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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch einen Ultraschallechographen
zur Messung von Profilen von Geschwindigkeitspunkten von Blutströmungen
entsprechend der Definition des einleitenden Teils von Anspruch 1.
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Die Erfindung findet vor allem Anwendung als Profilometer und als Gerät
zur zweidimensionalen farbigen Wiedergabe auf dem Gebiet der echographischen
Untersuchung von Blutströmungen in den Gefäßen, vor allem der genauen Detektierung von
duch Stenosen betroffenen Arterien.
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Die allgemeine, von jeder Anordnung zur Messung der Geschwindigkeit
von beweglichen Organen und Blutströmungen zu lösende technische Aufgabe besteht
darin, eine möglichst exakte Schätzung der axialen Geschwindigkeit der untersuchten
Bewegung zu erhalten, um mit Hilfe von Wiedergabevorrichtungen genaue Bilder der
ultraschall-echographisch untersuchten Organe und Blutströmungen zu erhalten.
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In den letzten Jahren sind verschiedene Lösungen für diese technische
Aufgabe vorgeschlagen worden. In diesem Sinne beschreibt die Europäische
Patentanmeldung Nr.0 225 667 eine Anordnung zur Messung der beweglichen Organe und
Blutströmungen der eingangs genannten Art, die die Tatsache nutzt, daß die
aufeinanderfolgenden von einem beweglichen Target zurückgestrahlten Ultraschallsignale bei
einer sich mit einer Wiederholungsperiodendauer T wiederholenden Aussendung durch
die folgende Gleichung miteinander verbunden sind:
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Sn+1(t) = Sn(t-τ) (1)
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Dies bedeutet, daß das Signal n+1 die Antwort auf das vorangegangene Signals mit
einer zeitlichen Verzögerung τ ist. Diese letztere ist die zusätzlich von der
Ultraschallwelle benötigte Zeit, um die Strecke Wandler-Target-Wandler von einem Impuls zum
nächsten zu durchlaufen. Anders ausgedrückt:
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τ = 2VT/C
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wobei V die Geschwindigkeit des Targets und C die Schallgeschwindigkeit ist. Man
sieht, daß eine Messung von τ die Messung der gesuchten Geschwindigkeit V
ermöglicht.
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Die Korrelationsfunktion zwischen Sn(t) und Sn+1(t), definiert durch:
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bestätigt:
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Cn,n+1(to,u) = Cnn(to,u-τ)
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Die Zeit to ist mit der Untersuchungstiefe z durch to = 2z/C verbunden,
und W ist das Integrationsfenster.
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Die Funktion Cnn(to,u) ist eine Autokorrelationsfunktion und daher für
u = o maximal. Somit kann eine Messung der zeitlichen Verschiebung τ und daher der
Geschwindigkeit V erfolgen, indem danach gesucht wird, für welchen Parameter u die
Funktion Cn,n+1(to,u) maximal ist. Dazu wird die Korrelationsfunktion abgetastet, und
zwar mit einem Abtastungsschritt Δt zwischen umin = -IΔt und umax = IΔt mit
Schritten von 1, so daß 2I+1 Korrelationsfunktionswerte erhalten werden. Der
Maximalwert dieser 2I+1 Werte, die u = uo entsprechen, ermöglicht die Messung von
τ, indem man die Parität von τ = uo nutzt.
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Um die der Abtastung inhärenten Fehler bei der Bestimmung des
Maximums der Korrelationsfunktion zu beseitigen, ist es möglich, eine Multiplex-
Interpolationsschaltung zu verwenden, die aufgrund der Korrelationsfunktionswerte eine
genauere Schätzung der Geschwindigkeit und des Wertes der entsprechenden
Korrelationsspitze liefert. Die Patentanmeldung FR 2 590 790 auf den Namen der Anmelderin
gibt ein Beispiel für diese Art der Verarbeitung des echographischen Signals, bei der die
Korrelation zwischen Signalen eine sogenannte "1-Bit"-Korrelation ist, in dem Sinne,
daß die zuvor verwendeten Signale Sn+1 und Sn auf das Vorzeichen des
Ultraschallsignals reduziert werden. Es ist bekannt, daß in diesem Fall die Spitze der
Korrelationsfunktion die Form eines gleichschenkligen Dreiecks hat. Die Kenntnis dieser Form
ermöglicht es, aufgrund des höchsten Punkts und seiner beiden Nachbarn die
Korrelationsspitze durch lineare Interpolation vollständig wiederherzustellen und somit die
Stelle von uo genau zu bestimmen.
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Dieses bekannte Verfahren zur Messung von Geschwindigkeiten, das auf
der Analyse der zeitlichen Verschiebung beruht, hat große Vorteile gegenüber anderen
Verfahren, die sich beispielsweise auf die Frequenz- oder Phasenverschiebung stützen.
Vor allem ermöglicht es, Sendesignale großer Bandbreite zu verwenden, die zu einer
guten axialen Auflösung der Messung führen.
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Allerdings ermöglicht das obenbeschriebene Verfahren keine Messung von
Geschwindigkeiten, die oberhalb einer Grenzgeschwindigkeit Vlim liegen, die gegeben
ist durch:
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wobei C die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle ist. Dieses auch unter
der Bezeichnung "aliasing" bekannte Phänomen hängt mit der durch die Periodizität des
Echographiesignals induzierten Unbestimmheit zusammen. Eine detaillierte
Beschreibung findet sich in dem Werk "Doppler Ultrasound and Its Use in Clinical
Measurement", P. Atkinson and J.P. Woodcock, Academic Press, 1982.
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Beispielsweise erhält man bei einer Wiederholungsperiodendauer T von
100 µs einer akkustischen Mittenfrequenz f&sub0; von 5 MHz und einer
Ausbreitungsgeschwindigkeit C von 1500 m/s eine Grenzgeschwindigkeit Vum von 75 cm/s, während
beispielsweise bestimmte Blutströmungen deutlich höhere Geschwindigkeiten erreichen
können.
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Um die Geschwindigkeitsmeßgrenze zu erhöhen, kann man eine
Verringerung der Frequenz f&sub0; erwägen, aber dies würde zu einer Reduzierung der
Genauigkeit der Messung und der Auflösung führen. In gleicher Weise hätte eine Erhöhung
der Wiederholungsfrequenz die unerwünschte Folge, daß sich die Untersuchungstiefe
verringert.
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Daher besteht die von der vorliegenden Erfindung zu lösende Aufgabe
darin, eine Anordnung der eingangs genannten Art zur Messung der Geschwindigkeit
von Blutströmungen zu verschaffen, die eine Erhöhung der
Grenzgeschwindigkeitsmeßgrenze Vlim zu ermöglicht, ohne die Frequenz f&sub0; zu verringern und ohne die
Wiederholungsfrequenz LIT zu erhöhen.
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Unabhängig von dem "Aliasing"-Phänomen, ist es eine Aufgabe der
Erfindung, andere mit der Abtastung verbundene Mehrdeutigkeiten bei der Bestimmung
der Korrelationsspitze zu beseitigen. Es kann nämlich vorkommen, daß der höchste
Punkt der abgetasteten Korrelationsfunktion nicht zu der gesuchten Korrelationsspitze
gehört. Diese Situation kann eintreten, wenn komplexe Strömungen gemessen werden,
die beträchtliche Geschwindigkeitsgradienten enthalten, die dazu tendieren, die
Korrelationsspitze zu senken. Dieser Fehler macht sich in abrupten Unstetigkeiten bei der
Wiederherstellung des Profils der Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der
Untersuchungstiefe bemerkbar.
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Eine der Anmelderin bekannte Lösung für die sich stellende technische
Aufgabe besteht darin, daß die genannte Anordnung einen zweiten Verarbeitungskanal
für das empfangene Echographiesignal hat, der folgendes umfaßt:
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- zwei symmetrische Paßbandfilter F&sub1; und F&sub2;, denen das Signal Sn(t) zugeführt
wird, die parallel angeordnet sind und Signale Sn1(t) bzw. Sn2(t) liefern, die um
eine Frequenz f&sub1; wenigstens gleich f&sub0; bzw. eine Frequenz f&sub2; wenigstens gleich
f&sub0; zentriert sind, wobei die Differenz f&sub2;-f&sub1; kleiner f&sub0; ist,
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- einen Multiplizierer, der das Produkt der Signale Sn1(t) und sn2(t) bildet,
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- ein symmetrisches Paßbandfilter, das die Komponente Sn(t) mit der Frequenz f&sub2;-
f&sub1; aus dem Produkt sn1(t) x sn2(t) selektiert,
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- eine zweite Korrelationsschaltung, die 2I+1 abgetastete Werte der als zweite
Korrelationsfunktion bezeichneten Korrelationsfunktion von zwei
aufeinanderfolgenden Signalen sn(t) und Sn+1(t) liefert,
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und daß eine Multiplex-Interpolationsschaltung eine Schätzung der Geschwindigkeit
liefert, und zwar durch Suche des Maximums der ersten Korrelationsfunktion rund um
eine Abtastungswert, der den höchsten Wert der zweiten Korrelationsfunktion ergibt.
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Somit verwendet diese bekannte Anordnung nicht nur ein Signal Sn(t)
hoher Frequenz (f&sub0;) wie die ältere, aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung,
sondern auch ein zweites Signal Sn(t) niederer Frequenz (f&sub2;-f&sub1;), das ebenfalls die
Beziehung (1) erfüllt und daher wie das Signal sn(t) behandelt werden kann. Die zweite,
mit dem Signal sn(t) verbundene Korrelationsfunktion hat eine viel geringere Frequenz
und weist im Rahmen der betrachteten Messung praktisch nur ein einziges Maximum
auf, wodurch die durch das "Aliasing"-Phänomen bedingte Unbestimmtheit bei der
Messung der Geschwindigkeit aufgrund der ersten Korrelationsfunktion vollständig
beseitigt werden kann. Diese Anordnung kombiniert die Vorteile einer größeren, durch
das Signal mit Frequenz f&sub0; festgelegten Meßgenauigkeit und einer höheren
Grenzgeschwindigkeit, die durch das Niederfrequenzsignal bedingt wird und deren Wert
gegeben ist durch:
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Die in den vorangegangenen Absätzen beschriebene bekannte Lösung
ermöglicht es jedoch nicht, sehr hohe Grenzgeschwindigkeitswerte zu erhalten. Wegen
der notwendigen Trennung der zur Selektion der Frequenzen f&sub2; und f&sub1; bestimmten Filter
F&sub2; und F&sub1; kann nämlich nur ein Frequenzverhäitnis f&sub0;/f&sub2;-f&sub1; in der Größenordnung von 2
bis 3 erhalten werden, wodurch man von einem Wert Vum von 0,8 mis auf einen Wert
in der Größenordnung von 2 m/s übergehen kann. Dies reicht zur Messung aller
Geschwindigkeiten von Organgbewegungen und Strömungen in einem gesunden
menschlichen Körper aus, nicht jedoch zur Messung bestimmter Blutströmungen, die
pathologische Zustände vermuten lassen, vor allem im Falle von arteriellen Stenosen,
bei denen das Blut Geschwindigkeiten von 5 m/s erreichen kann, oder bei arterioven
Ösen Shunts, bei denen noch höhere Blutgeschwindigkeiten auftreten können.
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Wenn man bei der obenangegebenen bekannten Lösung versucht, die
Filter F&sub1; und F&sub2; in ihrer Frequenz aneinander anzugleichen, muß man ihnen eine um so
stärkere Abschneideflanke geben, um zu verhindern, daß sie sich abschneiden, was zu
einer kontinuierlichen Störkomponente ihn ihrem Ausgangssignal führen würde. Diese
Filter werden dann teurer, da umfangreicher, was außerdem den Nachteil einer
geringeren Auflösung hat und die Korrelation ungenauer werden läßt.
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Aus der Patentschnft US-A 4955 386 ist als
Doppier-Echographieverfahren, das Frequenz- und Phasendifferenzen verwendet, auch eine Sendestufe bekannt,
die erste Mittel umfaßt, um das genannte Impulssignal in benachbarten, abwechselnden
Wiederholungsperiodendauern T und T + Ts auszusenden, und eine
Festecho-Unterdrückangsschaltung (MTI) mit an die Wiederholungspenodendauer-Summe 2T + Ts
angepaßten Unterdrückungsmitteln; zwei Verarbeitungskanalen für Doppler-Signale, die
dann durch Phasenvergleich die Ableitung eines eindeutigen Geschwindigkeitswerts
ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die zuvor genannte technische Aufgabe durch
Ausführung der im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten technischen
Merkmale gelöst und die Beschränkungen des Standes der Technik überwunden.
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Nach dem Stand der Technik ist die maximal mögliche Untersuchungstiefe
direkt proportional zur Wiederholungsperiodendauer T. Erfindungsgemäß ist diese Tiefe
durch die kürzere dieser beiden Periodendauern T&sub1; und T&sub2; begrenzt. Vorzugsweise
wählt man die Werte von T&sub1; und T&sub2; so, daß sie nahe an dem üblicherweise für T
gewählten Wert liegen, beispielsweise so, daß T&sub1;< T< T&sub2;. Die bei einer Blutströmung
unerläßliche Festechounterdrückung zur Eliminierung der Echos mit sehr großer
Amplitude, die sich aufgrund der Gefäßwände ergeben, impliziert eine Periodizität der
Sendezeitpunkte (für Pulse) der Impulse. Diese Periodizität, gleich T im Stand der
Technik, wird hier gleich der Summe T&sub1; + T&sub2;, unabhängig von der Parität des Pulses
eines betrachteten Impulses. Jeder Parität (gerade oder ungerade) entspricht jedoch ein
besonderes Ausgangssignal am Ausgang der Festecho-Unterdrückungsschaltung und,
abwärts, entsprechen diesen beiden Signalen zwei getrennte Korrelationen. Der
Vergleich dieser beiden Korrelationsfunktionen ermöglicht es, jede Mehrdeutigkeit zu
beseitigen, die sich aus dem "Aliasing" oder der Abtastung ergeben würde. Es zeigt
sich, daß unter diesen Bedingungen für die Grenzgeschwindigkeit, die erhalten werden
kann, aufgrund der folgenden Beziehung (2) gilt:
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Für die Wahl der Werte von T&sub1; und T&sub2; muß ein Kompromiß gefunden
werden. Diese Werte müssen unterschiedlich genug sein und weit genug
auseinanderliegen, damit das Vorhandensein einer gemeinsamen Spitze der beiden
Korrelationsfunktionen deutlich erkennbar ist, und umgekehrt müssen sie nah genug
beieinanderliegen, um ein ausreichend großes Verhältnis von T/T&sub2;-T&sub1; und damit der Werte der
Grenzgeschwindigkeiten zu erhalten. Dieser Kompromiß ist jedoch nicht kritisch, und
man kann beispielsweise solche Werte für T&sub1;, T und T&sub2; wählen, daß gilt:
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T&sub1; = 5 T&sub0;, T = 5,5 T&sub0; und T&sub2; = 6 T&sub0;
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Nicht-einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der
Zeichnung dargestellt und werden zum besseren Verständnis im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
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Figur 1 das Übersichtsschema eines erfindungsgemäßen
Ultraschallechographen,
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Figur 2 das Übersichtsschema der Empfangs- und Verarbeitungsstufe aus
Figur 1,
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Figur 3 ein Zeitdiagramm, das die erfindungsgemäße Sendeabfolge der
Ultraschallimpulse zeigt,
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Figur 4 in a und b Beispiele für Korrelationsfunktionen, die mit Hilfe des
Echographen aus Figur 1 erhalten werden und in c, wie diese Funktionen für die
Messung jedes gesuchten Geschwindigkeitspunktes verglichen werden und
die Figuren 5 und 6 Übersichtsschemata zweier Ausführungsformen der
an die Erfindung angepaßten Festecho-Unterdrückungsschaltung.
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Das in Figur 1 dargestellte Gerät zur Untersuchung mittels
Ultraschallechographie umfaßt in herkömmlicher Weise einen Ultraschallwandler 10, der erstens zu
einer Sendestufe 20 und zweitens zu einer Empfangs- und Verarbeitungsstufe 30 gehört,
sowie eine Anordnung 40 zur mechanischen Abtastungssteuerung des Wandlers.
Anstelle dieses einzelnen Wandlers wird vorteilhafterweise ein Netz von Wandlern
verwendet, das dann zu einer elektronischen Abtastungssteuerung gehört. Die
Sendestufe 20 umfaßt einen Generator für elektrische Erregungssignale, die zum Wandler 10
geschickt werden, der sie nach dem Stand der Technik in periodische Folgen von
Ultraschall-Impulsignalen umwandelt, wobei die Aussendung durch Taktsignale
gesteuert wird, die mit einer bestimmten Wiederholungsfrequenz F = 1/T -
beispielsweise in einer Größenordnung von 5 Kilohertz - von einem internen Sequenzierer an
den Wandler 10 abgegeben werden. Erfindungsgemäß umfaßt die Sendestufe 20 erste
Mittel, um die Impulssignalfolgen in zwei benachbarten abwechselnden
Wiederholungsperiodendauern T&sub1; und T&sub2; auszusenden. Diese ersten Mittel, deren Entwurf als solcher
für den Fachmann kein Problem ist, bestehen beispielsweise aus einem Takterzeuger 21,
der ein Rechtecksignal mit einer Frequenz 1/T&sub0;, beispielsweise 1/T&sub0; = 27,5 kHz, an
eine logische Schaltung 22 liefert, deren zwei Ausgänge mit zwei Zählern 23 bzw. 24
verbunden sind. Die Zähler 23 und 24 bilden zusammen eine Schleife, und der erste 23
zählt bis n und der zweite 24 bis p (beispielsweise mit n = 5 und p = 6). Der Ausgang
des Zählers 23 ist mit einem zweiten Eingang 25 der logischen Schaltung 22 und der
Ausgang des Zählers 24 mit einem dritten Eingang 26 der Schaltung 22 verbunden. Ein
am Eingang 25 empfangener Impuls hat zur Folge, daß der Zähler 23 deaktiviert wird,
um den Zähler 24 zu aktivieren, und ein in 26 empfangener Impuls hat die umgekehrte
Wirkung. Außerdem ist jeder dieser Ausgänge der Zähler mit einem Eingang eines
Exklusiv-ODER-Gatters 27 verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang eines
Generators 28 für elektrische Erregungssignale verbunden ist. Die Zähler 23 und 24
sind beispielsweise vom Typ 74F 160A oder 74F 168, wie sie vom Unternehmen
Philips hergestellt werden. Das Signal des Generators 28 wird über einen Separator 29
zum Wandler 10 gesendet, der sie in periodische Folgen von Ultraschall-Impulssignalen
in der Größenordnung von 4 bis 10 Impulsen verwandelt. Der Separator 29 der
Sendestufe 20 und der Empfangs- und Verarbeitungsstufe 30, der in herkömmlicher
Weise zwischen dem Wandler 10, dem Generator 28 und der genannten Stufe 30
eingefügt ist, verhindert das Erblinden der Empfangsschaltung durch die Sendesignale.
Mit den oben gewählten Werten T&sub0; 36,4 µs; n = 5 und p = 6 erhält man für die
abwechselnden Wiederholungsperiodendauern der Impulse die Werte: nT&sub0; 182 µs
(1/T&sub1; = 5,5 kHz) und pT&sub0; = 218 µs (1/T&sub2; = 4,58 kHz). Diese Periodenwerte sind
vergleichbar mit dem, der üblicherweise bei dem bekannten Verfahren für T verwendet
wird: T = 200µs (1/T = 5kHz).
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Die Anordnung 40 wird durch ein Taktsignal an einem Eingag 41 mit
einer Frequenz von beispielsweise 1 kHz gesteuert. Im häufigsten Fall, bei dem das
Organ 10 ein Netz von Wandlern ist, hat die Anordnung 40 die Funktion, beim Senden
ein Gesetz zur Verteilung von einem Einzelwandler auf den nächsten zu erzeugen, um
die Ultraschallwelle hinsichtlich der Tiefe entlang einer im wesentlichen zur
untersuchten Umgebung (zum Körper) senkrechten Geraden zu fokussieren.
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In bekannter Weise umfaßt die Empfangs- und Verarbeitungsstufe 30 am
Ausgang des Separators 29 einen (nicht dargestellten) Hochfrequenzverstarker, der den
Verstärkungsausgleich in Abhängigkeit von der Tiefe enthält, auf den ein
Verarbeitungskanal folgt, der in Reihe eine Festecho-Unterdrückungsschaltung, einen Speicher für
numerische Abtastungen, eine Korrelations-Interpolationsschaltung und eine
Validierungsschaltung umfaßt. Erfindungsgemäß weist dieser in Figur 2 dargestellte
Verarbeitungskanal gewisse Besonderheiten auf. Die Festecho-Unterdrückungsschaltung 31,
die wegen der sehr großen Amplitude der Echos an den Wänden der Blutgefäße immer
notwendig ist, muß zweite Mittel umfassen, die wie im vorangegangenen anhand der
Figuren 5 und 6 beschrieben an die doppelte Wiederholungsperiodendauer T&sub1; und T&sub2;
angepaßt sind.
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Der Ausgang der Schaltung 31 ist nicht wie bei dem bekannten Verfahren
einzeln, sondern doppelt vorhanden, und bei Eingangsabtastungen Si sind die von den
Festechos befreiten Ausgangsabtastungen keine Abtastungen Di, sondern beispielsweise
geradzahlige Ausgangsabtastungen oder D2k (für i = 2k) an einem Ausgang und
ungeradzahlige oder D2k+1 am anderen. An einem Ausgang erscheinen also die
Abtastungen, die sich auf die Periodendauer T&sub1; beziehen, und an dem anderen die
Abtastungen, die sich auf die Periode T&sub2; beziehen. Der Speicher 32 zur Speicherung
von Abtastungen (Figur 2) ist ein doppelter Speicher, der für eine gegebene Folge von
Impulsen, in einer ersten Hälfte die beispielsweise zur Wiederholungsperiodendauer T&sub1;
gehörenden Abtastungen Di der geradzahligen Pulse und in einer zweiten Hälfte die zur
Wiederholungsperiodendauer T&sub2; gehörenden Abtastungen Di der ungeradzahligen Pulse
enthält.
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Auf dem Zeitdiagramm in Figur 3 ist in schematischer Weise die
Aussendung einer Folge von Impulsen dargestellt. Auf der Zeitachse ist der Zeitpunkt
angezeigt, der den Beginn jedes Impulses markiert, wobei dieser Zeitpunkt mit der
Folgenummer des Impulses in der Folge bezeichnet ist: 0, 1, 2,..., i, ..., oder indem
man die Parität eingehen läßt; 0, 1, 2, ..., 2k, 2k+1 ... Wie dargestellt, markieren die
Impulse mit geradzahliger Folgenummer den Beginn einer Periodendauer T&sub1; zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Impulsen und diejenigen mit ungeradzahliger Folgenummer
den Beginn einer Periodendauer T&sub2;. Nach dem Stand der Technik hat jede Folge
ungefähr N = 10 Impulse (10 Pulse), die dazu dienen, einen Mittelwert über N - n
Werte für jeden Geschwindigkeitspunkt zu bilden, wobei n die Anzahl der Koeffizienten
des Festecho-Unterdrückungsfilters ist. Da dieser Mittelwert erfindungsgemäß zweimal
über N/2 - n Werte gebildet wird, wie aus der folgenden Beschreibung hervorgehen
wird, ist es vorteilhaft, die Anzahl N auf beispielsweise 15 zu erhöhen. Allerdings darf
der Wert von N nicht zu sehr vergrößert werden, da sich dadurch die Bildfrequenz
verringert, wenn das gemessene Geschwindigkeitsprofil auf einem Monitor
wiedergegeben wird.
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Die Korrelations-Interpolationsschaltung 33 arbeitet auf der Basis einer
"1-Bit" -Korrelation, wie sie in der vorgenannten französischen Patentanmeldung
2 590 790 detailliert beschrieben wird. Erfindungsgemäß umfaßt die Schaltung 33 zwei
1-Bit-Korrelatoreinheiten. Die bekannte Korrelationsschaltung umfaßt in herkömmlicher
Weise eine Leitung zur Verzögerung um eine Wiederholungsperiodendauer T, die es
ermöglicht, zur gleichen Zeit zwei aufeinanderfolgende Signale Di(t) und Di+1 (t) zu
empfangen. In der Schaltung 33 verarbeitet eine Korrelatoreinheit mittels einer Leitung
zur Verzögerung um eine Wiederholungsperiodendauer T&sub1; zwei aufeinanderfolgende
geradzahlige (bzw. ungeradzahlige) Signale D2k(t) und D2k+2(t), und die andere
Korrelatoreinheit verarbeitet mittels einer Leitung zur Verzögerung um eine
Wiederholungsperiodendauer T&sub2; zwei aufeinanderfolgende ungeradzahlige (bzw. geradzahlige)
Signale D2k+1(t) und D2k+3(t), d.h. daß ein Korrelator für eine erste
Korrelationsfunktion zwei aufeinanderfolgende Leitungen der ersten Hälfte des Speichers 32
verarbeitet, wobei jede Leitung einem Puls entspricht, und daß der andere Korrelator
für eine zweite Korrelationsfunktion zwei aufeinanderfolgende Leitungen der zweiten
Hälfte verarbeitet. Um die Abtastungssignale der Schaltung 33 zuzuführen, kann die
Leseadressierung des Speichers 32 sequentiell mit einem einzigen Datenausgang gewählt
werden, und zwar, durch Auslesen einer Leitung eines bestimmten Rangs aus der ersten
Hälfte und darauffolgendes Auslesen des gleichen Rangs aus der zweiten Hälfte, wie in
Figur 2 dargestellt, oder aber gleichzeitig an zwei Ausgängen, von denen jeder an einer
Hälfte des Speichers liegt. In jedem Korrelator verschieben 2I + 1
Verzögerungsleitungen jeweils eines der beiden Signale bezüglich des anderen um die Größe
uj = jΔt, wobei j eine ganze Zahl ist, die die Werte -I, -I + 1, ... -1, 0, 1, ... I - 1
annimmt und Δt der Abtastungsschritt ist, beispielsweise 50 ns. Schließlich liefern die
Korrelatoren mit der Anzahl 2I + 1 dann 2I +1 Abtastungswerte jeder
Korrelationsfunktion, wodurch eine Korrelationsfenster definiert wird, d.h.:
undj gehört zu [-I, I].
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Ein Beispiel für solche Korrelationsfunktionen mit 1 größer 4 wird in den
Figuren 4a und 4b gegeben. Aufgrund dieser beiden Funktionen wird ein gesuchter
Geschwindigkeitspunkt für den Abszissenwert u&sub0; = τ erhalten, der der maximalen
Korrelationsspitze (Hauptspitze) entspricht, wobei dieser Wert für beide Funktion
theoretisch der gleiche ist. In der Praxis wird für eine bessere Rauschunempfindlichkeit
jede Korrelationsfunktion mit den nachfolgenden gespeichert und gemittelt, die den
folgenden Pulspaaren für die gleiche zu t&sub0; gehörende Tiefe z&sub0; entsprechen. Allerdings
kann es vorkommen, daß die Hauptspitze sich aus verschiedenen Gründen wenig von
den sekundären Spitzen unterscheidet: erstens ist die Korrelationsfunktion
frequenzmäßig zentriert und schwingt in der Zeit mit der Mittelfrequenz des echographischen
Signals. Bei Vorhandensein von Rauschen, was immer der Fall ist, werden die Signale
außerdem dekorreliert, und der Wert der Korrelationsspitze kann soweit abnehmen, daß
er in der gleichen Größenordnung liegt wie deijenige der sekundären Spitzen, die durch
das Schwingen der Korrelationsfunktion erzeugt werden. Außerdem kann die
Berechnungsabtastung dieser Funktion auch zu einer Mehrdeutigkeit bei der Wahl der
maximalen Abtastung vor der Interpolierung führen, die den Erhalt des Maximums
jeder Korrelationsspitze ermöglicht.
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Erfindungsgemäß beschränkt sich die Suche nach der Korrelationsspitze
nicht mehr auf einen Bereich mit dem Umfang der Periodendauer des
Echographiesignals (ausgedrückt durch die obengenannte Beziehung (2)), und der Vergleich der
Korrelationsfunktionen aus den Figuren 4a und 4b ermöglicht es, unter mehreren
scheinbar möglichen Spitzen mit Sicherheit die Hauptkorrelationsspitze zu bestimmen,
wie im folgenden beschrieben wird.
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Die beiden Korrelationssignale aus den Figuren 4a und 4b haben die
gleiche Periodendauer wie das ausgesendete Signal, entsprechen aber unterschiedlichen
Impulswiederholungsfrequenzen (PRF). Folglich entsprechen die
Hauptkorrelationsspitzen in jedem Signal unterschiedlichen zeitlichen Verschiebungen (Abszisse u), d.h.:
τ&sub1; = 2 V/C T&sub1; und τ&sub2; = 2 V/C T&sub2;, wobei V der gesuchte Geschwindigkeitswert ist.
Man vereinheitlicht die Skala der zeitlichen Verschiebungen zwischen den beiden
Korrelationen, indem man sie um einen Faktor p für die erste (Abszisse u') und n für
die zweite (Abszisse u") streckt, und überlagert sie wie in Figur 4c dargestellt. Somit
enthält jedes Signal eine Korrelationsspitze, die bezüglich 0 um folgende Dauer
verschoben ist: u'&sub0; U"&sub0; 2 V/C np T&sub0;, woraus sich die Geschwindigkeit V leicht
ableiten läßt. Die Selektion dieser Spitze erfolgt, indem die Spitze, die beiden
Korrelationen gemeinsam ist, zurückbehalten wird, wobei die anderen Spitzen durch die
Streckung verschoben werden. Damit nur die signifikanten Spitzen betrachtet werden,
wird für die Korrelationsfunktionen vorzugsweise zuvor eine Schwelle von 50% des
Maximums eingerichtet. Um sicherzustellen, daß die Spitzen, die keine Hauptspitzen
sind, alle paarweise verschoben werden, ist es erforderlich, daß die Zahlen n und p
teilerfrernd sind. Alle Möglichkeiten einer Messung von τ&sub1; und τ&sub2; lassen sich nämlich
ausdrücken durch:
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&sub1; = τ&sub1; + q/f&sub0;, d.h.: &sub1; = τ&sub1; modulo 1/f&sub0;
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&sub2; = τ&sub2; + r/f&sub0;, d.h.: &sub2; = τ&sub2; modulo 1/f&sub0;
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wobei f&sub1; und f&sub2; die geschätzten Werte für τ&sub1; bzw. τ&sub2; und q,r ganze Zahlen bezeichnen.
Außerdem:
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τ&sub1; = αnT&sub0;
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τ&sub2; = αpT&sub0;
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mit α = 2V/C;
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indem man τ&sub1; und τ&sub2; durch ihre Werte in den vorangegangenen Beziehungen ersetzt,
erhält man folgende Gleichung:
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qp - rn = 0
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Damit diese Gleichung nur eine Lösung hat (bis auf die Vielfachen von q
und r), muß gelten:
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q=n
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r=p
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wobei n und p teilerfremd sind.
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Das Modub, das dann auf τ&sub1; und τ&sub2; angewendet wird, ist also: n/f&sub0; und
p/f&sub0;.
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Daraus leitet man ab (beispielsweise ausgehend von τ&sub2;):
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Dies zeigt durch Vergleich mit der Beziehung (2), daß die
Grenzgeschwindigkeit,
die so gemessen werden kann, nicht mehr in Beziehung zu T&sub1; oder zu T&sub2;
steht (wie es mit T nach dem Stand der Technik der Fall war), sondern zu T&sub0;, d.h. eine
mit n multiplizierte Grenzgeschwindigkeit (wobei n die kleinere der beiden Zahlen n
und p ist). Der rechte Teil des Schemas aus Figur 2 ist bekannt und in der
französischen Patentanmeldung 2 662 265 auf den Namen der Anmelderin beschrieben. Nach
Bestimmung jedes gemittelten Geschwindigkeitswertes des analysierten Profils wird
dieser Wert über eine Verbindung 34 einer auch als Segmentierungschaltung
bezeichneten Validierungsschaltung 35 zugeführt, die direkt von der Schaltung 33 über eine
Verbindung 36 den Wert der gemittelten Hauptkorrelationsspitze und über eine
Amplitudenberechnungschaltung 37 eine Schätzung der Amplitude (Energie) des Signals
für den Punkt des betrachteten Profils empfängt. Der Geschwindigkeitswert wird geprüft
und nur am Ausgang der Schaltung 35 ausgegeben, wenn die Werte der beiden anderen
Parameter (Korrelation und Amplitude) die zuvor eingerichteten Schwellen
überschreiten.
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Die Eliminierung der Festechos erfolgt üblicherweise durch
aufeinanderfolgende Differenzbildungen oder komplexere Kombinationen. Bei einer sich mit einer
Periodendauer T wiederholenden Aussendung werden die aufeinanderfolgenden
Empfangssignale wie folgt verarbeitet:
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D&sub1; = S&sub2; - S&sub1; (zwei Koeffizienten, 1 und -1)
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wobei S&sub1; bezüglich S&sub2; welches das empfangene Signal ist, um T verzögert wird, oder
aber in verbesserter Weise:
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D&sub1; = 2 S&sub1; - S&sub2; - S&sub3; (drei Koeffizienten, 2, -1, -1)
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wobei S&sub1; um 2T und S&sub2; um T bezüglich S&sub3; verzögert wird, welches das empfangene
Signal darstellt.
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In diesen beiden Fällen hat jede der Verzögerungsleitungen eine
Verzögerung von einer Aussende-Wiederholungsperiodendauer T. Es sei darauf
hingewiesen, daß bei diesen beiden Beispielen bei Gültigkeit von:
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Si(t) = Si-1(t-τ)
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auch die folgende Beziehung gültig ist:
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Di(t) = Di-1(t-τ)
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Dies heißt, daß man den Wert von τ durch zeidiche Korrelation der
Signale D extrahieren kann, in denen die gemeinsamen (festen) Bestandteile der Signale
S eliminiert worden sind. Erfindungsgemäß muß dieser Schritt zur Unterdrückung von
Festechos angepaßt werden, da eine doppelte Wiederholung verwendet wird. Bei der
durchzuführenden Signalumformung muß die Wiederholungsbeziehung der zueinander
verzögerten Signale notwendigerweise beibehalten werden. Man stellt jedoch fest, daß
eine sogenannte globale Periodizität im Aussendeschema mit zwei abwechselnden
Wiederholungen besteht, und zwar gleich T&sub1; + T&sub2;, wie es in Figur 3 angegeben ist,
und die Tatsache, daß es zwischen einer globalen Periode und der folgenden globalen
Periode Überlappung gibt, kompliziert die Eliminierung der Festechos zwar, verhindert
sie aber nicht.
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Die zwei Wiederholungsbeziehungen, die die aufeinanderfolgenden
Signale verbinden, sind:
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S2k+1(t) = S2k(t-τ&sub1;)
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S2k(t) = S2k-1(t-τ&sub2;)
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Die neuen von den Festechos befreiten Signale D werden, wie in Figur 5
dargestellt, im Falle einer einfachen Differenz (zwei Koeffizienten) auffolgende Weise
erzeugt:
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D2k(t) = S2(k+1)(t) - S2k(t) = D2k-1(t-τ&sub2;)
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D2k-1(t) = S2k+1(t) - S2k-1(t) = D2k-2(t-τ&sub1;)
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Der Fall von drei Koeffizienten, beispielsweise (2, -1, -1) ist in Figur 6
dargestellt:
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D2k(t) = 2S2(k+2)(t) - S2(k+1)(t) - S2k(t)
= D2k-1(t-τ&sub2;)
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D2k-1(t) = 2S2k+3(t) - S2k+1(t) - S2k-1(t)
= D2k-2(t-τ&sub1;)