ausgangssignal di(t) des Subtrahierers 342 empfängt und dieses Unterschiedssignal ins Quadrat erhebt. Ein Integrator 362 ermöglicht die Berechnung der örtlichen Energie an einem Fenster der Größe W' (möglicherweise gleich W) nach der Gleichung:
Eine Schaltung 364, 365 zum Berechnen des Mittelswerts, die wie bei der Schaltung 333 ein Akkumulator mit einem Addierer 364 und einer Verzögerungsleitung 365 mit einer Verzögerung T (oder einem vielfachen von T) ist, ermöglicht die Durchführung des Mittelwerts der örtlichen Energie bei M Impulsauslösungen, d. h. (M-1) Unterschiede nach folgendem Ausdruck:
Der auf diese Weise erhaltene Wert gelangt an eine Auswerteschaltung mit einem Komparator 461, der einerseits an einem ersten Eingang das Ausgangssignal des Akkumulators 364, 365 (oder direkt das Ausgangssignal des Summierers 362, wenn die Berechnungsschaltung des Mittelwerts nicht vorgesehen ist) und andererseits an einem zweiten Eingang 462 eine eine Schwelle bildende Bezugsspannung empfängt. Das Ausgangssignal des Komparators liegt auf dem logischen Pegel 0 oder 1, je nachdem die empfangene Spannung an seinem ersten Eingang unterhalb oder oberhalb der Bezugsschwelle αN(t) proportional dem Geräuschpegel N(t) beträgt. Ein Multiplizierer 463, die das Ausgangssignal Vz(t) der Schaltung 330 an einem ersten Eingang empfängt, überträgt dieses Signal, das im weiteren mit V'z(t) bezeichnet wird, auf einen Ausgang oder überträgt einfach die Nullwerte, je nachdem das vom Komparator 461 an einen zweiten Eingang gelieferte Auswertungssignal 1 bzw. 0 ist. Außerhalb der wirklichen Strömungszonen ist die am Ausgang der Schaltung 364, 365 berechnete mittlere Energie die des Geräusches allein und kann von vornherein nur bei Abwesenheit von Anregung gemessen werden, um den geeigneten Schwellenwert zu bestimmen, d. h. N(t) ist ebenfalls gleich
ohne jede Anregung. Der wirksame Pegel der Schwelle wird also durch den Koeffizienten α nach Wahl des Benutzers bestimmt. Dagegen ist bei von beweglichen Targets rückdiffundierten Signalen die mittlere Energie des Signals di(t) höher als die des Geräusches allein, was die Auswertung der von der Schaltung 330 zum Schätzen der axialen Geschwindigkeit gelieferten Signale berechtigt.
Es sei bemerkt, daß der Wert von α beim Wiedergeben ebenfalls zum Festsetzen einer Grenze zwischen einer Farbanzeige und einer Grauaizeige dient; wenn E(t) höher ist als die Schwelle αN(t), ist die Anzeige gefärbt. Dagegen ist die Schwelle grau, wenn E(t) unterhalb dieser Schwelle liegt.
Das Ausgangssignal der Diskriminatorschaltung 360 gelangt an die Anordnung 370 zum Speichern, zum Umsetzen der Abtastung und zum Farbcodieren, die ebenfalls vor der Wiedergabe das Ausgangssignal des Verstärkers 311 auf dem Bearbeitungsweg 301 weiterleitet. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 100 094 beschrieben. In Fig. 3 dieser Anmeldung ist zwischen den Klemmen A, B, C, und ER, EG, EB ein Beispiel der Schaltungen dargestellt,, die verwendbar sind, wobei die Klemme A das klassische echographische Signal und die Klemmen B und C die charakteristischen Parameter des untersuchten beweglichen Mediums empfangen. Diese Anordnung 370 und die Anordnung 312 ermöglichen also die Wiedergabe der Strömungen oder der überlagerten Verschiebungen im klassischen echographischen Reflektivitätsbild in Echtzeit.
In Fig. 4 ist das Schaltbild einer Schaltung 320 zum Unterdrücken von Festechos und zum Abschwächen der mit langsamen Bewegungen verknüpften Echos dargestellt, insbesondere notwendig bei dem Studium von Blutströmungen.
Die Digitalschaltung 320 zum Unterdrücken von Echos nach Fig. 4 enthält in diesem Ausführungsbeispiel einen Analog/Digital-Wandler 321, dessen Ausgang einerseits direkt mit dem negativen Eingang eines Subtrahierers 322 und andererseits mit dem positiven Eingang dieses Subtrahierers über eine Verzögerungsschaltung 322 verbunden ist. Die durch diese letzte Schaltung 323 eingeführte Verzögerung könnte mehrere Perioden T = 1/F betragen, aber es ist vorteilhaft, daß diese Verzögerung möglichst schwach und gleich T ist.
Der Subtrahierer 322 bewirkt also den Unterschied di(t) zwischen zwei aufeinanderfolgenden echographischen Linien yi(t) und yi+1(t). Wenn diese Schaltung 320 vorgesehen ist, kann ihr Ausgang direkt mit dem Eingang der Diskriminatorschaltung 360 verbunden werden, die ebenfalls di(t) kennen muß. Wenn das Wiederholungsverhältnis ei+1(t) = ei[t-τi(t)]
ebenfalls durch di(t) bestätigt wird, dient das Ausgangssignal der Schaltung 320 ebenfalls als Eingangssignal für die Schaltung 330 zum Schätzen der axialen Geschwindigkeit.
Diese Schaltung 320 dient zum Beseitigen aller Festechos, und insbesondere diejenigen Festechos, deren Erscheinen durch die Reflexion von Ultraschallwellen an Gefäßwänden ausgelöst oder durch die untersuchten Strömungen erzeugt wird. Das Auftreten von Festechos ist störend durch ihre viel höhere Amplitude (in der Größenordnung von +40dB bei Blutströmungen) als die der Nutzsignale, der von den beweglichen Targets rückdiffundierten Signale. Mit Hilfe der Verbindung 106 wird auch die Schaltung 320 durch den Frequenzteiler 23 des Sortierers gesteuert, der sie mit dem Steuersignal zum Abtasten auf der Frequenz von 16 MHz beliefert.

Claims

1. Anordnung zum Untersuchen eines ortsveränderlichen Mediums durch Ultraschall-Echographie, die die Messung der axialen Geschwindigkeit der Bewegung ermöglicht, d. h. der Projektion der Geschwindigkeit auf der Achse "z" eines Bündels ausgestrahlter periodischer Ultraschallanregungen mit einer Wiederholungszeit "T" mit Hilfe mindestens eines Ultraschallwandlers (10), der außerdem eine Sendestufe (20) und eine Empfangs- und Bearbeitungsstufe (30) für die dem Wandler (10) zugesandten echographischen Signale enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangs- und Bearbeitungsstufe (30) für die echographischen Signale eine Schaltung (330) zum Schätzen der axialen Geschwindigkeit Viz(t) enthält, die einerseits eine Schaltung (340) zum Extrahieren der zeitbedingten Verschiebung τi(t) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Echos ei(t) und ei+1(t) zum Lösen der Gleichung mit τi(t):

worin ei(n)(t) die Ableitung in der Größenordnung "n" in bezug auf die Zeit des Echos ei(t) ist, und andererseits eine Schaltung (350) zum Multiplizieren mit C/2T enthält, um aus τi(t) Viz(t) zu erhalten, worin C die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Ordnung "p" gleich 1 ist, die Schaltung (340) zum Extrahieren der zeitbedingten Verschiebung τi(t) eine Verzögerungsleitung (341), einen Subtrahierer (342), eine Schaltung (343) zum Berechnen der ersten Ableitung gegen die Zeit und einen Teiler (344) enthält.

3. Anordnung nach Anspruch 2, echographische Signal durch Abtasten im Schritt ΔT digitalisiert wird, die Schaltung zum Berechnen der ersten Ableitung gegen die Zeit eine Verzögerungsleitung zum Verschieben des Echos ei(kΔT) um eine Zeit "&epsi;" kurz vor ΔT, einen Subtrahierer zum Verwirklichen des Unterschieds ei(kΔT)-ei(kΔT-&epsi;) und einen Teiler durch &epsi; zum Erhalten der Ableitung ei(1)(kΔT).

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (330) zum Schätzen der axialen Geschwindigkeit Viz(t) auch eine Integrator/Mittelwertbestimmungsschaltung (332) von τi(t) an einem Fenster der Größe W zwischen der Schaltung (340) zum Extrahieren der zeitbedingten Verschiebung und der Schaltung (350) zum Multiplizieren mit C/2T enthält.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (330) zum Schätzen der axialen Geschwindigkeit Vizt) außerdem eine Schaltung (331) zum Begrenzen der zeitbedingten Verschiebungswerte τi(t) zwischen der Schaltung (340) zum Extrahieren der zeitbedingten Verschiebung und der Integrator/Mittelwertbestimmungschaltung (332) enthält.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zum Schätzen der axialen Geschwindigkeit einer Diskriminatorschaltung (360) vorgeschaltet ist, die eine Schaltung (361) zum Quadraterheben des Unterschieds di(t) = ei+1(t)-ei(t) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Echos, eine Summierschaltung (362) an einem Fenster der Größe W' nach der Gleichung

und eine Auswerteschaltung enthält, die aus einem Komparator von E(t) bei einer Schwelle αN(t) proportional dem Geräuschpegel N(t) und einem Vervielfacher (463) der Werte von Viz(t) mit 1 oder 0 entsprechend E(t) höher oder niedriger als αN(t) besteht.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (330) zum Schätzen der axialen Geschwindigkeit einer Schaltung (320) zum Unterdrücken von Festechos und zum Abschwächen von mit langsamen Bewegungen verknüpften Echos nachgeschaltet ist, die einen Subtrahierer (322) für zwei auffolgende echographische Linien enthält.