DE102008028736A1

DE102008028736A1 - Verfahren zur Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallstrahlung in einer Gewebeschicht und Ultraschallsystem zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE102008028736A1
Application number: DE102008028736A
Authority: DE
Inventors: Josef Dr. Kozak; Henrik Alenkovic
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2009-12-24
Also published as: US20090312641A1

Abstract

Um bei einem Verfahren zur Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallstrahlung in einer Gewebeschicht, die einer Ultraschallstrahlung reflektierenden Struktur vorgelagert ist, bei dem man von einem unmittelbar außerhalb der Gewebeschicht angeordneten Sender Ultraschallstrahlung durch die Gewebeschicht auf die Struktur sendet und die an der Struktur reflektierte Ultraschallstrahlung mit einem unmittelbar außerhalb der Gewebeschicht angeordneten Empfänger empfängt, die Genauigkeit der Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass man die Ultraschallstrahlung in Form von Ultraschallimpulsen aussendet und für mindestens zwei verschiedene Abstände I1 und I2 zwischen Sender und Empfänger die Laufzeiten t1 beziehungsweise t2 der Ultraschallstrahlungsimpulse zwischen Aussenden und Empfangen bestimmt, und dass man aus den beiden Abständen I1 und I2 von Sender und Empfänger und aus den beiden Laufzeiten t1 und t2 die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallstrahlung in der Gewebeschicht berechnet. Es wird ein Ultraschallsystem zur Durchführung dieses Verfahrens angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallstrahlung in einer Gewebeschicht, die einer Ultraschallstrahlung reflektierenden Struktur vorgelagert ist, bei dem man von einem unmittelbar außerhalb der Gewebeschicht angeordneten Sender Ultraschallstrahlung durch die Gewebeschicht auf die Struktur sendet und die an der Struktur reflektierte Ultraschallstrahlung mit einem unmittelbar außerhalb der Gewebeschicht angeordneten Empfänger empfängt.
Bei der Untersuchung von Strukturen in einem Körper, insbesondere von Knochenstrukturen, die von einer Weichgewebeschicht bedeckt sind, ist es notwendig, die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallstrahlung in der Weichgewebeschicht zu kennen. Bei einer solchen Untersuchung wird die Ultraschallstrahlung von einem Sender, der unmittelbar an die Gewebeschicht angelegt wird, durch die Gewebeschicht hindurch auf die knöcherne Struktur gerichtet, von dieser reflektiert und dann von einem Empfänger empfangen, der außerhalb der Gewebeschicht unmittelbar an diese angrenzt. Bei Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallstrahlung kann man aus dem zeitlichen Abstand zwischen Aussenden und Empfangen der Ultraschallstrahlung den Weg berechnen, den die Ultraschallstrahlung vom Aussenden zum Reflexionspunkt und dann zurück zum Empfänger zurückgelegt hat und damit den Abstand der knöchernen Struktur von der Außenseite der Gewebeschicht. Normalerweise wird bei der Untersuchung eines Körpers für diese Gewebeschicht ein Wert der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallstrahlung angenommen, beispielsweise eine Geschwindigkeit von 1540 m/s. Dabei handelt es sich jedoch um einen Wert, der von der tatsächlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit in unterschiedlich ausgebildetem Gewebe abweicht. In Fettgewebe beispielsweise beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit 1458 m/s, in Muskelgewebe 1630 m/s. Man erhält daher bei Verwendung des beschriebenen Standardwertes von 1540 m/s unter Umständen fehlerhafte Messungen des Abstandes zwischen der Außenseite der Gewebeschicht und der die Ultraschallstrahlung reflektierenden knöchernen Struktur.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so zu verbessern, dass ein Wert der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallstrahlung bestimmt werden kann, der besser als der genannte Standardwert die tatsächlichen Ausbreitungsgeschwindigkeitswerte der Gewebeschicht berücksichtigt.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass man die Ultraschallstrahlung in Form von Ultraschallimpulsen aussendet und für mindestens zwei verschiedene Abstände I₁ und I₂ zwischen Sender und Empfänger die Laufzeiten t₁ beziehungsweise t₂ der Ultraschallimpulse zwischen Aussenden und Empfangen bestimmt und dass man aus den beiden Abständen I₁ und I₂ von Sender und Empfänger und aus den beiden Laufzeiten t₁ und t₂ die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallstrahlung in der Gewebeschicht berechnet.
Durch die unterschiedlichen Abstände von Sender und Empfänger ergeben sich unterschiedliche Wege für die Ultraschallstrahlung zwischen dem Aussenden, der Reflexion und dem Empfangen. Diese Wege hängen vom Abstand ab zwischen der Außenseite der Gewebeschicht, an die Sender und Empfänger ange legt sind, und der knöchernen Struktur, und diesen Abstand kennt man zunächst nicht, so dass es auch nicht möglich ist, die Länge des Weges zu bestimmen, den die Ultraschallstrahlung zurückgelegt hat. Durch mindestens zwei unterschiedliche Messungen mit unterschiedlichen Abständen von Sender und Empfänger jedoch erhält man die Möglichkeit, diesen unbekannten Abstand unberücksichtigt zu lassen und trotzdem aufgrund der Laufzeitmessungen längs der beiden unterschiedlichen Wege eine mittlere Ausbreitungsgeschwindigkeit für den Ultraschall in der Gewebeschicht zu bestimmen. Dies liegt daran, dass man bei der Berechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit aus den Laufzeitmessungen davon ausgehen kann, dass der Abstand zwischen der Außenseite der Gewebeschicht und der knöchernen Struktur bei beiden Messungen gleich ist und dass außerdem in beiden Fällen der Einfallswinkel und der Reflexionswinkel der Ultraschallstrahlung an der knöchernen Struktur gleich sind. Dadurch ergeben sich einfache Beziehungen zwischen den Abständen I₁ und I₂ und den beiden zugehörig gemessenen Laufzeiten t₁ und t₂.
Bei dieser Bestimmung wird außerdem angenommen, dass die Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit in der Gewebeschicht überall gleich ist. Es wird also eine mittlere Ausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt, die jedoch variiert, wenn die Gewebeschichten insgesamt unterschiedlich zusammengesetzt sind. Die auf diese Weise bestimmte mittlere Ultraschallgeschwindigkeit einer Gewebeschicht ist in der Regel wesentlich besser an die jeweilige Gewebeschicht angepasst als die eingangs erörterte Standardultraschallausbreitungsgeschwindigkeit.
Es ist vorteilhaft, wenn man Sender und Empfänger für beide Abstände I₁ und I₂ in einer gemeinsamen Ebene und längs einer gemeinsamen Linie anordnet.
Diese Linie kann eine Gerade sein, es ist aber auch möglich, dass es sich dabei um eine gebogene Linie handelt, so dass der Verlauf dieser Linie an die Außenkontur der Gewebeschicht angepasst ist.
Günstig ist es, wenn man Sender und Empfänger so anordnet, dass die Mitten ihres Abstandes I₁ beziehungsweise I₂ zusammenfallen. Diese zusammenfallende Mitte kann dann unmittelbar über der zu bestimmenden knöchernen Struktur angeordnet werden, das heißt unmittelbar an der Stelle, an der der Abstand der Außenfläche der Gewebeschicht von der knöchernen Struktur gemessen werden soll.
Besonders vorteilhaft lässt sich dieses Verfahren dann durchführen, wenn man die von dem Sender ausgehende Ultraschallstrahlung im Bereich der Struktur fokussiert. Es ist durch geeignete Techniken möglich, die Ultraschallstrahlung vom Sender nicht homogen abzustrahlen, sondern eine Fokussierung in einer bestimmten Richtung und in einem bestimmten Abstand vom Sender zu erreichen, so dass in diesem Bereich die Intensität der Ultraschallstrahlung besonders groß ist. Dies kann durch linsenähnliche Bauteile des Ultraschallsenders erreicht werden, bei einem besonders bevorzugten Verfahren wird so vorgegangen, dass man zur Fokussierung mehrere nebeneinander liegende Ultraschallsender gleichzeitig aktiviert, so dass sich die von diesen Ultraschallsendern ausgehenden Ultraschallstrahlen überlagern und durch Interferenz Bereiche ausbilden, in denen die Intensität der Ultraschallstrahlung besonders groß ist.
Bei der Ultraschalluntersuchung von knöchernen Strukturen, denen eine Gewebeschicht vorgelagert ist, ergeben sich häufig Störungen durch Reflexionen der Ultraschallstrahlung an anderen Strukturen, die in die Gewebeschicht eingelagert sind und die in der Regel wesentlich kleiner sind als die knöcherne Struktur, deren Lage und deren Abstand von der Außenseite der Gewebeschicht bestimmt werden soll. Um diese Störungen in ihren Auswirkungen herabzusetzen oder sie ganz auszuschalten, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass man die Lage der Sender und Empfänger verändert, um dadurch die Ultraschallstrahlung auf verschiedenen Wegen durch die Gewebeschicht gegen die Struktur zu richten, und dass man die von den Empfängern erhaltenen Signale über mehrere verschiedene Wege mittelt, um dadurch nicht von der Struktur sondern an Störstrukturen erzeugte Reflexionen von Reflexionen an der Struktur zu trennen. Aufgrund der statistischen Verteilung der einzelnen Störstrukturen ergibt sich daher für jeden Weg der Ultraschallstrahlung ein anderes Muster, während die Reflexion an der zu untersuchenden Struktur in allen Fällen erhalten bleibt und daher bei der Mittelung über mehrere Messungen gegenüber den Störsignalen herausgefiltert werden kann.
Beispielsweise kann man die Abstände I₁ und/oder I₂ von Sendern und Empfängern verändern und damit den Winkel der Ultraschallstrahlrichtung.
Bei einem anderen Verfahren verschiebt man Sender und Empfänger mit jeweils konstantem Abstand I₁ beziehungsweise I₂ seitlich. Da die knöcherne Struktur, die untersucht werden soll, in der Regel eine gewisse Ausdehnung hat, kann man auf diese Weise mit guter Genauigkeit die Ultraschallstrahlung so auf unterschiedlichen Wegen führen, dass bei der Mittelung die Störreflexionen weitgehend unterdrückt werden.
Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallsystem mit einem Sender für Ultraschallstrahlungsimpulse, einem Empfänger für Ultraschallstrahlung, einer Messeinrichtung zur Bestimmung der Laufzeit der Ultraschallstrahlungsimpulse vom Aussenden durch den Sender bis zum Empfänger der an einer Struktur reflektierten Ultraschallstrahlungsimpulse und mit einer Datenverarbeitungseinrichtung so weiterzuentwickeln, dass mit diesem Ultraschallsystem ein für die Gewebeschicht angepasster Wert der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallstrahlung bestimmt wird.
Dies wird bei einem Ultraschallsystem der vorstehend beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Abstand des Senders und des Empfängers derart veränderbar ist, dass mindestens zwei Abstände I₁ beziehungsweise I₂ einstellbar sind, und dass die Datenverarbeitungeinrichtung so programmiert ist, dass sie aus den Abständen I₁ und I₂ und den diesen entsprechenden Laufzeiten t₁ beziehungsweise t₂ der Ultraschallimpulse die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallstrahlung in einer zwischen Sender und Empfänger einerseits und der Struktur andererseits angeordneten Gewebeschicht berechnet.
Ein solches Ultraschallsystem sendet also selbständig auf zwei unterschiedlich langen Wegen Ultraschallstrahlung durch die Gewebeschicht zu der knöchernen Struktur, bestimmt dabei die Laufzeit der Ultraschallimpulse und berechnet aus diesen beiden Messungen einen an die Gewebeschicht angepassten Wert der Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit.
Es ist dabei vorteilhaft, wenn Sender und Empfänger für beide Abstände I₁ und I₂ in einer gemeinsamen Ebene und längs einer gemeinsamen Linie angeordnet sind. Insbesondere können die Mitten der Abstände I₁ und I₂ zusammenfallen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ultraschallsystem eine Steuerung umfasst, die zur Fokussierung mehrere nebeneinander liegende Ultraschallsender gleichzeitig aktiviert, so dass sich die von diesen Ultraschallsendern ausgehenden Ultraschallstrahlen überlagern und durch Interferenz Bereiche ausbilden, in denen die Intensität der Ultraschallstrahlung besonders groß ist.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Ultraschallsystem eine Steuerung umfasst, die die Lage der Sender und Empfänger verändert, um dadurch die Ultraschallstrahlung auf verschiedenen Wegen durch die Gewebeschicht gegen die Struktur zu richten, und dass die Datenverarbeitungeinrichtung die von den Empfängern erhaltenen Signale über mehrere verschiedene Wege mittelt, um dadurch nicht von der Struktur sondern an Störstrukturen erzeugte Reflexionen von Reflexionen an der Struktur zu trennen.
Beispielsweise kann die Steuerung die Abstände I₁ und/oder I₂ von Sendern und Empfängern verändern und damit den Winkel der Ultraschallstrahlrichtung.
Bei einer anderen Ausführungsform verschiebt die Steuerung Sender und Empfänger mit jeweils konstantem Abstand I₁ und I₂ seitlich, so dass die Ultraschallstrahlung auf parallel zueinander verlaufenden unterschiedlichen Wegen durch die Gewebeschicht läuft.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ultraschallsystem ein Array von mehreren nebeneinander liegenden Sendern aufweist. Durch Aktivierung unterschiedlicher Sender kann der Abstand von einem oder gegebenenfalls auch mehreren Sendern dadurch variiert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Steuerung mehrere nebeneinander liegende Sender des Arrays gleichzeitig aktiviert. Dadurch ergibt sich eine Überlagerung der von den mehreren Sendern ausgesandten Ultraschallstrahlung, die zu einer Fokussierung und zu einer Ausstrahlung der Ultraschallstrahlung in einer bestimmten Richtung führt.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Ultraschallsystem ein Array von mehreren nebeneinander liegenden Empfängern aufweist, die beim Empfang einer Ultraschallstrahlung ein elektrisches Signal an die Messeinrichtung übermitteln.
Die Sender und die Empfänger können an einem einzigen Ultraschallkopf in einem einzigen Array angeordnet werden, beispielsweise in einem Array längs einer Geraden oder einer gebogenen Linie.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
1: einen Patienten mit einem an ihn angelegten Ultraschallkopf und einem Ultraschallsystem zur Bestimmung der Ausbrei tungsgeschwindigkeit der Ultraschallstrahlung in einer eine knöcherne Struktur bedeckenden Gewebeschicht;
2: eine schematische Ansicht eines Arrays von mehreren Ultraschallsendern und Ultraschallempfängern mit unterschiedlichen Abständen I₁ und I₂ zwischen Sendern und Empfängern;
3: eine schematische Ansicht der Anordnung der Sender und Empfänger eines Ultraschallkopfes an einer Gewebeschicht und der von der Ultraschallstrahlung zwischen einem Sender, einer die Ultraschallstrahlung reflektierenden knöchernen Struktur und einem Empfänger zurückgelegten Wegstrecken und
4: eine Ansicht ähnlich 3 mit zwei unterschiedlichen Anordnungen von Sendern und Empfängern, die denselben Abstand I₁ aufweisen.
In 1 ist ein Patient 1 auf einer Operationsliege 2 dargestellt, der mit Hilfe eines Ultraschallsystems 3 untersucht wird. Das Ultraschallsystem umfasst einen Ultraschallkopf 4, der über eine Leitung 5 mit einer Messeinrichtung und einer Datenverarbeitungeinrichtung 6 verbunden ist.
Der Ultraschallkopf 4 wird zur Untersuchung des Patienten auf die Körperoberfläche aufgesetzt, beispielsweise an einer bestimmten Stelle des Beckenknochens 7, der in diesem Bereich von einer Gewebeschicht 8 überdeckt ist. Zur Untersuchung des Patienten wird von dem Ultraschallkopf 4 Ultraschallstrahlung durch diese Gewebeschicht 8 hindurch auf den Beckenknochen 7 gerich tet. Dieser Beckenknochen 7 bildet eine Struktur aus, deren Abstand von der Außenseite 9 der Gewebeschicht 8 bestimmt werden soll (3). Nachstehend wird die Grenzfläche zwischen der Gewebeschicht 8 einerseits und dem Beckenknochen 7 andererseits als knöcherne Struktur oder noch einfacher als Struktur bezeichnet im Gegensatz zu der Weichgewebeschicht, die zwischen dem Ultraschallkopf 4 und der Struktur angeordnet ist und die nachstehend als Gewebeschicht 8 bezeichnet wird.
In dem Ultraschallkopf 4 sind längs einer vorzugsweise geraden Linie unmittelbar nebeneinander eine größere Anzahl von diskreten Sendern 10 und diskreten Empfängern 11 angeordnet. Die Sender 10 können von einer in der Mess- und Datenverarbeitungeinrichtung 6 angeordneten Steuerung einzeln aktiviert werden, so dass sie dann einen Ultraschallimpuls aussenden. Die Empfänger 11 können auf sie auftreffende Ultraschallstrahlung empfangen und dementsprechend elektrische Signale erzeugen, die sie über die Leitung 5 der Mess- und Datenverarbeitungeinrichtung 6 zuführen.
In 3 ist schematisch ein auf die Außenseite 9 einer Gewebeschicht 8 aufgesetzter Ultraschallkopf 4 mit einer arrayartigen Anordnung von Sendern und Empfängern dargestellt, jedoch sind von den Sendern und Empfängers des Arrays nur ein erster Sender S₁ und ein zweiter Sender S₂ und von den Empfängern nur ein erster Empfänger E₁ und ein zweiter Empfänger E₂ gezeigt, die übrigen Sender und Empfänger sind aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen worden.
Die Dicke der Gewebeschicht 8 beträgt h, und die Gewebeschicht 8 grenzt unmittelbar an die knöcherne Struktur 12 an, an der durch die Gewebeschicht laufende Ultraschallstrahlung reflektiert wird.
Zur Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalles in der Gewebeschicht 8 aktiviert die Steuerung zunächst nur einen Sender S₁, der Ultraschallstrahlung gegen die Struktur 12 richtet. Diese Ultraschallstrahlung wird an der Struktur 12 reflektiert, wobei der Einfallswinkel und der Reflexionswinkel gleich sind. Diese Wege der Ultraschallstrahlung zwischen dem Sender S₁ und der Struktur 12 sind mit a1 und zwischen der Struktur 12 und einem bestimmten Empfänger E₁, der vom Sender S₁ einen bestimmten Abstand I₁ aufweist, mit b1 bezeichnet. Aufgrund der Gleichheit des Einfalls- und des Reflexionswinkels bilden der Abstand I₁ sowie die Wege a1 und b1 ein gleichschenkeliges Dreieck aus, dessen Mitte unmittelbar oberhalb der Reflexionsstelle an der Struktur 12 liegt.
In analoger Weise ergibt sich für einen unterschiedlichen Sender S₂ und einen unterschiedlichen Empfänger E₂, die einen Abstand von I₂ zueinander einnehmen, für die Ultraschallstrahlung ein Weg, der in 3 mit a2 beziehungsweise b2 gekennzeichnet ist. Auch hier bilden der Abstand I₂ sowie die Wege a2 und b2 ein gleichschenkliges Dreieck aus, das bei dem Ausführungsbeispiel der 3 so angeordnet ist, dass die Spitze dieses gleichschenkligen Dreieckes mit der Spitze des gleichschenkligen Dreiecks zusammenfällt, das durch den Abstand I₁ sowie die Wege a2 und b1 gebildet wird. Damit liegen die Mitten der Abstände I₁ und I₂ übereinander und über der Reflexionsstelle der Struktur 12.
Die Messeinrichtung 6 misst die Laufzeit der Ultraschallsimpulse zwischen dem Aussenden durch die Sender S₁ und S₂ und den Empfang der reflektierten Strahlung durch die Empfänger E₁ beziehungsweise E₂. Es werden damit aufgrund der unterschiedlich langen Laufwege unterschiedliche Laufzeit t₁ und t₂ gemessen.
Die Wege a1 und b1 sowie die Wege a2 und b2 sind wegen der Gleichheit der Einfalls- und Reflexionswinkel der Ultraschallstrahlung untereinander gleich. Außerdem wird von der Annahme ausgegangen, dass die Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit c in der ganzen Gewebeschicht 8 gleich ist.
Damit ergeben sich für die zunächst unbekannte Dicke h der Gewebeschicht 8 zwei Beziehungen, nämlich 4 h2 = (c·t1)2 + (I1)2 4 h2 = (c·t2)2 + (I2)2.
In diesen beiden Beziehungen sind die Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit c und die Dicke der Gewebeschicht h unbekannt, die übrigen Größen ergeben sich durch die Messung. Da für die unbekannte Dicke h zwei Beziehungen zur Verfügung stehen, kann die Größe h eliminiert werden, so dass sich insgesamt für die Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit c folgende Beziehung ergibt:
Dabei ist I₁ der Abstand zwischen dem Sender S₁ und dem Empfänger E₁, I₂ der Abstand zwischen dem Sender S₂ und dem Empfänger E₂, t₁ die Laufzeit der Ultraschallstrahlung zwischen dem Sender S₁ und dem Empfänger E₁ und t₂ die Laufzeit der Ultraschallstrahlung zwischen dem Sender S₂ und dem Empfänger E₂.
Diese Berechnung wird von der Datenverarbeitungeinrichtung durchgeführt und ergibt somit einen Wert für die Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit c in der Gewebeschicht 8, dieser Wert ist zwar ein über die gesamte Gewebeschicht gemittelter Wert, ist aber ein an die Natur der Gewebeschicht angepasster Messwert, der die tatsächliche Schallausbreitungsgeschwindigkeit wesentlich besser angibt als ein Standardwert, wie er eingangs erörtert worden ist.
Unter Verwendung dieses durch Messung bestimmten Wertes c der Schallausbreitungsgeschwindigkeit kann nun die nachfolgende Ultraschalluntersuchung in der gewohnten Weise durchgeführt werden, so dass damit dann auch die Größe h bestimmt werden kann, also der Abstand der knöchernen Struktur 12 von der Außenseite oder Oberfläche der Gewebeschicht 8.
Bei der Darstellung der 3 ist angenommen, dass Ultraschallstrahlung immer nur von einem einzigen Sender S₁ oder S₂ ausgesandt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform aktiviert die Steuerung jedoch gleichzeitig mehrere Sender, die unmittelbar nebeneinander liegen als Sendergruppe, beispielsweise vier oder fünf nebeneinander liegende Sender, die gemeinsam Ultraschallstrahlung aussenden. Diese Sendergruppe erzeugt dadurch mit der von den einzelnen Sendern ausgesandten Ultraschallstrahlung ein Interferenzmus ter, welches in einer bestimmten Richtung und in einem bestimmten Abstand von den Sendern Maxima und Minima der Ultraschallintensität erzeugt, es ist also eine Fokussierung auf einen bestimmen Bereich möglich, der von der Sendergruppe in einer bestimmten Richtung und Entfernung liegt. Die von dieser Sendergruppe ausgesandte Strahlung wird an der knöchernen Struktur 12 reflektiert und gelangt dann in ähnlicher Weise wie vorher beschrieben auf einen Empfänger, der Abstand des Empfängers von der Mitte der aus Einzelsendern bestehenden Sendergruppe entspricht dem oben beschriebenen Abstand I₁ beziehungsweise I₂, so dass auch bei dieser fokussierten Version in gleicher Weise aus den Laufzeiten der Ultraschallimpulse zwischen den beiden Sendergruppen und den beiden Empfängern die Ultraschallschallausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt werden kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 sind Sender und Empfänger dargestellt, die zwei unterschiedliche Abstände I₁ und I₂ aufweisen. Grundsätzlich wäre es auch möglich, mit einer größeren Anzahl von unterschiedlichen Abständen zwischen Sendern und Empfängern zu arbeiten und dadurch zu erreichen, dass die Ultraschallstrahlen eine größere Anzahl unterschiedlicher Winkel einnehmen und damit auch unterschiedliche Wege durchlaufen. Dadurch kann erreicht werden, dass die Ultraschallstrahlung auf den unterschiedlichen Wegen bei Störreflektoren in der Gewebeschicht nicht alle in gleicher Weise durch diese Störreflektoren beeinflusst werden, da in der Regel die Störreflektoren relativ klein sind, während die zu untersuchende Struktur 12 großflächig ist. Durch die unterschiedlichen Winkel werden die Ultraschallstrahlungen daher zwar alle von der Struktur 12 reflektiert werden, aber nur einige von den Störreflektoren, und zwar in unterschiedlicher Weise. Durch eine Mittelung lassen sich daher die Einflüsse der Störreflektoren reduzieren oder ganz vermeiden, während die Signale, die auf der Reflexion an der Struktur 12 beruhen, in allen Fällen erhalten bleiben.
Unterschiedliche Wege für die Ultraschallstrahlung können auch dadurch erreicht werden, dass bei gleich bleibendem Abstand zwischen Sender und Empfänger der Ultraschallkopf längs der Gewebeschicht geringfügig verschoben wird. Dabei werden die Wege der Ultraschallstrahlung parallel zu sich selbst verschoben und treffen auch auf unterschiedliche Störreflektoren, während alle Strahlen auch weiterhin auf die knöcherne Struktur 12 treffen, die in der Regel eine größere Ausdehnung hat und daher alle parallel zu sich selbst verschobenen Ultraschallstrahlen reflektieren wird. Dies ist in 4 am Beispiel der Sender S₁ und Empfänger E₁ dargestellt, dort sind durch seitliche Verschiebung sowohl des Senders S₁ als auch des Empfängers E₁ bei gleich bleibendem Abstand I₁ unterschiedliche Wege für die Ultraschallstrahlung realisiert. In der Darstellung der 4 sind dann die Wege der Ultraschallstrahlung nicht dargestellt, die bei unterschiedlichem Abstand von Sender und Empfänger zusätzlich realisiert werden, um die Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit in der Gewebeschicht zu bestimmen. Bei dieser Messung mit unterschiedlichem Abstand von Sender und Empfänger wird ähnlich vorgegangen wie bei dem Sender S₁ und dem Empfänger E₁ in 4, auch hier wird durch eine Verschiebung des Senders und des Empfängers ein unterschiedlicher Weg für die Ultraschallstrahlung vorgegeben.
Die Messung kann insbesondere dann, wenn eine Fokussierung der Strahlung vorgenommen wird, noch dadurch verbessert werden, dass die Dicke h der Gewebeschicht nach einer ersten Messung in der beschriebenen Weise bestimmt wird und dass dann diese so bestimmte Dicke verwendet wird, um im Abstand h von der Oberfläche der Gewebeschicht 8 die Ultraschallstrahlung zu fokussieren. Die Fokussierung erfolgt dann unmittelbar in dem Bereich, der der knöchernen Struktur 12 vorgelagert ist, und dadurch lässt sich insgesamt die Genauigkeit und auch die Empfindlichkeit der Messung sukzessive verbessern.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallstrahlung in einer Gewebeschicht, die einer ultraschallreflektierenden Struktur vorgelagert ist, bei dem man von einem unmittelbar außerhalb der Gewebeschicht angeordneten Sender Ultraschallstrahlung durch die Gewebeschicht auf die Struktur sendet und die an der Struktur reflektierte Ultraschallstrahlung mit einem unmittelbar außerhalb der Gewebeschicht angeordneten Empfänger empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass man die Ultraschallstrahlung in Form von Ultraschallimpulsen aussendet und für mindestens zwei verschiedene Abstände I₁ und I₂ zwischen Sender und Empfänger die Lautzeiten t₁ beziehungsweise t₂ der Ultraschallstrahlungsimpulse zwischen Aussenden und Empfangen bestimmt, und dass man aus den beiden Abständen I₁ und I₂ von Sender und Empfänger und aus den beiden Laufzeiten t₁ und t₂ die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallstrahlung in der Gewebeschicht berechnet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man Sender und Empfänger für beide Abstände I₁ und I₂ in einer gemeinsamen Ebene und längs einer gemeinsamen Linie anordnet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man Sender und Empfänger so anordnet, dass die Mitten ihres Abstandes I₁ beziehungsweise I₂ zusammenfallen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die von dem Sender ausgehende Ultraschallstrahlung im Bereich der Struktur fokussiert.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Fokussierung mehrere nebeneinander liegende Ultraschallsender gleichzeitig aktiviert, so dass sich die von diesen Ultraschallsendern ausgehenden Ultraschallstrahlen überlagern und durch Interferenz Bereiche ausbilden, in denen die Intensität der Ultraschallstrahlung besonders groß ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Lage der Sender und Empfänger verändert, um dadurch die Ultraschallstrahlung auf verschiedenen Wegen durch die Gewebeschicht gegen die Struktur zu richten, und dass man die von den Empfängern erhaltenen Signale über mehrere verschiedene Wege mittelt, um dadurch nicht von der Struktur sondern an Störstrukturen erzeugte Reflexionen von Reflexionen aus der Struktur zu trennen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die Abstände I₁ und/oder I₂ von Sendern und Empfängern verändert und damit den Winkel der Ultraschallstrahlrichtung.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man Sender und Empfänger mit jeweils konstantem Abstand I₁ beziehungs weise I₂ seitlich verschiebt.
Ultraschallsystem mit einem Sender für Ultraschallstrahlungsimpulse, einem Empfänger für Ultraschallstrahlung, einer Messeinrichtung zur Bestimmung der Laufzeit der Ultraschallstrahlungsimpulse vom Aussenden durch den Sender bis zum Empfangen der an einer Struktur reflektierten Ultraschallstrahlungsimpulse und mit einer Datenverarbeitungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Senders (S₁, S₂) und des Empfängers (E₁, E₂) derart veränderbar ist, dass mindestens zwei Abstände I₁ beziehungsweise I₂ einstellbar sind, und dass die Datenverarbeitungeinrichtung (6) so programmiert ist, dass sie aus den Abständen I₁, I₂ und den diesen entsprechenden Laufzeiten t₁ beziehungsweise t₂ der Ultraschallimpulse die Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Ultraschallstrahlung in einer zwischen Sender (S₁, S₂) und Empfänger (E₁, E₂) einerseits und der Struktur (12) andererseits angeordneten Gewebeschicht (8) berechnet.
Ultraschallsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Sender (S₁, S₂) und Empfänger (E₁, E₂) für beide Abstände I₁, I₂ in einer gemeinsamen Ebene und längs einer gemeinsamen Linie angeordnet sind.
Ultraschallsystem nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mitten der Abstände I₁, I₂ zusammenfallen.
Ultraschallsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuerung umfasst, die zur Fokussierung mehrere nebeneinander liegende Ultraschallsender (10) gleichzeitig aktiviert, so dass sich die von diesen Ultraschallsendern (10) ausgehenden Ultraschallstrahlen überlagern und durch Interferenz Bereiche ausbilden, in denen die Intensität der Ultraschallstrahlung besonders groß ist.
Ultraschallsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuerung umfasst, die die Lage der Sender (S₁, S₂) und Empfänger (E₁, E₂) verändert, um dadurch die Ultraschallstrahlung auf verschiedenen Wegen durch die Gewebeschicht (8) gegen die Struktur zu richten, und dass die Datenverarbeitungseinrichtung (6) die von den Empfängern (E₁, E₂) erhaltenen Signale über mehrere verschiedene Wege ermittelt, um dadurch nicht von der Struktur sondern an Störstrukturen erzeugte Reflexionen von Reflexionen an der Struktur zu trennen.
Ultraschallsystem nach Ansprüche 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung die Abstände I₁ und/oder I₂ von Sendern (S₁, S₂) und Empfängern (E₁, E₂) verändert und damit den Winkel der Ultraschallstrahlrichtung.
Ultraschallsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung Sender (S₁, S₂) und Empfänger (E₁, E₂) mit jeweils konstantem Abstand I₁, I₂ seitlich verschiebt.
Ultraschallsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Array von mehreren nebeneinander liegen den Sendern (10 aufweist.
Ultraschallsystem nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuerung umfasst, die einen oder mehrere nebeneinander liegende Sender (10) des Arrays gleichzeitig aktiviert.
Ultraschallsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Array von mehreren nebeneinander liegenden Empfängern (E₁, E₂) aufweist, die beim Empfang von Ultraschallstrahlung ein elektrisches Signal an die Messeinrichtung (6) übermitteln.