超声波系统和成像超声波方法与流程

本发明涉及一种尤其是可用作医学技术系统的超声波系统以及一种成像超声波方法。

背景技术

例如从US 2013/0079639 A1中已知一种用于借助超声波进行成像的系统和方法。已知的超声波系统包括多个电声转换器，所述电声转换器发送超声波信号以及接收所发送的超声波信号的回波。电声转换器布置在声头中。检测到的模拟信号被数字化，其中，进一步处理数字原始数据。为了转发数据提出一种总线系统。数字化数据可以被存储并且尤其是通过接收波束形成器存储，以便生成最终可显示的超声波图像。

在EP 2 614 775 A1中描述了一种另外的超声波系统，该超声波系统具有超声波探头、即声头和与超声波探头在空间上分离地的数据处理单元。在超声波探头和数据处理单元之间通过无线接口传送数据。

由US 2008/0 110 266 A1已知一种超声波系统，该超声波系统具有通过无线的或有线的接口耦联到计算机上的超声波探头。超声波探头具有前置放大器、A/D转换器以及缓冲存储器。为了聚焦所发出的声学信号，提出声学和合成方法。此外，提供接收到的超声波信号的合成聚焦。

在US 2008/0 294046 A1中描述的超声系统的情况下，声头通过电缆与电池运行的评估单元连接。

US 2008/0 110 266 A描述了一种具有由声转换器形成的阵列的超声波系统，所述声转换器构造为压电转换器并且通过前置放大器连接到模数转换器上。由模数转换器提供的数字信号在声头内已经部分地被进一步处理。在经由线缆或无线地与声头连接的主单元中进行进一步的数字信号处理。

在US 2014/0 058 266 A1中详细描述了一种成像的超声波系统的存储器架构。在这种情况下，要处理的数据通过数据网络传输。

EP 2 627 257 B1描述了一种具有凹陷弯曲的超声波转换器装置的超声波成像系统。在超声波转换器装置中存在多个发送开口，发送开口用未集中的超声波脉冲来检查散射体。与超声波转换器相关联的是控制系统，该控制系统尤其是实现在各种发送开口之间进行切换。

EP 3 117 774 B1公开了一种基于软件的超声波成像系统，在该超声波成像系统内使用具有直接存储器访问(DMA)的方案。在此，超声波成像系统的前端单元被提供用于以DMA方案传输信道数据。

由US 2008/0 151 765 A1已知一种用于在传输音频数据时避免抖动的环形缓冲器。环形缓冲器被设置成执行彼此独立的读和写过程。

技术实现要素：

本发明的任务在于，与所述现有技术相比，尤其是在有效和安全的数据处理的方面，进一步开发借助超声波的成像。

根据本发明，所述任务通过具有权利要求1的特征的超声波系统来解决。所述任务同样通过根据权利要求10的成像超声波方法来解决。下面结合超声波方法阐述的本发明的设计方案和优点在意义上也适用于该装置，即超声波系统，并且反之亦然。

超声波系统利用可运动的、尤其是构造为手持式设备的超声波探头以及数据处理单元工作，所述超声波探头包括多个发送和接收元件，所述数据处理单元与超声波探头有线或非有线地耦联。在任何情况下，数据处理单元与超声波探头在物理上分离，即与超声波探头没有固定的几何关系地间隔开。在典型的设计方案中，在超声波探头和数据处理单元之间通过线缆建立数据连接。在各种情况下，超声波探头包括多个发送端级、发送接收分离器、模拟前置放大器和模数转换器，以及至少一个数字连接部件，超声波探头通过该连接部件以数据技术方式与数据处理单元耦联。而在超声波探头中没有设置数据处理、尤其是射束成形(波束成形)。

超声波系统的数据处理单元具有两个构造为环形存储器的存储器，即接收存储器和发送存储器(它们也统称为环形缓冲器)以及被构造成生成超声波图像的计算单元。在此，环形存储器表示包括超声波探头以及所提到的数据连接装置、尤其是线缆的实时总线系统(RTS)的部件。同时，环形存储器连接到存在于实时总线系统(RTS)外部的、为计算单元的运行而设置的操作系统(BS)、尤其是标准操作系统中。

在超声波探头内传送数据并借助内置在超声波探头中的时钟设定器(clock)进行时钟控制的系统称为探头系统(Son-S)。

探头系统(Son-S)的时钟不精确性(Jitter抖动)、即执行时间不精确性比实时总线系统(RTS)的时钟不精确性(抖动)小至少三个数量级。也就是说，探头系统(Son-S)以比实时总线系统(RTS)高得多的时间精度来工作。同时，计算单元的操作系统(BS)的响应时间比实时总线系统的时钟不精确性(抖动)长至少两个数量级。因此，操作系统(BS)的响应时间与超声波探头的时钟不精确性相差至少10⁵倍。尽管有分别涉及时间不精确性或时间差的这五个数量级，但由超声波系统生成的图像作为实时图像被感知。通过实时总线系统(RTS)，在超声波探头和与该超声波探头间隔开的数据处理单元之间的发送数据和接收数据同时通过串流无中断地以平均恒定速率以脉冲方式在超声波探头的无状态的、不在发送和接收运行之间区分的运行中传输。

总体而言，根据本发明的超声波方法(在该超声波方法内，待检查的对象暴露于超声波脉冲并记录回波信号)具有以下特征：

-提供包括多个发送和接收元件的超声波探头以及与该超声波探头在数据技术上耦联的数据处理单元，该数据处理单元包括主处理器以及尤其是具有多个运算器的图形处理器形式的另外的处理器，

-通过数据处理单元生成被设置用于运行发送和接收元件的操控数据，其中，操控数据在没有满足硬实时要求的标准操作系统下产生并且关于其产生异步地被写入到构造为环形存储器的发送存储器中，该发送存储器归属于实时总线系统，

-与操控数据的生成和存储有关地从发送存储器向超声波探头异步传送操控数据，其中，超声波探头作为实时总线系统的部件运行并且操控数据以平均恒定的第一数据传输速率无暂停地通过串流传送，并且包括超声波探头内的部件的探头系统的时钟不精确性(抖动)比实时总线系统的时钟不精确性(抖动)低至少三个数量级，并且标准操作系统的响应时间比实时总线系统的响应时间长至少两个数量级，

-超声波脉冲根据操控数据借助于布置在超声波探头中的发送端级来产生，其中，由发送端级操纵的发送和接收元件尤其是构造为压电元件，

-所属的回波信号在超声波探头内模拟地放大并且同步地无中断地并且以恒定的时钟频率数字化并且通过串流实时地无间隙地没有进一步处理地经由数据连接装置、尤其是线缆异步地关于数字化写入与超声波探头在空间上分离地的被构造为环形存储器的归属于实时总线系统的接收存储器中，其中，通往接收存储器的数据传输无中断地以基本恒定的第二数据传输速率来进行，所述第二数据传输速率与所提到的第一数据传输速率偏离不超过五倍，尤其是不超过二倍，所述第一数据传输速率与从数据处理单元到超声波探头的数据传输有关，

-在接收存储器中输入的数据的选择由主处理器控制，并且作为测量数据块分配给多个运算器，其中，各个测量数据块分别被配设给一组接收元件，

-多个测量数据集与实时总线系统的环形存储器写入过程并行地和异步地由运算器处理，所述运算器分别由在标准操作系统下运行的主处理器控制，其中，所述处理分别包括接收射束成形和图像重建，并且借助于每个运算器重建部分图像，

-从部分图像通过评估单元生成整体图像作为要在屏幕上显示的超声波图像。

在超声波探头内设置有单个的时钟设定器(clock)用于发送端级以及模数转换器。

本发明基于的考虑是，在尤其是应当用于医学技术的超声波系统的运行中，应满足对超声波图像的质量的日益提高的要求，所述超声波图像典型是截面图像。在此，质量既涉及图像的分辨率也涉及利用单个超声波拍摄可检测的区域的尺寸，其中，这些尺寸包括处于超声波探头下方的同时检测到的检查区域的例如以cm为单位的深度。

超声波拍摄的较高质量通常与要传输和要处理的数据的较高速率相关联。信号传输的各种物理原理是想到的，尤其是光信号传输，例如在EP 0 762 142 B1中所描述的。为了限制在超声波探头和单独的数据处理设备之间要传输的数据的速率，在超声波探头内预处理和选择数据是可想到的途径。然而，超声波探头中的数据的任何处理必然与能量消耗和因此与热量产生相关。此外，数据处理部件的空间需求起到重要的作用。可以在超声波探头内的部分模拟数据处理中寻求摆脱这种困境的方法，这在高实时要求的观点下也可能是有利的。

然而，利用本发明提出了另外的途径，其中，在接收和发送数据这两方面都无状态地运行超声波探头。在此，发送和接收元件以例如8ns的短时钟被连续地设定到相应当前的状态。只要没有进行新的设定，就不设置保持该状态。而是随着每个时钟、在所述示例中每8ns重新设定状态，其中，该状态可以与之前的状态相同或者可以表示不同的状态。因此一方面在超声波探头中的处理复杂性方面最小化了数据处理成本，并且另一方面消除了在连续运行中保持错误设定的风险。在接通超声波系统时以及在断开超声波探头与数据处理单元之间的数据连接装置时，只要可靠的状态不是本来就存在的，则发送和接收元件占据该可靠的状态。与发送和接收元件的无状态运行相关联的非常高的数据率被接受。

在对接收到的数据(也就是说，超声波回波)进行模拟处理时，在超声波系统中相对于传统解决方案的成本已经可以通过如下方式最小化，即，前置放大器以恒定的放大率(gain增益)运行。这意味着，前置放大与触发回波的结构距发送和接收元件的距离没有相关性。因此，在具有距发送和接收元件的最小距离的像点中应用相同的放大率，该放大率也在距发送和接收元件的最大距离的像点中应用。

尽管非常高的连续的数据速率(该数据速率不仅涉及通往超声波探头的数据传输而且涉及从超声波探头到评估单元的数据传输)，但是在超声波探头内的数据处理的较大程度省略使得能够实现超声波探头作为手持式设备的设计，该设计具有较小的无需特殊冷却措施的可控制的热量产生。

在优选的设计方案中，超声波探头的发送和接收元件是组合的发送和接收元件，即，承担发送和接收功能的元件。对此，压电元件尤其是适合。

就发送和接收元件(尤其是压电元件)在超声波探头内的数量和几何布置而言，可以实现极为不同的设计方案。例如，在原则上已知的设计中，128个压电元件线状地布置。

在优选的设计方案中，在每个发送和接收元件上游连接有发送接收分离器，所述发送接收分离器被构造用于对于各恰好一个时钟为所述发送和接收元件受时钟控制地加载n个编码中的一个编码，其中，n至少为四，并且设置(n-1)个发送编码和附加地恰好一个接收编码。在三个发送编码的情况下，例如这些发送编码中的一个发送编码对应于正电压值，另外的发送编码对应于按照数值相等的负电压值并且第三发送编码对应于电压零。在这种情况下，编码可以通过2比特信号来进行。尽管例如8ns的非常短的时钟，数据传输速率因此保持在利用合理的成本可控制的范围内。利用较大数量的比特，理论上也可以设定要施加到发送和接收元件上的电压的中间值。在任何情况下，每个发送接收状态都保持活动并且仅维持一个时钟的长度。在故障情况下进行自动的默认安全关断，也就是说，采取安全的默认状态。

在有利的设计方案中，根复合体处于数据处理单元内，实时总线系统通过该根复合体建立通往超声波探头的连接。尤其是，根复合体用于传输与发送数据以及接收数据相关的消息数据包(MSI)，其中，由所述消息数据包(MSI)实现计数信号量，用于在时间上阻止和释放向发送存储器中的以及来自接收存储器的串流数据传输。准备用于传输消息数据包(MSI)的数据传输容量优选地不大于如下各数据传输容量的1％，各所述数据传输容量被提供用于经由数据连接装置一方面传输操控数据并且另一方面传输测量数据。

通过计算单元的操作系统(BS)、实时总线系统(RTS)和探头系统(Son-S)给定三个时域，所述时域(以系统的所提到的顺序)满足上升的实时要求。优选地，在探头系统(Son-S)的时间抖动(TSon)、实时总线系统(Bus-S)的抖动(TBus)和操作系统(BS)的响应时间(TBS)之间存在如下关系：

所述无量纲的分数TBus²/(TSon×TBS)尤其是具有至少100且最高10000的值。

接收数据存储器优选被构造用于存储被配设给发送数据集的接收数据块至少20ms，数据通过实时总线系统(Bus-S)被写入到所述接收数据存储器中并且数据从所述接收数据存储器中被读取以便在操作系统(BS)、尤其是标准操作系统下处理。在此，发送数据流被设置用于连续不中断地操控发送和接收元件，其中，所属的在发送和接收存储器中存放的接收数据在时间上无间隙地、顺序地并且在每个单独情况下没有所属的时间信号地被存储。时间信息以这种方式通过所存储的数据块的大小以及存储顺序即存储地址隐含地在超声波系统内转发。

将超声波探头与数据处理单元耦联的数据连接装置例如是PCIe连接装置的一部分。尤其是通过线缆实现数据连接装置。PCIe连接装置实现对接收存储器和发送存储器的直接存储器存取(DMA)。经由一个相同的PCIe连接装置可以传输一个方向上的操控数据和同时另一个方向上的测量数据以及附加的数据包、尤其是已经提到的消息数据包(MSI)，其中，消息数据包(MSI)的数据量在优选的设计方案中比通过环形存储器输送的数据的量小至少两个数量级。

在超声波系统运行时，以优选的进程引导通过主程序启动两个并行的过程。这些过程中的一个过程填充发送存储器；另一个过程将重建命令分配给附加处理器、尤其是图形处理器。两个不同的消息数据包(MSI)附加到文件系统，使得实现计数信号量。这些信号量由两个过程周期性地读取，从而一方面，只要超声波探头不从发送存储器提取足够的数据，就阻止写入到发送存储器中，并且另一方面，只要超声波探头没有将足够的数据写入到接收存储器中，就阻止从接收存储器提取数据。利用这些按需的阻止实现1ms水平的数量级的同步，这对于被感知为流畅的屏幕显示来说足够快。从借助标准操作系统可达到的1ms水平可以区分满足硬实时要求的、在超声波探头内的在数量级为10ps水平的、仅仅初步的数据处理。处于这两个极端之间的实时总线系统(RTS)使得能够在超声波探头与数据处理单元之间双向传输足够大的数据流，其中，由超声波探头提供的测量数据除了数字化外被未经处理地传输。

与现有技术不同，作为活动探头的超声波探头能够首先从归属于数据处理器件的发送存储器中自动请求对于运行发送和接收元件所需的数据并且在实时总线系统(RTS)的框架内使用这些数据，并且其次将测量数据自动写入到同样归属于数据处理器件的接收存储器中。

附图说明

下面借助于附图更详细阐述本发明的实施例。在此，示出：

图1以示意的概略图示出超声波系统，

图2以示意图示出利用根据图1的超声波系统可实施的方法。

具体实施方式

整体上以1表示的超声波系统包括超声波探头2和与超声波探头以数据技术方式连接的数据处理单元3。超声波探头2在超声波系统1运行时以本身已知的方式由用户、也就是通常由医生手动引导。在超声波探头2和例如处于可移动的机架中的数据处理单元3之间的数据传输在该实施例中通过数据线路14、即线缆在利用PCIe标准的情况下进行。一般地，线缆14是数据连接装置，该数据连接装置与实施例不同地也可实施为光学信号传输或无线电连接。

多个模拟前端单元4存在于超声波探头2内，该超声波探头被构造为有源的、无状态的超声波探测头，其中，前端单元4的数量通过超声波探头2的发送接收信道的数量来预设。前端单元4内的发送和接收元件5、即声音转换器元件以本身已知的方式构造为压电元件。声音转换器元件5连接到发送接收分离器6上。发送接收分离器6又一方面设有也被称为发送端级的功率发送器7并且另一方面与前置放大器8相关联。发送端级7在该实施例中与接收分离器6一起通过单个的构件来实现。由前置放大器8提供的模拟信号通过模数转换器9转换成数字信号，也就是接收信号。与组合构件7、8相当地，在本实施例中，前置放大器8和模数转换器9的功能也被组合在单个的构件8、9中。一般地，一方面超声波探头2的功能元件和另一方面数据处理单元3的功能元件的划分用于可视化，如在图1中所示。实际上，在超声波探头2内以及在数据处理单元3内部分别可以实现功能元件的组合。

为了数据处理的时钟控制，在超声波探头2内设置有时钟设定器(clock)10，也简称时钟。时钟10处于模拟前端4外，其中，时钟在数据技术上不仅与功率发送器7而且与模数转换器9相关联。此外，在功率发送器7和发送串行器12之间以及在模数转换器9和接收数据-分包器13之间存在数据技术的关联。发送串行器12以恒定速率时钟控制的串流的信道式的比特流转换发送数据，以用于操控发送接收分离器6和声音转换器元件5。相反，接收数据-分包器13实现从模数转换器9获得的ADC数据向接收数据包的串流。

发送串行器12与接收数据-分包器13一样连接到计数器装置11，该计数器装置包括两个环形缓冲器地址计数器26、27，即发送分支26和接收分支27。发送分支26将数据包请求(TLP＝事务层包)发送到根复合体15以用于从发送数据存储器20、即发送存储器进行读取，对该发送数据存储器还将进行详细探讨。接收分支27以原理上类似的方式发起向接收数据存储器21传输数据包，所述接收数据存储器简称为接收存储器。计数器装置11、发送串行器12和接收数据-分包器13被统称为超声波探头2的数字连接部件。发送数据存储器20与接收数据存储器21一样构成为环形缓冲器并且归属于数据处理单元3的主存储器19。根复合体15也处于数据处理单元3中。

超声波探头2和数据处理单元3之间的连接通过总线系统Bus-S来建立，该总线系统被实现为PCIe系统并且包括线缆14。通过线缆14、即PCIe线缆来建立双向数字数据连接装置。通过该数据连接装置，在超声波系统1运行时同时以高速率在两个方向上传输数据，如下面还要更详细阐述的那样。

被连接到线缆14上的根复合体15在数据处理单元3内被连接到主处理器(CPU)17、存储器管理单元(MNU)16以及图形处理器22上。从根复合体15，信号数据18绕过存储器管理单元16直接被传输到主处理器17。信号数据18在当前情况下是消息信号中断(MSI)，作为由根复合体15提取的消息数据包。MSI 18用于通知发送分支26以及接收分支27的地址计数器站。在超过规定的限度时(这涉及经由发送串行器12以及接收数据-分包器13传输的、从发送存储器20中提取的或者写入接收存储器21中的数据)，计数器的值被改变。利用这些计数器(这些计数器在优选设计方案中可以采取大于1的值并且用作计数信号量)，不仅控制环形缓冲器20、21的填充和排空，而且对主处理器17和图形处理器22之间的配合作用也具有显著影响。

通常也被称为处理器的图形处理器22包括多个、例如4096个运算器23以及一个存储单元24。借助图形处理器22运行显示设备25，即可同步于图像输出速率的屏幕。数据处理单元3的部件15、16、17、19、22共同构成计算单元。

利用根据图1的超声波系统1可执行的方法在图2中被说明。在此，总共十二个方法步骤用S1至S12表示。作为步骤S1、即该方法的开始，要理解的是提供超声波探头2和与该超声波探头通过实时总线系统BUS-S连接的数据处理单元3。数据处理单元3利用本身已知的标准操作系统BS来运行，该标准操作系统被简称为操作系统。操作系统BS具有在1ms至10ms的数量级中的典型的响应时间并且因此不满足硬实时要求。操作系统BS也被称为1ms域。在操作系统BS中在步骤S2中生成操控数据，所述操控数据最终对于操控声音转换器元件5是必需的。在步骤S3中，将操控数据写入到发送存储器20中。与主处理器17相反，发送存储器20以及接收存储器21被归属于实时总线系统BUS-S。

在步骤S4中，由超声波探头2触发的操控数据从发送存储器20中读取并且经由线缆14、即经由数据连接装置14传输到超声波探头2。借助线缆14和根复合体15所构建的实时总线系统BUS-S以10ms数量级的抖动来工作并且因此被称为10ms域。

从发送存储器20读取的数据通过串流实际上无中断地并且以恒定的数据速率传输到无状态的超声波探头2。在超声波探头2中通过时钟设定器10预设8ns时钟，其中，时钟不精确性处于10ps的数量级中。探头系统(Son-S)中的相应时域相应地表示10ps域。

在步骤S5中，通过使用串流的操控数据，由发送和接收元件5产生超声波脉冲，并且由相同的元件5接收回波。在步骤S6中借助前置放大器8以恒定的放大率(gain增益)来放大接收到的回波。在步骤S7中通过模数转换器9进行数字化。

在步骤S8中，数字化的数据通过串流通过线缆14被传输并且被写入到接收存储器21中。通过线缆14向数据处理单元3传输数据与通过超声波探头2从数据处理单元3接收数据同时进行。

与传输过程异步地，在步骤S9中从接收存储器21读取数据并且在步骤S10中将该数据分配给各个运算器23。在步骤S11中通过运算器23生成部分图像表示射束成形(波束成形)。最后的图像生成(图像成形)、也就是说超声波图像的合成，在步骤S12中进行。

从通过声音转换器元件5接收超声波回波到在显示设备25上输出超声波图像的时间段小于100ms，使得对于用户给出观察实时图像的印象。事实上，以所述方式，数据处理总共经历三个时域，其中，在具有最小时钟不精确性的时域中，即在探头系统Son-S中，数据处理被降低到最小，然而给出每秒多个Gbit的非常高的数据速率。

在这种情况下，具有这样高速率的数据既由超声波探头2接收也由超声波探头2发送。每时间单位接收到的数据量与每时间单位所发送的数据量相差不超过五倍。由超声波探头2接收到的数据的非常高的速率直接与超声波探头2的无状态运行有关。虽然用于双向数据传输的线缆14具有时钟不精确性，该时钟不精确性使探头系统Son-S的精度失去多个数量级，但是与标准操作系统BS相比满足相对高的实时要求。

射束成形的整个过程被设置到在操作系统BS下运行的数据处理单元3中。这尤其是意味着，在触发单个的所谓的通过超声波探头2的发射时，也就是说在生成要评估其回波的超声波信号时，不仅如在现有技术中通常的那样观察窄的部分区域、也就是说一个或几个图像列，而且记录在物理上归属于发送脉冲的所有回波数据并且在没有数字处理的情况下进行传输、也就是串流。在数据处理单元3内才从所记录的数据中提取子集，所述子集用于生成部分图像并且最后生成总体图像。

附图标记列表

1 超声波系统

2 超声波探头

3 数据处理单元

4 模拟前端

5 发送和接收元件、声音转换器元件

6 发送接收分离器

7 功率发送器、发送端级

8 前置放大器

9 模数转换器

10 时钟设定器、时钟

11 计数器装置

12 发送串行器

13 接收数据分包器

14 数据连接装置、线缆

15 根复合体

16 存储器管理单元

17 主处理器、CPU

18 MSI数据包、信号数据

19 主存储器

20 发送存储器、环形存储器

21 接收存储器、环形存储器

22 处理器、图形处理器

23 运算器

24 存储器

25 显示设备

26 计数器装置的发送分支

27 计数器装置的接收分支

BS 操作系统、标准操作系统

Bus-S 实时总线系统

Son-S 探头系统

S1...12 方法步骤。